Aus der DE 197 35 624 C1 ist ein Verfahren bekannt zur berührungslosen Energieübertragung elektrischer Leistung aus einer Mittelfrequenzstromquelle mit einer Mittelfrequenz fM auf einen oder mehrere bewegte Verbraucher über eine Übertragungsstrecke und aus den bewegten Verbrauchern zugeordneten Übertragerköpfen mit nachgeschaltetem Anpasssteller zum Einstellen der von der Übertragungsstrecke aufgenommenen Leistung, wobei die Übertragungsstrecke von der Mittelfrequenzstromquelle mit einem während der Leistungsübertragung in seinem Effektivwert konstanten Mittelfrequenzstrom gespeist wird.

Der Anpasssteller wandelt den aus dem Übertragerkopf eingeprägten mittelfrequenten Strom in eine Gleichspannung. Wie in den Figuren 3,7a und 7b und zugehöriger Beschreibung der DE 197 35 624 C1 beschrieben, wird der Schalter Ts synchron zum Verlauf und mit der doppelten Frequenz des Eingangsstroms des Anpassstellers betrieben, Ein erheblicher Nachteil ist jedoch, dass diese hohe Schaltfrequenz 2 fM hohe Schaltverluste zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil ist, dass sich das synchrone Prinzip nicht mehr aufrecht erhalten ! ässt bei Verwendung mehrerer asynchron arbeitender Einspeisungen zur Versorgung eines Anpassstellers.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung weiterzubilden, wobei eine niedrige Schaltfrequenz des Schalters und die Verwendung asynchron arbeitender Einspeisungen zur Versorgung eines Anpassstellers ausführbar sein sollen, Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren zur berührungslosen Energieübertragung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und bei einer Vorrichtung zur Verwendung bei einem solchen Verfahren nach den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren zur berührungslosen Energieübertragung sind, dass aus einer oder mehreren Mittelfrequenzstromquellen, deren Frequenzen kleine Abweichungen um die Mittelfrequenz fM aufweisen können, auf mindestens einen bewegten Verbraucher über eine oder mehrere Übertragungsstrecken und den Verbrauchern zugeordneten Ubertragerköpfen mit nachgeschaltetem Anpasssteller zum Einstellen der von der Übertragungsstrecke aufgenommenen Leistung, wobei eine Übertragungsstrecke von einer Mittelfrequenzstromquelle mit einem während der Leistungsübertragung in seinem Effektivwert konstanten Mittelfrequenzstrom gespeist wird, wobei der jeweilige Verbraucher von mindestens einem Anpasssteller mit mindestens einer Einspeisung mit Energie versorgt wird, wobei einer oder mehrere eingespeiste Ströme in jeweils einem Gleichrichter gleichgerichtet, mit jeweils einer Zwischenkreisdrossel geglättet und zusammengeführt werden, wobei je nach Leistungsbedarf der Verbraucher der jeweils zusammengeführte Zwischenkreisstrom mittels eines Schalters entweder einem die Ausgangsspannung U= des Anpassstellers puffernden Zwischenkreiskondensator zugeführt oder vor diesem abgeleitet wird, und wobei der jeweilige Schalter derart geschaltet wird, dass die Schaltfrequenz 1/T kleiner ist als die zweifache Mittelfrequenz, also1/T< 2fM Von Vorteil ist dabei, dass die Schaltverluste geringer sind als bei Verfahren, die eine Schaltfrequenz von 2fM voraussetzen und dass nicht nur synchron, sondern auch mehrere asychnron arbeitende Einspeisungen zur Versorgung eines Anpassstellers einsetzbar sind. Außerdem ist der Stromfluss mittels eines einzigen Schalters steuerbar.

Bei einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Schaltfrequenz 1/T als Wert zwischen 0,5 fM und 1,5 fM gewählt. Von Vorteil ist dabei, dass bei möglichst geringen Schaltverlusten eine Zwischenkreisdrossel mit möglichst kleiner Baugröße einsetzbar ist.

