DE4446779C2

DE4446779C2 - Anordnung zur berührungslosen induktiven Übertragung elektrischer Leistung

Info

Publication number: DE4446779C2
Application number: DE4446779A
Authority: DE
Inventors: Anton Seelig
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1994-12-24
Filing date: 1994-12-24
Publication date: 1996-12-19
Anticipated expiration: 2014-12-25
Also published as: JPH10511539A; CA2215291C; AU697948B2; ES2146326T5; JP3105260B2; DE4446779A1; US6005304A; EP0799517B2; EP0799517A1; EP0799517B1; DE59508104D1; ES2146326T3; BR9510377A; CA2215291A1; WO1996020526A1; DK0799517T3; AU4388896A; ATE191298T1; DK0799517T4

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen induktiven Übertragung elektrischer Leistung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Anmeldung WO 92/17929 A1, nach der der Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1 gebildet ist, wird eine Doppel leitung beschrieben, bei der Leiter l₁ und l₁′ (s. Fig. 1 und 2) auf Leiterstützen S₁ und S₁′ aus magnetisch und elektrisch nichtleitendem Material befestigt sind. Die Doppelleitung wird von einem E-förmigen Ferritkern 2 umgeben, dessen Mittelschenkel MS tief in den Raum zwischen den Leitern hineinragt und die Sekundärwicklung W₂ trägt, über die Ener gie abgenommen und dem bewegten Verbraucher zugeführt wird. Die dort bekannte induktive Energieübertragungsanordnung besteht im einfachsten Fall aus einem Mittelfrequenzgenerator, der eine Leiterschleife aus den Leitern l₁ und l₁′ mit einem Strom höherer Frequenz, beispielsweise im kHz-Bereich, speist, wobei die beiden Leiter eine Doppelleitung bilden.

Fig. 1 und 2 zeigen eine derartige Leiteranordnung und einen bewegbaren Verbraucher in Draufsicht und Querschnitt, in dessen Mittelteil der Übertragerkopf 1 montiert ist, der aus einem E-förmigen Ferritkern 2 mit der Sekundärwick lung W₂ auf dem Mittelschenkel MS besteht. Damit der Übertragerkopf oder die Übertragerköpfe möglichst klein bleiben, ist eine relativ hohe Frequenz erforderlich, die mindestens 10 KHz beträgt.

Anordnungen mit gestreckten Leitern werden als Linienleiter- oder als Linienpolsysteme bezeichnet, weil der sich quer zur Bewegungsrichtung schließende magnetische Wechselfluß längs des Leiters stets einheitlich gerichtet ist und somit linienförmige Pole bildet. Der bewegte Übertragerkopf besteht bei Doppelleitungen meistens aus einem E-förmigen Ferritkern, der beide Leiter des Stators umschließt und den magnetischen Fluß durch die Sekundärwicklung leitet.

Für derartige Energieübertragungen gibt es verschiedene Anwendungsge biete. So ist beispielsweise eine Übertragung mit Schleifkontakten mit Funkenbildung, Verschleiß und Geräuschen verbunden. Bedeutende Anwen dungen für die berührungslose Übertragung elektrischer Energie bestehen bei Laufkatzen von Hebezeugen, Hochregallagern oder Magnetbahnen. Auch für Fahrstühle wäre ein solches System zur Energieübertragung in die Kabine von Vorteil. Roboter, die eine bestimmte Wegstrecke abfahren müssen, um an verschiedenen Einsatzorten tätig zu sein, können ebenfalls mit einem solchen System mit Energie versorgt werden.

Bei einer Anordnung nach Fig. 1 speist der Mittelfrequenzgenerator MFG den Strom I mit einer Frequenz über 10 KHz in die aus l₁ und l₁′ bestehende Leiterschleife ein. Diese Leiterschleife erzeugt Streufelder, die in Fig. 1 mit Φ₀ und Φ₀′ bezeichnet sind.

Im vorderen Teil der Leiterschleife ist außerdem die aus l₁ und l₁′ bestehende Doppelleitung durch ein Aluminiumgehäuse 7 abgeschirmt. Abschirmungen sind im wesentlichen erforderlich, um eine weitere Ausbreitung des Streufeldes Φ₀ zu verhindern, da es Störungen z. B. in benachbarten Signalstromkreisen erzeugt und die elektromagnetische Verträglichkeit beeinflußt. Bei großen Leistungen kann auch die Gefahr einer Gesundheitsschädigung bestehen.

Im hinteren Teil der Fig. 1 zeigen die angedeuteten Streuflüsse Φ₀ und Φ₀′ an, daß das Feld ohne Abschirmgehäuse wesentlich weiter in die Umgebung ausstreut.

Der größte Nachteil dieser Anordnung ist die hohe Induktivität der aus den Leitern l₁, l₁′ bestehenden Doppelleitung. Neben der unbehinderten Ausbreitung der Streufelder bei nicht geschirmten Doppelleitungen ist der relativ große Abstand D der Leiter l₁ und l₁′ die Hauptursache für die hohe Induktivität. Dieser Abstand D muß aber eine Mindestgröße haben, damit der Mittelschenkel MS des E-Kernes, der die Sekundärwicklung W₂ trägt, zwischen den Leitern l₁ und l₁′ geführt werden kann. Dabei ist der Raum bedarf des Mittelschenkels und der Sekundärwicklung und damit auch der Abstand D durch die zu übertragende Leistung bestimmt.

