EP2357657B1 - Anordnung - Google Patents

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EP2357657B1
EP2357657B1 EP11001711.8A EP11001711A EP2357657B1 EP 2357657 B1 EP2357657 B1 EP 2357657B1 EP 11001711 A EP11001711 A EP 11001711A EP 2357657 B1 EP2357657 B1 EP 2357657B1
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EP
European Patent Office
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winding
inductance
current
main
primary conductor
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EP11001711.8A
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French (fr)
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EP2357657A3 (de
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Bernhard Schneider
Thomas Uhl
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SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Original Assignee
SEW Eurodrive GmbH and Co KG
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Publication date
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Application filed by SEW Eurodrive GmbH and Co KG filed Critical SEW Eurodrive GmbH and Co KG
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Publication of EP2357657A3 publication Critical patent/EP2357657A3/de
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Publication of EP2357657B1 publication Critical patent/EP2357657B1/de
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    • H01F27/42—Circuits specially adapted for the purpose of modifying, or compensating for, electric characteristics of transformers, reactors, or choke coils
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    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F3/14—Constrictions; Gaps, e.g. air-gaps

Definitions

  • the invention relates to an arrangement.
  • a system for inductive transmission of energy wherein a medium frequency current is fed to a primary conductor system, where the primary conductor system is designed as an elongated conductor loop. Consumers are supplied from secondary coils, which are inductively coupled to the primary conductor system.
  • the invention is therefore based on the object to develop a system with inductors.
  • Important features of the arrangement are that it is intended for non-contact energy transmission, with a medium-frequency current being fed into an elongated primary conductor system, wherein consumers are supplied from a secondary coil inductively coupled to the primary conductor system, wherein the secondary coil is connected in series or in parallel with such a capacitance that the associated resonant frequency substantially corresponds to the center frequency, in particular between 10 and 500 kHz, of the current, wherein a controllable inductance is provided
  • a resonant circuit part such as a resonant circuit, a gyrator, or even a transformer can be regulated to a desired value.
  • the inductance is the secondary coil.
  • the advantage here is that even with a quadrupole such as transformer or the like, the inductance is controllable.
  • the inductance is provided in a gyrator.
  • the advantage here is that the gyrator is adjustable to the desired desired frequency response
  • the inductance is so connected to the inductance of the primary conductor system and such a capacitance is in operative connection with the primary conductor system, that the associated resultant resonant frequency is tuned to the center frequency.
  • the capacitance is arranged in a gyrator arrangement feeding the primary conductor system directly or via a transformer and / or the capacitance is connected in series or in parallel to the inductor connected to the inductance of the primary conductor system.
  • the advantage here is that the vote of the primary conductor system is also executable by means of the controllable inductance.
  • the controllable inductance is connected in series with the primary conductor, ie the inductance of the primary conductor.
  • the capacitance provided for achieving the resonance is provided within the gyrator arrangement, from which the primary conductor system is supplied via a transformer.
  • a regulator circuit is provided, whose input is provided with a means for detecting the relative phase position between a voltage and a current, in particular wherein the current is the primary current, and whose output is connected to the controllable inductance as an actuator.
  • the advantage here is that an automatic control is providable, which tracks the value of the resonant frequency even when changing physical parameters by controlling the controllable inductance to the desired value.
  • the inductance comprises a main winding, which is embodied around at least one leg of a core, wherein the main winding is supplied with alternating current, wherein a control winding is provided on at least one leg of the core, which is subjected to unipolar current.
  • the advantage here is that the value of the inductance is variable to a desired setpoint and tuned.
  • the advantage here is that the induced voltage remains low and yet a field can be generated, which magnetizes the core of the main coil, in particular as a constant field, ie constant field.
  • control winding is designed such that in each case a corresponding number of turns of the other portion is executed alternately after execution of a first number of turns of a portion, in particular wherein the number assumes a value between 1 and 10.
  • the advantage here is that the voltage induced in the first turns voltage remains low and thus the insulation must be performed only against low voltages.
  • a supply winding on at least one leg of the core is provided, are connected to the means for generating the unipolar current, in particular wherein the means of the induced voltage, in particular secondary voltage, the supply winding are supplied.
  • the means for generating the unipolar current comprise a controllable arrangement, such as DC / DC converters, power switches and / or controllable resistance.
  • a controllable arrangement such as DC / DC converters, power switches and / or controllable resistance.
  • the core has an air gap S, which is penetrated in the main flow generated by the main winding, wherein the of the respective
  • Partial windings generated flows are essentially passed through areas of the core without an air gap.
  • the advantage here is that only a small control current is necessary, with which the saturation of the area is allowed, which is penetrated by the main flow of the partial windings.
