DE19856937A1 - Anordnung zur berührungsfreien induktiven Übertragung von Energie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die berührungsfreie Übertragung von elektrischer Energie auf ein oder mehrere in Reihenschaltung betriebene Verbraucher mit unterschiedlicher Leistungsaufnahme, die jedoch mit einer von der Leistungsaufnahme unabhängigen konstanten Spannung gespeist werden sollen. Die Verbraucher können zusammen mit einem aus mehreren Wicklungen bestehenden Sekundär-Wicklungssystem entlang einer räumlich ausgedehnten, von einem Wechselstrom mit konstanter Amplitude durchflossenen Primär-Leiterschleife angeordnet sein, ober aber sich in Richtung der Primär-Leiterschleife bewegen, wobei zur Spurführung ebenfalls berührungsfrei ein Signal zur Ermittlung der seitlichen Auslenkung der Verbraucher relativ zu der Leiterschleife ermittelt wird. Die auf unterschiedliche Verbraucherleistungen bezogene Entkopplung der Verbraucher, der Schutz gegen Überspannungen und Speisung der Verbraucher mit einer von ihrem Lastzustand unabhängigen konstanten Spannung erfolgt durch eine passive Reihenschaltung, welche aus dem Sekundär-Wicklungssystem, einem Kondensator und dem Verbraucher gebildet wird. Das Spurführungssignal wird aus der Differenz von Spannungen des Sekundär-Wicklungssystems gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungsfreien induktiven Übertragung von Energie auf in Reihenschaltung betriebene unterschiedliche Verbraucher die mit einer konstanten Span­ nung gespeist werden sollen.

Wesentliches Merkmal der Aufgabenstellung ist, daß auch bei - je Verbraucher unterschiedlicher Leistungsaufnahme - jeder Verbraucher mit konstanter Spannung gespeist werden soll. Hierdurch soll erreicht werden, daß zum Beispiel auch bei Leerlauf eines Verbrauchers, die an ihm anliegen­ de Spannung nicht auf einen hohen Wert ansteigt der zu einer Zerstörung führen kann und, daß für die weiteren in Reihenschaltung betriebenen Verbraucher keine Blockierung des Leistungsflus­ ses vorhanden ist.

In einem weiteren Merkmal der Aufgabenstellung soll die seitliche räumliche Lageabweichung der Verbraucher gegenüber einer in Bewegungsrichtung der Verbraucher ausgedehnten ortsfesten Induktionsschleife in einem elektrischen Signal abgebildet werden.

Zur berührungsfreien Übertragung elektrischer Energie können grundsätzlich elektrische oder magnetische Wechselfelder genutzt werden. Im Hinblick auf eine Umsetzung in eine technische Lösung ist dabei das insgesamt benötigte Bauvolumen, der gerätetechnische Aufwand, die über­ tragbare Leistung, die Abstrahlung der Felder in die Umgebung sowie das Verhalten im Fehlerfall von großer Bedeutung.

In dem U.S. Patent No. 514,972 (TESLA) wird eine Lösung zur berührungsfreien kapazitiven Energieübertragung beschrieben.

Das Induktionsgesetz kann für die Übertragung elektrischer Energie vorteilhaft genutzt werden, da mit zunehmender Frequenz des magnetischen Wechselfeldes das Bauvolumen der Komponen­ ten abnimmt. Anordnungen bei denen eine Primär-Energiequelle eine linear ausgedehnte Primär- Leiterschleife mit einem Wechselstrom speist und die Verbraucher sich entlang dieser Primär- Leiterschleife bewegen sind vielfach beschrieben worden.

HUTIN und LeBLANC beschreiben in U. S. Patent No. 527,857 (1894) einen Vorschlag, in dem ein 3 kHz magnetisches Wechselfeld zur Energieübertragung eingesetzt wird.

OTTO beschreibt in dem NZ Patent No. 167,422 (1974) den Einsatz eines Primär-Serien- Resonanzkreises, der in dem Frequenzbereich zwischen 4 kHz und 10 kHz betrieben wird, um induktiv Energie auf z. B. Busse zu übertragen.

Bei allen Vorschlägen erfolgt die Energieübertragung dabei durch ein von der Primär- Leiterschleife erzeugtes magnetisches Wechselfeld auf ein oder mehrere jeweils an den Verbrau­ chern angeordnete Spulensysteme in die eine Spannung induziert wird. Aus elektrischer Sicht handelt es sich dabei um eine Reihenschaltung mehrerer transformatorisch an eine Primärwicklung gekoppelte Verbraucher. Der Leistungsfluß der Verbraucher ist dabei miteinander verkoppelt, so daß Maßnahmen zur Entkopplung getroffen werden müssen.

