Transporteinrichtungen werden häufig mit Linearmotoren direkt angetrieben. Hierbei besteht die Notwendigkeit, Energie und Informationen auf die angetriebenen Komponenten zu übertra- gen, um hier wiederum bestimmte Funktionen, wie z. B. das Be- und Entladen durchführen zu können und diesbezügliche Ein- richtungen zu versorgen.

Die bei Einrichtungen speziell mit Linearmotoren zugrunde liegende Problematik wird nachfolgend an einem Beispiel ver- deutlicht : Eine Stückguttransporteinrichtung besteht aus ei- ner Vielzahl von Wagen, die ihrerseits verschiedenes Gut- z. B. Gepäck, Postsendungen usw. -tragen. Die Wagen bewegen sich auf vorgegebenen Wegen, wie Schienen od. dgl. und werden durch einen oder mehrere Linearmotoren (LIM) angetrieben. Ein oder mehrere Statoren dieser Linearmotoren (LIM) sind orts- fest zwischen den Schienen angebracht. An den anzutreibenden Wagen sind die Sekundärteile der Linearmotoren (LIM) befes- tigt, die z. B. bei einem asynchronen Drehstrom-LIM im ein- fachsten Fall aus einem massiven Leiter, z. B. Aluminium oder Kupfer, bestehen, jedoch oftmals zur Verbesserung des magne-

tischen Rückschlusses noch mit einem Blechpaket hinter diesem massiven Leiter ausgerüstet sind. Wenn der Wagen mit dem Se- kundärteil des Linearmotors (LIM) den ortsfesten Stator über- fährt, wirkt aufgrund des an sich bekannten Prinzips des LIM eine antreibende Kraft auf den Wagen. Da die Wagen aneinander gekuppelt sind, werden auch momentan nicht angetriebene Wa- gen, die sich demnach zwischen zwei Statoren befinden, ange- trieben.

Z. B. zum Sortieren von Gepäck müssen die Wagen Stückgut auf- nehmen bzw. abgeben, damit die Transporteinrichtung ihrer be- stimmungsgemäßen Aufgabe nachkommen kann. Hierzu besitzen die Wagen eine Fördereinrichtung, z. B. Gurtbandförderer mit Elektroantrieb od. dgl., die das Stückgut quer zur Bewegungs- richtung des Wagens an bestimmten Stellen aufnehmen bzw. ab- geben kann. Für diesen auf dem Wagen befindlichen Antrieb wird einerseits Energie benötigt. Andererseits muss dem An- trieb auf geeignete Art und Weise signalisiert werden, wann und in welcher Art und Weise Stückgut aufzunehmen bzw. ab- zugeben ist. Darüber hinaus kann es notwendig sein, vom Wagen Informationen über das Stückgut, z. B. Gewicht, Größe, Form, vom Stückgut abgelesener Code usw., auf eine ortsfeste Steue- rung der Transporteinrichtung zu übertragen.

Vom Stand der Technik ist es bekannt, die Stromversorgung der beweglichen Teile einer Transporteinrichtung als auch die Kommunikation mit solchen beweglichen Teilen über Schleifkon- takte sowie an der Bewegungsstrecke angebrachte Schleiflei- tungen zu organisieren. Sowohl die Schleifkontakte als auch die Schleifleitungen unterliegen einem gewissen Verschleiß und sind entsprechend wartungsintensiv. Darüber hinaus verur- sachen die Schleifleitungen als auch die Schleifkontakte ei- nen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten der Transportein- richtung.

Ein Beispiel für die Notwendigkeit, Energie und Informationen auf rotierende Bauteile zu übertragen, ist bei Messungen di-

rekt an rotierenden Konstruktionsteilen gegeben. Dies ist z. B. bei der Bestimmung des Drehmomentes der Fall, bei der mittels Dehnungsmessstreifen die Torsion der Welle infolge des Drehmomentes bestimmt wird. Einerseits benötigt die ro- tierende Messeinrichtung und Signalverarbeitung Energie, an- dererseits muss der Messwert auf den ortsfesten Teil der An- lage übertragen werden. Weitere Beispiele ergeben sich beim Betrieb von Magnetlagern oder der Steuerung von rotierenden Erregerwicklungen.

Nach dem Stand der Technik werden Energie und Daten durch Schleifringe mit zugeordneten Schleifkontakten auf rotierende Konstruktionsteile übertragen. Hiermit sind die weiter oben bereits angeführten Nachteile verbunden. Insbesondere für die Datenübertragung zu rotierenden Bauelementen sind Telemetrie- einrichtungen bekannt, die allerdings entsprechend kostenin- tensiv sind.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren anzugeben, das gleichermaßen für den Energie-und Datentransport verwendbar ist, sowie eine zugehörige Vorrich- tung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Pa- tentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung wird durch die Merkmale des Patentanspruches 6 realisiert. Weiter- bildungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung sind in den ab- hängigen Verfahrensansprüchen einerseits und den zugehörigen abhängigen Vorrichtungsansprüchen andererseits angegeben.

Mit der Erfindung ist eine verbesserte Möglichkeit geschaf- fen, Energie einerseits und Daten als Information anderer- seits von ortsfesten Komponenten einer Anlage zu beweglichen Bestandteilen der Anlage und dort vorhandenen Einrichtungen zur Funktionssteuerung zu übertragen. Dies ist insbesondere bei Transporteinrichtungen mit einem Linearmotor vorteilhaft, aber auch bei Anlagen mit rotierenden Teilen einsetzbar.

