DE3852308T2

DE3852308T2 - Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung.

Info

Publication number: DE3852308T2
Application number: DE3852308T
Authority: DE
Inventors: Shigeaki Sano
Original assignee: Toppan Moore Co Ltd
Current assignee: Toppan Edge Inc
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2008-09-10
Also published as: US4942352A; JPS63156538U; DE3852308D1; JPH0747957Y2; EP0357829A1; EP0357829B1

Description

Die Erfindung betrifft ein kontaktloses Energiezufuhr- und -empfangssystem gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ein derartiges System ist aus dem Dokument WO-A-84 04 212 bekannt.
Die Energiezufuhr zu einem elektrischen Gerät erfolgt normalerweise über elektrische Leitungen und Anschlüsse, während ein tragbares elektrisches oder elektronisches Kleingerät oder Koffergerät durch das Laden einer wiederaufladbaren Batterie oder durch die Auswechslung nicht wiederaufladbarer Batterien kontinuierlich mit Energie versorgt wird, was in der Praxis verhältnismäßig gut möglich ist.
Bei Geräten aber, bei denen externe Stromanschlüsse zum Laden der Batterie oder eine Zugangsöffnung für den Batteriewechsel nur schwer vorgesehen werden können, muß man auf die Verwendung elektrischer oder elektronischer Schaltkreise verzichten oder vielmehr das Gerät selbst ersetzen, anstatt die leeren Batterien aufzuladen oder gegen neue auszutauschen. Aber auch elektrische oder elektronische Geräte, deren Batterien relativ problemlos aufgeladen oder ausgetauscht werden können, bedürfen einer kontinuierlichen Überwachung hinsichtlich des Zeitpunkts, an dem die verwendete Batterie verbraucht ist. Bei der Energiezufuhr zu einer solchen elektrischen oder elektronischen Schaltung, deren Energieverbrauch ohnehin verhältnismäßig höher ist als die Kapazität der Batterie, wird der Energieverbrauch durch die für die kontinuierliche Überwachung notwendige Überwachungsschaltung noch zusätzlich erhöht.
Auch bei einem Gerät, das über Stromanschlüsse mit Energie versorgt wird, muß man die Lebensdauer und Zuverlässigkeit solcher Anschlüsse bedenken, wenn sie ein- bis mehrmals täglich ein- und ausgesteckt werden. Insbesondere bei elektrischen Anschlüssen umfaßt die Leistungsgarantie im allgemeinen zehn bis mehrere hundert Benutzungen, wobei diese Zahl je nach Häufigkeit der Benutzung bereits nach einem oder zwei Jahren überschritten sein kann. Unter den gegebenen Umständen hatte man das Problem der Zuverlässigkeit ungewollt vernachlässigt.
Das Dokument WO-A-84 04 212 beschreibt ein kontaktloses Energiezufuhr- und -empfangssystem, dessen Leistungsvermögen mit dem eines herkömmlichen Systems vergleichbar ist, das durch die üblichen elektrischen Anschlüsse mit Energie versorgt wird. Dieses System erlaubt die kontaktlose Übertragung einer hohen elektrischen Energie mit hohem Wirkungsgrad. Es hält die elektrische Verbindung in einem kontaktlosen Zustand und eignet sich deshalb besonders für elektrische Einrichtungen und Geräte, die in einer extrem reinen Umgebung, zum Beispiel in einer geschlossenen Umgebung oder in einer entzündlichen oder explosiven Atmosphäre, angeordnet werden müssen, oder für Geräte, deren Energieversorgung durch die üblichen elektrischen Verbindungen nur schwer möglich ist.
Bei dem bekannten System bilden die Energiezufuhrspule und die Energieemfpangsspule zusammen einen Transformator in der Art eines offenen Magnetkreises, wobei die Energiezufuhrspule als Primärseite und die Energieempfangsspule als Sekundärseite dient. Um den Streufluß zu minimieren, wird bevorzugt eine möglichst niedrige Frequenz benutzt, da ein Spannungsabfall zwischen der Primär- und Sekundärseite bekanntlich proportional der Frequenz ist. Bei einer niedrigen Frequenz müssen die Energiezufuhrspule und die Energieempfangsspule eine höhere Induktivität besitzen, um eine hohe Impedanz beizubehalten. Dies führt aber in nachteiliger Weise zu einer erhöhten Streuinduktivität und dadurch zu einer verringerten Energieübertragungs-Wirkungsgrad.
Die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe ist die Verbesserung des bekannten Systems dahingehend, daß der Energieübertragungs-Wirkungsgrad ohne Erhöhung der Streuinduktivität erhöht wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale eines der Ansprüche 1, 3, 5 und 8. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Kondensator bereitgestellt, der mit der Energiezufuhrspule parallelgeschaltet ist, so daß eine Impedanz, von der Sekundärseite des Transformators gesehen, während einer Energiezufuhrperiode durch ein Resonanzphänomen erhöht werden kann. Die Resonanzenergie wird der Last zugeführt, wodurch der Wirkungsgrad insgesamt verbessert wird.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Figur 1 eine vertikale Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 ein Schaltdiagramm der Ausführungsform von Figur 1;
