DE69836468T2

DE69836468T2 - Verfahren und vorrichtung zur kontaktlosen stromversorgung

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Publication number: DE69836468T2
Application number: DE69836468T
Authority: DE
Inventors: Juergen Meins; John Sinsley
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2018-08-08
Also published as: DE69836468D1; EP0929926A4; ES2278417T3; EP0929926A1; WO1999008359A1; PT929926E; EP0929926B1; US6515878B1; AU8776598A; ATE346415T1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Energieverteilungssysteme und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur berührungslosen Übertragung (insbesondere magnetischen Übertragung) von elektrischer Energie von primären elektrischen Leitern auf sekundäre Pick-Up-(Abnehmer-)Spulen.
Hintergrund der Erfindung
Bei vielen Anwendungen sind Passagier- und Fracht-Transportsysteme wie Züge oder Einschienenbahnen mit elektrischen, rotierenden oder linearen Motoren versehen, um für Vortrieb zu sorgen. Die Motoren für derartige Systeme haben im Allgemeinen Bürsten zur richtigen Verteilung der elektrischen Energie innerhalb der Motoren. Die elektrische Leistung wird durch Netzanschlüsse erzeugt. Die Energiequellen für diese Transportsysteme verwenden außerdem gewöhnlich entweder Bordbatterien oder Stromschienen, die die elektrische Energie für das Transportsystem von Leitern abnehmen, die parallel zur Trasse des Transportsystems angeordnet sind. Die elektrische Energie kann auch mit Hilfe von gleitenden, konstaktbehafteten Stromabnehmern, flexible Kabel aufweisenden Hänge-(Festoon-)Systemen oder Kabelrollen sowie mit anderen Geräten zum Handhaben von Kabeln geliefert werden.
Viele Anwendungen auferlegen außerordentlich mühsame Betriebsbedingungen. Diese enthalten den Bedarf an höherer Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, komplexen Fahrwegkonfigurationen und schwierigen Umweltbedingungen.
Die Lebensdauer von Batterien begrenzt die Brauchbarkeit von batteriegetriebenen Transportsystemen. Funkenbildung, Lärm und hohe Installationskosten begrenzen die Brauchbarkeit von Stromabnehmern und/oder den Motoren. Verschleiß und Abnutzung und Wartungskosten begrenzen die Brauchbarkeit von allen oben beschriebenen Passagier-Transportsystemen, da sie nicht betriebssicher und wartungsintensiv sind.
Die schwierigen Umweltbedingungen machen übliche Transportsysteme verwundbar gegenüber Wasser, Wind, Schnee und Eis sowie explosiven Atmosphären, Schmutz und anderen möglichen Umgebungssituationen. Zusätzlich können konventionelle Transportsysteme gefährlich im Betrieb sein, beispielsweise Bogenentladungen und Funkenbildung erzeugen sowie elektrisch aufladbar und daher nicht berührungssicher sein.
Berührungslose, induktive Energieübertragung bietet eine attraktive Alternative zu den oben beschriebenen Transportsystemen, da sie frei von Funkenbildung, Verschleiß und Abnutzung und ungefährlich im Betrieb ist. Eine derartige Energieübertragung ist außerdem sicher, ruhig und durch eine hohe Betriebssicherheit gekennzeichnet. Weiter bietet die kontaktlose, induktive Energieübertragung unbegrenzte Geschwindigkeit und Beschleunigung. Vorschläge im Stand der Technik für Systeme zur berührungslosen, induktiven Energieübertragung haben nicht zu einer breiten Anwendung der berührungslosen Energieübertragung geführt, da eine zufriedenstellende induktive Übertragung von elektrischer Leistung nur erreicht werden kann, wenn zusätzliche Faktoren in Rechnung gezogen werden.
Es ist bereits eine Anzahl von Patenten erteilt worden, die die induktive Übertragung von elektrischer Energie auf bewegte Geräte offenbaren. Im Allgemeinen beschreiben alle diese früheren Patente des Standes der Technik die Übertragung von geringen Mengen an elektrischer Energie, da eine relativ große Menge von Scheinleistung als Folge der großen Luftspalte in derartigen Systemen des Standes der Technik erforderlich ist.
Es gibt außerdem eine Anzahl von Patenten, die die Übertragung von Antriebsenergie beschreiben (z. B. Tesla in U.S. Patent 514 972). Das historische Patent jedoch, das das relevanteste zur vorliegenden Erfindung ist, ist das von Hutin et al. (U.S. Patent 5 27 857), das 1984 die Anwendung von Induktion mit Wechselstrom bei etwa 3 kHz beschrieb. 1974 schlug Otto (im neuseeländischen Patent 167 422) eine praktische Lösung zur induktiven Energieübertragung unter Anwendung einer im Bereich von 4 bis 10 kHz arbeitenden Serienresonanz-Sekundärwicklung für die induktive Energieübertragung auf ein bewegtes Fahrzeug vor.
1994 schlugen Boys und Green (U.S. Patent 5,293,308) ein anderes praktisches System für die induktive Einweg-Energieübertragung vor, wobei die Ergebnisse von Otto bezüglich der Resonanz-Sekundärwicklung verwendet und einige Geräte hinzugefügt wurden, um die Übertragungseigenschaften zu verbessern. Das Boys-Green-System fügt der Primärseite einen Parallel-Kondensator zu. Dieses Verfahren reduziert die erforderliche Scheinleistung, hat jedoch wenigstens zwei Nachteile. Ein Nachteil ist, dass der Kompensationspunkt mit der sekundären Last variiert. Der Leistungsfaktor dieses und der anderen Systeme des Standes der Technik ist von der Last abhängig und niemals gleich eins. Der andere Nachteil des Boys-Green-Systems ist, dass eine große Menge an Blindleistung im Primärkreis zirkuliert, was zu hohen Primärverlusten und geringeren Wirkungsgraden führt, die unglücklicherweise nahezu unabhängig von der übertragenen Leistung sind. Um die Wirkungen dieser Nachteile zu reduzieren, schlagen Boys et al. vor, einen Primär-Parallel-Kondensator auf die Resonanzfrequenz abzustimmen, die abhängt von und gestört wird durch die Sekundärlast-Bedingungen. Folglich können bei diesen Systemen des Standes der Technik nur begrenzte Mengen an Wirkleistung übertragen werden, was zu ihrer marginalen Brauchbarkeit führt. Boys et al. schlagen außerdem vor, Litzenkabel für die Primärseite zu verwenden, um die Verluste auf der Primärseite zu reduzieren. Weitere Vorschläge ziehen den Bedarf an einer speziellen Auslegung der Regel- und Hardwarekomponenten in Betracht, um andere und weniger bedeutsame Energieübertragungseigenschaften zu erreichen. Beispielsweise ist für Mehrfach-Sekundäranordnungen eine komplexe magnetische Entkopplung Primärseite-Sekundärseite erforderlich, und das komplexe Segmentierungs- und Abstimmungsdesign auf der Pimärseite führt zu Systembeschränkungen.
1993 schlugen Nishino und Boys (neuseeländische Patentanmeldung NZ 93/00032) vor, die Primärseite aus einer Anzahl von Modulen auszubilden, die aus vorabgestimmten, in Serie verbundenen Primärsegmenten bestehen. Verbindungspole derselben Polarität mit einem nicht induktiven Kabel neigt zur Beschränkung ihres Systems, und begrenzt die möglichen Resonanzfrequenzen.
Ein System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus WO-A-9409558 bekannt. Einige spezifische Probleme resultieren jedoch aus der Auslegung sowohl der Primärseite als auch der Sekundärseite des Systems. Dies gilt insbesondere bezüglich der mehreren kleinen Schleifen des Primärleiters und der Parallelkompensation auf der Primärseite und dem Design der Sekundär-Pick-Up-Spule und deren Parallel-Kompensation auf der Sekundärseite.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht vor ein System entsprechend dem Anspruch 1 für die induktive (magnetische) Übertragung großer Mengen von elektrischer Energie, das aufgrund seines hohen Wirkungsgrades, des einfachen Designs und der geringen Installationskosten verbessert ist, sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Anspruch 33. Sie erreicht dies teilweise durch ihr neues Design für die Pick-Up-Spule, die Kompensation des Leistungsfaktors zu Eins, den Schaltungsaufbau für die Leistungsübertragung und die Fähigkeit der Leistungsrückspeisung. Die Erfindung ist anwendbar auf Systeme, die Wechselstrom- oder Gleichstromquellen und eine oder mehrere aktive und/oder passive Wechselstrom- und/oder Gleichstrom-Sekundärlasten aufweisen. Das vereinfachte Design ermöglicht die Anwendung von Standardkomponenten und reduziert dadurch die installierten Kosten für typische Anwendungen.
Das erfindungsgemäße System zur berührungslosen Energieübertragung (CPS) überwindet u. a. die folgenden Beschränkungen: Es sieht die Fähigkeit zur Leistungsvorwärts- und Leistungsrückspeisung vor; es hat einen Leistungsfaktor von 1 unter allen Lastbedingungen; es führt der Primärseite nur Wirkleistung zu, was zu einem höheren Wirkungsgrad und zu einer größeren Energieübertragungsfähigkeit führt; die Menge der übertragenen Leistung ist nur durch die Kapazität der Primärseite begrenzt; die magnetische Entkopplung Primärseite – Sekundärseite ist für Mehrfach-Sekundär anordnungen nicht erforderlich; und es hat eine einfache Geometrie der Primärseite ohne jede Systembeschränkung.
Das erfindungsgemäße System hat eine große Anzahl von Aspekten. Es ist ein universelles System zur berührungslosen Energieübertragung, das magnetisch große Mengen von elektrischer Wirkleistung (d. h. Leistungsfaktor = 1) bidirektional zwischen einer Wechselstrom- oder Gleichstrom-Primärquelle und einer oder mehreren Wechselstrom- und/oder Gleichstrom-Sekundärlasten überträgt, die aktiv und/oder passiv sind.
Das erfindungsgemäße System hat eine Abnehmer- bzw. Pick-Up-Spule mit verteilten Windungen, was die magnetische Primär-Sekundär-Kopplung verbessert, den Wirkungsgrad erhöht und eine größere Energieübertragung erlaubt. Die Abnehmerspule hat eine parallele Kompensation und besteht entweder aus festen Parallel-Resonanzkondensatoren oder aus parallelen Kondensatoren mit einer zusätzlichen adaptiven Kompensation. Diese zusätzliche adaptive Kompensation überträgt Wirkleistung zur Last mit einer konstanten Spannung unabhängig vom magnetischen Zustand der Last (d. h. verbrauchend oder erzeugend). Im Gegensatz zum Stand der Technik und als zusätzlichen Aspekt benutzt die vorliegende Erfindung ein neues Design für die Abnehmerspule, die aus zwei Wicklungen besteht, die teils magnetisch gekoppelt und teils magnetisch nicht gekoppelt sind. Die beiden Wicklungen sind jeweils auf das mittlere Joch und ein bestimmtes Seitenjoch eines ferromagnetischen Kerns verteilt, was zu einer signifikanten Verbesserung der magnetischen Kopplung und des Wirkungsgrades der Energieübertragung zwischen der Primär-Induktionsschleife und der Abnehmerspule führt.
Nach einem anderen Merkmal dieser Erfindung sind die beiden Wicklungen der Abnehmerspule jeweils an einen Parallel-Resonanzkondensator angeschlossen und auf einen Leistungsfaktor von eins kompensiert.
