DE3043441A1 - Power transfer system - has transformer allowing position data update inside SOS buoy on board ship - Google Patents

Power transfer system - has transformer allowing position data update inside SOS buoy on board ship

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Abstract

The system has a transformer whose two windings have a rectangular shape and different lengths. They are curved around imaginary cylindrical surfaces concentric with one another and one inside the other such that practically no change occurs in the transfer characteristics of the transformer when the windings rotate about the axis of the imaginary cylinders. The parameters (e.g. winding resistance, inductance etc.,) are related by a specified equation. The buoy is mounted on a ship and the transformer is used to transfer signals updating the position data of the ship stored in the buoy. (This data is transmitted automatically when the buoy is thrown overboard).

Description

Einrichtung zur drahtlosen Energieübertragung Device for wireless energy transmission

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur drahtlosen Energieübertragung mittels eines Lufttransformators, insbesondere für eine Seenotboj e.The invention relates to a device for wireless energy transmission by means of an air transformer, especially for a distress buoy.

Beim Betrieb einer Seenotboje auf Schiffen, die sich beim Eintauchen ins Wasser selbständig einschaltet und über einen Satelliten die Seenotbotschaft abstrahlt, ist es wichtig, daß der Boje beim Lösen aus der Halterung keinerlei Widerstand entgegenwirkt.When operating a rescue buoy on ships, which are immersed automatically switches on into the water and the distress message via a satellite radiates, it is important that the buoy does not have any resistance when it is released from the holder counteracts.

Einer Kabelverbindung, selbst wenn sie mit einer Sollbruchstelle versehen ist, ist deshalb eine drahtlose Verbindung vorzuziehen.A cable connection, even if it has a predetermined breaking point a wireless connection is therefore preferable.

Eine Verbindung ist notwending, um in regelmäßigen Zeitabständen die in der Boje gespeicherten Positionsdaten vom Schiff her zu erneuern und die bei dem Betrieb des Datenspeichers notwendige Stromversorgung sicherzustellen, welche die dabei verbrauchte Energie ersetzt. Darüberhinaus sollte die Energieübertragung auch ermöglichen, die gesamte Stromversorgung in der Boje einschließlich Senderteil, wenn sie aus wiederaufladbaren Zellen besteht, auf vollem Ladezustand zu halten. Im Falle einer Bestückung mit Nickel-Cadmium-Zellen vom Typ "D" (Monozelle) ist ein Dauerladestrom von ca. 0,1A erforderlich. Die notwendige Ladespannung ist von der Zahl der Zellen abhängig. Für die Speicherelektronik allein sind 10V ausreichend, für den Senderbetrieb 30 V.A connection is necessary to the to renew the position data stored in the buoy from the ship and the at to ensure the necessary power supply for the operation of the data storage replaces the energy consumed in the process. In addition, the energy transfer should also enable the entire power supply in the buoy including the transmitter part, if it is made up of rechargeable cells, keep it at a full charge. If it is equipped with nickel-cadmium cells of type "D" (mono cell) a continuous charging current of approx. 0.1A is required. The necessary charging voltage is from depending on the number of cells. For the storage electronics alone, 10V is sufficient, for transmitter operation 30 V.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur drahtlosen Energieübertragung mittels eines Lufttransformators anzugeben, die insbesondere in Verbindung mit einer Seenotboje verwendbar ist, welche trotz des geringen Kopplungsfaktors der Luftspulen eine möglichst große Leistungsübertragung bei möglichst großem Wirkungsgrad ermöglicht. Diese Auf gabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.It is therefore the object of the invention to provide a device for wireless Specify energy transmission by means of an air transformer, in particular can be used in conjunction with a distress buoy, which despite the low coupling factor the air-core coils achieve the greatest possible power transmission with the greatest possible efficiency enables. This task is according to the invention by the subject matter of the claim 1 solved.