Zur Entkopplung von in Reihenschaltung betriebenen Verbrauchern mit unterschiedlicher Lei­ stungsaufnahme, aber konstanter Speisespannung sind in neueren Patentschriften mehrere Verfah­ ren beschrieben, die alle darauf beruhen aktive Schaltelemente auf der Verbraucherseite einzuset­ zen.

In dem U.S. Patent No. 546,467,718 (21.11.95) wird der Einsatz der induktiven berührungsfreien Energieübertragung für ein Magnetschwebefahrzeug beschrieben. Zur Erhöhung der übertragba­ ren Energie wird vorgeschlagen, parallel zur Sekundärspule einen Kondensator anzuordnen, der sich unabhängig von dem Sekundär-Leistungsbedarf in Parallelresonanz mit der Sekundärspule befindet. Zur Regelung des Leistungsflusses wird zwischen der fahrzeugseitigen Sekundärspule und den fahrzeugseitigen Verbrauchern ein aus der einschlägigen Literatur bekannter elektroni­ scher aktiver Schalter als Gleichstromsteller eingesetzt. Darüber hinaus wird beschrieben, die in­ duktive Energieübertragung auch zur Erzeugung der Vortriebskraft für das Fahrzeug zu nutzen.

In dem U.S. Patent No. 5,528,113 (18.06.96) wird der Einsatz von mehreren Sekundärspulen je Verbraucher zur berührungsfreien Energieübertragung beschrieben. Die einzelnen Sekundärspulen werden ebenfalls in Parallelresonanz mit einem Kondensator betrieben. Eine zwischen der fahr­ zeugseitigen Sekundärspule und den fahrzeugseitigen Verbrauchern angeordnete aktive Schalt­ einrichtung trifft einerseits die Auswahl derjenigen Sekundärspule, die die jeweils günstigste ma­ gnetische Kopplung zur Primärleiteranordnung aufweist und wird andererseits auch zur Regelung des Leistungsflusses sowie zur Bereitstellung einer Spannung mit konstanter Amplitude genutzt.

In der Anmeldung PCT WO 93/23908 (25.11.93) werden Anordnungen beschrieben, um für die Primärschleife auch bei Drift und bei lastabhängigem primärseitigem Leistungsfluß den Betrieb der Primär-Leiterschleife in Resonanz zu gewährleisten. Als Lösungen werden primärseitig schaltbare Zusatzkondensatoren bzw. variable Zusatzinduktivitäten vorgeschlagen.

In dem U.S. Patent No. 5,293,308 (8.03.94) wird vorgeschlagen, den Leistungsfluß entweder durch räumliches Entfernen der Sekundärspule vom Primärleiter oder aber durch eine schaltbare Sekundär-Zusatzwicklung zu regeln. Weitere Merkmale dieser Patentschrift sind der Betrieb eines aktiven Schalters als Serienschalter zwischen Sekundärspule und Sekundärverbraucher, als Paral­ lelschalter zu Sekundärspule und Sekundärverbraucher, oder als Schalter um mit Zusatz Parallel- Kondensatoren die als Parallelschwingkreis ausgebildete Sekundäranordnung in Abhängigkeit vom Leistungsfluß zu verstimmen. Andere Merkmale dieser Patentschrift beziehen sich auf die lokale Erhöhung der übertragbaren Leistung durch lokale Primär-Zusatzleiter, sowie auf unter­ schiedliche Anordnungen der Primär-Serien-Kondensatoren.

In der Anmeldung PCT WO 93/23909 (23.11.93) wird die Unterteilung der Primär-Leiterschleife in Module, die über ein Zero-Inductance-Kabel miteinander verbunden sind, beschrieben.

In dem U.S. Patent No. 5,341,280 (23.8.93) wird die Ausführung der Primär-Leiterschleife und der Sekundärspule als entweder geschlossene oder teilweise geöffnete Koaxialanordnung be­ schrieben, um die gegenseitige magnetische Kopplung zu verbessern.

In dem U.S. Patent No. 4,914,539 (3.4.90) wird eine weitere Ausführungsform eines aktiven elektronischen Sekundärkontrollers zur Entkopplung und zur Regelung des Leistungsflusses be­ schrieben.

