DE19746919A1 - Elektrische Übertragungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Energieübertragungsvorrichtung gemäß dem Oberbe­ griff des unabhängigen Anspruchs.

Bei einer Vielzahl von Transportaufgaben werden Fahrzeuge auf mehrfach genutzten ebenen Verkehrsflächen bewegt. Aus der DE-A-44 46 779 ist bekannt, daß die induktive Übertra­ gung elektrischer Leistung bis in den 100-kW-Bereich von in der Fahrbahn verlegten Lei­ tungen auf Fahrzeuge über Luftspalte mit Weiten über 10 cm möglich ist. Das Anwendungs­ spektrum der über den Fahrweg berührungslos zu speisender Fahrzeuge umfaßt beispiels­ weise den Kleinbehältertransport für Akten bei Leistungen im 100-W-Bereich, fahrerlose Transportsysteme der Förder- und Montagetechnik im kW-Bereich und Güter- und Perso­ nentransportfahrzeuge mit Leistungen von 10 bis über 100 kW.

Dabei erlaubt die Nutzung der Verkehrsflächen oder die Fahrwegtopologie mit Abzweigun­ gen und Kreuzungen keine oberhalb der Verkehrsfläche angeordneten Energieübertragungs­ einrichtungen und keine Schlitze in der Verkehrsfläche für einen darunterliegenden Energie­ abgriff. Die Fahrzeuge müssen deshalb bisher ihre Antriebsenergie in einer Batterie mitfüh­ ren. Die verwendeten Übertrager weisen U- oder E-förmige Übertragerköpfe mit einem Fer­ ritkern auf, welche die Übertragungsleitung umfassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieübertragungsvorrichtung zu schaf­ fen, welche Verkehrsflächen weitgehend von oberirdischen Übertragungseinrichtungen weitgehend freihält.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu ent­ nehmen.

Die Erfindung besteht darin, daß eine elektrische Energieübertragungsvorrichtung mit einer Primärleiteranordnung aus wenigstens zwei parallel zueinander verlaufenden Primärleitern und mindestens einer elektromagnetisch damit gekoppelten Sekundärwicklungsanordnung, die mechanisch von der Primärleiteranordnung getrennt und in deren Längsrichtung beweg­ bar ist, wobei erfindungsgemäß die Sekundärwicklungsanordnung wenigstens eine Sekun­ därspule aufweist, die als Scheibenwicklung ausgebildet ist und die in einer Ebene liegt, die parallel zu der die Primärleiteranordnung aufnehmenden Ebene angeordnet ist.

Bevorzugt ist die Scheibenwicklung als Ringwicklung ausgebildet, die zwei mit Abstand parallel zueinander verlaufende Wicklungsabschnitte aufweist, wobei ein erster Wicklungs­ abschnitt einem ersten Primärleiter und ein zweiter Wicklungsabschnitt einem weiteren Pri­ märleiter unmittelbar benachbart und parallel dazu verlaufend zugeordnet ist.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung besteht darin, daß die Primärleiter als Flachleiter aus­ gebildet sind, deren Flächennormale senkrecht zu der die Sekundärwicklungsanordnung auf­ nehmenden Ebene stehen.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung besteht darin, daß die Primärleiteranordnung aus wenigstens drei Primärleitern und die Sekundärwicklungsanordnung aus wenigstens zwei Sekundärspulen besteht.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung besteht darin, daß einem mittleren oder mehreren in gleicher Richtung stromdurchflossenen Primärleitern Wicklungsabschnitte benachbarter Sekundärspulen zugeordnet sind.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung besteht darin, daß der Sekundärwicklungsanordnung wenigstens auf der der Primärleiteranordnung gegenüberliegenden Seite und/oder der Pri­ märleiteranordnung wenigstens auf der der Sekundärwicklungsanordnung gegenüberliegen­ den Seite zumindest eine Ferritplatte zugeordnet ist.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung besteht darin, daß die Sekundärwicklungsanordnung an der Unterseite des Bodens eines Fahrzeuges angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist, die Sekundärwicklungsanordnung in eine Vergußmasse einzubetten.

Bevorzugt ist die Primärleiteranordnung stationär im oberflächennahen Bereich eines Fahr­ wegs angeordnet. Ganz besonders vorteilhaft ist, die Primärleiteranordnung aus Litzenmate­ rial zu bilden.

Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Übertrageranordnung am Fahrzeug und im Fahrweg und

Fig. 2 die Zuordnung der Primärleiter und Sekundärspulen in einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine vorteilhafte Ausbildung einer erfindungsgemäßen Übertragervorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Übertrageranordnung, deren Primärleiter in die Fahrbahn eingelassen und deren Sekundärspulen auf der Unterseite des Fahrzeugkastens FK angeordnet sind im Quer­ schnitt der Übertrageranordnung. Fig. 2 zeigt die Sekundärspulen in der optimalen Ausrich­ tung zu den Primärleitern.