  • the air gap is arranged only in that region of the core which is penetrated essentially exclusively by the main flow of the main winding, whereby the steepness of the magnetization characteristic curve for the main winding can be reduced.
  • control signals for controlling the contactless and / or galvanically isolated transmitted.
  • the advantage here is that no additional effort for galvanic isolation must be operated. Also, it simply allows the control electronics connected to the control coil to operate at a different potential.
  • the means are provided as a control element of a control circuit and connected thereto.
  • the advantage here is that the value of the control current is adjustable, in particular so to a target value.
  • FIG. 1 is the main winding with the inductance L shown with the terminals E1 and A1.
  • the control winding L2 with the terminals E2 and A2 and the supply winding L3 with the terminals E3 and A3 are provided.
  • the winding of the main winding L is supplied with an alternating current, whereby a voltage is provided to the inductively coupled supply winding ready, which is supplied to a rectifier.
  • the rectified voltage is optionally smoothed with a capacitor and is then fed to a switching element 1, wherein this is operated clocked, for example, pulse width modulated.
  • a switch encompassed by the switching element for example, a controllable power semiconductor switch is closed in each clock period for a first period and opened in a subsequent period.
  • the current flowing through the control winding L2 current is controllable.
  • the time average thus flows a direct current through the control coil L2, whereby thus the core of the main winding undergoes a corresponding magnetization. It is important that the magnetization of the core is not a linear function of the magnetic field generated by the current, but even changes to a saturation behavior for larger current values.
  • the effective inductance L of the main winding is variable depending on the impressed in the control winding current.
  • the control signals for the switching element 1 are contactless and even galvanically separated transferable.
  • an optocoupler on the switching element 1 is provided for this purpose, which is in operative connection with a central control, not shown in the figure.
  • the associated frequency is greater than the center frequency of the current fed into the primary conductor, that is, the current component which is important for the power supply.
  • the high-frequency current component can also be detected by means of the supply coil and can therefore be decoupled from the supply current component in the switching element.
  • control signals only information can be transmitted in further exemplary embodiments according to the invention, wherein an electronic circuit for generating the control signals is then included in the switching element.
  • ferrite materials As a material for the production of the core are suitable ferrite materials or other ferromagnetic or ferrimagnetic materials.
  • the arrangement according to the invention can be used in a system for contactless energy transmission, in which an elongated laid primary conductor is provided, into which a medium-frequency current is impressed, in particular with a frequency between 10 and 500 kHz.
  • the load which can be moved along the primary conductor has a secondary coil, which is inductively coupled to the primary conductor and to which such a capacitance is connected in series or in parallel, so that the associated resonant frequency substantially corresponds to the center frequency.
  • the main winding of the arrangement according to the invention can be used as a secondary winding and the inductance can be changed by means of the current in the control winding, that is to say the resonance frequency can be regulated or tuned to the center frequency.
  • a converter is used whose output stage is supplied from a unipolar voltage, the so-called intermediate circuit voltage, which is generated by a mains-fed rectifier.
  • the output stage comprises half bridges, which each comprise two series-connected pulse-width-modulatedly controlled power semiconductor switches.
  • a medium-frequency voltage can be generated, which is used to power a Gyratoran Aunt is used.
  • a medium-frequency current source which is provided for feeding a primary conductor loop, is produced from the voltage source realized by means of the output stage, wherein the primary conductor loop comprises the primary conductor.
  • a quadrupole which comprises at least one inductance and at least one capacitance, wherein the values of these variables are selected such that the associated resonant frequency essentially corresponds to the center frequency.
  • an arrangement according to the invention can again be used as the inductance, so that the inductance can be tuned to the optimum value or subsequently regulated.
  • aging, moisture, weather, temperature or otherwise caused deviations or drifts in the values can thus be compensated for and / or readjusted.
  • a transformer can be arranged, which is suitable for adapting the inductance. Also for its inductances, the arrangement according to the invention can be used to perform this tunable.
  • the elongated laid primary conductor is connected in total a capacity in series, so that the associated resonant frequency is tuned to the center frequency.
  • an inductance can also be assigned to the tuning, for example in series, whereby this can be implemented as an arrangement according to the invention and thus a tuning to the resonant frequency is made possible.
  • the components mentioned can therefore be equipped with inductors controllable according to the invention and thus tunable to the desired setpoint values.
  • a controllable resistor R is provided which thus determines the value of the main inductance. The way it works is the FIG. 1 executed accordingly.
  • FIG. 3 is instead of the controllable switching element 1 of FIG. 1 a controllable DC / DC converter provided.
