WO2017108114A1 - Energieübertragungsvorrichtung zur kontaktlosen energieübertragung und verfahren zur kontaktlosen energieübertragung - Google Patents

Energieübertragungsvorrichtung zur kontaktlosen energieübertragung und verfahren zur kontaktlosen energieübertragung Download PDF

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WO2017108114A1
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receiver
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symmetry
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Matthias Beyer
Tobias Bayer
Fabian Kayser
Stephan Senn
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Balluff Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a power transmission device for contactless energy transmission.
  • the invention has for its object to provide a Energyübertragungsvorrich- device of the type mentioned, with which can realize a plurality of transmission circuits with galvanically isolated sources and which is designed to save space.
  • a transmitter device and a receiver device are provided, wherein the transmitter device comprises a first transmitter having a first transmission frequency and at least a second transmitter having a second transmission frequency, the second transmission frequency of the first Transmission frequency is different, and the first transmitter is galvanically separated from the second transmitter, wherein the first transmitter has a first axis of symmetry and the second transmitter has a second axis of symmetry and the first axis of symmetry of the first transmitter and the second axis of symmetry of the second transmitter at least approximately a transmitter symmetry axis coincide, and wherein the receiver device comprises a first transmitter associated with the first receiver and a second transmitter associated with the second receiver.
  • the inventive solution allows the transmitter device to realize space saving.
  • the first transmitter and the second transmitter have at least approximately a common axis of symmetry.
  • at least two transmission circuits can be realized. It can be so synonymous different voltages such as 5 V and 24 V transmitted.
  • the first receiver and the second receiver are favorably galvanically separated so that passive safety standards are met and in particular the first transmitter can not couple into the second receiver or the second transmitter can not couple into the first receiver. It is particularly advantageous if the first receiver has a first
  • Symmetryeachse and the second receiver having a second axis of symmetry, wherein the first axis of symmetry of the first receiver and the second axis of symmetry of the second receiver coincide at least approximately in a receiver axis of symmetry.
  • the transmitter axis of symmetry and the receiver symmetry axis coincide at least approximately.
  • energy can effectively be transmitted "axially coaxially" in several transmission circuits with galvanically separated sources.
  • a space-saving construction is achieved.
  • energy can also be transmitted from a transmitter device to a receiver device in a plurality of transmission circuits, with the receiver device rotating relative to the transmitter device.
  • the transmitter symmetry axis and the receiver symmetry axis are, for example, coil winding axes.
  • the receiver axis of symmetry and / or the transmitter axis of symmetry is an axis of rotation for relative rotation of the receiver device to the transmitter device.
  • energy can also be transmitted even with relative rotation in a plurality of transmission circuits which are galvanically separated.
  • at least one third transmitter with a third resonant frequency, which is different from the first resonant frequency and the second resonant frequency is present, and a third axis of symmetry is present, which with the transmitter axis of symmetry (the first transmitter and the second transmitter) at least approximately coincides, the third transmitter is galvanically isolated from the first transmitter and the second transmitter.
  • a third transmission circuit can be realized with axis-coaxial coupling. It is then favorable, if a third receiver is provided, which is assigned to the third transmitter, with a third axis of symmetry of the third receiver, which coincides at least approximately with a receiver axis of symmetry, wherein the third receiver galvanically from the first receiver and the second receiver is disconnected. It can thereby realize a third transmission circuit.
  • an actuator system is assigned to a first transmitter-receiver combination of the transmitter device and receiver device, and a sensor system and / or data transmission system is assigned to a second transmitter-receiver combination.
  • an actuator system for example on a machine, high safety standards and, in particular, passive safety standards must be observed. If, for example, a power supply in a transmission circuit for the actuator system to actuators is interrupted by a central switch, then no other transmission circuit may transmit energy to the actuator system. In the solution according to the invention with different transmission frequencies such "cross transmission" is effectively prevented, whereby a space-saving structure can be realized by the common axes of symmetry.
  • the receiver device is inductively, capacitively or inductively capacitively coupled to the transmitter device. It can thereby achieve a contactless energy transfer in an effective manner.
  • coils or resonant circuits of the transmitter device are disposed on a first core and coils or resonant circuits of the receiver device are disposed on a second core. It can be realized in a simple way common axes of symmetry, the symmetry axes are in particular winding axes of coils.
  • the first core and / or the second core is formed as a cylinder core or pot core or U-core or E-core.
  • the first core is immersed in an inner space formed on the second core or the second core is immersed in an inner space formed on the first core. This makes it possible to realize a space-saving design, in particular with regard to axial dimensions. It can be realized in a simple manner relative rotation between the cores (and thus between the transmitter device and the receiver device).
  • the transmitter device and the receiver device are the same. Between the transmitter device and the receiver device is an air gap through which contactless energy is transmitted in a plurality of transmission circuits.
  • the transmitter axis of symmetry and the receiver axis of symmetry need not be exactly coaxial. It is sufficient in particular if an offset between the transmitter axis of symmetry and a receiver axis of symmetry is present, which at most a half diameter of that coil of the transmitter device or the receiver device with the smallest diameter. As a result, energy can still be transmitted effectively "axially coaxially" in several transmission circuits.
  • first resonant frequency and the second resonant frequency are selected so that the resonant frequencies remain different at one turn of a coil of the transmitter device or the receiver device and / or that by isolation between resonant circuits of the transmitter device and the receiver device sufficient insulation resistance for a Spacing of the resonant frequencies are present. This can effectively prevent a "cross-coupling" of the first transmitter to the second receiver or the second transmitter to the first receiver.
  • a method for contactless energy transmission from a transmitter device to a receiver device in which a first transmitter transmits contactlessly energy at a first transmission frequency to a second receiver, and a second transmitter contactlessly transmits energy at a second transmission frequency to a second receiver, wherein the first transmitter and the second transmitter are galvanically isolated, and the first receiver and the second receiver are galvanically isolated, and wherein the first transmission frequency and the second transmission frequency are different, and wherein a transmitter symmetry axis of the first transmitter and the second transmitter and a Receiver symmetry axis of the first receiver and the second receiver at least approximately coincident.
  • the method according to the invention has the advantages already explained in connection with the energy transmission device according to the invention.
  • the receiver device rotates relative to the transmitter device with a rotation axis which coincides at least approximately with the transmitter axis of symmetry or the receiver axis of symmetry.
  • the solution according to the invention makes it possible to transmit energy without contact through an air gap in a plurality of transmission circuits in the case of relatively rotating systems.
  • Figure 1 is a replacement diagram for an embodiment of an energy transfer device according to the invention
  • Figure 2 is a schematic representation of a transmitter device and a
  • FIG. 3 shows a view of the transmitter device according to FIG. 2 in the direction A;
  • Figure 4 is a schematic representation of a transmitter device and a
  • Figure 5 is a view in the direction B of Figure 4;
  • Figure 6 is a schematic representation of a transmitter device and a
  • Receiver device of a third embodiment of a power transmission device according to the invention
  • Figure 7 is a view in the direction C of Figure 6;
  • Figure 8 is a schematic representation of a transmitter device and a receiver device of a fourth embodiment of a power transmission device according to the invention;
  • FIG. 9 is a sectional view according to FIG. 8;
  • FIG. 10 shows an equivalent circuit diagram for a further embodiment of an energy transmission device according to the invention.
  • Figure 11 is a plan view of an embodiment of a capacitor system;
  • FIG. 12 shows a perspective view of the capacitor system according to FIG.
  • FIG. 11 The first figure.
  • FIG. 13 shows a sectional view along the line 13--13 of the condenser system according to FIG. 11.
  • An embodiment of a power transmission device which is shown in Figure 1 in an equivalent circuit diagram and designated there by 10, has a first transmission circuit 12 and a second transmission circuit 14 electrically isolated from the first transmission circuit 12.
  • the first transmission circuit 12 has a first source 16 for an electrical current.
  • This first source 16 is followed by a first converter 18.
  • the first converter 18 converts a direct current into an alternating current.
  • the first source 16 and the first converter 18 combine to form a first AC source.
  • a first coil 20 is connected to this first AC power source. It is characterized formed a first transmitter 22 with a resonant circuit. (Capacities of the resonant circuit are not shown in FIG. At the first transmitter 22, a first switch 24 and a second switch 26 are arranged, through which in each case the power supply to the first coil 20 can be interrupted. It can thereby realize a safety function.
  • switches 24 and 26 are shown lying between the first transducer 18 and the first coil 20. It is also possible that the switches 24, 26 are positioned between the first source 16 and the first transducer 18. It is also possible that the first switch 24 and the second switch 26 are disposed within the first transducer 18.
  • a switch 24 or 26 is arranged on the source side (between the first source 16 and the first converter 18) and the other switch 26 or 24 is arranged on the coil side between the converter 18 and the first coil 20 is.