Nach einem anderen Merkmal der Erfindung kompensieren die Parallel-Kondensatoren die Wicklungen teilweise, und zusätzliche Komponenten kompensieren die Sammelwicklungen auf einen Leistungsfaktor von Eins und speisen automatisch Wirkleistung in die Sekundärlast mit einer konstanten Spannung unabhängig von der Größe der Last.
Das erfindungsgemäße System bietet außerdem Serien-Kompensation der Primärschleife, was zu einem konstanten Leistungsfaktor von Eins unter allen Lastbedingungen führt, und vergrößert den Wirkungsgrad und erlaubt eine größere Leistungsübertragung. Diese Kompensation wird durch verteilte Serien-Kondensatoren oder mit konzentrierten, transformatorisch gekoppelten Kondensatoren erreicht.
Im Gegensatz zum Stand der Technik und als zusätzliches Merkmal dieser Erfindung wird die Primär-Induktionsschleife mit einem oder mehreren Serien-Kondensatoren auf einen Leistungsfaktor von Eins kompensiert, und infolgedessen erfordert die vorliegende Erfindung keinerlei in der Primärschleife zirkulierende Blindleistung; die der Primärschleife zugeführte und magnetisch auf die Sekundärseite übertragene Leistung ist vielmehr stets bei einem Leistungsfaktor von Eins.
Die Leistungs-Rückspeiseregelung, die das erfindungsgemäße System vorsieht, erlaubt die Rückübertragung von Energie von einer aktiven Last durch die Pick-Up-Spule auf die Primärseite und deren Zurückführung in das Netz oder zu einem Zwischenverbraucher.
Die Pick-Up-Spulen der erfindungsgemäßen Systems können für eine größere Energieübertragung an ihren Gleichstrom-Ausgängen parallel verbunden werden.
Das erfindungsgemäße System kann außerdem für eine konstante Regelung des Stroms auf der Primärseite sorgen, was die Übertragung von Energie an eine Mehrzahl von Sekundäranordnungen ermöglicht, ohne dass sich der Bedarf ergibt, die Sekundäranordnungen magnetisch von der Primärseite zu entkoppeln. Dies kann durch Impulssteuerung des Primär-Ausgangsinverters erreicht werden.
Das erfindungsgemäße System kann ferner eine Konstantregelung der Primärspannung vorsehen, was ein Ansteigen und Abfallen des Stroms mit der Größe der sekundären Last und ein Abfallen auf das Magnetisierungsniveau ermöglicht, wenn die Last gleich Null ist. Das erhöht den Wirkungsgrad und erlaubt die Übertragung größerer Energien.
Zusätzlich kann das erfindungsgemäße System parallele Primärleiter aufweisen, was die Ampèrewindungen der Primär-Induktionsspule vergrößert und dadurch eine größere Energieübertragung vorsieht. Dies kann durch Stromausgleich erfolgen, was Verluste minimiert und den Wirkungsgrad vergrößert.
Das erfindungsgemäße System kann außerdem eine Drei-Phasen-Primär-Induktionsschleife und Sekundär-Abnehmerspule für den Zweck der erhöhten Energieübertragung aufweisen. Dies kann erreicht werden durch einen Drei-Phasen-Primär-Ausgangsinverter und einen Drei-Phasen-Sekundär-Eingangsinverter.
Das erfindungsgemäße System kann außerdem eine verzweigte Sekundär-Konfiguration bieten, bei der Anwendungen, die zusätzliche Bewegungsachsen aufweisen, von einem einzigen Primärsystem gespeist werden können.
Das erfindungsgemäße System kann außerdem Mehrfach-Primärzonen vorsehen, die zwischen magnetisch aktiv und magnetisch neutral geschaltet werden können. Dies ermöglicht die Übertragung von Energie nur dann, wenn eine Zone magntisch aktiv ist, und erhöht folglich die Systemsicherheit und den Wirkungsgrad. Die Zonensteuerung kann nur eine Last pro Zone erlauben und ordnet folglich alle Sekundäranordnungen parallel an, so dass alle Sekundäranordnungen eine gemeinsame konstante Spannungsquelle aufweisen, und stellt zusätzlich sicher, dass keine Sekundäranordnung physikalisch in Berührung mit irgendeiner anderen Sekundäranordnung sein kann. Dies ist ein Anti-Kollisions-System.
Das erfindungsgemäße System kann außerdem vorsehen Mehrfach-Primär-Ausgangs inverter, welche schaltbar sind, um die Last auf mehrere Primär-Induktionsschleifen zu verteilen, Parallel-Primär-Inverter-Brücken für eine größere Leistungsübertragung und eine Primär-Induktionsschleife, die aus einem industriellen, Nicht-Litzen-Standardkabel hergestellt ist.
Nach einem Merkmal und in seiner allgemeinsten Form ist die Erfindung ein System zur berührungslosen, magnetischen Übertragung von elektrischer Wirkleistung zwischen einer Primärquelle und einer Sekundärlast. Das System enthält einen Primär-Energiewandler, ein Primär-Energie-Übertragungsnetzwerk, das magnetisch mit einem Sekundär-Energie-Übertragungsnetzwerk gekoppelt ist, und einen Sekundär-Energiewandler.
Nach einem Merkmal ist die Erfindung ein System zur berührungslosen, magnetischen Übertragung von elektrischer Energie von einer Eingangs-Energiequelle zu einer Sekundärlast, wobei das System einen Primär-Energiewandler, eine Primär-Induktionsschleife, eine Sekundär-Pick-Up-Spule und einen Sekundär-Energiewandler aufweist. Der Primär-Energiewandler ist mit der Eingangsenergiequelle verbindbar und enthält einen Ausgangs-Inverter. Die Primär-Induktionsschleife ist mit dem Ausgangsinverter verbunden und enthält wenigstens eine Windung, die auf den Leistungsfaktor von eins kompensiert ist. Die sekundäre Pick-Up-Spule ist magnetisch mit der Primär-Induktionsschleife gekoppelt und auf den Leistungsfaktor von Eins kompensiert. Der Sekundär-Energiewandler ist mit der Sekundär-Pick-Up-Spule verbunden, enthält einen Eingangs-Inverter und ist mit der Sekundärlast verbindbar.
Nach einem weiteren Merkmal ist die Erfindung ein berührungsloses magnetisches System zur bidirektionalen Übertragung von elektrischer Wirkleistung zwischen einer Primärquelle und einer oder mehreren Sekundär-Lasten.
Nach einem anderen Merkmal ist die Erfindung ein berührungslos arbeitendes, magnetisches System zur bidirektionalen Übertragung von elektrischer Wirkleistung zwischen einer Energiequelle und einer oder mehreren aktiven Sekundär-Lasten.
Bei einem anderen Merkmal der Erfindung sind eine oder mehrere identische Pick-Up-Spulen an ihren entsprechenden Gleichstrom-Ausgängen parallel verbunden, um die gesamte Ausgangsleistung zu vergrößern.
Nach weiteren Merkmalen der Erfindung wird die Serienkompensation der Primär-Induktionsschleife erreicht entweder durch verteilte Serienkondensatoren oder durch konzentrierte, transformatorisch gekoppelte Kondensatoren. Die letztere Methode eliminiert Mehrfach-Kompensationsorte und erleichtert die Kompensationseinstellung.
Im Gegensatz zum Stand der Technik und nach einem weiteren Aspekt dieser Erfindung enthält der Sekundär-Leistungsregler eine Leistungsrückspeisesteuerung, die den Zustand der aktiven Last abtastet und die Leistungsrückspeisung steuert, wenn die Last in einem erzeugenden Zustand ist. Die Rückspeiseleistung wird zurück zur Primärseite übertragen, wo sie zurück ins Netz oder alternativ in andere Zwischenverbraucher gespeist wird.
Im Gegensatz zum Stand der Technik und nach einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält der Primär-Energieregler eine Konstantstromregelung, die eine Energieübertragung an Mehrfach-Sekundär-Lasten ermöglicht, ohne dass es erforderlich ist, die Sekundär-Abnehmerspulen von der Primär-Induktionsschleife zu entkoppeln.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Primär-Konstantstromregelung über eine variable Impulssteuerung des Primär-Ausgangsinverters erreicht.
Im Gegensatz zum Stand der Technik und nach einem weiteren Merkmal dieser Erfindung wird Energie an die Primär-Induktionsschleife mit einer konstanten Spannung und bei einem Leistungsfaktor von eins geliefert. Die Größe des Primärstroms ist festgelegt durch die Größe der Last und fällt auf das Magnetisierungsniveau, wenn die Last Null ist.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält die Primär-Induktionsschleife eine Mehrzahl von parallelen Windungen mit Stromausgleich. Die Ampèrewindungen der Primärseite und daher die Energieübertragung werden vergrößert.
Als zusätzliches Merkmal der Erfindung koppeln die Primär-Induktionsschleife und die Sekundär-Abnehmerspule magnetisch Drei-Phasen-Leistung, und der Primär-Ausgangsinverter und der Sekundär-Eingangsinverter sind Drei-Phasen-Brücken.
Nach noch einem anderen Aspekt der Erfindung speist der Sekundär-Energiewandler eine Hilfs-Induktionsschleife, die an eine Hilfs-Pick-Up-Spule und einen -Energiewandler angekoppelt ist. Diese Anordnung ermöglicht es, Energie an Einrichtungen zu übertragen, die in mehreren Achsen arbeiten, wie dies für die Brücke und die Laufkatze eines Laufkrans gilt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Primär-Induktionsschleife in Mehrfachzonen konfiguriert, die zwischen magnetisch aktiv und magnetisch neutral umgeschaltet werden können, so dass Leistung nur dann auf die Sekundärseite übertragen werden kann, wenn die Zone magnetisch aktiv ist. Nach noch einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Steuermittel enthalten, um zu ermöglichen, dass nur eine Last in irgendeiner der Zonen angeordnet ist, wodurch alle Lasten parallel angeordnet werden und eine körperliche Kollision einer Last mit einer anderen Last verhindert wird.
Nach noch einem anderen Aspekt der Erfindung sind Mehrfach-Primär-Energiewandler an Mehrfach-Primär-Induktionsschleifen in einer Weise angeschlossen, die es einem Primär-Energiewandler erlaubt, durch eine Schaltanordnung mehr als eine Primärschleife zu speisen. Durch diese Konfiguration kann ein Primär-Energiewandler außer Betrieb genommen werden, ohne die Energieübertragung zum Gesamtsystem zu unterbrechen.
Nach noch einem anderen Aspekt der Erfindung benutzt der Primär-Energiewandler parallele Ausgangs-Inverterbrücken, um die Primärleistung für eine größere Leistungs übertragung zu vergrößern.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Primär-Induktionsschleife aus einem konventionellen Industriekabel (Nicht-Litze) hergestellt, was durch den hohen Wirkungsgrad der Erfindung möglich gemacht wird.
Die berührungslose, in der Anmeldung beschriebene Übertragung von elektrischer Energie erscheint über einen großen Luftspalt, dessen Größe im Bereich von Zentimetern gemessen wird. Das physikalische Prinzip der offenbarten Erfindung basiert auf den Maxwell'schen Gleichungen, wie sie magnetische Wechselfelder betreffen.
Obwohl nur eine oder einige wenige spezielle Anwendungen dieser Erfindung in der Anmeldung offenbart werden, schließen die Felder der Anmeldung allgemein die Übertragung von Energie an sich bewegende oder geparkte Ausrüstungen wie kommerzielle oder industrielle Fahrzeuge, Krane, Aufzüge, Materialbehandlungssysteme, Werkzeugmaschinen und ähnliche Ausrüstungen ein.