  • the way it works is the FIG. 1 executed accordingly.
  • the duty cycle or the duty cycle ⁇ thus determine the inductance.
  • the main winding L is wound around the first E-shaped core 2 and has the terminals E1 and A1.
  • the second E-shaped core provided for closing the magnetic flux issuing from the first E-shaped core has the supply winding L3 about its center leg, the terminals being denoted by E3 and A3.
  • the control winding L2 is embodied in two partial windings, wherein the first part winding is provided in the right main leg and the second part winding in the left main leg.
  • the winding sense of the two partial windings are designed in opposite directions.
  • the flux generated by the main winding L transits from the main leg of the first E-shaped core 2 into the main leg of the second E-shaped core 3 and then divides into two halves, the first in the first main leg and the second half in the second main leg flows.
  • the field generated by the first partial winding of the control winding L2 in the first main leg is added to the flux component generated by the main winding and the field generated by the second partial winding of the control winding L2 is subtracted in the second main leg to the flux component generated by the main winding.
  • a control of the inductance for the positive half-wave of the provided in the main winding L alternating current in the same manner as for the negative half-wave executable.
  • the winding of the control winding is designed such that after a first turn of the first partial winding, the first turn of the second partial winding is carried out with the winding sense described above. Thereafter, a turn of the first partial winding is again carried out and continued by further alternating the execution of a turn of the respective partial winding.
  • the E-shaped cores are rotationally symmetrical about their center leg around and thus have the in the FIG. 4 shown E-shaped cross section.
  • the center leg includes a gap, so an air gap.
  • the main legs are designed without an air gap and thus the smallest possible control power necessary. In the main field lines generated by the control winding so no air gap is present and thus only a small control current necessary, so only a small control performance. Even the small stream has a big impact.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung.
  • Es ist bekannt, Induktivitäten mit Kapazitäten zu einer Resonanzschaltung zu verbinden.
  • Aus der WO 2008/031491 A1 ist ein System zur induktiven Übertragung von Energie bekannt, wobei ein mittelfrequenter Strom in ein Primärleitersystem eingespeist wird, woebi das Primärleitersystem als langgestreckte Stromleiterschleife ausgeführt ist. Dabei werden Verbraucher aus Sekundärspulen versorgt, die induktiv ans Primärleitersystem gekoppelt sind.
  • Aus der Veröffentlichung BEN-YAAKOV S ET AL:"A self-adjusting sinusoidal power source suitable for driving capacitive loads", 2004 IEEE APPLIED Power ELECTRONICS CONFERENCE AND EXPOSITION, APEC 04, IEEE, ANAHEIM, CA, USA, Bd. 3, 22. Februar 2004, Seiten 1832-1837, ISBN 978-0-7803-8269-5 ist die Selbst justierung eines Schwingkreises bekannt.
  • Aus der EP 0 443 342 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Energieübertragung in einem statischen Wandler bekannt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage mit Induktivitäten weiterzubilden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anordnung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Wichtige Merkmale bei der Anordnung sind, dass sie zur berührungslosen Energieübertragung vorgesehen ist, wobei ein mittelfrequenter Strom in ein langgestreckt ausgeführtes Primärleitersystem eingespeist wird,
    wobei Verbraucher aus einer mit dem Primärleitersystem induktiv gekoppelt vorgesehenen Sekundärspule versorgt sind,
    wobei der Sekundärspule eine derartige Kapazität in Reihe oder parallel zugeschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz, insbesondere zwischen 10 und 500 kHz, des Stromes entspricht,
    wobei eine steuerbare Induktivität vorgesehen ist
  • Von Vorteil ist dabei, dass ein auf Resonanz angelegter Schaltungsteil, wie beispielsweise ein Resonanzschwingkreis, eine Gyratoranordnung, oder auch ein Transformator auf einen gewünschten Wert hin regelbar sind.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Induktivität die Sekundärspule. Von Vorteil ist dabei, dass auch bei einem Vierpol wie Trafo oder dergleichen die Induktivität steuerbar ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Induktivität in einer Gyratoranordnung vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Gyratoranordnung auf den gewünschten Soll-Frequenzverlauf hin einstellbar ist
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Induktivität derart mit der Induktivität des Primärleitersystem verbunden ist und eine derartige Kapazität mit dem Primärleitersystem in Wirkverbindung ist, dass die zugehörige resultierende Resonanzfrequenz auf die Mittelfrequenz abstimmbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Wirkungsgrad optimierbar ist und alterungs-, witterungs- oder temperaturbedingte Veränderungen ausgleichbar sind.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kapazität in einer das Primärleitersystem direkt oder über einen Transformator speisenden Gyratoranordnung angeordnet und/oder die Kapazität ist in Reihe oder parallel beschaltet zur mit der Induktivität des Primärleitersystem verbundenen Induktivität vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass die Abstimmung des Primärleitersystems ebenfalls mittels der steuerbaren Induktivität ausführbar ist. Hierbei wird die steuerbare Induktivität in Reihe geschaltet zum Primärleiter, also zur Induktivität des Primärleiters. Die zur Erreichung der Resonanz vorgesehene Kapazität ist innerhalb der Gyratoranordnung vorgesehen, aus der das Primärleitersystem über einen Transformator hinweg versorgt wird.