In der Anmeldung PCT WO 94/0003 (11.5.94) werden mehrere zueinander versetzte Primär- und Sekundär-Wicklungsanordnungen beschrieben. Durch diese Maßnahme soll erreicht werden, daß durch diese Wechselpolanordnung gegenüber den bislang beschriebenen gleichartigen Polanord­ nungen eine geringere räumliche Ausbreitung des Magnetfeldes auftritt, um die Wechselwirkun­ gen mit der Umwelt zu reduzieren. In einem weiteren Merkmal wird in dem ebenfalls vorgesehe­ nen Sekundär-Parallel-Schwingkreis eine Unterteilung des Schwingkreiskondensators vorgeschla­ gen, um auch die Auswirkungen der Sekundär-Streuinduktivität zu kompensieren. In einem weite­ ren Merkmal wird die Nutzung eines aktiven Sekundär-Wechselrichters zur Regelung des Lei­ stungsflusses und zur Entkopplung der Sekundärverbraucher untereinander dargestellt.

Die in allen vorgenannten Patentschriften angeführte Anordnung der als Parallelschwingkreis aus­ geführten Sekundärspule führt dazu, daß der Sekundärverbraucher über einen aktiven schaltbaren Sekundär-Regler zu speisen ist, um unabhängig von dem jeweiligen Lastzustand eine konstante Spannung an dem Verbraucher zu gewährleisten. Im Leerlauf des Verbrauchers ist bei Ausfall des aktiven schaltbaren Sekundär-Reglers der Schutz des Verbrauchers vor Überspannungen nicht gewährleistet und der Leistungsfluß zu den anderen Verbrauchern blockiert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur berührungsfreien in­ duktiven Übertragung von Energie auf mehrere in Reihenschaltung betriebene Verbraucher anzu­ geben, wobei ohne aktive Schaltelemente die Verbraucher jeweils mit einer von ihrer Leistung unabhängigen konstanten Spannung gespeist werden. Auch für den Leerlauf eines Verbrauchers soll die Speisespannung konstant bleiben um den Schutz gegen Überspannungen zu gewährleisten. Darüber hinaus soll bei Leerlauf eines Verbrauchers der Leistungsfluß zu den weiteren in Reihen­ schaltung betriebenen Verbrauchern nicht blockiert werden. Diese an die Schaltungsanordnung gestellten Funktionsanforderungen sollen nicht durch aktive Schaltelemente mit den zugehörigen aktiven Regelungseinrichtungen erfüllt werden, sondern durch eine passive Anordnung die auf­ grund des nachfolgend beschriebenen physikalischen Wirkungsprinzips die gestellten Aufgaben erfüllt.

In Kombination zur Energieübertragung soll die Anordnung ein Signal für die Spurführung eines jeden Verbrauchers entlang einer ortsfesten ausgedehnten Primär-Leiterschleife liefern.

In einer modifizierten Form soll die berührungsfreie Energieübertragung auch losgelöst von der Spurführung in einer Ebene einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Erfindung sind in den nachfolgenden Unteransprüchen enthalten.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einer einen eingeprägten Wechselstrom führenden elektrischen Primär-Leiterschleife die in Bewegungsrichtung der Verbraucher ortsfest verlegt ist und aus einem, jedem Verbraucher zugeordneten Sekundär-Wicklungssystem, das in Reihenschal­ tung induktiv mit dem Primärleiter gekoppelt ist, sowie einem dem Sekundär-Wicklungssystem nachgeschaltetem Kondensator. Das Sekundär-Wicklungssystem, der Kondensator, sowie der elektrische Verbraucher sind in Reihenschaltung so angeordnet, daß die einzelnen Verbraucher unabhängig von der individuell unterschiedlichen Leistungsaufnahme mit einer jeweils in der Amplitude konstanten Spannung gespeist werden. Insgesamt bildet die je Verbraucher vorgesehe­ ne Anordnung einen passiven Vierpol in dem ein eingeprägter eingangsseitiger Wechselstrom in eine konstante Ausgangsspannung transformiert wird.

Durch die selbsttätige Leistungsanpassung wird erreicht, daß auch im Leerlauf die am Verbrau­ cher anliegende Spannung konstant bleibt und somit ein sich im Leerlauf befindlicher Verbraucher keine Blockierung des Leistungsflusses für die weiteren in Reihenschaltung betriebenen Verbrau­ cher bildet. Die Schaltungsanordnung arbeitet auch im Leerlauf einzelner Verbraucher mit hohem Wirkungsgrad.

