ES2898674T3 - Dispositivo para la transmisión de energía inductiva sin contacto y método de funcionamiento para un dispositivo de este tipo - Google Patents

Abstract

Sistema para una transmisión de energía inductiva sin contacto desde una parte primaria (1) a una parte secundaria (1'), que comprenden respectivamente al menos una bobina (10, 10') que se pueden acoplar inductivamente entre sí, en el que la primaria la parte (1) y/o la parte secundaria (1') presentan al menos un sensor de campo magnético y están concebidas para determinar un desplazamiento lateral de la parte secundaria (1') con respecto a la parte primaria (1) en base a un campo magnético generado por las bobinas (10, 10') y medido con la ayuda de al menos un sensor de campo magnético, caracterizado por que el sistema está concebido además de manera que el campo magnético medido por el al menos un sensor de campo magnético es un campo parásito de la al menos una bobina (10) de la parte primaria (1) y de la al menos una bobina de la parte secundaria (1') generado durante la transmisión de energía y se puede determinar una distancia (zo) a lo largo de un eje de la bobina del lado primario (10) desde la parte secundaria (1') a la parte primaria (1) en base al campo parásito medido por el al menos un sensor de campo magnético.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo para la transmisión de energía inductiva sin contacto y método de funcionamiento para un dispositivo de este tipo

La invención se refiere a un sistema para la transmisión de energía sin contacto de una parte primaria a una parte secundaria, que presentan respectivamente al menos una bobina que se pueden acoplar inductivamente entre sí, en el que un desplazamiento lateral de la parte secundaria con respecto a la parte primaria se determina en base a un campo magnético generado por las bobinas y medido con al menos un sensor de campo magnético. La invención se refiere además a un método de funcionamiento para un sistema para la transmisión de energía inductiva sin contacto desde una bobina de una parte primaria a una bobina de una parte secundaria.

En comparación con los conectores enchufables, en los que se realiza una transmisión de energía a través de elementos de contacto a conectar o separar mecánicamente, los sistemas sin contacto para la transmisión de energía poseen ventajas en términos de desgaste debido a un alto número de ciclos de enchufe o fuertes vibraciones. Además, se evita una erosión de contacto cuando se enchufa o desenchufa bajo carga eléctrica. Tampoco hay riesgo de conformación de arco eléctrico al separar los conectores enchufables con una carga de corriente alta en sistemas sin contacto para la transmisión de energía. Finalmente, en el caso de la transmisión de energía sin contacto existe una separación galvánica entre la parte primaria y la parte secundaria, que puede ser requerida, por ejemplo, en el uso en el sector médico. La falta de contactos de enclavamiento mecánicamente complejos también permite un diseño del sistema con superficies lo más lisas posible, lo que predestina los sistemas sin contacto para la transmisión de energía de forma adecuada para aplicaciones con una elevada exigencia de limpieza/higiene, por ejemplo, en el sector alimentario.

En particular, la alta resistencia al desgaste hace que una transmisión de energía inductiva sin contacto sea interesante en el sector de la automatización, por ejemplo, para la transmisión de energía a una herramienta intercambiable de un robot.

El documento WO 2013/087676 A2 describe un sistema para la transmisión de energía inductiva sin contacto desde una parte primaria a una parte secundaria, que puede reemplazar un dispositivo enchufable mecánico para la transmisión de energía, por ejemplo, a una herramienta intercambiable de un robot. La parte primaria y secundaria presentan respectivamente al menos una bobina, que se pueden acoplar inductivamente entre sí y que interactúan respectivamente con un núcleo de ferrita. El núcleo de ferrita aumenta el flujo magnético mediante su permeabilidad, de tal manera que se pueden transmitir altas potencias eléctricas incluso en el caso de pequeños tamaños constructivos del sistema y superficies de transmisión pequeñas.

A este respecto, mediante el alto flujo magnético ya es posible entonces una transmisión de energía incluso cuando las partes primaria y secundaria no se sitúan (todavía) en una posición en la que la distancia entre ellas es mínima, sino más bien cuando existe un intersticio entre ellas. Asimismo una transmisión de energía también se puede realizar con un cierto desplazamiento (lateral) de la parte primaria y secundaria, es decir, cuando las bobinas de la parte primaria y secundaria no se sitúan en un eje común. No obstante, una distancia demasiado grande y/o un desplazamiento lateral demasiado grande influyen en la potencia máxima transferible. Aun cuando es posible un suministro de un dispositivo conectado en algunos estados operativos del aparato a pesar de un desplazamiento lateral o una gran distancia, en otros estados de funcionamiento en los que existe una mayor demanda de potencia, pueden ocurrir perturbaciones del funcionamiento imprevisibles del aparato, dado que no se puede transmitir la potencia requerida.

El documento US 2010/0201315 A1 describe igualmente una disposición para la transmisión de energía inductiva. La disposición es adecuada en particular como dispositivo de carga inalámbrico para aparatos móviles. Una parte principal de la disposición se puede montar por debajo de una placa de mesa, por ejemplo, de modo que un aparato móvil, por ejemplo un teléfono móvil, que presenta una parte secundaria de la disposición, se pueda cargar mediante colocación sencilla sobre la placa de mesa.