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Reglerschaltung vorgesehen, deren Eingang mit einem Mittel zur Erfassung der relativen Phasenlage zwischen einer Spannung und einem Strom vorgesehen ist, insbesondere wobei der Strom der Primärstrom ist, und deren Ausgang mit der steuerbaren Induktivität als Stellglied verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine automatische Regelung vorsehbar ist, die auch bei Veränderung von physikalischen Parametern den Wert der Resonanzfrequenz nachführt, indem sie die steuerbare Induktivität auf den gewünschten Wert hin regelt.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Induktivität eine Hauptwicklung, die um zumindest einen Schenkel eines Kerns herum ausgeführt ist,
    wobei die Hauptwicklung mit Wechselstrom beaufschlagt ist,
    wobei eine Steuerwicklung auf zumindest einem Schenkel des Kerns vorgesehen ist, die mit unipolarem Strom beaufschlagt ist.
  • Von Vorteil ist dabei, dass der Wert der Induktivität auf einen gewünschten Sollwert hin veränderbar und abstimmbar ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Steuerwicklung zumindest zwei Teilwicklungen auf, deren Wicklungssinn derart ausgeführt ist,
    • dass die Richtung des im vom ersten Teilbereich der Steuerwicklung umfassten Bereich erzeugten Hauptflusses der Richtung des von der Hauptwicklung bei Beaufschlagung positivem Strom erzeugten Flusses in diesem Bereich entspricht,
    • und dass die Richtung des im vom zweiten Teilbereich der Steuerwicklung umfassten Bereich erzeugten Hauptflusses der Richtung des von der Hauptwicklung bei Beaufschlagung mit negativem Strom erzeugten Flusses in diesem zweiten Bereich, insbesondere also im vom zweiten Teilbereich der Steuerwicklung umfassten Bereich, entspricht.
  • Von Vorteil ist dabei, dass die induzierte Spannung gering bleibt und trotzdem ein Feld erzeugbar ist, das den Kern der Hauptspule magnetisiert, insbesondere als Gleichfeld, also konstantes Feld.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerwicklung derart ausgeführt, dass jeweils abwechselnd nach Ausführung einer ersten Anzahl von Windungen eines Teilbereiches eine entsprechende Anzahl von Windungen des anderen Teilbereichs ausgeführt ist, insbesondere wobei die Anzahl einen Wert zwischen 1 und 10 annimmt. Von Vorteil ist dabei, dass die in den ersten Windungen induzierte Spannung gering bleibt und somit auch die Isolierung nur gegen geringe Spannungen ausgeführt werden muss.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Versorgungswicklung auf zumindest einem Schenkel des Kerns vorgesehen, mit der Mittel zur Erzeugung des unipolaren Stroms verbunden sind, insbesondere wobei die Mittel aus der induzierter Spannung, insbesondere also Sekundärspannung, der Versorgungswicklung versorgt sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Versorgung der Steuerspule dezentral ermöglicht ist, Es muss also keine Versorgungsleitung zusätzlich zum Primärleiter verlegt werden sondern es genügt die Verlegung des Primärleiters, aus dem die Steuerspule induktiv über die Versorgungsspule versorgbar ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Mittel zur Erzeugung des unipolaren Stroms eine steuerbare Anordnung, wie DC/DC-Wandler, Leistungsschalter und/oder steuerbarer Widerstand. Von Vorteil ist dabei, dass der Wert des Stromes in der Steuerspule stellbar ist, also steuerbar ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kern einen Luftspalt S auf, welcher im von der Hauptwicklung erzeugten Hauptfluss durchdrungen wird, wobei die von den jeweiligen
  • Teilwicklungen erzeugte Flüsse im Wesentlichen durch Bereiche des Kerns ohne Luftspalt geleitet sind. Von Vorteil ist dabei, dass ein nur geringer Steuerstrom notwendig ist, mit dem die Sättigung desjenigen Bereiches ermöglicht ist, der vom Hauptfluss der Teilwicklungen durchdrungen wird. Der Luftspalt ist nur in demjenigen Bereich des Kerns angeordnet, der vom Hauptfluss der Hauptwicklung im wesentlichen ausschließlich durchdrungen wird, wodurch die Steilheit der Magnetisierungskennlinie für die Hauptwicklung verminderbar ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Steuersignale zur Ansteuerung berührungslos und/oder galvanisch getrennt übertragen. Von Vorteil ist dabei, dass kein zusätzlicher Aufwand für galvanische Trennung betrieben werden muss. Außerdem ist es einfach ermöglicht, dass die mit der Steuerspule verbundene Steuerelektronik auf verschiedenem Potential arbeitet.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittel als Steuerglied einer Regelschaltung vorgesehen und mit dieser verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass der Wert des Steuerstromes regelbar ist, insbesondere also auf einen Sollwert hin.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
    • In der Figur 1 ist der schematische Schaltplan eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels gezeigt. In der Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei statt des Schaltgliedes 1 ein steuerbarer Widerstand verwendet ist. In der Figur 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei statt des Schaltgliedes 1 der Figur 1 ein DC/DC-Wandler gezeigt ist. In der Figur 4 ist eine Induktivität mit zwei zueinander zugewandten E-förmigem Kernen gezeigt, wobei Wicklungen symbolisch angedeutet sind.