Zur Erzielung optimaler Verhältnisse findet vorzugsweise die Dimensionierungsvorschrift entsprechend Patentanspruch 2 Verwendung.The dimensioning specification is preferably used to achieve optimal conditions according to claim 2 use.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. la eine Seitenansicht und Fig. ib eine Schnittansicht durch eine Seenotboje und deren Halterung mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 2 Ausführungsbeispiele der beiden Spulen des Lufttransformators in Fig. 1; und Fig. 3 ein Ersatzschaltbild des Lufttransformators in Fig. 1.The invention is to be explained in more detail, for example, with the aid of the drawing will. The figures show: FIG. 1a a side view and FIG. 1b a sectional view through a distress buoy and its holder with a device according to the invention; Fig. 2 exemplary embodiments of the two coils of the air transformer in FIG. 1; and Fig. 3 shows an equivalent circuit diagram of the air transformer in FIG. 1.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Boje B vorgesehen, die in einer Bojenhalterung H angeordnet ist. Die Bojenhalterung H ist mit einer zu einem Schiff fahrenden Versorgungsleitung verbunden.In the embodiment shown in Fig. 1 is a buoy B is provided, which is arranged in a buoy holder H. The buoy holder H is connected to a supply line going to a ship.

Fig. 2 zeigt eine in die Ebene ausgerollte Spule 1 mit einer rechteckigen Form sowie eine ebenfalls in die Ebene ausgerollte Spluie 2 mit einer rechteckigen Form, deren Länge größer als diejenige der Spule 1 ist. Die Spule 2 ist entlang dem kugelförmigen Teil der Boje B angeordnet, und die Spule 1 entsprechend zylindrisch gekrümmt und konzentrisch dazu in der Bojenhalterung H. Beispielsweise kann die Spule 2 in die Boje B eingeschäumt sein und die Spule 1 kann in einer kleinen Vertiefung der Bojenhalterung H einlameniert sein.Fig. 2 shows a rolled out in the plane coil 1 with a rectangular Form as well as a Spluie 2, also rolled out into the plane, with a rectangular one Shape whose length is greater than that of the coil 1. The coil 2 is along the spherical part of the buoy B is arranged, and the spool 1 is correspondingly cylindrical curved and concentric to it in the buoy holder H. For example, the Coil 2 be foamed into the buoy B and the coil 1 can be in a small recess the buoy holder H must be laminated.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umschließt die Spule 2 die Boje entlang einer Kreislinie, während die Spule 1 entsprechend der Ausbildung der Bojenhalterung H nur entlang einem Halbkreis angeordnet ist. Die für die Ropp*1ng maßgebende Fläche ist also diejenige der Spule 1, und eine an sich beliebige Drehung der Spulen um die Zylinderachse senkrecht zu der Zeichenebene in Fig. ib verursacht deshalb pr«'~isch keire Änderung der Übertragungseigenschaften. Sollten zufällig die beiden Enden der Spule 2 über die Spule 1 zu liegen kommen, wird auch dadurch nahezu nichts an der Übertragungsleistung geändert, weil die Richtung der Induktionsspannung in beiden Spulenteilen übereinstimmt.As can be seen from Fig. 1, the coil 2 encloses the buoy along a circular line, while the coil 1 according to the design of the buoy holder H is only arranged along a semicircle. The area that is decisive for the ropp * 1ng is that of the coil 1, and any rotation of the coils the cylinder axis perpendicular to the plane of the drawing in Fig. 1b therefore gives rise to prism no change in the transmission properties. Should happen to the both ends of the coil 2 come to rest over the coil 1, is also almost as a result nothing changed in the transmission power because the direction of the induction voltage coincides in both parts of the coil.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Lufttransformators, wobei die beiden Spulen L1 und L2 in einer Serienresonanzschaltung vorgesehen sind. Diese Ersatzschaltung läßt sich nach bekannten Methoden formelmäßig darstellen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ausgehend von diesen Formeln eine Optimierungsbeziehung zwischen dem vom Verwendungszweck her zu fordernden Last-R widerstand/und den Schaltungsparametern herleitbar ist, welche bei einem Verzicht auf eine umfangreiche streng mathematische Lösung zu einfachen, für die Anwendung praktikablen Näherungslösungen führt. Die Schaltungsparameter können sowohl im Hinblick auf einen maximalen Wirkungsgrad , als auch auf eine maximal zu übertragende Leistung N optimiert und als Dimensionierungsvorschrift angegeben werden.Fig. 3 shows an equivalent circuit diagram of the air transformer, the two coils L1 and L2 are provided in a series resonance circuit. These Equivalent circuit can be represented by a formula using known methods. The invention is based on the knowledge that, based on these formulas, an optimization relationship between the load R resistance required by the intended use / and the circuit parameters it can be deduced which, if an extensive, strictly mathematical one is dispensed with Solution leads to simple approximate solutions that are practicable for the application. the Circuit parameters can be used both in terms of maximum efficiency, as well as optimized for a maximum power N to be transmitted and as a dimensioning rule can be specified.

