WO2018215531A1 - Induktives energieübertragungssystem - Google Patents

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WO2018215531A1
WO2018215531A1 PCT/EP2018/063491 EP2018063491W WO2018215531A1 WO 2018215531 A1 WO2018215531 A1 WO 2018215531A1 EP 2018063491 W EP2018063491 W EP 2018063491W WO 2018215531 A1 WO2018215531 A1 WO 2018215531A1
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WO
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energy transmission
phase
windings
transmission path
module according
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PCT/EP2018/063491
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English (en)
French (fr)
Inventor
Faical Turki
Original Assignee
Paul Vahle Gmbh & Co. Kg
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Publication date
Application filed by Paul Vahle Gmbh & Co. Kg filed Critical Paul Vahle Gmbh & Co. Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/42—Circuits specially adapted for the purpose of modifying, or compensating for, electric characteristics of transformers, reactors, or choke coils

Definitions

  • Generic inductive energy transmission systems wherein the power supply is fed only on one side, the beginning of the energy transmission path.
  • the parallel-guided conductors per phase are short-circuited at the end of the energy transmission path, as shown in FIG.
  • the energy transmission path is designed for a certain maximum transmission power, depending on the design and regulations, a maximum voltage of z. B. 1,000 V may not be exceeded.
  • Object of the present invention is to increase the injected power at a designed for a given maximum transmission power inductive energy transmission path, in particular to double.
  • the invention is characterized in that the energy supply not only from one side, but from two sides. In general, a series connection of power sources is not permitted or technically possible, since a fair distribution of the source voltages can not be met. The invention solves this problem in that a magnetic see or galvanic coupling of the sources is provided.
  • the feed module for the energy transmission system comprises a transformer system which has at least two output windings and at least one source, in particular in the form of a current source, per phase.
  • the at least two output windings can be divided into separate transformers or wound up on a transformer core. It is also possible that a plurality of separate transformers are provided, each having at least one output winding.
  • the terminal ends of the conductors of the transmission path are connected directly to the output windings or via the supply lines, compensation devices, in particular in the form of capacitors, and together with these form a closed series resonant circuit per phase.
  • the inductive power transmission system consists of a transformer having a primary winding to which a current source is connected and two output windings, which is wound around the same transformer core as the primary winding.
  • Each pole of the output windings is connected directly or, if necessary, via a compensation capacitor to one conductor end of the two conductors laid per phase along the transmission path, the poles of the first output winding to the conductor ends of the beginning of the transmission path and the poles of the second output winding to the conductor ends of the end of the transmission line directly connected via the interposition of at least one compensation capacitor.
  • additional supply lines in particular in the form of coaxial cables or twisted conductors, are interposed.
  • magnetic coupling can also be a coupling via equalization windings
  • at least two separate transformers are provided, which in addition to their output windings additionally each have at least one compensating winding which are wound around the same transformer core as the output windings and primary windings of the respective transformer.
  • the equalization windings of a phase are switched according to the invention for coupling to each other in parallel, whereby a fair distribution of power is made to the current sources of a phase.
  • the transformer system comprising at least one transformer core, which according to the invention has a number of output windings per phase.
  • the transformer system can also have at least two transformers, each having one or more primary windings, wherein the transformers are either magnetically coupled to one another via a common transformer core and / or galvanically by means of compensating windings.
  • So z. B. be fed to increase the transmission power both the input and the output of the transmission path by means of two identical transformer systems.
  • the transformer systems each have two transformers each having a primary winding an output winding and a compensating winding. At each primary winding while a power source is connected.
  • the two output windings are connected in series, the two free poles of the series connection of the output windings, if necessary, are connected via compensation capacitors to the conductor ends of the beginning of the transmission path.
  • the other, the end of the transmission line associated transformer system is connected with its free poles of the series connection of the output windings directly or compensation capacitors or supply lines to the ends of the conductors of the transmission path.
  • the equalizing windings of the two transformer systems are all connected in parallel with each other.
  • transformer systems can also be used directly for multi-phase transmission links, in which case a corresponding infeed module and conductor for the transmission link must be used for each phase.
  • transformer systems can also be used directly for multi-phase transmission links, in which case a corresponding infeed module and conductor for the transmission link must be used for each phase.
  • a three-phase inductive transmission system can, for. B. advantageously be designed such that a transformer is provided per phase.
  • Each transformer has a primary winding and an output winding with a central connection.
  • the power source for each phase is connected.
  • For each phase only one phase conductor is provided which runs along the transmission path.
  • the three phase conductors are to be arranged parallel to each other, but together can be routed in principle in arbitrary paths.
  • the conductor ends of the respective associated phase conductor are connected, which may still be interposed compensation capacitors and supply lines. All center connections of the output windings must be galvanically connected to each other to balance the sources.
  • the output windings of one phase together with the conductor (s) of the relevant phase of the energy transmission path and any compensation devices, in particular in the form of at least one capacitor, and supply lines form a closed electrical series resonant circuit.