  • In der Figur 1 ist die Hauptwicklung mit der Induktivität L dargestellt mit den Anschlüssen E1 und A1. Induktiv gekoppelt, also beispielsweise auf den Kern der Hauptwicklung gewickelt, sind die Steuerwicklung L2 mit den Anschlüssen E2 und A2 und die Versorgungswicklung L3 mit den Anschlüssen E3 und A3 vorgesehen. Dabei wird die Wicklung der Hauptwicklung L mit einem Wechselstrom gespeist, wodurch an der induktiv gekoppelten Versorgungswicklung eine Spannung bereit stellbar ist, die einem Gleichrichter zugeführt wird. Die gleichgerichtete Spannung ist optional mit einem Kondensator glättbar und wird dann einem Schaltglied 1 zugeführt, wobei dieses getaktet betrieben wird, beispielsweise pulsweitenmoduliert. Hierbei wird in jeder Taktperiode für einen ersten Zeitabschnitt ein vom Schaltglied umfasster Schalter, beispielsweise ein steuerbarer Leistungshalbleiterschalter, geschlossen und in einem nachfolgenden Zeitabschnitt geöffnet. Auf diese Weise ist der durch die Steuerwicklung L2 fließende Strom steuerbar. Im zeitlichen Mittel fließt also ein Gleichstrom durch die Steuerwicklung L2, wodurch somit der Kern der Hauptwicklung eine entsprechende Magnetisierung erfährt. Hierbei ist wichtig, dass die Magnetisierung des Kerns keine lineare Funktion des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes ist sondern bei größeren Stromwerten sogar in ein Sättigungsverhalten übergeht.
  • Auf diese Weise ist also die effektive Induktivität L der Hauptwicklung veränderbar abhängig vom in die Steuerwicklung eingeprägten Strom. Mittels der Versorgungswicklung ist somit eine von weiteren elektronischen Schaltungen galvanisch getrennte Versorgung ermöglicht, die auch räumlich weit entfernt einsetzbar ist ohne hierzu notwendige Versorgungskabel.
  • Die Steuersignale für das Schaltglied 1 sind berührungslos und sogar galvanisch getrennt übertragbar. Beispielsweise ist hierzu ein Optokoppler am Schaltglied 1 vorgesehen, das mit einer in der Figur nicht gezeigten zentralen Steuerung in Wirkverbindung ist. Alternativ ist auch ein auf den Primärleiter aufmodulierter hochfrequenter Stromanteil zur Übertragung der Steuersignale für das Schaltglied verwendbar. Die zugehörige Frequenz ist größer als die Mittelfrequenz des in den Primärleiter eingespeisten Stromes, also des für die Leistungsversorgung wesentlichen Stromanteils. Mittels der Versorgungsspule ist auch der hochfrequente Stromanteil detektierbar und somit im Schaltglied abkoppelbar vom Versorgungsstromanteil.
  • Anstatt der genannten Steuersignale sind in weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen auch nur Informationen übertragbar, wobei dann im Schaltglied eine elektronische Schaltung zur Erzeugung der Steuersignale umfasst ist.
