WO2022042931A1 - Vorrichtung und system zur berührungslosen energieübertragung - Google Patents

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WO2022042931A1
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conductor
current
loop
coupling
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Jürgen BÖCKLE
Klaus Schwesinger
Michael Geissler
Michael Kutz
Matthias Schneider
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Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to a device for contactless energy transmission to a mobile consumer, comprising an energy source which generates a primary current and a primary conductor which is laid in the form of a primary loop and has a first inductance, the primary conductor being connected to the energy source and from which Primary current is traversed.
  • the invention also relates to a system for contactless energy transmission, comprising a device according to the invention and a mobile consumer, which has a transmitter head for receiving energy.
  • a system for contactless energy transmission is known from DE 100 53 373 B4.
  • the system includes a feed that injects a medium frequency alternating current into an elongated primary conductor.
  • Mobile loads can be moved along the primary conductor and each have a coil that is inductively coupled to the primary conductor. This inductive coupling means that energy can be transmitted from the primary conductor to the consumer.
  • a system for contactless energy transmission is also known from DE 102006 013 004 A1, which comprises a feed that feeds a medium-frequency alternating current into an elongated primary conductor.
  • a system for contactless energy transmission is known from DE 102004 055 1543 B4.
  • the system includes a power source connected to an elongate primary conductor.
  • a mobile consumer which can be moved along the primary conductor, has a pick-up.
  • the pick-up has a winding which is inductively coupled to the primary conductor. This inductive coupling means that energy can be transmitted from the primary conductor to the consumer's pick-up.
  • a system which comprises a primary conductor system and at least one device arranged to be movable along it.
  • a system for the wireless transmission of power is known from US 2012/0001497 A1. Said system comprises a power transmitting section and a power receiving section.
  • a system for electromagnetic energy transmission is known from US 2018/0278095 A1, which has a primary coil and a secondary coil.
  • a system for the inductive transmission of energy to a consumer is known from EP 2 700 140 B1.
  • the system includes a primary conductor system to which a secondary winding of the load is inductively coupled.
  • An inductive energy distribution system is known from DE 692 27242 T2.
  • the power distribution system includes a power source, a primary conductive path, and multiple electrical devices.
  • the invention is based on the object of further developing a device and a system for contactless energy transmission.
  • the object is achieved according to the invention by a device for contactless energy transmission with the features specified in claim 1.
  • Advantageous refinements and developments are the subject of the dependent claims.
  • the object is also achieved by a system for contactless energy transmission with the features specified in claim 13.
  • Advantageous refinements and developments are the subject of the dependent claims.
  • the device comprises a secondary conductor, which is laid in the form of a secondary loop and has a second inductance, and a capacitance, the secondary conductor being connected to the capacitance in such a way that the second inductance and the capacitance form an oscillating circuit, and the primary loop and the Secondary loop are placed such that the primary conductor and the secondary conductor are parallel over a coupling region with a coupling length, and that the primary conductor and the secondary conductor are inductively coupled in such a way that a secondary current flows through the secondary conductor.
  • the primary current in the primary conductor which preferably has a constant fundamental frequency and a constant current intensity, generates a first magnetic field.
  • the secondary current in the secondary conductor which has the same fundamental frequency and whose current strength depends on the primary current and on the dimensioning of the oscillating circuit, generates a second magnetic field.
  • the first magnetic field and the second magnetic field are superimposed to form an overall magnetic field.
  • Energy is transferred from the device to the consumer inductively via the overall magnetic field.
  • the power that can be transmitted to the consumer depends in particular on a field strength of the overall magnetic field.
  • the intensity of the secondary current can be adjusted by means of the secondary conductor, in particular by suitable dimensioning of the oscillating circuit.
  • the field strength of the overall magnetic field can thus be adjusted.
  • the power that can be transmitted to the consumer can thus be adjusted.
  • the device according to the invention thus allows the power that can be transmitted to the consumer to be set while the current strength of the primary current remains the same.
  • the secondary loop is arranged inside the primary loop. This results in an effective inductive coupling between the primary conductor and the secondary conductor with a small space requirement.
  • the primary loop has exactly one turn. Said design of the primary loop with exactly one turn requires a short length of the primary conductor and thus a small material requirement.
  • the secondary loop has exactly one turn. Said design of the secondary loop with exactly one turn requires a small length of the secondary conductor and thus a small material requirement.
  • the secondary loop has a plurality of turns. Said configuration of the secondary loop with a plurality of windings allows adjustment of the second inductance and thus dimensioning of the oscillating circuit. Furthermore, with a plurality of turns, one Mutual inductance, which describes the inductive coupling between the primary conductor and the secondary conductor, increases.
  • the resonant circuit is designed in such a way that the primary current and the secondary current flow in phase in the coupling region.
  • the first magnetic field generated by the primary current and the second magnetic field generated by the secondary current are then also in phase.
  • the overall magnetic field generated thus has a field strength that is greater than the field strength of the first magnetic field. In the coupling area, therefore, greater power can be transmitted from the device to the consumer than in an area in which only the primary conductor is located.
  • the resonant circuit is designed in such a way that the primary current and the secondary current flow in phase opposition in the coupling region.
  • the first magnetic field generated by the primary current and the second magnetic field generated by the secondary current are then also in antiphase.
  • the overall magnetic field generated thus has a field strength that is smaller than the field strength of the first magnetic field.
  • a lower power can therefore be transmitted by the device in the coupling area than in an area in which only the primary conductor is located.
  • the intensity of the secondary current is at least approximately the same as the intensity of the primary current. If the primary current and the secondary current flow in phase opposition in the coupling region, the first magnetic field generated by the primary current and the second magnetic field generated by the secondary current cancel each other out and the overall magnetic field is equal to zero.