Figur 3 eine Vorderansicht einer Energieempfangsspule 54;
Figur 4 einen Querschnitt,
Figur 5 ein Schaltdiagramm, das ein Ersatzschaltbild für einen Magnetkopplungsabschnitt darstellt;
Figur 6 ein Diagramm mit den Kennlinien der Magnetkopplung;
Figur 7 eine vertikale Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 8 ein Schaltdiagramm der Ausführungsform von Figur 7;
Figur 9 eine vertikale Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 10 ein Schaltdiagramm der Ausführungsform von Figur 9;
Figur 11 eine vertikale Schnittansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 12 ein Schaltdiagramm der Ausführungsform von Figur 11.
Figur 1 zeigt in vertikal geschnittener Darstellung eine Ausführungsform der Erfindung im Zustand der Energiezufuhr oder in dem entsprechenden Bereitschaftszustand, und Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung dieser Ausführungsform. Bezugsziffer 10 bezeichnet eine Energiezufuhrvorrichtung und Bezugsziffer 50 ein mit Anschlüssen versehenes tragbares Gerät als Energieempfangsvorrichtung. In der Energiezufuhrvorrichtung 10 bezeichnet Bezugsziffer 12 eine übliche Wechselstromquelle, Bezugsziffer 14 einen Arbeitskontaktschalter als Primärschalter oder Auslöseschalter für die Energiezufuhr, Bezugsziffer 16 einen Frequenzwandler in der Art eines Phasenreglers zur Umwandlung einer von der üblichen Wechselstromquelle 12 gelieferten Wechselspannung in eine Wechselspannung einer vorgegeben hohen Frequenz, wie später noch erläutert, Bezugsziffer 18 eine Energiezufuhrspule und Bezugsziffer 20 einen Kondensator zur Verbesserung der Energieübertragungsleistung durch magnetische Kopplung der Energiezufuhrspule 18 und einer Energieempfangsspule 54, wie das ebenfalls an späterer Stelle beschrieben wird.
Die Energieempfangsvorrichtung 50 enthält in einem geschlossenen Gehäuse 52 die mit der Energiezufuhrspule 18 magnetisch zu koppelnde Energieempfangsspule 54, eine Glättungsschaltung 56 zum Gleichrichten und Glätten der von der Energieempfangsspule 54 gelieferten Wechselspannung, eine aufladbare Batterie 58, die mit Gleichspannung aus der Glättungsschaltung 56 aufgeladen werden kann, und einen Stromkreis 60, der die Funktion der Empfangsvorrichtung 50 bewirkt.
Die Energiezufuhrspule 18 ist auf einen Ferritkern 19 gewikkelt, der zur Vermeidung einer Beschädigung von außen in einem Gehäuse 10A vorzugsweise an einer nicht exponierten Stelle liegt, jedoch nach erfolgter Anbringung der Empfangsvorrichtung 50 so nahe wie möglich an deren Energieempfangsspule 54 angeordnet sein sollte, um den Magnetkopplungseffekt mit der Energieempfangsspule 54 zu verstärken. Als Energieempfangsspule 54 wird eine Flachspule bevorzugt, die eine wirksame Verknüpfung des von der Energiezufuhrspule 18 ausgehenden Magnetflusses mit der Energieempfangsspule 54 erleichtert. Insbesondere ist die Energieempfangsspule 54 vorzugsweise eine Flachspule aus Blech, die aus einem scheibenähnlichen Kern und aus einer Schicht oder aus mehreren Schichten von Spulenteilen besteht, die zum Beispiel durch Aufdrucken auf die der Energiezufuhrvorrichtung 10 zugewandte Seite des scheibenähnlichen Kerns gebildet sind. Figur 3 zeigt eine Vorderansicht einer solchen Blechspule, während in Figur 4 ein vertikaler Schnitt durch deren Mittelebene dargestellt ist.
Vom Standpunkt des Wirkungsgrads der Magnetkopplung betrachtet hat die Energiezufuhrspule 18 vorzugsweise einen Durchmesser, der gleich groß oder kleiner ist als der wirksame Durchmesser oder der minimale Durchmesser der Energieempfangsspule 54.
Die Energiezufuhrspule 18 und die Energieempfangsspule 54 bilden zusammen einen Transformator mit offenem Magnetkreis, wobei die Energiezufuhrspule 18 als Primärseite und die Energieempfangsspule 54 als Sekundärseite dient. Eine elektrische Ersatzschaltung ist in Figur 5 gezeigt. Durch den offenen Magnetkreis ist ein beachtlicher Streufluß vorhanden, und die dadurch verursachte Streuinduktivität Lx führt zu einem Spannungsabfall zwischen einer Spannung Vin auf der Primärseite und einer Spannung Vout auf der Sekundärseite, wie das aus der Ersatzschaltung in Figur 5 ersichtlich ist. Demzufolge ist eine Minimierung des Streuflusses erwünscht. Es soll eine Frequenz benutzt werden, die so niedrig wie möglich ist, weil der Spannungsabfall bekanntlich proportional der Frequenz ist. Um jedoch eine unerwünschte magnetostriktive tonfrequente Schwingung zu vermeiden, muß die benutzte Frequenz in der Größenordnung von 15 kHz oder darüber liegen. Obwohl ein Wandler 16 derart eingestellt ist, daß er im Hinblick auf die vorgenannten Anforderungen eine Rechteckwelle von 15 bis 25 kHz erzeugt, ist hier zu bemerken, daß in Verbindung mit dem Wirkungsgrad der magnetischen Kopplung manchmal eine höhere Frequenz zu bevorzugen ist, abhängig von dem Abstand zwischen den Spulen 18 und 54.
