Besehreibung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur induktiven

Energieübertragung, bei der eine Fahrbahn ein dreiphasiges Primärsystem und ein auf der Fahrbahn abrollendes o- der ruhendes Objekt ein mit dem Primärsystem induktiv koppelbares dreiphasiges Sekundärsystem umfasst.

Einrichtungen zur Übertragung elektrischer Energie nach dem Transformatorprinzip haben die Aufgabe, Energie mit- hilfe von Wechselspannungen zu übertragen. Das erfolgt mithilfe eines magnetischen Kreises, um den Leiter zweier verschiedener Stromkreise gewickelt sind. Legt man an ei ^¬ ner Transformatorprimärspule eine Wechselspannung an, so stellt sich an der Sekundärspule ebenfalls eine Wechsel ^¬ spannung ein. Das Verhältnis der Spannungen ist proporti ^¬ onal zum Verhältnis der Windungszahlen der Primär- und der Sekundärspule.

Aus der DE 4 236 340 C2 ist eine induktive Energieüber ^¬ tragungsanordnung bekannt, bei der die Energie über einen Luftspalt hinweg berührungsfrei übertragen wird. In die- sem Fall ist es erforderlich, die Luftspaltgröße konstant zu halten und die Fahrbahn von Verunreinigungen frei zu halten .

Gemäß der WO 2010/057799 AI wird eine berührungsbehaftete induktive Energieübertragung vorgeschlagen. Die elektrische Energie wird über ein Rad übertragen, das auf einer an eine Stromquelle angeschlossenen Fahrbahn oder Schiene abrollt. Zur Vermeidung eines Luftspaltes ist das Rad mit einem magnetisch leitenden Elastomer umgeben. Aus der DE 33 04 719 AI ist eine auf dem Transformatorprinzip basierende Dreiphasen-Kraftübertragungsanlage be ^¬ kannt, bei der erste Wicklungen um ein erstes Magnetkernteilstück und zweite Wicklungen um ein zweites Magnet- kernteilstück gewickelt sind und das erste und das zweite Magnetkernteilstück relativ zueinander bewegbar sind. Bei dieser - magnetisch unsymmetrischen - Transformatorbauart zur mobilen Energieübertragung ist aufgrund der unterschiedlichen Positionen des mobilen Sekundärsystems eine aufwändige Anordnung und Bestromung von Hilfswicklungen erforderlich, um zu verhindern, dass bei Belastung Teile des Eisenkreises in die Sättigung geraten und dadurch der Wirkungsgrad verschlechtert wird. Zudem ist die Anwendung unsymmetrischer Transformatoren bei der mobilen Energie- Übertragung mit einer erheblichen Geräuschentwicklung verbunden .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich ^¬ tung zur dreiphasigen Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Fahrbahn und einem auf dieser bewegten o- der ruhenden Objekt anzugeben, die einfach ausgebildet ist und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 6 ausgebildeten Einrichtung gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einer Einrichtung zur induktiven Energieübertragung zwischen einem dreiphasigen stationären Primärsystem und einem mobilen dreiphasigen Sekundärsystem besteht der Grundgedanke der Erfindung in der magnetisch symmetri- sehen Bauform mit unabhängig von der jeweiligen Position des mobilen Sekundärsystems gleichlangen Magnetflusswegen in den drei Phasen und entsprechend annähernd konstanter Leistungsübertragung. Gemäß der Erfindung sind die ferro- magnetischen stationären und mobilen Eisenkernteile als gleichseitiges Dreieck oder als ein gleichseitiges Drei- eck aufspannender Stern mit gleich langen und in gleichem Winkel zueinander verlaufenden Schenkeln und von deren Enden ausgehenden Stützpfosten sowie in gleichem Abstand zueinander angeordneten Primär- oder Sekundärwicklungen ausgebildet. Das heißt, die Primär- und Sekundärwicklun- gen befinden sich in den gedachten Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks. Zur Energieübertragung in der Bewegung des abrollbaren Objekts sind primärseitig zwei im Abstand hintereinander angeordnete stationäre Eisen ^¬ kernteile an den jeweiligen Stützpfosten über parallel verlaufende, in ein und derselben Ebene liegende ferro- magnetische Fahrbahnschienen (Magnetschienen) verbunden, auf denen das mobile Eisenkernteil mithilfe von in Aus ^¬ nehmungen der mobilen Stützpfosten untergebrachten ferro- magnetischen Laufrollen abrollbar oder an unterschiedli- chen Stellen positionierbar ist.