Bei den hohen Übertragungsfrequenzen verursachen die Leitungsinduk tivitäten hohe induktive Spannungsabfälle, die durch einen hohen Aufwand an Kondensatoren kompensiert werden müssen.

Aus der Elektrie 34, 1980, Heft 7, ist eine Anordnung zur induktiven Energieübertragung auf Grubenlokomotiven bekannt. Bei dieser Anordnung werden Doppelleitungen verwendet, die an der Decke eines Grubenstollens verlegt sind. Zwischen diesen Doppelleitungen l₁, l₁′ (s. Fig. 1) werden Ferritkörper 2 bewegt, die eine Sekundärwicklung W₂ tragen, welche die Energie Antrieben und Verbrauchern auf den bewegten Systemen zuführt. Die Ferritkörper mit den Sekundärwicklungen werden nachfolgend auch als Übertragerköpfe bezeichnet.

In dieser Arbeit sind Verfahren zur Kompensation des induktiven Span nungsabfalls auf den Leitungen und an den Streuinduktivitäten der Übertragerköpfe durch in Reihe zur Doppelleitung und den Sekundärwick lungen geschaltete Kondensatoren beschrieben. Die Energie kann auf mindestens zwei bewegbare Verbraucher über dieselbe Doppelleitung über tragen werden.

Die Induktivität der Doppelleitung wirkt sich auch entscheidend auf die realisierbare Länge des Fahrweges der bewegten Systeme aus. Für viele Anwendungen wird die Anordnung sehr aufwendig, da sie neben der Doppelleitung noch ein zusätzliches Abschirmgehäuse 7 benötigt. Die Leiter l₁ und l₁′ der Doppel leitung selbst müssen, um Stromverdrängungsverluste zu vermeiden, aus einer in der Hochfrequenztechnik üblichen Hochfrequenzlitze bestehen, die aus einzelnen isolierten Einzelleitern hergestellt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung zur berüh rungslosen Übertragung elektrischer Leistung auch bei großen Längen der Leitung eine niedrige Induktivität der Leitung zu realisieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei der Erfindung handelt es sich um eine induktive Energieübertragung bei Mittelfrequenz auf translatorisch bewegte Transportelemente der Fördertechnik und auf mobile Arbeitsplattformen.

Das gleichzeitige, unabhängige Übertragen elektrischer Leistung zu mehreren Transportelementen auf langen Übertragungsstrecken bei Einzelleistungen bis in den 10 kW-Bereich sind wesentliche Kennzeichen dieser Anwendungen. Hierfür sind Übertrageranordnungen erforderlich, welche die Leistung über Luftspalte bis in den cm-Bereich bei vertretbarem Aufwand und gutem Wirkungsgrad übertragen, möglichst kleine induktive Spannungsabfälle auf den Übertragungsstrecken aufweisen und bei denen ausstreuende magnetische Felder im Hinblick auf die Exposition des Menschen und die elektromagnetische Verträglichkeit unbedenklich sind. Diese Eigenschaften werden im wesentlichen durch die geometrische Gestaltung der induktiven Übertragerelemente erreicht.

Das Wesen der Erfindung wird in der "koaxialen" Anordnung der Leiter gesehen. Der Mittelleiter ist am Ende des Fahrweges mit dem U-förmigen Außenleiter verbunden, so daß der Strom vom Mittelleiter über die Außen wandungen zurückfließt. Der Strom verteilt sich auf zwei Außenwände. Trotz der niedrigen Eindringtiefe findet der Strom einen großen Quer schnitt vor. Die koaxiale Anordnung gewährleistet zum einen eine möglichst kleine Induktivität der Leitung, so daß größere Übertragungslängen möglich sind und erfüllt gleichzeitig auch die Abschirmung der Anordnung gegenüber ausstreuenden Feldern. Das Streufeld Φ₀ liegt im wesentlichen nur innerhalb des Koaxialleiters und zwar im Inneren des Mittelleiters und um diesen herum.

Da das Abschirmgehäuse 7 mit der Rückleitung vereint ist, hat man einen zusätzlichen Vorteil dadurch, daß Leitermaterial eingespart wird. Man spart außerdem wegen der kleineren Induktivitäten Kondensatoren zur Kompensa tion der induktiven Spannungsabfälle. Das begründet die niedrige Induk tivität.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Anordnung zur Energieübertragung auf bewegbare Ver braucher, die über eine längere Strecke linear bewegt werden, nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die aktiven Teile des Übertragungs kopfes nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 die erfindungsgemäße Anordnung des offenen Koaxialleiters im Längsschnitt bzw. in Draufsicht;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den koaxialen Leiter mit dem Übertra gerkopf;

Fig. 5 den Querschnitt durch die Koaxialleiteranordnung an einer Stelle, an der sich im Augenblick kein bewegtes System befindet;

Fig. 6 eine besonders vorteilhafte, detaillierte Ausführungsform einer Koaxialleiteranordnung mit Übertragerkopf im Querschnitt;

Fig. 7 eine allgemeine Darstellung des erfindungsgemäßen Prinzips zur induktiven Energieübertragung auf linearbewegte Systeme;

Fig. 8 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Übertrageranordnung nach Fig. 7;

Fig. 9 ein Zeigerdiagramm der Spannungen, Ströme und Phasenwinkel des Ersatzschaltbilds nach Fig. 8;

Fig. 10 eine Koaxialleiteranordnung mit in sich geschlossener Bahn für die endlose Bewegung mehrerer Verbraucher und einer die Ströme im Innen- und Außenleiter symmetrisierenden Speiseschaltung;

Fig. 11 eine Koaxialleiteranordnung entsprechend Fig. 5 mit einem aus mehreren Windungen bestehenden Innenleiter und stromsymmetri sierender Speiseschaltung;

Fig. 12 die Realisierung einer stromeinprägenden Quelle zur Speisung der Übertrageranordnungen;

Fig. 13 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Übertrageranordnung nach den Fig. 11 und 12 mit elektronischem Verbraucherstellglied und

Fig. 14 ein Diagramm der Strom- und Spannungszeiger des Ersatzschalt bildes nach Fig. 13.