  • a coupling area designed in this way can be used particularly advantageously in places where there are sources of interference that draw undesired energy from the device. Such sources of interference are, for example, steel reinforcements in a concrete floor, in which the primary conductor and the secondary conductor are laid. In a coupling area designed in this way, energy transfer to the consumer is not possible.
  • the current intensity of the secondary current is at least approximately half the current intensity of the primary current.
  • the first magnetic field generated by the primary current and that of the strengthen Secondary current generated second magnetic field to a total magnetic field with a field strength of 150% of the field strength of the first magnetic field.
  • the power that can be transmitted in the coupling area from the device to the consumer thus corresponds to 150% of the power that can be transmitted in an area in which only the primary conductor is located.
  • the primary loop has a loop width that is greater than the coupling length.
  • the coupling length and the space requirement of the coupling area are therefore relatively small.
  • Such a coupling area can advantageously be used in places where sources of interference are present, which draw undesired energy from the device when the first magnetic field and the second magnetic field cancel each other out in the coupling area.
  • the primary loop has a loop width that is smaller than the coupling length.
  • the coupling length of the coupling area is therefore relatively large. As a result, energy can be transmitted to the consumer over a large coupling area.
  • the primary loop and the secondary loop have approximately the same loop width.
  • a mutual inductance which describes the inductive coupling between the primary conductor and the secondary conductor, is increased.
  • a system according to the invention for contactless energy transmission comprises a device according to the invention for contactless energy transmission and a mobile consumer, which has a pick-up for receiving energy, the pick-up including a tertiary winding and being arranged such that the tertiary winding is inductively coupled to the primary conductor.
  • the energy is transmitted inductively via the tertiary winding of the pick-up to the mobile consumer.
  • the pick-up is arranged, at least temporarily, in such a way that the tertiary winding is inductively coupled to the primary conductor and to the secondary conductor in the coupling region.
  • An energy transfer from the device to the consumer takes place inductively via the total magnetic field, the field strength of which is adjustable. The power that can be transmitted to the consumer can thus be adjusted.
  • the pick-up can be moved along the primary conductor.
  • the consumer is thus able to inductively absorb energy from the device while traveling along the primary conductor.
  • Figure 1 a schematic representation of a system for contactless energy transmission
  • Figure 2 a simplified electrical equivalent circuit diagram of a device for contactless energy transmission
  • FIG. 3 a qualitative dependence of a secondary current on a capacitance of a capacitor.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a system for contactless energy transmission.
  • the system includes a device 20 for contactless energy transmission and a mobile consumer.
  • the mobile consumer is, for example, an autonomously driving vehicle.
  • the mobile consumer has a pick-up 50 for receiving energy.
  • the pick-up 50 includes a tertiary winding 31.
  • the device 20 is used for contactless energy transmission to the mobile consumer.
  • the device 20 comprises an energy source 40, which generates a primary current 11, and a primary conductor 11.
  • the primary conductor 11 is laid in the form of a primary loop 21 and has a first inductance L1.
  • the primary conductor 11 is electrically connected to the energy source 40 and has the primary current 11 flowing through it. In the present case, the primary loop 21 has exactly one turn.
  • the energy source 40 has a current source 42 which supplies the primary current 11 .
  • the primary current 11 is a medium-frequency alternating current and has a fundamental frequency F0 of 25 kHz or 50 kHz, for example.
  • a current strength of the primary current 11 is 60 A or 90 A, for example.
  • the primary conductor 11 is laid, for example, in a floor on which the mobile consumer moves.
  • the primary conductor 11 is laid close to the surface of the floor.
  • the mobile consumer's pick-up 50 is in close proximity of the ground above the primary conductor 11.
  • the pick-up 50 is arranged in such a way that the tertiary winding 31 is inductively coupled to the primary conductor 11. Energy can thus be transmitted from the energy source 40 via the primary conductor 11 to the tertiary winding 31 and thus to the consumer.
  • the mobile consumer drives on the floor, for example in a technical installation such as a production plant.
  • the pick-up 50 can be moved in particular along the primary conductor 11 .
  • energy can be transmitted from the device 20 to the consumer.
  • the device 20 for contactless energy transmission also includes a secondary conductor 12.
  • the secondary conductor 12 is laid in the form of a secondary loop 22 and has a second inductance L2.
  • the device 20 for contactless energy transmission also includes a capacitance C2.
  • the secondary conductor 12 is electrically connected to the capacitance C2 in such a way that the second inductance L2 and the capacitance C2 form an oscillating circuit.
  • the secondary conductor 12 is also laid, for example, in the floor on which the mobile consumer is moving.
  • the secondary conductor 12 is laid close to the surface of the floor.
  • the primary loop 21 and the secondary loop 22 are laid in such a way that the primary conductor 11 and the secondary conductor 12 run parallel over a coupling region with a coupling length D.
  • the primary conductor 11 and the secondary conductor 12 are inductively coupled in the coupling region in such a way that a secondary current I2 flows through the secondary conductor 12 .
  • the primary current I1 in the primary conductor 11 induces the secondary current I2 in the secondary conductor 12 via said inductive coupling.
  • the pick-up 50 of the mobile consumer is in the coupling area and in the immediate vicinity of the ground above the secondary conductor 12.
  • the pick-up 50 is arranged in such a way that the tertiary winding 31 is also inductively coupled to the secondary conductor 12.
  • the pickup 50 is thus arranged in the coupling region in such a way that the tertiary winding 31 is inductively coupled to the primary conductor 11 and to the secondary conductor 12 .