Bei einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Schalten des Schalters periodisch mit einer Frequenz 1/T und asynchron zu einer oder mehreren mittelfrequenten Einspeisungen derart ausgeführt, dass kein konstanter Phasenbezug zu den Strömen einer oder mehrerer Einspeisungen vorhanden ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Verfahren robust ausführbar ist und Mittel zur Synchronisation einsparbar sind.

Bei einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Zwischenkreisdrossel derart ausgelegt, dass der Zwischenkreisstrom im Betrieb nicht

lückt. Von Vorteil ist dabei, dass trotz der obengenannten niedrigen Schaltfrequenz ein kontinuierlicher Leistungsfluss gewährleistet ist.

Bei einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform weisen die Frequenzen der mittelfrequenten Einspeisungen Abweichungen um fM auf. Von Vorteil ist dabei, dass die Einspeisungen nicht zueinander synchronisiert werden müssen.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei der Vorrichtung sind, dass die Mittel zur Ansteuerung des jeweiligen Schalters keine Mittel zur Synchronisation auf die mittelfrequenten Einspeisungen umfassen. Von Vorteil ist dabei, dass die Ansteuerung einfach, kostengünstig und insbesondere robust gegen Störeinftüsse bei asynchron arbeitenden Einspeisungen ist.

Bei einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform umfassen die Mittel zur Ansteuerung des jeweiligen Schalters einen Modulator mit zeitlich linear verlaufenden An-und Abstiegsflanken, wobei der Betrag der Steigung der An-und Abstiegsflanken unterschiedlich wählbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass insbesondere ein einfach und kostengünstig zu generierendes sägezahnfömiges Modulatorsignal verwendbar ist.

Bei einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform weist ein Anpasssteller mehrere Einspeisungen auf, die jeweils einen Gleichrichter speisen, deren Ausgangsströme jeweils über eine Zwischenkreisdrossel zusammengeführt werden und dass ein Schalter derart nachgeschaltet ist, dass der Zwischenkreisstrom je nach Leistungsbedarf des an dem Anpasssteller angeschlossenen Verbrauchers entweder einem die Ausgangsspannung U= des Anpassstellers puffernden Zwischenkreiskondensator zugeführt oder vor diesem Zwischenkreiskondensator abgeleitet wird. Von Vorteil ist dabei, dass nicht nur synchron, sondern auch asynchron arbeitenden Einspeisungen einsetzbar sind.

Bei einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die Ausgangsspannungen zweier oder mehrerer Anpasssteller über Dioden parallelgeschaltet zur Versorgung eines Verbrauchers. Von Vorteil ist dabei, dass die zur Verfügung stellbare Leistung beliebig erhöhbar ist.

Bezugszeichenliste Einspeisesteller (ESS) 2 Gyrator 3 Anpasstransformator 4Übertragungsstrecke 5 Ubertragerkopf mit Kompensationskondensator 6 Anpasssteller (APS) 7 Verbraucher 21, 31, 61, 71 Einspeisung 22, 32, 62,72 Gleichrichter 23, 33,63,73 Zwischenkreisdrossel 25,65 Schalter 26,66,51,52 Diode 27,67 Zwischenkreiskondensator 1= Ausgangsstrom des Anpassstellers IZ Zwischenkreisstrom Izv geglättetes Signal des Zwischenkreisstromes ISZ sägezahnförmiges Modulatorsignal IST Steuersignal IA Stromquelle, Ausgangsstrom des Gyrators IÜ Strom in der Übertragungsstrecke Usoll Sollspannung U= Ausgangsspannung des Anpassstellers UA Ausgangsspannung des Einspeisesteller <BR> <BR> <BR> <BR> CG Gyrator-Kapazität<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> LG Gyrator-Induktivität Ü Übersetzungsverhältnis des Anpasstransformators w2 Windungszahl des Übertragerkopfes fM Mittelfrequenz KD Verstärkung des Dämpfungsglieds KU Verstärkung des Spannungsreglers T2 Zeitkonstante des Dämpfungsglieds T3 Verzögerungszeitkonstante der Lastaufschaltung Sein Einschaltsignal für Schalter

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert : Figur 1 zeigt ein beispielhaftes Prinzipschaltbild zur berührungslosen Energieübertragung mit einem Anpasssteller 6.

Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Prinzipschaltbild des Anpassstellers mit einer Einspeisung 21.

Figur 3 zeigt für ein Ausführungsbeispiel ein Prinzipschaltbild der Regelung und Ansteuerung des Anpassstellers.

Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Prinzipschaltbild eines weiteren Anpassstellers mit zwei Einspeisungen (21,31).

Figur 5 zeigt für ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ein Prinzipschaltbild mit zwei Anpassstellern, deren Ausgänge über Dioden parallelgeschaltet sind.

Figur 1 zeigt ein erstes beispielhaftes Prinzipschaltbild zur berührungslosen Energieübertragung mit einem Anpasssteller 6. Es umfasst einen stationären und einen beweglichen Teil.

Der stationäre Teil umfasst einen Einspeisesteller 1, einen Gyrator 2, einen Anpasstransformator 3 und eine Übertragungsstrecke 4.

Der Einspeisesteller 1 wandelt die aus dem Drehstromnetz (L1, L2, L3) aufgenommene niederfrequente Wechselpannung in eine mittelfrequente Spannung UA mit konstanter Mittelfrequenz fM, die beispielhaft 25kHz beträgt. Ein dem Einspeisesteller 1 nachgeschalteter, resonant betriebener Reihenschwingkreis, der sogenannte Gyrator 2, stellt eine spannungsgesteuerte Stromquelle IA dar. Die Gyrator-Kapazität C und die Gyrator-lnduktivität LG werden entsprechend der Mittelfrequenz fM und der Nennleistung des Einspeisestellers 1 ausgelegt.

Die Stromquelle IA speist einen Anpasstransformator 3, dessen Übersetzungsverhältnis Ü derart ausgelegt ist, dass in der Übertragungsstrecke 4 ein in seinem Effektivwert konstanter Mittelfrequenzstrom lo fließt, unabhängig von der Nennleistung des Einspeisestellers 1.

Der bewegliche Teil umfasst einen Übertragerkopf 5 mit Kompensationskondensator, einen Anpasssteller 6 und einen Verbraucher 7. Die Übertragungsstrecke 4 weist einen langgestreckten Leiter auf, an den Spulenwicklungen des Übertragerkopfes 5 derart

induktiv gekoppelt sind, dass eine Energieübertragung an das bewegliche Teil stattfindet.

Dabei weist der Übertragerkopf 5 eine Windungszahl w2 auf, wodurch die Stromstärke einer Einspeisung am Anpasssteller 6 bestimmt ist.

Der Anpasssteller 6 wandelt den aus dem Übertragerkopf 5 eingeprägten mittelfrequenten Strom in eine Gleichspannung U=. Diese Spannung wird in einem Ausführungsbeispiel zur Speisung eines herkömmlichen Frequenzumrichters als Verbraucher 7 verwendet, um einen drehzahlverstellbaren Antrieb auf dem beweglichen Teil zu realisieren.

Der von der Übertragungsstrecke 4 auf den Übertragerkopf 5 übertragene Strom stellt eine Einspeisung 21 dar. Dieser Strom wird entsprechend der Figur 2 in einem Gleichrichter 22 des Anpassstellers 6 gleichgerichtet, mit einer Zwischenkreisdrossel 23 geglättet und je nach Leistungsbedarf des an dem Anpasssteller 6 angeschlossenen Verbrauchers 7 mittels eines Schalters 25 entweder dem die Ausgangsspannung U= des Anpassstellers 6 puffernden Zwischenkreiskondensator 27 zugeführt oder vor diesem Zwischenkreiskondensator 27 abgeleitet.

Figur 3 zeigt für ein Ausführungsbeispiel ein Prinzipschaltbild der Regelung und Ansteuerung des Schalters 25 des Anpassstellers. Dabei sind nichtlineare Glieder doppelt und lineare Glieder einfach umrahmt.

