Aus der DE 100 53 373 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Energieübertragung bekannt. Dabei ist eine Einspeisung mit einem Anpasssteller verbunden, wobei der Anpasssteller einen aktiv anzusteuernden Schalter 25 und die zugehörige Ansteuerelektronik mit Regelelektronik aufweist. Somit ist der Anpasssteller aufwendig und kostspielig. Darüber hinaus weist der Schalter abhängig von zu schaltenden Spannungen, Strömen und Anzahl von Schaltvorgängen sowie Temperatur eine geringe Lebensdauer auf.

Sogar bei Nicht-Belastung treten prinzipbedingt Halbleiterverluste auf, wenn kein spezielles Kurzschlussrelais eingesetzt wird. Die Verlustwärmeproduktion ist hoch, weshalb ein Kühlkörper vorgesehen werden muss, der zu einer höheren Masse des beweglichen Teiles der Vorrichtung führt.

Ein weiterer Nachteil der DE 100 53 373 A1 ist, dass ein langsames Hochfahren bei Einschalten der Anlage nur erschwert ausführbar ist. Denn ein langsames Hochfahren des primären Linienleiterstromes begrenzt nicht die auftretende Spitzenleistung zum Laden der Zwischenkreiskondensatoren von als Verbrauchern angeschlossenen Umrichtern. Zur Begrenzung ist dort eine spezielle Maßnahme in der Regelung des Anpassstellers notwendig, die eine Sollwertrampe für die Ausgangsspannung generiert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung weiterzubilden unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile.

Insbesondere soll die Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung eine längere Lebensdauer aufweisen und insgesamt robuster sein, insbesondere auch gegen mechanische Belastungen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei der Vorrichtung sind, dass die Vorrichtung ausgeführt ist zur berührungslosen Energieübertragung elektrischer Leistung aus einer oder mehreren Mittelfrequenzstromquellen, deren Frequenzen Abweichungen um die Mittelfrequenz fM aufweisen können, auf mindestens einen bewegten Verbraucher über eine oder mehrere Übertragungsstrecken und den Verbrauchern zugeordneten Übertragerköpfen mit nachgeschalteter Anpassschaltung zum Bereitstellen einer eingeprägten Mittelfrequenz- Spannung für den Verbraucher, wobei eine Übertragungsstrecke von einer Mittelfrequenzstromquelle mit einem eingeprägten Mittelfrequenzstrom gespeist wird, wobei die Anpassschaltung als stromgesteuerte Spannungsquelle ausgeführt ist.

Von Vorteil ist dabei, dass die Vorrichtung einfach und robust mit wenig Aufwand ausführbar ist. Außerdem ist sie kostengünstig herstellbar, weil sie mit wenigen Bauelementen realisierbar ist. Ein Halbleiterschalter ist nicht notwendig für den Anpasssteller, da die Erfindung mit passiven Bauelementen, wie Spulen und Kondensatoren realisierbar ist.

Die Wärmeproduktion der Vorrichtung ist gering. Darüber hinaus ist ein langsames Hochfahren bei Einschalten der Anlage ausführbar. Denn ein langsames Hochfahren des primären Linienleiterstromes führt zu einer langsamen Zunahme der Ausgangsspannung der Anpassschaltung. Dies ist ein besonders wesentlicher Vorteil bei als Verbraucher angeschlossenen Umrichtern mit Gleichrichter und Gleichspannungszwischenkreis, weil dann die auftretende Spitzenleistung zum Laden der Zwischenkreiskondensatoren gering gehalten wird. Bei Anschluss eines Umrichters als Verbraucher anstelle eines ohmschen Verbrauchers wird die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Vierpols als Zwischenkreisspannung des Umrichters verwendbar.

Wesentlich ist bei der Vorrichtung auch, dass der Verbraucher mit eingeprägter Spannung versorgbar ist anstatt mit eingeprägtem Strom. Somit sind die meisten in Industrie oder Haushalt gebräuchlichen Verbraucher mit der Vorrichtung versorgbar, insbesondere Umrichter mit Spannungszwischenkreis.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dem Übertragerkopf sekundärseitig ein Kompensationskondensator parallel geschaltet. Insbesondere bildet

die Kapazität des Kompensationskondensators mit der Induktivität LK der Sekundärseite des Übertragerkopfes einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz mit der Mittelfrequenz fM übereinstimmt oder nicht mehr abweicht als 10%. Der Übertragerkopf ist derart mit einem Kompensationskondensator ausgeführt, dass der Übertragerkopf auf seiner Ausgangsseite sich als eingeprägte Stromquelle verhält und/oder der Übertragerkopf zusammen mit seinem Kompensationskondensator CK eine Mittelfrequenzstromquelle darstellt, insbesondere mit einem möglichst großem Innenwiderstand. Von Vorteil ist dabei, dass die Stromquelleneigenschaften des Übertragerkopfes möglichst ideal sind.