Mit der auf einen niedrigeren Wert eingestellten Frequenz müssen die Spulen 18 und 54 andererseits eine höhere Induktivität haben, damit in der von der Glättungsschaltung 56 zur Energieempfangsspule 54 führenden Richtung eine hohe Impedanz beibehalten werden kann. Dies führt in nachteiliger Weise zu einer erhöhten Streuinduktivität und dadurch zu einem verringerten Energieübertragungs-Wirkungsgrad. Um dieses Problem zu lösen, wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Kondensator 20 verwendet, der der Energiezufuhrspule 18 parallelgeschaltet ist, so daß eine Impedanz, von der Sekundärseite des (aus den Spulen 18 und 54 bestehenden) Transformators gesehen, während einer Phase der Energiezufuhr durch ein Resonanzphänomen erhöht werden kann. Mit anderen Worten wird der Wert des Kondensators 20 derart gewählt, daß in der in Figur 5 gezeigten Ersatzschaltung eine Spule 34 und der Kondensator 20 im Zustand der Energiezufuhr bei einer Frequenz, die höher ist als die des an die Energiezufuhrspule 18 angelegten Stroms, in Parallelresonanz sind. Das Ergebnis ist, daß der Kondensator 20 und die Spule 34 eine Quelle mit der Resonanzfrequenz fR bilden und daß die Resonanzenergie auf eine Last gerichtet wird, wodurch der Energiezufuhr-Wirkungsgrad insgesamt verbessert wird.
Die Bezugsziffern 36, 37 bezeichnen Spulen, deren Wert der Hälfte der Streuinduktivität Lx entspricht. Bezugsziffer 56D bezeichnet eine Gleichrichterdiode und Bezugsziffer 56C einen Glättungskondensator. Eine aufladbare Batterie 58 wird mit einer von der Glättungsschaltung 56 gelieferten Gleichspannung VDC geladen.
Experimente haben gezeigt, daß bei einem 3 mm großen Abstand zwischen den Spulen 18, 54 die Ausgangs-Wechselspannung Vac des Wandlers 16 100 V ist und daß die Ausgangsfrequenz fo des Wandlers 25 kHz ist, wobei die Ausgangs-Wechselspannung VDC und der Laststrom IL der Glättungsschaltung 56 von Figur 5 hinsichtlich der durch den Kondensator 20 bestimmten Resonanzfrequenz fR die in Figur 6 dargestellten Charakteristiken zeigen. Hatte man die Resonanzfrequenz fR auf einen möglichst niedrigen, etwa 1,5 mal größeren Wert als die Ausgangsfrequenz fo eingestellt, so hat sich eine Änderung der Wechselspannung Vac am Eingang sofort auf die Gleichspannung VDC ausgewirkt. Wurde die Kapazität des Kondensators 20 hingegen so gewählt, daß die Resonanzfrequenz fR 1,5 mal höher oder mehr war, insbesondere in der Größenordnung von 2 fo, so erhielt man trotz möglicher Änderungen der Wechselspannung eine konstante Leistung in der Größenordnung von 3 VA aus der Glättungsschaltung 56. Wie aus Figur 6 hervorgeht, war die Schwingung mit einer Frequenz von 2 fo optimal. Die maximale Ausgangsleistung von 3,6 W wurde erreicht, als die Wechselstromquelle 12 derart eingestellt war, daß sie eine Ausgangsspannung Vac von 100 V und einen Ausgangsstrom von 0,4 A lieferte. Die Ausgangsleistung in der Größenordnung von 3 VA hat man bei einem Energieübertragungs-Wirkungsgrad von etwa 40% erreicht. Dieses Leistungsvermögen ist mit jenem zu vergleichen, das man mit einer normalen elektrischen Verbindung erhält.
Mit der Anordnung von Figur 1 kann die Energiezufuhr von der Energiezufuhrvorrichtung 10 zur Energieempfangsvorrichtung 50 erst beginnen, nachdem die Energieempfangsvorrichtung 50 sachgemäß auf der Energiezufuhrvorrichtung 10 angeordnet ist. Zu diesem Zweck ist gemäß der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform die der Energiezufuhrvorrichtung 10 zugewandte Fläche der Energieempfangsvorrichtung 50 an einer oder mehreren Stellen mit Magneten 62, 62 versehen, die in sie eingelassen sind, wohingegen die der Energieempfangsvorrichtung 50 zugewandte Fläche der Energiezufuhrvorrichtung 10 an den entsprechenden Stellen mit Reed-Schaltern 22, 22 versehen ist, die abhängig von den Magneten 62, 62 geschlossen werden, um festzustellen, ob die Energieempfangsvorrichtung 50 (insbesondere deren Energieempfangsspule 54) der Energiezufuhrvorrichtung 10 (insbesondere deren Energiezufuhrspule 18) richtig gegenüberliegt. Nach Schließen sämtlicher Reed-Schalter 22 erzeugt eine Schaltersteuervorrichtung 24 ein Schalter-Schließsignal, mit welchem der Schalter 14 geschlossen wird. Das Schließen des Schalters 14 aktiviert den Frequenzwandler 16, so daß durch die magnetische Kopplung der Energiezufuhrspule 18 mit der Energieempfangsspule 54 die Energiezufuhr zu der Energieempfangsvorrichtung 50 erfolgt.