Las bobinas auxiliares, que actúan como sensores de campo magnético, están dispuestas alrededor de la bobina correspondiente en la parte primaria o secundaria. A partir de la magnitud de los campos magnéticos que se miden mediante las bobinas auxiliares, se determina un desplazamiento lateral entre la parte primaria y secundaria y se le muestra al usuario, de modo que este pueda posicionar el aparato móvil y por tanto la parte secundaria de forma orientada lateralmente respecto a la parte primaria. De forma alternativa se determina la corriente de carga máxima posible y se señaliza cuando esta se sitúa por encima de un valor umbral predeterminado. Entonces, una señal correspondiente le indica al usuario un posicionamiento lateral al menos suficientemente bueno del aparato móvil.

El documento US 2012/0262002 A1 describe una disposición con una parte primaria montada en el suelo y una parte secundaria que está dispuesta en el lado inferior de un vehículo eléctrico. Ambas partes presentan bobinas a través de las que se puede transmitir energía al vehículo cuando las bobinas están una encima de la otra. En la parte secundaria están dispuestas tres bobinas auxiliares cruzadas, con cuya ayuda, cuando el vehículo se acerca a la parte primaria, se mide un campo generado por la bobina primaria en tres direcciones espaciales. A partir de los valores medidos se genera una instrucción de dirección, con cuya ayuda un conductor de vehículo puede mover el vehículo en la dirección de la parte secundaria y posicionarlo lateralmente correctamente.

No obstante, en aplicaciones en las que son importantes una alta disponibilidad de los componentes suministrados y potencias transmitidas más altas, por ejemplo en el caso de robots industriales, los métodos descritos no ofrecen suficiente seguridad funcional, ya que las variaciones en la distancia pueden conducir a una interrupción abrupta de la transmisión.

Por el documento JP 2013/078198 A se conoce una disposición para la transmisión de energía inductiva en la que, además de una determinación de la posición lateral, también se determina una distancia de bobina a través de un campo magnético que se genera por una bobina separada. El documento JP 2013/031315 A muestra en un ejemplo de modo de realización una disposición comparable con una bobina separada para la determinación de la distancia. En otro ejemplo de modo de realización se describe que la propia bobina primaria también se puede usar para generar un campo magnético para la determinación la distancia. Se interrumpe la transmisión de energía y se aplica un pulso de excitación a la bobina primaria. Este pulso de excitación conduce a una señal de inducción decreciente en las bobinas para la detección de la posición. Después de la recepción de la señal de inducción decreciente, se puede aplicar nuevamente a la bobina primaria una señal periódica para la transmisión de energía. Sin embargo, la interrupción de la transmisión de energía para la determinación de la posición disminuye la potencia transmitible desde la bobina primaria a la secundaria.

Un objeto de la presente invención es desconectar de la forma más completa posible perturbaciones de funcionamiento impredecibles en el caso de un suministro de un aparato mediante un sistema de transmisión de energía sin contacto mencionado al principio, mediante una determinación de la distancia entre las bobinas para la transmisión de energía, sin influir en la transmisión de energía.

Este objeto se logra mediante un sistema o un método de funcionamiento para un sistema semejante con las características respectivas de las reivindicaciones independientes. Configuraciones y perfeccionamientos ventajosos del sistema y el método de funcionamiento se especifican en las reivindicaciones dependientes.

Un sistema para la transmisión de energía inductiva sin contacto del tipo mencionado se destaca porque el sistema está concebido para determinar además una distancia a lo largo de un eje de la bobina del lado primario desde la parte secundaria a la parte primaria en base al campo magnético medido por el en menos un sensor de campo magnético, en el que el campo magnético medido por el al menos un sensor de campo magnético es un campo parásito generado durante la transmisión de energía de la al menos una bobina de la parte primaria y la al menos una bobina de la parte secundaria.

Las bobinas de la parte primaria y de la parte secundaria utilizadas para la transmisión de energía generan un campo parásito que, de acuerdo con la invención, se utiliza para determinar completamente la posición de la parte secundaria con respecto a la parte primaria.

Mediante la determinación de la distancia axial y no solo del desplazamiento lateral se puede reconocer a tiempo cualquier imprecisión de posicionamiento de la parte secundaria con respecto a la parte primaria, incluso incipiente. La posición determinada se puede transmitir, por ejemplo, a través de una red a un dispositivo de control, por ejemplo, una instalación de automatización. En el caso de desviaciones de una posición de consigna se le puede informar entonces a un usuario u operador para, si es necesario, ajustar el posicionamiento de la parte secundaria con respecto a la parte primaria.

Una determinación de la posición presupone generalmente el uso de un emisor para la señal de test y un receptor para la señal de test. Mediante el uso del campo parásito de las bobinas para la transmisión de energía se utiliza una señal ya presente como señal de test, pudiéndose prescindir del emisor para la señal de test. La determinación de la posición se puede implementar mediante agregación de solo un receptor para la señal de test, el al menos un sensor de campo magnético.