Die Erfindung wird zunächst anhand der schematischen Darstellung in Fig. 3 bis 6 beschrieben. Sie stellt eine zu einer Seite hin offene koaxialleiterähn liche Anordnung dar. Im Übertragerkopf 1 umfaßt ein U-förmiger Ferrit kern 2 den Mittelleiter 6 und leitet den magnetischen Fluß Φ durch die Sekundärwicklung W₂. Der Mittelleiter 6 wird an einem Ende über einen Mittelfrequenzgenerator gespeist, so daß er den Strom I₁ führt. Er ist an dem von der Speisequelle entfernten Ende E mit dem Gehäuse verbunden.

Der Strom teilt sich hier wegen der Symmetrie der Anordnung in zwei gleichgroße Teilströme I₁/2 und fließt über das Gehäuse zu dem Mittelfre quenzgenerator MFG zurück.

Infolge der bei hohen Frequenzen in massiven Leitern wie dem U-förmigen Gehäuse (beispielsweise aus Aluminium) auftretende Stromverdrängung, häufig auch als Skineffekt bezeichnet, verteilt sich der Strom nicht gleichmäßig in den Gehäusewandungen, sondern dringt von Innen her nur der Eindringtiefe δ_E entsprechend in die Gehäusewandungen ein. Die Eindringtiefe beträgt bei 25 kHz und Aluminium etwa 0,5 mm. Der Strom verteilt sich auch nicht gleichmäßig über den inneren Umfang des U- Profils, sondern fließt vorwiegend an den Stellen der größten magnetischen Feldstärken. Auf den Streckenabschnitten, an denen sich kein Übertrager kopf befindet, wie in Fig. 5 dargestellt, sind das die dem Mittelleiter 6 gegenüber und am nächsten liegenden Stromführungsbereiche der Ausdeh nung b_I. Für die Rückleitung steht daher nur ein Querschnitt zur Verfügung, der sich aus der stromführenden Breite b_I und der durch die Frequenz und die Materialeigenschaften bestimmten Eindringtiefe δ_E des Mittelfrequenzstromes ergibt.

Der Innen- oder Mittelleiter 6 wird vorteilhafterweise aus Mittelfre quenzlitze oder Hochfrequenzlitze hergestellt, um die Stromverdrängung in diesem Bereich zu eliminieren.

Durch die begrenzte Eindringtiefe des Stromes und die ungleichmäßige Verteilung der Stromdichte auf den Innenseiten des Abschirmgehäuses können der wirksame Widerstand und die Verluste in der Rückleitung 7 größer als in dem Innenleiter 6 aus Mittelfrequenzlitze sein.

Durch die Formgebung von Innenleiter und dem Rück- oder Außenleiter, der gleichzeitig als Abschirmung und Gehäuse 7 dient, ist daher ein möglichst breiter Stromführungsbereich der Breite b_I am inneren Gehäuse umfang anzustreben. Dies geschieht am zweckmäßigsten in einer Form, wie Fig. 6 zeigt, indem der Innenleiter 6 schmal und mit einer möglichst großen Höhe H ausgeführt wird. Außerdem wird mit einer Wölbung der Außenwandungen, wie in Fig. 6 gestrichelt dargestellt, eine Vergrößerung der Stromführungsbreite b_I und eine gleichmäßigere Stromverteilung erreicht.

Die Abmessungen der gesamten Übertrageranordnung und die zum Übertra gen einer bestimmten Leistung erforderliche Stromstärke I werden entscheidend durch die Größe des wirksamen Luftspalts im magnetischen Kreis bestimmt.

Damit der Luftspalt des magnetischen Kreises der den magnetischen Fluß Φ führt, nicht größer sein muß als das mechanische Spiel δ1 und δ2 des Übertragerkopfes, können in die Stütze S des Mittelleiters Ferritkörper 5 eingesetzt werden, s. Fig. 4 und 5. Diese Ferritteile erhöhen die Induktivität des Mittel leiters praktisch nicht, weil sich der Strom in den Seitenwänden nach physikalischen Gesetzen stets räumlich so einstellt, daß die Induktivität ein Minimum wird, d. h. der Strom vorwiegend auf den den Mittelleitern gegenüberliegenden Seitenteilen fließt.