  • 3c shows an embodiment with a transmission path in which the two conductors running parallel to the transmission line form a quadrupole; Infeed module with four sources; Embodiment with a twisted feed line; Embodiment with a U-shaped laid transmission path; Embodiment with a rectangular laid transmission path; 8 shows a three-phase inductive energy transmission system with a feed module according to the invention.
  • FIG. 1a shows a representation of two inductive energy transmission systems EU and EL 2 , wherein each energy transmission system can transmit the power P to its mobile consumers Vi and V 2 .
  • the primary conductor loop of the first energy transmission system ELi consists of a forward conductor L H and a return conductor L R , which are short-circuited at point K.
  • the primary conductor loop is an inductance and forms a resonant circuit together with the compensation capacitors.
  • the Resonanzfre ⁇ frequency is in inductive energy transmission systems in the 50-150 kHz range. Due to the short circuit at point P, the voltage at this point is OV.
  • the maximum allowable voltage for such Energybergertragungsstre ⁇ CKEN is common, for example, to 1,000V, limited and is made up of active and reactive power.
  • the energy transmission path is fed by a current source Qi via the transformer Ti, which has a primary winding PRI and a secondary winding SEC.
  • the second (right) energy transmission system EL 2 is constructed identically.
  • the invention proposes in a first variant, to couple the two transformers Ti and T 2 with each other for balancing the source voltages.
  • the construction shown in FIG. 1c is supplemented by the compensating windings S 2 , as shown in FIG. 1 d.
  • the compensating windings S 2 are thereby connected in parallel by means of the conductors L A i and L A2 , so that a fair voltage distribution to the current sources Qi and Q 2 takes place via the equalizing windings S 2 .
  • the energy transmission system according to the invention can thus be fed with power P from both sides, whereby twice the power can be transmitted to the consumer V via the equally dimensioned transmission path while maintaining the maximum voltage previously present for an energy transmission system.
  • the ELi inductive power transmission system was designed for 22 kW, then with the same design of the track, an output of 44 kW can now be transmitted.
  • the compensating windings S 2 are wound, like the windings PRI and Si, around the same transformer core.
  • the secondary windings Si correspond to the secondary windings SEC of the energy transmission systems illustrated in FIGS. 1 a to 1 c.
  • the equalization windings S 2 shown in FIG. 1 d do not necessarily have to be provided. Rather, it is also possible to couple the transformers Ti and T 2 magnetically with each other. Such a magnetic coupling is shown by way of example in FIG. 2a.
  • the primary windings PRIi and PRI 2 , as well as the secondary windings Si of the transformers Ti and T 2 are wound on a common core TK for magnetic coupling.
  • This measure also advantageously makes it possible to achieve symmetrization of the source voltages of the current sources Qi and Q 2 .
  • FIG. 2b A further development of the energy transmission system shown in FIG. 2a is shown in FIG. 2b.
  • the two primary windings PRIi and PRI 2 can be combined to form a common winding PRI, wherein instead of the two current sources with the respective power P a single source with the power 2 * P is used, whereby the same power is fed into the energy transmission path EL.
  • the coaxial conductor CO shown in FIG. 2a can be replaced by normal conductors, thus allowing a longer transmission distance up to the point EL E ' .
  • FIG. 3a corresponds to FIG. 2a and is only intended to show that starting from this structure, the embodiments illustrated in FIGS. 3b and 3c can also be derived.
  • the embodiment shown in Figure 3b is characterized in that the two transformers Tl and T2 are not magnetically but galvanically coupled to each other via the equalizing windings S2, so that the voltages are split fairly to the current sources Ql and Q2.
  • the actual transmission path is unchanged from the embodiment shown in FIG. 3a.
  • the embodiment shown in FIG. 3 c differs from that shown in FIG. 3 b in that the feed takes place only via the side EL A.
  • the conductors Li and L 2 are, as in the case of the inductive energy transmission system ELi shown in FIG. 1C, short-circuited at the point K, so that the conductor Li virtually forms the forward conductor and the conductor L 2 the return conductor of the primary conductor loop. This is possible because the output windings Sl of the two transformers Ti and T 2 are connected in series by means of the connection LS. The coupling of the two transformers Ti and T 2 takes place via the two equalizing windings S 2 connected in parallel.
  • the coupling could also be effected by omitting the equalizing windings S 2 and providing a magnetic coupling in which the windings PRI and Si of the two transformers Ti and T 2 are placed on a common winding core - as shown in FIG is shown - are wound.
  • FIG. 4 shows another possible feed module with four sources Qi-Q 4 and four transformers Ti-T 4 , wherein each transformer has an output Winding Si and a compensating winding S 2 has.
  • the output windings S 2 of all transformers are connected in parallel with each other.
  • the sources Qi and Q 2 feed via the output windings Si of the transformers Ti and T 2, the input side EL A of the energy transmission path EL, wherein the output windings Si are connected in series by means of the conductor LS, whereby a power of 2 * 11 kW the side EL A is fed into the transmission line.