  • Als Material zur Herstellung des Kerns eigenen sich Ferrit-Materialien oder auch andere ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Materialien.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ist bei einem System zur berührungslosen Energieübertragung verwendbar, bei dem ein langgestreckt verlegter Primärleiter vorgesehen ist, in den ein mittelfrequenter Stromeingeprägt wird, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 und 500 kHz. Der entlang dem Primärleiter bewegbare Verbraucher weist eine Sekundärspule auf, die induktiv mit dem Primärleiter gekoppelt ist und der eine derartige Kapazität in Reihe oder parallel zugeschaltet ist, so dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht. Hierbei ist die Hauptwicklung der erfindungsgemäßen Anordnung als Sekundärwicklung verwendbar und mittels des Stromes in der Steuerwicklung die Induktivität veränderbar, also die Resonanzfrequenz auf die Mittelfrequenz hin regelbar oder abstimmbar. Mittels der resonanten Übertragung sind aus der Sekundärwicklung versorgte Verbraucher mit einem nur geringfügig schwankenden Wirkungsgrad versorgbar bei schwankendem Abstand zwischen Primärleiter und Sekundärspule.
  • Des Weiteren wird zur Erzeugung des mittelfrequenten Stromes für den Primärleiter ein Umrichter verwendet, dessen Endstufe aus einer unipolaren Spannung, der sogenannten Zwischenkreisspannung, versorgt wird, die von einem netzgespeisten Gleichrichter erzeugt wird. Die Endstufe umfasst hierbei Halbbrücken, welche jeweils zwei in Reihe geschaltete pulsweitenmoduliert angesteuerte Leistungshalbleiterschalter umfassen. Auf diese Weise ist eine mittelfrequente Spannung erzeugbar, die zur Speisung einer Gyratoranordnung verwendet ist. Mittels der Gyratoranordnung wird aus der mittels der Endstufe realisierten Spannungsquelle eine mittelfrequente Stromquelle hergestellt, die zur Speisung einer Primärleiterschleife vorgesehen ist, wobei die Primärleiterschleife den Primärleiter umfasst.
  • Als Gyratoranordnung wird ein Vierpol verwendet, der mindestens eine Induktivität und mindestens eine Kapazität umfasst, wobei die Werte dieser Größen derart gewählt sind, dass die zugehörige Resonanzfrequenz der Mittelfrequenz im Wesentlichen entspricht. Hierzu ist als Induktivität wiederum eine erfindungsgemäße Anordnung verwendbar, so dass die Induktivität auf den optimalen Wert abstimmbar oder darauf hin regelbar ist.
  • Vorteiligerweise sind somit alterungs-, feuchtigkeits-, witterungs-, temperaturbedingte oder anderweitig bedingte Abweichungen oder Drifte der Werte ausgleichbar und/oder nachregelbar.
  • Zwischen dem Ausgang des Gyrators und der Primärleiterschleife ist ein Transformator anordenbar, der zur Anpassung der Induktivität verwendbar ist. Auch für dessen Induktivitäten ist die erfindungsgemäße Anordnung einsetzbar, um diese abstimmbar auszuführen.
  • Dem langgestreckt verlegten Primärleiter ist insgesamt eine Kapazität in Reihe beschaltet, so dass die zugehörige Resonanzfrequenz auf die Mittelfrequenz abzustimmen ist. Bei räumlich weit ausgedehnten Anlagen ist es hierbei vorteilhaft, den Primärleiter in Abschnitte aufzuteilen und jedem Abschnitt eine Teilkapazität zuzuordnen. Zusätzlich ist zur Abstimmung auch eine Induktivität zuordenbar, beispielsweise in Reihe, wobei diese als erfindungsgemäße Anordnung ausführbar ist und somit eine Abstimmung auf die Resonanzfrequenz ermöglicht ist.
  • Die genannten Komponenten sind also mit erfindungsgemäß steuerbaren Induktivitäten ausstattbar und somit abstimmbar auf die gewünschten Sollwerte.
  • In der Figur 2 ist statt des steuerbaren Schaltgliedes 1 ein steuerbarer Widerstand R vorgesehen, der somit den Wert der Hauptinduktivität bestimmt. Die Funktionsweise ist der Figur 1 entsprechend ausgeführt.
  • In der Figur 3 ist statt des steuerbaren Schaltgliedes 1 der Figur 1 ein steuerbarer DC/DC-Wandler vorgesehen. Die Funktionsweise ist der Figur 1 entsprechend ausgeführt. Der Tastgrad oder das Tastverhältnis δ bestimmen somit die Induktivität.