Bei dem U-förmigen Ferritkern 2 in Fig. 6 besteht die Sekundärwicklung aus zwei Teilwicklungen W₂₁ und W₂₂, die auf beiden Schenkeln des Kerns direkt gegenüber dem in der Höhe H ausgedehnten Innenleiter angeordnet sind. Durch diese Wicklungsanordnung wird ein hoher magnetischer Koppelfaktor zum Primärleiter 6 und eine optimale Ausnutzung des verfügbaren Wickelraums bei kleiner Bauform und Induktivität des Koaxialleiters erreicht. Ein großer Wickelraum für die Sekundärwicklung ist, wie anhand der Fig. 7 bis 9 näher erläutert wird, im Hinblick auf große realisierbare Spaltweiten oder große übertragbare Leistungen besonders wichtig. Das rührt daher, daß bei der erfindungsgemäßen Übertrageranordnung der Magnetisierungsstrom I_M, der bei großen Spaltweiten entsprechend große Werte erreicht, in den Sekundärwicklungen W₂₁, W₂₂ fließt.

Das vereinfachte und verallgemeinerte Übertragungssystem in Fig. 7 besteht aus der primärseitigen Leiterschleife von der Länge l, die durch das Fenster eines C-förmigen Ferritkerns 2 verläuft. Er ist entlang der Leiterschleife beliebig verschiebbar. Der Ferritkern wird von der Sekun därwicklung mit der Windungszahl W₂ umschlossen. Sie ist mit einem Kondensator C₂ in Reihe geschaltet, der so bemessen ist, daß die Spannung an der sekundärseitigen Streuinduktivität L2 bei der Frequenz des Mittelfrequenzgenerators MFG kompensiert wird.

Die primäre Leiterschleife kann aus einer oder mehreren Windungen W₁ bestehen, in denen ein Strom I₁ fließt. Er teilt sich - dem Übertrager ersatzschaltbild in Fig. 8 entsprechend - in den Magnetisierungsstrom Iµ und in sekundärseitigen Ersatzstrom I₂′.

Am Ausgang des Übertragers ist eine beliebige Last Z, beispielsweise mit einem Stromrichterstellglied, angeschlossen, das zwischen der Spannung U₂ der Grundschwingung des Eingangsstromes I_E einen beliebigen Phasenwinkel einstellen kann. Das Zeigerdiagramm in Fig. 7 zeigt die Ströme, Spannungen und Phasenwinkel für einen beliebig angenommenen Betriebszu stand. In der Darstellung wurde ein um den Winkel γ gegenüber der Ausgangsspannung U₂ bzw. U₂′ nacheilender Strom I_E bzw. I_E′ also eine ohmsch-induktive Lastimpedanz Z bzw. Z′ angenommen.

Die im Ersatzschaltbild durch ′ gekennzeichneten Größen sind, wie von Übertragern und Transformatoren allgemein bekannt, die mit dem Über setzungsverhältnis der Windungszahlen W1/W2 auf die primäre Windungszahl umgerechneten Größen.

Da die Übertrageranordnung mit einer konstanten Frequenz betrieben wird, ist die Kompensation der induktiven Spannungsabfälle an der sekundärseitigen Streuinduktivität L₂′ durch die in Reihe geschaltete Kapazität C₂′ und an der Induktivität L₀ der koaxialen Leiteranordnung durch die Kapazität C_K möglich. Bei Vernachlässigung der ohmschen Spannungsabfälle sind dann, wie im Zeigerdiagramm in Fig. 9 dargestellt, die Lastspannung U₂′ die Hauptfeldspannung U_H des Übertragers und die Speisespannung U₁ der Anordnung gleich. Die zur Lastimpedanz Z′ parallel liegende Kapazität C′ kompensiert, wie Fig. 9 zeigt, nicht nur den Magnetisierungsstrom Iµ sondern auch noch einen Teil der induktiven Komponente des Laststromes I_E′. Durch die Einstellung des Lastwinkels γ, beispielsweise mit einem Stromrichter, und die Dimensionierung der sekundärseitigen Kapazität C bzw. C′ kann ein Phasenwinkel Φ=0 zwischen dem Strom I₁ des offenen Koaxialleiters und der Speisespannung U₁ der Übertrageranordnung eingestellt werden. Der offene Koaxialleiter überträgt dann reine Wirkleistung, obwohl ein großer durch die Spaltbreite der Übertrageranordnung bedingter Magnetisierungsstrom Iµ auftritt und die Induktivität L₀ des Koaxialleiters bei Leiterlängen l im 100-m-Bereich große Werte erreicht. Lediglich der sekundäre Strom I₂′ in der ent sprechend der Übertragerkopflänge l_K wesentlich kürzeren Sekundärwick lung W₂ ist durch den Magnetisierungsstrom Iµ erhöht.

Für viele Anwendungen der berührungslosen Energieübertragung, wie z. B. auch in der Fördertechnik, werden Übertrageranordnungen benötigt, bei denen sich mehrere Verbraucher mit beliebig veränderbarem Leistungsbedarf auf derselben Übertragungsstrecke bewegen können. Das Einsetzen mehrerer Übertragerköpfe in den offenen Koaxialleiter der Fig. 3 oder in die primäre Leiterschleife 6, die in Fig. 7 dargestellt ist, führt elektrisch zu einer Reihenschaltung der bewegbaren Verbraucher. In einer vorteil haften Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 13 wird in den Koaxialleiter ein konstanter Mittelfrequenzstrom I₁ eingeprägt. Wie später noch erläutert wird, sind dazu elektronische Leistungsstellglieder mit Vorteil zu verwen den, welche ausgangsseitig unterschiedliche Verbraucher mit den erforderlichen Spannungen und Strömen speisen. Auf der Eingangsseite werden in den Kreis des eingeprägten konstanten Stroms I₁ des Koaxialleiters den Windungen der Verbraucher VB1, VB2 entsprechende Spannungen U_V1, U_V2 eingekoppelt.