Diese Vorschriften lauten: wobei M = Gegeninduktivität z = 2q= = Kreisfrequenz r1= Ohmscher Verlustwiderstand Primärspule r2= Ohmscher Verlustwiderstand Sekundärspule Die Dimensionierung der Kapazitäten ergibt sich in bekannter Weise aus der Resonanzbedingung.These rules are: where M = mutual inductance z = 2q = = angular frequency r1 = ohmic loss resistance primary coil r2 = ohmic loss resistance secondary coil The dimensioning of the capacitances results in a known way from the resonance condition.

Nachdem die Bauelemente nach obiger Beziehung ausgewählt und deren Charakteristika vermessen sind, lassen sich sowohl Wirkungsgrad, als auch übertragene Leistung wie folgt errechnen: Die interessierenden Ströme und Spannungen errechnen sich für die betracntete Näherung (R<1OGiL2) und nach Herstellung von Resonanz in beiden Kreisen: Dabei ist U1 die an den Primärkreis angelegte Spannung.After the components have been selected according to the above relationship and their characteristics measured, both the efficiency and the transferred power can be calculated as follows: The currents and voltages of interest are calculated for the approximation in question (R <1OGiL2) and after resonance has been established in both circles: U1 is the voltage applied to the primary circuit.

Der an sich wünschenswerten Erhöhung der Frequenz sind im al1gemeinen zwei Grenzen gesetzt: Die eine ist technisch begründet und fordert einen genügenden Abstand von der Spulen-Eigenresonanz. Die andere ist postalisch begründet: Ab 10 kHz beginnt die Genehmigungspflicht und gerade auf Schiffen könnte eine Störfrequenz den Funk- und Navigationsempfang behindern (z.B. OMEGA-Verfahren bei 10 kHz).The generally desirable increase in frequency are Two limits are set: One is technically justified and demands a sufficient one Distance from the coil's natural resonance. The other is justified by post: From 10 kHz begins the licensing requirement and, especially on ships, an interference frequency could occur impede radio and navigation reception (e.g. OMEGA method at 10 kHz).

(Fig. 2) Daher wurde als Beispiel für folgenden VersuchsaufbauZdie Frequenz 9 kHz gewählt und folgende Parameter gemessen: Spule 1: 50 Windungen mit 0,5 mm Cu, Abmessungen 15 x 70 cm Spule 2: 85 Windungen mit 0,4 mm Cu, Abmessungen 15 x 175 cm r1 = 77 L1 = 3,3 mH C1 9 nF r2 = 45,4 L2 = 19,6 mH C2 = 16 nF Spulenabstand ca. 2,5 cm; K - 0,2 M = = 1,6 mH Die rechnerischen Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Sie konnten im Versuchsaufbau für die Gegeninduktivität K = 0,2 meßtechnisch bestätigt werden.(Fig. 2) Therefore, the frequency 9 kHz was chosen as an example for the following test setup Z and the following parameters were measured: Coil 1: 50 turns with 0.5 mm Cu, dimensions 15 x 70 cm Coil 2: 85 turns with 0.4 mm Cu, Dimensions 15 x 175 cm r1 = 77 L1 = 3.3 mH C1 9 nF r2 = 45.4 L2 = 19.6 mH C2 = 16 nF Spool spacing approx. 2.5 cm; K - 0.2 M = = 1.6 mH The calculated results are summarized in Table 1. They could be confirmed by measurement in the test setup for the mutual inductance K = 0.2.