Erst nach sachgemäßer Anordnung der Energieempfangsvorrichtung 50 bewirken die Magneten 62 und die entsprechenden Reed- Schalter 22, daß die Steuervorrichtung 24 das Schalter- Schließsignal erzeugt und die Zufuhrvorrichtung 10 Energie zur Empfangsvorrichtung 50 leitet. Somit wird auf wirksame Weise vermieden, daß versehentlich Magnetenergie abgestrahlt wird, durch welche die übrigen Schaltungsbauteile oder separate Geräte beschädigt werden könnten. Positionsfühler für die Energieempfangsvorrichtung 50 lassen sich nicht nur durch die vorstehend genannte Kombination aus den Magneten 62 und den Reed-Schaltern 22 bereitstellen, sondern ebenso durch die Kombination eines Magneten mit einem Hall-Element, durch einen Photokoppler, einen mechanischen Mikroschalter oder eine Anordnung, bei welcher die Unterseite der Energieempfangsvorrichtung teilweise reflektierend ausgebildet ist, während die Energiezufuhrvorrichtung 10 mit lichtemittierenden Elementen und Lichtempfangselementen versehen ist.
Die Figuren 7 und 8 zeigen eine modifizierte Ausführungsform der Erfindung, die so gebaut ist, daß die Ausgangsspannung der in der Energieempfangsvorrichtung 50 vorgesehenen aufladbaren Batterie überwacht wird und daß der Energiezufuhrvorrichtung signalisiert wird, ob die Batterie geladen werden muß oder nicht. Ähnlich wie Figur 1 zeigt Figur 7 eine vertikale Schnittansicht dieser Ausführungsform, während in Figur 8 eine dafür vorgesehene Schaltungsanordnung dargestellt ist. Dabei sind Bauteile und Elemente, die jenen in den Figuren 1 und 2 gleichen, mit denselben Bezugsziffern versehen.
Bezugsziffer 64 bezeichnet eine Überwachungsschaltung zur Überwachung der Ausgangsspannung der aufladbaren Batterie 58. Der Energieverbrauch dieser Überwachungsschaltung 64 ist so gering, daß die hierfür notwendige Vorspannung der Ausgangsspannung der aufladbaren Batterie 58 entnommen werden kann. Wenn die Ausgangsspannung der Batterie 58 unter einen vorgegebenen Wert abfällt, aktiviert die Überwachungsschaltung 64 eine Leuchtdiode 66, die sich wie der Magnet 62 in der Ausführungsform von Figur 1 an der der Oberseite der Energiezufuhrvorrichtung 10 zugewandten Fläche der Energieempfangsvorrichtung 50 befindet, wohingegen die Energiezufuhrvorrichtung 10 mit einem Lichtempfangselement 26 versehen ist. Die Leuchtdiode 66 und das Lichtempfangselement 26 bilden zusammen einen sogenannten Photokoppler. Solange das Lichtempfangselement 26 Licht von der Leuchtdiode 66 empfängt, sendet eine Schaltersteuervorrichtung 28 kontinuierlich ein Schalter- Schließsignal an den Schalter 14, der mit diesem Signal geschlossen wird.
Bei der in Figur 7 gezeigten Ausführungsform führt die sachgemäße Positionierung der Energieempfangsvorrichtung 50 auf der Energiezufuhrvorrichtung 10 notwendigerweise dazu, daß die Leuchtdioden 66 den entsprechenden Lichtempfangselementen 26 gegenüberliegen. Ist die Ausgangs-Gleichspannung der aufladbaren Batterie 58 niedriger als ein vorgegebener Wert, so aktiviert die Überwachungsschaltung 64 die Leuchtdiode 66 mit der Folge, daß ein Energiezufuhrsignal an die Energiezufuhrvorrichtung 10 gesandt wird. Wenn das Lichtempfangselement 26 Licht von der Leuchtdiode 66 empfängt, wird von der Schaltersteuervorrichtung 28 das Schalterschließsignal an den Schalter 14 angelegt. Infolgedessen wird der Frequenzwandler 16 aktiviert und die aufladbare Batterie 58 über die Spulen 18, 54 mit Energie versorgt.
Wenn die aufladbare Batterie 58 während der Energieversorgung der Energieempfangsvorrichtung 50 bis zu einer vorgegebenen Spannung aufgeladen ist, wird die Leuchtdiode 66 von der Überwachungsschaltung 64 deaktiviert. Infolgedessen erhält der Schalter 14 von der Schaltersteuervorrichtung 28 ein Schalter-Öffnungssignal, damit die die Energiezufuhr gestoppt wird.
Der Gleichspannungspegel am Ausgang der aufladbaren Batterie 58, die keine weitere Energie mehr benötigt, ist im allgemeinen höher als der Gleichspannungspegel am Ausgang der Batterie 58, die noch weitere Energie benötigt. Aus diesem Grund hat die Überwachungsschaltung 64 im wesentlichen zwei Schwellen. Dies wird im einzelnen dadurch erreicht, daß man die Ausgangsspannung der aufladbaren Batterie 58 an einen Komparator anlegt für den Vergleich mit einem Schwellenwert über eine RC-Integrationsschaltung mit langer Zeitkonstante (oder über eine analoge Verzögerungsleitung).