Nach einem Aspekt ist die Erfindung ein berührungsloses induktives System zur Übertragung elektrischer Energie zu einer ersten Last. Das System enthält eine erste Pick-Up-Spule, eine Primärspule, einen ersten Wechselstrominverter und einen auf Konstantstrom geregelten Chopper. Die erste Pick-Up-Spule ist auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt. Die Primärwicklung ist als Schleife ausgebildet. Sie ist außerdem mit einem oder mehreren Kondensatoren in Serie verbunden und auf die Resonanzfrequenz abgestimmt.
Der erste Wechselstrom-Inverter ist auch auf die Resonanzfrequenz abgestimmt. Der erste Wechselstrom-Inverter speist das Primärsystem mit konstanter Spannung oder konstantem Strom und hält seinen Leistungsfaktor unabhängig von der ersten Last auf dem Wert Eins.
Der auf Konstantstrom geregelte Chopper speist den Wechselstrom-Inverter, so dass die elektrische, zur ersten Last übertragene Energie den Leistungfaktor Eins hat.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Erfindung ein berührungsloses, induktives System zur Übertragung elektrischer Energie von einem Primärsystem zu einer ersten Last. Das berührungslose, induktive System enthält eine erste Pick-Up-Spule, eine Primärwicklung, einen ersten Wechselstrom-Inverter und eine Konstantstrom-Energieversorgung. Die erste Abnehmerspule enthält zwei Wicklungen, die teils magnetisch gekoppelt und teils magnetisch entkoppelt sind. Jede dieser beiden Wicklungen ist mit einem Resonanzkondensator parallel verbunden, so dass die Pick-Up-Spule auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt ist.
Die Primärwicklung ist als Schleife ausgebildet und mit einem oder mit mehreren Kondensatoren in Reihe geschaltet, die auf die Resonanzfrequenz abgestimmt sind.
Der erste Wechselstrom-Inverter ist abgestimmt auf die Resonanzfrequenz und speist das Primärsystem mit konstanter Spannung oder konstantem Strom. Der erste Wechselstrom-Inverter hält außerdem seinen Leistungsfaktor unabhängig von der ersten Last auf dem Wert Eins. Die Konstantstrom-Energieversorgung speist den Wechselstrom-Inverter mit elektrischer Energie.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Erfindung ein berührungsloses, induktives System zur Übertragung elektrischer Energie zwischen einem ersten System und einem zweiten System. Das erste System ist alternativ als eine elektrische Energiequelle und als Verbraucher von elektrischer Energie betreibbar. Das berührungslose induktive System enthält eine erste Spule und eine zweite Spule. Die erste und die zweite Spule sind auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt.
Das System enthält außerdem einen ersten, zwischen die erste Spule und das erste System geschalteten Regelkreis, und einen zweiten, zwischen die zweite Spule und das zweite System geschalteten Regelkreis. Der erste und der zweite Regelkreis können betrieben werden 1) um elektrische Energie an das zweite System zu liefern, wenn das erste System als Quelle von elektrischer Energie betrieben wird, und 2) um elektrische Energie an das erste System zu liefern, wenn das erste System als Verbraucher von elektrischer Energie betrieben wird.
Im Gegensatz zum Stand der Technik benutzt die Erfindung ein neues Design für die Abnehmerspule, die aus zwei Wicklungen besteht, die teils magnetisch gekoppelt und teils magnetisch entkoppelt sind, wobei jede Wicklung an einen Resonanzkondensator angeschlossen ist. Gemäß dieser Erfindung haben die beiden Seiten der Primärschleife eine Selbstsymmetrie, da sie identische Ströme führen, erlauben jedoch auch unterschiedliche Spannungen längs der Abnehmerspule. Die gesamte Ausgangsenergie wird durch zwei Vollbrücken-Gleichrichter erzeugt, von denen jeder einer bestimmten der Wicklungen der Abnehmerspule zugeordnet ist. Gemäß der Erfindung ist es weiter möglich, die Gleichstrom-Ausgangsleistung zu vergrößern, ohne die beiden Wicklungen der Abnehmerspule direkt parallel zu verbinden. (Eine direkte parallele Verbindung der beiden Wicklungen der Abnehmerspule würde zu einem nicht akzeptierbaren Anstieg der Verluste der Abnehmerspule aufgrund von unterschiedlichen magnetischen Streufeldern von den beiden Wicklungen der Abnehmerspule führen.) Ein Versuch, die Gleichstrom-Ausgangsleistung durch Anwendung eines Kabels mit einem größeren Querschnitt zu vergrößern, hat den Nachteil von größeren Wirbelstromverlusten und geometrischen Beschränkungen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Gleichstrom-Ausgang einer oder mehrerer identischer Abnehmerspulen parallel geschaltet werden, um die Ausgangsleistung zu vergrößern.
Nach noch einem anderen Aspekt der Erfindung führt die Verteilung jeder der beiden Wicklungen einer erfindungsgemäßen Pick-Up-Spule sowohl auf ein mittleres Joch als auch ein bestimmtes von zwei Seitenjochen zu einer Vergrößerung der magnetischen Kopplung zwischen der Primärspule und der Pick-Up-Spule. Dies bedeutet seinerseits einen Anstieg des Wirkungsgrads der Kopplung.
Die Primärspule des Systems wird mit einem konstanten Strom gespeist, wodurch die verschiedenen sekundären Lasten entkoppelt werden, die im Allgemeinen ein Transportsystem bilden. Nach einem neuen Aspekt der Erfindung wird ein konstanter Wechselstrom in der Primärspule erzeugt durch einen Stromregelkreis, der an einen Hochfrequenz-Wechselstrom-Ausgangskonverter angeschlossen ist. Diese Anordnung hält den Leistungsfaktor der Primärspule unabhängig von der Last stets auf dem Wert Eins und führt zu einer minimalen benötigten Spannung und zu minimalen Installationskosten für den Wechselstrom-Ausgangsinverter. Zusätzlich wird der erforderliche Strom in der Primärwicklung relativ zum bekannten Stand der Technik minimiert. Daher werden Wirbelstromverluste in der Primärwicklung minimiert, so dass keine feinsträngigen Litzenkabel erforderlich sind, sondern vielmehr Standard-Industrie-Litzenkabel verwendet werden können.
Die in der vorliegenden Anmeldung offenbarte, berührungslose Übertragung von elektrischer Energie erfolgt über einen großen Luftspalt, dessen Größe im Bereich von Zentimetern gemessen wird. Das physikalische Prinzip der offenbarten Erfindung basiert auf den Maxwell'schen Gleichungen, soweit sie auf magnetische Wechselfelder Bezug nehmen. Obwohl nur eine oder einige wenige spezielle Anwendungen dieser Erfindung in dieser Anmeldung offenbart werden, sind die Anwendungsfelder allgemein sich bewegende oder rotierende Energieverbraucher wie z. B. Fahrzeuge, Krane, Aufzüge, Materialbehandlungssysteme oder Werkzeugmaschinen.
Nach noch einem anderen Aspekt enthält die Erfindung
eine oder mehrere Pick-Up-Spulen, welche sind 1) zugeordnet einem oder mehreren Sekundärkondensatoren, die mit den Wicklungen der Pick-Up-Spulen parallel verbunden sind, 2) abgestimmt auf die Resonanzfrequenz der Spule und 3) verbunden mit einem oder mehreren Brückengleichrichtern, die parallel an die Gleichstrom-Ausgänge angeschlossen sind;
einen Buck-Konverter (Abwärtswandler), der jedem sekundären Energieverbraucher zugeordnet ist und benutzt wird, um im Falle von unterschiedlichen sekun därseitigen Lasten die Ausgangsspannung konstant zu halten;
ein Primärkabel, das als eine Schleife ausgebildet ist und eine oder mehrere Windungen enthält;
eine oder mehrere Serien-Kondensatoren, die mit der Primärwicklung in Serie liegen und auf die Resonanzfrequenz abgestimmt sind;
einen Hochfrequenz-Wechselstrom-Inverter, der das Primärsystem mit einer konstanten Spannung oder einem konstanten Strom versorgt; und
einen Konstanzstromregler, der als ein Entkopplungsgerät für den Fall benötigt wird, dass mehrere, energieverbrauchende Verbraucher auf der Sekundärseite vorhanden sind.
Die Trennung der Wicklung der Pick-Up-Spule in zwei einzelne, isolierte Wicklungen, die auf einem mittleren Joch eines E-förmigen Eisenkerns teilweise magnetisch gekoppelt und teilweise auf Seitenjochen magnetisch entkoppelt sind, führt zu einer Anzahl von Vorteilen. Asymmetrieeffekte aufgrund individueller Streufelder führen nicht zu zusätzlichen Verlusten, da sich die Symmetrie wegen der individuellen magnetischen Kopplung jeder Wicklung der Pick-Up-Spule mit einer Seite der Primärwicklung von selbst einstellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Zeichnung der Komponenten und Subsysteme eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht einer Pick-Up-Spule (Abnehmerspule) nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3A-C sind Vergleiche zwischen dem erfindungsgemäßen CPS-System und einem System nach dem Stand der Technik.
4 ist ein schematisches Diagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
5 ist ein Graph der Antwort (des Ansprechsverhaltens) eines bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Null-Last-Bedingungen.
6 ist ein Graph der Antwort eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Last-Bedingungen.
7 ist ein Graph der Antwort eines verbesserten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Null-Last-Bedingungen.
8 ist ein Graph der Antwort eines verbesserten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Last-Bedingungen.
9A ist ein Diagramm, das die Flusslinien in der Nähe des Polschuhs des bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen CPS-System zeigt, wobei das erfindungsgemäße CPS-System unter ersten Testbedingungen steht.
9B ist ein Graph der Flussdichte in der Nähe des Polschuhs des bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen CPS-Systems, wobei das erfindungsgemäße CPS-System unter einer ersten Testbedingung steht.
10A ist ein Diagramm, das die Flusslinien in der Nähe des Polschuhs des bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen CPS-System zeigt, wobei das erfindungsgemäße CPS-System unter einer zweiten Testbedingung steht.
10B ist ein Graph der Flußdichte in der Nähe des Polschuhs des bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen CPS-Systems, wobei das erfindungsgemäße CPS-System unter einer zweiten Test-Bedingung steht.
11 ist ein anderes schematisches Diagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
12A-E sind schematische Diagramme eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Mehrfachzonen-Primärkonfiguration.
13A-C sind Schaltdiagramme eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Vielfachzonen-Primärkonfiguration.
14 ist ein Impulsdiagramm, das das Prinzip der Stromregelung für die Stromversorgung für eine Vielzahl von Fahrzeugen nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
15 ist ein schematisches Diagramm, das das Prinzip der Stromregelung für die Stromversorgung für eine Vielzahl von Fahrzeugen nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
16A ist ein schematisches Diagramm, das die Betriebsweise nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erklärt.
16B ist ein schematisches Diagramm, das die Betriebsweise einer praktischen Implementierung der vorliegenden Erfindung erklärt.
17A ist ein schematisches Diagramm, das die invariante Wirkspannung und den Wirkstrom der vorliegenden Erfindung zeigt.