Der im allgemeinen aus Stahlblech bestehende Boden des Fahrzeugkastens (Fig. 1) ist durch eine Aluminiumplatte AL von dem magnetischen Mittelfrequenzfeld, das von den in der Fahrbahn verlegten Primärleitern PL und den am Fahrzeugboden auf einem Ferritplattenbe­ lag GE angeordneten Sekundärspulen SS ausgeht, abgeschirmt. Der Ferritplattenbelag bildet den magnetischen Rückschluß des Übertragersekundärteils. Er ist gemeinsam mit den Se­ kundärspulen in eine Vergußmasse VM eingebettet.

In der Fig. 2 ist ein Doppelschleifenübertrager dargestellt. Er besteht aus zwei nebeneinan­ derliegenden in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossenen Leiterschleifen. Die magnetische Kopplung von Primär- und Sekundärteil erfolgt im wesentlichen durch den magnetischen Fluß, der die nebeneinanderliegenden Mittelleiter von Primär- und Sekundär­ teil gemeinsam umschließt. Grundsätzlich ist auch ein Übertrager mit nur jeweils einer Lei­ terschleife im Primär- und Sekundärteil geeignet. Gegenüber diesem Einfachschleifenüber­ trager wird von dem Doppelschleifenübertrager wegen der großen Mittelleitergesamtbreite 2.b_L, die ein Mehrfaches des doppelten Abstandes 2 h_A zwischen Primärleitern und Sekun­ därspulen betragen kann, eine bessere Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite und eine geringere in die Umgebung ausstreuende magnetische Feldstärke erwartet. Bei verglei­ chenden Untersuchungen sind jedoch beide Leiteranordnungen zu betrachten.

Die in den Boden eingelassenen Primärleiter PL werden von einer elektrisch und magnetisch nichtleitenden Deckschicht DS, welche auch den Bodenbelag bilden kann, mechanisch ge­ schützt. Sowohl die Primärleiter aus auch die Sekundärspulen bestehen zur Vermeidung Stromverdrängung aus vielen dünnen Einzeldrähten, die beispielsweise in einem Geflecht schräg über die gesamte Leiterbreite b_L verlaufen. Aus Gründen einer möglichst niedrigen Leiterinduktivität und einer möglichst großen Kopplung zwischen Primär- und Sekundär­ seite wird eine große Leiterbreite b_L angestrebt. Die Primärleiter und auch die Sekundärspu­ len haben daher eine geringe Leiterdicke d_L, die nach überschlagsmäßigen Berechnungen maximal nur wenige Millimeter erreicht.

Wie die Sekundärspulen können auch die Primärleiter auf einer den magnetischen Rück­ schluß MR bildenden Ferritschicht liegen. Dies hat den Vorteil einer guten magnetischen Kopplung zwischen Primär- und Sekundärteil, aber die Nachteile erhöhter Kosten der Über­ tragungsstrecke und einer größeren Primärleiterinduktivität, die mit erhöhtem Kondensator­ aufwand zu kompensieren ist.

Besteht die Unterschicht US unter den Primärleitern ebenfalls aus einem elektrisch und ma­ gnetisch nichtleitendem Material, so kann auf den magnetischen Rückschluß im Fahrweg verzichtet und die geforderte Übertragungsleistung bei der nun ungünstigeren magnetischen Kopplung durch einen erhöhten Primärleiterstrom oder eine erhöhte Spulenfläche realisiert werden. Liegt dagegen, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Eisenbewehrung EB unterhalb der Übertragungsleitung, so kann zum Vermeiden von Wirbelstromverlusten in der Bewehrung eine magnetisch leitende Schicht zur Schirmung zwischen den Übertragungsleitern und der Bewehrung erforderlich sein.

Bei gegebenem Abstand h_A bzw. mechanischem Spiel zwischen dem ruhenden Primärteil und dem bewegten Sekundärteil ist die im magnetischen Kreis der zweischichtigen Übertra­ ger wirksame Spaltweite, wenn auch der Primärteil einen magnetischen Rückschluß auf­ weist, etwa doppelt so groß wie bei den Übertrageranordnungen mit leiterumgreifenden Übertragerköpfen. Entfällt der magnetische Rückschluß im Primärteil der Zweischichtüber­ trager, ist die wirksame magnetische Spaltweite noch wesentlich größer. Zweischichtüber­ trager besitzen daher im allgemeinen größere Abmessungen und erfordern einen höheren Materialaufwand.