Bei der Ausführungsform von Figur 7 wird sinnloses Aufladen vermieden, weil die Energiezufuhr nur dann erfolgt, wenn aufgeladen werden muß. Zusätzlich zu dem Energiezufuhrsignal- Übertragungssystem, das die Leuchtdiode 66 und das Lichtempfangselement 26 umfaßt, können auch die Positionserfassungsmittel 22, 22; 62, 62 der Energieempfangsvorrichtung verwendet werden. In diesem Fall dient die Schaltersteuervorrichtung auch als Schaltersteuervorrichtung 24, das heißt sie legt das Schalter-Schließsignal an den Schalter 14 an, wenn die Energieempfangsvorrichtung 50 sachgemäß positioniert ist und eine Aufladung erfolgen muß.
Die Figuren 9 und 10 zeigen eine Abwandlung der in Figur 7 gezeigten Ausführungsform, wonach eine Notstromquelle 68 ausschließlich für die Energiezufuhr zu der Überwachungsschaltung 64 vorgesehen ist, so daß das Energiezufuhrsignal auch dann an der Energiezufuhrvorrichtung 10 angelegt werden kann, wenn die aufladbare Batterie 58 weitgehend entladen wurde. Die Energieempfangsvorrichtung 50 ist mit Mitteln 70, 70; 72 zum Nachweis ihrer sachgemäßen Positionierung auf der Energiezufuhrvorrichtung 10 versehen, und in Abhängigkeit von dem Nachweissignal dieser Mittel wird die von der Notstromquelle 68 gelieferte Spannung an die Überwachungsschaltung 64 angelegt, um diese zu aktivieren.
Umgekehrt zur Ausführungsform von Figur 1 ist bei dieser Ausführungsform die der Energieempfangsvorrichtung 50 zugewandte Fläche der Energiezufuhrvorrichtung an einer oder mehreren Stellen mit Magneten 30, 30 versehen, während die Energieempfangsvorrichtung 50 an ihrer Unterseite Reed-Schalter 70, 70 hat, die abhängig von den Magneten 30, 30 geschlossen werden. Eine logische Schaltung 72 erzeugt nach Schließen sämtlicher Reed-Schalter 70, 80 ein Schließsignal für einen Schalter 74. Wenn die logische Schaltung 72 als elektronischer Schaltkreis ausgebildet ist, wird die gewünschte Energie der Notstromquelle 68 entnommen. Dieser Schalter 74 kann durch in Reihe geschaltete Reed-Schalter 70 ersetzt werden. In diesem Fall erübrigt sich sowohl die logische Schaltung 72 als auch der Schalter 74 selbst. Das Problem, dem die größte Bedeutung zukommt, ist die maximal zulässige Stromaufnahme, weshalb die für die Funktion dieser Ausführungsform wesentliche Schaltungsanordnung nicht auf die dargestellte Anordnung beschränkt ist.
Obwohl dies im einzelnen nicht dargestellt ist, wird die Notstromquelle 68 mit Gleichspannung geladen, die je nach Bedarf aus der Glättungsschaltung 26 zugeführt wird.
In der in Figur 9 gezeigten Ausführungsform werden die Reed- Schalter 70, 70 der Energieempfangsvorrichtung 50 nach richtiger Positionierung derselben auf der Energiezufuhrvorrichtung 10 notwendigerweise in Übereinstimmende Lage mit den Magneten 30, 30 an der Energiezufuhrvorrichtung 10 gebracht und dadurch geschlossen. Solange alle Reed-Schalter 70, 70 geschlossen sind, erzeugt die logische Schaltung 72 das Schließsignal, mit welchem der Schalter 74 geschlossen wird. Dadurch wird die Überwachungsschaltung 64 aktiviert, um die Ausgangs-Gleichspannung der aufladbaren Batterie 58 zu überwachen und um die Leuchtdiode 66 zu aktivieren, wenn die Ausgangs-Gleichspannung unter einem vorgegebenen Wert liegt. Wenn das Lichtempfangselement 26 Licht aus der Leuchtdiode 66 empfängt, liefert die Schaltersteuervorrichtung 28 das Schließsignal an den Schalter 14. Folglich wird die Energieempfangsvorrichtung 50 mit Energie versorgt.
Sobald die aufladbare Batterie 58 während der Energiezufuhr zur Energieempfangsvorrichtung 50 bis zu einer vorgegebenen Spannung aufgeladen ist, schaltet die Überwachungsschaltung 64 die Leuchtdiode 66 ab, wodurch der Schalter 14 von der Schaltersteuervorrichtung 28 das Öffnungssignal empfängt und die Energiezufuhr stoppt.
In der Ausführungsform gemäß Figur 7 sendet die Leuchtdiode 66 fortwährend Licht, solange der Ausgangsspannungspegel der aufladbaren Batterie 58 unter einem vorgegebenen Wert liegt. Dieses Merkmal ist zwar als Warnung für den Benutzer von Vorteil, verbraucht aber Energie. In der in Figur 9 gezeigten Ausführungsform wird die Überwachungsschaltung 64 andererseits nach der sachgemäßen Anordnung der Energieempfangsvorrichtung 50 auf der Energiezufuhrvorrichtung 10 aktiviert, so daß jede unnütze Aktivierung der Leuchtdiode 66 mit dem Ergebnis eines minimalen Energieverbrauchs vermieden wird.