  • the sources Q 3 and Q 4 feed via the output windings Si of the transformers T 3 and T 4 the output side EL E of the energy transmission path, wherein between the feed point EL E and the Kompensati- onskondensatoren still a coaxial cable is arranged to bridge a distance loss as possible , on which no inductive energy transfer should take place.
  • the power of all four sources Qi-Q 4 of 4 * 11 kW can thus be transferred to the consumer V.
  • FIG. 5 shows a further alternative embodiment with a twisted feed line, which is arranged at the location of a possible coaxial line, as illustrated and explained in FIG. In the area where the conductors Li and L 2 are twisted, no energy can be transmitted inductively.
  • FIGS. 6 and 7 show further alternative embodiments of the primary system, wherein FIG. 7 shows a transmission path laid in a U-shaped manner and FIG. 7 shows a transmission path laid in a rectangular manner.
  • the conductors Li and L 2 can be laid in any curved paths, provided that the conductors are always laid parallel to each other.
  • FIG. 8 shows a possible embodiment for a 3-phase inductive energy transmission system with a feed module according to the invention, which comprises the three sources P Uf P v , Pw for the phases u, v, w, the three transformers Tu, T v , T w each one primary winding PRI and two output windings SEC.
  • the output windings SEC of a transformer Tu, T v , T w are each connected in series, to the free poles of the windings SEC of the transformer T u the compensation capacitors C are connected to these the conductor ends of the conductor Li.
  • the compensation capacitors C for the phase conductor L 2 are connected to the output windings of the transformer T v .
  • phase conductor L 3 is connected to the winding SEC connected to the transformer T w . So that a symmetry is maintained, the connection points of the output windings SEC of all transformers Tu, T v , T w are also electrically connected to each other.
  • the consumer V can be moved in the direction of arrow along the transmission line Ü.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen stationären Teil eines induktiven Energieübertragungssystems, mit einer m-phasigen Energieübertragungsstrecke (EL) mit m ∈ N und N = {1, 2, 3,....}, und einem Einspeisemodul, wobei die Energieübertragungsstrecke (EL) einen Anfang (ELA) und ein Ende (ELE) aufweist und sich der mindestens eine Leiter (L1, L2; LU, LV, LW) pro Phase (Pm) vom Anfang (ELA) bis zum Ende (ELE) erstreckt, und jeder Leiter (L1, L2; LU, LV, LW) zwei Anschlussenden (A, E) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfang (ELA) und das Ende (ELE) der Energieübertragungsstrecke (EL) jeweils einen Energieeinspeisepunkt bilden.

Description

Induktives Energieübertragungssystem
Die vorliegende Erfindung betrifft einen stationären Teil eines induktiven Energieübertragungssystems, mit einer m-phasigen Energieübertragungsstrecke mit m e N und N = {1, 2, 3, ....}, und einem Einspeisemodul, wobei die Energieübertragungsstrecke einen Anfang und ein Ende aufweist und sich der mindestens eine Leiter für eine Phase vom Anfang bis zum Ende der Übertra- gungsstrecke erstreckt, und jeder Leiter zwei Anschlussenden aufweist.
Gattungsgemäße induktive Energieübertragungssysteme sind bekannt, wobei die Energieeinspeisung lediglich über eine Seite, dem Anfang der Energieübertragungsstrecke, eingespeist wird . Die parallel geführten Leiter pro Phase sind am Ende der Energieübertragungsstrecke, wie in Figur la dargestellt, kurzge- schlössen. Die Energieübertragungsstrecke ist auf eine bestimmte maximale Übertragungsleistung ausgelegt, wobei je nach Auslegung und Vorschriften eine maximale Spannung von z. B. 1.000 V nicht überschritten werden darf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingespeiste Leistung bei einer auf eine bestimmte maximale Übertragungsleistung ausgelegten induktiven Energieübertragungsstrecke zu erhöhen, insbesondere zu verdoppeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen stationären Teil des induktiven Energieübertragungssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Energieeinspeisung nicht nur von der einen Seite her erfolgt, sondern von zwei Seiten her. In der Regel ist eine Reihenschaltung von Stromquellen nicht gestattet bzw. technisch möglich, da eine gerechte Verteilung der Quellenspannungen nicht eingehalten werden kann. Die Erfindung löst dieses Problem dadurch, dass eine magneti- sehe oder galvanische Kopplung der Quellen vorgesehen ist.
Das Einspeisemodul für das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem weist ein Transformatorsystem auf, welches mindestens zwei Ausgangswicklungen und mindestens eine Quelle, insbesondere in Form einer Stromquelle, je Phase aufweist. Dabei können die mindestens zwei Ausgangswicklungen auf getrennte Transformatoren aufgeteilt oder auf einem Transformatorkern aufgewickelt sein. Es ist zudem möglich, dass mehrere getrennte Transformatoren vorgesehen sind, welche jeweils mindestens eine Ausgangswicklung aufweisen. An die Ausgangswicklungen sind die Anschlussenden der Leiter der Übertragungsstrecke unmittelbar oder über die Zuführleitungen, Kompensati- onseinrichtungen, insbesondere in Form von Kondensatoren, angeschlossen und bilden zusammen mit diesen einen geschlossenen Serienschwingkreis je Phase.