Der lineare Teil umfasst die Komponenten P-Spannungsregler der Verstärkung Ku, Lastaufschaltung mit einer Verzögerungszeitkonstanten T3 und Dämpfungsglied, umfassend Verzögerungsglied mit Zeitkonstante T2 und Proportionalglied der Verstärkung Ko.

Der nichtlineare Teil umfasst einen Modulator und ein Zweipunktglied, das ein Einschaltsignal Se, für den Schalter 25 generiert. Die Eingangsgröße des Zweipunktglieds wird aus der Differenz eines sägezahnförmigen Modulatorsignals lsz und einem Steuersignal lst gebildet.

Die Amplitude des sägezahnförmigen Modulatorsignals ist bestimmt durch das geglättete Signal Izv des Zwischenkreisstromes. Die Frequenz 1/T des Modulatorsignals wird asynchron zur Frequenz fM der Einspeisung 21 vorgegeben.

Das Steuersignal ISt besteht aus der Summe der Ausgangssignale des P- Spannungsreglers, der Lastaufschaltung und des Dämpfungsglieds.

Das Ausgangssignal des P-Spannungsreglers ergibt sich durch die mittels eines Proportionalglieds gewichtete Differenz zwischen Sollspannung Son un Ausgangsspannung U=desAnpassstellers.

Zur Bildung des Ausgangssignals der Lastaufschaltung wird der Ausgangsstrom I= des Anpassstellers einem Verzögerungsglied mit Verzögerungszeit T3 zugeleitet.

Das Ausgangssignal des Dämpfungsglieds ergibt sich durch die mittels eines Proportionalglieds gewichtete Differenz von Zwischenkreisstrom zund geglättetem Signal lzv des Zwischenkreisstromes. Die Verstärkung des Proportionalglieds beträgt KD.

Dabei gewährleistet die Regelung und Ansteuerung folgende vorteilhafte Funktionen : Der Spannungsregler ist als einfacher P-Regler ausgeführt, da die Lastaufschaltung vorsteuernd das Einschaltsignal Sein des Schalters 25 vorgibt, wodurch der Spannungsregler weitgehend entlastet ist.

Das Dämpfungsglied bedämpft Eigenschwingungen des Zwischenkreisstromes lz in der aus induktivem Übertragerkopf 5 mit Kompensationskondensator, Gleichrichter 22 und Zwischkenkreisdrossel 23 bestehenden schwingungsfähigen Anordnung.

In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird statt des sägezahnförmigen Modulatorsignals lsz ein periodisches Modulatorsignal mit zeitlich linear verlaufenden An- und Abstiegsfianken verwendet, wobei der Betrag der Steigung der An-und Abstiegsflanken unterschiedlich wählbar ist. Bei gleichem Betrag der Steigung der beiden Flanken ergibt sich ein dreieckförmiger Verlauf.

Im Gegensatz zur DE 197 35 624 C1 ist also nicht nur ein solches dreieckförmiges Modulatorsignal verwendbar, sondern insbesondere das in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eingesetzte, einfach zu generierende, sägezahnförmige Modulatorsignal.

Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden Amplitude und Periodendauer T jeweils wie beim beschriebenen sägezahnförmigen Modulatorsignal gewählt. Dabei wird die Periodendauer T als fester Wert aus einem 10%-breiten Toleranzband um 1/fM herum gewählt.

Somit ist das Schalten des Schalters 25 asynchron zum Verlauf des Stromes der Einspeisung 21. Es liegt kein fester Phasenbezug vor.

Die Schaltverluste des elektronisch ausgeführten Schalters 25 sind im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz 1/T. Aufgrund der großen verwendeten Periodendauer T ergeben sich also stark reduzierte Schaltverluste.

