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Title:
ARRANGEMENT FOR THE CONTACTLESS TRANSMISSION OF ELECTRIC ENERGY AND/OR ELECTRIC SIGNALS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1998/032217
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an arrangement for the contactless transmission of electric energy and/or electric signals between parts which are mobile in relation to each other. The arrangement has inductive or capacitive coupler elements which are supplemented by corresponding complementary dummy elements to give oscillatory circuits, and are fed by a switching and/or amplifying element. The invention is characterized in that the switching and/or amplifying element is supplemented, giving a power oscillator, in which the oscillatory circuit used for the transmission is the frequency-determining switch element.

Inventors:
LOHR GEORG (DE)
Application Number:
PCT/DE1998/000141
Publication Date:
July 23, 1998
Filing Date:
January 16, 1998
Export Citation:
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Assignee:
SCHLEIFRING & APPARATEBAU GMBH (DE)
LOHR GEORG (DE)
International Classes:
H01F38/14; H01P1/06; H04B5/00; H04B5/02; (IPC1-7): H03B5/08; H04B5/00; H01F38/14
Foreign References:
EP0412421A21991-02-13
EP0440050A21991-08-07
US4223313A1980-09-16
Other References:
ZIERHOFER C M ET AL: "HIGH-EFFICIENCY COUPLING-INSENSITIVE TRANSCUTANEOUS POWER AND DATA TRANSMISSION VIA AN INDUCTIVE LINK", IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, vol. 37, no. 7, 1 July 1990 (1990-07-01), pages 716 - 722, XP000148221
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 005, no. 173 (P - 087) 5 November 1981 (1981-11-05)
Attorney, Agent or Firm:
M�nich, Wilhelm (R�sler Wilhelm-Mayr-Strasse 11, M�nchen, DE)
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Claims:
PATENTANSPR8CHE
1. Anordnung zur berührungslosen Ubertragung elektri scher Energie bzw. elektrischer Signale zwischen re lativ zueinander beweglichen Teilen, die induktive oder kapazitive Koppelelemente aufweist, die durch entsprechend komplementäre Blindelemente zu Resonanz kreisen ergänzt sind und von einem schaltenden bzw. verstärkenden Element gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß das schaltende bzw. ver stärkende Element zu einem Leistungsoszillator er gänzt ist, in dem der zur Ubertragung verwendete Re sonanzkreis das frequenzbestimmende Schaltungselement ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß eine Signalisierungsein richtung vorgesehen ist, die aus Spannungen und Strö men der resonanten Elemente ein Mitkoppelsignal für das schaltende bzw. verstärkende Element derart er zeugt, daß eine Oszillation auf zumindest einer Reso nanzfrequenz der Resonanzkreise erfolgt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalisierungsein richtung derart gestaltet ist, daß sie eine Größe proportional zu einem Teil eines Serienresonanzstro mes auskoppelt.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalisierungsein richtung derart gestaltet ist, daß sie eine Größe proportional zu einem Teil einer Parallelresonanz spannung auskoppelt.
5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle mehrerer Reso nanzen die Signalisierungseinrichtung derart gestal tet ist, daß sie ein kombiniertes Signal, bestehend aus einer Größe proportional zu einem Serienresonanz strom und proportional zu einer Parallelresonanzspan nung auskoppelt.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Hilfsos zillator vorgesehen ist, der das Anschwingen der Schaltung erleichtert.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung vorhanden ist, welche die Arbeitsfrequenz der Anord nung ermittelt und daraus ein Signal, entsprechend der Größe des Abstandes der gegeneinander beweglichen Einheiten ableitet.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalisierungs einrichtung Filterelemente zur Vorselektion zwischen den Abgriffen von Resonanzspannung bzw.strom auf weist.
Description:
Anordnung zur berührungslosen Übertragung elektri- scher Energie bzw. elektrischer Signale BESCHREIBUNG Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur berüh- rungslosen bzw. kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie bzw. elektrischer Signale zwischen relativ zu- einander beweglichen Teilen.