  • the second transmission circuit 14 has a second transmitter 28.
  • the second transmitter 28 includes a second source 30.
  • the second source 30 is galvanically isolated from the first source 16.
  • the second source 30 is followed by a second converter 32.
  • the second source 30 in combination with the second converter 30 forms a second AC source. At this a second coil 34 is connected.
  • the first transmitter 22 and the second transmitter 28 form a transmitter device 36.
  • the energy transmission device 10 further comprises a receiver device 38.
  • the receiver device 38 is separated from the transmitter device 36 via an air gap 40.
  • the receiver device 38 has a first receiver 40, which is assigned to the first transmitter 22.
  • the first receiver 40 has a first coil 42, via which a resonant circuit is formed.
  • the first coil 20 of the first transmitter 22 inductively couples to the first coil 42 of the first receiver 40 (resonant circuit capacitances of the first receiver 40 are not shown in FIG.
  • the first coil 42 is followed by a first converter 44, which converts alternating currents into direct currents.
  • the receiver device 38 also has a second receiver 48. This second receiver 48 is assigned to the second transmitter 28.
  • the second receiver 48 has a second coil 50.
  • a resonant circuit is formed. (Capacities of the resonant circuit are not shown in FIG.
  • the second coil 50, a second converter 52 is connected downstream, which converts alternating currents into direct currents.
  • the first transmitter 22 transmits contactlessly energy to the first receiver 40.
  • the second transmitter 28 transfers contactless energy to the second
  • the first receiver 40 and the second receiver 48 are, like the first transmitter 22 and the second transmitter 28, galvanically isolated.
  • the first transmitter 22 is operated at a first transmission frequency.
  • the first transmission frequency is in particular a resonance frequency or a frequency in a resonance range of the resonant circuit of the first transmitter 22.
  • the first receiver 40 is also set this transmission frequency.
  • the second transmitter 28 is operated at a second transmission frequency which is different from the first transmission frequency.
  • the second transmission frequency is in particular a resonant frequency or lies in a resonant frequency range of the resonant circuit of the second transmitter 28.
  • the second receiver 48 is set to the second transmission frequency.
  • the first transmission frequency and the second transmission frequency are selected such that the energy of galvanically separated sources, namely the first source 16 and the second source 30 is transmitted to two transmission circuits, namely the first transmission circuit 12 and the second transmission circuit 14.
  • the resonant frequencies are chosen so that by a short circuit of the first coil 20 and the second coil 50, by aging of capacitors, etc., an approximation of the transmitter frequencies is excluded or the attenuation is not below a certain Border is falling.
  • the transmission frequencies are selected so that correspondingly high insulation resistances to ensure a passive electrical safety are maintained by the attenuation between the resonant circuits.
  • the design of the transmitter device 36 and the receiver device 38 is such that even in the event of incidents including coil breakage, the first transmitter 22 does not couple into the second receiver 48 and the second transmitter 28 does not couple into the first receiver 40.
  • the first transmission circuit 12 is used for example for energy transmission to actuators and, for example, actuators of a machine.
  • the consumer or consumers 46 are then actuators. It is possible here to switch off the actuators (the consumer or loads 46) via a central safety device.
  • the first switch 24 and the second switch 26 are provided.
  • the second transmission circuit 14 serves, for example, for data transmission or energy transmission to a sensor system, for example a machine.
  • the consumers 54 are then, for example, sensors. Due to the galvanic isolation of the first transmission circuit 12 and the second transmission circuit 14, a passive security can be realized. It can be ensured that, for example, the second transmission circuit 14 does not couple into the first transmission circuit 12 when the first transmission circuit 12 is switched off via the first switch 24 or the second switch 26.
  • the transmitter device 36 and the receiver device 38 are arranged axially coaxial (FIGS. 2 to 9).
  • a transmitter device 56 is provided, which has a first core 58 which, for example, is cylindrical.
  • a first transmitter 60a, a second transmitter 60b and a third transmitter are attached to the first core 58 60c at least partially arranged.
  • the first transmitter 60a, the second transmitter 60b and the third transmitter 60c are formed by respective oscillation circuits having a first coil 62a, a second coil 62b and a third coil 62c, respectively.
  • the coils 62a, 62b, 62c are arranged sequentially on the first core 58. They have a common winding axis 64, which is a cylinder axis of the first core 58.
  • the winding axis 64 is a
  • This winding axis 64 forms a transmitter axis of symmetry which is common to the first transmitter 60a, the second transmitter 60b and the third transmitter 60c.
  • One of the transmitter means 56 associated and spaced with an air gap 66 to this receiver means 68 has a second core 70 on. At this second core 70 sit a first receiver 72a, a second receiver 72b and a third receiver 72c. These each have resonant circuits with coils 74a, 74b, 74c. These are arranged one behind the other on the second core 70.
  • the coils 74a, 74b, 74c of the receivers 72a, 72b, 72c have a common winding axis 76 which forms the respective axis of symmetry of the coils 74a, 74b, 74c. This is coaxial with a cylinder axis of the second core 70, which is cylindrical.
  • the winding axis 76 forms a receiver axis of symmetry of the receiver device 68.
  • the transmitter axis of symmetry 64 and the receiver axis of symmetry 76 are coaxial with each other.
  • the first transmitter 60a, the second transmitter 60b and the third transmitter 60c are galvanically isolated from each other. They each have a first transmission frequency, a second transmission frequency and a third transmission frequency, which are different.
  • the first receiver 72a is adapted to the first transmitter 60a
  • the second receiver 72b is adapted to the second transmitter 60b
  • the third receiver 72c is adapted to the third transmitter 60c.
  • the receiver device 68 may, for example, be designed to be mobile at least with respect to the second core 70 with the parts of the first receiver 72a, the second receiver 72b and the third receiver 72c arranged thereon.
  • the transmitter device 56 may also have only two transmitters or more than three transmitters, in which case the receiver device 78 is adapted thereto.
  • two galvanically separated transmission circuits (corresponding to the transmission circuits 12 and 14) can be realized, whereby an axially parallel arrangement is possible through the use of different resonance frequencies, and in particular also a relative rotation about the rotation axis 78 between the two Receiver means 68 and the transmitter means 56 is possible.
  • a transmitter device 56 ' is provided. This includes one first transmitter 60a ', a second transmitter 60b' and a third transmitter 60c '. These are arranged on a core 58 ', which has a pot shape.
  • the core 58 'in this case has an inner space 80, wherein corresponding coils of the transmitters 60a', 60b ', 60c' are arranged successively on an inner side of a casing wall 82.
  • the coils of the transmitters 60a ', 60b', 60c ' have a winding axis 84.
  • This winding axis 84 coincides with an axis of symmetry of the wall 82, which in particular has the shape of a cylinder ring.
  • the winding axis 84 defines a transmitter axis of symmetry.
  • a receiver 68 ' has a second core 70'. This is cylindrical. At her sit corresponding receivers 72a ', 72b' and 72c ', which are associated with the respective transmitters 60a', 60b ', 60c'.
  • This winding axis is common to the receivers 72a ', 72b', 72c 'and coincides with a cylinder axis of the second core 70'.
  • This winding axis 86 defines a receiver axis of symmetry.
  • the winding axis 84 and the winding axis 86 are coaxial, that is, the transmitter axis of symmetry and the receiver axis of symmetry coincide.
  • the coils of the receiver device 68 ' are spaced from the coils of the transmitter device 56' by an air gap 66 'formed in the inner space 80.
  • the second core 70 ' can, for example, rotate about an axis of rotation parallel to the transmitter axis of symmetry or receiver axis of symmetry in the inner space 80 relative to the wall 82 and thus of the transmitter device 56'.
  • a transmitter device 88 which has a pot core 90 with a central stroke 92. Between the stroke 92 and a wall 94 of the pot core 90, an annular space is formed. A first coil 96a of a first transmitter 98a of the transmitter device 88 is seated in this annular space.
  • a second coil 96b of a second transmitter 98b On an outer side of the wall 94 sits a second coil 96b of a second transmitter 98b.
  • a separator such as a ferrite ring 100 and / or a ferrite film.
  • a third coil 96c of a third transmitter 98c At the ferrite ring 100 sits a third coil 96c of a third transmitter 98c.
  • the first coil 96a, the second coil 96b and the third coil 96c are coils of a resonant circuit. They have a common winding axis 102, which is a transmitter axis of symmetry. This winding axis 102 coincides with an axis of symmetry of the stroke 92 and also the wall 94.
  • the transmitter device 88 is assigned a receiver device 104.
  • This receiver device 104 also has a pot core 106 as a second core. Coils of a first receiver 106a, a second receiver 106b and a third receiver 106c are arranged thereon. These are arranged in the same way as the corresponding coils 98a, 98b, 98c of the transmitter device 88th
  • An air gap 108 is located between the transmitter device 88 and the receiver device 104.