Die Dimensionierung der Zwischenkreisdrossel ist bestimmt durch die Verwendung der großen Periodendauer T, dem asynchronen Betrieb und der Forderung, dass der Zwischenkreisstrom im Betrieb nicht lückt, um einen kontinuierlichen Leistungsfluss zu gewährleisten. Von Vorteil ist bei diesem 10%-breiten Toleranzband, dass bei möglichst geringen Schaltverlusten die Zwischenkreisdrossel eine möglichst kleine Baugröße aufweist.

Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist als Periodendauer T auch ein Wert aus einem 50%-breiten Toleranzband um 1/fM verwendbar.

Figur 4 zeigt für ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Anpassstellers ein Prinzipschaltbild mit zwei Einspeisungen (21,31). Dabei werden die eingespeisten Ströme jeweils in einem Gleichrichter (22,32) gleichgerichtet, mit jeweils einer Zwischenkreisdrossel (23,33) geglättet und zusammengeführt. Je nach Leistungsbedarf des an dem Anpasssteller angeschlossenen Verbrauchers wird der Zwischenkreisstrom lz mittels eines einzigen Schalters 25 entweder dem die Ausgangsspannung U= des Anpassstellers puffernden Zwischenkreiskondensator 27 zugeführt oder vor diesem Zwischenkreiskondensator 27 abgeleitet.

Auf diese Weise sind nicht nur zwei synchron arbeitende, sondern auch zwei asynchron arbeitende Einspeisungen zur Versorgung des Anpassstellers einsetzbar, Die Übertragerköpfe entnehmen also bei einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel Energie aus derselben Strecke, In diesem Fall arbeiten die Einspeisungen 21 und 31 synchron.

Die Übertragerköpfe entnehmen bei einem zweiten erfindungsgemäßen Ausfuhrungsbeispiel Energie aus zwei verschiedenen Strecken. Dabei wird jede Strecke von einem Einspeisesteller 1 versorgt, wobei die Frequenzen der Mittelfrequenzstromquelle der jeweiligen Einspeisesteller 1 zumindest kleine

Abweichungen aufweisen. Die Einspeisungen 21 und 31 arbeiten asynchron. Dieser Betrieb wird durch die Glättung des jeweiligen gleichgerichteten Stromes der entsprechenden Einspeisung (21,31) mittels jeweils einer Zwischenkreisdrossel (23,33) vor der Zusammenführung der Ströme ermöglicht.

In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen entnehmen die Übertragerköpfe Energie aus mehreren verschiedenen Strecken. Dabei wird wiederum jede Strecke von einem Einspeisesteller versorgt, wobei die Frequenzen der Mittelfrequenzstromquelle der jeweiligen Einspeisesteller wieder kleine Abweichungen aufweisen. Die Einspeisungen arbeiten asynchron. Dieser Betrieb wird wiederum nur durch die Glättung des jeweiligen gleichgerichteten Stromes der entsprechenden Einspeisung mittels jeweils einer Zwischenkreisdrossel vor der Zusammenführung der Ströme ermöglicht.

Figur 5 zeigt für ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ein Prinzipschaltbild mit zwei Anpassstellern, die verschiedene Einspeisungen (21,31,61, 71), Gleichrichter (22,32,62,72), Zwischenkreisdrosseln (23,33,63,73), und Dioden (26,66) umfassen und deren Ausgänge über Dioden (51,52) parallelgeschaltet sind. Je nach Leistungsbedarf des Verbrauchers wird der jeweilige Zwischenkreisstrom mittels der unabhängig voneinander arbeitenden Schalter (25,65) entweder dem jeweiligen Zwischenkreiskondensator (27,67) zugeführt oder vor diesem abgeleitet.

Die gezeigten und beschriebenen Schaltbilder und Regelungen sind nur als Prinzipschaltbilder zu verstehen. Dem Fachmann ist die Auslegung und Abänderung zur praktischen Realisierung der Erfindung geläufig.

Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen weicht die Mittelfrequenz vom beispielhaft genannten Wert von 25 kHz ab. Auch Mittelfrequenzen im Bereich von 10 kHz bis 50 kHz sind technisch ausführbar.