DE10360604A1

DE10360604A1 - Verbraucher und System

Info

Publication number: DE10360604A1
Application number: DE10360604A
Authority: DE
Inventors: Josef Schmidt; Jochen Mahlein; Olaf Simon
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: AU2004309873A1; CN1890856A; DE502004011836D1; BRPI0414485A; ATE486399T1; EP1698037A1; BRPI0414485B1; CN1890856B; AU2004309873B9; AU2004309873B2; WO2005064763A1; DE10360604B4; US20070145936A1; EP1698037B1; US7750506B2

Abstract

Verbraucher, umfassend Elektromotor und elektronische Schaltung zur Versorgung des Elektromotors, wobei der Verbraucher induktiv versorgt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbraucher und ein System.
In industriellen Anlagen ist bekannt, elektrische Verbraucher, wie beispielsweise elektronische Geräte, Beleuchtungsvorrichtungen, Antriebe, Maschinen und dergleichen, aus einem Netz zu versorgen, insbesondere mit Wechselstrom von 50 oder 60 Hz. Dazu sind die Verbraucher meist mittels kostspieliger Steckverbinder mechanisch angeschlossen und elektrisch verbunden. Außerdem weist eine solche Anlage oder Maschine meist für jeden Antrieb ein T-Stück als Energieabzweigung auf. Diese T-Stücke sind aufwendig zu installieren und kostspielig, besonderes wenn sie in hoher Schutzart für den Nassbereich oder gar den aseptischen Bereich einsetzbar sein müssen. Diese T-Stücke werden auch als Verteilerkästen bezeichnet und umfassen oft auch weitere Vorrichtungsteile, wie beispielsweise Notaus-Schalter. Somit sind sie aufwendig und kostspielig, insbesondere auch hinsichtlich der Installation.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfachere und kostengünstigere Verkabelung bei elektrischen Verbrauchern und Anlagen zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem elektrischen Verbraucher nach den in Anspruch 1 und bei der System nach den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem elektrischen Verbraucher sind, dass er eine elektronische Schaltung zur Versorgung umfasst, wobei der Verbraucher insgesamt induktiv versorgbar ist.
Von Vorteil ist dabei, dass der Verbraucher dicht und in hoher Schutzart in kostengünstiger Weise ausführbar ist. Die berührungslose Versorgung des Verbrauchers ermöglicht nämlich das Gehäuse einfach und schlicht, insbesondere ohne Unebenheiten oder Steckverbinder, auszuführen und somit ein Abfließen von Wasser zu ermöglichen sowie das Festsetzen von Feststoffen zu verhindern. Insbesondere ist er somit in Nassbereichen und aseptischen Bereichen einsetzbar. Die Zeit, welche für das Verkabeln notwendig ist, ist mit der Erfindung reduzierbar. Weiterhin werden Ableitströme, die bei konventioneller Steckerverkabelung auftreten, verhindert, so dass eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit entsteht.
Weiter ist von Vorteil, dass die Einspeisung zu den Verbrauchern potentialfrei ist und die sonst in Anlagen vorhandene Potentialverschleppung sowie Funkentstörmittel bei Trennschaltern entfallen. Außerdem ist eine Blindleistungskompensation, insbesondere im Verbraucher, ermöglicht und somit weist der Wechselstrom kleinere Werte auf, weshalb dann auch kleinere Leitungsdurchmesser beim Primärleiter vorsehbar sind und somit geringere Verkabelungskosten erreichbar sind. Trennschalter sind entbehrlich, da ein Auftrennen durch ein Herausziehen des Primärleiters ersetzbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Primärleiter derart am Verbraucher vorgesehen, dass eine induktive Kopplung mit einer vom Verbraucher umfassten Sekundänwicklung vorsehbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass kein Steckverbinder notwendig ist und somit die Verkabelung schnell und einfach ausführbar ist. Außerdem sind Kosten einsparbar. Da keine Kabelkonfektionierung notwendig ist, kann die Installation auch durch nicht elektrotechnisch geschultes Personal durchgeführt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens ein Primärleiter in einer Vertiefung oder einem Kabelkanal des Verbrauchers vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die Kabelverlegung sehr schnell und einfach ausführbar ist, nämlich durch bloßes Hineindrücken in die Vertiefung oder den Kabelkanal. Zusätzlich ist ein Vergießen mit einer Vergussmasse vorteilig ausführbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens eine Sekundärwicklung um einen U-förmigen und/oder E-förmigen Kern gewickelt oder in einen sehr flach ausgeführten Empfängerkopf integriert. Von Vorteil ist dabei, dass je nach verwendetem Verfahren, gewünschter Leistung und gewünschtem Wirkungsgrad die Ausführung wählbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Primärleiter mindestens teilweise vergossen und/oder mittels eines Deckels geschützt. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders hohe Schutzart erreichbar ist und keine verschmutzungsgefährdeten Hohlräume entstehen. Derartige in Deckel bzw. Halter vergossene Leiterstücke können an einer glatten Gehäuseoberfläche des Verbrauchers montiert werden, so dass keine Vertiefung bzw. kein Kanal am Verbraucher vorgesehen werden muss.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Verbraucher dicht, an der äußeren Oberfläche glatt und/oder in hoher Schutzart ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass der Verbraucher insbesondere zum Einsatz in Nassbereichen und/oder aseptischen Bereichen vorsehbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Verbraucher keinen Steckverbinder oder andere elektrische Anschlussvorrichtungen an seinem Äußeren. Von Vorteil ist dabei wiederum, dass der Verbraucher in einfacher Weise dicht und in hoher Schutzart ausführbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In den 1a, 1b und 1c ist ein Antrieb als erfindungsgemäßer Verbraucher in isometrischer Ansicht, in Schnittansicht und Draufsicht gezeigt. Der Antrieb umfasst einen Elektromotor mit Rotorwelle 2, der von einem Gehäuse 1 umgeben ist. Die elektronische Schaltung zur Versorgung und Steuerung des Elektromotors ist im Wesentlichen vom Gehäuseteil 3 geschützt, das eine Vertiefung 6 aufweist, in welcher ein Primärleiter eingelegt ist mit einer Wicklungsschleife. Die Rückleitung, also der zweite Primärleiter ist nur durchgeführt, also nicht um den Antrieb herum gewickelt.
Das Gehäuseteil 3 umfasst einen Kern 7 mit U-förmigem Querschnitt, in den eine Sekundärwicklung gelegt ist, die die elektronische Schaltung versorgt. Somit ist der Verbraucher berührungslos versorgbar mittels der induktiven Koppelung und somit galvanisch getrennt vom Primärkreis. Ein Abtrennen der Versorgung des Verbrauchers ist durch ein Abwickeln oder Herunternehmen der Schleife des Primärleiters schnell und einfach ermöglicht.
Die Speisung des Primärkreises erfolgt durch eine Vorrichtung, die den mittelfrequenten Primärstrom erzeugt und selbst mit Netzspannung versorgt ist. Insbesondere weist diese Vorrichtung ein Stromquellenverhalten bezüglich des von ihr erzeugten Primärstroms auf.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird Information durch Aufmodulation von höherfrequenten Signalen auf den Primärleiter übertragen, indem die elektronische Schaltung Mittel zur Demodulation der Signale umfasst. Zum Austausch von Informationen umfasst die elektronische Schaltung auch Mittel zur Aufmodulation, wodurch dann auch Signale auf den Primärleiter aufmodulierbar sind.
Auf diese Weise ist also der Antrieb als Verbraucher berührungslos versorgbar. Die Erfindung hat zur Folge, dass eine neuartige Installationstechnik, also ein neuartiges Versorgungsprinzip, in industriellen Anlagen und/oder Maschinen verwirklichbar ist. Denn bei der Installation der Verbraucher müssen diese nun nicht mehr mit kostspieligen Steckverbindern elektrisch verbunden und verkabelt werden sondern es genügt eine Umwicklung eines Primärleiters in der Vertiefung des Antriebs. Da die Versorgung serielle erfolgen kann, ist auch kein Verteilerkasten oder T-Stück notwendig. Ein Abschalten des Verbrauchers ist durch einfach und schnell ausführbares Herausheben oder Herausnehmen des Primärleiters aus dem Verbraucher ermöglicht.
Außerdem ist eine hohe Schutzart realisierbar, da Steckverbinder entfallen und somit der Verbraucher, insbesondere Antrieb, mit seinem Gehäuse in kostengünstiger Weise dicht herstellbar ist. Somit ist der Antrieb insbesondere mit einem glatten Gehäuse herstellbar und somit im Aseptikbereich oder Nassbereich verwendbar.
Mittel zur Potentialtrennung und andere Trenneinrichtungen sind einsparbar, da die Gehäusewanddicke entsprechend dimensionierbar ist und die induktive Ankoppelung leicht trennbar ist.
Die elektronische Schaltung umfasst selbstverständlich auch die sekundärseitigen Mittel für die induktive, also berührungslose Energieübertragung. Bei vorteilhafter Ausführung sind diese Mittel vorteiligerweise passive Bauteile, also Kondensatoren und Wicklungen um Spulenkerne. In einfachster Ausführung ist der Übertragerkopf mit einer Wicklung als Sekundärwicklung umwickelt und ein Kondensator nachgeschaltet, dessen Kapazität mit der Induktivität der Wicklung in Resonanz ist, wobei die Resonanzfrequenz der Frequenz des Wechselstromes im Primärleiter entspricht oder nicht mehr als 10 % abweicht.
Die Antriebe sind seriell mit dem Primärleiter versorgbar. Das Auskoppeln einzelner Motoren ist ermöglicht, ohne dass die Energieversorgung der anderen unterbrochen werden muss. Es ist lediglich nötig, dass die Primärleiter-Leiterschleife um den Antrieb gelöst wird, beispielsweise durch ein Herausheben der Leiterschleife aus der Vertiefung.
Bei der erfindungsgemäßen Verkabelung entfallen T-Stücke.