Darüber hinaus sind in sich geschlossene Übertragungsstrecken, auf denen die Verbraucher endlose Bewegungen ausführen, von Vorteil. Dabei treffen, wie in Fig. 10 gezeigt ist, an einer Einspeisestelle zwei Enden des Koaxialleiters mit insgesamt vier Anschlüssen A, B, B′ und C zusammen, die an einen Mittelfrequenzgenerator MFG anzuschließen sind. Dieser hat die Eigenschaft einer Mittelfrequenz-Konstantstromquelle (siehe Fig. 10) und prägt seinen Strom I in die Primärwicklung W₃ eines aus dieser und den Sekundärwicklungen W₄ und W₅ bestehenden Transformators ein.

Die beiden Sekundärwicklungen W₄ und W₅ haben die gleichen Win dungszahlen und sind mit ihren Windungsenden a, b, b′ und c über Kompensationskondensatoren K3, K1 in der Weise an die Koaxialleiterenden A, B, B′ und C angeschlossen, daß die Sekundärwicklungen mit dem Innen- und Außenleiter (über die Verbindungen a, W₄, b, B, Außenleiter 7, B′, b′, W₅, c, K1, C, Innenleiter 6, A, K3, a) einen Stromkreis bilden, in dem der Innen- und Außenleiter von demselben Strom I₁=I₁′ in entgegengesetzter Richtung geschlossen werden. Außerdem wirkt dieser Strom in den Sekundärwicklungen W₄ und W₅ zu gleichen Teilen additiv auf die Primärwicklung W₃ dem Transformators zurück und an den Anschlüssen A, C des Innenleiters treten gegenüber den Außenleiteranschlüssen B, B′ gleich große in der Phasenlage entgegengesetzte Spannungen der Größe U_K3 - ½ U1 und - (U_K1 - ½ U1 auf).

Bei dem offenen Koaxialleiter einer endlosen Übertragungsstrecke nach Fig. 10 bildet das Gehäuse 7, d. h. der Außenleiter des offenen Koaxial leiters, mit den Anschlußpunkten B, B′, b, b′ bezüglich des Potentials einen neutralen Mittelpunkt. Es ist aus Gründen der Sicherheit gegen elektri schen Schlag und wegen der elektromagnetischen Verträglichkeit von Vorteil, diesen neutralen Mittelpunkt mit der Masse bzw. der Erde zu verbinden. Dies geschieht am zweckmäßigsten, wie in Fig. 10 gestrichelt angedeutet, an der Einspeisestelle und dort aus Symmetriegründen an dem Verbindungspunkt b - b′ der beiden gleichen Sekundärwicklungen W₄ und W₅. Durch diese Verbindung entsteht jedoch über die Anschlußpunkte B, B′ und die vom Außenleiter 7 gebildete große Schleife ein zusätzlicher Stromkreis, in dem ein Ausgleichsstrom ΔI₁ fließen kann. Durch diesen Ausgleichsstrom werden die Ströme I₁ und I₁′ im Innen- und Außenleiter des Koaxialleiters ungleich, und es entsteht in der Umgebung des Koaxial leiters ein zusätzliches, die elektromagnetische Verträglichkeit negativ beeinflussendes Streufeld. Zur Vermeidung dieses Ausgleichsstromes, d. h. zur Sicherstellung der Gleichheit der Ströme I₁ und I₁′ des Koaxialleiters werden die Zuleitungen dieser Ströme über Kompensationsdrosseln KD1 und KD2 in der Weise geführt, daß der Strom I₁ des Innenleiters und der Strom I₁′ des Außenleiters eine entgegengesetzte Magnetisierung der weichma gnetischen Drosselkerne mit hoher magnetischer Permeabilität bewirken. Die hohe Induktivität dieser Kompensationsdrosseln ist bei I₁ gleich I₁′ bzw. ΔI₁ gleich Null unwirksam und begrenzt eine mögliche Ungleichheit auf vernachlässigbare Werte von ΔI₁. Die Kompensationsdrosseln KD1 und KD2 sind sehr einfach aus Ferritringkernen, die über die Zuleitungen der Koaxialleiter geschoben werden, zu realisieren.

Der Einsatz der Kompensationsdrosseln bei der Speisung von in sich geschlossenen Übertrageranordnungen mit offenem Koaxialleiter ermöglicht auch - wie anhand der Fig. 11 gezeigt wird - die Realisierung von offenen Koaxialleitern mit aus mehreren Windungen W₁ bestehenden Innenleitern.

Für die Wirkungsweise der koaxialen Übertragungsanordnung ist wesentlich, daß in den Wänden des Koaxialleiters der Gesamtstrom W₁ · I₁ in entgegengesetzter Richtung zu I₁ im Innenleiter fließt.