  • the coils of the receiver device 104 have a common winding axis 110. This forms a receiver axis of symmetry.
  • the winding axes 110 and 102 are coaxial with each other.
  • the transmitter symmetry axis and the receiver symmetry axis are correspondingly coaxial with one another.
  • the first transmitter 98a, the second transmitter 98b and the third transmitter 98c have different transmission frequencies.
  • a transmitter device 112 and a receiver device 114 are provided. Between these lies an air gap 116 (see FIG. At the transmitter device 112, coils 118a, 118b, 118c are arranged by transmitters of the transmitter device 112. Corresponding sources are galvanically isolated.
  • coils 120a, 120b, 120c are provided from respective receivers.
  • the coils 118a, 118b, 118c are arranged, for example, on a row of a plurality of U cores or E cores 122. Accordingly, the coils 120 a, 120 b, 120 c of the receiver device 114 are arranged on such cores 124.
  • the transmitter device 112 has a transmitter axis of symmetry 126 and receiver device 114 has a receiver axis of symmetry 128.
  • Transmitter axis of symmetry 126 and receiver symmetry axis 128 are coaxial with each other.
  • the exemplary embodiments according to FIGS. 2 to 9 have as an equivalent circuit diagram the equivalent circuit diagram 10 according to FIG. 1, wherein in the exemplary embodiments shown according to FIGS. 2 to 9, a third transmission circuit is also present.
  • energy can be transmitted axially coaxially in separate transmission circuits with galvanically separated sources, corresponding transmitters having different transmitter frequencies.
  • passive safety requirements are met, with contactless energy transmission being possible, for example, even with rotating systems.
  • the energy transmission between the corresponding transmitter device 36 and the receiver device 38 takes place inductively.
  • this deviation is then at most half a diameter of that coil of the transmitter device 36 and the receiver device 38 with the smallest diameter.
  • FIG. 10 shows an equivalent circuit diagram 130 for a further exemplary embodiment, in which the contactless energy transmission between a transmitter device 132 and a receiver device 134 takes place capacitively.
  • the transmitter device 132 has a first transmitter 136 and a second transmitter Transmitter 138 on.
  • the first transmitter 136 and the second transmitter 138 have separate galvanic sources.
  • the receiver device 134 has a first receiver 140 and a second receiver 142.
  • the first receiver 140 is associated with the first transmitter 136 and the second receiver 142 is associated with the second transmitter 138.
  • the first transmitter 136 couples to the first receiver 140 via a first capacitive device 144.
  • the second receiver 142 couples to the second transmitter 138 via a second capacitive device 146.
  • the first capacitive device 144 and the second capacitive device 146 have a common axis of symmetry, so that the coupling is axially coaxial.
  • One embodiment of a capacitor device shown in FIGS. 11 to 13 includes the first capacitive device 144 and the second capacitive device 146.
  • the first capacitive device 144 has first annular disc 152 and a second annular disc 154.
  • the first annular disc 152 and the second annular disc 154 are formed substantially the same. They are coaxial with a symmetry axis 155, which is also a distance axis between the first annular disc 152 and the second annular disc 154.
  • the second capacitive device 146 has a first annular disk 158 and a second annular disk 160.
  • the first annular disc 158 and the second annular disc 160 are arranged coaxially to the axis of symmetry 155 and formed the same. They are spaced in the symmetry axis 155, wherein the distance is the same as the distance between the first annular disk 152 and the second annular disk 154 of the first capacitive device 144.
  • Between the annular disks 158, 160 of the second capacitive device 146 is an air gap 162, which with respect to the axis of symmetry 155 the same Height as the air gap 156th
  • the first annular disc 158 and the second annular disc 160 of the second capacitive means 146 have the same height as the first annular disc 152 and the second annular disc 154 of the first capacitive means 144 (that is, they have the same thickness in the direction of the axis of symmetry 155).
  • first annular disc 152 of the first capacitive means 144 and the first annular disc 158 of the second capacitive means 146 are respectively aligned with respect to a top and a bottom.
  • the second annular disk 154 of the first capacitive device 144 and the second annular disk 160 of the second capacitive device 146 are each arranged in alignment with respect to a top side and a bottom side.
  • the first annular disk 152 of the first capacitive device 144 completely surrounds the first annular disk 158 of the second capacitive device 146, that is, in an annular space of the first annular disk 152, the first annular disk 158 of the second capacitive device 146 is spaced from the first annular disk 152 of the first capacitive device 144 arranged.
  • the second annular disk 144 of the first capacitive device 144 completely surrounds the second annular disk 160 of the second capacitive device 146.
  • the symmetry axis 155 forms a transmitter axis of symmetry, which coincides with a corresponding receiver axis of symmetry.
  • the annular discs 152, 154, 158, 160 form capacitor plates.
  • the annular disk 152 of the first capacitive device 144 can be regarded as the first transmitter.
  • the first ring disk 158 of the second capacitive device 146 of the second capacitive device 146 may be considered a second transmitter.
  • the second annular disk 154 may be considered as the first receiver.
  • the second annular disk 160 of the second capacitive device 146 may be considered as a second receiver.
  • the symmetry axes of the first transmitter and the second transmitter coincide. This coincident axis of symmetry further forms the receiver symmetry axis.
  • the combination of the first and second annular disks 152, 152 of the first capacitive device 144 may be considered to be the first transmitter and the first receiver, and the combination of the first annular disk 158 and the second annular disk 160 of the second capacitive device 146 may be second Transmitter and second receiver.

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Abstract

Es wird eine Energieübertragungsvorrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung bereitgestellt, umfassend eine Sendereinrichtung (36) und eine Empfängereinrichtung (38), wobei die Sendereinrichtung (36) einen ersten Sender (22) mit einer ersten Sendefrequenz und mindestens einen zweiten Sender (28) mit einer zweiten Sendefrequenz aufweist, die zweite Sendefrequenz von der ersten Sendefrequenz verschieden ist, und der erste Sender (22) galvanisch von dem zweiten Sender (28) getrennt ist, wobei der erste Sender (22) eine erste Symmetrieachse (126) und der zweite Sender (28) eine zweite Symmetrieachse (128) aufweisen und die erste Symmetrieachse (126) des ersten Senders (22) und die zweite Symmetrieachse (128) des zweiten Senders (28) mindestens näherungsweise in einer Sender-Symmetrieachse zusammenfallen, und wobei die Empfängereinrichtung (38) einen dem ersten Sender (22) zugeordneten ersten Empfänger (40) und einen dem zweiten Sender (28) zugeordneten zweiten Empfänger (48) aufweist.

Description

Energieübertragungsvorrichtung zur kontaktlosen
Energieübertragung und Verfahren zur
kontaktlosen Energieübertragung
Die Erfindung betrifft eine Energieübertragungsvorrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieübertragungsvorrich- tung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welcher sich eine Mehrzahl von Übertragungskreisen mit galvanisch getrennten Quellen realisieren lassen und welche platzsparend ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Energieübertragungsvorrich- tung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Sendereinrichtung und eine Empfängereinrichtung vorgesehen sind, wobei die Sendereinrichtung einen ersten Sender mit einer ersten Sendefrequenz und mindestens einen zweiten Sender mit einer zweiten Sendefrequenz aufweist, die zweite Sendefrequenz von der ersten Sendefrequenz verschieden ist, und der erste Sender galva- nisch von dem zweiten Sender getrennt ist, wobei der erste Sender eine erste Symmetrieachse und der zweite Sender eine zweite Symmetrieachse aufweisen und die erste Symmetrieachse des ersten Senders und die zweite Symmetrieachse des zweiten Senders mindestens näherungsweise in einer Sender-Symmetrieachse zusammenfallen, und wobei die Empfängereinrich- tung einen dem ersten Sender zugeordneten ersten Empfänger und einen dem zweiten Sender zugeordneten zweiten Empfänger aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich die Sendereinrichtung platzsparend realisieren. Der erste Sender und der zweite Sender weisen min- destens näherungsweise eine gemeinsame Symmetrieachse auf. Durch unterschiedliche Sendefrequenzen lassen sich mindestens zwei Übertragungskreise realisieren. Es lassen sich so auch unterschiedliche Spannungen wie beispielsweise 5 V und 24 V übertragen.