Zur Verringerung der Streufelder und der Verlustleistung kann als Zuführleitung auch ein Koaxialkabel oder einen verdrillte Leiter vorgesehen werden. Im einfachsten Falle besteht das erfindungsgemäße induktive Energieübertragungssystem aus einem Transformator mit einer Primärwicklung, an die eine Stromquelle angeschlossen ist und zwei Ausgangswicklungen, welche um den gleichen Transformatorkern wie die Primärwicklung gewickelt ist. Jeder Pol der Ausgangswicklungen ist direkt, oder sofern dies notwendig ist, über einen Kompensationskondensator mit einem Leiterende der beiden je Phase entlang der Übertragungsstrecke verlegten Leiter verbunden, wobei die Pole der ersten Ausgangswicklung mit den Leiterenden des Anfangs der Übertragungsstrecke und die Pole der zweiten Ausgangswicklung mit den Leiterenden des Endes der Übertragungsstrecke direkt der über Zwischenschaltung mindestens eines Kompensationskondensators verbunden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass noch zusätzliche Zuführleitungen, insbesondere in Form von Koaxialkabeln oder verdrillten Leitern, zwischengeschaltet sind . Anstatt der vorbeschriebenen magnetischen Kopplung kann auch eine Kopplung über Ausgleichswicklungen erfolgen, wobei dann mindestens zwei getrennte Transformatoren vorgesehen sind, welche neben ihren Ausgangswicklungen noch zusätzlich jeweils mindestens eine Ausgleichswicklung aufweisen, die um den gleichen Transformatorkern wie die Ausgangswicklungen und Primärwicklungen des jeweiligen Transformators gewickelt sind . Die Ausgleichswicklungen einer Phase werden erfindungsgemäß zur Kopplung zueinander parallel geschaltet, wodurch eine gerechte Leistungsaufteilung auf die Stromquellen einer Phase erfolgt. Das Transformatorsystem, bestehend aus mindestens einem Transformatorkern, welcher erfindungsgemäß eine Anzahl von Ausgangswicklungen je Phase aufweist.
Das Transformatorsystem kann zudem mindestens zwei Transformatoren mit jeweils einer oder mehreren Primärwicklungen aufweisen, wobei die Transfor- matoren entweder magnetisch über einen gemeinsamen Transformatorkern und/oder galvanisch mittels Ausgleichswicklungen miteinander gekoppelt sind .
So kann z. B. zur Erhöhung der Übertragungsleistung sowohl der Eingang als auch der Ausgang der Übertragungsstrecke mittels zweier identischer Transformatorsysteme gespeist sein. Die Transformatorsysteme weisen dabei je- weils zwei Transformatoren auf, die jeweils eine Primärwicklung eine Ausgangswicklung und eine Ausgleichswicklung aufweisen. An jede Primärwicklung ist dabei eine Stromquelle angeschlossen. Die beiden Ausgangswicklungen sind in Reihe geschaltet, wobei die beiden freien Pole der Reihenschaltung der Ausgangswicklungen, sofern notwendig, über Kompensationskondensato- ren an die Leiterenden des Anfangs der Übertragungsstrecke angeschlossen sind . Das andere, dem Ende der Übertragungsstrecke zugeordnete Transformatorsystem ist mit seinen freien Polen der Reihenschaltung der Ausgangswicklungen direkt oder über Kompensationskondensatoren oder Zuführleitungen mit den Enden der Leiter der Übertragungsstrecke verbunden. Zusätzlich sind die Ausgleichswicklungen der beiden Transformatorsysteme alle zueinander parallel geschaltet.
Die zuvor beschriebenen Übertragungsstrecken und Einspeisemodule bzw. Transformatorsysteme können selbstverständlich auch unmittelbar für mehrphasige Übertragungsstrecken genutzt werden, wobei dann für jede Phase ein entsprechendes Einspeisemodul und Leiter für die Übertragungsstrecke verwendet werden müssen. Es ist jedoch auch möglich ein mehrphasiges Übertragungssystem bereitzustellen, bei dem lediglich ein Leiter pro Phase entlang der Übertragungsstrecke verlegt werden muss. Diese drei Leiter für die drei Phasen müssen dabei parallel zueinander verlegt sein, wobei die Verlegung der drei zueinander parallelen Leiter nicht nur geradlinig sondern prinzipiell in beliebigen Bahnen, so auch kreisförmig oder mäanderförmigen Bahnen, verlegt sein.