En una configuración ventajosa del sistema, el al menos un sensor de campo magnético es al menos una bobina auxiliar en la que las bobinas inducen una señal. Se utiliza un campo magnético alterno para transmitir energía. Por tanto, una medición del campo magnético se puede realizar de forma especialmente sencilla con la ayuda de una bobina auxiliar.

En otra configuración ventajosa del sistema, el al menos un sensor de campo magnético está dispuesto en la parte primaria. Así, la información sobre el posicionamiento de la parte secundaria se puede determinar directamente en la parte primaria, en la que no es necesaria una retroalimentación de la parte secundaria a la parte primaria para garantizar un funcionamiento seguro de la parte primaria. Como parte estacionaria del dispositivo de transmisión, la parte primaria también puede estar conectada a un control de automatización en términos de tecnología de datos y puede enviar la información de posición al control de automatización.

En otra configuración ventajosa del sistema, el al menos un sensor de campo magnético está dispuesto en la parte primaria o secundaria de forma desplazada lateralmente respecto a la bobina respectiva. Preferiblemente, están previstos al menos dos sensores de campo magnético en la parte primaria y/o secundaria, que están dispuestos por parejas simétricamente alrededor de un eje longitudinal de la bobina respectiva. De manera especialmente preferida, en la parte primaria y/o secundaria están dispuestos cuatro sensores de campo magnético alrededor de la bobina respectiva. En la disposición por parejas, las señales de los sensores de campo magnético se pueden comparar entre sí o se pueden considerar diferencias de las señales, que son decisivas para un desplazamiento lateral. Mediante el uso de cuatro sensores se puede determinar una distancia entre la parte primaria y secundaria y un desplazamiento lateral en cada dirección. En configuraciones alternativas, también se pueden usar más de cuatro sensores de campo magnético, por ejemplo, para aumentar aún más una exactitud con la que se pueden determinar la distancia y/o el desplazamiento.

Un método de funcionamiento de acuerdo con la invención para un sistema de transmisión de energía inductiva sin contacto desde una bobina de una parte primaria a una bobina de una parte secundaria se destaca porque, en base a un campo magnético generado por las bobinas durante la transmisión de energía y medido con al menos un sensor de campo magnético se determina tanto el desplazamiento lateral como también la distancia axial de la parte secundaria respecto a la parte primaria. Se producen las ventajas descritas en relación con el sistema.

En una configuración ventajosa del método de funcionamiento, la posición relativa se determina en base a valores de medición de cuatro sensores de campo magnético que están dispuestos en la parte primaria alrededor de su bobina. Mediante el uso de cuatro sensores se puede determinar una distancia entre la parte primaria y secundaria y un desplazamiento lateral en cada dirección. Preferiblemente se utiliza al menos una bobina auxiliar como al menos un sensor de campo magnético, en la que se mide una señal inducida en la al menos una bobina auxiliar. Preferiblemente también se evalúa como señal una amplitud de señal, en particular una amplitud de tensión, de la al menos una bobina auxiliar.

En otra configuración ventajosa del método de funcionamiento, las amplitudes de señal de dos respectivas bobinas auxiliares opuestas por parejas se compensan entre sí para determinar el desplazamiento lateral de la parte secundaria con respecto a la parte primaria y para determinar la distancia axial de la parte secundaria a la parte primaria. El desplazamiento lateral comprende preferiblemente una distancia radial entre ejes de las bobinas y un ángulo entre un vector de distancia, que se extiende desde el eje de la bobina de la parte primaria hasta el eje de la bobina de la parte secundaria, y una dirección espacial definida. El desplazamiento se especifica en coordenadas polares, a partir de las que se desprende directamente la distancia lateral entre los ejes de bobina, así como la dirección en la que se desplaza la parte secundaria con respecto a la parte primaria. La dirección en la que está presente el desplazamiento, por ejemplo, en el caso de una parte secundaria que gira con respecto a la parte primaria, puede proporcionar información sobre un desequilibrio eventualmente presente del giro, incluso si es constante el valor absoluto de la distancia lateral entre los ejes de bobina.

En otra configuración ventajosa del método de funcionamiento se evita una transmisión de energía de la parte primaria a la parte secundaria si el desplazamiento lateral de la parte secundaria con respecto a la parte primaria y/o la distancia de la parte secundaria a la parte primaria, es decir, el tamaño del entrehierro supera un valor límite predeterminado. De esta manera se puede asegurar una transmisión de energía sin perturbaciones hasta la potencia máxima especificada. A este respecto, los valores límite pueden tener en cuenta hasta qué punto se permite una combinación simultánea de desplazamiento lateral y distancia en forma de tablas o un contexto funcional.