  • the secondary loop 22 is arranged inside the primary loop 21 .
  • the primary conductor 11 and the secondary conductor 12 are directly in the coupling area laid next to each other.
  • the primary loop 21 and the secondary loop 22 thus have an approximately equal loop width B.
  • the loop width B is an extension of the primary loop 21 and the secondary loop 22 perpendicular to the coupling length D.
  • the loop width B is smaller than the coupling length D. It is also conceivable that the loop width B is greater than the coupling length D.
  • the primary conductor 11 and the secondary conductor 12 are laid approximately in a plane which extends parallel to the surface of the floor.
  • the secondary loop 22 has exactly one turn. It is also conceivable that the secondary loop 22 has a plurality of turns.
  • the primary current 11 in the primary conductor 11 generates a first magnetic field.
  • the secondary current I2 in the secondary conductor 12 creates a second magnetic field.
  • the first magnetic field and the second magnetic field are superimposed to form an overall magnetic field.
  • the total magnetic field penetrates the tertiary winding 31 of the pick-up 50.
  • the power that can be transmitted to the consumer depends in particular on a field strength of the total magnetic field.
  • FIG. 2 shows a simplified electrical equivalent circuit diagram of the device 20 shown in FIG. 1 for contactless energy transmission.
  • the device 20 comprises the energy source 40 which has a current source 42 .
  • the current source 42 supplies the primary current 11 with the fundamental frequency F0.
  • the primary current 11 flows through the primary conductor 11 with the first inductance L1. In this case, a first voltage U1 drops across the energy source 40 .
  • the secondary current I2 flows through the secondary conductor 12 with the second inductance L2 and through the capacitance C2.
  • a second voltage U2 drops across the capacitance C2.
  • the second inductor L2 and the capacitor C2 form an oscillating circuit.
  • the inductive coupling between the primary conductor 11 and the secondary conductor 12 is represented by a mutual inductance M.
  • the second inductance L2 and the mutual inductance M are largely determined by the configuration of the primary conductor 11 and the secondary conductor 12 and the geometric arrangement of the primary loop 21 and the secondary loop 22.
  • the capacitance C2 can be selected depending on the desired application.
  • the primary current 11 and the secondary current I2 flow in phase.
  • the first magnetic field generated by the primary current I1 and the second magnetic field generated by the secondary current I2 are then also in phase.
  • the overall magnetic field generated thus has a field strength that is greater than the field strength of the first magnetic field. A greater power can thus be transmitted to the consumer in the coupling area than in an area in which only the primary conductor 11 is located.
  • the primary current I1 and the secondary current I2 flow in phase opposition.
  • the first magnetic field generated by the primary current I1 and the second magnetic field generated by the secondary current I2 are then also in phase opposition.
  • the total magnetic field generated thus has a field strength that is smaller than the field strength of the first magnetic field. In the coupling area, therefore, less power can be transmitted to the consumer than in an area in which only the primary conductor 11 is located.
  • the oscillating circuit therefore has a resonant frequency FR which corresponds to the fundamental frequency FO.
  • the resonant frequency FR of the oscillating circuit corresponds to the fundamental frequency FO, a relatively large secondary current I2 flows, which may cause the device 20 to be destroyed.
  • FIG. 3 qualitatively shows a dependency of the secondary current I2 on the capacitance C2 of the capacitor.
  • the capacitance C2 of the capacitor is plotted on the abscissa, and the secondary current I2 is plotted on the ordinate.
  • the second inductance L2 and the mutual inductance M are assumed to be constant.
  • the capacitance C2 of the capacitor is variable.
  • the primary current I1 and the secondary current I2 flow in phase.
  • the amperage of the secondary current I2 is half the amperage of the primary current 11.
  • the power that can be transmitted to the consumer in the coupling area corresponds to 150% of the power that can be transmitted in an area in which only the Primary conductor 11 is located.
  • the resonant frequency FR of the resonant circuit corresponds to the fundamental frequency F0.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (20) zur berührungslosen Energieübertragung zu einem mobilen Verbraucher, umfassend eine Energiequelle (40), welche einen Primärstrom (I1) erzeugt, und einen Primärleiter (11), welcher in Form einer Primärschleife (21) gelegt ist und eine erste Induktivität (L1) aufweist, wobei der Primärleiter (11) mit der Energiequelle (40) verbunden ist und von dem Primärstrom (I1) durchflossen wird. Die Vorrichtung (20) umfasst einen Sekundärleiter (12), welcher in Form einer Sekundärschleife (22) gelegt ist und eine zweite Induktivität (L2) aufweist, und eine Kapazität (C2), wobei der Sekundärleiter (12) mit der Kapazität (C2) derart verbunden ist, dass die zweite Induktivität (L2) und die Kapazität (C2) einen Schwingkreis bilden, und wobei die Primärschleife (21) und die Sekundärschleife (22) derart gelegt sind, dass der Primärleiter (11) und der Sekundärleiter (12) über einen Kopplungsbereich mit einer Kopplungslänge (D) parallel verlaufen, und dass der Primärleiter (11) und der Sekundärleiter (12) in dem Kopplungsbereich derart induktiv gekoppelt sind, dass der Sekundärleiter (12) von einem Sekundärstrom (I2) durchflossen wird. Die Erfindung betrifft auch ein System zur berührungslosen Energieübertragung, umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung (20) und einen mobilen Verbraucher, welcher einen Übertragerkopf (50) zur Aufnahme von Energie aufweist, wobei der Übertragerkopf (50) eine Tertiärwicklung (31) umfasst und derart angeordnet ist, dass die Tertiärwicklung (31) mit dem Primärleiter (11) induktiv gekoppelt ist.