  • In der Figur 4 ist eine beispielhafte Ausführung der steuerbaren Hauptinduktivität erfindungsgemäßen Anordnung gezeigt. Hierbei ist die Hauptwicklung L um den ersten E-förmigen Kern 2 gewickelt und weist die Anschlüsse E1 und A1 auf. Der zum Schließen des aus dem ersten E-förmigen Kern austretenden Magnetflusses vorgesehene zweite E-förmige Kern weist um seinen Mittelschenkel die Versorgungswicklung L3 auf, wobei die Anschlüsse mit E3 und A3 bezeichnet sind. Die Steuerwicklung L2 ist in zwei Teilwicklungen ausgeführt, wobei die erste Teilwicklung im rechten Hauptschenkel und die zweite Teilwicklung im linken Hauptschenkel vorgesehen ist. Die Wicklungssinne der beiden Teilwicklungen sind gegenläufig ausgeführt. Der von der Hauptwicklung L erzeugte Fluss geht vom Hauptschenkel des ersten E-förmigen Kerns 2 in den Hauptschenkel des zweiten E-förmigen Kerns 3 über und teilt sich dann in zwei Hälften auf, wobei die erste im ersten Hauptschenkel und die zweite Hälfte im zweiten Hauptschenkel fließt. Somit wird das von der ersten Teilwicklung der Steuerwicklung L2 erzeugte Feld im ersten Hauptschenkel auf den von der Hauptwicklung erzeugten Flussanteil aufaddiert und das von der zweiten Teilwicklung der Steuerwicklung L2 erzeugte Feld im zweiten Hauptschenkel auf den von der Hauptwicklung erzeugten Flussanteil subtrahiert. Auf diese Weise ist eine Steuerung der Induktivität für die positive Halbwelle des in der Hauptwicklung L vorgesehenen Wechselstromes in gleicher Weise wie für die negative Halbwelle ausführbar.
  • Weiterer Vorteil ist bei der geschilderten Ausführung der Teilwicklung, dass die vom in die Hauptwicklung eingespeisten Wechselstrom in die Steuerwicklung induzierte Spannung im Wesentlichen verschwindet. Vorzugsweise wird die Wicklung der Steuerwicklung derart ausgeführt, dass nach einer ersten Windung der ersten Teilwicklung die erste Windung der zweiten Teilwicklung mit dem obenbeschriebenen Wicklungssinn ausgeführt wird. Danach wird wiederum eine Windung der ersten Teilwicklung ausgeführt und durch weiteres Abwechseln des Ausführens einer Windung der jeweiligen Teilwicklung fortgefahren.
  • Um den Fertigungsaufwand und die Wicklungslänge zu verringern, ist es auch vorteilig, statt in der geschilderten Weise in abwechselnder Reihenfolge nur eine Windung jeder Teilwicklung auszuführen, mehrere Windungen der jeweiligen Teilwicklung auszuführen. Auch auf diese Weise ist die an der Steuerwicklung insgesamt auftretende induzierte Spannung reduzierbar.
  • Vorzugsweise sind die E-förmigen Kerne rotationssymmetrisch um ihren Mittelschenkel herum ausgeführt und weisen somit den in der Figur 4 gezeigten E-förmigen Querschnitt auf.
  • Wichtig ist bei der Figur 4 auch, dass der Mittelschenkel einen Spalt, also einen Luftabstand umfasst. Vorteiligerweise sind die Hauptschenkel ohne Luftspalt ausgeführt und somit eine möglichst kleine Steuerleistung notwendig. In den von der Steuerwicklung erzeugten hauptsächlichen Feldlinien ist also kein Luftspalt vorhanden und somit nur ein kleiner Steuerstrom notwendig, also auch nur eine kleine Steuerleistung. Schon der kleine Strom hat also eine große Wirkung.