Als vorteilhafte Wahl zur Dimensionierung hat sich herausgestellt, dass der Kompensationskondensator CK des Übertragerkopfes und die Induktivität LK des Übertragerkopfes derart dimensioniert sind, dass f = 1 von fo höchstens 5 % 2zLKCK abweicht. Besonders vorteilhaft ist Gleichheit.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Anpassschaltung als derartiger Vierpol ausgeführt, dass bei ohmschem Verbraucher und konstanter Frequenz eines sinusförmigen Eingangsstroms der Betrag der Ausgangsspannung dem Betrag des Eingangsstroms mit dem Proportionalitätsfaktor Z proportional ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine konstante Ausgangsspannung lieferbar ist, weil der Mittelfrequenzstrom in der Übertragungsstrecke konstant haltbar ist mittels einer entsprechenden Regelung. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Vierpol V1 zumindest eine Kapazität C91 und eine Induktivität L umfasst, die den Proportionalitätsfaktor Z bestimmen.

Vorteilhaft ist es, den Vierpol derart aufzubauen, dass er zumindest einen inneren Vierpol umfasst, welcher zwischen seinen Eingangsklemmen eine Kapazität C91 aufweist und eine Induktivität Lgl zwischen einer ersten Eingangsklemme und einer ersten Ausgangsklemme geschaltet ist und die zweite Ausgangsklemme mit der zweiten Eingangsklemme direkt verbunden ist. Dabei weicht vorteiligerweise die Frequenz f des Eingangsstromes von der höchstens 10 % ab. Bei Gleichheit liegen Idealbedingungen vor. 2c LglCg, Somit sind vorteiligerweise die Spannungsquelleneigenschaften des inneren Vierpols möglichst ideal ausgeführt. Der Proportionalitätsfaktor Z ist vorteiligerweise derart gewählt, fT dass Z = 1 beträgt. Somit sind zwar noch Zweipole vor oder nach dem inneren Vierpol Cgl

einfügbar, jedoch keine weiteren Vierpole mit Induktivitäten und Kapazitäten.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen eine erste Eingangsklemme der Anpassschaltung und die erste Eingangsklemme des inneren Vierpols ein erster Zweipol zwischengeschaltet und zwischen die zweite Eingangsklemme der Anpassschaltung und die zweite Eingangsklemme des inneren Vierpols ein zweiter Zweipol zwischengeschaltet und zwischen die beiden Ausgangsklemmen des inneren Vierpols ein dritter Zweipol geschaltet und die erste Ausgangsklemme des inneren Vierpols mit der ersten Ausgangsklemme der Anpassschaltung direkt verbunden und die zweite Ausgangsklemme des inneren Vierpols mit der zweiten Ausgangsklemme der Anpassschaltung direkt verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass mittels einem oder mehreren dieser Zweipole die Blindspannung am Ausgang des Übertragerkopfes, also am Eingang der Anpassschaltung, kompensierbar ist. Insbesondere mittels des dritten Zweipols ist die Parameterempfindlichkeit der Ausgangsspannung der Anpassschaltung bezüglich des Kompensationskondensators CK verringerbar. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn CK größer oder sehr viel größer als die Kapazität C91 ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste und/oder der zweite Zweipol als direkte Verbindung, also Kurzschluss, ausgeführt. Bei einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist der dritte Zweipol als Unterbrechung ausgeführt, also nicht vorhanden. Somit sind keine kostspieligen Bauelemente notwendig.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung gleicht die Summe der Induktivitäten des ersten und des zweiten Zweipols dem Wert der Induktivität Lgi des inneren Vierpols und der dritte Zweipol ist eine Unterbrechung. Somit ist mit einfachen Mitteln die Blindleistungsspannung kostengünstig kompensierbar. Darüber hinaus ist die Parameterempfindlichkeit der Ausgangsspannung der Anpassschaltung bezüglich des Kompensationskondensators CK verringerbar. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn CK größer oder sehr viel größer als die Kapazität C91 ist.