Wiederum in der Ausführungsform gemäß Figur 7 kann die Überwachungsschaltung 64 nach vollständigem Leeren der aufladbaren Batterie 58 nicht aktiviert werden, so daß also keine Energie mehr zugeführt wird. Eine Gegenmaßnahme für dieses Problem ist eine Notstromquelle 68, wie das bereits im Zusammenhang mit Figur 9 beschrieben wurde. Als Alternative kann eine Anordnung vorgesehen werden, bei der, wenn die Energiequelle der Energiezufuhrvorrichtung 10 zugeschaltet (oder ein diesbezüglicher, nicht dargestellter Auslöseschalter geschlossen) ist, der Schalter 14 zumindest für kurze Zeit geschlossen bleibt, bis der Gleichspannungspegel, bei welchem die Überwachungsschaltung 64 aktiviert werden kann, erreicht ist und damit die Energieempfangsvorrichtung 50 mit Energie in dem Maße versorgt wird, daß die Überwachungsschaltung normal aktiviert werden kann.
Die Figuren 11 und 12 zeigen eine Abwandlung der in Figur 9 dargestellten Ausführungsform, in der das System zur Übertragung des Energiezufuhrsignals, das heißt die in Figur 9 verwendete Kombination aus der Leuchtdiode 66 und dem Lichtempfangselement 26, durch eine Kombination der Energiezufuhrspule 18 mit der Energieempfangsspule 54 ersetzt ist. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß Bauteile und Elemente, die jenen in Figur 9 ähnlich sind, mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Bezugsziffer 76 bezeichnet einen Schwingkreis, der auf das von der Überwachungsschaltung 64 ausgegebene Energiezufuhrsignal anspricht, um ein Wechselstromsignal einer vorgegebenen Frequenz zu liefern, das dann an die Energieempfangsspule 54 angelegt wird. Die Schwingfrequenz des Schwingkreises 76 kann derart gewählt werden, daß sie mit einer gewünschten Intensität zur Energiezufuhrvorrichtung 10 übertragen wird, auch wenn die Spulen 18, 54 einen Transformator mit offenem Magnetkreis. In der Energiezufuhrvorrichtung bezeichnet Bezugsziffer 31 einen Detektor zur Erfassung des Wechselstromsignals der Energiezufuhrspule 18 und Bezugsziffer 32 einen Komparator, der die Ausgangsspannung des Detektors 31 mit einer vorgegebenen Referenzspannung Vref vergleicht. Wenn die Ausgangsspannung des Detektors 31 niedriger ist als die Referenzspannung Vref, liefert der Komparator 32 das Schließsignal an den Schalter 14.
In der Ausführungsform der Figuren 11 und 12 werden nach der sachgemäßen Anordnung der Energieempfangsvorrichtung 50 auf der Energiezufuhrvorrichtung 10 alle Reed-Schalter 70, 70 in Abhängigkeit von den Magneten 30, 30 geschlossen, und der Ausgang der logischen Schaltung 72 bewirkt das Schließen des Schalters 74. Nachdem der Schalter 74 geschlossen wurde, wird die Überwachungsschaltung 64 aktiviert und liefert ein Energiezufuhrsignal an den Schwingkreis 76, wenn die Ausgangs- Gleichspannung der aufladbaren Batterie 58 unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Der Schwingkreis 76 ist abhängig von diesem Energiezufuhrsignal, um das Wechselstromsignal einer vorgegebenen Frequenz über die magnetische Kopplung zwischen der Energieempfangsspule 54 und der Energiezufuhrspule 18 an die Energiezufuhrvorrichtung 10 anzulegen. Der Detektor 31 erfaßt das aus der Energieempfangsvorrichtung 50 kommende Wechselstromsignal einer vorgegebenen Frequenz, und wenn das Ausgangssignal des Detektors 31 höher ist als ein vorgegebener Referenzwert, liefert der Komparator 32 das Schließsignal an den Schalter 14. Nach dem Schließen des Schalters 14 wird der Frequenzwandler 16 aktiviert, wodurch die Energiezufuhr zu der Energieempfangsvorrichtung 50 erfolgt.
Wenn die aufladbare Batterie 58 ausreichend ist und ihre Ausgangs-Gleichspannung einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, stellt die Überwachungsschaltung 64 die Erzeugung des Energiezufuhrsignals ein, und der Schwingkreis 76 liefert keine weitere Ausgabe mehr.
Der Detektor 31 kann eine Schaltung sein, bei der nur das Signal mit der Schwingfrequenz des Schwingkreises 76 erfaßt wird oder bei der auch das von dem Frequenzwandler 16 ausgegebene Signal mit der Wechselfrequenz erfaßt wird. Im erstgenannten Fall wird nach dem Aufladen der Schalter 14 geöffnet und die Energiezufuhr gestoppt. Im zweitgenannten Fall setzt der Detektor 31 die Erfassung der Ausgabe des Frequenzwandlers 16 fort und hält den Schalter 14 geschlossen, auch nachdem der Schwingkreis 76 nach der Aufladung deaktiviert wurde.
Obwohl als kontaktloses Energiezufuhrsystem der Magnetkopplungstyp beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern erfaßt beispielweise auch einen Photokoppler, bei welchem die Energiezufuhrvorrichtung 10 mit einem Lichtemissionselement und die Energieempfangsvorrichtung mit einer Solarzelle ausgestattet sind.
Betreffend das aus der Leuchtdiode 66 und dem Lichtempfangselement 26 bestehende System zur Übertragung des Energiezufuhrsignals gemäß den Figuren 8 und 10 wird die Zwischenschaltung eines Infrarotübertragungsfilters und/oder einer blinkenden Leuchtdiode 66 bevorzugt, um dadurch jeglichen Einfluß von Außenlicht zu vermeiden.