Die Gleichheit der Gesamtströme von Innen- und Außenleiter wird dadurch erreicht, daß die zu dem Transformator T bzw. der Mittelfrequenzstromquelle MFG1 führenden Anschlußleitungen A-a, C-c in so vielen Windungen um die Kerne der Kompensationsdrosseln KD1, KD2 gewunden werden, daß zwischen diesen Windungen und den ebenfalls durch die Kerne der Kompensationsdrosseln geführten Anschlußleitungen B-b, B′-b der Koaxial leiter Außenwand ein Übersetzungsverhältnis von W₁ entsteht. In dem in Fig. 11 dargestellten Beispiel sind die Anschlußleitungen des Koaxial leiters nur einmal durch die Kerne der Drosseln KD1, KD2 geführt, die Innenleiteranschlußleitungen sind daher genau W₁-mal um die Drosselkerne gewunden. Der Verbindungspunkt b der Außenleiteranschlußleitungen ist auch hier der Symmetriepunkt der gesamten Übertrageranordnung und daher an den sekundärseitigen Mittelabgriff des Transformators sowie an den Massepunkt bzw. die "Erde" angeschlossen.

Der Transformator T in Fig. 10 und Fig. 11 dient im wesentlichen der Bildung der beiden gleich großen Teilspannungen ½ U₁ und der Anpassung der Impedanz der Übertrageranordnungen an die Mittelfrequenzstromquelle MFG. Mittelfrequenzstromquellen werden im allgemeinen aus einer Mittelfrequenzspannungsquelle, beispielsweise einem Mittelfrequenzwechsel richter mit einer Stromregelung realisiert und sind daher sehr aufwendig.

Eine besonders einfache Speiseschaltung mit Stromquellenverhalten, die von einer Mittelfrequenzspannungsquelle MFG1, beispielsweise einem Wechselrichter ohne aufwendige Stromregelung ausgeht, ist in Fig. 12 dargestellt. Bei diesem Schaltungsprinzip wird die Teilung der Spannung U1 in zwei gleichgroße Teilspannungen durch die Reihenschaltung von zwei gleichgroßen Kondensatoren mit der Kapazität 2 C_E erreicht. Die äußeren Anschlüsse a, c dieser Reihenschaltung sind über Induktionsspulen mit der Induktivität ½ L_E an eine Mittelfrequenzspannungsquelle MFG1 mit der Spannung U₀ angeschlossen.

Es läßt sich rechnerisch nachweisen, daß für die Schaltungsanordnung in Fig. 12 die Beziehung

gilt. Dabei sind C_E und L_E so gewählt, daß sie bei der Frequenz f₀ der Mittelfrequenzspannungsquelle MFG1 die Resonanzbedingung erfüllen.

In diesem Fall wird in den Koaxialleiter ein Strom I₁ eingeprägt, dessen Stärke allein durch die Spannung U₀ und die Größen C_E und L_E bestimmt ist. Die sich an den Klemmen a, c einstellende Spannung U₁ hängt ausschließlich von der Größe des Stromes I₁ und der Impedanz des an die Klemmen a, b, c angeschlossenen Übertragungssystems mit den Verbrau chern VB1 und VB2 ab. Die Spannung U₁ ist, wie anhand des Ersatzschalt bildes der Fig. 13 und des Zeigerdiagramms Fig. 14 gezeigt wird, die Summe mehrerer Teilspannungen. Bei annähernd vollständiger Kompensation des Übertragungssystems ist sie im wesentlichen durch die Spannungen der Verbraucher VB1 und VB2 bestimmt Wegen des stromeinprägenden Verhaltens der aus MFG1, L_E, C_E gebildeten Speiseschaltung wirkt die Spannung U₁ auf den Strom I₁ nicht zurück.

In dem Ersatzschaltbild der Fig. 13 sind die in Fig. 12 aus Symmetriegrün den geteilten Kapazitäten und Induktivitäten in jeweils einer Kapazität C_E und einer Induktivität L_E vereint. Die zwischen den Kompensationskonden satoren K₁ bis K₃ und den bewegbaren Verbrauchern VB1 und VB2 liegenden Abschnitte des offenen Koaxialleiters sind in dem Ersatzschaltbild Fig. 13 durch die Induktivitäten L₀₁, L₀₂, L₀₃ und L₀₄ der entsprechenden Leiterabschnitte dargestellt. Am Ort der bewegbaren Verbraucher VB1 und VB2 bilden die Übertragerköpfe mit ihren Ferritkernen, wie anhand der Fig. 7 bis 9 gezeigt wird, die berührungslosen Übertrager mit den Hauptinduktivitäten L_H1 und L_H2. Zur Erläuterung der individuellen Steuerung und Regelung des Leistungsflusses der einzelnen, über einen gemeinsamen Koaxialleiter gespeisten Verbraucher, ist für den Verbraucher VB2 das Ersatzschaltbild des Übertragerkopfes mit einer Leistungsstell- und Regeleinrichtung dargestellt. Die sekundärseitige Streuinduktivität L₂′ und der Magnetisierungsstrom Iµ des Übertragerkopfes sind den Fig. 7 bis 9 entsprechend durch die Kapazitäten C₂′ und C′ kompensiert, so daß bei der Resonanzfrequenz f₀ des Mittelfrequenzgenerators MFG1 die Induktivität L₂′ mit C₂′ einen Reihenschwingkreis in Resonanz und L_H2 mit C′ einen Parallelschwingkreis in Resonanz bilden.

Bei dieser vollständigen Kompensation des Übertragerkopfes sind der Strom I₁ des Koaxialleiters und die Grundschwingung des Stromes I_E′ am Eingang der zur Kapazität C′ parallel liegenden Gleichrichterbrücke GB identisch.

