DE19926562A1 - Verfahren und Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie, Aktor hierzu sowie System für eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Maschine - Google Patents
Verfahren und Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie, Aktor hierzu sowie System für eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende MaschineInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl von Aktoren (3.1 bis 3.s) mit elektrischer Energie vorgeschlagen, wobei ein von mindestens einer Primärwicklung (1, 1.1 bis 1.p) abgestrahltes, mittelfrequentes magnetisches Feld zu jedem mindestens eine Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) aufweisenden Aktor übertragen und dort in elektrische Energie umgewandelt wird. DOLLAR A Des weiteren wird eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren (3.1 bis 3.s) mit elektrischer Energie unter Einsatz mindestens einer von einem mittelfrequenten Oszillator (4) gespeisten Primärwicklung (1, 1.1 bis 1.p) vorgeschlagen, wobei jeder Aktor (3.1 bis 3.s) mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) aufweist. DOLLAR A Außerdem werden ein Aktor hierzu und ein System für eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Maschine vorgeschlagen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur drahtlosen Ver
sorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie, auf einen Aktor hierzu sowie
auf ein System für eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Maschine. Die Erfin
dung kann beispielsweise zur elektrischen Energieversorgung von mikromechanischen,
piezoelektrischen, elektrochemischen, magnetostriktiven, elektrostriktiven, elektrostati
schen oder elektromagnetischen Aktoren verwendet werden, wie sie in Aktoren-
Systemen oder Maschinen, beispielsweise bei Steuer/Regelsystemen, in Fernsteuersy
stemen, in der Robotertechnik, bei Herstellungsautomaten bzw. Fertigungsautomaten,
als Anzeigeelemente und in Schutz- und Sicherheitssystemen (beispielsweise bei
Freiluft- oder Innenraum-Schaltanlagen) zum Einsatz gelangen.
Aus der DE 44 42 677 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zum Versorgen eines
elektrischen Verbrauchers mit einer elektrischen Versorgungsspannung oder einem
elektrischen Versorgungsstrom bekannt, wobei Funkwellen eines Funksenders zu ei
nem mit dem Verbraucher elektrisch verbundenen Funkempfänger übertragen werden
und vom Funkempfänger in die elektrische Versorgungsspannung bzw. den elektri
schen Versorgungsstrom umgewandelt werden. Die Funkwellen können aus dem elek
tromagnetischen Hochfrequenzbereich (Radiowellen) oder auch aus dem Mikrowellen
bereich (Richtfunk) kommen.
Dabei ist es von Nachteil, daß aufgrund der hohen Frequenzen und dementsprechend
kleinen Antennen einerseits und der durch EMV-Vorschriften und Regeln für Sicherheit
und Gesundheitsschutz an Arbeitsplätzen mit Exposition durch elektrische, magneti
sche oder elektromagnetische Felder beschränkten zulässigen Sendeleistung anderer
seits nur sehr unzureichend geringe Abstände zwischen Funksender und Funkemp
fänger erzielbar sind. Das gleiche trifft für die erzielbaren Leistungen zu, welche im Be
reich weniger µW liegen, was meist unzureichend für Aktoren ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und zuverlässiges Ver
fahren zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie anzu
geben.
Des weiteren ist eine kostengünstige und zuverlässige Anordnung zur Durchführung
dieses Verfahrens anzugeben.
Ferner soll ein hierzu geeigneter Aktor vorgeschlagen werden.
Außerdem soll ein System für eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Maschine
angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß durch ein Verfahren
zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie gelöst, wobei
ein von mindestens einer Primärwicklung abgestrahltes, mittelfrequentes magnetisches
Feld zu jedem mindestens eine Sekundärwicklung aufweisenden Aktor übertragen und
dort in elektrische Energie umgewandelt wird.
Unter den in diesem Zusammenhang interessierenden mittelfrequenten Schwingungen
wird der Bereich von etwa 15 kHz bis etwa 15 MHz verstanden.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch eine Anordnung
zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie unter Einsatz
mindestens einer von einem mittelfrequenten Oszillator gespeisten Primärwicklung ge
löst, wobei jeder Aktor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfre
quenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist.
Die Aufgabe wird bezüglich des Aktors durch einen Aktor mit mindestens einer zur
Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeigneten Sekundärwick
lung gelöst.