La invención se explica a continuación con más detalle en base a ejemplos de modo de realización con la ayuda de cinco figuras. Las figuras muestran:

La figura 1, una vista en sección de un sistema para la transmisión de energía sin contacto;

la figura 2 otra vista en sección del sistema representado en la figura 1,

la figura 3 una representación esquemática de un sistema para la transmisión de energía sin contacto con un desplazamiento lateral entre la parte primaria y secundaria;

la figura 4 un diagrama en el que está representado el nivel de señales de las bobinas auxiliares para la detección de posición en función de un ángulo de un desplazamiento lateral; y

la figura 5 un diagrama en el que están representadas las diferencias en las señales de las bobinas auxiliares para la detección de posición en función de un ángulo de un desplazamiento lateral.

La figura 1 muestra una vista esquemática en sección de un sistema de acuerdo con la solicitud para la transmisión de energía sin contacto desde una parte primaria 1 a una parte secundaria 1'. En la figura 2, la parte primaria 1 se reproduce en una sección a lo largo de la línea de corte A-A representada en la figura 1.

Los elementos que están asignados a la parte primaria 1, también denominados a continuación elementos del lado primario, portan símbolos de referencia sin apóstrofo en las figuras. Los elementos que están asignados a la parte secundaria 1', también denominados a continuación elementos del lado secundario, portan símbolos de referencia con un apóstrofo correspondiente. A este respecto, los elementos del lado primario y del lado secundario que presentan la misma función o una función comparable se proveen con símbolos de referencia con los mismos números. Si a continuación no se remite explícitamente al lado primario o secundario, se utilizan símbolos de referencia sin apóstrofo que se refieren a ambos lados.

La parte primaria 1 y la parte secundaria 1’ presentan respectivamente una carcasa 2 que puede estar hecha de un material habitual para carcasas de conectores, como plástico, aluminio o acero inoxidable o similares. Las carcasas 2 están realizadas en forma de media cubierta, en las que su lado delantero está cerrado con una placa frontal 3. En la zona trasera, que señala alejándose de la placa frontal 3, se incorpora un paso de cable 4 para un cable de conexión 5 en la carcasa 2.

Inmediatamente detrás de la placa frontal 3 está dispuesta respectivamente una bobina 10 que está enrollada en un núcleo de ferrita 11 o está enrollada en un cuerpo de bobina que se inserta en el núcleo de ferrita 11. La bobina 10 se puede estar enrollada con un solo conductor. Sin embargo, para reducir el efecto piel, se prefiere el uso de un flexible de alta frecuencia de múltiples hilos.

En el ejemplo de modo de realización representado, el núcleo de ferrita 11 es un núcleo tipo olla redondo en el lado primario y secundario con un borde exterior 12 y un domo interior 13 concéntrica al mismo. Dicho núcleo también se denomina núcleo E (cilindricamente simétrico). A este respecto, las secciones transversales del borde exterior 12 y el domo interior 13 son preferiblemente aproximadamente del mismo tamaño para lograr una densidad de flujo magnético homogénea teniendo en cuenta los diferentes campos parásitos en el núcleo de ferrita 11. Igualmente es posible el uso de núcleos de ferrita con una geometría diferente. Por ejemplo, se pueden utilizar núcleos cuadrados o rectangulares con núcleos de ferrita redondos o cuadrados o rectangulares. También se pueden utilizar bobinas sin cuerpo de bobina, por ejemplo, con conductores pegados entre sí.

Los núcleos de ferrita 11 están abiertos hacia la respectiva placa frontal 3, mientras que en el lado opuesto el borde exterior 12 y el domo interior 13 están conectados entre sí a través de una base de olla. La bobina 10 está insertada respectivamente en la zanja aquí anular entre el borde exterior 12 y el domo interior 13. Un intersticio eventualmente todavía presente entre el borde exterior e interior de la bobina 10 y el núcleo de ferrita 11 puede estar relleno con un medio térmicamente conductor.

Durante el funcionamiento, la parte primaria 1 y la parte secundaria 1 ’ con sus placas frontales 3, 3' enfrentadas entre sí se colocan a una pequeña distancia entre sí para la transmisión de energía inductiva sin contacto. Esta distancia, que forma un intersticio de transmisión, se muestra en la figura 1 como distancia de transmisión zo. El tamaño de una distancia de transmisión permisible zo se sitúa en el rango de 0 a algunos milímetros o centímetros, dependiendo del tamaño, en particular el diámetro de las bobinas 10 o núcleos de ferrita 11. La dirección a lo largo del eje de la bobina del lado primario 10 se denomina a continuación como la dirección z, el eje asignado como el eje z. Las direcciones o ejes x e y discurren perpendiculares a este en el plano de la placa frontal 3.