Dieser Strom fließt im Gleichstromzwischenkreis als Gleichstrom I₂ über die Induktivität L_z und abwechselnd über die Diode D oder den steuer baren Halbleiterschalter S. Das richtet sich danach, ob der Schalter S sperrt oder leitet. Bei gesperrtem Schalter S wird der Strom I_z über die Diode D einem Gleichspannungspufferkondensator C_G zugeführt, bei leitendem Schalter dagegen an dem Kondensator C_G vorbeigeleitet. Eine Regeleinrichtung RG steuert den Schalter S mit einer hohen Taktfrequenz abwechselnd in den leitenden und sperren den Zustand, wobei die relativen Sperrzeiten so eingestellt werden, daß an einem oder mehreren Gleichspan nungsverbrauchern V_BG bei beliebiger Stromaufnahme die gewünschte Spannung U_G gebildet wird. Wegen der Einprägung der Ströme I₁ und I_E′ stellt sich dabei an der Hauptinduktivität L_H2 die Spannung U_V2 so ein, daß das Produkt U_V2·I₁ dem Leistungsverbrauch entspricht.

Fig. 14 zeigt das Zeigerdiagramm zu dem Ersatzschaltbild eines Gesamt systems nach Fig. 13. Die Teilspannungen U₀₁, U₀₂, U₀₃ und U₀₄ an den Induktivitäten der Koaxialleiterabschnitte sind durch Strichpunktlinien dargestellt und haben gegenüber dem punktierten Koaxialleiterstrom I₁ eine um 90° vorauseilende Winkellage. Sie werden durch die gestrichelten Pfeile der Kondensatorspannungen U_K1, U_K2 und U_K3 weitgehend kompensiert. An den Stellen, an denen sich gerade ein bewegbarer Verbraucher befindet, entstehen an den Hauptinduktivitäten L_H1 und L_H2 der Übertragerköpfe entsprechend der übertragenen Leistung die ausgezogenen und mit dem Koaxialleiterstrom I₁ weitgehend phasengleichen Spannungen U_V1 und U_V2. Wegen der nahezu vollständigen Kompensation der Übertragerkopf- und Koaxialleiterinduktivitäten ist die Eingangsspannung U₁ des Koaxialleiters ebenfalls annähernd phasengleich mit dem Koaxialleiterstrom und etwa gleich der Summe der Spannungen U_V1 und U_V2 an den elektrisch in Reihe geschalteten Übertragerköpfen.

Claims

1. Anordnung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Leistung auf einen bewegbaren Verbraucher mit einem als langgestreckte parallele Leiteranordnung ausgebildeten ruhenden Primärkreis, der an eine Wechselspannungs- oder Wechselstromquelle einer höheren Frequenz angeschlossen ist und einem am bewegbaren Verbraucher angebrachten Übertragerkopf, der aus einem Ferritkern und einer diesen Ferritkern umfassenden Sekundärwicklung besteht, welche mit dem Primärkreis magnetisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteranordnung des Primärkreises einen als fast geschlossen es Gehäuse (7) ausgebildeten Außenleiter und einen etwa im Zentrum des Gehäuses befindlichen Mittelleiter (6) aufweist, wobei im Außenleiter ein gleichgroßer, entgegengesetzt gerichteter Strom (I₁) wie im Mittelleiter fließt, und daß der Mittelleiter (6) von einem U-för migen Ferritkern (2) umfaßt wird, der die Sekundärwicklung (W₂) trägt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Ferritkern (2) auf beiden Schenkeln dem primär seitigen Leiter gegenüberliegende Wicklungen (W₂₁, W₂₂) trägt, deren Höhe etwa der Höhe (H) des Primärleiters entspricht und zwischen dem 0,3fachen und 0,5fachen der Gesamthöhe (H_G) des U-förmigen Kerns (2) liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H) des Primärleiters (6) im Verhältnis zur neben dem Leiterbereich liegenden Durchtrittsbreite (b_K) des magnetischen Flusses so gewählt ist, daß die übertragene Leistung maximal ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Mittelleiter (6) gegenüberliegenden Außenwandungen des Gehäuses (7) zur möglichst gleichmäßigen Verteilung des Stromes über einen möglichst breiten Stromführungsbereich (b_I, b_I′) eine Wölbung aufweisen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte von Außenleiter und Mittelleiter und die Durchtrittsbreite (b_n) des magnetischen Flusses geometrisch so gestaltet und die Größenverhältnisse so bemessen sind, daß die elektrische Verlustleistung ein Minimum erreicht.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelsteg (S) in der Nähe des Fußes zum Reduzieren der magnetischen Spaltweite auf die unbedingt erforderlichen mechani schen Luftspalte (δ₁, δ₂) einen ferritischen Bereich (5) etwa von der Breite (b_K) aufweist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sekundärwicklung (W₂) parallel zum Lastwiderstand (Z) ein Kondensator (C) geschaltet ist, der den Magnetisierungsstrom zum Erzeugen der magnetischen Flußdichte (B) im Luftspalt des Ferrit kerns liefert.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung mit dem Kondensator (C₂) in Reihe geschaltet ist, der den induktiven Spannungsabfall an der Streuinduk tivität des Übertragerkopfes kompensiert.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelleiter (6) am Ende (E) der Strecke, die ein bewegbarer Verbraucher maximal zurücklegt, mit dem Außenleiter, d. h. dem Gehäuse, verbunden ist und ein Mittelfrequenzgenerator (MFG) am Anfang der Strecke den Strom (I₁) zwischen Mittelleiter und Gehäuse einspeist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Wegstrecke und primären Leiteranordnung mehr als 100 m beträgt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärkreis eine beliebig verlaufende, in sich geschlossene endlose Bahn bildet, welche eine lückenlose Energieübertragung auf mehrere bewegbare Verbraucher ermöglicht und daß an den An schlüssen (A, B, B′, C) des Primärkreises ein Netzwerk (8) den vom Mittelfrequenzgenerator (MFG) gelieferten Speisestrom (I, I₁, I₁′) in entgegengesetzten Richtungen in den Mittelleiter (6) und den Außenleiter (7) einleitet.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk (8) zur Einkopplung gleichgroßer entgegengesetzter Ströme (I₁, I₁′) in den Mittelleiter (6) und den Außenleiter (7) einer in sich geschlossenen Bahn einen Transformator (T) mit zwei Sekundärwicklungen (W₄, W₅) mit gleichen Windungszahlen enthält, deren mittleren, einen Spannungsmittelpunkt bildenden Enden (b, b′) über die Anschlüsse (B, B′) des koaxialen Außenleiters miteinander verbunden sind und deren äußeren gegenphasigen Eingänge (a, c) über die Anschlüsse (A, C) an den Mittelleiter (6) angeschlossen sind.