Das Sekundär-Wicklungssystem besteht aus mindestens zwei Spulen, die nur teilweise magnetisch gekoppelt sind und deren Spulenachsen einen anderen Abstand zueinander aufweisen als der Mit­ tenabstand der parallelen Einzelleiter der Primär-Leiterschleife. Die Differenz der Sekundär- Spulenspannungen liefert ein der seitlichen Lageabweichung des Sekundär-Wicklungssystems von der Primärleiterschleife proportionales Signal.

Die Speisung der Primär-Leiterschleife mit einem eingeprägten hochfrequenten Wechselstrom kann durch handelsübliche Wechselrichter erfolgen.

Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe von Zeichnungen genauer erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine erfindungsgemäße Anordnung zur berührungsfreien Übertragung von elektri­ scher Energie an mehrere in Reihenschaltung betriebene unterschiedliche Verbrau­ cher sowie die Anordnung zur Ermittlung eines Spurführsignales für jeden Ver­ braucher.

Fig. 2a Das vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild eines Verbrauchers der erfindungs­ gemäßen Anordnung.

Fig. 2b Das auf die Primärseite umgerechnete vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild eines Verbrauchers der erfindungsgemäßen Anordnung.

Fig. 2c Das Zeigerdiagramm der Spannungen und Ströme im Leerlauf.

Fig. 2d Das Zeigerdiagramm der Spannungen und Ströme in einem Lastzustand.

Fig. 3a Verlauf der Magnetfeldlinien im Leerlauf des fahrzeugseitigen Verbrauchers und bei mittiger Spurführung.

Fig. 3b Verlauf der Magnetfeldlinien bei Last des fahrzeugseitigen Verbrauchers und bei mittiger Spurführung.

Fig. 3c Verlauf der Magnetfeldlinien im Leerlauf des fahrzeugseitigen Verbrauchers und bei seitlich ausgelenkter Spurführung.

Fig. 4a Eine Ausführung des Sekundär-Wicklungssystems mit 4 Wicklungen.

Fig. 4b Die elektrische Verschaltung des Sekundär-Wicklungs-Systems mit 4 Wicklungen.

Fig. 5 Anordnung des Primär-Leitersystems mit nebeneinander angeordneten Primärlei­ tern.

Fig. 6 Unterteilung der Primärleiterschleife in schaltbare Segmente.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur berührungsfreien induktiven Übertragung von Energie, die auf einem Fahrzeug angeordnet sind, sowie eine Anordnung zur Ermittlung eines Spurführsignales für jedes Fahrzeug. Eine in Fahrtrichtung der Fahrzeuge 200 und 300 und ggf weiterer Fahrzeuge ausgedehnte Primär-Leiterschleife 100 wird von einem Primär-Wechselrichter 107 mit einem eingeprägten Wechselstrom 10 gespeist. Die in Reihenschaltung angeordneten Kondensatoren 101 und 102 kompensieren die Gesamtreaktanz der Primär-Leiterschleife, die im wesentlichen aus den Streureaktanzen 107, 108 der gesamten Primär-Leiterschleife sowie zu ei­ nem geringen Teil aus den Koppelreaktanzen 103, 104 zu den verbraucherseitigen Sekundärspu­ len für das Fahrzeug 200 und aus den Koppelreaktanzen 105, 106 zu verbraucherseitigen Sekun­ därspulen für das Fahrzeug 300 sowie aus ggf. weiteren Koppelreaktanzen zu weiteren Fahrzeu­ gen bestehen. Jedem Fahrzeug ist ein Spulensystem zugeordnet, das aus mindestens 2 Einzelspu­ len besteht. Für das Fahrzeug 200 mit dem Verbraucher 205 sind dies die Spulen 201 und 202. Für das Fahrzeug 300 mit dem Verbraucher 305 sind dies die Spulen 301 und 302.