Durante el funcionamiento, en la bobina del lado primario 10, a continuación también denominada como bobina primaria 10, se aplicada una corriente alterna. A este respecto, preferiblemente a partir de la bobina primaria 10 y un condensador de resonancia se forma un circuito de resonancia, cuya frecuencia se sitúa en el rango de algunos kilohercios (kHz) hasta algunos cientos de kHz, en el que se prefiere especialmente una frecuencia en el rango de algunas decenas de kHz. La corriente alterna que se aplica en la bobina primaria 10 se proporciona por un inversor. A este respecto, por ejemplo, se puede utilizar un método de modulación de ancho de pulso (método PWM) en el inversor para generar la tensión alterna. El inversor se sitúa junto con los dispositivos de control y supervisión en una placa de circuitos impresos 20 dentro de la carcasa 2 de la parte primaria 1. En la figura, los componentes electrónicos 21 se muestran en la placa de circuitos impresos 20 a modo de ejemplo. Para proteger el inversor de un aumento de resonancia de la amplitud en el circuito de resonancia, formado a partir del condensador de resonancia mencionado y la bobina primaria 10, el circuito de resonancia se opera ligeramente sobre-resonante, es decir, a frecuencias por encima de la frecuencia de resonancia.

Se realiza una transmisión de energía con un acoplamiento magnético entre la bobina primaria 10 y la bobina del lado secundario 10’, a continuación denominada bobina secundaria 10'. Debido a los núcleos de ferrita 11 y 11’ presentes es especialmente eficiente el acoplamiento. En la bobina secundaria 10’ se induce una tensión que, después de la rectificación, conversión de tensión y, si es necesario, la estabilización de tensión, está disponible como tensión de salida en el cable de conexión 5' para entregar la energía transmitida. Los componentes electrónicos en el lado secundario están dispuestos igualmente en una placa de circuitos impresos 20’, en la que aquí se muestran de nuevo los componentes electrónicos individuales 21' a modo de ejemplo. La bobina secundaria puede presentar ventajosamente una toma central de modo que se puede utilizar un rectificador síncrono.

Tanto en la parte primaria 1 como también en la parte secundaria 1’ pueden estar dispuestos elementos conductores de calor, por ejemplo, esteras conductoras de calor 14, entre el respectivo núcleo de ferrita 11 y la placa de circuitos impresos 20. En particular en el lado primario, pero también en el lado secundario, los componentes electrónicos 21 dispuestos en la placa de circuitos impresos 20 representan una fuente de pérdida en la ruta de transmisión. La pérdida de calor generada por estos componentes 21 se transmite al núcleo de ferrita 11 a través de las esteras conductoras de calor 14. De este modo, el núcleo de ferrita 11 se calienta durante el funcionamiento a una temperatura de funcionamiento superior a la que sería el caso sin el acoplamiento térmico a la placa de circuitos impresos 20.

Con materiales de ferrita adecuados para los núcleos de ferrita 11, las pérdidas a una temperatura más baja en el núcleo de ferrita 11 son mayores que a una temperatura más alta en un amplio rango de frecuencia y magnetización. La entrada descrita anteriormente de la pérdida de potencia de los componentes electrónicos como calor en el núcleo de ferrita 11 aumenta su temperatura y en consecuencia disminuye la pérdida de potencia en el núcleo de ferrita 11 causada por procesos de inversión magnética. De este modo se mejora la eficiencia global del sistema de transmisión. Este efecto se puede utilizar tanto en el lado primario como en el secundario. Al mismo tiempo, el núcleo de ferrita presente 11, 11’ se usa como disipador de calor para los componentes electrónicos 21,21' mediante al acoplamiento térmico, en el que como efecto adicional se produce un ahorro de material y por tanto de costes. En lugar de las esteras conductoras de calor 14, también se puede utilizar una masa de relleno, por ejemplo, para acoplar térmicamente la placa de circuitos impresos 20 y el núcleo de ferrita 11.

En el ejemplo de modo de realización representado no están previstos elementos de guiado o posicionamiento de enclavamiento que orientarían lateralmente entre sí la parte primaria 1 y la parte secundaria 1’ entre sí durante un ensamblaje. Debido a la falta de tales elementos, la parte primaria 1 y la parte secundaria 1 ’ también se pueden llevar a la posición de funcionamiento o separarse entre sí mediante un movimiento lateral, es decir, un movimiento en la dirección x y/o y. Esto resulta ser especialmente ventajoso en el sector de la automatización, ya que no se requiere un movimiento axial adicional de la parte primaria y secundaria 1, 1’ una hacia la otra para establecer o separar una conexión. Sin embargo, según la aplicación prevista, los elementos de guiado o posicionamiento de este tipo también pueden estar previstos en configuraciones alternativas.

Los núcleos de ferrita 11, 11’ permiten una alta densidad de flujo magnético, mediante la que es posible una transmisión de energía eficiente incluso con un volumen de bobina pequeño. A este respecto, la transmisión es relativamente tolerante a un desplazamiento lateral de la parte primaria 1 y de la parte secundaria 1 ’ entre sí. Esto es una gran ventaja en el sector de la automatización, por ejemplo, ya que se puede prescindir de una alta exactitud de posicionamiento para establecer una conexión enchufable convencional con contactos.

No obstante, un conocimiento de la posición de la parte secundaria 1 ’ con respecto a la parte primaria 1 es ventajoso para poder descartar que una transmisión que pueda iniciarse a bajas potencias no colapse inesperadamente durante el funcionamiento a potencias superiores a transmitir. Además, una posición cambiante de las dos partes entre sí indica eventuales problemas mecánicos o electromecánicos, por ejemplo, con el robot en el que se utiliza el sistema para la transmisión de energía y, por lo tanto, puede representar información relevante para la seguridad de funcionamiento.