Description

Vorrichtung und System zur berührungslosen Energieübertragung
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung zu einem mobilen Verbraucher, umfassend eine Energiequelle, welche einen Primärstrom erzeugt, und einen Primärleiter, welcher in Form einer Primärschleife gelegt ist und eine erste Induktivität aufweist, wobei der Primärleiter mit der Energiequelle verbunden ist und von dem Primärstrom durchflossen wird. Die Erfindung betrifft auch ein System zur berührungslosen Energieübertragung, umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung und einen mobilen Verbraucher, welcher einen Übertragerkopf zur Aufnahme von Energie aufweist.
Aus der DE 100 53 373 B4 ist ein System zur berührungslosen Energieübertragung bekannt. Das System umfasst eine Einspeisung, die einen mittelfrequenten Wechselstrom in einen langgestreckten Primärleiter einspeist. Mobile Verbraucher sind entlang dem Primärleiter bewegbar und weisen jeweils eine Spule auf, die mit dem Primärleiter induktiv gekoppelt ist. Durch diese induktive Kopplung ist Energie von dem Primärleiter zu dem Verbraucher übertragbar.
Auch aus der DE 102006 013 004 A1 ist ein System zur berührungslosen Energieübertragung bekannt, das eine Einspeisung, die einen mittelfrequenten Wechselstrom in einen langgestreckten Primärleiter einspeist, umfasst.
Aus der DE 102004 055 1543 B4 ist ein System zur berührungslosen Energieübertragung bekannt. Das System umfasst eine Stromquelle, die mit einem langgestreckten Primärleiter verbunden ist. Ein mobiler Verbraucher, der entlang dem Primärleiter bewegbar ist, weist einen Übertragerkopf auf. Der Übertragerkopf weist eine Wicklung auf, die mit dem Primärleiter induktiv gekoppelt ist. Durch diese induktive Kopplung ist Energie von dem Primärleiter zu dem Übertragerkopf des Verbrauchers übertragbar.
Aus der DE 102007 024293 A1 ist eine Anlage bekannt, welche ein Primärleitersystem und zumindest eine daran entlang bewegbar angeordnete Vorrichtung umfasst. Aus der US 2012/0001497 A1 ist ein System zur drahtlosen Übertragung von Leistung bekannt. Das besagte System umfasst einen leistungsübertragenden Abschnitt und einen leistungsempfangenden Abschnitt.
Aus der US 2018/0278095 A1 ist ein System zur elektromagnetischen Energieübertragung bekannt, welches eine Primärspule und eine Sekundärspule aufweist.
Aus der EP 2 700 140 B1 ist ein System zur induktiven Energieübertragung an einen Verbraucher bekannt. Das System umfasst dabei ein Primärleitersystem, an welches eine Sekundärwicklung des Verbrauchers induktiv gekoppelt ist.
Aus der DE 692 27242 T2 ist ein induktives Energieverteilungssystem bekannt. Das Energieverteilungssystem weist dabei eine Stromquelle, einen Primärleiterweg und mehrere elektrische Geräte auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein System zur berührungslosen Energieübertragung weiterzubilden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Aufgabe wird auch durch ein System zur berührungslosen Energieübertragung mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung zu einem mobilen Verbraucher umfasst eine Energiequelle, welche einen Primärstrom erzeugt, und einen Primärleiter, welcher in Form einer Primärschleife gelegt ist und eine erste Induktivität aufweist, wobei der Primärleiter mit der Energiequelle verbunden ist und von dem Primärstrom durchflossen wird. Die Vorrichtung umfasst einen Sekundärleiter, welcher in Form einer Sekundärschleife gelegt ist und eine zweite Induktivität aufweist, und eine Kapazität, wobei der Sekundärleiter mit der Kapazität derart verbunden ist, dass die zweite Induktivität und die Kapazität einen Schwingkreis bilden, und wobei die Primärschleife und die Sekundärschleife derart gelegt sind, dass der Primärleiter und der Sekundärleiter über einen Kopplungsbereich mit einer Kopplungslänge parallel verlaufen, und dass der Primärleiter und der Sekundärleiter derart induktiv gekoppelt sind, dass der Sekundärleiter von einem Sekundärstrom durchflossen wird.