Bei der alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist insbesondere der erste und zweite Zweipol jeweils als direkte Verbindung ausgeführt und der dritte Zweipol ist ein Kondensator mit der Kapazität C92. Insbesondere stimmt die Kapazität C92 überein mit der Kapazität C des inneren Vierpols. Somit ist mit einfachen Mitteln die Blindleistungsspannung kostengünstig kompensierbar. Darüber hinaus ist wiederum die Parameterempfindlichkeit der Ausgangsspannung der Anpassschaltung bezüglich des Kompensationskondensators CK verringerbar. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn CK größer oder sehr viel größer als die Kapazität C91 ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am Ausgang der Anpassschaltung ein Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung für einen vom Verbraucher umfassten Umrichter vorgesehen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bezugszeichenliste CK Kompensationskondensator LK Induktivität C91 Kapazität Lgi Induktivität Z Proportionalitätsfaktor C92 Kapazität RL Lastwiderstand

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert : In der Figur 1 ist das elektrische Ersatzschaltbild des beweglichen Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Der stationäre Teil ist gemäß DE 100 53 373 A1 vorsehbar.

Wie auch in der DE 100 53 373 A1 weist der Übertragerkopf die sekundärseitige Induktivität LK auf, welche durch den Kompensationskondensator CK in ihrer Wirkung bei der Mittelfrequenz kompensiert wird. Die Energie wird vom Einspeisesteller ESS über die Strecke an den Übertragerkopf berührungslos übertragen. Der Übertragerkopf zusammen mit dem Kompensationskondensator CK wirkt als eingeprägte Stromquelle IK, wie in Figur 1 gezeigt.

An den Übertragerkopf ist ein Vierpol V1 mit seinen Eingangsklemmen E1 und E2 angeschlossen, der an seinem Ausgang, also mit den Ausgangsklemmen A1 und A2 mit einem Gleichrichter zur Versorgung eines Umrichters verbunden ist.

Der Vierpol V1 ist derart ausgeführt, dass bei Anlegen einer rein ohmsche Last an den Ausgangsklemmen A1 und A2 und bei konstanter Frequenz eines sinusförmigen Eingangs- Stromes des Vierpols V1 der Betrag der Ausgangsspannung proportional ist zum Betrag des Eingangs-Stromes, insbesondere belastungsunabhängig, wobei der Proportionalitätsfaktor Z ist. Diese Proportionalität gilt sogar auch dann, wenn die Last statt aus einer rein ohmschen aus einer beliebigen linearen komplexen Last besteht, also aus einer beliebigen Schaltung aus Induktivitäten, Kapazitäten und ohmschen Widerständen besteht.

Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach Figur 1 umfasst der Vierpol V1 einen inneren Vierpol V2, dessen Eingangsklemmen E3 und E4 über Zweipole Z1 und Z2 mit den Eingangsklemmen E1 und E2 des Vierpols V1 verbunden sind. Außerdem liegt zwischen den Ausgangklemmen A3 und A4 ein Zweipol Z3, wobei die Ausgangsklemme A3 mit der Ausgangsklemme A1 des Vierpols V1 und die Ausgangsklemme A4 mit der Ausgangsklemme A2 des Vierpols V1 jeweils direkt verbunden ist.

Die Zweipole sind bei verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen verschieden ausführbar. In Figur 2 ist eines der Ausführungsbeispiele gezeigt. Dabei sind die Zweipole Z1 und Z2 als direkte Verbindungen, also Kurzschlüsse, ausgeführt und der Zweipol Z3 als Kondensator mit der Kapazität C92. Mit diesem Kondensator lässt sich die

Parameterempfindlichkeit der Ausgangsspannung der Anpassschaltung bezüglich des Kompensationskondensators CK verringern, insbesondere wenn CK größer oder sehr viel größer als die Kapazität C91 der Figur 2 ist. Außerdem ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine sehr gute Blindspannungskompensation am Eingang der Anpassschaltung erreichbar, insbesondere wenn die Kapazität C92 der Kapazität C91 gleicht.

Dieselben Vorteile erreicht man aber auch bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel bei dem der Zweipol Z3 als offene Verbindung ausgeführt ist und die beiden Zweipole Z1 und Z2 als Induktivitäten ausgeführt sind, deren Summe der Induktivität Lodes inneren Vierpols V2 gleicht.

Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel bestimmen eine Kapazität C91 und eine Induktivität L9 den Proportionalitätsfaktor Z. Idealerweise sind die Kapazität C91 und die von einigen Prozent, beispielsweise bis zu 5 %, beeinträchtigen die Vorteile nur in geringem Umfang. Der Kompensationskondensator CK des Übertragerkopfes und die Induktivität LK hier sind Abweichungen von einigen Prozent, beispielsweise bis zu 5 %, nicht wesentlich verschlechternd.

Auch Abweichungen von bis zu 10 % statt 5 % sind noch akzeptabel bezüglich der Funktion des Übertragerkopfes und der Anpassschaltung.

Die Kapazität C91 bildet zusammen mit der Induktivität Lgi eine stromgesteuerte Spannungsquelle bei der Mittelfrequenz fM, also ist der Betrag der Spannung am Ausgang proportional zum Betrag des Linienleiterstrom der Strecke und ist unabhängig von der Belastung.