Günstigerweise sind der erste Empfänger und der zweite Empfänger galva- nisch getrennt, so dass passive Sicherheitsstandards eingehalten sind und insbesondere der erste Sender nicht in den zweiten Empfänger einkoppeln kann beziehungsweise der zweite Sender nicht in den ersten Empfänger einkoppeln kann. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste Empfänger eine erste
Symmetrieachse und der zweite Empfänger eine zweite Symmetrieachse aufweisen, wobei die erste Symmetrieachse des ersten Empfängers und die zweite Symmetrieachse des zweiten Empfängers in einer Empfänger- Symmetrieachse mindestens näherungsweise zusammenfallen. Dadurch lässt sich ein platzsparender Aufbau realisieren.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sender-Symmetrieachse und die Empfänger-Symmetrieachse mindestens näherungsweise zusammenfallen. Dadurch lässt sich effektiv Energie in mehreren Übertragungskreisen mit gal- vanisch getrennten Quellen "achskoaxial" übertragen. Dadurch ist ein platzsparender Aufbau erreicht. Es lässt sich dadurch beispielsweise auch in mehreren Übertragungskreisen Energie von einer Sendereinrichtung zu einer Empfängereinrichtung übertragen, wobei die Empfängereinrichtung relativ zu der Sendereinrichtung rotiert. Die Sender-Symmetrieachse und die Empfän- ger-Symmetrieachse sind beispielsweise Spulen-Wicklungsachsen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Empfänger-Symmetrieachse und/oder die Sender-Symmetrieachse eine Rotationsachse für eine relative Rotation der Empfängereinrichtung zu der Sendereinrichtung . Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich auch bei einer relativen Rotation in mehreren Übertragungskreisen, welche galvanisch getrennt sind, Energie übertragen. Es kann dabei vorgesehen sein, dass mindestens ein dritter Sender mit einer dritten Resonanzfrequenz, welche verschieden von der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz ist, vorhanden ist, und eine dritte Symmetrieachse vorhanden ist, welche mit der Sender-Symmetrieachse (des ersten Senders und des zweiten Senders) mindestens näherungsweise zusammenfällt, wobei der dritte Sender galvanisch von dem ersten Sender und dem zweiten Sender getrennt ist. Dadurch lässt sich beispielsweise ein dritter Übertragungskreis realisieren mit achskoaxialer Einkopplung . Es ist dann günstig, wenn ein dritter Empfänger vorgesehen ist, welcher dem dritten Sender zugeordnet ist, mit einer dritten Symmetrieachse des dritten Empfängers, welcher mit einer Empfänger-Symmetrieachse mindestens näherungsweise zusammenfällt, wobei der dritte Empfänger galvanisch von dem ersten Empfänger und dem zweiten Empfänger getrennt ist. Es lässt sich dadurch ein dritter Übertragungskreis realisieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist einer ersten Sender-Empfänger-Kombination der Sendereinrichtung und Empfängereinrichtung ein Aktorensystem zugeordnet und einer zweiten Sender-Empfänger-Kombination ist ein Sensorsystem und/oder Datenübertragungssystem zugeordnet. Bezüglich eines Aktorensystems beispielsweise an einer Maschine müssen hohe Sicherheitsstandards und insbesondere passive Sicherheitsstandards eingehalten werden. Wenn beispielsweise durch einen zentralen Schalter eine Energiezuführung in einem Übertragungskreis für das Aktorensystem an Aktoren unterbrochen ist, dann darf über keinen anderen Übertragungskreis Energie an das Aktorensystem übertragen werden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung mit unterschiedlichen Sendefrequenzen wird eine solche "Kreuzübertragung" effektiv verhindert, wobei sich ein platzsparender Aufbau durch die gemeinsamen Symmetrieachsen realisieren lässt. Insbesondere lässt sich auch eine Energieübertragung in mehreren Übertragungskreisen bei relativ zueinander rotierenden Einheiten durchführen. Beispielsweise ist die Empfängereinrichtung induktiv, kapazitiv oder indukto- kapazitiv an die Sendereinrichtung gekoppelt. Es lässt sich dadurch auf effektive Weise eine kontaktlose Energieübertragung erreichen. Bei einem Ausführungsbeispiel sind Spulen oder Schwingkreise der Sendereinrichtung an einem ersten Kern angeordnet und Spulen oder Schwingkreise der Empfängereinrichtung sind an einem zweiten Kern angeordnet. Es lassen sich dadurch auf einfache Weise gemeinsame Symmetrieachsen realisieren, wobei die Symmetrieachsen insbesondere Wicklungsachsen von Spulen sind .
Beispielsweise ist der erste Kern und/oder der zweite Kern als Zylinderkern oder Topfkern oder U-Kern oder E-Kern ausgebildet.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass der erste Kern in einen an dem zweiten Kern gebildeten Innenraum eingetaucht ist oder der zweite Kern in einen an dem ersten Kern gebildeten Innenraum eingetaucht ist. Dadurch lässt sich ein insbesondere bezüglich axialen Abmessungen platzsparender Aufbau realisieren. Es kann auf einfache Weise eine relative Rotation zwischen den Kernen (und damit zwischen der Sendereinrichtung und der Empfängereinrichtung) realisiert werden.
Bei einem fertigungstechnisch günstigen Ausführungsbeispiel sind die Sendereinrichtung und die Empfängereinrichtung gleich ausgebildet. Zwischen der Sendereinrichtung und der Empfängereinrichtung liegt ein Luftspalt, durch den hindurch kontaktlos Energie in mehreren Übertragungskreisen übertragen wird .
Grundsätzlich müssen die Sender-Symmetrieachse und die Empfänger- Symmetrieachse nicht exakt koaxial sein. Es genügt insbesondere, wenn ein Versatz zwischen der Sender-Symmetrieachse und einer Empfänger- Symmetrieachse vorhanden ist, welcher höchstens einen halben Durchmesser derjenigen Spule der Sendereinrichtung oder der Empfängereinrichtung mit dem kleinsten Durchmesser beträgt. Dadurch kann noch effektiv "achskoaxial" in mehreren Übertragungskreisen Energie übertragen werden.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Resonanzfrequenz und die zweite Resonanzfrequenz so gewählt sind, dass bei einem Windungsschluss einer Spule der Sendereinrichtung oder der Empfängereinrichtung die Resonanzfrequenzen unterschiedlich bleiben und/oder dass durch Dämpfung zwischen Schwingkreisen der Sendereinrichtung und der Empfängereinrichtung ausreichende Isolationswiderstände für eine Beabstandung der Resonanz- frequenzen vorliegen. Dadurch kann auf effektive Weise eine "Kreuzeinkopplung" des ersten Senders an den zweiten Empfänger beziehungsweise des zweiten Senders an den ersten Empfänger verhindert werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur kontaktlosen Energieübertragung von einer Sendereinrichtung zu einer Empfängereinrichtung bereitgestellt, bei dem ein erster Sender kontaktlos Energie mit einer ersten Sendefrequenz an einen zweiten Empfänger überträgt, und ein zweiter Sender kontaktlos Energie mit einer zweiten Sendefrequenz an einen zweiten Empfänger überträgt, wobei der erste Sender und der zweite Sender galvanisch getrennt sind, und der erste Empfänger und der zweite Empfänger galvanisch getrennt sind, und wobei die erste Sendefrequenz und die zweite Sendefrequenz verschieden sind, und bei dem eine Sender-Symmetrieachse des ersten Senders und des zweiten Senders und eine Empfänger-Symmetrieachse des ersten Empfängers und des zweiten Empfängers mindestens näherungsweise zusammenfallen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung erläutert. Insbesondere rotiert die Empfängereinrichtung relativ zu der Sendereinrichtung mit einer Rotationsachse, welche mindestens näherungsweise mit der Sender-Symmetrieachse oder der Empfänger-Symmetrieachse zusammenfällt. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich Energie in mehreren Übertragungskreisen bei relativ zueinander rotierenden Systemen kontaktlos durch einen Luftspalt hindurch übertragen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen :
Figur 1 ein Ersatzschaubild für ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung; Figur 2 eine schematische Darstellung einer Sendereinrichtung und einer
Empfängereinrichtung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung;
Figur 3 eine Ansicht auf die Sendereinrichtung gemäß Figur 2 in der Richtung A;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Sendereinrichtung und einer
Empfängereinrichtung eines zweiten Ausführungsbeispiels; Figur 5 eine Ansicht in der Richtung B gemäß Figur 4;
Figur 6 eine schematische Darstellung einer Sendereinrichtung und einer
Empfängereinrichtung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung;
Figur 7 eine Ansicht in der Richtung C gemäß Figur 6; Figur 8 eine schematische Darstellung einer Sendereinrichtung und einer Empfängereinrichtung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung; Figur 9 eine Schnittansicht gemäß Figur 8;
Figur 10 ein Ersatzschaltbild für eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung; Figur 11 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Kondensatorsystems;
Figur 12 eine perspektivische Ansicht des Kondensatorsystems gemäß
Figur 11 ; und
Figur 13 eine Schnittansicht längs der Linie 13-13 des Kondensatorsystems gemäß Figur 11.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieübertragungs- Vorrichtung, welches in Figur 1 in einem Ersatzschaltbild gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, weist einen ersten Übertragungskreis 12 und einen von dem ersten Übertragungskreis 12 galvanisch getrennten zweiten Übertragungskreis 14 auf. Der erste Übertragungskreis 12 weist eine erste Quelle 16 für einen elektrischen Strom auf. Dieser ersten Quelle 16 ist ein erster Wandler 18 nachgeschaltet. Der erste Wandler 18 wandelt einen Gleichstrom in einen Wechselstrom. Die erste Quelle 16 und der erste Wandler 18 bilden in Kombination eine erste Wechselstromquelle.