Der Primärstrom in dem Primärleiter, der vorzugsweise eine konstante Grundfrequenz und eine konstante Stromstärke aufweist, erzeugt ein erstes Magnetfeld. Der Sekundärstrom in dem Sekundärleiter, der die gleiche Grundfrequenz aufweist, und dessen Stromstärke von dem Primärstrom sowie von der Dimensionierung des Schwingkreises abhängt, erzeugt ein zweites Magnetfeld. Das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld überlagern sich zu einem Gesamtmagnetfeld. Eine Energieübertragung von der Vorrichtung zu dem Verbraucher erfolgt induktiv über das Gesamtmagnetfeld. Die zu dem Verbraucher übertragbare Leistung hängt insbesondere von einer Feldstärke des Gesamtmagnetfelds ab. Mittels des Sekundärleiters, insbesondere durch geeignete Dimensionierung des Schwingkreises, ist die Stromstärke des Sekundärstroms einstellbar. Damit ist die Feldstärke des Gesamtmagnetfelds einstellbar. Damit ist die zu dem Verbraucher übertragbare Leistung einstellbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet somit eine Einstellung die zu dem Verbraucher übertragbaren Leistung bei gleichbleibender Stromstärke des Primärstroms.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sekundärschleife innerhalb der Primärschleife angeordnet. Dies ergibt eine effektive induktive Kopplung zwischen dem Primärleiter und dem Sekundärleiter bei einem geringen Platzbedarf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Primärschleife genau eine Windung auf. Die besagte Ausgestaltung der Primärschleife mit genau einer Windung erfordert eine geringe Länge des Primärleiters und damit einen geringen Materialbedarf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sekundärschleife genau eine Windung auf. Die besagte Ausgestaltung der Sekundärschleife mit genau einer Windung erfordert eine geringe Länge des Sekundärleiters und damit einen geringen Materialbedarf.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sekundärschleife eine Mehrzahl von Windungen auf. Die besagte Ausgestaltung der Sekundärschleife mit einer Mehrzahl von Windungen gestattet eine Einstellung der zweiten Induktivität und damit eine Dimensionierung des Schwingkreises. Ferner ist bei einer Mehrzahl von Windungen eine Gegeninduktivität, welche die induktive Kopplung zwischen dem Primärleiter und dem Sekundärleiter beschreibt, erhöht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwingkreis derart ausgestaltet, dass der Primärstrom und der Sekundärstrom in dem Kopplungsbereich gleichphasig fließen. Das vom dem Primärstrom erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom erzeugte zweite Magnetfeld sind dann ebenfalls gleichphasig. Das erzeugte Gesamtmagnetfeld weist somit eine Feldstärke auf, die größer ist als die Feldstärke des ersten Magnetfeldes. In dem Kopplungsbereich ist somit eine größere Leistung von der Vorrichtung zu dem Verbraucher übertragbar als in einem Bereich, in welchem ausschließlich der Primärleiter liegt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwingkreis derart ausgestaltet, dass der Primärstrom und der Sekundärstrom in dem Kopplungsbereich gegenphasig fließen. Das vom dem Primärstrom erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom erzeugte zweite Magnetfeld sind dann ebenfalls gegenphasig. Unter der Annahme, dass der Sekundärstrom betragsmäßig kleiner ist als der Primärstrom, weist das erzeugte Gesamtmagnetfeld somit eine Feldstärke auf, die kleiner ist als die Feldstärke des ersten Magnetfeldes. In dem Kopplungsbereich ist somit eine kleinere Leistung von der Vorrichtung übertragbar als in einem Bereich, in welchem ausschließlich der Primärleiter liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Stromstärke des Sekundärstroms zumindest annähernd gleich groß ist wie eine Stromstärke des Primärstroms. Wenn der Primärstrom und der Sekundärstrom dabei in dem Kopplungsbereich gegenphasig fließen, so löschen sich das vom dem Primärstrom erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom erzeugte zweite Magnetfeld gegenseitig aus und das Gesamtmagnetfeld ist gleich null. Ein derart ausgebildeter Kopplungsbereich ist besonders vorteilhaft an Stellen einsetzbar, wo Störquellen vorhanden sind, die der Vorrichtung ungewünscht Energie entnehmen. Solche Störquellen sind beispielsweise Stahlarmierungen in einem Betonboden, in welchen der Primärleiter und der Sekundärleiter verlegt sind. In einem derart ausgebildeten Kopplungsbereich ist eine Energieübertragung zu dem Verbrauch nicht möglich.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Stromstärke des Sekundärstroms zumindest annähernd halb so groß wie eine Stromstärke des Primärstroms. Wenn der Primärstrom und der Sekundärstrom in dem Kopplungsbereich gleichphasig fließen, so verstärken sich das vom dem Primärstrom erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom erzeugte zweite Magnetfeld zu einem Gesamtmagnetfeld mit einer Feldstärke von 150% der Feldstärke des ersten Magnetfeldes. Die in dem Kopplungsbereich von der Vorrichtung zu dem Verbraucher übertragbare Leistung entspricht damit 150% der Leistung, die in einem Bereich übertragbar ist, in welchem ausschließlich der Primärleiter liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Primärschleife eine Schleifenbreite auf, welche größer ist als die Kopplungslänge. Die Kopplungslänge und der Platzbedarf des Kopplungsbereichs sind somit relativ gering. Ein solcher Kopplungsbereich ist vorteilhaft an Stellen einsetzbar, wo Störquellen vorhanden sind, die der Vorrichtung ungewünscht Energie entnehmen, wenn in dem Kopplungsbereich das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld sich gegenseitig auslöschen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Primärschleife eine Schleifenbreite auf, welche kleiner ist als die Kopplungslänge. Die Kopplungslänge des Kopplungsbereichs ist somit relativ groß. Dadurch ist die Energieübertragung zu dem Verbraucher in einem großen Kopplungsbereich möglich.
Vorzugsweise weisen die Primärschleife und die Sekundärschleife eine annähernd gleiche Schleifenbreite auf. Dadurch ist eine Gegeninduktivität, welche die induktive Kopplung zwischen dem Primärleiter und dem Sekundärleiter beschreibt, erhöht.
Ein erfindungsgemäßes System zur berührungslosen Energieübertragung umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung und einen mobilen Verbraucher, welcher einen Übertragerkopf zur Aufnahme von Energie aufweist, wobei der Übertragerkopf eine Tertiärwicklung umfasst und derart angeordnet ist, dass die Tertiärwicklung mit dem Primärleiter induktiv gekoppelt ist.
