DE69512217T2

DE69512217T2 - Direktwirkendes berührungloses elektrisches leistungskabel

Info

Publication number: DE69512217T2
Application number: DE69512217T
Authority: DE
Inventors: Yoshiji Hiraga; Junji Hirai
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1994-02-21
Filing date: 1995-02-17
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2015-02-18
Also published as: JP3295938B2; EP0748024B1; DE69512217D1; EP0748024A1; EP0748024A4; KR100372174B1; WO1995022849A1; US5737211A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein berührungsfreies Linearbewegungsenergieversorgungssystem zur Übertragung elektrischer Energie (einschließlich auf elektrischen Signalen basierende Information) in linearer Richtung ohne direkten Kontakt durch die Verwendung von elektromagnetischer Hochfrequenzinduktion.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung ist als Beispiel für berührungslose Linearbewegungsenergiezufuhrsysteme gemäß dem Stand der Technik bekannt geworden. In dieser Vorrichtung ist ein Primärleiter (eine Primärwicklung) 21 als Luftleitung gespannt, ein Eisenkern 23, an welchem ein Sekundärleiter (Sekundärwicklung) 22 angebracht ist, umgibt den Primärleiter 21 und ist gleitend relativ zu dem Primärleiter 21 angeordnet. In diesem Fall wird der Primärleiter 21 an beiden Endabschnitten 24 in seiner Längsrichtung abgestützt, damit der Eisenkern 23 zu gleiten vermag (siehe japanische Patentschrift Nr. 23723/1983).
Wenn die Vorrichtung einen Aufbau hat, der in der Bewegungsrichtung längsgestreckt verläuft, erzeugt jedoch der Primärleiter aufgrund seines Eigengewichts eine Fahrleitung und dies führt zu der Möglichkeit, daß der Primärleiter mit dem beweglichen Kern Kontakt aufnimmt, der aus Magnetmaterial besteht, auf welchen der Sekundärleiter im Bereich des Zentrums der Gesamtlänge des Primärleiters infolge lang dauernder Verwendung oder von Spannung verursacht durch mechanische Vibration gewickelt ist. Infolge davon ist die Abstützung der Primärwicklung über die gesamte Länge des linearen Bereichs durch einen nicht magnetischen starren Körper in Betracht gezogen worden. Ein derartiger Aufbau neigt jedoch dazu, eine Leckage des magnetischen Flusses zu verursachen und erlaubt darüber hinaus keine Vorrichtung kompakten Aufbaus und hat sich deshalb nicht als praktikabel erwiesen. Andererseits offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift Hei 5- 207603 eine Vorrichtung, in welcher eine berührungsfreie Energiezufuhr für einen beweglichen Körper, der sich auf einer Straßenfläche bewegt, durch die Verwendung eines Litzendrahtbündels aufgebaut ist. Eine derartige Vorrichtung kann jedoch nicht auf Geräte angewendet werden, die dazu bestimmt sind, auf der Straße installiert zu werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine berührungsfreie Linearbewegungs-Energiversorgungsvorrichtung bereitzustellen, die einen kompakteren Aufbau erlaubt, und in welcher Leckage des magnetischen Flusses verhindert ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine berührungsfreie Linearbewegungsenergieversorgungsvorrichtung zu schaffen, in welcher der Primärleiter (Wicklung) über seine gesamte Länge durch einen nichtmagnetischen Körper abgestützt ist, und in welcher Energiezufuhrverluste verhindert werden können, ohne den elektromagnetischen Kopplungsgrad zwischen den Primär- und Sekundärleitern (Wicklungen) zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Wie vorstehend erläutert, bietet die vorliegende Erfindung die Wirkung, daß eine Vorrichtung verwirklicht werden kann, in welcher es unwahrscheinlich ist, daß Leckage bezüglich der Magnetflußwechselwirkung auftritt. Außerdem stellt die vorliegende Erfindung eine Lösung für das Problem der mechanischen Abstützung der Primärwicklung (oder des -leiters) bereit (d. h. für das Durchhängen über die Länge einer Struktur aufgrund des Eigengewichts der Struktur) in einer berührungsfreien Linearbewegungsenergieversorgungsvorrichtung, und insbesondere wird eine hochgradig steife bzw. starre Struktur verwirklicht, die der Langzeitverwendung und Spannung aufgrund mechanischer Vibration zu widerstehen vermag.

[Kurze Erläuterung der Zeichnungen]

Fig. 1 zeigt ein Beispiel gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 2(a) eine Schnittansicht und
Fig. 2(b) eine Draufsicht zeigen.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 4(a) eine Schnittansicht und Fig. 4(b) eine Draufsicht zeigen.
Fig. 5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine noch weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 zeigt eine noch weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.