Die Aufgabe wird bezüglich des Systems durch ein System für eine eine Vielzahl von
Aktoren aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, gelöst, wobei jeder
Aktor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld
geeignete Sekundärwicklung aufweist, wobei mindestens eine von einem mittelfre
quenten Oszillator gespeiste Primärwicklung zur drahtlosen Versorgung der Aktoren mit
elektrischer Energie vorgesehen ist und wobei jeder Aktor mit einer Empfangseinrich
tung ausgestattet ist, welche Funksignale einer mit einem Prozeßrechner der Maschine
verbundenen zentralen Sendeeinrichtung empfängt.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß im Ver
gleich zu konventionellen Lösungen mit Kabelanschluß zur elektrischen Energieversor
gung der Aktoren der durch Planung, Material, Installation, Dokumentation und War
tung bedingte relativ hohe Kostenfaktor eines Kabelanschlusses entfällt. Es können
keine Ausfälle aufgrund von Kabelbrüchen oder schlechten, beispielsweise korrodierten
Kontakten auftreten.
Im Vergleich zur Verwendung von Batterien zur Energieversorgung von Aktoren entfällt
der Wartungsaufwand und Kostenaufwand, der durch den erforderlichen Austausch
von Batterien - zumal an schwer zugänglichen Stellen - bedingt ist.
Im angegebenen Mittelfrequenz-Bereich von etwa 15 kHz bis etwa 15 MHz sind die
sich durch Skineffekte ergebenden Nachteile, beispielsweise die auftretenden Verluste,
noch handhabbar. Die elektromagnetischen Wellen werden aufgrund der im Vergleich
zu den auftretenden Wellenlängen zu kleinen und deshalb als Antennen unwirksamen
Primärwicklungen nicht abgestrahlt, wodurch ein einfacher Aufbau der Anordnungen
ermöglicht wird. Eine EMV-Messung von eventuell abgestrahlten Störungen muß nicht
erfolgen. Günstig wirkt sich zudem aus, daß mittelfrequente Magnetfelder durch metal
lische Maschinen-Komponenten nur in geringem Ausmaß abgeschirmt werden, so daß
vorteilhaft auch an unzugänglichen Stellen eines Aktoren-Systems bzw. einer Maschine
ein zur Energieversorgung ausreichend starkes Magnetfeld auftritt.
Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich
net.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh
rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Anordnung zur drahtlosen elektrischen Versor
gung von Aktoren,
Fig. 2 ein Schaltbild zur Erläuterung des verwendeten Transformatorprinzips,
Fig. 3 eine erste praktische Ausführungsform,
Fig. 4 eine zweite praktische Ausführungsform,
Fig. 5 eine dritte Ausführungsform mit orthogonalen Primärwicklungen,
Fig. 6 eine vierte Ausführungsform mit unterschiedlich gestalteten Primär
wicklungen,
Fig. 7 eine fünfte Ausführungsform mit bandförmiger Primärwicklung,
Fig. 8 ein Ersatzschaltbild mit primärseitigen und sekundärseitigen Weiterbil
dungen.
In Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild der Anordnung zur drahtlosen elektrischen Versorgung
von Aktoren dargestellt. Es ist eine kreisförmige, vorzugsweise aus mehreren Windun
gen aufgebaute Primärwicklung 1 zu erkennen, welche eine Vielzahl - gegebenenfalls
bis zu einigen Hundert - von Sekundärwicklungen 2.1, 2.2, 2.3 . . . 2.s (s = beliebige gan
ze Zahl) umfaßt, wobei jede Sekundärwicklung 2.1 bzw. 2.2 bzw. 2.3 . . . 2.s mit einem
Aktor 3.1 bzw. 3.2 bzw. 3.3 . . . 3.s verbunden ist. Die Primärwicklung 1 ist an einen Os
zillator 4 (Mittelfrequenz-Oszillator) angeschlossen. Der Oszillator 4 speist die Primär
wicklung 1 mit einer mittelfrequenten Schwingung im Bereich von etwa 15 kHz bis etwa
15 MHz. Diese Mittelfrequenz würde zur Abstrahlung von elektromagnetischen Feldern
führen, deren Wellenlängen größer als 22 m bis 22 km sind und damit wesentlich grö
ßer als die Abmessungen der eingesetzten Primärwicklung - kleiner als 2 m -, so daß
die Primärwicklung nicht als Antenne für derartige elektromagnetische Strahlung wirkt.