Durch das von dem stromdurchflossenen Primärleiter erzeugte magnetische Wechselfeld wird in den fahrzeugseitigen Spulen jeweils eine Wechselspannung induziert. Für das Fahrzeug 200 ist hierbei die Fahrzeugwicklung 201 magnetisch mit der oberen Primärwicklung 103 gekoppelt und die Fahrzeugwicklung 202 magnetisch mit der unteren Primärwicklung 104 gekoppelt. Der elek­ trische Verbraucher 205 des Fahrzeuges 200 ist über die in Reihenschaltung angeordneten Kon­ densatoren 203 und 204 mit den ebenfalls in Reihenschaltung angeordneten Sekundär-Wicklungen 201 und 202 verbunden. Die Kondensatoren 203, 204 sind so bemessen, daß ihr Blindwiderstand dem der Sekundär-Wicklungen 201, 202 entspricht. Durch diese Schaltungsanordnung wird der Verbraucher 205 unabhängig von seinem Lastzustand und auch unabhängig von dem Lastzustand der anderen in Reihenschaltung angeordneten Verbraucher mit der konstanten Spannung U2L gespeist. Andererseits bewirkt diese Schaltungsanordnung auch, daß der Leistungsfluß zu den einzelnen Sekundärverbrauchern nicht unterbrochen wird, wenn sich einer oder mehrere der Se­ kundärverbraucher im Leerlauf befinden und dabei von ihnen keine Leistung aufgenommen wird.

Schließlich beinhaltet diese passive Schaltungsanordnung auch eine Schutzfunktion derart, daß auch bei Leerlauf des Verbrauchers 205 seine Speisespannung konstant bleibt und keine Über­ spannung auftritt.

Das Spurführsignal wird jeweils auf dem Fahrzeug durch eine Brückenschaltung gebildet. Auf dem Fahrzeug 200 bilden die hochohmigen Widerstände 206 und 207 zusammen mit den Sekun­ där-Wicklungen 201 und 202 eine Brückenschaltung an deren Brückendiagonale die Spannung U2P als Differenz der U21, U22 das Spurführsignal bildet. Wird der räumliche Leiterabstand von Hin- und Rückleiter der Primärleiterschleife 100 unterschiedlich zu den magnetischen Achsen der Sekundär-Wicklungen gewählt, so werden bei seitlicher Auslenkung der Sekundär-Wicklungen gegenüber der Primär-Leiteranordnung in den Sekundär-Wicklungen Wechselspannungen mit zur Auslenkung proportional unterschiedlichen Amplituden induziert. Für das Fahrzeug 200 zeigt die Brückenspannung U2P eine mit der Auslenkung zunehmende Amplitude, wobei das Vorzeichen von der Auslenkungsrichtung bestimmt wird.

Fig. 2a zeigt das elektrische Ersatzschaltbild einer verbraucherseitigen Sekundär-Anordnung. Es ist ein Ausschnitt der mit einem eingeprägten Wechselstrom gespeisten Primär-Leiterschleife so­ wie eine verbraucherseitigen Sekundär-Anordnung dargestellt. Im einzelnen sind dargestellt die Induktivitäten 401 und 402 der 2 Sekundär-Wicklungen eines Fahrzeuges, die mit der Primär- Leiterschleife die magnetischen Kopplungen 403 und 404 aufweisen. Die Sekundär-Wicklungen 401 und 402 bilden zusammen mit den Kondensatoren 403 und 404, sowie der Last 405 eine Rei­ henschaltung.

In Fig. 2b ist die Schaltung entsprechend Fig. 2a dahingehend vereinfacht, daß die Sekundär- Wicklungen zusammengefaßt und auf die Primärseite umgerechnet wurden. Die induktive Kopp­ lung ist in der Hauptinduktivität Lh 504 berücksichtigt, die magnetische Streuung auf der Primär­ seite in der Streuinduktivität Lsp 501 und die magnetische Streuung auf der Sekundärseite in der Streuinduktivität Lss 502. Die in Reihenschaltung betriebenen Kondensatoren sind ebenfalls zu dem Sekundärkondensator C 503 zusammengefaßt. Wird der Kondensator so bemessen, daß sein Blindwiderstand dem der aus der Reihenschaltung der Sekundär-Streuinduktivität 502 und der Hauptinduktivität 504 gebildeten Blindwiderstand entspricht, so ergibt sich an dem Verbraucher eine unabhängig von dem Lastzustand in der Amplitude konstante Spannung. Auch der Leerlauf ist in diese Betrachtung mit eingeschlossen.