Derartige Vorrichtungen werden zur Ubertragung von elek- trischen Signalen bzw. elektrischer Energie zwischen zwei oder mehr relativ zueinander beweglichen Teilen einge- setzt. Die Bewegung kann dabei eine rotatorische, eine translatorische oder eine zusammengesetzte Bewegung sein.

Der Ubersichtlichkeit halber wird in der vorliegenden Be- schreibung nicht zwischen der Obertragung zwischen gegen- einander beweglichen Einheiten und einer feststehenden und dazu beweglichen Einheiten unterschieden, da dies nur eine Frage des Ortsbezugs ist, und keinen Einfluß auf die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung hat. Eben- so wird nicht weiter zwischen der Ubertragung von Signa- len und Energie unterschieden, da die Wirkungsmechanismen gleich sind.

Stand der Technik Bei translatorisch und insbesondere linear beweglichen Einheiten wie Kran-und Förderanlagen sowie bei drehbaren Einheiten wie Radaranlagen oder auch Computertomographen ist es notwendig, zwischen gegeneinander beweglichen Ein- heiten bzw. einer feststehenden und wenigstens einer dazu beweglich angeordneten Einheit elektrische Signale bzw.

Energie zu übertragen.

Beispielsweise dann, wenn die Relativgeschwindigkeit der Einheiten vergleichsweise hoch ist, ist es von Vorteil, wenn die Übertragung kontaktlos erfolgt. Eine kontaktlose Übertragung hat darüberhinaus gegenüber einer kontaktie- renden Übertragung beispielsweise mittels Schleifkontak- ten Vorteile, wenn bei der Übertragung digitaler Signale hohe Datenraten übertragen werden sollen bzw. für die Übertragung analoger Signale hohe Bandbreiten erforder- lich sind : Bei herkömmlichen (kreisförmigen) Schleifringen begrenzt der Durchmesser des Schleifrings die maximal übertragbare Frequenz. Diese ist dann erreicht, wenn der Schleifring- Umfang einer halben Wellenlänge der zu übertragenden Si- gnale entspricht.

Anordnungen bzw. Vorrichtungen zur kontaktlosen Übertra- gung von Signalen bzw. elektrischer Energie sind in den verschiedensten Ausführungen beispielsweise aus der DE 30 43 441 A1 oder der DE 42 36 340 C2 bekannt : Bei der aus der DE 30 43 441 A1 bekannten Einrichtung zur drahtlosen Energieübertragung werden induktive Koppelele- mente verwendet, die durch entsprechende komplementäre Blindelemente bzw. Kondensatoren zu Resonanzkreisen er- gänzt sind und von einem schaltenden bzw. verstärkenden Element gespeist werden.

Bei der aus der DE 42 36 340 C2 bekannten Anordnung zur induktiven Ubertragung von Energie im Bereich mittlerer Frequenzen von einer auf einem Stator angeordneten Pri- märspule auf einen mit wenigstens einer Sekundärspule ausgestatteten Verbraucher besteht die Primärspule aus in Gruppen von in Reihe geschalteten Spulen, wobei pro Grup- pe ein Kondensator in Reihe geschaltet ist. Alle Gruppen sind jeweils parallel an eine Mittelfrequenzsammelleitung angeschlossen, wobei die Impedanzen jeder Spulengruppe und des jeweiligen Kondensators so bemessen sind, daß bei induktiver Kopplung einer Gruppe an einen der bewegbaren Verbraucher die Resonanzbedingung für diese Gruppe zumin- dest annähernd erfüllt ist.

Eine weitere Anordnung ist aus DE 33 31 722 A1 bekannt.

Diese bekannte Anordnung weist an jedem Teil Koppelele- mente auf, von denen jedes wenigstens eine Elektrode ent- hält, so daß das Signal kapazitiv über die jeweils gegen- überstehenden Elektroden übertragen wird.