Es liegt also eine rein magnetische Kopplung (und keine wirksame elektromagnetische
Kopplung) zwischen der Primärwicklung und den Sekundärwicklungen im Sinne eines
Mittelfrequenz-Transformators vor.
Als Aktoren werden beispielsweise mikromechanische, piezoelektrische, elektrochemi
sche, magnetostriktive, elektrostriktive, elektrostatische oder elektromagnetische Akto
ren eingesetzt.
In Fig. 2 ist ein Schaltbild zur Erläuterung des verwendeten Transformatorprinzips dar
gestellt. Es sind wiederum die Primärwicklung 1 mit einspeisendem Oszillator 4 und die
Aktoren 3.1 . . . 3.s mit den angeschlossenen Sekundärwicklungen 2.1 . . . 2.s zu erken
nen.
In Fig. 3 ist eine erste praktische Ausführungsform dargestellt. Es ist ein Aktoren-
System 5 - insbesondere eine Maschine bzw. ein Industrieroboter bzw. Herstellungs
automat bzw. Fertigungsautomat - gezeigt, welches mit zahlreichen an unterschiedli
che, zumindest teilweise bewegliche Systemkomponenten montierten Aktoren 3.1 . . . 3.s
versehen ist. Die Aktoren 3.1 . . . 3.s dienen beispielsweise als Anzeigeelemente, als
Steuer/Regelelemente und als Schutz/Sicherheitselemente. Das Aktoren-System 5 be
findet sich zwischen zwei horizontal angeordneten Primärwicklungen 1.1 und 1.2. Diese
beiden Primärwicklungen 1.1, 1.2 liegen elektrisch parallel am Oszillator 4 (Generator)
oder werden alternativ von zwei separaten Oszillatoren gespeist. Zwischen beiden Pri
märwicklungen tritt ein relativ gleichmäßiges Magnetfeld auf. Von Wichtigkeit ist es da
bei, daß sich die Aktoren stets im sich zwischen beiden Primärwicklungen 1.1, 1.2 aus
bildenden magnetischen Feld befinden, so daß über ihre Sekundärwicklungen eine
magnetische Ankopplung wirksam und demzufolge eine Energieeinspeisung möglich
ist.
Jeder Aktor ist mit einer Empfangseinrichtung und Sendeeinrichtung ausgestattet, die
Funksignale hinsichtlich der Befehle an die Aktoren zur Ausführung bestimmter Hand
lungen empfängt und Funksignale hinsichtlich aktueller Aktor-Informationen, wie die
Rückmeldungen "gewünschte Handlung erfolgreich/nicht erfolgreich ausgeführt" abgibt.
Die Funksignale zu allen Aktoren bzw. von allen Aktoren werden von einer zentralen
Sende/Empfangseinrichtung 9 abgegeben bzw. empfangen und von einem Prozeß
rechner 10 (speicherprogrammierbare Steuerung) vorgegeben bzw. an diesen weiter
geleitet. Vorzugsweise befindet sich die Sende/Empfangseinrichtung in unmittelbarer
Nähe des Aktoren-Systems 5, um eine optimale Funkverbindung mit den Aktoren zu
gewährleisten, während der die Maschine steuernde Prozeßrechner 10 auch entfernt
vom Aktoren-System 5 angeordnet sein kann. Wie leicht erkennbar ist, ergibt sich
durch das vorgeschlagene System eine kabellose Konfiguration der Aktoren sowohl
hinsichtlich ihrer elektrischen Energieversorgung als auch hinsichtlich der Informations
übertragung vom und zum Prozeßrechner 10.
In Fig. 4 ist eine zweite praktische Ausführungsform dargestellt. Bei dieser Ausfüh
rungsform ist lediglich eine einzige Primärwicklung 1 vorgesehen, welche das Aktoren-
System 5 - insbesondere ein Industrieroboter bzw. Herstellungsautomat bzw. Ferti
gungsautomat - mit den zahlreichen, an ihm montierten Aktoren 3.1 . . . 3.s global um
faßt.