Wie in Fig. 2c dargestellt, entspricht die in der Primär-Leiterschleife wirksame Spannung U2 h für den Leerlauf der an dem Verbraucher anliegenden Spannung U2L und weist gegenüber dem Pri­ märstrom I0 eine Phasenvoreilung von 90° auf. Erhöht sich die in dem Verbraucher umgesetzte Leistung, so erhöht sich entsprechend der übertragenen Wirkleistung die in der Primär- Leiterschleife wirksame Spannung um einen in Phase mit dem eingeprägten Primärstrom I0 lie­ genden Term.

Dieser Zusammenhang ist in Fig. 2d dargestellt und läßt erkennen, daß im Leerlauf des Verbrau­ chers lediglich eine geringe Blindleistung von der primärseitigen Energieeinspeisung zur Verfü­ gung gestellt werden muß. Mit zunehmender Übertragungswirkleistung erfolgt eine selbsttätige Anpassung des Leistungsflusses durch einen zunehmenden Wirkanteil der primärseitig einzuspei­ senden Spannung. Zugleich liefert der Laststrom IL den für die Magnetisierung des Luftspaltes zwischen Primärleiterschleife und Sekundär-Wicklungen zusätzlich erforderlichen Blindleistungs­ anteil. Da in dieser beschriebenen Anordnung keine aktiven Schaltelemente erforderlich sind, ist eine Zerstörung des Lastkreises durch eine unzulässig hohe Spannung ausgeschlossen. Zugleich führt diese Schaltungsanordnung dazu, daß die primärseitige Energiequelle lediglich eine dem sekundärseitigen Leistungsbedarf entsprechende Wirkleistung bereitzustellen hat.

Fig. 3a, Fig. 3b und Fig. 3c zeigen Darstellungen, in denen sich die fahrzeugseitigen Sekundär- Wicklungen, die sich auf einem Ferritkern befinden, aus der Zeichenebene heraus bewegen sowie die beiden Leiter der Primär-Leiterschleife, die sich gleichfalls aus der Zeichenebene heraus aus­ dehnen.

In Fig. 3a ist der Leerlaufzustand der Anordung dargestellt. Die Sekundär-Wicklungen 601 und 603 führen keinen Strom. Zur Erhöhung der magnetischen Kopplung zwischen der Primär- Leiterschleife 604 und den Sekundär-Wicklungen 601 und 603 sind diese auf einem Ferritkern 602 angeordnet. Der Abstand der Primärleiter 604 weicht von dem Nutmittenabstand des Fernt­ kernes 602 ab; bei mittiger Stellung des Sekundärsystemes gegenüber dem Primärsystem werden in den beiden Sekundär-Wicklungen 601 und 603 Spannungen mit gleicher Amplidude induziert, so daß sich deren Differenz zu Null ergibt. Der Verlauf des Magnetfeldes wird von der von einem eingeprägten Wechselstrom durchflossenen Primär-Leiterschleife 604 generiert.

In Fig. 3b ist ein Belastungszustand der Anordung durch den Sekundärverbraucher dargestellt. Die Sekundär-Wicklungen 611 und 613 führen den Laststrom. Zur Erhöhung der magnetischen Kopplung zwischen der Primär-Leiterschleife 614 und den Sekundär-Wicklungen 611 und 613 sind diese wie auch in Fig. 3a dargestellt auf einem Ferritkern 612 angeordnet. Der Abstand der Primärleiter 614 weicht von dem Nutmittenabstand des Ferritkernes 612 ab; bei mittiger Stellung des Sekundärsystemes gegenüber dem Primärsystem werden in den beiden Sekundär-Wicklungen 611 und 613 Spannungen mit gleicher Amplidude induziert, so daß sich deren Differenz zu Null ergibt. Der Verlauf des Magnetfeldes wird von der von einem Wechselstrom durchflossenen Pri­ mär-Leiterschleife 614 und von dem in den Sekundär-Wicklungen 611 und 613 fließenden Last­ strom generiert.

In Fig. 3c ist der Leerlaufzustand der Anordung durch den Sekundärverbraucher jedoch bei seitli­ cher Auslenkung des Sekundär-Systems 621, 622, 623 gegenüber dem Primär-System 624 dar­ gestellt. Die Sekundär-Wicklungen 621 und 623 führen den Laststrom. Zur Erhöhung der magne­ tischen Kopplung zwischen der Primär-Leiterschleife 624 und den Sekundär-Wicklungen 621 und 623 sind diese wie auch in Fig. 3a und Fig. 3b dargestellt, auf einem Ferntkern 622 angeordnet. Der Abstand der Primärleiter 624 weicht von dem Nutmittenabstand des Ferritkernes 622 ab; bei seitlich ausgelenkter Stellung des Sekundärsystemes gegenüber dem Primärsystem werden in den beiden Sekundär-Wicklungen 621 und 623 Spannungen mit unterschiedlicher Amplidude indu­ ziert, so daß deren Differenz einen zur seitlichen Auslenkung proportionalen Wert ergibt. Der Verlauf des Magnetfeldes wird von der von einem Wechselstrom durchflossenen Primär- Leiterschleife 624 generiert.