Wenn die genannten Abweichungen verschwinden, liegt auch bei linearen Lasten, wie Spulen, Widerständen Kondensatoren oder deren beliebige Zusammenschaltungen, keine

Belastungsabhängigkeit im genannten Proportionalitätsverhalten vor. Bei zunehmenden Abweichungen tritt eine Abhängigkeit von der Belastung auch bei solchen Lasten zunehmend auf.

Die Kapazität C92 bildet zusammen mit der Induktivität Lgi einen Reihenschwingkreis, der bei geringer Belastung, also großem Lastwiderstand RL einen Kurzschluss darstellt. Bei steigender Belastung wird der Reihenschwingkreis stärker bedämpft. Der Reihenschwingkreis wirkt dann nicht mehr als Kurzschluss. Auf diese Weise stellt sich dann eine automatische Anpassung an die Lastverhältnisse ein. Auf die Eigenschaft als stromgesteuerte Spannungsquelle hat der Kondensator C92 keinen negativen Einfluss, da er einfach parallel zur Last liegt. Im Gegenteil bewirkt der Kondensator C92 sogar, dass eine Verstimmung des Kompensationskondensator CK nahezu keine Auswirkung auf die Spannungskonstanz der Ausgangsspannung der Anpassschaltung hat.

Die Anpassschaltung ist passiv und mit einer sehr geringen Anzahl von Bauteilen ausgeführt und daher robust und kostengünstig.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist auch eine Parallelschaltung von mehreren Anpassschaltungen mit angeschlossenen Gleichrichtern ausführbar zur Erhöhung der übertragbaren Leistung.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist zur verbesserten Regelung der Ausgangsspannung ein nachgeschalteter Tief/Hochsetzsteller oder eine steuerbare Induktivität Lgi einsetzbar. Die genannte Steuerbarkeit der Induktivität ist realisierbar, indem mittels eines zusätzlichen Gleichstromkreises eine lokale Sättigung im magnetischen Kreis der Spule Lgi bewirkt wird. Auf diese Weise ist die Ausgangsspannung des Vierpols zu beeinflussen.

Wie in Figur 1 und 2 gezeigt, ist am Ausgang der Anpassschaltung ein Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung für einen vom Verbraucher umfassten Umrichter vorsehbar. Bei einem solchen Verbraucher mit Gleichrichter liegt jedoch die oben genannte Proportionalität nicht ideal vor.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen trägt die Spule mit der Induktivität Lgi eine weitere Wicklung zur Erzeugung von Hilfsspannung. Diese Hilfsspannung kann

beispielsweise verwendet werden zur Versorgung eines Schaltungsteils, das den Strom zur Steuerung der Induktivität Lgi bei der oben genannten steuerbaren Ausführung erzeugt.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist entsprechend der Figur 3 die Anordnung der Kapazität C91 und Induktivität Lgi vertauscht.

Die Erfindung umfasst auch alle elektrotechnisch gleichwertigen Schaltungsarten und Anordnungen.

Insbesondere sind bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen nach Figur 3 die Zweipole Z1 und Z2 als Kurzschlüsse ausgeführt. In diesem Fall ist es sogar ermöglicht, eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform zu erzielen, indem der Kompensations- kondensator CK weggelassen wird und die Induktivitäten LK und Lgi einstückig ausgeführt werden, insbesondere als Übertragerkopfwicklung selbst. Zusätzlich ist der Zweipol Z3 als offene Verbindung ausgeführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist dann nur die Kapazität C der Übertragerkopfwicklung nachgeschaltet. Es ist also die Anzahl der Bauelemente auf diese beiden reduzierbar und eine sehr kostengünstige Ausführungsform erreichbar.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist durch besondere Wahl der Zweipole eine blindleistungskompensierte Ausführung des Übertragerkopfes ermöglicht. Es liegt also dann keine Spannung vor, wenn keine Leistung entnommen wird. Drei vorteilhafte Varianten sind dazu die im Folgenden genannten : In erster Variante sind die Zweipole Z1 und Z2 als Kurzschlüsse ausgeführt, wobei der dritte Zweipol Z3 als Induktivität Lgi ausgeführt ist.

In zweiter Variante sind die Zweipole Z1 und Z2 als Kapazitäten mit dem jeweiligen Wert 2 C Ausgeführt, wobei der dritte Zweipol Z3 ala Unterbrechung ausgeführt ist.

In dritter Variante ist der Zweipol Z1 als Cg1, der Zweipol Z2 als Kurzschluss und der dritte Zweipol Z3 als Unterbrechung ausgeführt.