An diese erste Wechselstromquelle ist eine erste Spule 20 angeschlossen. Es ist dadurch ein erster Sender 22 mit einem Schwingkreis gebildet. (Kapazitäten des Schwingkreises sind in Figur 1 nicht eingezeichnet.) An dem ersten Sender 22 sind ein erster Schalter 24 und ein zweiter Schalter 26 angeordnet, durch welche jeweils die Stromzuführung zu der ersten Spule 20 unterbrechbar ist. Es lässt sich dadurch eine Sicherheitsfunktion realisieren.
In Figur 1 sind die Schalter 24 und 26 eingezeichnet als zwischen dem ersten Wandler 18 und der ersten Spule 20 liegend. Es ist auch möglich, dass die Schalter 24, 26 zwischen der ersten Quelle 16 und dem ersten Wandler 18 positioniert sind . Es ist ferner möglich, dass der erste Schalter 24 und der zweite Schalter 26 innerhalb des ersten Wandlers 18 angeordnet sind .
Es ist ferner möglich, dass ein Schalter 24 bzw. 26 an der Quellenseite (zwischen der ersten Quelle 16 und dem ersten Wandler 18) angeordnet ist und der andere Schalter 26 bzw. 24 an der Spulenseite zwischen dem Wandler 18 und der ersten Spule 20 angeordnet ist.
Es ist ferner möglich, dass ein Schalter an dem ersten Wandler 18 angeordnet ist und der andere Schalter an der Quellenseite oder der Spulenseite. Der zweite Übertragungskreis 14 weist einen zweiten Sender 28 auf. Der zweite Sender 28 umfasst eine zweite Quelle 30. Die zweite Quelle 30 ist galvanisch von der ersten Quelle 16 getrennt. Der zweiten Quelle 30 ist ein zweiter Wandler 32 nachgeschaltet. Die zweite Quelle 30 bildet in Kombination mit dem zweiten Wandler 30 eine zweite Wechselstromquelle. An diese ist eine zweite Spule 34 angeschlossen.
Es ist dadurch ein zweiter Schwingkreis gebildet. (Kapazitäten im Schwingkreis sind in Figur 1 nicht explizit eingezeichnet.) Der erste Sender 22 und der zweite Sender 28 bilden eine Sendereinrichtung 36. Die Energieübertragungsvorrichtung 10 umfasst ferner eine Empfängereinrichtung 38. Die Empfängereinrichtung 38 ist von der Sendereinrichtung 36 über einen Luftspalt 40 getrennt. Die Empfängereinrichtung 38 weist einen ersten Empfänger 40 auf, welcher dem ersten Sender 22 zugeordnet ist.
Der erste Empfänger 40 weist eine erste Spule 42 auf, über welche ein Schwingkreis gebildet ist. Die erste Spule 20 des ersten Senders 22 koppelt induktiv an die erste Spule 42 des ersten Empfängers 40. (Schwingkreiskapazitäten des ersten Empfängers 40 sind in Figur 1 nicht eingezeichnet.)
Der ersten Spule 42 ist ein erster Wandler 44 nachgeschaltet, welcher Wechselströme in Gleichströme wandelt.
An den ersten Wandler 44 sind ein oder mehrere Verbraucher 46 angeschlossen.
Die Empfängereinrichtung 38 weist ferner einen zweiten Empfänger 48 auf. Dieser zweite Empfänger 48 ist dem zweiten Sender 28 zugeordnet.
Der zweite Empfänger 48 weist eine zweite Spule 50 auf. Mittels dieser ist ein Schwingkreis gebildet. (Kapazitäten des Schwingkreises sind in Figur 1 nicht eingezeichnet.)
Der zweiten Spule 50 ist ein zweiter Wandler 52 nachgeschaltet, welcher Wechselströme in Gleichströme wandelt.
An dem zweiten Wandler 52 sind ein oder mehrere Verbraucher 54 ange- schlössen. Der erste Sender 22 überträgt kontaktlos Energie an den ersten Empfänger 40. Der zweite Sender 28 überträgt kontaktlos Energie an den zweiten
Empfänger 48. Der erst Empfänger 40 und der zweite Empfänger 48 sind, wie der erste Sender 22 und der zweite Sender 28, galvanisch getrennt.
Der erste Sender 22 wird mit einer ersten Sendefrequenz betrieben. Die erst Sendefrequenz ist insbesondere eine Resonanzfrequenz beziehungsweise eine Frequenz in einem Resonanzbereich des Schwingkreises des ersten Senders 22. Der erste Empfänger 40 ist auch diese Sendefrequenz eingestellt.
Der zweite Sender 28 wird mit einer zweiten Sendefrequenz betrieben, welche von der ersten Sendefrequenz verschieden ist. Die zweite Sendefrequenz ist insbesondere eine Resonanzfrequenz beziehungsweise liegt in eine Resonanzfrequenzbereich des Schwingkreises des zweiten Senders 28.
Der zweite Empfänger 48 ist auf die zweite Sendefrequenz eingestellt. Die erste Sendefrequenz und die zweite Sendefrequenz sind so gewählt, dass an zwei Übertragungskreisen, nämlich dem ersten Übertragungskreis 12 und dem zweiten Übertragungskreis 14 die Energie von galvanisch getrennten Quellen, nämlich der ersten Quelle 16 und der zweiten Quelle 30 übertragen wird .
Es liegt sowohl eine primärseitige galvanische Trennung an der Sendereinrichtung 36 als auch eine sekundärseitige galvanische Trennung an der Empfängereinrichtung 38 vor. Die Resonanzfrequenzen sind so gewählt, dass durch einen Windungsschluss der ersten Spule 20 beziehungsweise der zweiten Spule 50, durch Alterung von Kondensatoren usw. eine Annäherung der Senderfrequenzen ausgeschlossen ist beziehungsweise die Dämpfung nicht unter eine bestimmte Grenze fällt. Ferner sind die Sendefrequenzen so gewählt, dass durch die Dämpfung zwischen den Schwingkreisen entsprechend hohe Isolationswiderstände zur Gewährleistung einer passiven elektrischen Sicherheit eingehalten werden. Die Ausbildung der Sendereinrichtung 36 und der Empfän- gereinrichtung 38 ist derart, dass auch bei Störfällen einschließlich Spulenbruch der erste Sender 22 nicht in den zweiten Empfänger 48 einkoppelt und der zweite Sender 28 nicht in den ersten Empfänger 40 einkoppelt.
Der erste Übertragungskreis 12 dient beispielsweise zur Energieübertragung an Aktoren und beispielsweise Aktoren einer Maschine. Der oder die Verbraucher 46 sind dann Aktoren. Es besteht hier die Möglichkeit, über eine zentrale Sicherheitseinrichtung die Aktoren (den oder die Verbraucher 46) abzuschalten. Dazu sind der erste Schalter 24 und der zweite Schalter 26 vorgesehen.
Der zweite Übertragungskreis 14 dient beispielsweise zur Datenübertragung beziehungsweise Energieübertragung an ein Sensorsystem beispielsweise einer Maschine. Die Verbraucher 54 sind dann beispielsweise Sensoren. Durch die galvanische Trennung des ersten Übertragungskreises 12 und des zweiten Übertragungskreises 14 lässt sich eine passive Sicherheit realisieren. Es lässt sich gewährleisten, dass beispielsweise der zweite Übertragungskreis 14 nicht in den ersten Übertragungskreis 12 einkoppelt, wenn der erste Übertragungskreis 12 über den ersten Schalter 24 oder den zweiten Schalter 26 abgeschaltet ist.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Sendereinrichtung 36 und die Empfängereinrichtung 38 achskoaxial angeordnet sind (Figuren 2 bis 9). Bei einem ersten Ausführungsbeispiel (Figuren 2, 3) ist eine Sendereinrichtung 56 vorgesehen, welche einen ersten Kern 58 aufweist, welcher beispielsweise zylindrisch ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind an dem ersten Kern 58 ein erster Sender 60a, ein zweiter Sender 60b und ein dritter Sender 60c zumindest teilweise angeordnet. Der erste Sender 60a, der zweite Sender 60b und der dritte Sender 60c sind durch jeweilige Schwingkreise mit einer ersten Spule 62a, einer zweiten Spule 62b beziehungsweise einer dritten Spule 62c gebildet.