De acuerdo con la solicitud, la parte primaria 1 del sistema de transmisión de energía para el reconocimiento de la posición de la parte secundaria 1 ’ presenta al menos un sensor de campo magnético que determina el campo parásito de las bobinas 10, 10'. En el ejemplo de modo de realización representado se utilizan cuatro bobinas auxiliares 30a, 30b, 30c y 30d como sensores de campo magnético, que están dispuestas en cuatro cuadrantes de la placa frontal 3 junto a la bobina 10. Cada vez dos de las bobinas auxiliares 30a, 30c o 30b, 30d se sitúan opuestas entre sí simétricamente al punto central de la bobina 10. La posición de las cuatro bobinas auxiliares 30a, 30b, 30c y 30d puede reconocerse claramente en la imagen en sección de la figura 2. A menos que se haga referencia explícita a continuación a una sola de las bobinas auxiliares 30a, 30b, 30c y 30d, las bobinas auxiliares 30a, 30b, 30c y 30d se identifican colectivamente con el símbolo de referencia 30.

Las bobinas auxiliares 30 representan bobinas receptoras en las que, debido al campo parásito de la bobina primaria y secundaria 10 o 10’, se induce respectivamente una señal, que se evalúa por un circuito de evaluación en la placa de circuitos impresos 20 de la parte primaria. 1. El nivel de las señales inducidas en las bobinas auxiliares 30 depende tanto de la distancia zo entre la parte primaria y secundaria 1, 1’ como también de un desplazamiento lateral en las direcciones x e y. Esto se explica con más detalle a continuación en base a las figuras 3 y 4.

La figura 3 muestra esquemáticamente una parte primaria y una secundaria 1, 1’ de un sistema para la transmisión de energía inductiva, que están desplazadas lateralmente entre sí. En coordenadas cartesianas, el desplazamiento es xo en la dirección x e yo en la dirección y. Además, una distancia de zo, que no es visible en esta representación, puede estar presente entre las dos partes 1, 1’. El desplazamiento lateral xo e yo también se puede expresar en coordenadas polares y luego describirse mediante una distancia radial ro entre los puntos centrales de las bobinas 10 y 10’, así como un ángulo $ entre un vector de distancia y el eje x.

La figura 4 muestra a modo de ejemplo cómo cambian las amplitudes de señal 31 (aquí amplitudes de tensión) en las cuatro bobinas auxiliares 30 cuando la parte secundaria 1’ se mueve en un círculo alrededor del eje z de la parte primaria 1 con una distancia fija zo y una distancia radial fija ro en virtud del valor. Se representa una correspondiente amplitud de señal resultante 31a, 31b, 31c y 31d de las bobinas auxiliares 30a, 30b, 30c y 30d en función del ángulo $. Se muestra que, como primera aproximación, existe una dependencia sinusoidal respectiva de la amplitud 31 del ángulo $. Las sinusoides presentan la misma amplitud ü y una compensación uo que también es el mismo para todas las sinusoides.

A este respecto, la amplitud dibujada ü depende principalmente del tamaño de la distancia radial ro, mientras que la compensación uo depende principalmente de la distancia zo entre la parte primaria y secundaria 1, 1'. Esta dependencia especial, que es válida al utilizar un núcleo de ferrita 11, 11’ en la bobina primaria 10 o la bobina secundaria 10', favorece y simplifica una separación de la distancia radial ro (o del desplazamiento lateral xo, yo) y de la distancia axial zo. Al utilizar bobinas de núcleo de aire sin núcleo de ferrita, los objetos metálicos en las proximidades y los campos parásitos de otros componentes adyacentes influyen más intensamente en las amplitudes de señal medidas con distancia axial creciente entre las bobinas, lo que dificulta una determinación de la distancia axial zo.

En ambos casos, la dependencia es esencialmente lineal, en particular con valores pequeños (comparado con el tamaño de las bobinas 10, 10’) para la distancia radial ro y la distancia zo. Los factores de proporcionalidad para estas dependencias lineales se pueden determinar de antemano en series de mediciones a una corriente constante de un nivel predeterminado a través de la bobina primaria 10 con una distancia radial conocida ro y una distancia conocida z⁰ para un sistema dado de transmisión de energía. Los valores de medición registrados a continuación para determinar la distancia se escalan a las condiciones en las que se registraron los factores de proporcionalidad con vistas al nivel presente de la corriente a través de la bobina primaria 10.

Durante el funcionamiento del sistema de transmisión de energía, el nivel de las cuatro amplitudes de señal 31 a, 31 b, 31c y 31 d se mide primero para una distancia desconocida zo, una distancia radial desconocida ro y un ángulo desconocido $.