Ein dreiphasiges induktives Übertragungssystem kann z. B. vorteilhaft derart ausgebildet sein, dass je Phase ein Transformator vorgesehen ist. Jeder Transformator weist dabei eine Primärwicklung und eine Ausgangswicklung mit Mit- tenanschluss auf. An die Primärwicklung ist die Stromquelle für die jeweilige Phase angeschlossen. Für jede Phase ist lediglich ein Phasenleiter vorgesehen, welcher entlang der Übertragungsstrecke verläuft. Die drei Phasenleiter sind dabei parallel zueinander anzuordnen, können zusammen jedoch prinzipiell in beliebigen Bahnen verlegt werden. An die beiden äußeren Anschlüsse bzw. Pole der Ausgangswicklung eines Transformators sind die Leiterenden des je- weils zugehörigen Phasenleiters angeschlossen, wobei eventuell noch Kompensationskondensatoren und Zuführleitungen zwischengeschaltet sein können. Alle Mittenanschlüsse der Ausgangswicklungen sind zur Symmetrierung der Quellen miteinander galvanisch zu verbinden.
Wichtig bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist, dass die Aus- gangswicklungen einer Phase zusammen mit dem bzw. den Leitern der betreffenden Phase der Energieübertragungsstrecke sowie eventueller Kompensationseinrichtungen, insbesondere in Form mindestens eines Kondensators, und Zuführleitungen einen geschlossenen elektrischen Reihenschwingkreis bilden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Darstellung zweier induktiver Energieübertragungssysteme, wobei jedes Energieübertragungssystem die Leistung P auf seine mobilen Verbraucher übertragen kann; Darstellung der beiden induktiven Energieübertragungssyste- me aus Figur 1, wobei deren Primärleiter miteinander elektrisch verbunden sind und sich hierdurch eine Reihenschaltung der beiden Stromquellen ergibt; erste erfindungsgemäße Ausführung eines beidseitigen Einspeisemoduls für eine induktive Energieübertragungsstrecke mit Trafosystemen, die miteinander verbundene Ausgleichswicklungen zur Symmetrierung der Quellenspannungen aufweisen; weitere mögliche Ausführungen von erfindungsgemäßen Einspeisemodulen und Übertragungsstrecken; Herleitung einer weiterer möglicher Ausführungsformen aus der in Figur 3a dargestellten Ausführungsform, wobei die Figur 3b eine Ausführungsform mit nur einem am Ende der Übertragungsstrecke kurzgeschlossenen Leiter, welcher den Hin- und Rückleiter bildet, zeigt und die Figur 3c eine Ausfüh- rungsform mit einer Übertragungsstrecke zeigt, bei der die beiden parallel zur Übertragungsstrecke verlaufenden Leiter einen Vierpol bilden; Einspeisemodul mit vier Quellen; Ausführungsform mit einer verdrillten Zuführleitung; Ausführungsform mit einer U-förmig verlegten Übertragungsstrecke; Ausführungsform mit einer rechteckig verlegten Übertragungsstrecke; Fig. 8: Darstellung eines 3-phasigen induktiven Energieübertragungssystems mit einem erfindungsgemäßen Einspeisemodul.
Die Figur la zeigt eine Darstellung zweier induktiver Energieübertragungssys- teme EU und EL2, wobei jedes Energieübertragungssystem die Leistung P auf seine mobilen Verbraucher Vi und V2 übertragen kann. Die Primärleiterschleife des ersten Energieübertragungssystems ELi besteht aus einem Hinleiter LH und einem Rückleiter LR, welche im Punkt K kurzgeschlossen sind. Die Primärleiterschleife ist eine Induktivität und bildet zusammen mit den Kompensati- onskondensatoren einen Schwingkreis. Üblicherweise liegt die Resonanzfre¬ quenz bei induktiven Energieübertragungssystemen im 50-150 kHz-Bereich. Aufgrund des Kurzschlusses im Punkt P beträgt die Spannung in diesem Punkt OV. Die maximal zulässige Spannung bei derartigen Energieübertragungsstre¬ cken ist häufig, z.B. auf 1.000V, begrenzt und setzt sich aus der Wirk- und Blindspannung zusammen. Die Energieübertragungsstrecke wird von einer Stromquelle Qi über den Transformator Ti, welcher eine Primärwicklung PRI und eine Sekundärwicklung SEC aufweist, gespeist. Das zweite (rechte) Energieübertragungssystem EL2 ist identisch aufgebaut.
