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

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.