In dem erfindungsgemäßen System ist somit eine berührungslose Energieübertragung von der Vorrichtung zu dem Verbraucher möglich. Die Energieübertragung erfolgt dabei induktiv über die Tertiärwicklung des Übertragerkopfs zu dem mobilen Verbraucher.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Übertragerkopf, zumindest zeitweise, derart angeordnet, dass die Tertiärwicklung mit dem Primärleiter und mit dem Sekundärleiter in dem Kopplungsbereich induktiv gekoppelt ist. Eine Energieübertragung von der Vorrichtung zu dem Verbraucher erfolgt dabei induktiv über das Gesamtmagnetfeld, dessen Feldstärke einstellbar ist. Damit ist die zu dem Verbraucher übertragbare Leistung einstellbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Übertragerkopf entlang des Primärleiters bewegbar. Der Verbraucher ist somit in der Lage, während einer Fahrt entlang des Primärleiters Energie von der Vorrichtung induktiv aufzunehmen.
Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Abbildungen stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung,
Figur 2: ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild einer Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung und
Figur 3: qualitativ eine Abhängigkeit eines Sekundärstroms von einer Kapazität eines Kondensators.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung. Das System umfasst eine Vorrichtung 20 zur berührungslosen Energieübertragung und einen mobilen Verbraucher. Bei dem mobilen Verbraucher handelt es sich beispielsweise um ein autonom fahrendes Fahrzeug. Der mobile Verbraucher weist einen Übertragerkopf 50 zur Aufnahme von Energie auf. Der Übertragerkopf 50 umfasst eine Tertiärwicklung 31.
Die Vorrichtung 20 dient zur berührungslosen Energieübertragung zu dem mobilen Verbraucher. Die Vorrichtung 20 umfasst eine Energiequelle 40, welche einen Primärstrom 11 erzeugt, und einen Primärleiter 11. Der Primärleiter 11 ist in Form einer Primärschleife 21 gelegt und weist eine erste Induktivität L1 auf. Der Primärleiter 11 ist mit der Energiequelle 40 elektrisch verbunden und wird von dem Primärstrom 11 durchflossen. Die Primärschleife 21 weist vorliegend genau eine Windung auf.
Die Energiequelle 40 weist eine Stromquelle 42 auf, welche den Primärstrom 11 liefert. Der Primärstrom 11 ist ein mittelfrequenter Wechselstrom und hat eine Grundfrequenz F0 von beispielweise 25 kHz oder 50 kHz. Eine Stromstärke des Primärstroms 11 beträgt beispielweise 60 A oder 90 A.
Der Primärleiter 11 ist beispielsweise in einem Boden verlegt, auf welchem der mobile Verbraucher sich bewegt. Der Primärleiter 11 ist dabei nahe an der Oberfläche des Bodens verlegt. Der Übertragerkopf 50 des mobilen Verbrauchers befindet sich in unmittelbarer Nähe des Bodens über dem Primärleiter 11. Insbesondere ist der Übertragerkopf 50 dabei derart angeordnet, dass die Tertiärwicklung 31 mit dem Primärleiter 11 induktiv gekoppelt ist. Somit ist Energie von der Energiequelle 40 über den Primärleiter 11 zu der Tertiärwicklung 31 und damit zu dem Verbraucher übertragbar.
Der mobile Verbraucher fährt auf dem Boden, beispielsweise in einer technischen Anlage wie einem Produktionswerk. Dabei ist der Übertragerkopf 50 insbesondere entlang des Primärleiters 11 bewegbar. Somit ist während der Fahrt des mobilen Verbrauchers Energie von der Vorrichtung 20 zu dem Verbraucher übertragbar.
Die Vorrichtung 20 zur berührungslosen Energieübertragung umfasst auch einen Sekundärleiter 12. Der Sekundärleiter 12 ist in Form einer Sekundärschleife 22 gelegt und weist eine zweite Induktivität L2 auf. Die Vorrichtung 20 zur berührungslosen Energieübertragung umfasst ferner eine Kapazität C2. Der Sekundärleiter 12 ist mit der Kapazität C2 elektrisch derart verbunden, dass die zweite Induktivität L2 und die Kapazität C2 einen Schwingkreis bilden. Der Sekundärleiter 12 ist ebenfalls beispielsweise in dem Boden verlegt, auf welchem der mobile Verbraucher sich bewegt. Der Sekundärleiter 12 ist dabei nahe an der Oberfläche des Bodens verlegt.
Die Primärschleife 21 und die Sekundärschleife 22 sind derart gelegt, dass der Primärleiter 11 und der Sekundärleiter 12 über einen Kopplungsbereich mit einer Kopplungslänge D parallel verlaufen. Dabei sind der Primärleiter 11 und der Sekundärleiter 12 in dem Kopplungsbereich derart induktiv gekoppelt, dass der Sekundärleiter 12 von einem Sekundärstrom I2 durchflossen wird. Der Primärstrom 11 in dem Primärleiter 11 induziert dabei über die besagte induktive Kopplung den Sekundärstrom I2 in dem Sekundärleiter 12.
In der hier gezeigten Darstellung befindet sich der Übertragerkopf 50 des mobilen Verbrauchers in dem Kopplungsbereich und in unmittelbarer Nähe des Bodens über dem Sekundärleiter 12. Insbesondere ist der Übertragerkopf 50 dabei derart angeordnet, dass die Tertiärwicklung 31 auch mit dem Sekundärleiter 12 induktiv gekoppelt ist. In dem Kopplungsbereich ist der Übertragerkopf 50 somit derart angeordnet, dass die Tertiärwicklung 31 mit dem Primärleiter 11 und mit dem Sekundärleiter 12 induktiv gekoppelt ist.