Würde man, wie in den Figuren lb und lc dargestellt, die beiden Energieüber- tragungssysteme ELi und EL2 aus Figur la im Punkt K miteinander verbinden, was aufgrund der dort vorliegenden Spannung von OV aufgrund des dort vorliegenden Kurzschlusses theoretisch möglich wäre, so würde man die beiden Stromquellen Qi und Q2 in Reihe schalten. Es würde ein induktives Energie¬ übertragungssystem entstehen, welches von beiden Seiten der Strecke her gespeist wäre und theoretisch eine Leistung von 2*P auf einen Verbraucher übertagen werden könnte, ohne dass die maximal zulässige Spannung von z.B. 1.000V überschritten würde. Unter Einspeisung von zwei Seiten wird hierbei verstanden, dass die entlang der Energieübertragungsstrecke Ü verlegten Leiter Li und L2 einen Anfang ELA und ein Ende ELE aufweisen, von denen aus Energie in die Leiter gespeist wird. Die Reihenschaltung von zwei Stromquellen ist jedoch nicht zulässig, da die Quellenspannungen nicht gleich wären und sich somit eine ungleiche Leistungsaufteilung einstellen würde. Damit die Quellenspannungen gleich auf die beiden Stromquellen Ql und Q2 verteilt wird, schlägt die Erfindung in einer ersten Variante vor, die beiden Transformatoren Ti und T2 miteinander zur Symmetrierung der Quellenspannungen zu koppeln. Der in Figur lc gezeigte Aufbau wird hierzu um die Aus- gleichswicklungen S2 ergänzt, wie dies in Figur ld dargestellt ist. Die Ausgleichswicklungen S2 werden dabei mittels der Leiter LAi und LA2 parallelgeschaltet, so dass über die Ausgleichswicklungen S2 eine gerechte Spannungsaufteilung auf die Stromquellen Qi und Q2 erfolgt. Durch die vorteilhafte Symmetrierung der Quellenspannungen kann somit die erfindungsgemäße Energieübertragungssystem von zwei Seiten aus mit jeweils der Leistung P gespeist werden, wodurch bei Einhaltung der vorher für ein Energieübertragungssystem bestehenden maximalen Spannung die doppelte Leistung über die gleich ausgelegte Übertragungsstrecke auf den Verbraucher V übertragen werden kann. War z.B. das induktive Energieübertragungssystem ELi auf 22 kW ausgelegt, so kann bei gleicher Auslegung der Strecke nunmehr eine Leistung von 44 kW übertragen werden.
Die Ausgleichswicklungen S2 sind dabei wie die Wicklungen PRI und Si, um den gleichen Transformatorkern gewickelt. Die Sekundärwicklungen Si entsprechen dabei den Sekundärwicklungen SEC der in den Figuren la bis lc dargestellten Energieübertragungssysteme.
Zur Symmetrierung der Quellenspannungen der Stromquellen Qi und Q2 müssen jedoch nicht zwingend die in Figur ld gezeigten Ausgleichswicklungen S2 vorgesehen werden. Es ist vielmehr auch möglich, die Transformatoren Ti und T2 magnetisch miteinander zu koppeln. Eine derartige magnetische Kopplung ist beispielhaft in Figur 2a dargestellt. Die Primärwicklungen PRIi und PRI2, sowie die Sekundärwicklungen Si der Transformatoren Ti und T2 sind zur magnetischen Kopplung auf einen gemeinsamen Kern TK gewickelt. Auch durch diese Maßnahme lässt sich vorteilhaft eine Symmetrierung der Quellenspannungen der Stromquellen Qi und Q2 erzielen. Der in Figur ld rechts ge- zeichnete Transformator T2 wird hierzu über einen Koaxialleiter CO an die rechten Kompensationskondensatoren C an das Ende ELE der Leiter Li und L2 angeschlossen. Eine Weiterentwicklung des in Figur 2a dargestellten Energieübertragungssystems ist in Figur 2b gezeigt. Die beiden Primärwicklungen PRIi und PRI2 können zu einer gemeinsamen Wicklung PRI zusammengefasst werden wobei anstatt der zwei Stromquellen mit der jeweiligen Leistung P eine einzige Quelle mit der Leistung 2*P verwendet wird, wodurch die gleiche Leistung in die Energieübertragungsstrecke EL gespeist wird . Der in Figur 2a gezeigte Koaxialleiter CO kann durch normale Leiter ersetzt werden, wodurch somit auch eine länger Übertragungsstrecke bis zum Punkt ELE ' möglich wird .
Die Figur 3a entspricht der Figur 2a und soll nur zeigen, dass ausgehend von diesem Aufbau auch die in den Figuren 3b und 3c dargestellten Ausführungsformen herleitbar sind .
Die in Figur 3b dargestellte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Transformatoren Tl und T2 nicht magnetisch, sondern galvanisch über die Ausgleichswicklungen S2 miteinander gekoppelt sind, damit die Spannungen gerecht auf die Stromquellen Ql und Q2 aufgeteilt werden. Die eigentliche Übertragungsstrecke ist gegenüber der in Figur 3a gezeigter Ausführungsform unverändert.
Die in Figur 3c gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Figur 3b gezeigten dadurch, dass die Einspeisung lediglich über die Seite ELA erfolgt. Die Leiter Li und L2 sind, wie bei dem in Figur la gezeigten induktiven Energieübertragungssystem ELi im Punkt K kurzgeschlossen, so dass der Leiter Li quasi den Hinleiter und der Leiter L2 den Rückleiter der Primärleiterschleife bilden. Dies ist möglich, da die Ausgangswicklungen Sl der beiden Transformatoren Ti und T2 mittels der Verbindung LS in Reihe geschaltet sind . Die Kopplung der beiden Transformatoren Ti und T2 erfolgt dabei über die beiden parallelgeschalteten Ausgleichswicklungen S2. Die Kopplung könnte auch dadurch erfolgen, in dem auf die Ausgleichswicklungen S2 verzichtet wird und die eine magnetische Kopplung vorgesehen wird, bei der die Wicklungen PRI und Si der beiden Transformatoren Ti und T2 auf einen gemeinsamen Wick- lungskern - wie es in Figur 3a dargestellt ist - gewickelt sind .