Aufgrund der symmetrischen Bauform des hier für die dreiphasige mobile Energieübertragung vorgeschlagenen Transformators sind die Wege im geblechten Eisenkern für alle drei Phasen gleich, so dass in jeder Position des mobilen Sekundärsystems symmetrische Magnetflüsse und somit - und zwar auch im Zusammenwirken mit der durch die ferromagne- tischen Laufrollen bewirkten Luftspaltminimierung - ein hoher Wirkungsgrad der Energieübertragung erreicht werden und Streuflüsse minimiert werden. Das heißt, unabhängig von der Position des Sekundärsystems auf den Magnetschie ^¬ nen ist aufgrund der magnetisch symmetrischen Bauform bei symmetrischer Belastung eine symmetrische Magnetflussverteilung in den Jochen des Sekundärsystems und eine rela- tiv konstante und zudem geräuscharme Leistungsübertragung gewährleistet . In Ausgestaltung der Erfindung bilden zwei im Abstand angeordnete, mit Primärwicklungen versehene und in Reihe geschaltete stationäre Eisenkernteile in Verbindung mit den Magnetschienen ein an eine Spannungsquelle anschließ ^¬ bares Fahrbahnsegment. Es können zwei oder mehrere Fahr ^¬ bahnsegmente magnetisch voneinander isoliert hintereinander angeordnet sein.

In Ausgestaltung der Erfindung sind die Primärwicklungen und die Sekundärwicklungen an den Stützpfosten oder an den Schenkeln der sternförmigen Eisenkernteile in gleichem Abstand von deren Mittelpunkt oder mittig an den Schenkeln der dreieckförmigen Eisenkernteile angeordnet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Magnetschienen in eine Fahrbahn eingebunden und die stationären Eisenkernteile und Primärwicklungen sind unterflur ange ^¬ ordnet .

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind die Magnetschienen oder die Laufrollen mit einem ferromagne- tischen festen, aber elastischen Material beschichtet, um den Luftspalt zwischen dem Primärsystem und dem Sekundärsystem noch weiter zu verringern. Zudem werden dadurch die Abrolleigenschaften verbessert.

Gemäß einem noch anderen Merkmal der Erfindung kann für eine induktive Energieübertragung in einem ausschließlich ruhenden Zustand des abrollbaren Objekts auf die Zwi ^¬ schenschaltung der Magnetschienen und Laufrollen verzichtet werden. In diesem Fall wird das in einem beweglichen Objekt angeordnete, jedoch ohne Laufrollen ausgebildete mobile Eisenkernteil mit seinen Stützpfosten unmittelbar auf die Stützpfosten eines in eine Fahrbahn oder Parkfläche integrierten stationären Eisenkernteils abgesenkt. Das stationäre und mobile Eisenkernteil sind wieder als gleichseitiges Dreieck oder als ein gleichseitiges Drei ^¬ eck aufspannender Stern mit gleich langen und in gleichem Winkel zueinander verlaufenden Schenkeln und von deren Enden ausgehenden Stützpfosten sowie in gleichem Abstand zueinander angeordneten Primär- oder Sekundärwicklungen ausgebildet .

Das abrollbare Objekt ist ein ganz oder teilweise über Akkumulatoren elektrisch angetriebenes Fahrzeug, in dem das horizontal und vertikal verstellbare mobile Eisen ^¬ kernteil auf die Magnetschienen bzw. unmittelbar auf das stationäre Eisenkernteil absenkbar angeordnet ist, um die Akkumulatoren in einem bewegten oder ruhenden Zustand des Fahrzeugs nachzuladen, wobei die Primärwicklungen des Fahrbahnsegments nur im Kontakt mit dem mobilen Eisen ^¬ kernteil bestromt sind.