Eine weitere Anordnung mit induktiver Übertragung ist in der DE 28 45 438 A1 beschrieben.

Auf die vorstehend genannten Druckschriften wird zur Er- läuterung aller hier nicht näher beschriebenen Begriffe ausdrücklich Bezug genommen.

Grundsätzlich besitzen Anordnungen, von denen bei der Formulierung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ausgegangen worden ist, Impedanzen mit einem signifikanten Imaginär- teil. Dieser kommt bei kapazitiven Koppelanordnungen durch die von der Geometrie begrenzte Koppelkapazität und bei induktiven Einrichtungen durch die Streuinduktivität zustande. Die Streuinduktivität läßt sich nicht beliebig klein gestalten, da zwischen den beweglichen Teilen aus mechanischen Gründen immer ein gewisser Luftspalt ver- bleibt. Die durch Koppelinduktivität und-kapazität im Leistungskreis vorhandenen Impedanzen begrenzen ohne zu- sätzliche Maßnahmen die übertragbare Leistung.

Wie bereits in Meinke Gundlach, Taschenbuch der Hochfre- quenztechnik, 3. Auflage, Springer Verlag, 1968, be- schrieben, läßt sich eine solche imaginäre Impedanz mit einer zweiten imaginären Impedanz gleichen Betrags und entgegengesetzten Vorzeichens kompensieren.

Im Falle der induktiven Übertragung ist dies auch unter dem Begriff Resonanzübertrager bekannt. Hierzu wird auf Meinke/Gundlach, Seite 186 (Resonanzübertrager) verwie- sen.

Zur Kompensation fügt man einem induktiven Übertragungs- element eine Kapazität bzw. einem kapazitivem Übertra- gungselement eine zusätzliche Induktivität hinzu und er- gänzt das jeweilige Übertragungselement somit zu einem Resonanzkreis. Bei der Resonanzfrequenz wird die Impedanz eines solchen Resonanzkreises im Falle der Parallelschal- tung (Parallelresonanz) gegen unendlich und im Falle ei- ner Serienresonanz (Serienschaltung) gegen Null gehen.

Damit beeinflußt zwar diese Impedanz die Leistungsüber- tragung nicht mehr, besonders problematisch bei der tech- nischen Realisierung einer solchen Anordnung sind aber die mechanischen Toleranzen. So wird sich durch eine Be- wegung der Elemente gegeneinander oder auch durch thermi- sche Ausdehnungen die Induktivität bzw. die Koppelkapazi- tät zumindest geringfügig ändern.

Wird die Schaltung nun mit einem Oszillator fester Ar- beitsfrequenz gespeist, so kann durch derartige mechani- sche Einflüsse oder auch Alterungs-und Temperaturdrift- erscheinungen des Oszillators, eine Abweichung von der Oszillatorarbeitsfrequenz und der Resonanzfrequenz der Übertragungseinrichtung auftreten.

In einem solchen Fall ist die Kompensation der Blindele- mente nicht mehr wirksam und die Ubertragungseinrichtung besitzt Impedanzen, die eine Energieübertragung wesent- lich beeinträchtigen können.

Zur Lösung des Problems sind verschiedene Maßnahmen be- kannt, wie der Einsatz eines temperaturstabilisierten Quarzoszillators und eine äußerst eng tolerierte mechani- sche Ausführung des Ubertragungselementes. Eine andere Lösung besteht nach der DE 34 47 560 A1 aus einem Oszil- lator, welcher durch Kapazitätsdioden nachstimmbar ist.

Derartige Lösungen bedingen einen hohen technischen Auf- wand und führen zu einem empfindlichen und instabilen Sy- stem.