In Fig. 4a ist ein Sekundär-Wicklungssystem dargestellt, das aus insgesamt 4 Wicklungen 630a, 630b, 631a, 631b besteht. Auf den Außenschenkeln des Ferntkernes 632 befinden sich die Wick­ lungen 630a, 631a. Die von dem Primärleiter-System 633 in diese Wicklungen 630a, 631a indu­ zierten Spannungen werden sowohl für die Bestimmung des Auslenksignales als auch zur Ener­ gieübertragung genutzt. Auf dem Mittelschenkel des Ferritkernes 632 sind zwei weitere Wicklun­ gen 630b, 631b angeordnet deren induzierte Spannungen ausschließlich für die Energieübertra­ gung genutzt werden, da sie keine Information über die seitliche Auslenkung enthalten.

Fig. 4b zeigt, daß alle Wicklungen elektrisch in Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Die Wicklungen 630a und 631a sind auf den Außenschenkeln des Ferritkernes 632 angeordnet. Die Differenz der in den Wicklungen 630a und 631a von dem Primär-Leiter-System 633 induzierten Spannungen U0a-U1a liefert ein zur seitlichen Auslenkung des Sekundär-Wicklungs-Systems gegenüber dem Primär-Leiter-Systems proportionales Lagesignal, während die Summe UL aller induzierten Spannungen zur Energieübertragung genutzt wird.

Vorteilhaft ist diese Anordnung gegenüber der in den Fig. 3a, Fig. 3b und Fig. 3c dargestellten Ausführung, da der zur Verfügung stehende Wickelraum besser genutzt werden kann.

In Fig. 5a ist eine Primärleiteranordnung 654 dargestellt, die in Verbindung mit einem ebenfalls dargestellten modifizierten Sekundärleiter-System geeignet ist, Energie auf das Sekundärsystem auch bei einer Bewegung des Sekundärsystems quer zur Ausdehnung der Primärleiter zu übertra­ gen. Damit ist eine Energieübertragung auch bei 2-dimensionaler Bewegung des Sekundär- Systems in der Ebene des Primär-Systems möglich. Erreicht wird dies dadurch, daß mehrere Pri­ märleiter 654 nebeneinander angeordnet sind und jeweils nebeneinander liegende Primärleiter ei­ nen eingeprägten Wechselstrom in unterschiedlicher Richtung führen. Quer zur Ausdehnung der Primär-Leiter ergibt sich damit ein magnetisches Wechselfeld 653 in aufeinanderfolgend unter­ schiedlicher Feldrichtung. Damit in jeder beliebigen Position des Sekundärwicklungssystems auf dieses Energie übertragen werden kann, besteht das Sekundär-Wicklungssystem aus den Wick­ lungen 650a und 650b, die eine Wicklungsgruppe bilden, sowie aus den Wicklungen 651a und 651b, die eine weitere Wicklungsgruppe bilden. Der Abstand beider Wicklungsgruppen entspricht dem halben Primärleiterabstand, so daß in jeder beliebigen Position des Sekundärsystems minde­ stens eine der beiden Wicklungsgruppen Energie an den Verbraucher speisen kann.

In Fig. 5b ist die elektrische Schaltungsanordnung des Sekundär-Systems entsprechend Fig. 5a dargestellt. Die Wicklungsgruppe 650a und 650b speist in Serienschaltung mit dem Kondensator 652 und dem Gleichrichter 654 auf den gemeinsamen Verbraucher 656. Die Wicklungsgruppe 651a und 651b speist in Serienschaltung mit dem Kondensator 653 und dem Gleichrichter 654 auf den gemeinsamen Verbraucher 656. Durch die Gleichrichter 654 und 655 wird selbsttätig die von der Position des Sekundärsystems abhängige, bezüglich der Energieeinkopplung jeweils günstig­ ste Wicklungsgruppe genutzt.