  • Anstatt einer Versorgungsspule ist auch eine Gleichstromversorgung von einer nicht gezeigten zusätzlichen Versorgungsschaltung ausführbar.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    ansteuerbarer Schaltglied
    2
    erster E-förmiger Kern
    3
    zweiter E-förmiger Kern
    L
    Induktivität der Hauptwicklung
    L2
    Induktivität der Steuerwicklung
    L3
    Induktivität der Versorgungswicklung
    E1, A1
    Anschlüsse der Hauptwicklung
    E2, A2
    Anschlüsse der Steuerwicklung
    E3, A3
    Anschlüsse der Versorgungswicklung
    S
    Luftspalt
    SW
    Schalterstellung
    R
    Widerstandswert
    δ
    Tastgrad, Tastverhältnis

Claims (9)

  1. Anordnung zur berührungslosen Energieübertragung, wobei ein mittelfrequenter Strom in ein langgestreckt ausgeführtes Primärleitersystem eingespeist wird,
    wobei Verbraucher aus einer mit dem Primärleitersystem induktiv gekoppelt vorgesehenen Sekundärspule versorgt sind,
    wobei der Sekundärspule eine derartige Kapazität in Reihe oder parallel zugeschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz, insbesondere zwischen 10 und 500 kHz, entspricht, des Stromes entspricht,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine steuerbare Induktivität (L) vorgesehen ist,
    wobei dle Induktivität (L) eine Hauptwicklung umfasst, die um zumindest einen Schenkel eines Kerns (2, 3) herum ausgeführt ist,
    wobei die Hauptwicklung mit Wechselstrom beaufschlagt ist,
    wobei eine Steuerwicklung auf zumindest einem Schenkel des Kerns (2, 3) vorgesehen ist, die mit unipolarem Strom beaufschlagt ist,
    wobei die Steuerwicklung zumindest zwei Teilwicklungen aufweist, deren Wicklungssinn derart ausgeführt ist,
    - dass die Richtung des im vom ersten Teilbereich der Steuerwicklung umfassten Bereich erzeugten Hauptflusses der Richtung des von der Hauptwicklung bei Beaufschlagung positivem Strom erzeugten Flusses in diesem Bereich entspricht,
    - und dass die Richtung des im vom zweiten Teilbereich der Steuerwicklung umfassten Bereich erzeugten Hauptflusses der Richtung des von der Hauptwicklung bei Beaufschlagung mit negativem Strom erzeugten Flusses in diesem zweiten Bereich, also im vom zweiten Teilbereich der Steuerwicklung umfassten Bereich, entspricht,
    wobei die Steuerwicklung derart ausgeführt ist, dass jeweils abwechselnd nach Ausführung einer ersten Anzahl von Windungen eines Teilbereiches eine entsprechende Anzahl von Windungen des anderen Teilbereichs ausgeführt ist, wobei die Anzahl einen Wert zwischen 1 und 10 annimmt,
    wobei eine Versorgungswicklung auf zumindest einem Schenkel des Kerns (2, 3) vorgesehen ist, mit der Mittel zur Erzeugung des unipolaren Stroms verbunden sind, wobei die Mittel aus der induzierter Spannung, insbesondere also Sekundärspannung, der Versorgungswicklung versorgt sind,
    wobei die Hauptwicklung L um einen ersten E-förmigen Kern (2) gewickelt ist,
    wobei ein zum Schließen des aus dem ersten E-förmigen Kern (2) austretenden Magnetflusses vorgesehener zweiter E-förmiger Kern (3) um seinen Mittelschenkel die Versorgungswicklung L3 aufweist,
    wobei die erste Teilwicklung der Steuerwicklung L2 im rechten Hauptschenkel und die zweite Teilwicklung der Steuerwicklung L2 im linken Hauptschenkel vorgesehen ist
    wobei die Wicklungssinne der beiden Teilwicklungen gegenläufig ausgeführt sind.
  2. Anordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Induktivität (L) die Sekundärspule ist.
  3. Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Induktivität (L) in einer Gyratoranordnung vorgesehen ist.
  4. Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Induktivität (L) derart mit der Induktivität (L) des Primärleitersystem verbunden ist und eine derartige Kapazität mit dem Primärleitersystem in Wirkverbindung ist, dass die zugehörige resultierende Resonanzfrequenz auf die Mittelfrequenz abstimmbar ist,
  5. Anordnung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kapazität in einer das Primärleitersystem direkt oder über einen Transformator speisenden Gyratoranordnung angeordnet ist
    und/oder dass die Kapazität in Reihe oder parallel beschaltet zur mit der Induktivität (L) des Primärleitersystem verbundenen Induktivität (L) vorgesehen ist.
  6. Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Reglerschaltung vorgesehen ist, deren Eingang mit einem Mittel zur Erfassung der relativen Phasenlage zwischen einer Spannung und einem Strom vorgesehen ist, wobei der Strom der Primärstrom ist, und deren Ausgang mit der steuerbaren Induktivität (L) als Stellglied verbunden ist.
  7. Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Mittel zur Erzeugung des unipolaren Stroms eine steuerbare Anordnung umfassen, wie DC/DC-Wandler, Leistungsschalter und/oder steuerbarer Widerstand.
  8. Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kern (2, 3) einen Luftspalt (S) aufweist, welcher im von der Hauptwicklung erzeugten Hauptfluss durchdrungen wird,
    wobei die von den jeweiligen Teilwicklungen erzeugte Flüsse im Wesentlichen durch Bereiche des Kerns (2, 3) ohne Luftspalt (S) geleitet sind.
  9. Anordnung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Mittel zur Erfassung der relativen Phasenlage als Steuerglied einer Regelschaltung vorgesehen und mit dieser verbunden sind.
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