In Fig. 5 ist eine dritte Ausführungsform mit drei orthogonal zueinander angeordneten
Primärwicklungen dargestellt. Es ist ein Aktoren-System 5 gezeigt, welches von einer
ersten vertikalen Primärwicklung 1.1, einer hierzu orthogonalen zweiten vertikalen Pri
märwicklung 1.2 und einer horizontalen dritten Primärwicklung 1.2 umschlossen ist. Bei
dieser Ausführungsform mit drei orthogonalen Primärwicklungen ergibt sich eine be
sonders gleichmäßige und nicht gerichtete Ausbildung des magnetischen Feldes. Al
ternativ bzw. ergänzend hierzu ist es auch möglich, jeden Aktor mit zwei oder drei or
thogonalen Sekundärwicklungen auszurüsten.
Des weiteren ist auch eine Ausführungsform realisierbar, bei der lediglich zwei orthogo
nale Primärwicklungen vorgesehen sind. Selbstverständlich sind auch Ausführungsfor
men realisierbar, welche mehrere Primärwicklungen 1.1 bis 1.p aufweisen, die nicht
orthogonal angeordnet sind.
In Fig. 6 ist eine vierte Ausführungsform mit mehreren unterschiedlich gestalteten Pri
märwicklungen dargestellt. Es handelt sich um ein relativ ausgedehntes Aktoren-
System 5, bei dem die einzelnen Aktoren 3.1 . . . 3.s nicht einigermaßen homogen über
das System verteilt angeordnet sind, sondern lediglich an einigen bestimmten Berei
chen des Systems gehäuft auftreten. Bei einer derartigen ausgedehnten Konfiguration
ist aus Gründen der zu erzielenden magnetischen Feldstärke der Einsatz mehrerer,
gezielt angeordneter Primärwicklungen vorteilhaft, welche jeweils mindestens eine Se
kundärwicklung eines Aktors lokal beeinflussen.
Ein erster mit Aktoren bestückter Systembereich liegt dabei im Magnetfeld zwischen
zwei horizontalen, rechteckförmigen, sich einander gegenüberliegenden Primärwick
lungen 1.1, 1.2. Ein zweiter, hierzu benachbarter, mit Aktoren bestückter Systembe
reich liegt im Magnetfeld zwischen zwei horizontalen, kreisringförmigen oder ovalen,
sich einander gegenüberliegender Primärwicklungen 1.3, 1.4. Ein dritter mit Aktoren
bestückter Systembereich wird vom Magnetfeld einer Primärwicklung 1.5 beeinflußt,
wobei diese Primärwicklung um den Mittelschenkel eines E-förmigen Ferritkernes an
geordnet ist, wodurch sich teilweise eine Abschirmung des Magnetfeldes und sich teil
weise eine Verstärkung im interessierenden, lokal begrenzten Bereich ergibt ("Spot-
Wirkung"). Ein vierter mit Aktoren bestückter Systembereich liegt im Einflußbereich ei
ner Primärwicklung 1.6. Die Magnetfelder der einzelnen Primärwicklungen 1.1 bis 1.6 in
den einzelnen Systembereichen sind jeweils gestrichelt angedeutet.
In Fig. 7 ist eine fünfte Ausführungsform mit bandförmiger Primärwicklung dargestellt.
Die bandförmige Primärwicklung 1 ist an ihrem einen Ende am Oszillator 4 angeschlos
sen, während das weitere Ende zusammengeschaltet ist. Auf diese Weise ergibt sich
eine Doppelleitung mit zwei vom gleichen Strom mit entgegengesetzter Richtung
durchflossenen Leitern, was das Magnetfeld zwischen beiden Leitern in gewünschter
Weise verstärkt und das Magnetfeld im Bereich außerhalb der beiden Leiter ab
schwächt. Vorteilhaft wird die bandförmige Primärwicklung 1 an der Maschine derart
installiert, daß sich die einzelnen Aktoren 3.1 bis 3.n im Bereich zwischen beiden Lei
tern der Doppelleitung befinden.
Selbstverständlich kann dabei jede Leitung der Doppelleitung aus mehreren Einzellei
tern bestehen, wobei die Einzelleiter beider Leitungen im Sinne einer Wicklung mitein
ander verbunden sind, so daß sich quasi eine Primärwicklung 1 wie unter Fig. 4 be
schrieben ergibt, welche extrem flach ausgebildet ist.