17B ist ein Zeitdiagramm, das die Phasenbeziehungen der verschiedenen Spannungen und Ströme in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
18A-B sind schematische Diagramme, die die Fähigkeit der vor liegenden Erfindung zeigen, sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärts-Leistungsmoden Leistung zu übertragen.
19 ist ein schematisches Diagramm, das eine praktische Implementierung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
20 ist ein schematisches Diagramm des allgemeinen Prinzips einer berührungslosen Energieübertragung zwischen einer Primärenergiequelle und einer Sekundärlast.
21 ist ein schematisches Diagramm einer ersten speziellen Form der berührungslosen Energieübertragung zwischen einer Primärenergiequelle und einer sekundären Last.
22 ist ein schematisches Diagramm eines Transformator-Ersatzschaltkreises für die berührungslose Energieübertragung unter Anwendung magnetisch gekoppelter Primär- und Sekundär-Energieübertragungsnetzwerke.
23 ist ein schematisches Diagramm eines praktischen Transformator-Ersatzschaltbildes der in 22 bezeigten berührungslosen Energieübertragung.
24 zeigt ein weiteres Ersatzschaltbild eines Teils der vorliegenden Erfindung.
25 ist ein schematisches Diagramm eines Aspekts der vorliegenden Erfindung, enthaltend primäre und sekundäre Energiewandler.
26 ist ein Blockschaltbild der vorliegenden Erfindung.
27 ist ein schematisches Diagramm der Primär-Induktionsschleife der vorliegenden Erfindung.
28 ist ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, in dem die primären und sekundären Energieübertragungsnetzwerke Dreiphasensysteme sind.
29 ist ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und zeigt eine erste Pick-Up-Spule, die magnetisch mit einer Primär-Induktionsschleife gekoppelt ist.
30 ist ein ausführliches, schematisches Diagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
31A-B sind schematische Diagramme von zusätzlichen Aspekten der Serienkompensation der primären Induktionsschleife der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
20 zeigt ein schematisches Diagramm des allgemeinen Prinzips der berührungslosen Energieübertragung zwischen einer Primär-Energiequelle und einer Sekundär-Last. Das erfindungsgemäße System 2000 ist ein berührungsloses System, das magnetisch elektrische Energie zwischen einer Primär-Energiequelle 2002 und einer sekundären Last 2003 überträgt. Das System enthält ein Primär-Energieübertragungs-Netzwerk 2004 und ein Sekundär-Energieübertragungs-Netzwerk 2006, das mit dem Netzwerk 2004 über eine magnetische Kopplung, die durch das Bezugszeichen 2008 angedeutet ist, magnetisch verbunden ist.
21 ist ein schematisches Diagramm einer ersten speziellen Form der berührungslosen Energieübertragung zwischen einer Primär-Energiequelle und einer Sekundär-Last. 21 zeigt, dass das Primär-Energieübertragungs-Netzwerk 2004 des Systems 2000 eine Primär-Induktionsschleife 2100 und einen Primär-Leistungsfaktor-Kompensationsschaltkreis 2102 aufweist. Sie zeigt weiter, daß das Sekundär-Energieüber tragungs-Netzwerk 2006 eine Sekundär-Pick-Up-Spule (Abnehmerspule) 2104 und einen Sekundär-Leistungsfaktor-Kompensationsschaltkreis 2106 aufweist. Nach einem Merkmal der Erfindung wird die Primär-Kompensation mit einem in Serie mit der Primär-Induktionsschleife 2100 liegenden Kondensator 2108 und die Sekundär-Hauptkompensation mit einer Kapazität 2110 erreicht, die parallel zur Hauptkopplungsinduktanz liegt.
22 ist ein schematisches Diagramm eines Transformator-Ersatzschaltkreises für die berührungslose Energieübertragung unter Benutzung von magnetisch gekoppelten Primär- und Sekundär-Energieübertragungs-Netzwerken. Die Bezugszeichen bezeichnen die Elemente der 20 und 21, die derselben Funktion dienen.
23 ist ein schematisches Diagramm eines praktischen Transformator-Ersatzschaltkreises der berührungslosen, in 22 gezeigten Energieübertragung. 23 zeigt Widerstände 2300 und 2302, die sowohl in der Primär-Induktionsschleife als auch der Sekundär-Pick-Up-Spule bei irgendeiner aktuellen physikalischen Anwendung vorhanden sind.
4 ist ein schematisches Diagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Teils der Erfindung. Wie in dem schematischen Diagramm gezeigt ist, ist C_K ein externer Kondensator, der berechnet ist, um die Induktanzen L_Sf und L_SK des Primärkreises zu kompensieren. R_A ist der Primärwiderstand, der die Primärverluste beinflußt. L_h ist die Hauptinduktanz der Pick-Up-Spule 400. L_SS ist die Sekundär-Streuinduktanz der Pick-Up-Spule. Diese Induktanz wird durch das Design der Pick-Up-Spule erzeugt und durch den Kondensator C_S1 kompensiert, der so berechnet ist, dass er gleich L_SS ist. R_S ist der Widerstand der Pick-Up-Spule, was zu den Sekundärverlusten führt. C_S2 ist ein Kondenstor, der berechnet ist, um die Hauptinduktanz L_h zu kompensieren (mit anderen Worten, er erzeugt den Magnetisierungsstrom für das Magnetfeld der Pick-Up-Spule).
24 ist ein weiteres Diagramm eines Ersatzschaltkreises eines Teils der vor liegenden Erfindung. Der Teil der vorliegenden Erfindung arbeitet mit einer Eingangsspannung V₀ und einem Eingangsstrom I₀·V_M ist die induzierte Spannung in der Pick-Up-Spule, V_L ist die Spannung über der Last, und i₁, i₂ und i₃ sind Zweigströme. C_P ist die Primär-Serienkapazität, die die Induktanz der Primär-Induktionsschleife L_P kompensiert. R_P ist der Widerstand der Primär-Induktionsschleife. C_S1 ist die Sekundär-Serienkapazität, die die Induktanz der Sekundär-Pick-Up-Spule L_S kompensiert, R_S ist der Widerstand der Sekundär-Pick-Up-Spule, L_M ist die Haupt-Kopplungsinduktion der Primär-Induktionsschleife mit der Sekundär-Pick-Up-Spule, C_S2 ist die Parallel-Kapazität, die L_M kompensiert, und R_L ist der Lastwiderstand.
Der Ersatzschaltkreis der 24, der äquivalent zum Schaltkreis 4 ist, offenbart einen weiteren Aspekt der Erfindung, der darin besteht, dass der Primärstrom mit der Größe der Last ansteigen und abfallen wird. Unter den Bedingungen einer Null-Last fällt der Primärstrom nahezu auf Null-Niveau, was nur die kleinen Widerstandsverluste in der Primär-Induktionsschleife 2100 und der Sekundär-Abnehmer (Pick-Up-) Spule 2104 wiederspiegelt.
Vorteile der Erfindung sind der Betrieb bei einem Leistungsfaktor von 1 unter allen Lastbedingungen, der hohe Wirkungsgrad und die Fähigkeit, große Energiemengen zu übertragen, und eine stabile Resonanzfrequenz, die von den Lastbedingungen unbeeinflusst ist.
7 ist ein Graph der Antwort eines verbesserten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter einer Null-Last-Bedingung. Die Primärspannung und der Primärstrom sind in Phase. Die Wellenform 620 der Primärspannung ist im wesentlichen rechteckig, obwohl sie, falls gewünscht, auch sinusförmig sein könnte. Die Wellenform 622 des Primärstroms hat einige derselben Harmonischen wie die Wellenform 620 der Primärspannung. Die Wellenformen 624 und 626 sowohl der Sekundärspannung als auch des Sekundärstroms sind im wesentlichen sinusförmig.
8 ist ein Graph der Antwort eines verbesserten Ausführungsbeispiels der Erfin dung unter einer Last-Bedingung. Die Primärspannung und der Primärstrom sind in Phase. Die Wellenform 630 der Primärspannung ist im wesentlichen rechteckförmig, obwohl sie, falls gewünscht, auch sinusförmig sein könnte. Die Wellenform 632 des Primärstroms hat einige derselben Harmonischen wie die Wellenform 630 der Primärspannung. Die Wellenformen 634 und 636 sowohl der Sekundärspannung als auch des Sekundärstroms sind im wesentlichen sinusförmig.
5 ist ein Graph der Anwort eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter einer Null-Last-Bedingung. Die Primärspannung und der Primärstrom sind in Phase. Es sind gezeigt die Wellenform 600 der Primärspannung, die Wellenform 602 des Primärstroms, die Wellenform 604 der Sekundärspannung und die Wellenform 606 des Sekundärstroms. Die Wellenform 600 der Primärspannung ist im wesentlichen eine 20 kHz-Rechteckwelle, die zwischen einer positiven Spannung von 200 Volt und einer negativen Spannung von –200 Volt schaltet. Die Wellenform 600 der Primärspannung könnte aber auch sinusförmig sein, wenn ein Inverter mit geeignetem Design verwendet wird. Die Wellenform 602 des Primärstroms ist relativ zum Sekundärstrom vergleichsweise klein (weniger als etwa 10A), jedoch in Phase mit der Wellenform 600 der Primärspannung. Die Wellenform 604 der Sekundärspannung ist im wesentlichen sinusförmig und in Phase der Wellenform 600 der Primärspannung. Die Wellenform 606 des Sekundärstroms hat eine Phasenverschiebung von 180° bezüglich der Wellenform 602 des Primärstroms und ist gleich dem Magnetisierungsstrom der Pick-Up-Spule 400. Die Wellenform 606 des Sekundärstroms hat außerdem kleinere Transienten (Schaltkommutationen) zu den Zeiten, in denen die Wellenform 600 der Primärspannung schaltet.
6 ist ein Graph einer Antwort eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter einer Last-Bedingung. Die Primärspannung und der Primärstrom sind in Phase. Es sind die Wellenform der Primärspannung 610, die Wellenform 612 des Primärstroms, die Wellenform 614 der Sekundärspannung und die Wellenform 616 des Sekundärstroms gezeigt. Die Wellenform 610 der Primärspannung ist wie die Wellenform 600 der Primärspannung im wesentlichen eine Rechteckwelle, obwohl sie auch sinusförmig sein könnte, wenn ein Inverter mit einem geeigneten Design verwendet wird. Die Wellenform 612 des Primärstroms ist mit der Primärspannung in Phase und hat einen den Last-Bedingungen entsprechenden Wert, so daß der Leistungsfaktor 1 ist. Die Wellenform 614 der Sekundärspannung ist im wesentlichen sinusförmig. Die Wellenform 616 des Sekundärstroms hat kleinere Transienten sowohl zu als auch nach der Zeit, zu der die Wellenform 600 der Primärspannung schaltet.
25 ist ein schematisches Diagramm eines Merkmals der vorliegenden Erfindung, enthaltend Primär- und Sekundär-Energiewandler. Das in 25 gezeigte System 2000 enthält einen Primär-Energiewandler 2502 und einen Sekundär-Energiewandler 2504. Die Energiewandler 2502 und 2504 machen die universelle Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung auf Systeme möglich, die Wechselstromquellen und Lasten, aktive und passive Lasten sowie Einfach- oder Mehrfachlasten haben.