13. Anordnung nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils an den Innen- und Außenleiter eines oder beider Enden (A, B), (B′, C) der primärseitigen Leiteranordnung angeschlos senen Zuleitungspaare über Kompensationsdrosseln (KD₁, KD₂) geführt werden, welche die Gleichheit der Ströme (I₁, I₁′) im Mittel- und Außenleiter bewirken.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen zu den Außenleiteranschlüssen (B, B′) vor der Durchführung durch die Kompensationsdrosseln (KD1, KD2) auf der von den Außenleiteranschlüssen (B, B′) abgewandten Seiten der Kompensationsdrosseln an einen gemeinsamen Verbindungspunkt (b) geführt sind, wobei der gemeinsame Verbindungspunkt (b) wahlweise potentialfrei, d. h. isoliert ist, oder mit dem Mittelabgriff der Mittelfrequenzquelle und/oder mit dem Masse- bzw. Endpotential verbunden ist.

15. Anordnung nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelleiter (6) aus mehreren Windungen (W₁) besteht und die Gleichheit der Gesamtströme (I₁ · W₁) im Mittelleiter und des Stromes (I₁′) im Außenleiter dadurch erreicht wird, daß das Win dungszahlverhältnis der Kompensationsdrosseln (KD1, KD2) mit der Windungszahl (W₁) des Mittelleiters (6) übereinstimmt.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk (8) zur Symmetrisierung der Stromeinspeisung an mehreren Stellen der endlosen Bahn vorgesehen ist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Mittelleiter (6) Kondensatoren (C_K, C_K1 - C_K3) zur Kompensation des induktiven Spannungsabfalls in Reihe geschaltet und so auf die Gesamtlänge des Mittelleiters verteilt sind, daß die Kompensation in mehreren Abschnitten mit technisch beherrschbaren Teilspannungen (K₀₁ - K₀₁) erfolgt.

18. Verfahren zur gleichzeitigen berührungslosen Übertragung und individuell einstellbaren Leistung auf mehrere bewegte Verbraucher mit einer Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertrageranordnungen von einer Mittelfrequenzstromquelle (MFG) mit einem konstanten, von den Spannungen (U_V1, U_V2) der Verbraucher (VB1, VB2) unabhängigen Strom (I₁) gespeist werden, und auf den bewegten Verbrauchern elektronische Stellglieder die Verbraucherspannungen (U_V1, U_V2) der übertragenen Leistung entsprechend einstellen.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Einprägen eines konstanten Stromes (I₁) in eine der Übertrageranordnungen nach Anspruch 1 bis 16 mittels einer Mittelfrequenzspannungsquelle (MFG1) über einen aus einer Induk tivität (L_E) und einer Kapazität (C_E) bestehenden Resonanzkreis erfolgt, wobei die Induktivität und Kapazität so bemessen sind, daß sie bei der Frequenz f₀ der Mittelfrequenzspannungsquelle (MFG1) in Resonanz sind und zwischen der Spannung (U₀) der Quelle (MFG1) und dem eingeprägten Strom (I₁) die Beziehung besteht und daß die Übertrageranordnung parallel zu der Kapazität (C_E) angeschlossen ist, die mit der Induktivität (L_E) und der Spannungsquelle (MFG1) in Reihe geschaltet ist.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Lastimpedanz (Z, Z′) eines Verbrauchers (VB₂) eingeprägte Strom (I_E, I_E′) einem elektronischen Stellglied zugeführt wird, welches diesen Strom mittels einer Gleichrichterbrücke (GB) gleichrichtet und durch eine Speicherinduktivität (Lz) glättet und den so gebildeten Gleichstrom (I₂) mit einer hohen Taktfrequenz abwech selnd über eine Diode (D) einer auf eine Gleichspannung (Ug) aufgeladenen Kapazität (C_G) zuführt oder über einen elektronischen Schalter (S) in dessen Leitphase an der Kapazität vorbeileitet, wobei eine Regeleinrichtung (RG) die relative Sperrphase einer Taktperiode des elektronischen Schalters so verändert, daß den an die Kapazität (C_G) angeschlossenen Gleichspannungsverbrauchern (VB) bei schwankender Stromaufnahme die benötigte Gleichspannung zugeführt wird.