In Fig. 8 ist ein Ersatzschaltbild mit primärseitigen und sekundärseitigen Weiterbildun
gen dargestellt. Wie zu erkennen ist, liegt die Primärwicklung 1 über einem Kompensa
tionskondensator 6 am Oszillator 4, wodurch ein resonanter Betrieb des Oszillators er
zielt wird. Lediglich beispielhaft ist die magnetische Kopplung zwischen Primärwicklung
1 und Sekundärwicklung 2.1 angedeutet. An die Sekundärwicklung 2.1 ist ein AC/DC-
Steller 7 angeschlossen, der einen zur Energieversorgung des Aktors 3.1 dienenden
Energiespeicher 8 speist.
In Erweiterung des in Fig. 8 dargestellten Schaltbildes ist es auch möglich, einen Kom
pensationskondensator in der Anschlußleitung zwischen Sekundärwicklung 2.1 und
AC/DC-Steller 7 vorzusehen.
Claims (16)
1. Verfahren zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren (3.1 bis 3.s)
mit elektrischer Energie, wobei ein von mindestens einer Primärwicklung (1, 1.1 bis 1.p)
abgestrahltes, mittelfrequentes magnetisches Feld zu jedem mindestens eine Sekun
därwicklung (2.1 bis 2.s) aufweisenden Aktor übertragen und dort in elektrische Energie
umgewandelt wird.
2. Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren (3.1 bis 3.s)
mit elektrischer Energie unter Einsatz mindestens einer von einem mittelfrequenten Os
zillator (4) gespeisten Primärwicklung (1, 1.1 bis 1.p), wobei jeder Aktor (3.1 bis 3.s)
mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeig
nete Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine einzige, die Se
kundärwicklungen (2.1 bis 2.s) der Aktoren (3.1 bis 3.s) global umfassende Primär
wicklung (1).
4. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens zwei par
allel nebeneinander angeordnete Primärwicklungen (1.1, 1.2), zwischen denen die Se
kundärwicklungen (2.1 bis 2.s) der Aktoren (3.1 bis 3.s) angeordnet sind.
5. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zwei orthogonal zu
einander angeordnete Primärwicklungen (1.1, 1.2).
6. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch drei orthogonal zu
einander angeordnete Primärwicklungen (1.1, 1.2, 1.3).
7. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens eine,
mindestens eine Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) eines Aktors (3.1 bis 3.s) lokal beein
flussende Primärwicklung (1.1 bis 1.p).
8. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine in Form einer
Doppelleitung ausgeführte Primärwicklung (1), wobei die Sekundärwicklungen (2.1 bis
2.s) der Aktoren (3.1 bis 3.s) zwischen der Doppelleitung angeordnet sind.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Primärwicklung mit einem Ferritkern versehen ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die mindestens eine Primärwicklung mit einem Kompensationskondensator (6) be
schaltet ist.
11. Aktor mit mindestens einer zur Energieaufnahme aus einem mittelfre
quenten Magnetfeld geeigneten Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s).
12. Aktor nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch mehrere orthogonale
Sekundärwicklungen.
13. Aktor nach Anspruch 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) mit einem Kompensationskondensator (6) beschaltet ist.
14. Aktor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die mindestens eine Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) mit einem AC/DC-Steller be
schaltet ist, welcher einen Energiespeicher (8) auflädt.
15. System für eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Maschine, insbe
sondere Fertigungsautomat,
- - wobei jeder Aktor (3.1 bis 3.s) mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) aufweist,
- - wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator (4) gespeiste Primärwicklung (1, 1.1 bis 1.p) zur drahtlosen Versorgung der Aktoren (3.1 bis 3.s) mit elektrischer Energie vorgesehen ist,
- - wobei jeder Aktor mit einer Empfangseinrichtung ausgestattet ist, welche Funksignale einer mit einem Prozeßrechner der Maschine verbundenen zentralen Sen deeinrichtung empfängt.
16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren mit
Sendeeinrichtungen versehen sind, welche interessierende Aktor-Informationen bein
haltende Funksignale an eine zentrale, mit dem Prozeßrechner verbundene Empfangs
einrichtung abgeben, so daß ein bidirektionaler Informationsaustausch zwischen dem
Prozeßrechner und den Aktoren möglich ist.
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