Fig. 6 zeigt eine Unterteilung der gesamten Primär-Leiterschleife in mehrere schaltbare Segmente 701, 711, 721. Ein Kurzschluß einzelner Segmente durch jeweils parallel zu den Segmenten angeordneten Schalter 703, 713, 723 unterbricht die Stromspeisung für das betroffene Segment, so daß eine einfache Blocksteuerung über die Energiezufuhr an die Verbraucher möglich ist. Zur Kompensation der primärseitigen Blindleistung ist jedem Segment ein Reihenkondensator 702, 712, 722 zugeordnet.

Claims (7)

1. Anordnung zur berührungsfreien induktiven Übertragung von Energie auf mehrere mit kon­ stanter Spannung und in Reihenschaltung betriebene elektrische Verbraucher mit unterschiedli­ cher Leistungsaufnahme dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der einzelnen beweglichen Verbraucher mit einer von ihrem Lastzustand unab­ hängigen konstanten Spannung jeweils eine passive Schaltungsanordnung verwendet wird, in der enthalten sind, eine oder mehrere am Verbraucher angeordnete Sekundär-Wicklungen (201, 202), die jeweils induktiv gekoppelt sind mit mindestens einer ausgedehnten ortsfesten Primär- Leiterschleife (100), die mit einem eingeprägten Wechselstrom aus einer Wechselstromquelle 107 gespeist wird, und, daß in der passiven Sekundär-Schaltungsanordnung ein oder mehrere am Ver­ braucher angeordnete Sekundär-Kondensatoren (203, 204) enthalten sind, die in elektrischer Rei­ henschaltung mit den Sekundär-Wicklungen (201, 202) sowie dem Verbraucher (205) verbunden sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlichen Wicklungsachsen der Sekundär-Wicklungen (201, 202) abweichen von dem räumlichen Leiterabstand der Primär-Leiterschleife (100), und die Differenz der elektrischen Span­ nungen an den Sekundär-Wicklungen (201, 202) gebildet wird, zur Ermittlung eines Signales zur Bestimmung der seitlichen Lageabweichung des Sekundärsystems (200) von der Primärleiterschlei­ fe (100).

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundär-Wicklungssystem aus insgesamt 4 voneinander unabhängigen Einzelwicklungen (630a, 630b, 631a, 631b) besteht, von denen 2 Wicklungen (630a, 631a) jeweils auf den Außen­ schenkeln eines Ferritkernes (632) angeordnet sind und 2 Wicklungen (630b und 631b) auf einem gemeinsamen Mittelschenkel des Ferritkernes angeordnet sind, wobei alle Wicklungen eine ma­ gnetische Kopplung zur Primär-Leiterschleife (633) aufweisen und elektrisch in Reihenschaltung miteinander verbunden sind.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspannung für einzelne Verbraucher durch die Windungszahl des Sekundär- Wicklungssystems individuell festgelegt wird.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Primärleitern (654) quer zu ihrer Ausdehnung in einer Ebene in einem Ab­ stand nebeneinander angeordnet werden und dabei jeweils zwei benachbarte Primärleiter einen Wechselstrom unterschiedlicher Stromrichtung führen, so daß sich quer zur Ausdehnung der Pri­ märleiter ein räumliches magnetisches Wechselfeld (653) mit aufeinanderfolgend unterschiedlicher Feldrichtung ausbildet und, daß die räumlichen Wicklungsachsen der Sekundär-Wicklungen (650a, 650b und 651a, 651b) indem halben Abstand des räumlichen Leiterabstandes der Primärleiter an­ geordnet sind, sowie daß die Sekundär-Wicklungen zwei Wicklungsgruppen bilden, die in Reihen­ schaltung mit jeweils einem Kondensator (652 und 653) und jeweils einem Gleichrichter (654, 655) auf einen gemeinsamen Verbraucher (656) speisen.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sekundär-Reihenschaltungs-Anordnungen jeweils über einen ihnen gleichfalls in Rei­ henschaltung zugeordneten Gleichrichter auf einen gemeinsamen Verbraucher speisen.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär-Leiterschleife in Blockabschnitte unterteilt ist und Schalter (703, 713, 723) enthält, die einzelne Segmente (701, 711, 721) durch Überbrückung der Einspeisepunkte stromlos schalten, wobei die einzelnen Segmente jeweils Reihenkondensatoren zur Blindleistungskompensation ent­ halten.