Der Primär-Engergiewandler enthält einen Primär-Eingangsinverter 2506, einen Primär-Leistungsregler 2508 und einen Primär-Ausgangsinverter 2510. Der Primär-Eingangsinverter 2506 wird nur für Wechselstromquellen benötigt, um bei einem Vorwärts-Leistungsfluss Wechselstrom in Gleichstrom und bei einem Rückwärts-Leistungsfluss Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Der Primär-Leistungsregler 2508 liefert Gleichstromleistung zu dem Primär-Ausgangsinverter 2510 mit konstanter Spannung für Einfach-Lasten oder mit konstantem Strom für Mehrfach-Lasten. Der Primär-Ausgangsinverter 2510 wandelt die Gleichstromleistung in einen einphasigen Wechselstromausgang bei einer vorgewählten Betriebsfrequenz bis zu 30 kHz um.
Der Sekundär-Energiewandler 2504 enthält einen Sekundär-Eingangsinverter 2512, einen Sekundär-Leistungsregler 2514 und einen Sekundär-Ausgangsinverter 2516. Der Sekundär-Eingangsinverter 2512 wandelt die hochfrequente Spannung, die in der Pick-Up-Spule induziert wird, in Gleichspannung um. Der Sekundär-Leistungsregler 2514 liefert Gleichstromleistung mit einer konstanten Spannung an den Sekundär-Ausgangsinverter 2516 für Einfach-Lasten und regelt außerdem den Rückwärts-Leistungsfluss durch den Sekundär-Eingangsinverter 2512. Der Sekundär-Ausgangsinverter 2516 wird nur für Wechselstrom-Lasten benötigt, um bei einem Vorwärts-Leistungsfluss Gleichstrom in Wechselstrom und bei einem Rückwärts-Leistungsfluss Wechselstrom in Gleichstrom umzuformen.
26 ist ein Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung.
3A-C sind Vergleiche zwischen erfindungsgemäßen CPS-Systemen und einem System nach dem Stand der Technik. Das erfindungsgemäße CPS-System ist ein System zur berührungslosen Energieeinspeisung (CPS = Contactless Power Supply), das im Vergangenen und im Folgenden beschrieben ist. Das System nach dem Stand der Technik ist bekannt als IPT-System. Wie in dem die 3A-C aufweisenden Blatt gezeigt ist, sind einige der Haupteigenschaften des erfindungsgemäßen CPS-Systems die, das der Sekundärabschnitt des erfindungsgemäßen CPS-Systems äquivalent mit einem Serienresonanzkreis ist, der in Serie geschaltete kapazitive, induktive und Widerstandelemente enthält, die mit einer variablen Last in Serie liegen. Wie in dem oberen, linken Teil des die 3A-C tragenden Blatts gezeigt ist, und wie vom Fachmann diesem Gebiet verstanden wird, löschen sich beim erfindungsgemäßen CPS-System die Impedanzen der kapazitiven und induktiven Sekundärelemente bei der Resonanzfrequenz unabhängig davon gegeneinander aus, ob irgendeine Last oder die maximale Nennlast vorliegt. Der Strom durch das System ist konstant (bei 86,4 A für das besondere, untersuchte System). Es besteht hier keine Forderung für das Verhältnis der Impedanz der Sekundärimpedanz zum Lastwiderstand. Der Phasenwinkel zwischen der Spannung über der Serienkombination und der Strom durch die Serienkombination sind unabhängig von der Last. Schließlich ist die zur Sekundärseite (den Sekundärseiten) übertragene Leistung auf die Auslegung des Leistungsblocks begrenzt.
In dem in 3 gelieferten Vergleich wurde die Sekundärlast auf die Primärseite und die Ersatzschaltkreise mit entsprechenden Vektordiagrammen für Null-Last und Maximal-Last-Bedingungen bezogen.
Der Primär-Energiewandler des erfindungsgemäßen Designs liefert einen konstanten Strom, und die Leistung kann daher auf Mehrfach-Lasten unterschiedlicher Größe übertragen werden, ohne dass die eine Last die andere beeinflusst. Unter Anwendung der oben beschriebenen Kompensationsmethoden arbeitet das System mit einem Leistungsfaktor von 1 unter allen Last-Bedingungen, und der Wirkungsgrad ist deshalb ziemlich hoch. Außerdem ist die Resonanzfrequenz des Systems stabil und unbeeinflusst von variierenden Last-Bedingungen.
Im Gegensatz dazu ist das IPT-System ein Parallel-Resonanzkreis, der mit konstanter Spannung betrieben wird. Die Impedanz der Sekundärschleife ist wenigstens drei mal so groß wie der Lastwiderstand. Die Pick-Up-Spule des IPT-Systems ist durch die Reaktanz des Sekundärsystems entkoppelt. Der Phasenwinkel zwischen der (konstanten) Spannung und dem Strom durch das IPT-System hängt von der Last ab. Schließlich ist die zur Sekundärseite übertragene Leistung begrenzt durch die Tatsache, dass die Systemspannung begrenzt ist, und durch die Länge der Zone, in der die Sekundärseite arbeitet. Zusammengefasst ist das erfindungsgemäße CPS-System, wie in 3A gezeigt ist, etwa zu 97 % wirksam, während IPT-System etwa zu 88 % wirksam ist. Wie in 3B gezeigt ist, beträgt die vom CPS-System der vorliegenden Erfindung übertragene Leistung (unter vorgewählten Bedingungen) etwa 40 kW, während die vom IPT-System übertragene Leistung (unter denselben vorgewählten Bedingungen) 28 kW beträgt. Außerdem betragen, wie in 3C dargestellt ist, die Kabelverluste des CPS-Systems der vorliegenden Erfindung (unter vorbestimmten Bedingungen) etwa 900 W, während die Kabelverluste des IPT-Systems größer als etwa 3,7 kW sind.
Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung benutzt der Stand der Technik Parallelkapazitäten, um die Primär-Induktionsschleife zu kompensieren, was zu einem sehr hohen zirkulierenden Strom führt, der nahezu unabhängig von der Größe der Last ist. Dieses hohe Maß an Blindleistung wird als notwendig beschrieben, um teilweise, jedoch nicht vollständig, die Folgen von Lasten variierender Größe auszugleichen, zwingen das System jedoch, immer bei einem Leistungsfaktor von weniger als 1 zu arbeiten, wodurch die Verluste erhöht und die Energieübertragung reduziert wird. Zusätzlich beschreibt der Stand der Technik die Notwendigkeit, die Sekundärseiten zu entkoppeln, um teilweise, jedoch nicht vollständig, den leistungsbegrenzenden Effekt einer nur gering belasteten Sekundäranordnung auf andere Sekundäranordnungen zu überwinden. Schließlich beschreibt der Stand der Technik, wie variierende Lasten die Resonanzfrequenz verschieben und dadurch irgendeine Art von Abstimmungseinstellung erforderlich machen.
9A ist ein Diagramm, das die Flusslinien im Bereich der Sekundär-Kernform des bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen CPS-Systems zeigt, wobei sich das erfindungsbemäße CPS-System in einem ersten Testzustand befindet. Die Sekundär-Kernform besitzt hier ein mittleres Joch 421 (2) und zwei Seitenjoche 422 und 423. Die Kernform wurde aus üblichem Kerneisen hergestellt und besitzt einen Streufluss von etwa 48 % (d. h. das Verhältnis des Sekundärflusses zum Primärfluss beträgt 1,48). 9B ist ein Graph der Flussdichte im Bereich der Sekundär-Kernform des bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen CPS-Systems, wobei sich das erfindungsgemäße CPS-System in dem ersten Testzustand befindet.
10A ist ein Diagramm, das die Flusslinien nahe dem vorher diskutierten Polschuh des bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen CPS-Systems zeigt, wobei das erfindungsgemäße CPS-System in einem zweiten Testzustand ist. Die Sekundär-Kernform hat ein mittleres Joch 421 und zwei Seitenjoche 422 und 423. Der Kern ist aus einem neuen Kerneisen hergestellt und besitzt einen Streufluss von nur etwa 8 % (d. h., dass das Verhältnis des Sekundärflusses zum Primärfluss 1,08 ist). 10B ist ein Graph der Flussdichte im Bereich des Polschuhs des bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen CPS-Systems, wobei sich das erfindungsgemäße CPS-System in einem zweiten Testzustand befindet.
16A ist ein schematisches Diagramm, das den Betrieb eines Merkmals der vorliegenden Erfindung erklärt, und 16B ist ein schematisches Diagramm, das den Betrieb einer praktischen Implementierung der vorliegenden Erfindung erklärt. In beiden Figuren repräsentieren die Wicklungen 700A und 700B zwei Hälften der verteilten Induktanz der Primärwicklung 200 (siehe 1 und die zugehörige Beschreibung). Die Wicklung 702 ist eine der beiden Wicklungen einer Pick-Up-Spule (wie z. B. einer ersten Pick-Up-Spule 300 und einer zweiten Pick-Up-Spule 400). Die Wicklung 704 ist die andere der beiden Wicklungen einer Abnehmerspule (wie z. B. einer ersten Abnehmerspule 300 und einer zweiten Abnehmerspule 400). Die Spule 702 ist mit der Spule 700A und die Spule 704 mit der Spule 700B gekoppelt. Die Spule 700A hat eine induktive Impedanz von jX_P1, und die Spule 700B hat eine induktive Impedanz von jX_P2. Die Resonanzfrequenz der Spule 702 wird gebildet mit dem Kondensator 710, der eine kapazitive Impedanz von –jXC_P1 aufweist, und die Resonanzfrequenz der Spule 704 wird gebildet mit dem Kondensator 712, der eine kapazitive Impedanz von –jXC_P2 hat. In 16A ist die Last durch zwei Widerstände 706 und 708 repräsentiert. In 16B ist die Last durch den Widerstand 806 repräsentiert.
Beim Betrieb wird der Schaltkreis, der durch die 16A und 16B repräsentiert ist, durch eine Wechselspannung V₀ aktiviert, die einen Strom I₀ induziert. Das Fließen des Stroms I₀ durch die Spulen 700A und 700B erzeugt entsprechende Spannungen V_P1 und V_P2, die aufgrund der Betriebsweise des Schaltkreises der 16A und 16B entsprechende Spannungen V_L1 und V_L2 in den Widerständen 706 und 708 generieren. Der Kondensator 714 und der Induktor 716 werden so gewählt, dass sich ihre Impedanzen (–jX_CS und jX_LS) bei der Resonanzfrequenz gegenseitig auslöschen.
27 ist ein schematisches Diagramm der Primär-Induktionsschleife der vorliegenden Erfindung. Die Primär-Induktionsschleife 2100 enthält parallel geschaltete Mehrfachleiter 2700. Zur Vergrößerung der Amperewindungen kann die Primär-Induktionsschleife 2100 mit Mehrfachwindungen gebildet werden. Der Nachteil ist, daß die Spannung der Primär-Ausgangsinverters mit jeder Windung vergrößert wird und diese Spannung durch die Bemessung der Bauelemente begrenzt ist. Durch Parallelschaltung von Mehrfachleitern werden die Amperewindungen der Primär- Induktionsschleife 2100 vergrößert, ohne dass die Inverterspannung erhöht wird. Die einzelnen Leiter 2700 sind über Stromausgleichs-Transformatoren 2702 verbunden, was vom Fachmann auf dem betreffenden Gebiet verstanden wird. Jeder der Transformatoren 2702 vergleicht zwei Ströme und addiert eine Spannung zu dem Leiter 2700 mit dem kleineren Strom und subtrahiert eine Spannung von dem Leiter 2700 mit dem größeren Strom, wodurch die Ströme in den Leitern 2700 gleichgemacht werden. Dies minimiert Verluste und erhöht den Wirkungsgrad.