Der Antrieb ist in den 1a, 1b und 1c als rotorischer Antrieb gezeichnet. In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird der Antrieb als Linearantrieb ausgeführt und induktiv versorgt.
In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist statt des Antriebs ein anderer elektrischer Verbraucher erfindungsgemäß mit Mitteln zur induktiven Versorgung ausgestattet.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen gemäß 2a, 2b, 2c befinden sich an der B-Seite Kerne 27, 28 mit U-förmigem Querschnitt bei Vertiefungen für die Primärleiter 21 und 22. Eine Schelle 23 dient zur Fixierung der Primärleiter in ihren Vertiefungen. Für die Funktion ist nur ein Kern 27 notwendig. Der weitere Kern 28 erhöht den Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung. Die Sekundärwicklungen auf den beiden Kernen 27, 28 sind zusammengeschaltet und versorgen die elektronische Schaltung, die wiederum im Bereich des Gehäusedeckels 26 angeordnet ist, der B-seitig am Gehäuse 1 vorgesehen ist.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen gemäß 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, welche verschiedene Ansichten, teilweise mit Ausblendung von Materialkomponenten wie in 3b gezeigt, darstellen, ist der erste Primärleiter 32 in einem Kabelkanal 34 geführt, der in einer Halbschleife nach oben vorgesehen ist. Der zweite Primärleiter 33 wird in einer entsprechenden Halbschleife nach unten geführt. Zur induktiven Kopplung sind ein E-förmiger Kern 36 in der oberen Halbschleife und ein zweiter E-förmiger Kern 35 in der unteren Halbschleife vorgesehen, insbesondere im Material des Deckels. Die E-förmigen Kerne sind mit ihren Schenkeln des E an das Gehäuseteil 37 herangeführt. Das Gehäuseteil 37 schützt eine Platine, welche als Leiterbahnen ausgeführte spiralförmig verlaufende Wicklungen trägt, die als Sekundärwicklungen vorgesehen sind. Insbesondere ist ein flacher E-förmiger Kern auf diese Platine derart aufgesetzt und derart orientiert, dass dessen Schenkel in Verlängerung die Schenkel des E-förmigen Kerns 36 treffen. Somit ist eine sehr gute induktive Kopplung erreichbar, wie in 3i angedeutet. Die Platine ist auch bestückbar mit weiteren elektronischen Bauelementen.
Der in 3a gezeigte Deckel 31 ist für mechanische Schutzfunktion und als Klemmeinrichtung, also Zugentlastung, vorgesehen. In der 3b ist Material des Deckels 31 weggelassen, so dass die E-förmigen Kerne 35, 36 sichtbar sind und auch die Kabelkanäle 34. Der Deckel ist mit dem Gehäuse 1 lösbar verschraubbar.
In 3l ist nochmals deutlicher zu sehen, wie die Primärleiter 32, 33 in die als Vertiefungen ausgeführten Kabelkanäle hineingedrückt sind.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen umfasst dieser Deckel magnetisch leitendes Material zur verbesserten Energieeinkopplung. Insbesondere ist dieses Material auch vorteiligerweise U- oder E-förmig geformt.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden die Primärleiter 32, 33 in den Kabelkanälen mit Vergussmasse zur Fixierung und Abdichtung vorgesehen.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind gemäß 3i im Gehäuse 1 zwei E-förmige Kerne 41 eingelegt, um deren Mittelschenkel herum eine Sekundärwicklung gelegt ist. Die Befestigung des Deckels 31 erfolgt in Gewindebohrlöchern 40. In 3j ist der Bereich 50 für einen flachen Empfängerkopf gezeigt. Dessen Sekundärwicklung ist als Platinenlayout, also sehr flach auf einer Platine, ausgeführt. Die Platine ist in Form des Bereiches 50 ausgeführt. Die Platine ist mit einem E-förmigen Kern bestückt, wobei die Sekundärwicklung um den Mittelschenkel des E herum gewickelt ist und die beiden anderen Schenkel im Außenbereich um die Sekundärwicklung herum angeordnet ist. Die Schenkel sind sehr kurz ausgeführt, insbesondere im Vergleich zur Gesamtlänge des E. Der Übertragerkopf ist also nach den in der DE 103 12 284.2 offenbarten Lehre ausgeführt.
Die Verbraucher sind seriell mit dem Primärleiter versorgbar. Das Auskoppeln einzelner Verbraucher ist ermöglicht, ohne dass die Energieversorgung der anderen unterbrochen werden muss. Es ist lediglich nötig, dass die Primärleiter-Leiterschleife um den Antrieb gelöst wird, beispielsweise durch ein Herausheben der Leiterschleife aus der Vertiefung.
Bei der erfindungsgemäßen Verkabelung entfallen T-Stücke.
Das Verfahren zur berührungslosen Energieübertragung und die zugehörigen Komponenten sind bei vorteilhaften Ausführungsformen vorteiligerweise ausführbar gemäß der in den Schriften DE 100 53 373 , DE 103 12 284 , DE 103 12 792 , DE 103 39 340 , DE 103 38 852 , DE 103 49 242 , DE 103 44 144 , DE 4446 779 oder auch WO 92/17929 offenbarten Merkmale. Dabei ist besonders vorteilig die Verwendung einer Mittelfrequenz von etwa 15 bis 30 kHz. Die auf den Übertragerkopf, umfassend den Spulenkern, folgende Anpassschaltung ist besonders vorteilhaft passiv ausführbar, also ohne elektronische Leistungshalbleiter.