Die Spulen 62a, 62b, 62c sind aufeinanderfolgend an dem ersten Kern 58 angeordnet. Sie weisen eine gemeinsame Wicklungsachse 64 auf, welche eine Zylinderachse des ersten Kerns 58 ist. Die Wicklungsachse 64 ist eine
Symmetrieachse für die Spulen 62a, 62b, 62c.
Diese Wicklungsachse 64 bildet eine Sender-Symmetrieachse, welche gemeinsam ist für den ersten Sender 60a, den zweiten Sender 60b und den dritten Sender 60c. Eine der Sendereinrichtung 56 zugeordnete und mit einem Luftspalt 66 beabstandet zu dieser angeordneten Empfängereinrichtung 68 weist einen zweiten Kern 70 auf. An diesem zweiten Kern 70 sitzen ein erster Empfänger 72a, ein zweiter Empfänger 72b und ein dritte Empfänger 72c. Diese weisen jeweils Schwingkreise mit Spulen 74a, 74b, 74c auf. Diese sind hintereinander an dem zweiten Kern 70 angeordnet.
Die Spulen 74a, 74b, 74c der Empfänger 72a, 72b, 72c weisen eine gemeinsame Wicklungsachse 76 auf, welche die jeweilige Symmetrieachse der Spulen 74a, 74b, 74c bildet. Diese ist koaxial zu einer Zylinderachse des zweiten Kerns 70, welcher zylindrisch ausgebildet ist.
Die Wicklungsachse 76 bildet eine Empfänger-Symmetrieachse der Empfängereinrichtung 68. Die Sender-Symmetrieachse 64 und die Empfänger-Symmetrieachse 76 sind koaxial zueinander. Der erste Sender 60a, der zweite Sender 60b und der dritte Sender 60c sind galvanisch voneinander getrennt. Sie weisen jeweils eine erste Sendefrequenz, eine zweite Sendefrequenz und eine dritte Sendefrequenz auf, welche unterschiedlich sind .
Der erste Empfänger 72a ist angepasst an den ersten Sender 60a ausgebildet, der zweite Empfänger 72b ist angepasst an den zweiten Sender 60b ausgebildet und der dritte Empfänger 72c ist angepasst an den dritten Sender 60c ausgebildet.
Elektrische Energie lässt sich über drei unterschiedliche Sender 60a, 60b, 60c mit galvanischer Trennung der entsprechenden Quellen für diese Sender 60a, 60b, 60c achsparallel an die Empfängereinrichtung 68 übertragen. Dadurch ist beispielsweise eine Rotation der Empfängereinrichtung 68 um eine Rotations- achse 78 relativ zu der Sendereinrichtung 56 möglich. Die Empfängereinrichtung 68 kann beispielsweise mobil ausgebildet sein zumindest bezüglich des zweiten Kerns 70 mit den daran angeordneten Teilen des ersten Empfängers 72a, des zweiten Empfängers 72b und des dritten Empfängers 72c. Die Sendereinrichtung 56 kann auch nur zwei Sender oder mehr als drei Sender aufweisen, wobei dann die Empfängereinrichtung 78 daran angepasst ausgebildet ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2 und 3 lassen sich zwei gal- vanisch getrennte Übertragungskreise (entsprechend den Übertragungskreisen 12 und 14) realisieren, wobei durch die Verwendung unterschiedlicher Resonanzfrequenzen eine achsparallele Anordnung möglich ist und insbesondere auch eine relative Rotation um die Rotationsachse 78 zwischen der Empfängereinrichtung 68 und der Sendereinrichtung 56 möglich ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in Figur 4 und 5 schematisch gezeigt ist, ist eine Sendereinrichtung 56' vorgesehen. Diese umfasst einen ersten Sender 60a', einen zweiten Sender 60b' und einen dritten Sender 60c'. Diese sind an einem Kern 58' angeordnet, welcher eine Topfform hat.
Der Kern 58' weist dabei einen Innenraum 80 auf, wobei entsprechende Spu- len der Sender 60a', 60b', 60c' an einer Innenseite einer Mantelwandung 82 aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Die Spulen der Sender 60a', 60b', 60c' weisen eine Wicklungsachse 84 auf. Diese Wicklungsachse 84 fällt mit einer Symmetrieachse der Wandung 82, welche insbesondere die Form eines Zylinderrings hat, zusammen. Die Wicklungsachse 84 definiert eine Sender-Symmetrieachse.
Eine Empfängereinrichtung 68' weist einen zweiten Kern 70' auf. Dieser ist zylindrisch ausgebildet. An ihr sitzen entsprechende Empfänger 72a', 72b' und 72c', welche den jeweiligen Sendern 60a', 60b', 60c' zugeordnet sind .
Die Sender 60a', 60b', 60c' weisen dabei jeweils unterschiedliche Sendefrequenzen auf und die Empfänger 72a', 72b', 72c' sind daran angepasst. Spulen der Empfänger 72a', 72b', 72c' weisen eine Wicklungsachse 86 auf. Diese Wicklungsachse ist gemeinsam für die Empfänger 72a', 72b', 72c', und fällt mit einer Zylinderachse des zweiten Kerns 70' zusammen. Diese Wicklungsachse 86 definiert eine Empfänger-Symmetrieachse. Die Wicklungsachse 84 und die Wicklungsachse 86 sind koaxial, das heißt die Sender-Symmetrieachse und die Empfänger-Symmetrieachse fallen zusammen.
Die Spulen der Empfängereinrichtung 68' sind dabei durch einen in dem Innenraum 80 gebildeten Luftspalt 66' von den Spulen der Sendereinrichtung 56' beabstandet. Der zweite Kern 70' kann beispielsweise um eine Rotationsachse parallel zu der Sender-Symmetrieachse beziehungsweise Empfänger-Symmetrieachse in dem Innenraum 80 relativ zu der Wandung 82 und damit der Sendereinrichtung 56' rotieren.
Es lässt sich dadurch achskoaxial auch bei galvanisch getrennten Quellen für die Sender 60a', 60b', 60c' Energie an die Empfängereinrichtung 68' übertragen. Bei einem dritten Ausführungsbeispiel (Figuren 6, 7) ist eine Sendereinrichtung 88 vorgesehen, welche einen Topfkern 90 mit einem zentralen Hub 92 aufweist. Zwischen dem Hub 92 und einer Wandung 94 des Topfkerns 90 ist ein Ringraum gebildet. In diesem Ringraum sitzt eine erste Spule 96a eines ersten Senders 98a der Sendereinrichtung 88.
An einer Außenseite der Wandung 94 sitzt eine zweite Spule 96b eines zweiten Senders 98b.
An der zweiten Spule 96b sitzt ein Trennelement wie beispielsweise ein Ferrit- ring 100 und/oder eine Ferritfolie. An dem Ferritring 100 sitzt eine dritte Spule 96c eines dritten Senders 98c.
Die erste Spule 96a, die zweite Spule 96b und die dritte Spule 96c sind Spulen eines Schwingkreises. Sie weisen eine gemeinsame Wicklungsachse 102 auf, welche eine Sender-Symmetrieachse ist. Diese Wicklungsachse 102 fällt mit einer Symmetrieachse des Hubs 92 und auch der Wandung 94 zusammen.
Der Sendereinrichtung 88 ist eine Empfängereinrichtung 104 zugeordnet. Diese Empfängereinrichtung 104 weist als zweiten Kern ebenfalls einen Topf- kern 106 auf. An dieser sind Spulen eines ersten Empfängers 106a, eines zweiten Empfängers 106b und eines dritten Empfängers 106c angeordnet. Diese sind dabei auf die gleiche Weise angeordnet wie die entsprechenden Spulen 98a, 98b, 98c der Sendereinrichtung 88. Zwischen der Sendereinrichtung 88 und der Empfängereinrichtung 104 liegt ein Luftspalt 108. Die Spulen der Empfängereinrichtung 104 weisen eine gemeinsame Wicklungsachse 110 auf. Diese bildet eine Empfänger-Symmetrieachse.
Die Wicklungsachsen 110 und 102 liegen koaxial zueinander. Dadurch liegen entsprechend die Sender-Symmetrieachse und die Empfänger-Symmetrie- achse koaxial zueinander.
Es ist möglich, Energie in unterschiedlichen Übertragungskreisen mit entsprechend galvanisch getrennten Quellen von der Sendereinrichtung 88 an die Empfängereinrichtung 104 kontaktlos zu übertragen.
Der erste Sender 98a, der zweite Sender 98b und der dritte Sender 98c weisen dabei unterschiedliche Sendefrequenzen auf.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in den Figuren 8 und 9 schematisch gezeigt ist, ist eine Sendereinrichtung 112 und ist eine Empfängereinrichtung 114 vorgesehen. Zwischen diesen liegt ein Luftspalt 116 (vgl . Figur 9). An der Sendereinrichtung 112 sind Spulen 118a, 118b, 118c von Sendern der Sendereinrichtung 112 angeordnet. Entsprechende Quellen sind galvanisch getrennt.