28 ist ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, bei dem die Primär- und Sekundär-Energie-Übertragungsnetzwerke jeweils Drei-Phasen-Systeme sind. Der Primär-Ausgangsinverter 2510 ist als Drei-Phasen-Inverter ausgebildet, und die Primär-Induktionsschleife 2100 enthält drei parallel Leiter 2800 anstatt von zwei Leitern. Die Pick-Up-Spule 2802 hat einen ferromagnetischen Kern mit vier Jochen und verteilten Windungen, die magnetisch mit der Primär-Induktionsschleife 2100 gekoppelt sind. Dies erlaubt eine größere Energieübertragung.
29 ist schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und zeigt eine erste Pick-Up-Spule 2900, die magnetisch mit einer Primär-Induktionsschleife 2902 gekoppelt ist. Die Primär-Induktionsschleife 2902 ist mit einem Serienkondensator 2904 auf einen Leistungsfaktor von 1 kompensiert. Die erste Pick-Up-Spule 2900 ist mit einer ersten Last 2906 über einen ersten Eingangsinverter 2908 verbunden. Die erste Pick-Up-Spule 2900 ist außerdem mit einer Sekundär-Induktionsschleife 2910 verbunden, die mit einen Serienkondensator 2912 auf einen Leistungsfaktor von 1 kompensiert ist. Eine zweite Pick-Up-Spule 2914 ist magnetisch mit der Sekundär-Induktionsschleife 2910 gekoppelt, mit einem Parallelkondensator 2916 auf einen Leistungsfaktor 1 kompensiert und über einen zweiten Eingangsinverter 2920 mit einer zweiten Last 2918 verbunden. Es können mehr als eine Pick-Up-Spule magnetisch mit der Primär-Induktionsschleife 2902 oder der Sekundär-Induktionsschleife 2910 gekoppelt werden, und mehr als ein Sekundär-Eingangsinverter 2920 kann mit jeder Pick-Up-Spule 2914 verbunden werden. Dies ermöglicht eine Leistungsübertragung von einer Primär-Induktionsschleife zu einer oder mehreren Mehrfach-Last-Sekundäranordnungen, in denen die Lasten auf verschiedenen Bewegungsachsen arbeiten.
Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist ein Laufkran, bei dem sich die Brücke longitudinal bewegt, während sich die Laufkatze lateral und das Hebezeug vertikal bewegt. Mehr als ein Kran können auf der Laufbahn bewegt werden. Dieser Aspekt der Erfindung ermöglicht die Energieübertragung zu allen Kranantrieben kontaktfrei von einer einzigen Primär-Induktionsschleife aus.
12A-E sind schematische Diagramme eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Mehrfachzonen-Primärkonfiguration. Wie gezeigt ist, ist jede Zone entweder aktiv (siehe 12B) oder passiv (siehe 12C), was von der Lage des bzw. der Schalter 650 abhängt, wie durch Pfeile gezeigt ist, die den Strom durch die verschiedenen Leitungen andeuten.
Wenn in eine Zone inaktiv ist, ist sie magnetisch neutral und kann keine Leistung auf die Sekundär-Seite übertragen. Dies ermöglicht eine Zonensteuerung zur Vermeidung von Zusammenstößen von Mehrfach-Fahrzeugen. Da jede Zone auf eine Last begrenzt ist, sehen alle Lasten, die parallel verbunden sind, dieselbe Spannung. Die Parallelschaltung von Lasten eliminiert das Phänomen der Impedanzreflektion durch Mehrfach-Serienlasten. Durch geeignetes Schalten der Zonen ergibt sich eine Schaltungskonfiguration, die es den Invertern erlaubt, Mehrfach-Leistungszonen zu versorgen, um eine Last mit einer angrenzenden Zone für den Fall eines Inverterausfalls zu teilen.
12D ist ein Ersatzschaltkreis für den Schaltkreis nach 12B, und 12E ist ein Ersatzschaltkreis für den Schaltkreis, der in 12C gezeigt ist.
Das Prinzip der Primär-Regelung mit konstantem Strom schließt einen hochfrequenten Wechselstrom I_PRIM am Inverterausgang ein, der durch die Primär-Seite fließt. Der Wechselstrom I_PRIM ist ein pulsierender Strom, der den Eingangs-Gleichstrom I₀ am Invertereingang enthält. Der den Eingangs-Gleichstrom I₀ enthaltende pulsierende Strom wird durch einen kleinen Glättungskondensator in einen glatten, von Wechselanteilen freien Gleichstrom I₄ von identischem Wert umgeformt, was eine variable Gleichspannung U₄₁ ergibt. Der Gleichstrom I₄ wird durch einen Stromfühler gemessen und einem Stromregler zugeführt. Dieser Stromregler führt dem Transistor auf der Primärseite (Buck-Konverter) ein Signal zu, das die immer konstante Gleichspannung U₄₀ in eine variable Gleichspannung U₄₁ ändert, die von der totalen Sekundär-Last abhängig ist, so dass die Amplitute des Primär-Wechselstroms I_PRIM konstant bleibt. Wegen des Glättungskondensators und der Glättungsinduktanz auf der Sekundärseite wirkt der Gleichstrom-Chopper (Boost-Konverter) als ein "Puffer" bezüglich der Leistungsvariation auf der Sekundärseite. Demgemäß brauchen durch den Primär-Stromregler nur schwache Leistungsänderungen (bei einer Frequenz von weniger als 10 Hz) geregelt werden. Die Hochfrequenzkomponenten (30 kHz) von I₀ können so durch den Glättungskondensator U₄₁ leicht abgetrennt werden.
Zusammengefasst können die Sekundärseiten dadurch entkoppelt werden, dass die Primärseite mit einem konstanten Strom anstatt einer konstanten Spannung gespeist wird. Wegen der elektrischen Reihenverbindung der Sekundärseiten (von der der Primärseite aus betrachtet) wird sich der Primärstrom nicht ändern, selbst wenn sich die einzelnen Lasten auf der Sekundärseite ändern, da der Primärstrom durch einen Primär-Stromregler geregelt ist. Außerdem wandelt ein Boost-Konverter (in Verbindung mit 1 beschrieben) auf jeder Sekundärseite den konstanten Primärstrom (der durch die Pick-Up-Spule auf jede Sekundärseite transformiert wird) in eine konstante Ausgangsspannung am Sekundär-Ausgang um.
Wie in 12D und 12E gezeigt, wird die konstante Spannung U₀ der linken Eingangsseite des aktive Abschnitts zugeführt. Diese Spannung wird auf die rechte Seite des Abschnitts übertragen, um den nächsten (nicht gezeigten) Abschnitt mit der Leistung U₀·I₀ zu speisen. Der Eingangsstrom auf der linken Eingangsseite ist gleich dem Ausgangsstrom (I₀) plus dem Abschnittsstrom (I₁), der das Äquivalent der Fahrzeugleistung innerhalb des aktiven Abschnitts ist. Die Ausgangs-Spartransformatoren sind wegen der anliegenden hohen Frequenzen klein. Innerhalb der Schaltbox 652 sind (nicht gezeigte), der konstanten Kompensation dienende Kondensatoren, Spartransformatoren (bis zu 20 kW) und ein mechanischer oder Halbleiterschalter. Die Vorteile dieser Konfiguration sind: es wird keine von variablen Lasten abhängige Abstimmeinrichtung benötigt, es liegt eine konstante Spannung für alle Abschnitte vor, es sind einfache Leistungs- und Regeleinheiten für Grund- und Fahrzeug-Leistungszuführungen vorhanden, und es ist keine von variablen Lasten abhängige Kopplung zwischen unterschiedlichen Fahrzeugen vorhanden. Im Gegensatz dazu muss beim Stand der Technik für Mehrfach-Sekundärlasten die Pick-Up-Spule entkoppelt werden, um die Wirkungen von einer oder mehreren Pick-Up-Spulen mit geringer Last zu minimieren.
13A-C sind Schaltdiagramme eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Mehrfachzonen-Primärkonfiguration. 13A zeigt einen Anfangszustand, bei dem ein erster Inverter 660 entsprechend den Stellungen der Schalter 663 eine erste Zone 662 treibt, während ein zweiter Inverter 664 entsprechend den Stellungen der Schalter 668 eine zweite Zone 666 treibt. 13B zeigt einen ersten Fehlerzustand, bei dem der erste Inverter 660 ausgefallen ist und der zweite Inverter 664 die erste Zone 662 und die zweite Zone 666 treibt. Der erste Inverter 660 ist mit dem Schalter 663 ausgeschaltet, der auch die erste Zone 662 mit dem zweiten Inverter 664 verbindet. 13C zeigt einen zweiten Fehlerzustand, bei dem der zweite Inverter 664 ausfällt und der erste Inverter 660 die erste Zone 662 und die zweite Zone 666 treibt. Der zweite Inverter 664 ist durch den Schalter 668 ausgeschaltet, der auch die zweite Zone 666 mit dem ersten Inverter 660 verbindet.
1 ist eine schematische Darstellung der Komponenten und Subsysteme eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Das System 90 zu berührungslosen Energieübertragung enthält eine Energieversorgung 100, eine Primärseite 200, eine erste Abnehmerspule (Pick-up) 300, eine zweite Abnehmerspule (Pick-up) 400 und ein Lastelement 500. Wie für den Fachmann klar verständlich ist, können dem System 90 zur berührungslosen Energieübertragung weitere Pick-Up-Spulen, die mit denen der ersten und zweiten Abnehmerspule 300 und 400 identisch sind, hinzugefügt werden, ohne die folgende Beschreibung zu beeinflussen. Die Energieversorgung 100 enthält einen auf Konstantstrom geregelten Chopper (Steller), der einen Transistorschalter 104, eine Induktanz 103, einen Sensor 102, einen Konstantstromregler 101 und einen Gleichrichter 106 aufweist. Der Transistorschalter 104 regelt den Strom, der durch die Induktanz 103 und den Sensor 102 als Antwort auf ein Steuersignal fließt, das durch den Konstantstromregler 101 erzeugt wird. Das vom Konstantstromregler 101 erzeugte Steuersignal wird bestimmt durch ein Sensorsignal, das vom Sensor 102 erzeugt wird. Ein Gleichstrom-Eingangskondensator 105 glättet Rückwirkungen auf die Eingangs-Gleichspannung. Ein Kondensator 107 glättet die Ausgangsspannung des Choppers zur Konstantregelung des Stroms. Die Energieversorgung 100 enthält außerdem einen Hochfrequenz-Inverter, der Transistorschalter 108, 109, 110 und 111 enthält. Jeder dieser Transistorschalter 108-111 enthält in Parallelschaltung eine Diode und einen Transistor, der durch einen üblichen Controller (nicht gezeigt) gesteuert wird. Der Controller schaltet die Transistorschalter 108-111 mit der Resonanzfrequenz der Primärseite 200 und der ersten und zweiten Pick-Up-Spule 200 und 400. Die Resonanzfrequenz ist gewöhnlich im Bereich zwischen 10 kHz und 20 kHz.
Die Primärseite 200 ist durch eine Schleife mit zwei Schenkeln 200a und 200b gebildet und enthält eine Anzahl von Windungen. Die Primärseite 200 ist induktiv mit einer oder mehreren der ersten und zweiten Abnehmerspulen 200 und 300 gekoppelt. Die Primärseite 200 ist außerdem durch Serien-Kondensatoren 201 und 202 mit der Energieversorgung 100 gekoppelt. Die Serien-Kondensatoren sind auf dieselbe Resonanzfrequenz wie die ersten und zweiten Pick-Up-Spulen 300 und 400 abgestimmt. Daher ist der Leistungsfaktor des Systems 90 zur berührungslosen Energieübertragung unabhängig von der aktuellen Ausgangsleistung immer auf "1" gesetzt.