Die Sekundärschleife 22 ist vorliegend innerhalb der Primärschleife 21 angeordnet. In dem Kopplungsbereich sind dabei der Primärleiter 11 und der Sekundärleiter 12 unmittelbar nebeneinander verlegt. Die Primärschleife 21 und die Sekundärschleife 22 weisen somit eine annähernd gleiche Schleifenbreite B auf. Die Schleifenbreite B ist dabei eine Ausdehnung der Primärschleife 21 sowie der Sekundärschleife 22 rechtwinklig zu der Kopplungslänge D. Vorliegend ist die Schleifenbreite B kleiner ist als die Kopplungslänge D. Es ist auch denkbar, dass die Schleifenbreite B größer als die Kopplungslänge D ist.
In dem Kopplungsbereich sind der Primärleiter 11 und der Sekundärleiter 12 annähernd in einer Ebene verlegt, welche sich parallel zu der Oberfläche des Bodens erstreckt. Vorliegend weist die Sekundärschleife 22 genau eine Windung auf. Es ist auch denkbar, dass die Sekundärschleife 22 eine Mehrzahl von Windungen aufweist.
Der Primärstrom 11 in dem Primärleiter 11 erzeugt ein erstes Magnetfeld. Der Sekundärstrom I2 in dem Sekundärleiter 12 erzeugt ein zweites Magnetfeld. Das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld überlagern sich zu einem Gesamtmagnetfeld. Bei einer Energieübertragung von der Vorrichtung 20 zu dem Verbraucher durchdringt das Gesamtmagnetfeld die Tertiärwicklung 31 des Übertragerkopfs 50. Die zu dem Verbraucher übertragbare Leistung hängt insbesondere von einer Feldstärke des Gesamtmagnetfelds ab.
Figur 2 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung 20 zur berührungslosen Energieübertragung. Die Vorrichtung 20 umfasst, wie bereits erwähnt, die Energiequelle 40, welche eine Stromquelle 42 aufweist. Die Stromquelle 42 liefert den Primärstrom 11 mit der Grundfrequenz F0. Der Primärstrom 11 fließt durch den Primärleiter 11 mit der ersten Induktivität L1. Über der Energiequelle 40 fällt dabei eine erste Spannung U1 ab.
Der Sekundärstrom I2 fließt durch den Sekundärleiter 12 mit der zweiten Induktivität L2 und durch die Kapazität C2. Über der Kapazität C2 fällt dabei eine zweite Spannung U2 ab. Die zweite Induktivität L2 und die Kapazität C2 bilden, wie bereits erwähnt, einen Schwingkreis. Die induktive Kopplung zwischen dem Primärleiter 11 und dem Sekundärleiter 12 ist durch eine Gegeninduktivität M dargestellt.
In der Primärschleife 21 gilt näherungsweise, mit der Kreisfrequenz w = 2 TT F0:
U1 = l1 * L1 * w + l2 * M * w [Gl. 1]
In der Sekundärschleife 22 gilt näherungsweise, mit der Kreisfrequenz w = 2 TT FO:
Figure imgf000012_0001
Die zweite Induktivität L2 und die Gegeninduktivität M sind weitgehend durch die Ausgestaltung des Primärleiters 11 und des Sekundärleiters 12, sowie die geometrische Anordnung der Primärschleife 21 und der Sekundärschleife 22 bestimmt. Die Kapazität C2 ist je nach gewünschter Anwendung wählbar.
Aus [Gl. 3] folgt:
Wenn L2 < 1 / (C2 * w2) dann 11 / 12 > 0
C2 < 1 / (L2 * w2) dann I1 / I2 > O
Wenn 11 / 12 > 0 dann fließen der Primärstrom 11 und der Sekundärstrom I2 gleichphasig. Das vom dem Primärstrom 11 erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom I2 erzeugte zweite Magnetfeld sind dann ebenfalls gleichphasig. Das erzeugte Gesamtmagnetfeld weist somit eine Feldstärke auf, die größer ist als die Feldstärke des ersten Magnetfeldes. In dem Kopplungsbereich ist somit eine größere Leistung zu dem Verbraucher übertragbar als in einem Bereich, in welchem ausschließlich der Primärleiter 11 liegt.
Aus [Gl. 3] folgt ferner:
Wenn L2 > 1 / (C2 * w2) dann 11 / 12 < 0
C2 > 1 / (L2 * w2) dann I1 / I2 < O
Wenn 11 / 12 < 0 dann fließen der Primärstrom 11 und der Sekundärstrom I2 gegenphasig. Das vom dem Primärstrom 11 erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom I2 erzeugte zweite Magnetfeld sind dann ebenfalls gegenphasig. Unter der Annahme, dass der Sekundärstrom I2 betragsmäßig kleiner ist als der Primärstrom 11, weist das erzeugte Gesamtmagnetfeld somit eine Feldstärke auf, die kleiner ist als die Feldstärke des ersten Magnetfeldes. In dem Kopplungsbereich ist somit eine kleinere Leistung zu dem Verbraucher übertragbar als in einem Bereich, in welchem ausschließlich der Primärleiter 11 liegt.
Aus [Gl. 3] folgt weiter: Wenn L2 = 1 / (C2 * w2) dann 11 / 12 = 0
C2 = 1 / (L2 * w2) dann 11 / 12 = 0
Wenn 11 / 12 = 0 dann ist w2 = 1 / (C2 * L2). Der Schwingkreis weist in diesem Fall also eine Resonanzfrequenz FR auf, welche der Grundfrequenz FO entspricht.
FR = 1 / (2 TT (sqrt(L2 * C2)) = FO
Wenn die Resonanzfrequenz FR des Schwingkreises der Grundfrequenz FO entspricht, so fließt ein verhältnismäßig großer Sekundärstrom I2, welcher gegebenenfalls eine Zerstörung der Vorrichtung 20 verursacht.