Mediante adición de dos amplitudes de señal 31a y 31c o 31b y 31d de las bobinas auxiliares opuestas 30a y 30c o 30b y 30d, la parte sinusoidal de las amplitudes de señal 31 se cancela entre sí, por lo que se puede determinar el tamaño de la compensación uo. Para lograr una buena relación señal/ruido, las compensaciones uo también se pueden determinar para ambos pares de bobinas auxiliares opuestas 31a, 31c y 31b, 31d y, por tanto, finalmente mediante la suma de las cuatro amplitudes de señal 31a-31d. Con el factor de proporcionalidad determinado previamente y una escalación al nivel de la corriente actual a través de la bobina primaria 10, del tamaño del desplazamiento uo resulta el tamaño de la distancia zo.

A continuación, mediante una formación de diferencias entre cada vez dos amplitudes de señal 31a y 31c o 31b y 31d respectivamente de dos bobinas auxiliares opuestas 30a y 30c o 30b y 30d a través de funciones de ángulo se puede determinar el tamaño del ángulo $.

En la figura 5, las diferencias u’ de respectivamente dos señales están representadas como amplitudes de diferencia 31e y 31f, de nuevo en función del ángulo $. La señal de diferencia 31e se forma a partir de las amplitudes de señal 31a y 31c y la señal de diferencia 31f de las amplitudes de señal 31b y 31d.

Las dos señales de diferencias 31e y 31f discurren igualmente sinusoidalmente con un desplazamiento de fase de 90° entre sí. Las señales de diferencias 31e, 31f no muestran ninguna compensación y sus amplitudes de señal solo dependen del desplazamiento, es decir, la distancia radial ro. Con el factor de proporcionalidad determinado previamente, después de escalar al nivel de la corriente actual a través de la bobina primaria 10, la magnitud de la distancia radial ro resulta de una de las amplitudes de las señales de diferencias 31e, 31f. A este respecto, la amplitud de las señales de diferencias 31e, 31 f es dos veces mayor que la amplitud ü de las amplitudes de señal 31a-d.

A partir de la posición de fase de una de las señales de diferencias 31e o 31f, el ángulo $, es decir, la dirección en la que está presente el desplazamiento se puede determinar finalmente a través de funciones trigonométricas. La posición de fase de las señales de diferencias 31e o 31f se puede determinar ventajosamente en sus puntos de cruce por cero.

En resumen, de acuerdo con la solicitud, tanto la distancia radial ro como también la dirección (ángulo $) de un desplazamiento lateral entre la parte primaria y secundaria 1,1’ se puede determinar a partir del nivel de la señal inducida en ellas por el campo parásito de las bobinas 10, 10’ con la ayuda de cuatro bobinas auxiliares 30’, y también la distancia zo entre la parte primaria y secundaria 1, 1'. La información sobre el desplazamiento lateral se puede convertir de las coordenadas polares (distancia radial ro, ángulo $) también en coordenadas cartesianas (xo, yo) y especificarse.

Puede estar previsto que esta información sobre el desplazamiento lateral y la distancia se emita a través de un canal de datos de la parte primaria 1. En base a esta información, por un control de automatización se puede reconocer, por ejemplo, un problema con el posicionamiento de la parte primaria y secundaria 1, 1’ entre sí, lo que indica un fallo en un robot que usa el sistema para la transmisión de energía. También puede estar previsto interrumpir la transmisión de energía desde la parte primaria 1 a la parte secundaria 1’ o ni siquiera establecerla en un paso de inicialización si un determinado desplazamiento lateral (xo, yo o ro) y/o una determinada distancia zo se sitúa por encima de valores límite especificados. A este respecto, los valores límite pueden tener en cuenta hasta qué punto se permite una combinación presente simultáneamente de desplazamiento lateral y distancia en forma de tablas o un contexto funcional.

El método representado tiene la ventaja de que un lado secundario posicionado incorrectamente se reconoce en el lado primario. No es necesaria ninguna retroalimentación de la parte secundaria 1’ a la parte primaria 1 para garantizar un funcionamiento seguro de la parte primaria 1.

En una configuración alternativa del conector enchufable, adicionalmente se puede utilizar un mecanismo de seguridad basado en la retroalimentación de una parte secundaria a una parte primaria con vistas al posicionamiento.

En otra configuración alternativa del conector enchufable, adicionalmente puede estar previsto determinar información sobre el desplazamiento lateral y/o la distancia en base a una disonancia del circuito de resonancia a través de la frecuencia de resonancia, eventualmente en relación con la corriente que fluye en la bobina primaria. Esta medida adicional puede servir como medida de control para la determinación de la distancia descrita anteriormente a través de las bobinas auxiliares 30 con el fin de aumentar adicionalmente la seguridad de la transmisión.