1: Gehäuse
2: Rotorwelle
3: Gehäuseteil
4: Primärleiter
5: Primärleiter
6: Vertiefung
7: Kern mit U-förmigem Querschnitt
21: Primärleiter
22: Primärleiter
23: Schelle
24: Vertiefung
25: Vertiefung
26: Gehäuseteil
27: Kern mit U-förmigem Querschnitt
28: zweiter Kern mit U-förmigem Querschnitt
31: Deckel
32: Primärleiter
33: Primärleiter
34: Kabelkanal
35: Kern mit E-förmigem Profil
36: Kern mit E-förmigem Profil
37: Gehäuseteil
40: Gewindebohrlöchern
41: E-förmige Kerne
50: Bereich für flachen Übertragerkopf

Claims

Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel zu seiner induktiven Versorgung umfasst.
Verbraucher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine elektronische Schaltung zur Versorgung von Teilen des Verbrauchers umfassen.
Verbraucher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher ein Antrieb ist, der zumindest einen Elektromotor und eine elektronische Schaltung zur Versorgung des Elektromotors umfasst.
Verbraucher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Primärleiter derart am Verbraucher vorgesehen ist, dass eine induktive Kopplung mit einer vom Verbraucher umfassten Sekundärwicklung vorsehbar ist.
Verbraucher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Primärleiter in einer Vertiefung oder einem Kabelkanal des Verbrauchers vorgesehen ist.
Verbraucher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sekundärwicklung um einen U-förmigen und/oder E-förmigen Kern oder in einem flachen Kern gewickelt ist.
Verbraucher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärleiter mindestens teilweise vergossen und/oder mittels eines Deckels gehalten werden.
Verbraucher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher dicht, an der äußeren Oberfläche glatt und/oder in hoher Schutzart ausgeführt ist, insbesondere zum Einsatz in Nassbereichen und/oder aseptischen Bereichen.
Verbraucher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher keinen Steckverbinder oder andere elektrische Anschlussvorrichtungen an seinem Äußeren umfasst.
Verbraucher nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher derart gestaltet ist, dass Information durch Aufmodulation von höherfrequenten Signalen auf den Primärleiter übertragbar ist.
System, dadurch gekennzeichnet, dass Verbraucher berührungslos versorgt sind mittels jeweiliger induktiver Kopplung an einen oder mehrere Primärleiter.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher derart ausgeführt ist, dass der Primärleiter vom Verbraucher abnehmbar ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter aus einem AC/AC-Wandler, also Wechselstrom-Wechselstrom-Wandler, versorgt ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der AC/AC-Wandler aus dem elektrischen Netz, insbesondere mit 50 oder 60 Hz, versorgt ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Primärleiter kraftschlüssig oder formschlüssig im Verbraucher gehalten ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Primärleiter im Verbraucher vergossen ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verbraucher auf einem bewegbaren Teil, insbesondere Drehtisch oder Lineartrieb, angeordnet sind.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil drehbar gelagert oder linear bewegbar ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter mit mittelfrequentem Wechselstrom beaufschlagt ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter mit mittelfrequentem Wechselstrom von etwa 10 bis 50 kHz, insbesondere von etwa 20 kHz, beaufschlagt ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter die Verbraucher seriell versorgt.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter über stationäre, mindestens eine Spulenwicklung umfassende Spulenkerne berührungslos oder über Schleifleitung mit Energie versorgt ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter als geschlossene Schleife verlegt ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Primärleiter und Verbraucher galvanisch entkoppelt sind.