Figur 3 zeigt qualitativ eine Abhängigkeit des Sekundärstroms I2 von der Kapazität C2 des Kondensators. Auf der Abszisse ist dabei die Kapazität C2 des Kondensators aufgetragen, auf der Ordinate ist der Sekundärstrom I2 aufgetragen. Die zweite Induktivität L2 und die Gegeninduktivität M werden dabei als konstant angenommen. Die Kapazität C2 des Kondensators ist variabel.
Wenn C2 < 1 / (L2 * w2) dann fließen der Primärstrom 11 und der Sekundärstrom I2 gleichphasig. An der entsprechend markierten Stelle ist die Stromstärke des Sekundärstroms I2 halb so groß wie die Stromstärke des Primärstroms 11. Die in dem Kopplungsbereich zu dem Verbraucher übertragbare Leistung entspricht in diesem Fall 150% der Leistung, die in einem Bereich übertragbar ist, in welchem ausschließlich der Primärleiter 11 liegt.
Wenn C2 = 1 / (L2 * w2) dann wird der Sekundärstrom I2 unendlich groß. Die Resonanzfrequenz FR des Schwingkreises entspricht in diesem Fall der Grundfrequenz F0.
Wenn C2 > 1 / (L2 * w2) dann fließen der Primärstrom 11 und der Sekundärstrom I2 gegenphasig. An der entsprechend markierten Stelle ist die Stromstärke des Sekundärstroms I2 gleich groß wie die Stromstärke des Primärstroms 11. In dem Kopplungsbereich löschen sich das vom dem Primärstrom erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom erzeugte zweite Magnetfeld gegenseitig aus und das Gesamtmagnetfeld ist gleich null. Bezugszeichenliste
11 Primärleiter
12 Sekundärleiter
20 Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung
21 Primärschleife
22 Sekundärschleife
31 Tertiärwicklung
40 Energiequelle
42 Stromquelle
50 Übertragerkopf
D Kopplungslänge
B Schleifenbreite
F0 Grundfrequenz w Kreisfrequenz
FR Resonanzfrequenz
C2 Kapazität
11 Primärstrom
12 Sekundärstrom
L1 erste Induktivität
L2 zweite Induktivität
M Gegeninduktivität
U1 erste Spannung
U2 zweite Spannung

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung (20) zur berührungslosen Energieübertragung zu einem mobilen Verbraucher, umfassend eine Energiequelle (40), welche einen Primärstrom (11) erzeugt, und einen Primärleiter (11), welcher in Form einer Primärschleife (21) gelegt ist und eine erste
Induktivität (L1) aufweist, wobei der Primärleiter (11) mit der Energiequelle (40) verbunden ist und von dem Primärstrom
(11) durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) einen Sekundärleiter (12), welcher in Form einer Sekundärschleife (22) gelegt ist und eine zweite Induktivität (L2) aufweist, und eine Kapazität (C2) umfasst, wobei der Sekundärleiter (12) mit der Kapazität (C2) derart verbunden ist, dass die zweite Induktivität (L2) und die Kapazität (C2) einen Schwingkreis bilden, und wobei die Primärschleife (21) und die Sekundärschleife (22) derart gelegt sind, dass der Primärleiter (11) und der Sekundärleiter (12) über einen Kopplungsbereich mit einer Kopplungslänge (D) parallel verlaufen, und dass der Primärleiter (11) und der Sekundärleiter (12) in dem Kopplungsbereich derart induktiv gekoppelt sind, dass der Sekundärleiter (12) von einem Sekundärstrom (I2) durchflossen wird.
2. Vorrichtung (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärschleife (22) innerhalb der Primärschleife (21) angeordnet ist.
3. Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärschleife (21) genau eine Windung aufweist.
4. Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärschleife (22) genau eine Windung aufweist.
5. Vorrichtung (20) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärschleife (22) eine Mehrzahl von Windungen aufweist.
6. Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis derart ausgestaltet ist, dass der Primärstrom (11) und der Sekundärstrom (I2) in dem Kopplungsbereich gleichphasig fließen.
7. Vorrichtung (20) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis derart ausgestaltet ist, dass der Primärstrom (11) und der Sekundärstrom (I2) in dem Kopplungsbereich gegenphasig fließen.
8. Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromstärke des Sekundärstroms (I2) zumindest annähernd gleich groß ist wie eine Stromstärke des Primärstroms (11). - 15 -
9. Vorrichtung (20) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromstärke des Sekundärstroms (I2) zumindest annähernd halb so groß ist wie eine Stromstärke des Primärstroms (11).
10. Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärschleife (21) eine Schleifenbreite (B) aufweist, welche größer ist als die Kopplungslänge (D).
11. Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärschleife (21) eine Schleifenbreite (B) aufweist, welche kleiner ist als die Kopplungslänge (D).
12. Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärschleife (21) und die Sekundärschleife (22) eine annähernd gleiche Schleifenbreite (B) aufweisen.
13. System zur berührungslosen Energieübertragung, umfassend eine Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, und einen mobilen Verbraucher, welcher einen Übertragerkopf (50) zur Aufnahme von Energie aufweist, wobei der Übertragerkopf (50) eine Tertiärwicklung (31) umfasst und derart angeordnet ist, dass die Tertiärwicklung (31) mit dem Primärleiter (11) induktiv gekoppelt ist.
14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragerkopf (50) derart angeordnet ist, dass die Tertiärwicklung (31) mit dem Primärleiter (11) und mit dem Sekundärleiter (12) in dem Kopplungsbereich induktiv gekoppelt ist.
15. System nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragerkopf (50) entlang des Primärleiters (11) bewegbar ist.
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