Tabelle 1 Aus rechnung von Leistungsdaten für drei verschiedene Werte des Kopplungsfaktors (f = 9000 Hz, U1 = 10V; Versuchsaufbau wie beschrieben) K = 0.1 K = 0.2 K = 0.3 M 0.80 1.60 2.41 inH 45.2 90.5 136.3 Ropt(#) 118 224 334 Ropt(N) 331 1109 2458 £1 Ii i44 494 676 262 661 176 mA I2 94 137 53 88 36 63 mA U2 29.4 16.1 58.8 19.7 88.5 21.2 V 37.2 44.7 46.1 66.3 48.2 76.1 N 2.77 2.21 3.11 1.74 3.19 1.34 W Liegt das Interesse sowohl am Wirkungsgrad als auch an der übertragenen Leistung, können für R auch beliebige Werte zwischen den beiden genannten Optimierungswerten gewählt werden.Table 1 Calculation of performance data for three different values of the coupling factor (f = 9000 Hz, U1 = 10V; test setup as described) K = 0.1 K = 0.2 K = 0.3 M 0.80 1.60 2.41 inH 45.2 90.5 136.3 Ropt (#) 118 224 334 Ropt (N) 331 1109 2458 £ 1 Ii i44 494 676 262 661 176 mA I2 94 137 53 88 36 63 mA U2 29.4 16.1 58.8 19.7 88.5 21.2 V 37.2 44.7 46.1 66.3 48.2 76.1 N 2.77 2.21 3.11 1.74 3.19 1.34 W. If both the efficiency and the transmitted power are of interest, any values between the two mentioned optimization values can also be selected for R.

Das gesteckte Ziel der Zellennachladung, z.B. 100 mA/45 Volt (R=450#) konnte mit U1 = 13 Volt bei einem Wirkungsgrad von 62% erreicht werden, trotz des verhältnismäßig geringen Kopplungsgrads von 0,2.The set goal of cell recharging, e.g. 100 mA / 45 volts (R = 450 #) could be achieved with U1 = 13 volts with an efficiency of 62%, despite the relatively low degree of coupling of 0.2.

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Claims (3)

Patentansprüche Einrichtuny zur drahtlosen Energieübertragung mittels eines Lufttransformators, insbesondere für eine Seenotboje, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die beiden Spulen eine rechteckige Form und eine unterschiedliche Länge aufweisen, und daß sie zylindrisch gekrümmt und konzentrisch derart ineinander angeordnet sind, daß durch eine Drehung der Spulen um die Zylinderachse praktisch keine Änderung der Übertragungseigenschaften verursachbar ist.Claims Einrichtuny for wireless energy transmission by means of an air transformer, especially for a distress buoy, d a -d u r c h g e k It should be noted that the two coils are rectangular in shape and different Have length, and that they are cylindrically curved and concentric so in one another are arranged that practical by a rotation of the coils about the cylinder axis no change in the transmission properties can be caused. 2. Einrichtung zur drahtlosen Energieübertragung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die beiden Spulen in einer Serienresonanzschaltung vorgesehen sind, deren Schaltungsparameter derart ausgewählt sind, daß wobei Ropt = optimaler Lastwiderstand (Naherungslösung) # = 2#f = Kreisfrequenz M = Gegeninduktivität r1 = ohmscher Verlustwiderstand der Primärspule r2 = ohmscher Verlustwiderstand der Sekundärspule darstellt.2. Device for wireless energy transmission according to claim 1, characterized in that the two coils are provided in a series resonance circuit, the circuit parameters of which are selected such that where Ropt = optimal load resistance (approximate solution) # = 2 # f = angular frequency M = mutual inductance r1 = ohmic loss resistance of the primary coil r2 = ohmic loss resistance of the secondary coil. 3. Einrichtung zur drahtlosen nnergieübertragung nach Anspruch 2, d a d u r c h q e k e n n z e i c h n e t, daß zur Optimie-(#) rung von Wirkungsgrad und übertragener Leistung(R)zwischen den beiden Werten Ropt (#) unc Ropt<N) gewählt it.3. Device for wireless energy transmission according to claim 2, d a d u r c h q e k e n n n z e i c h n e t that to optimize - (#) increase efficiency and transmitted power (R) is selected between the two values Ropt (#) and Ropt <N) it.
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