In weiterer Ausbildung der Erfindung sind Mittel zur Ein- speisung eines Signals in das Sekundärsystem und Mittel zur Erkennung dieses Signals im Primärsystem vorgesehen, wobei das Signal im Primärsystem nur erkennbar ist, wenn zwischen Primär- und Sekundärsystem ein geschlossener magnetischer Kreis besteht.

Es ist bei entsprechender konstruktiver Anpassung selbstverständlich auch denkbar, anstelle der dreiphasigen Energieübertragungseinrichtung eine nach dem vorliegenden Erfindungsprinzip mit mehr als drei Phasen ausgebildete mehrphasigen Einrichtung einzusetzen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur dreiphasigen induktiven Energieübertragung zwischen einem als Primärsystem ausgebildeten Fahrbahnsegment und einem auf diesem abrollba ^¬ ren, an einem Fahrzeug gehaltenen Sekundärsystem;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Sekundärsys ^¬ tems aus einem als gleichseitiges Dreieck ausge ^¬ bildeten mobilen, nur für die Energieübertragung im Ruhezustand vorgesehenen Eisenkernteil; und

Fig. 3 eine vergrößerte schematische Schnittansicht ei ^¬ nes Stützpfostens des Sekundärsystems mit inte ^¬ grierten Laufrollen. Das ein Primärsystem eines dreiphasigen Transformators darstellende Fahrbahnsegment 1 besteht aus drei parallel und in einer Ebene angeordneten Magnetschienen 2 und einem mit diesem verbundenen ersten und zweiten ferromagne- tischen, einstückig aus drei Schenkeln 3a, 3b und 3c ge- bildeten - ersten und zweiten - stationären Eisenkernteil 3. Die Schenkel 3a, 3b, 3c haben jeweils die gleiche Länge und gehen sternförmig und symmetrisch von einem gemeinsamen Mittelpunkt ZI, Z3 aus, wobei jeweils zwei im Winkel zueinander angeordnete - benachbarte - Schenkel jeweils ein identisches gleichschenkliges Dreieck bilden. Die Endpunkte der Schenkel 3a, 3b, 3c entsprechen den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks. Ein vom Ende jedes Schenkels abstrebender Stützpfosten 3a ^y , 3b ^y , 3c ^y ist jeweils an die Unterseite einer der drei Magnetschie- nen 2 angeschlossen und trägt jeweils eine mit einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) verbundene Pri ^¬ märwicklung 4. Die Primärwicklungen 4 sind somit an einem sternförmigen stationären Eisenkernteil 3, das heißt geo ^¬ metrisch in den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet. Während die Magnetschienen 2 im Wesentlichen bündig in eine Fahrbahnoberfläche eingelassen werden, sind die beiden im Abstand zueinander positionierten fer- romagnetischen Eisenkernteile 3 des Fahrbahnsegments 1 unterflur angeordnet. Die beiden im Abstand voneinander mit den Magnetschienen 2 verbundenen stationären Eisen- kernteile 3 sind elektrisch parallel geschaltet. Dadurch ist der magnetische Fluss in den Sekundärschenkeln weitgehend unabhängig von der Position des Sekundärsystems auf den Magnetschienen . Es kann eine Mehrzahl von magnetisch voneinander isolierten Fahrbahnsegmenten 1 hinter- einander in eine Fahrbahn integriert sein, um so ein langgestrecktes stationäres Primärsystem zur Energieübertragung auf ein auf einer Fahrbahn bewegliches, mit einem mobilen Sekundärsystem des dreiphasigen Rolltransformators ausgerüstetes Objekt zu schaffen.