Claims

1. Kontaktlose Energiezufuhr- und -empfangsvorrichtung umfassend:

eine Energiezufuhrvorrichtung (10) mit einer Energiezufuhrspule (18), einem Frequenzwandler (16) zum Übertragen eines Signals mit einer vorbestimmten Frequenz, einem Schalter (14), der auf ein angelegtes Schaltsignal reagiert, zum Verbinden des Frequenzwandlers (16) mit der Energiezufuhrspule (18), um das Signal mit der vorbestimmten Frequenz der Energiezufuhrspule (18) zuzuführen, wenn das Schaltsignal dem Schalter (14) zugeführt wird, ferner mit einer Schaltersteuervorrichtung (24), die auf ein Positionserfassungssignal reagiert, um das Schaltsignal dem Schalter (14) zuzuführen;

eine tragbare Energieempfangsvorrichtung (50) mit einer Energieempfangsspule (54), wobei die tragbare Energieempfangsvorrichtung (50) in vorbestimmter räumlicher Beziehung mit der Energiezufuhrvorrichtung (10) zur elektromagnetischen Kopplung der Energieempfangsspule (54) der Energieempfangsvorrichtung (50) mit der Energiezufuhrspule (18) der Energiezufuhrvorrichtung (10) angeordnet werden kann; und

eine Positionserfassungsvorrichtung (62, 22) zum Übertragen des Positionserfassungssignals zur Schaltersteuervorrichtung (24) der Energiezufuhrvorrichtung (10), wenn sich die tragbare Energieempfangsvorrichtung (50) in der vorbestimmten räumlichen Orientierung mit der Energiezufuhrvorrichtung (10) befindet;

dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (20) der Energiezufuhrspule (18) zur Erzeugung einer Resonanz parallel geschaltet ist, deren Resonanzfrequenz mindestens 1.5 mal größer als die vorbestimmte Frequenz ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungsvorrichtung einen oder mehrere in der tragbaren Energieempfangsvorrichtung (50) befestigte Magnete (62), und einen oder mehrere in der Energiezufuhrvorrichtung (10) magnetisch betätigbare Schalter (22) umfaßt, wobei jeder Magnet (62) zum Bedienen eines entsprechenden magnetisch betätigbaren Schalters (22) angeordnet ist, wenn sich die tragbare Energieempfangsvorrichtung (50) in der vorbestimmten räumlichen Orientierung mit der Energiezufuhrvorrichtung (10) befindet, wobei einer oder mehrere magnetisch bedienbare Schalter (22) das Positionserfassungssignal zur logischen Schaltung (24) übertragen, wenn sich die tragbare Energieempfangsvorrichtung (50) in der vorbestimmten räumlichen Orientierung mit der Energiezufuhrvorrichtung (10) befindet.

3. Kontaktlose Energiezufuhr- und -empfangsvorrichtung umfassend:

eine Energiezufuhrvorrichtung (10) mit einer Energiezufuhrspule (18), einem Frequenzwandler (16) zum Übertragen eines Signals mit einer vorbestimmten Frequenz, einem Schalter (14), der auf ein angelegtes Schaltsignal reagiert, zum Verbinden des Frequenzwandlers (16) mit der Energiezufuhrspule (18), um das Signal mit der vorbestimmten Frequenz der Energiezufuhrspule (18) zuzuführen, wenn das Schaltsignal dem Schalter (14) zugeführt wird, ferner mit einer Schaltersteuervorrichtung (28), die das Schaltsignal dem Schalter (14) zuführt; und

eine tragbare Energieempfangsvorrichtung (50) mit einer Energieempfangsspule (54), wobei die tragbare Energieempfangsvorrichtung (50) in vorbestimmter räumlicher Beziehung mit der Energiezufuhrvorrichtung (10) zur elektromagnetischen Kopplung der Energieempfangsspule (54) der Energieempfangsvorrichtung (50) mit der Energiezufuhrspule (18) der Energiezufuhrvorrichtung (10) angeordnet werden kann;

dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (20) der Energiezufuhrspule (18) zur Erzeugung einer Resonanz parallel geschaltet ist, deren Resonanzfrequenz mindestens 1.5 mal größer als die vorbestimmte Frequenz ist, daß die tragbare Energieempfangsvorrichtung (50) eine wiederaufladbare elektrische Stromquelle (58) und eine Ladepegeldetektorvorrichtung (64) enthält, die mit der wiederaufladbaren elektrischen Stromquelle (58) verbunden ist, um ein Statussignal zu übertragen, das anzeigt, daß die wiederaufladbare elektrische Stromquelle (58) aufgeladen werden muß, daß die Energieempfangsvorrichtung (50) ferner eine mit der Energieempfangsspule (54) verbundene Glättungsschaltung (56) zur Übertragung eines Ladesignals zur wiederaufladbaren elektrischen Stromquelle (58) hat, daß diese Vorrichtung ferner einen Photokoppler (66, 26) enthält, der das den Status der wiederaufladbaren elektrischen Stromquelle (58) darstellende Signal zur Schaltersteuervorrichtung (28) der Energiezufuhrvorrichtung (10) überträgt, um die Energiezufuhrspule (18) mit dem Frequenzwandler (16) zu verbinden, wenn sich die Energieempfangsvorrichtung (50) in der vorbestimmten räumlichen Orientierung mit der tragbaren Energiezufuhrvorrichtung (10) befindet und das Statussignal anzeigt, daß die wiederaufladbare elektrische Stromquelle (58) aufgeladen werden muß.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Photokoppler eine in der tragbaren Energieempfangsvorrichtung (50) befestigte Leuchtdiode (66) und ein in der Energiezufuhrvorrichtung (10) angeordnetes Lichtempfangselement (26) enthält, wobei die Leuchtdiode (66) so angeordnet ist, daß sie dem Lichtempfangselement (26) Licht zuführt, wenn sich die tragbare Lichtempfangsvorrichtung (50) in der vorbestimmten räumlichen Orientierung mit der Energiezufuhrvorrichtung (10) befindet, und daß das Lichtempfangselement (26) sein Signal der Schaltersteuervorrichtung (28) zuführt, wenn sich die tragbare Energieempfangsvorrichtung (50) in der vorbestimmten räumlichen Orientierung mit der Energiezufuhrvorrichtung (10) befindet.