Darstellung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur berüh- rungslosen Übertragung elektrischer Energie bzw. elektri- scher Signale Übertragung zwischen relativ zueinander be- weglichen Teilen, die induktive oder kapazitive Koppele- lemente aufweist, die durch entsprechend komplementäre Blindelemente zu Resonanzkreisen ergänzt sind und von ei- nem schaltenden bzw. verstärkenden Element gespeist wer- den, derart weiterzubilden, daß eine Energie-bzw. Si- gnalübertragung in einem weiten Bereich unabhängig von Umgebungsbedingungen, Temperatur und mechanischen Tole- ranzen erfolgen kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Pa- tentanspruchs 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 folgende.

Die Erfindung geht von folgendem Grundgedanken aus : Eine zu einem Resonanzkreis ergänzte induktive oder kapa- zitive Ubertragungseinrichtung besitzt ihre optimalen Ubertragungseigenschaften ausschließlich bei der Reso- nanzfrequenz. Daher wird erfindungsgemäß die Schaltung zu einem Leistungsoszillator ergänzt, in dem der zur Über- tragung verwendete Resonanzkreis das frequenzbestimmende Schaltungselement ist. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich bei dem Resonanzkreis des Ubertragungselementes um einem Serien-oder Parallelkreis handelt. Es kann auch durch weitere zusätzlich Blindelemente zu einem mehr- kreisigen, resonanzfähigen System ausgebildet werden.

Wesentlich ist, daß das Ubertragungssystem derart gestal- tet ist, daß es durch Mitkopplung zur Oszillation bei mindestens einer Resonanzfrequenz des Systems, bei der eine Energieübertragung möglich ist, angeregt werden kann.

Die Anordnung weist ein verstärkendes Element auf, das die resonante Ubertragungseinrichtung speist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ermittelt eine Signali- sierungseinrichtung aus Strömen und Spannungen der Reso- nanzelemente ein Signal, welches zumindest eine Phasenin- formation enthält und signalisiert diese dem verstärken- den Element. Um ein schwingfähiges Gebilde zu erhalten, ist in dieser Anordnung eine schaltende oder verstärkende Komponente notwendig, mit einer derartigen Verstärkung, daß die Schwingbedingung (siehe Tietze, Schenk, Halblei- terschaltungstechnik, Springer Verlag, 10. Auflage, S.

459) erfüllt ist. Ob die schaltende oder verstärkende Komponente hier als reiner Halbleiterschalter oder als lineares Verstärkungselement ausgeführt ist, hat keinen Einfluß auf die Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung.

Daher wird im weiteren Text auch nicht zwischen Schalter und Verstärker unterschieden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- dung enthält im Falle einer Serienresonanz die Signali- sierungseinrichtung einen Stromabgriff, der einen vorge- gebenen Anteil des Resonanzstromes auskoppelt. Dieser Stromabgriff kann beispielsweise ein Strommeßwiderstand, ein Stromübertrager oder ein Hall-Element sein. Ebenso kann der Resonanzstrom als Spannungsabfall an einem der Resonanzelemente gemessen werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- dung enthält die Signalisierungseinrichtung im Falle der Parallelresonanz Komponenten zur Auskopplung eines vorge- gebenen Anteils der am Parallelresonanzkreis anliegenden Spannungen. Diese Spannungen können auch indirekt über den Strom durch diese Elemente ermittelt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- dung enthält die Signalisierungseinrichtung im Falle ei- nes mehrkreisigen Resonanzsystems Komponenten zur Ermitt- lung der Kombination eines vorgegebenen Anteils minde- stens einer Parallelresonanzspannung bzw. eines vorgege- benen Anteils mindestens eines Serienresonanzstromes. Da- bei kann die Signalisierungseinrichtung derart ausgeführt sein, daß die Auswertung durch einfache, phasenrichtige Addition dieser Größen erfolgt. Dadurch ist es möglich, je nach Belastungsfall die Schaltung auf einer Serien- oder Parallelresonanz arbeiten zu lassen.

Alternativ ist auch eine Umschaltung realisierbar, welche erkennt, ob eine Serien-oder Parallelresonanz vorliegt und entsprechend einen Anteil von Resonanzspannung bzw.