Die ersten und zweiten Pick-Up-Spulen 300 und 400 sind identisch. Daher wird nachfolgend nur die zweite Pick-Up-Spule 400 beschrieben. Die zweite Pick-Up-Spule 400 ist außerdem in 2 gezeigt, die eine Querschnittsansicht einer Pick-Up-Spule gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist. Die zweite Pick-Up-Spule 400 enthält einen E-förmigen, Ferrit-Eisenkern 410 mit einem mittleren Joch 421 und zwei seitlichen Jochen 422 und 423. Die zweite Pick-Up-Spule 400 enthält außerdem eine erste Wicklung 412 und eine zweite Wicklung 414. Die erste Wicklung 412 enthält die Wicklung 401 (die um das Seitenjoch 422 gewickelt ist) und die Wicklung 402 (die um das mittlere Joch 421 gewickelt ist). Die zweite Wicklung 414 enthält die Wicklung 404 (die um das Seitenjoch 423 gewickelt ist) und die Wicklung 403 (die um das mittlere Joch 421 gewickelt ist). Der Schenkel 200a der Primär-Leiterschleife 200 läuft zwischen dem mittleren Joch 421 und dem Seitenjoch 422 durch. Der Schenkel 200b der Primär-Leiterschleife 200 läuft zwischen dem mittleren Joch 421 und dem Seitenjoch 423 durch. Die erste Wicklung 412 ist parallel mit einem Kondensator 405 verbunden, um einen ersten Resonanzkreis zu bilden. Die zweite Wicklung 414 ist parallel mit einem Kondensator 406 verbunden, um einen zweiten Resonanzkreis zu bilden. Jeder der beiden ersten und zweiten Resonanzkreise ist auf die Resonanzfrequenz abgestimmt. Die ersten und zweiten Resonanzkreise sind mit Abschnitten eines Brückengleichrichters 407 verbunden, der parallel an den Gleichstrom-Ausgang der ersten und zweiten Pick-Up-Spulen 300 und 400 angeschlossen.
Die Gleichstrom-Ausgänge der ersten und zweiten Pick-Up-Spulen 300 und 400 sind gemeinsam parallel und zusammen mit dem Lastelement 500 an eine Sekundär-Schleife 490 angeschlossen. Das Lastelement enthält eine Induktanz 501, einen Kondensator 502 und eine Last 503. Das Lastelement 500 kann außerdem einen Boost-Konverter 504 enthalten. Die Ausgangs-Gleichspannung von den ersten und zweiten Pick-Up-Spulen 300 und 400 wird durch die Induktanz 501 und den Kondensator 502 geglättet. Für den Fall, dass mehrere Pick-Up-Spulen wie die erste und die zweite Pick-Up-Spule 300 und 400 an die Sekundär-Schleife angeschlossen sind, kann der in dem Lastelement 500 enthaltene Boost-Konverter 504 eine konstante Ausgangsspannung an der Last 503 halten. Dies stellt eine Kompensation für die Wirkung von einzelnen Lasten dar.
30 ist ein ausführliches schematisches Diagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Auf der Primärseite enthält der Primär-Energiewandler den geregelten Eingangsinverter, den zwischengeschalteten Leistungsregler und den geregelten Ausgangsinverter.
Der Eingangsinverter ist nur erforderlich, wenn die primäre Spannungsquelle eine Wechselspannungsquelle ist. Er richtet die eingehende Spannung gleich und sorgt durch den Filterkondensator und den Induktor für einen Zwischenkreis mit einer glatten und konstanten Gleichspannung. In Abhängigkeit davon, ob das Sekundärsystem eine Last oder eine Mehrzahl von Lasten aufweist, speist der Zwischenkreis-Inverter den Ausgangs-Inverter mit einer konstanten Spannung oder einem konstanten Strom. Der geregelte Ausgangs-Inverter wandelt die Zwischenkreis-Gleichstromleistung in einen hochfrequenten Ausgang mit bis zu 30 kHz um und legt diese an die Primär-Induktionsschleife an.
Die Primär-Induktionsschleife wurde anhand anderer Figuren als eine aus vier parallelen Leitern mit Strom-Ausgleichstransformatoren gebildete Schleife dargestellt. Die Schleife ist auf den Leistungsfaktor 1 kompensiert, in diesem Fall durch konzentrierte, transformatorisch gekoppelte Kondensatoren, wie oben beschrieben ist.
Das erste Sekundär-System hat eine aktive Wechselspannungs-Last, so dass der Sekundär-Energiewandler aus einem geregelten Eingangsinverter, einem Zwischenkreis-Leistungsregler und einem Ausgangsinverter bestehen wird. Die Pick-Up-Spule ist adaptiv auf den Leistungsfaktor 1 kompensiert und liefert eine Wirkleistung mit konstanter Spannung an den Eingangsinverter, wo sie gleichgerichtet und geglättet und zur Lieferung an die Last dem Ausgangsinverter zugeführt wird. Wenn die Last aktiv wird, wandelt der Gleichrichterabschnitt den Wechselstrom in Gleichstrom um, und die Rückwärts-Leistungsteuerung des Zwischenkreis-Leistungsreglers managt den Rückspeise-Leistungsfluss zurück zur Primärseite, wie oben beschrieben wurde.
Das zweite Sekundär-System hat eine aktive Gleichstromlast, so daß der Sekundär- Energiewandler keinen Ausgangsinverter enthält. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung ist gezeigt, der darin besteht, dass zwei Pick-Up-Spulen in Parallelschaltung an den Gleichstrom-Ausgang angeschlossen sind, um die Leistungsübertragung zu vergrößern. Die Rückspeise-Leistungsregelung ist im wesentlichen dieselbe wie für die Wechselstrom-Last.
11 ist ein anderes schematisches Diagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Den Komponenten sind die dieselben Bezugszeichen gegeben, wie sie ihnen in den 1 und 2 gegeben sind.
14 ist ein Zeitdiagramm, das das Prinzip der Stromregelung einer Mehrfach-Fahrzeug-Energieversorgung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, wie es in 12A-E und 13A-C dargestellt ist.
15 ist ein schematisches Diagramm, das das Prinzip der Stromregelung einer Mehrfach-Fahrzeug-Energieversorgung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Wo es zweckmäßig ist, sind den Komponenten dieselben Bezugszeichen gegeben, wie sie sie in 1 und 2 haben. Die Transistoren 104₁ -104₆ sind durch Wellenformen betrieben, wie sie entsprechend in 14 mit T₁-T₆ bezeichnet sind. Abgesehen davon werden die in 15 dargestellten Komponenten vom Fachmann verstanden.
17A ist ein schematisches Diagramm, das die Invarianten Wirkspannungen und Wirkströme der vorliegenden Erfindung erklärt. 17A zeigt vier Vektordiagramme, die ansteigende Lasten betreffen. Die Null-Last-Bedingung ist auf der ganz linken Seite der 17A gezeigt, während eine große Last auf der ganz rechten Seite der 17A dargestellt ist. Zwischengrößen der Last sind im mittleren Teil der 17A dargestellt. Unter den Bedingungen, die in den Schaltkreisen der 16A und 16B dargestellt sind, repräsentieren die Vektoren Spannungen und Ströme, wie sie in 16A und 16B gezeigt sind. Der signifikanteste Punkt, der in 17A dargestellt ist, ist der, dass, selbst wenn die Spannung, die in eine der Wicklungen 702 oder 704 induziert wird, sowohl in der Größe als auch im Phasenwinkel variieren kann, die Wirkkomponente dieser Spannung (d. h. ihre Projektion auf die vertikale Achse) invariant ist. In entsprechender Weise ist die Wirkkomponente der durch diese Spulen 702 und 704 fließenden Ströme (d. h. ihre Projektion auf die horizontale Achse) invariant.
17B ist ein Ablaufdiagramm, das die Phasenbeziehungen der verschiedenen Spannungen und Ströme in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfndung zeigt. Die Spannung V0 und Strom I0 sind in Phase, weil der in 16A und 16B gezeigte Schaltkreis eine reelle (d. h. nicht-induktive und nicht-kapazitive) Impedanz aufweist. Die Spannungen V_P1, V_P2, V_RL1 und V_R2 haben verschiedene Phasen.
31A-B sind schematische Diagramme von zusätzlichen Merkmalen der Serien-Kompensation der Primär-Induktionsschleife der vorliegenden Erfindung. 31A zeigt eine Primärschleife mit zwei Windungen, die mit Kondensatoren kompensiert ist, die längs der Schleife verteilt angeordnet sind. 31B zeigt dieselbe, mit zwei Windungen versehene Primärschleife, bei der die Kompensation durch eine konzentrierte Gruppe von parallelen Kondensatoren erreicht ist, die zur Erhöhung oder Reduzierung der Gesamtkapazität in den Schaltkreis ein- bzw. ausgeschaltet werden können. Die Kondensatorgruppe ist zu jedem der Schleifenschenkel transformatorisch gekoppelt, und die Abstimmung ist einfach durch Einstellung der Zahl der Windungen jeder der Transformatorspulen vereinfacht.
18A-B sind schematische Diagramme, die die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung zeigen, sowohl in Vorwärts- als auch Rückwärtsleistungsmoden zu arbeiten. Dies ist für den Fachmann leicht verständlich, da die Regelung eines Primär-Inverters 900, der eine Stromquelle 902 und Regeltransistoren 904 enthält, eine elektrische Leistung erzeugt, die durch eine Primärspule 906 hindurchgeht, die mit einer (sekundären) Abnehmerspule 908 gekoppelt ist. Das in der Primärspule 906 induzierte Magnetfeld induziert eine Spannung über der Abnehmerspule 908, die dann mittels der die die Dioden 910 enthaltenden Diodenbrücke gleichgerichtet wird, und die resultierende Gleichstromleistung wird dann zur Last 912 weitergeleitet. Aufgrund von Symmetrie kann Leistung in Rückwärtsrichtung übertragen werden, da der im unteren Bereich der 18 gezeigte Schaltkreis so konfiguriert ist, dass er ein Spiegelbild des im oberen Teil der 18 gezeigten Schaltkreises ist. Im unteren Abschnitt der 18 wird die Stromquelle 902 durch die Regeltransistoren 904 so geregelt, dass eine elektrische Leistung erzeugt wird, die durch die Abnehmerspule 908 hindurch in die Primärspule 906 gelangt, wo sie durch die die Dioden 910 enthaltende Diodenbrücke gleichgerichtet wird. Die resultierende Gleichstromleistung wird zur Last 912 weitergeleitet (die das Netz oder ein anderer Verbraucher wie z. B. eine Last in einer anderen Zone sein kann).