An der Empfängereinrichtung 114 sind Spulen 120a, 120b, 120c von entsprechenden Empfängern vorgesehen.
Die Spulen 118a, 118b, 118c sind beispielsweise an einer Aneinanderreihung von einer Mehrzahl von U-Kernen oder E-Kernen 122 angeordnet. Entsprechend sind die Spulen 120a, 120b, 120c der Empfängereinrichtung 114 an solchen Kernen 124 angeordnet. Die Sendereinrichtung 112 weist eine Sender-Symmetrieachse 126 auf und Empfängereinrichtung 114 weist eine Empfänger-Symmetrieachse 128 auf.
Die Sender-Symmetrieachse 126 und die Empfänger-Symmetrieachse 128 sind koaxial zueinander.
Die Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 2 bis 9 weisen als Ersatzschaltbild das Ersatzschaltbild 10 gemäß Figur 1 auf, wobei bei den gezeigten Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 2 bis 9 auch noch ein dritter Über- tragungskreis vorhanden ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich achskoaxial in getrennten Übertragungskreisen mit galvanisch getrennten Quellen Energie übertragen, wobei entsprechende Sender unterschiedliche Senderfrequenzen aufweisen. Es werden dadurch passive Sicherheitsanforderungen eingehalten, wobei eine kontaktlose Energieübertragung bei- spielsweise auch bei rotierenden Systemen möglich ist.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt die Energieübertragung zwischen der entsprechenden Sendereinrichtung 36 und der Empfängereinrichtung 38 induktiv.
Es ist dabei auch eine Abweichung von Symmetrieachsen von der Koaxialität möglich, wobei diese Abweichung dann höchstens einen halben Durchmesser derjenigen Spule der Sendereinrichtung 36 beziehungsweise der Empfängereinrichtung 38 mit dem kleinsten Durchmesser beträgt.
Es ist grundsätzlich auch möglich, über die erfindungsgemäße Lösung eine kapazitive oder induktiv-kapazitive kontaktlose Energieübertragung mit unterschiedlichen Übertragungskreisen zu realisieren. In Figur 10 ist ein Ersatzschaltbild 130 für ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die kontaktlose Energieübertragung zwischen einer Sendereinrichtung 132 und einer Empfängereinrichtung 134 kapazitiv erfolgt. Die Sendereinrichtung 132 weist einen ersten Sender 136 und einen zweiten Sender 138 auf. Der erste Sender 136 und der zweite Sender 138 haben getrennte galvanische Quellen.
Die Empfängereinrichtung 134 weist einen ersten Empfänger 140 und einen zweiten Empfänger 142 auf. Der erste Empfänger 140 ist dem ersten Sender 136 zugeordnet und der zweite Empfänger 142 ist dem zweiten Sender 138 zugeordnet.
Der erste Sender 136 koppelt an den ersten Empfänger 140 über eine erste kapazitive Einrichtung 144. Der zweite Empfänger 142 koppelt an den zweiten Sender 138 über eine zweite kapazitive Einrichtung 146.
Die erste kapazitive Einrichtung 144 und die zweite kapazitive Einrichtung 146 weisen eine gemeinsame Symmetrieachse auf, so dass die Kopplung achs- koaxial ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer Kondensatoreinrichtung, welche in den Figuren 11 bis 13 gezeigt ist, umfasst die erste kapazitive Einrichtung 144 und die zweite kapazitive Einrichtung 146.
Die erste kapazitive Einrichtung 144 hat erste Ringscheibe 152 und eine zweite Ringscheibe 154. Die erste Ringscheibe 152 und die zweite Ringscheibe 154 sind im Wesentlichen gleich ausgebildet. Sie sind koaxial zu einer Symmetrieachse 155, die auch eine Abstandsachse zwischen der ersten Ringscheibe 152 und der zweiten Ringscheibe 154 ist.
Zwischen der ersten Ringscheibe 152 und der zweiten Ringscheibe 154 der ersten kapazitiven Einrichtung 144 liegt ein ringförmiger Luftspalt 156. Die zweite kapazitive Einrichtung 146 weist eine erste Ringscheibe 158 und eine zweite Ringscheibe 160 auf. Die erste Ringscheibe 158 und die zweite Ringscheibe 160 sind koaxial zu der Symmetrieachse 155 angeordnet und gleich ausgebildet. Sie sind in der Symmetrieachse 155 beabstandet, wobei der Abstand der gleiche ist wie der Abstand zwischen der ersten Ringscheibe 152 und der zweiten Ringscheibe 154 der ersten kapazitiven Einrichtung 144. Zwischen den Ringscheiben 158, 160 der zweiten kapazitiven Einrichtung 146 liegt ein Luftspalt 162, welcher bezogen auf die Symmetrieachse 155 die glei- che Höhe aufweist wie der Luftspalt 156.
Die erste Ringscheibe 158 und die zweite Ringscheibe 160 der zweiten kapazitiven Einrichtung 146 weisen die gleiche Höhe auf wie die erste Ringscheibe 152 und die zweite Ringscheibe 154 der ersten kapazitiven Einrichtung 144 (das heißt sie weisen die gleiche Dicke in Richtung der Symmetrieachse 155 auf).
Ferner sind die erste Ringscheibe 152 der ersten kapazitiven Einrichtung 144 und die erste Ringscheibe 158 der zweiten kapazitiven Einrichtung 146 jeweils bezüglich einer Oberseite und einer Unterseite fluchtend angeordnet.
Weiterhin sind die zweite Ringscheibe 154 der ersten kapazitiven Einrichtung 144 und die zweite Ringscheibe 160 der zweiten kapazitiven Einrichtung 146 jeweils bezüglich einer Oberseite und einer Unterseite fluchtend angeordnet.
Die erste Ringscheibe 152 der ersten kapazitiven Einrichtung 144 umgibt die erste Ringscheibe 158 der zweiten kapazitiven Einrichtung 146 vollständig, das heißt in einem Ringraum der ersten Ringscheibe 152 ist die erste Ringscheibe 158 der zweiten kapazitiven Einrichtung 146 beabstandet zu der ersten Ring- Scheibe 152 der ersten kapazitiven Einrichtung 144 angeordnet.
Auf die gleiche Weise umgibt die zweite Ringscheibe 144 der ersten kapazitiven Einrichtung 144 die zweite Ringscheibe 160 der zweiten kapazitiven Einrichtung 146 vollständig.
Die Symmetrieachse 155 bildet eine Sender-Symmetrieachse, welche mit einer entsprechenden Empfänger-Symmetrieachse zusammenfällt. Die Ringscheiben 152, 154, 158, 160 bilden Kondensatorplatten.
Bei einer kapazitiven Kopplung kann die Ringscheibe 152 der ersten kapazitiven Einrichtung 144 als erster Sender angesehen werden. Die erste Ring- Scheibe 158 der zweiten kapazitiven Einrichtung 146 der zweiten kapazitiven Einrichtung 146 kann als zweiter Sender angesehen werden. Die zweite Ringscheibe 154 kann als erster Empfänger angesehen werden. Die zweite Ringscheibe 160 der zweiten kapazitiven Einrichtung 146 kann als zweiter Empfänger angesehen werden.
Die Symmetrieachsen des ersten Senders und des zweiten Senders fallen zusammen. Diese zusammenfallende Symmetrieachse bildet ferner die Empfänger-Symmetrieachse. (In einer alternativen Betrachtungsweise kann die Kombination aus erster Ringscheibe 152 und zweiter Ringscheibe 154 der ersten kapazitiven Einrichtung 144 als erster Sender und als erster Empfänger angesehen werden und die Kombination der ersten Ringscheibe 158 und der zweiten Ringscheibe 160 der zweiten kapazitiven Einrichtung 146 kann als zweiter Sender und zweiter Empfänger angesehen werden.)