Das für die Energieübertragung in der Bewegung eines abrollbaren Objekts vorgesehene mobile Sekundärsystem um- fasst, wie Fig. 1 zeigt, ein mobiles ferromagnetisches Eisenkernteil 5 mit drei sternförmig zueinander ausge- richteten, gleich langen und von einem Mittelpunkt Z2 jeweils in gleichem Winkel zueinander ausgehenden Schenkeln 5a, 5b, 5c und von deren Enden in Richtung der Fahrbahnschienen 2 abstrebenden Stützpfosten 5a ^y , 5b ^y und 5c ' . Die Endpunkte der Schenkel 5a, 5b, 5c entsprechen den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks. In gleichmäßi ^¬ gem Abstand vom Mittelpunkt Z3 des mobilen Eisenkernteils 5 sind an den Schenkeln 5a, 5b, 5c jeweils eine an einen Verbraucher in dem abrollbaren Objekt (nicht dargestellt) angeschlossene Sekundärwicklung 6 angebracht. Die Mobili- tät des Sekundärsystems auf den Magnetschienen 2 ist durch in den Stützpfosten 5a ^y , 5b ^y , 5c ^y ausgebildete zylinderförmige Laufrollen 7 gewährleistet, die - wie die mobilen Schenkel und Stützpfosten - aus ferromagnet ischem Material bestehen und an der freien, zu den Magnetschie- nen 2 gerichteten Seite der Pfosten in zylindrische, einen schmalen Spalt freilassende Ausnehmungen 8 eingebun- den sind. Die ferromagnetischen Laufrollen 7, von denen, wie Fig. 3 zeigt, nur ein schmaler Zylinderabschnitt aus der Grundfläche der Stützpfosten 5a ^y , 5b ^y , 5c ^y heraus ^¬ ragt, sind somit immanenter Bestandteil des Eisenkern- teils 5, so dass nur ein sehr geringer Luftspalt zwischen dem mobilen Eisenkernteil 5 und den Magnetschienen 2 des stationären Eisenkernteils 3 vorhanden ist und die durch den Luftspalt bedingten Energieübertragungsverluste somit gering sind. Zur Verringerung der Luftspaltverluste ist es auch denkbar, die Fahrbahnschienen mit einem elastischen, magnetisch leitfähigen Belag (nicht dargestellt), beispielsweise einem ferromagnetischen Elastomer, zu beschichten . Wie anhand der strich-punktierten Linie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt, sind bei der zuvor beschriebenen Bauform eines Dreiphasentransformators alle möglichen Magnetflusswege - hier beispielsweise von ZI nach Z2 (bzw. von Z3 nach Z2) - gleich lang. Das heißt, die mag- netischen Widerstände in den drei magnetischen Teilkrei ^¬ sen von ZI nach Z2 bzw. von Z3 nach Z2 sind jeweils gleich, so dass sich bei symmetrischer elektrischer Belastung jeweils annähernd gleich große Magnetflüsse im Sekundärkreis ergeben. Bei der hier vorgeschlagenen mag- netisch symmetrischen Bauform zur dreiphasigen induktiven Energieübertragung ist in jeder Position des mobilen Eisenkernteils 5 zum stationären Eisenkernteil 3 ein gleich großer magnetischer Fluss vorhanden, so dass bei symmetrischer Belastung keine den Wirkungsgrad verringernde un- symmetrische Sättigung in Teilen des Transformators auf ^¬ treten kann und mithin ein hoher Wirkungsgrad der

elektrischen Energieübertragung zwischen dem stationären Primärsystem und dem mobilen Sekundärsystem gewährleistet ist. Darüber hinaus entfällt die bei der aus dem Stand der Technik bekannten Transformatorbauform mit unsymmetrischen magnetischen Eigenschaften erforderliche aufwän- dige Anordnung von entsprechend bestromten Hilfswicklungen. Zudem zeichnet sich die hier vorgeschlagene magne ^¬ tisch symmetrische dreiphasige Transformatorbauform durch eine gegenüber der bekannten unsymmetrischen Bauform deutlich verringerte Geräuschbildung aus.