Die Figur 4 zeigt ein weiteres mögliches Einspeisemodul mit vier Quellen Qi-Q4 und vier Transformatoren Ti-T4, wobei jeder Transformator eine Ausgangs- Wicklung Si und eine Ausgleichswicklung S2 aufweist. Die Ausgangswicklungen S2 aller Transformatoren sind zueinander parallel geschaltet. Die Quellen Qi und Q2, speisen über die Ausgangswicklungen Si der Transformatoren Ti und T2 die Eingangsseite ELA der Energieübertragungsstrecke EL, wobei deren Aus- gangswicklungen Si mittels des Leiters LS in Reihe geschaltet sind, wodurch eine Leistung von 2 * 11 kW von der Seite ELA in die Übertragungsstrecke eingespeist wird . Die Quellen Q3 und Q4 speisen über die Ausgangswicklungen Si der Transformatoren T3 und T4 die Ausgangsseite ELE der Energieübertragungsstrecke, wobei zwischen dem Einspeisepunkt ELE und den Kompensati- onskondensatoren noch ein Koaxialkabel angeordnet ist, um eine Strecke möglichst verlustfrei zu überbrücken, auf der keine induktive Energieübertragung erfolgen soll. Insgesamt kann somit die Leistung aller vier Quellen Qi-Q4 von 4*11 kW auf den Verbraucher V übertragen werden.
Die Figur 5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform mit einer verdrillten Zuführleitung, welche an der Stelle einer möglichen Koaxialleitung, wie sie in Figur 4 dargestellt und erläutert ist, angeordnet ist. In dem Bereich, wo die Leiter Li und L2 verdrillt sind, kann keine Energie induktiv übertragen werden.
Die Figuren 6 und 7 zeigen weitere alternative Ausgestaltungen des Primärsystems, wobei in Figur eine U-förmig verlegte Übertragungsstrecke und in Figur 7 eine rechteckig verlegte Übertragungsstrecke dargestellt ist. Im Prinzip können die Leiter Li und L2 in beliebigen Kurvenbahnen verlegt werden, sofern die Leiter stets parallel zueinander verlegt sind .
Die Figur 8 zeigt eine mögliche Ausführungsform für ein 3-phasiges induktives Energieübertragungssystem mit einem erfindungsgemäßen Einspeisemodul, welches aus den drei Quellen PUf Pv, Pw für die Phasen u, v, w, den drei Transformatoren Tu, Tv, Tw mit jeweils einer Primärwicklung PRI und zwei Ausgangswicklungen SEC besteht. Die Ausgangswicklungen SEC eines Transformators Tu, Tv, Tw sind jeweils in Reihe geschaltet, wobei an die freien Pole der Wicklungen SEC des Transformators Tu die Kompensationskondensatoren C an diese die Leiterenden des Leiters Li angeschlossen sind . An die Ausgangswicklungen des Transformators Tv sind die Kompensationskondensatoren C für den Phasenleiter L2 angeschlossen. Analog ist der Phasenleiter L3 mit den Wicklun- gen SEC des Transformators Tw verbunden. Damit eine Symmetrie eingehalten wird, sind die Verbindungspunkte der Ausgangswicklungen SEC aller Transformatoren Tu, Tv, Tw ebenfalls miteinander elektrisch verbunden. Der Verbraucher V kann in Pfeilrichtung entlang der Übertragungsstrecke Ü bewegt werden.

Claims

Patentansprüche
Stationärer Teil eines induktiven Energieübertragungssystems, mit einer m-phasigen Energieübertragungsstrecke (EL) mit m€ N und
N = {1, 2, 3, ....}, und einem Einspeisemodul, wobei die Energieübertragungsstrecke (EL) einen Anfang (ELA) und ein Ende (ELE) aufweist und sich der mindestens eine Leiter (Li, L2; LUf Lv, Lw) pro Phase (Pm) vom Anfang (ELA) bis zum Ende (ELE) erstreckt, und jeder Leiter (Li, L2; LUf Lv, Lw) zwei Anschlussenden (A, E) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfang (ELA) und das Ende (ELE) der Energieübertragungsstrecke (EL) jeweils einen Energieeinspeisepunkt bil den.
Stationärer Teil eines induktiven Energieübertragungssystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspeisemodul (EM) ein Transformatorsystem mit mindestens zwei Ausgangswicklungen (Si; SEC) und mindestens eine Quelle (Q) je Phase (Pm) aufweist.