[Beste Art und Weise, die Erfindung auszuführen]

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der berührungsfreien Linearbewegungsenergieversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In der vorliegenden Ausführung weist ein Sekundärleiter 1 einen Hohlrohraufbau auf, dessen beide Enden mit Leitungsdrähten 2 und 3 verbunden sind, durch welche induzierte Spannung abgegriffen wird.
Ein Ringkern 4, der aus Hochfrequenzmagnetmaterial besteht, ist an dem Sekundärleiter 1 derart befestigt, daß er diesen Sekundärleiter vollständig abdeckt.
Ein Primärleiter 5 ist koaxial zur Linearbewegungsrichtung in dem Hohlraum des Sekundärleiters 1 angeordnet, wobei der Primärleiter 5 und der Sekundärleiter 1 elektrisch isoliert sind, und falls erforderlich, ist eine gleitverschiebbare Stützstruktur zwischen dem Primärleiter 5 und dem Sekundärleiter 1 vorgesehen. Als Beispiel ermöglicht die Verwendung einer Keramikstützstruktur 6 sowohl die elektrische Isolation wie eine Verhinderung des Durchsackens bzw. -hängens in Schwerkraftrichtung aufgrund des Gewichts des Primärleiters 5.
Der Primärleiter 5 ist stationär und beide Enden des Primärleiters 5 sind mit einem Hochfrequenzwechselrichter 7 verbunden und durch Hochfrequenzerregung wird in dem Ringkern 4 ein Hauptmagnetfluß erzeugt.
In dieser Vorrichtung wird ein einziger Leiter mit großer Stromkapazität als Primärleiter 5 verwendet, der an der Grenze der Stromzufuhrkapazität eines Hochfrequenzwechselrichters betrieben werden kann. In diesem Fall wird Spannung in den Sekundärleiter 1 unter einem eins-zu-eins Wicklungsverhältnis aufgrund des Aufbaus des Sekundärleiters 1 induziert.
In dem an die elektrische Last angeschlossenen Sekundärleiter wird Spannung an beiden Enden des Sekundärleiters derart induziert, daß ein Strom fließt, um Änderungen des magnetischen Flusses zu verhindern, der in dem Ringkern 4 aufgrund von Hochfrequenzerregung erzeugt wird, verursacht durch Stromfluß durch den Primärleiter 5.
Fig. 3 zeigt ein berührungsfreies Energieversorgungssystem, in welchem eine berührungsfreie Energieversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 2 gezeigt, zur Anwendung gelangt.
In diesem System ist die in Fig. 2 gezeigte Struktur in Reihe geschaltet, um den Hauptmagnetfluß effektiv auszunutzen, der durch den Primärleiter erzeugt wird. Infolge davon werden zwei Sätze von Ringkernen und Sekundärleitern verwendet.
Insbesondere ist die bewegliche Einheit 8 so aufgebaut, daß sie auf der Schiene 9 zu gleiten vermag und die Sekundärleiter und die Ringkerne, die in Fig. 2 gezeigt sind, sind auf beiden Flügelabschnitten vorgesehen, bei Betrachtung in Bewegungsrichtung. Der Primärleiter 5 ist in einem Schleifenmuster angeordnet und durchsetzt den hohlen Abschnitt des Sekundärleiters 1 auf beiden Flügeln.
Beide Enden des Sekundärleiters 1 sind mit der Energieumsetzerschaltung 10 auf der beweglichen Einheit 8 verbunden und mittels eines Halbleiterschalters, der in der Energieumsetzerschaltung 10 vorgesehen ist, wird der Ausgang des Sekundärleiters 1 in einen Niederfrequenzstrom oder nach einer Gleichrichtung in Gleichstrom umgesetzt. Der Ausgang der Energieumwandlerschaltung 10 wird zur Betriebsenergiequelle für die elektrische Last 11, wie etwa einen Elektromotor, der auf der beweglichen Einheit 8 vorgesehen ist.
Wenn die Ausgangsstromkapazität des Hochfrequenzwechselrichters klein ist, kann der Primärleiter in der Form einer mehrfach gewundenen Wicklung vorliegen, wie in Fig. 4 gezeigt. In diesem Fall wird eine Ausgangsspannung auf der Sekundärseite mit einem Verhältnis N zu 1 erzeugt. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann außerdem ein Leiter mit hohlem Inneren für den Primärleiter verwendet werden und ein Fluid zum Kühlen kann durch diesen Raum umgewälzt werden, um Wärmeerzeugung zu verhindern.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer berührungsfreien Linearbewegungsenergieversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In dieser Vorrichtung besteht die Primärwicklung aus einem zentralen Litzendrahtbündel 31 und Litzendrahtbündeln, die in zwei Abschnitte 32 und 33 links und rechts von dem Litzendrahtbündel 31 unterteilt sind. Unter einem Litzendrahtbündel ist eine Vielzahl von isolierten Drähten eher zu verstehen als ein einziger Leiter, gebündelt und verbunden an beiden Enden, um einen Energieverlust zu verhindern, der aufgrund des Skineffekts während des Durchlaufs von Hochfrequenzstrom auftritt.
Die Primärwicklung ist durch Wickeln dieses Typs von Litzendrahtaufbau mit einer oder mehreren Windungen gebildet. Die Anzahl der gebündelten Drähte für jedes der Litzendrahtbündel 32 und 33 ist auf die halbe Anzahl der gebündelten Drähte des Litzendrahtbündels 31 festgelegt und elektrischer Strom wird durch jedes dieser Bündel fließengelassen, und zwar als Hälfte des Stroms, der durch das Litzendrahtbündel 31 fließt, wodurch ein Magnetfluß erzeugt wird. Im unteren Abschnitt des Litzendrahtbündels 31 ist eine stabförmige Hochfrequenzmagnetsubstanz 34 in engem Kontakt über die gesamte Länge der Linearbewegung in Verbindung gebracht und diese Hochfrequenzmagnetsubstanz 34 trägt bzw. stützt mechanisch das Litzendrahtbündel 31. Außerdem bildet der Hochfrequenzmagnetsubstanzkern 36 einen Magnetpfad für den Hauptmagnetfluß, der durch die Primärwicklung in einer Form erzeugt wird, welche die Hochfrequenzmagnetsubstanz 34 über einem extrem schmalen Zwischenspalt überspannt, damit der Magnetfluß, erzeugt durch die Primärwicklung, mit der Sekundärwicklung 35 wechselwirkt, wie nachfolgend erläutert.
Die Hochfrequenzmagnetsubstanz 34 und der Hochfrequenzmagnetsubstanzkern 36 bestehen aus demselben Hochfrequenzmagnetmaterial, und wenn ihre magnetische Permeabilität auf ein extrem hohes Niveau im Vergleich zu derjenigen von Luft eingestellt ist (beispielsweise 2000 mal oder größer), wechselwirkt der größte Teil des Magnetflusses, erzeugt durch die Litzendrahtbündel 31, 32 und 33, welche die Primärwicklung bilden, mit der Sekundärwicklung 35. Ein derartiger Aufbau erlaubt eine berührungslose Energieübertragung von der Primär- zur. Sekundärseite bei vernachlässigbarem Verlust.
Außerdem ist das nicht-magnetische Stützmaterial 37 in engem Kontakt über die gesamte Länge der linearen Gleitbewegung in den unteren Abschnitten der Litzendrahtbündel 32 und 33 in Verbindung vorgesehen und dieses Stützmaterial stützt mechanisch diese Drahtbündel.
Die Primärwicklung ist damit mechanisch über ihre gesamte Länge abgestützt. Fig. 7 zeigt eine weitere Ausbildung der Vorrichtung von Fig. 6, in welcher die Litzendrahtbündel 31, 32 und 33 ebenso wie die Hochfrequenzmagnetsubstanz 34, bei denen es sich um unbewegliche Komponenten handelt, als einzige Einheit gebildet sind. In der Ausführungsform von Fig. 7 kann mechanische Festigkeit ohne Unterbrechung der elektromagnetischen Induktionseigenschaften gewährleistet werden, indem die gesamte Struktur in einer Basis 37' aus einem nicht-magnetischen Material, wie etwa Keramik, eingebaut wird. Bei diesem Aufbau übt jedoch der Spalt zwischen der Hochfrequenzmagnetsubstanz 34 und dem Hochfrequenzmagnetsubstanzkern 36, angebracht an der beweglichen Einheit, eine große und direkte Wirkung auf den Energieübertragungswirkungsgrad aus. Die stationäre Einheit muß deshalb derart maschinell verarbeitet werden, daß dieser Spalt auf eine extrem kleine Abmessung verringert werden kann, so daß die Größe des Spalts nicht gemäß der Position variiert und daß Altern nicht auftritt. Offensichtlich müssen die mechanische Präzision des Hochfrequenzmagnetkerns 36 und die Steifigkeit der Positionierungsstruktur der beweglichen Einheit von hoher Güte sein.