Die symmetrische Bauform des Energieübertragungssystems ist gleichermaßen auch dann gewährleistet, wenn, wie in Fig. 2 am Beispiel eines dreieckförmigen mobilen Eisen- kernteils 9 dargestellt, die Schenkel 9a, 9b, 9c des mo ^¬ bilen Eisenkernteils 9 (und/oder eines der stationären Eisenkernteile) in Form eines gleichseitigen Dreiecks mit von den Eckpunkten der aneinanderstoßenden Schenkel in Richtung der ferromagnetischen Magnetschienen 2 ausgehen- den Stützpfosten 9a ^y , 9b ^y , 9c ^y ausgebildet sind. In die ^¬ sem Beispiel sind die Sekundärwicklungen an den mit Laufrollen 7 ausgebildeten Stützpfosten 9a ^y , 9b ^y , 9c ^y angeordnet. Die Primär- bzw. Sekundärwicklungen können aber auch an den Schenkeln angeordnet sein. Prinzipiell können in derselben Energieübertragungseinrichtung stern- oder dreieckförmig ausgebildete Eisenkernteile miteinander kombiniert sein.

Die zuvor beschriebene Einrichtung zur induktiven Ener- gieübertragung wird beispielsweise zum Nachladen der Batterien von mit einem Elektro- oder Hybridantrieb versehe ^¬ nen Fahrzeugen verwendet. Das Primärsystem ist in eine Parkfläche oder eine Fahrbahn eingelassen, wobei eine Mehrzahl der oben beschriebenen Fahrbahnsegmente magne- tisch voneinander isoliert aneinandergereiht werden kön ^¬ nen, um auch bei einer längeren Wegstrecke und jeweiliger Bestromung des Primärsystems eine Energieübertragung vornehmen zu können. Das Sekundärsystem ist absenkbar unter dem zu versorgenden Fahrzeug angebracht und kann auf die in die Fahrbahn oder Parkfläche eingelassenen ferromagne- tischen Magnetschienen des Primärsystems abgesenkt wer- den, sobald sich das Fahrzeug entlang den Fahrbahnsegmenten bewegt oder über einem Fahrbahnsegment zum Stillstand kommt. Es wird nur das jeweilige Fahrbahnsegment

bestromt, über dem sich das Fahrzeug im Stillstand oder in der Bewegung gerade befindet.

Das in Fig. 2 dargestellte mobile Eisenkernteil 5 weist an den Stützpfosten 5a ^y , 5b ^y , 5c ^y entgegen der Darstellung in Fig. 1 keine Laufrollen auf, da es im Ruhezustand unmittelbar auf die Stützpfosten eines in einer Fahrbahn oder Parkfläche (einzeln und ohne Magnetschienen) angeordneten stationären Eisenkernteils aufgesetzt wird.

Die Energieeinspeisung in das jeweilige Fahrbahnsegment erfolgt aufgrund eines in das Sekundärsystem eingegebenen Signals, das im Primärsystem nur erkannt wird, wenn ein geschlossener magnetischer Kreis zwischen dem stationären und dem mobilen Eisenkernteil besteht. Durch die vom Se ^¬ kundärsystem in das Primärsystem übertragenen Signale wird sichergestellt, dass nur diejenigen Wicklungen des Primärsystems bestromt werden, deren stationäre Eisen ^¬ kernteile 3 gerade mit dem mobilen Eisenkernteil 5 einen geschlossenen Magnetkreis bilden. Die gezielte Bestromung der Primärspulen verhindert zusammen mit dem geschlosse- nen magnetischen Eisenkreis die Bildung von Streufeldern mit für den Menschen unzulässig hohen Induktionen.

Bezugszeichenliste

Fahrbahnsegment

Magnetschiene

stationäres, stern- oder dreieckförmiges Eisenkernteil

a, 3b, 3c stationäre Schenkel

a ^y , 3b ^y , 3c ^y stationäre Stützpfosten

Primärwicklung

mobiles, stern- oder dreieckförmiges Ei ^¬ senkernteil

a, 5b, 5c mobile Schenkel

a ^y , 5b ^y , 5c ^y mobile Stützpfosten

Sekundärwicklung

ferromagnetische Laufrollen Ausnehmung

I, Z2, Z3 Mittelpunkt von 3 bzw. 5