19 ist ein schematisches Diagramm, das eine praktische Implementierung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Schaltkreis 1000 zeigt eine geregelte Last 1002, die durch den in 16B gezeigten Schaltkreis (der äquivalent zu dem in 16A gezeigten Schaltkreis ist) gespeist wird. Auf der anderen Seite kann die geregelte Last 1002, wie für den Fachmann verständlich ist, auch in dem Sinne betrachtet werden, dass sie beide Schaltkreise enthält (d. h. Vorwärts- und Rückspeiseleistung), die in 18 gezeigt sind. Mit anderen Worten existiert eine der beiden möglichen Situationen in Abhängigkeit davon, wie der Schaltkreis 1004 für die Rückspeise-Regelung die Transistoren T1, T2, T3 und T4 aktiviert. In einer Situation fließt Leistung vom Netz, an das der Spulenschaltkreis 1006 angeschlossen ist, in die Last 1002, da die Dioden D1, D2, D3 und D4 die zugeführte Leistung gleichrichten (d. h. die Transistoren T1, T2, T3 und T4 sind ausgeschaltet). In der anderen Situation fließt Leistung von der Last 1002 in das Netz, an das der Schaltkreis 1006 angeschlossen ist, da die Dioden D1, D2, D3 und D4 durch Einschalten der Transistoren T1, T2, T3 und T4 kurzgeschlossen sind. Wenn eine andere geregelte Last wie die geregelte Last 1002 an den Primärkreis mit der Spannung V₀ angeschlossen wird, dann kann diese geregelte Last so konfiguriert werden, dass sie Leistung vom Schaltkreis 1000 erhält. Andererseits wird die aus der Schaltung 1000 fließende Energie zurück zur Energiequelle übertragen, wobei sie die Spannung V₀ und den Strom I₀ einspeist.
Während das oben Stehende eine detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, gibt es viele alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung, die dem Fachmann einfallen und die im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung liegen. Demgemäß ist die Erfindung durch die nachfolgenden Ansprüche festgelegt.

Claims

Kontaktloses System zur magnetischen Übertragung elektrischer Energie von einer Eingangsenergiequelle (100, 2002) zu einer Sekundärlast (500, 2003) enthaltend: einen mit der Eingangsenergiequelle (100, 2002) verbindbaren Primärenergiewandler (2502), der einen Ausgangsinverter (2510) enthält; eine von dem Ausgangsinverter (2510) gespeiste Primärinduktionsschleife (200, 2100), die wenigsten eine Windung aufweist; eine magnetisch mit der Primärinduktionsschleife (200, 2100) gekoppelte sekundäre Abnehmerspule (300, 400, 2104); und einen von der sekundären Abnehmerspule (300, 400, 2104) gespeisten Sekundärenergiewandler (2504), der einen Eingangsinverter (2512) enthält und der mit der Sekundärlast (500, 2003) verbindbar ist, gekennzeichnet durch einen auf die gewünschte Betriebsfrequenz eingestellten ersten Inverter (2510) der ein Primärsystem (2004, 2008) mit einer konstanten Spannung oder einem konstanten Strom speist und den Leistungsfaktor des kontaktlosen induktiven Systems gleich Eins hält, unabhängig von der ersten Last, eine sekundäre Leistungsabnehmereinheit (2104) enthaltend einen ferromagnetischen Kern (410) und wenigstens zwei Windungen (412, 414), die so auf dem ferromagnetischen Kern (410) angeordnet sind, dass sie teilweise magnetisch gekoppelt und teilweise nicht magnetisch gekoppelt sind, wobei die beiden Windungen jeweils teilweise mit einem parallelen Kondensator kompensiert sind, und eine Kompensationsschaltung, die die beiden Windungen automatisch und passiv auf einen Leistungsfaktor gleich eins kompensierte und einphasige Energie mit einer konstanten Spannung an die erste Sekundärlast liefert, unabhängig von der Größe der ersten Sekundärlast.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Windungen (412, 414) jeweils durch einen oder mehrere, parallel zu den Windungen geschaltete Kondensatoren (405, 406) auf einen Leistungsfaktor gleich Eins kompensiert werden.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärinduktionsschleife (200) mit einem oder mehreren in Serie mit der Primärinduktionsschleife (200) geschalteten Kondensatoren (201, 202; C1-C4) auf einen Leistungsfaktor gleich Eins kompensiert ist.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Serienkondensatoren (C1-C4) entlang der Primärinduktionsschleife (200) verteilt angeordnet sind.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Serienkondensatoren zusammengefasst und mittels Übertragern mit der Primärinduktionsschleife gekoppelt sind (31B).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Abnehmerspulen (300, 400) parallel geschaltet sind, um die Energieübertragung zu erhöhen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärenergiewandler (2504) einen Umkehr-Leistungsregler (2514) enthält, so dass die von einer Last erzeugte Leistung magnetisch über die Abnehmerspule zurück auf die Primärseite übertragen werden kann.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärenergiewandler (2502) eine Konstantstromregelung (101, 2506) enthält, derart, dass die an die Primärinduktionsschleife (200, 2100) gelieferte Leistung immer mit einem konstanten Strom geliefert wird.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantstromregelung durch eine Impulsbreitenregelung des Ausgangsinverters (2510) erreicht wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärenergiewandler (2502) eine Konstantspannung an den Ausgangsinverter (2510) liefert.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Primärstroms lastabhängig ist und auf das zur Magnetisierung erforderliche Niveau abfällt, wenn die Sekundärlast (500, 2003) Null ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärinduktionsschleife (2700) parallel geschaltete Bündelleiter enthält, um die gesamte Amperewindungszahl zu erhöhen (27).
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündelleiter der Primärinduktionsschleife (2700) mittels stromausgleichenden Transformatoren (2702) verbunden sind (27).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärenergiewandler (2502) einen Eingangsinverter (2506) zur Anpassung an eine Wechselstromquelle enthält (26).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärenergiewandler (2504) einen Ausgangsinverter (2516) zur Anpassung an eine Wechselstromlast enthält (26).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärinduktionsschleife (2100) und die sekundäre Abnehmerspule (2802) 3-phasig betrieben werden (28).
System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Ausgangsinverter (2510) und der sekundäre Eingangsinverter (2512) als 3-Phasenbrücken betrieben werden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekundärinduktionsschleife (2910) mit der ersten sekundären Abnehmerspule (2900) über eine Reihe von Kompensationskapazitäten (2912) verbunden ist, wobei die Sekundärinduktionsschleife (2910) mit einer zweiten sekundären Abnehmerspule (2914) magnetisch gekoppelt ist und wobei die zweite sekundäre Abnehmerspule (2914) mit parallelen Kapazitäten (2916) kompensiert ist, so dass die zweite sekundäre Abnehmerspule (2914) Leistung über einen zweiten Sekundärenergiewandler (2920) an eine zweite Sekundärlast (2918) überträgt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärinduktionsschleife in mehrere Zonen (S1-S5) aufgeteilt ist, wobei jede der mehreren Zonen (S1-S5) zwischen magnetisch aktiv und magnetisch neutral umgeschaltet werden kann, jede der mehreren Zonen (S1-S5) nur dann Leistung übertagen kann, wenn sie magnetisch aktiv ist, und jede der mehreren Zonen (S1-S5) mit dem Primärausgangsinverter (2006) parallel geschaltet ist.
System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Zonen (S1-S5) derart geregelt sind, dass es nur einer sekundären Last erlaubt ist, irgend eine Zone zu belegen (12A).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärenergiewandler (2502) eine Mehrzahl von primären Ausgangsinvertern (2510) enthält, von denen jeder mit einer aus einer Mehrzahl von Primärinduktionsschleifen (200, 2100) verbunden ist.
System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der primären Ausgangsinverter (2510) zwei oder mehr der Primärinduktionsschleifen (200, 300, 2100) mit Leistung versorgt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärenergiewandler (2502) eine Mehrzahl von parallel geschalteten Ausgangsinver ter-Brücken enthält.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärinduktionsschleife (200, 300, 2100) aus einem Mehrfachleiterkabel nach industriellem Standard (nicht Litzen) hergestellt ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass für eine sich bewegende Einrichtung vorgesehen sind: eine Abnehmerspule (400) mit zwei Windungen (412, 414), die teilweise magnetisch gekoppelt und teilweise magnetisch entkoppelt sind, wobei jede der Windungen mit einem auf Resonanz gestimmten Resonanzkondensator (405, 406) parallel geschaltet ist; eine Primärinduktionsschleife, die mit einem oder mehreren Kondensatoren (201, 202) in Serie geschaltet ist, die auf die gleiche Resonanzfrequenz wie die der Abnehmerspule (400) abgestimmt sind; ein Hochfrequenz-Wechselstrominverter (108-111), der auf die Resonanzfrequenz abgestimmt ist und das Primärsystem mit Konstantspannung oder Konstantstrom speist, wobei der Leistungsfaktor – unabhängig von der tatsächlichen Last – stets auf Eins gehalten wird; und einen konstantstromgeregelten Zerhacker (101-106), der den Wechselstrominverter (108-111) speist.
System nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abnehmerspule mit zusätzlichen Windungen versehen ist, jedoch ohne parallel geschaltete Kondensatoren.
Induktives Leistungsübertragungssystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Abnehmerspulen am Gleichspannungsausgang parallel geschaltet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung einen Primärstrom aufnimmt, der durch die erste Last bestimmt wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärstrom auf das zur Magnetisierung der ersten Aufnehmerspule erforderliche Niveau zurückgeht, wenn die erste Last auf Null zurückgeht.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 29, gekennzeichnet durch ein Schaltsystem das es einem eine Leistungszone speisenden Wechselstrominverter erlaubt, eine angrenzende Leistungszone mitzuversorgen, falls einer der Wechselstrominverter ausfällt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Lasten einen Spannungsreglerschaltkreis zur Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung an wenigstens einer der Lasten enthält.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 31, gekennzeichnet durch erste, auf eine Resonanzfrequenz gestimmte Aufnehmerspulen Mittel zum Empfang magnetischer Energie; primärseitige Mittel zur Aufnahme der magnetischen Energie bei der Resonanzfrequenz, wobei die primärseitigen Mittel eine mit einem oder mehreren Kondensatoren in Reihe geschalteten Schleife aufweisen; erste Wechselstrominverter-Mittel zur Speisung der primärseitigen Mittel mit konstanter Spannung oder konstanten Strom, wobei die ersten Wechselstrominverter-Mittel ihren Leistungsfaktor unabhängig von der ersten Last gleich Eins halten; und Konstantstrom-Mittel zur Erzeugung elektrischer Leistung für den ersten Wechselstrominverter, wobei die zur ersten Last übertragene Leistung einen Leistungsfaktor gleich Eins hat.
Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung von einem primären System auf eine erste Last (500, 2003) durch ein berührungsloses, induktives System, enthaltend die Schritte: a) Bereitstellen einer auf die Resonanzfrequenz abgestimmten ersten Abnehmerspule (300, 400, 2104) zum Empfang magnetischer Energie; b) Bereitstellen einer Primärwicklung (200, 2100) zur Übertragung der magnetischen Energie bei der Resonanzfrequenz, wobei die Primärwicklung eine mit einem oder mehreren Kondensatoren (201, 202) in Reihe geschaltete Schleife aufweist; c) Bereitstellen eines ersten Wechselstrominverters (108, 111) zur Speisung der Primärwicklung (200, 2100) mit einer konstanten Spannung oder einem konstanten Strom, wobei der erste Wechselstrominverter (108, 111) seinen Leistungsfaktor unabhängig von der ersten Last (500-2003) gleich Eins hält; und d) Bereitstellung einer Konstantstromeinrichtung (101-106) zur Erzeugung elektrischer Energie für den ersten Wechselstrominverter (108-111), wobei die zur ersten Last (500-2003) übertragene elektrische Leitung einen Leistungsfaktor von Eins aufweist.