Beim Übertragen von größeren Leistungen mit Primärleiterstromstärken im 100-A-Bereich ist unmittelbar über den im Boden verlegten Leitern mit dem Überschreiten des in der Vor­ norm ENV 50166-2 für beruflich exponierte Personen zulässigen Grenzwertes der magneti­ schen Feldstärke zu rechnen. Stärker exponierte Fahrwege werden daher nur eingeschränkt begehbar sein. Bei kleineren Übertragungsleistungen besteht die Möglichkeit, durch das Nutzen großer Übertragungsflächen die Stromstärke in den Übertragungsleitern so klein zu halten, daß die Feldstärken an der Leiteroberfläche bei großen Leiterbreiten b_L unter 100 Nm liegen. Unter diesen Voraussetzungen ist davon auszugehen, daß die mit der Entfernung von der Leiteranordnung stark abnehmenden Feldstärken in Körperhöhe den in der ENV 50166-2 für beruflich dauernd exponierte Personen im Frequenzbereich von 10 kHz bis 38 kHz angegebenen Grenzwert von 42 A/m nicht überschreiten.

Eine vorteilhafte kostengünstige Abschirmmaßnahme zum Reduzieren der Wirbelstromver­ luste in die dicht unter den primärseitigen Flachleitern liegenden Bewehrungen ist vorzugs­ weise eine Zwischenschicht aus Ferritabfall in einem Bindermittel.

Eine Pufferbatterie auf bewegten Systemen mit hohen Leistungsspitzen ermöglicht vorteil­ haft die Auslegung der Energieübertragungssysteme für die gegenüber der Spitzenleistung wesentlich niedrigere mittlere Leistung. Dadurch werden auch die magnetischen Feldstärken in der Umgebung der Übertragungsleiter beträchtlich reduziert. Da die Batterie kontinuier­ lich nachgeladen wird, ist die erforderliche Batteriekapazität erheblich kleiner als bei einem über einen längeren Zeitbereich ausschließlich batteriebetriebenen Fahrzeug. Ein weiterer Vorteil der Stützbatterie ist die erhöhte Manövrierfähigkeit des Fahrzeuges. Da zu erwarten ist, daß zumindest bei starken Belastungsschwankungen ein batteriegestütztes Übertragungs­ system betriebs- und kostenmäßig die optimale Lösung darstellt, sollte ein Systemkonzept dieser Variante erarbeitet und mit einem ungestützten System verglichen werden.

Eine besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit für die induktive Energieübertragung über im Fahrweg verlegte Flachleiter besteht bei fahrerlosen Transportsystemen für die KFZ-Montage, da solche Fahrzeuge Gesamtleistungen im Bereich von einigen kW benöti­ gen, bei der etwa die Hälfte für den Fahrleistungsbedarf benötigt wird. Gleichzeitig ist eine Bodenfläche von mehr als 2 m² für die Energieübertragung nutzbar. Die Bodenfreiheit des Fahrzeuges hat dabei wesentlichen Einfluß auf die realisierbar Spalt­ weite.

Claims (10)

1. Elektrische Energieübertragungsvorrichtung mit einer Primärleiteranordnung aus we­ nigstens zwei parallel zueinander verlaufenden Primärleitern und mindestens einer elektromagnetisch damit gekoppelten Sekundärwicklungsanordnung, die mechanisch von der Primärleiteranordnung getrennt und in deren Längsrichtung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungsanordnung wenigstens eine Sekundärspule aufweist, die als Scheibenwicklung ausgebildet ist und die in einer Ebene liegt, die parallel zu der die Primärleiteranordnung aufnehmenden Ebene angeordnet ist.

2. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenwicklung als Ringwicklung ausgebildet ist, die zwei mit Abstand par­ allel zueinander verlaufende Wicklungsabschnitte aufweist, wobei ein erster Wick­ lungsabschnitt einem ersten Primärleiter und ein zweiter Wicklungsabschnitt einem weiteren Primärleiter unmittelbar benachbart und parallel dazu verlaufend zugeordnet ist.

3. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärleiter als Flachleiter ausgebildet sind, deren Flächennormale senkrecht zu der die Sekundärwicklungsanordnung aufnehmenden Ebene stehen.

4. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärleiteranordnung aus wenigstens drei Primärleitern und die Sekundär­ wicklungsanordnung aus wenigstens zwei Sekundärspulen besteht.

5. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einem mittleren oder mehreren in gleicher Richtung stromdurchflossenen Primär­ leitern Wicklungsabschnitte benachbarter Sekundärspulen zugeordnet sind.

6. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärwicklungsanordnung wenigstens auf der der Primärleiteranordnung gegenüberliegenden Seite und/oder der Primärleiteranordnung wenigstens auf der der Sekundärwicklungsanordnung gegenüberliegenden Seite zumindest eine Ferritplatte zu­ geordnet ist.

7. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungsanordnung an der Unterseite des Bodens eines Fahrzeuges angeordnet ist.

8. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungsanordnung in eine Vergußmasse eingebettet ist.

9. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärleiteranordnung stationär im oberflächennahen Bereich eines Fahrwegs angeordnet ist.

10. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärleiteranordnung aus Litzenmaterial gebildet ist.