[Industrielle Anwendbarkeit]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit zu einer beweglichen Einheit ohne direkten Kontakt und zur Anwendung auf Industriemaschinen, wie etwa Maschinenwerkzeuge.

Claims

1. Berührungsfreie Linearbewegungsenergieversorgungsvorrichtung mit einer stationären Einheit und einer beweglichen Einheit, die entlang der Längsrichtung der stationären Einheit beweglich ist, um elektrische Energie von der stationären Einheit zu der beweglichen Einheit ohne direkten Kontakt zuzuführen;

wobei die stationäre Einheit ein zylindrischer Primärleiter ist, welchem ein Hochfrequenzwechselstrom zugeführt wird;

wobei die bewegliche Einheit mit einem Sekundärleiter versehen ist, der von dem Primärleiter isoliert und koaxial zu dem Primärleiter derart angeordnet ist, daß er in der Längsrichtung des sowie relativ zu dem Primärleiter gleitverschiebbar und außerdem mit einem Hochfrequenzringkern versehen ist, der so angeordnet ist, daß er den Sekundärleiter von außen abdeckt.

2. Berührungsfreie Linearbewegungsenergieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sekundärleiter, der den Ringkern auf der Außenseite aufweist, auf beiden Flügelabschniten der beweglichen Einheit vorgesehen ist, und wobei ein Primärleiter in länglicher Schleifenform angeordnet ist, der die hohlen Abschnitte dieser Sekundärleiter durchsetzt.