Resonanzstrom ermittelt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- dung enthält die Signalisierungseinrichtung Filterelemen- te zur Vorselektion zwischen den Abgriffen von Resonanz- spannung bzw.-strom.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- dung enthält die Signalisierungseinrichtung einen Hilfs- oszillator, welcher ein Anschwingen der Anordnung beim Einschalten der Versorgungsspannung erleichtert. Beim Einschalten der Versorgungsspannung beginnt ein Oszilla- tor üblicherweise aus dem Rauschen heraus mit der Oszil- lation. Um ein sicheres und schnelles Anschwingen zu ge- währleisten, kann ein solcher Oszillator auch ein Start- signal mit einer vorgegebenen Frequenz erhalten. Wird diese Frequenz in der Nähe der gewünschten Arbeitsfre- quenz gewählt, erfolgt das Anschwingen besonders schnell.

Durch die Vorgabe des Startsignals kann auch bei mehreren möglichen Resonanzen die Oszillation auf der gewünschten Resonanzfrequenz erfolgen. Würde in einem solchen Fall der Oszillatorstart aus dem Rauschen heraus erfolgen, so kann der Leistungsoszillator auch auf nicht erwünschten Resonanzfrequenzen anschwingen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- dung ist eine weitere Auswerteeinheit vorhanden, welche die Arbeitsfrequenz der Schaltung selbst zur Ermittlung des Abstandes zwischen den gegeneinander beweglichen Tei- len verwendet. Da sich die Arbeitsfrequenz im Falle einer induktiven Übertragung bzw. einer kapazitiven Übertragung abhängig vom Abstand der gegeneinander beweglichen Ele- mente verändert, kann aus einer Änderung der Arbeitsfre- quenz problemlos die entsprechende Änderung des Abstandes ermittelt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, in der zeigen : Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit einem kapazitiven Kop- pelelement ergänzt zu einem Serienresonanzkreis, und Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einem induktiven Kop- pelelement ergänzt zu einem Parallelresonanzkreis.

Darstellung von Ausführungsbeispielen Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit Reso- nanzkopplung, bestehend aus einem induktiven bzw. kapazi- tiven Koppelelement 3, welches eine Last 4 speist. Dieses Koppelelement wird durch zumindest ein Blindelement 2 zu einem resonanzfähigen Gebilde ergänzt. Die Signalisie- rungseinrichtung 5 bildet aus Resonanzströmen bzw.-span- nungen am Koppelelement bzw. an den ergänzenden Blindele- menten ein Mitkopplungssignal mit einer Amplitude und Phase derart, daß das schaltende bzw. verstärkende Ele- ment 1, zusammen mit den ihm nachgeschalteten Blindele- menten 2 und 3, die Schwingbedingung erfüllt.

Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Anordnung entsprechend der Erfindung im Falle einer kapazitiven Obertragungsein- richtung. Das kapazitive Koppelelement 13 speist die Last 14. Es wird zu einem resonanzfähigen Gebilde ergänzt durch die Induktivität 12. Die Signalisierungseinrichtung besteht hier aus einem Strommeßwiderstand 15, welcher an die schaltende oder verstärkende Komponente 11 ein Signal proportional zum Serienresonanzstrom durch Induktivität und Kapazität übermittelt.

Fig. 3 zeigt beispielhaft eine besonders einfache Ausfüh- rungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung im Falle ei- ner Parallelresonanz an einem induktiven Koppelelement.

Das induktive Koppelelement 23 speist hier eine Last 24.

Die Induktivität wird durch die Kapazität 22 zu einem Parallelresonanzkreis ergänzt. Diese Signalisierungsein- richtung besteht hier aus einem Spannungsteiler mit den beiden Widerständen 25 und 26, welche einen vorgegebenen Anteil der Parallelresonanzspannung an Induktivität und Kapazität abgreift und diese an die schaltende bzw. ver- stärkende Komponente weiterleitet.