5. Kontaktlose Energiezufuhr- und -empfangsvorrichtung umfassend:

eine Energiezufuhrvorrichtung (10) mit einer Energiezufuhrspule (18), einem Frequenzwandler (16) zum Übertragen eines Signals mit einer vorbestimmten Frequenz, einem Schalter (14), der auf ein angelegtes Schaltsignal reagiert, zum Verbinden des Frequenzwandlers (16) mit der Energiezufuhrspule (18), um das Signal mit der vorbestimmten Frequenz der Energiezufuhrspule (18) zuzuführen, wenn das Schaltsignal dem Schalter (14) zugeführt wird, ferner mit einer Schaltersteuervorrichtung (24), die das Schaltsignal dem Schalter (14) zuführt;

eine Positionserfassungsvorrichtung (30, 70) zum Zuführen eines Positionserfassungssignals,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (20) der Energiezufuhrspule (18) zur Erzeugung einer Resonanz parallel geschaltet ist, deren Resonanzfrequenz mindestens 1.5 mal größer als die vorbestimmte Frequenz ist, daß die tragbare Energieempfangsvorrichtung (50) ferner eine Reservebatterie (68) zur Zufuhr eines Betriebsstroms zur Ladepegelerfassungsvorrichtung (64) hat, sowie einen Schalter (74), der abhängig vom Positionserfassungssignal betätigbar ist und die Reservebatterie (68) mit der Ladepegelerfassungsvorrichtung (64) nur verbindet, wenn sich die tragbare Energieempfangsvorrichtung (50) in der vorbestimmten räumlichen Orientierung befindet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (74) ein zwischen der Reservebatterie (68) und der Ladepegelerfassungsvorrichtung (64) angeordneter elektrisch betätigbarer Schalter ist, daß die Vorrichtung ferner eine logische Schaltung (72) zur Betätigung des elektrisch betätigbaren Schalters (74) hat, und daß die logische Schaltung (72) auf das Positionserfassungssignal reagiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Photokoppler (66, 26) eine in der tragbaren Energieempfangsvorrichtung (50) befestigte Leuchtdiode (66) und ein in der Energiezufuhrvorrichtung (10) befestigtes Lichtempfangselement (26) enthält, daß die Leuchtdiode (66) durch ein Statussignal der Ladepegelerfassungsvorrichtung (64) gespeist wird und angeordnet ist, um dem Lichtempfangselement (26) Licht zuzuführen, wenn sich die tragbare Energieempfangsvorrichtung (50) in der vorbestimmten räumlichen Orientierung zur Energiezufuhrvorrichtung (10) befindet, und daß das Lichtempfangselement (26) sein Signal der Schaltersteuervorrichtung (28) zuführt, wenn die wiederaufladbare elektrische Stromquelle (58) aufgeladen werden muß.

8. Kontaktlose Energiezufuhr- und -empfangsvorrichtung umfassend:

eine Energiezufuhrvorrichtung (10) mit einer Energiezufuhrspule (18), einem Frequenzwandler (16) zum Übertragen eines Signals mit einer vorbestimmten Frequenz, einem Schalter (14), der auf ein angelegtes Schaltsignal reagiert, zum Verbinden des Frequenzwandlers (16) mit der Energiezufuhrspule (18), um das Signal mit der vorbestimmten Frequenz der Energiezufuhrspule (18) zuzuführen, wenn das Schaltsignal dem Schalter (14) zugeführt wird, ferner mit einer Schaltersteuervorrichtung (31, 32), die das Schaltsignal dem Schalter (14) zuführt; und

dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (20) der Energiezufuhrspule (18) zur Erzeugung einer Resonanz parallel geschaltet ist, deren Resonanzfrequenz mindestens 1.5 mal größer als die vorbestimmte Frequenz ist, daß die Energieempfangsvorrichtung (50) eine wiederaufladbare elektrische Stromquelle (58) und eine Ladepegeldetektorvorrichtung (64) enthält, die mit der wiederaufladbaren elektrischen Stromquelle (58) verbunden ist, um ein Statussignal zu übertragen, das anzeigt, daß die wiederaufladbare elektrische Stromquelle (58) aufgeladen werden muß, daß ein durch das Statussignal aktivierter Oszillator (76) der Energieempfangsspule (54) ein Signal zuführt, und daß die Energiezufuhrvorrichtung (10) einen mit der Energiezufuhrspule (18) verbundenen Signaldetektor (31) zur Erfassung des der Energieempfangsspule (54) vom Oszillator (76) zugeführten Signals enthält und daß der Signaldetektor (31) das Schaltsignal dem Schalter (14) zuführt, um den Frequenzwandler (16) mit der Energiezufuhrspule (18) zu verbinden, wenn der Oszillator (76) der Energieempfangsspule (54) das Signal überträgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz in der Größenordnung mindestens der zweifachen vorbestimmten Frequenz liegt.