Stationärer Teil eines induktiven Energieübertragungssystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Anschlussende (Lia, Lie, L2a, L2e; LUa, Lue, LVa, LVe, LWa, LWe) einer Leitung (Li, L2; LUf Lv, Lw) unmit¬ telbar oder über zwischengeschaltete Elemente, insbesondere in Form ei ner Zuführleitung (CO, ZL) oder mindestens einer Kompensationseinrichtung (C), insbesondere in Form eines Kondensators (C), an einem Pol (PSu, PSi2, PRu, PRi2) einer Ausgangswicklung (Si; SEC) angeschlossen ist.
Stationärer Teil eines induktiven Energieübertragungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangs Wicklungen (Si; SEC) je Phase (Pm) magnetisch über einen Transformatorkern (TK) gekoppelt sind .
5. Einspeisemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswicklungen (Si; SEC) eines Transformators (T) durch eine Wicklung mit entsprechendem bzw. -n Mittenabgriff(-en) (M) gebildet ist bzw. sind . 6. Einspeisemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformatorsystem (TS; SEC) eine Anzahl A von Ausgangswicklungen (Si) je Phase (Pm) aufweist, mit A = 2*n und n £ N und N = {1, 2, 3, ...}.
7. Einspeisemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich- net, dass über die mindestens eine Leitung (Li, L2; LUf , Lw) der Energieübertragungsstrecke (EL) und deren Kompensation (C) die Ausgangswicklungen (Si; SEC) einer Phase (Pm) in Reihe geschaltet sind .
8. Einspeisemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformatorsystem (TS) je Phase (Pm) der Energieübertragungsstrecke (EL) zusätzlich mindestens zwei Ausgleichswicklungen (S2) aufweist, die zueinander parallel geschaltet sind .
9. Einspeisemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformatorsystem (TS) einen Transformator (T) mit mehreren Primärwicklungen (PRI) aufweist, welche magnetisch über den Transformatorkern (TK) miteinander gekoppelt sind .
10. Einspeisemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformatorsystem (TS) durch mindestens zwei Transformatoren (T) mit jeweils einer oder mehreren Primärwicklungen (PRI) gebildet ist, wobei die Transformatoren (T), insbesondere magnetisch o- der galvanisch, miteinander gekoppelt sind .
11. Einspeisemodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Transformator (T) mindestens eine Ausgleichswicklungen (S2) für eine Phase (Pm) aufweist, wobei die Ausgleichswicklungen (S2) einer Phase (Pm) zueinander parallelgeschaltet sind . 12. Einspeisemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Ausgangswicklungen (Si; SEC) einer Phase (Pm) über eine elektrische Leitung (Li, L2; LUf Lv, Lw) der Energieübertragungsstrecke (EL), mindestens eine Kompensationseinrichtung (C), insbesondere in Form eines Kondensators (C) und/oder direkt miteinander in Reihe geschaltet sind .
Einspeisemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungsstrecke (EL) je Phase (Pm) nur einen einzigen elektrischen Leiter (LUf Lv, Lw) aufweist, dessen Enden (LUa, LVa, LWa, LUe, LVe, LWe) jeweils mit einem Pol (PSu, PSi2) gesonderter Ausgangswicklungen (SEC) direkt oder über mindestens eine zwischengeschaltete Kompensationseinrichtung (C), insbesondere in Form eines Kondensators (C), verbunden ist, wobei die Ausgangswicklungen (SEC) unmittelbar oder über zwischengeschaltete Leitungen und/oder Kondensatoren (C) in Reihe geschaltet sind .
Einspeisemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungsstrecke (EL) je Phase (Pm) zwei elektrische Leiter (Li, L2) aufweist, deren Enden (Lia, Lie, L2a, L2e) mit den Polen (PSu, PSi2) von Ausgangswicklungen (Si) oder den Polen (PRu, PRi2) einer Reihenschaltung von Ausgangswicklungen (Si) direkt oder über mindestens eine zwischengeschaltete Kompensationseinrichtung (C), insbesondere in Form eines Kondensators (C), verbunden sind .
Einspeisemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswicklungen (Si) einer Phase (Pm) zusammen mit dem bzw. den Leitern (Li, L2; LUf Lv, Lw) der betreffenden Phase (Pm) der Energieübertragungsstrecke (EL) sowie eventueller Kompensationseinrichtungen (C), insbesondere in Form mindestens eines Kondensators (C), einen geschlossenen elektrischen Reihenschwingkreis bilden.
Einspeisemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Leiter (Li, L2; LUf Lv, Lw) einer Phase (Pm) der Energieübertragungsstrecke (EL) direkt oder über zwischengeschaltete Kompensationseinrichtungen (C), insbesondere in Form mindestens ei- nes Kondensators (C), an eine verdrillte Leitung (DL) oder einen Koaxialleiter (CO) angeschlossen sind .
Einspeisemodul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die verdrillte Leitung (ZL) bzw. der Koaxialleiter (CO) als Rückleitung bzw. Zuführleitung (ZL) dient, entlang derer keine induktive Energieübertragung erfolgt.
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