Lista de símbolos de referencia

1 Parte primaria

1' Parte secundaria

2, 2' Carcasa

3, 3' Placa cobertora

4, 4' Cable de conexión

5, 5' Paso de cable

10 Bobina primaria

10' Bobina secundaria

11, 11' Núcleo de ferrita

12, 12' Borde exterior

13, 13' Domo interior

14, 14' Estera conductora de calor

20, 20' Placa de circuitos impresos

21, 21' Componentes electrónicos

30a-d Bobina auxiliar

31a-d Amplitud de señal

31e, 31f Señal de diferencias

xo, yo Desplazamiento lateral (en coordenadas cartesianas)

ro Distancia radial (coordenadas polares)

Ángulo (coordenadas polares)

Z0 Distancia

u Nivel de amplitud de la señal

ü Amplitud

uo Compensación

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Sistema para una transmisión de energía inductiva sin contacto desde una parte primaria (1) a una parte secundaria (1’), que comprenden respectivamente al menos una bobina (10, 10') que se pueden acoplar inductivamente entre sí, en el que la primaria la parte (1) y/o la parte secundaria (1’) presentan al menos un sensor de campo magnético y están concebidas para determinar un desplazamiento lateral de la parte secundaria (1') con respecto a la parte primaria (1) en base a un campo magnético generado por las bobinas (10, 10’) y medido con la ayuda de al menos un sensor de campo magnético, caracterizado por que el sistema está concebido además de manera que el campo magnético medido por el al menos un sensor de campo magnético es un campo parásito de la al menos una bobina (10) de la parte primaria (1) y de la al menos una bobina de la parte secundaria (1 ’) generado durante la transmisión de energía y se puede determinar una distancia (zo) a lo largo de un eje de la bobina del lado primario (10) desde la parte secundaria (1') a la parte primaria (1) en base al campo parásito medido por el al menos un sensor de campo magnético.

2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el al menos un sensor de campo magnético es al menos una bobina auxiliar (30) en la que las bobinas (10, 10’) inducen una señal.

3. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que el al menos un sensor de campo magnético está dispuesto en la parte primaria (1).

4. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el al menos un sensor de campo magnético está dispuesto en la parte primaria o secundaria (1, 1’) de forma lateralmente desplazada respecto a la respectiva bobina (10, 10').

5. Sistema de acuerdo con la reivindicación 4, en el que al menos dos sensores de campo magnético están dispuestos en la parte primaria y/o secundaria (1, 1’), que están dispuestos por parejas simétricamente alrededor de un eje longitudinal de la respectiva bobina (10, 10’).

6. Sistema de acuerdo con la reivindicación 4, en el que cuatro sensores de campo magnético están dispuestos en la parte primaria y/o secundaria (1, 1’) alrededor de la respectiva bobina (10, 10').

7. Método de funcionamiento para un sistema para la transmisión de energía inductiva sin contacto desde una bobina (10) de una parte primaria (1) a una bobina (10’) de una parte secundaria (1'), donde un desplazamiento lateral de la parte secundaria (1’) respecto a la parte primaria (1) se determina en base a un campo magnético generado por las bobinas (10, 10') y medido con al menos un sensor de campo magnético, caracterizado por que la al menos una bobina (10) de la parte primaria (1) y la al menos una bobina de la parte secundaria (1’) generan un campo parásito durante la transmisión de energía que se mide por el al menos un sensor de campo magnético, y que además se determina una distancia (zo) a lo largo de un eje de la bobina primaria (10) desde la parte secundaria (1’) a la parte primaria (1) en base al campo parásito medido por el al menos un sensor de campo magnético.

8. Método de funcionamiento de acuerdo con la reivindicación 7, en el que el desplazamiento lateral y la distancia (zo) se determinan en base a los valores medidos de cuatro sensores de campo magnético que están dispuestos en la parte primaria (1) alrededor de su bobina (10).

9. Método de funcionamiento de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, en el que al menos una bobina auxiliar (30) se utiliza como al menos un sensor de campo magnético, en el que se mide una señal inducida en la al menos una bobina auxiliar (30).

10. Método de funcionamiento de acuerdo con la reivindicación 9, en el que como señal se evalúa una señal de amplitud (31), en particular una amplitud de tensión, de la al menos una bobina auxiliar (30).

11. Método de funcionamiento de acuerdo con la reivindicación 10, en el que las amplitudes de señal (31) de respectivamente dos bobinas auxiliares (30) opuestas entre sí por parejas se compensan entre sí para determinar el desplazamiento lateral de la parte secundaria (1’) con respecto a la parte primaria (1) y para determinar la distancia (zo) de la parte secundaria (1’) a la parte primaria (1).

12. Método de funcionamiento de acuerdo con la reivindicación 11, en el que el desplazamiento lateral presenta una distancia radial (ro) entre los ejes de las bobinas (10, 10’) así como presenta un ángulo ($) entre un vector de distancia, que se extiende del eje de la bobina. (10) de la parte primaria (1) al eje de la bobina (10’) de la parte secundaria (1'), y una dirección espacial definida.

13. Método de funcionamiento de acuerdo con la reivindicación 11ó 12, en el que se suprime una transmisión de energía desde la parte primaria (1) a la parte secundaria (1’) cuando el desplazamiento lateral de la parte secundaria (1') con respecto a la parte primaria (1) y/o la distancia (zo) de la parte secundaria (1’) a la parte primaria (1) excede un valor límite predeterminado.