Bezugszeichenliste
Ersatzschaltbild Energieübertragungsvorrichtung
Erster Übertragungskreis
Zweiter Übertragungskreis
Erste Quelle
Erster Wandler
Erste Spule
Erster Sender
Erster Schalter
Zweiter Schalter
Zweiter Sender
Zweite Quelle
Zweiter Wandler
Zweite Spule
Sendereinrichtung
Empfängereinrichtung
Erster Empfänger
Erste Spule
Erster Wandler
Verbraucher
Zweiter Empfänger
Zweite Spule
Zweiter Wandler
Verbraucher
, 56' Sendereinrichtung
, 58' Erster Kern
a, 60a' Erster Sender
b, 60b' Zweiter Sender
c, 60c' Dritter Sender
a Erste Spule
b Zweite Spule c Dritte Spule
Wicklungsachse, 66' Luftspalt
, 68' Empfängereinrichtung, 70' Zweiter Kerna, 72a' Erster Empfängerb, 72b' Zweiter Empfängerc, 72c' Dritter Empfängera Spule
b Spule
c Spule
Wicklungsachse
Rotationsachse
Innenraum
Wandung
Wicklungsachse
Wicklungsachse
Sendereinrichtung
Topfkern
Hub
Wandunga Erste Spule
b Zweite Spulec Dritte Spulea Erster Senderb Zweiter Senderc Dritter Sender0 Ferritring
2 Wicklungsachse4 Empfängereinrichtung6a Erster Empfänger6b Zweiter Empfänger6c Dritter Empfänger 108 Luftspalt
110 Wicklungsachse
112 Sendereinrichtung
114 Empfängereinrichtung
116 Luftspalt
118a Spule
118b Spule
118c Spule
120a Spule
120b Spule
120c Spule
122 Kern
124 Kern
126 Sender-Symmetrieachse
128 Empfänger-Symmetrieachse
130 Ersatzschaltbild
132 Sendereinrichtung
134 Empfängereinrichtung
136 Erster Sender
138 Zweiter Sender
140 Erster Empfänger
142 Zweiter Empfänger
144 Erste kapazitive Einrichtung
146 Zweite kapazitive Einrichtung
150 Kondensatoreinrichtung
152 Erste Ringscheibe
154 Zweite Ringscheibe
155 Symmetrieachse
156 Luftspalt
158 Erste Ringscheibe
160 Zweite Ringscheibe
162 Luftspalt

Claims

Patentansprüche
1. Energieübertragungsvorrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung, umfassend eine Sendereinrichtung (36; 56; 56'; 88; 112; 132) und eine Empfängereinrichtung (38; 68; 68'; 104; 114; 134), wobei die Sendereinrichtung (36; 56; 56'; 88; 112; 132) einen ersten Sender (22; 60a; 60a'; 98a; 136) mit einer ersten Sendefrequenz und mindestens einen zweiten Sender (28; 60b; 60b'; 98b; 138) mit einer zweiten Sendefrequenz aufweist, die zweite Sendefrequenz von der ersten Sendefrequenz verschieden ist, und der erste Sender (22; 60a; 60a'; 98a; 136) galvanisch von dem zweiten Sender (28; 60b; 60b'; 98b; 138) getrennt ist, wobei der erste Sender (22; 60a; 60a'; 98a; 136) eine erste Symmetrieachse (126; 154) und der zweite Sender (28; 60b; 60b'; 98b; 138) eine zweite Symmetrieachse (128; 154) aufweisen und die erste Symmetrieachse (126; 154) des ersten Senders (22; 60a; 60a'; 98a; 136) und die zweite Symmetrieachse (128; 154) des zweiten Senders (28; 60b; 60b'; 98b; 138) mindestens näherungsweise in einer Sender- Symmetrieachse zusammenfallen, und wobei die Empfängereinrichtung (38; 68; 68'; 104; 114; 134) einen dem ersten Sender (22; 60a; 60a'; 98a; 136) zugeordneten ersten Empfänger (40; 72a; 72a'; 106a; 140) und einen dem zweiten Sender (28; 60b; 60b'; 98b; 138) zugeordneten zweiten Empfänger (48; 72b; 72b'; 106b; 142) aufweist.
2. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Empfänger (40; 72a; 72a'; 106a; 140) und der zweite Empfänger (48; 72b; 72b'; 106b; 142) galvanisch getrennt sind .
3. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Empfänger (40; 72a; 72a'; 106a; 140) eine erste Symmetrieachse und der zweite Empfänger (48; 72b; 72b'; 106b; 142) eine zweite Symmetrieachse aufweisen, wobei die erste Symmetrieachse des ersten Empfängers (40; 72a; 72a'; 106a; 140) und die zweite Symmetrieachse des zweiten Empfängers (48; 72b; 72b'; 106b; 142) in einer Empfänger-Symmetrieachse (128) mindestens näherungsweise zusammenfallen.
4. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender-Symmetrieachse (126) und die Empfänger- Symmetrieachse (128) mindestens näherungsweise zusammenfallen .
5. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Empfänger-Symmetrieachse und/oder die Sender-Symmetrieachse eine Rotationsachse für eine relative Rotation der Empfängereinrichtung (36) zu der Sendereinrichtung (38) ist.
6. Energieübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen dritten Sender (60c; 60c'; 98c) mit einer dritten Resonanzfrequenz, welche verschieden von der ersten Resonanzfrequenz und der zweiten Resonanzfrequenz ist, und mit einer dritten Symmetrieachse, welche mit der Sender-Symmetrieachse mindestens näherungsweise zusammenfällt, wobei der dritte Sender (60c; 60c'; 98c) galvanisch von dem ersten Sender (60a; 60a'; 98a) und dem zweiten Sender (60b; 60b'; 98b) getrennt ist.
7. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen dritten Empfänger (72c; 72c'; 106c), welcher dem dritten Sender (60c; 60c'; 98c) zugeordnet ist, mit einer dritten Symmetrieachse des dritten Empfängers (72c; 72c'; 106c), welcher mit einer Empfänger- Symmetrieachse mindestens näherungsweise zusammenfällt, wobei der dritte Empfänger (72c; 72c'; 106c) galvanisch von dem ersten Empfänger (72a; 72a'; 106a) und dem zweiten Empfänger (72b; 72b'; 106b) getrennt ist.
8. Energieübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer ersten Sender-Empfänger- Kombination der Sendereinrichtung (56; 56') und Empfängereinrichtung (68; 68') ein Aktorensystem zugeordnet ist und einer zweiten Sender- Empfänger-Kombination ein Sensorsystem und/oder Datenübertragungssystem zugeordnet ist.
9. Energieübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängereinrichtung (38; 68; 68'; 104; 114; 134) induktiv, kapazitiv oder indukto-kapazitiv an die Sendereinrichtung (36; 56; 56'; 88; 112; 132) gekoppelt ist.
10. Energieübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spulen oder Schwingkreise der Sendereinrichtung (56; 56') an einem ersten Kern (58; 58') angeordnet sind und Spulen oder Schwingkreise der Empfängereinrichtung (68; 68') an einem zweiten Kern (70; 70') angeordnet sind.
11. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass der erste Kern (58; 58') und/oder der zweite Kern (70; 70') als Zylinderkern oder Topfkern oder U-Kern oder E-Kern ausgebildet ist.
12. Energieübertragungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kern in einen an dem zweiten Kern gebildeten Innenraum eingetaucht ist oder der zweite Kern (70') in einen an dem ersten Kern (58') gebildeten Innenraum eingetaucht ist.
13. Energieübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendereinrichtung (36) und die Empfängereinrichtung (38) gleich ausgebildet sind.
14. Energieübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Sendereinrichtung (36) und der Empfängereinrichtung (38) ein Luftspalt liegt.
15. Energieübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Versatz zwischen der Sender- Symmetrieachse und einer Empfänger-Symmetrieachse höchstens einen halben Durchmesser der Spule der Sendereinrichtung (36) oder der Empfängereinrichtung (38) mit dem kleinsten Durchmesser beträgt.
16. Energieübertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Resonanzfrequenz und die zweite Resonanzfrequenz so gewählt sind, dass bei einem Windungs- schluss einer Spule der Sendereinrichtung (36) oder der Empfängereinrichtung (38) die Resonanzfrequenzen unterschiedlich bleiben und/oder dass durch Dämpfung zwischen Schwingkreisen der Sendereinrichtung (36) und der Empfängereinrichtung (38) ausreichende Isolationswiderstände für eine Beabstandung der Resonanzfrequenzen vorliegen.
17. Verfahren zur kontaktlosen Energieübertragung von einer Sendereinrichtung (36) zu einer Empfängereinrichtung (38), bei dem ein erster Sender (22) kontaktlos Energie mit einer ersten Sendefrequenz an einen ersten Empfänger (40) überträgt, und ein zweiter Sender (28) kontaktlos Energie mit einer zweiten Sendefrequenz an einen zweiten Empfänger (48) überträgt, wobei der erste Sender (22) und der zweite Sender (28) galvanisch getrennt sind, und der erste Empfänger (40) und der zweite Empfänger (48) galvanisch getrennt sind, und wobei die erste Sendefrequenz und die zweite Sendefrequenz verschieden sind, und bei dem eine Sender-Symmetrieachse des ersten Senders (22) und des zweiten Senders (28) und eine Empfänger-Symmetrieachse des ersten Empfängers (40) und des zweiten Empfängers (48) mindestens näherungsweise zusammenfallen.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängereinrichtung (38) relativ zu der Sendereinrichtung (36) rotiert mit einer Rotationsachse, welche mindestens näherungsweise mit der Sender-Symmetrieachse oder der Empfänger-Symmetrieachse zusammenfällt.
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