Funktionen können somit an den angetriebenen Teilen der Anla- ge datengenau ausgeführt werden.

Bei der Erfindung sind die eingangs genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden, da der zum Antrieb der beweg- lichen Komponenten ohnehin vorhandene Drehstrommotor gleich- zeitig zur Übertragung von Energie und Daten verwendet wird.

Grundlegende Idee der Erfindung ist es, das Sekundärteil nicht nur als massiven Leiter mit bzw. ohne Blechpaket auszu- führen, sondern vielmehr ein dem Stator gleiches oder ähnli- ches Blechpaket mit eingelegten Wicklungen als Sekundärteil zu benutzen, was weiter unten anhand von Figur 1 und Figur 2 erläutert wird. Wesentlich für die Erzeugung einer translato- rischen Kraft ist, dass Stator und Sekundärteil gleiche Pol- paarzahl bzw. Polteilungen aufweisen. Jedoch können Stator und Sekundärteil unterschiedliche Wicklungen hinsichtlich Windungszahl und Querschnitt aufweisen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung. Es zeigen in jeweils schemati- scher Darstellung Figur 1 den prinzipiellen Aufbau von Stator und Sekundärteil eines Linearmotors, Figur 2 den prinzipiellen Aufbau von Stator und Rotor eines rotierenden Drehstrommotors Figur 3 die Beschaltung von Stator und Sekundärteil des Dreh- strommotors gemäß Figur 1, Figur 4 eine gegenüber Figur 3 modifizierte Beschaltung von Stator und Sekundärteil des Drehstrommotors gemäß Fi- gur 1, Figur 5 die Energieversorgung eines einzelnen Wagens bei ei- nem Transportsystem, Figur 6 einen Energiebus zur Versorgung aller Wagen,

Figur 7 die Ein-und Auskopplung hochfrequenter Signale zur Übertragung von Daten zwischen Stator und Sekundär- teil des Drehstrommotors und Figur 8 das komplette Daten-und Energiebussystem.

Gleiche Elemente haben in den einzelnen Figuren gleiche Be- zugszeichen. Die Figuren werden nachfolgend teilweise gemein- sam beschrieben.

In Figur 1 sind die wesentlichen Teile eines Linearmotors dargestellt. Ein ortsfester Stator ist mit 10 bezeichnet, wo- gegen das dagegen relativ bewegliche Sekundärteil des Linear- motors mit 20 gekennzeichnet ist. Stator 10 und Sekundärteil 20 haben Wicklungsstränge a, b und c, die in unterschiedli- cher Kombination a, b und c, wobei + und-die jeweilige Stromrichtung bezeichnen, an die Phasen L1, L2, L3, die als Zuleitungen für Wicklungen dienen, angeschlossen sind.

In Figur 2 sind die entsprechenden Teile eines rotierenden Drehstrommotors dargestellt. Ein ortsfester Stator ist hier mit 10 bezeichnet, wogegen das dagegen relativ bewegliche Sekundärteil als Rotor mit 20 gekennzeichnet ist. Stator 10 und Rotor 20 haben wiederum Wicklungsstränge a, b und c, die in unterschiedlicher Kombination a, b und c, wobei + und- die jeweilige Stromrichtung bezeichnen, an die Phasen L1, L2, L3, die als Zuleitungen für Wicklungen dienen, angeschlossen sind.

In den Figuren 3 bis 8 sind die Wicklungen für den Stator 10 mit 11 bis 13 und für das Sekundärteil 20 mit 21 bis 23 be- zeichnet. Zwischen der Einspeisung des Netzes mit Phasen L1, L2, L3 und den Wicklungen 11 bis 13 ist ein Motorsteuergerät 30 geschaltet. In Figur 4 ergibt sich entsprechendes, wobei hier eine Nutzung einer Oberwelle zur Versorgung des Sekun- därteils erfolgt.

Bei der bestimmungsgemäßen Anwendung auf eine Transportvor- richtung mit sich bewegenden Wagen 50, 50,... 50n ist der Stator 10 Teil eines in der Zeichnung nicht dargestellten Spur-bzw. Schienensystems und das Sekundärteil 20 Teil eines einzelnen Wagens 50. Die einzelnen Wagen 50, 50,... 50n sind dabei gleich aufgebaut.

Die Übertragung von Energie vom Stator 10 bzw. 10 auf das bewegliche Sekundärteil 20 bzw. Rotor 20'ist als Schaltbild in Figur 3, in der speziell die Teile 10 und 20 gekennzeich- net sind, dargestellt und erfolgt nach folgendem Prinzip : Die drei Wicklungen 11 bis 13 des Stators 10 werden in übli- cher Art und Weise mit dem Drehstromnetz oder einem 3-phasi- gen Motorsteuergerät 30, z. B. einem Frequenzumrichter oder einem Drehstromsteller, verbunden. Die drei Wicklungen 21 bis 23 des Sekundärteils 20 werden in Stern-oder Dreieckschal- tung verschaltet. Die freien Enden der Wicklungen 21 bis 23 bei der Sternschaltung bzw. deren Knotenpunkte bei der Drei- eckschaltung werden einem 6-Puls-Gleichrichter 24 mit Dioden D1 bis D6 zugeführt. Durch die vom Stator 10 hervorgerufene Induktion werden in den Wicklungen 21 bis 23 des Sekundär- teils 20 unter bestimmten Bedingungen Wechselspannungen indu- ziert. Diese Spannungen werden im Gleichrichter 24 zu einer Gleichspannung umgewandelt, die bei belastetem Gleichrichter- ausgang einen pulsierenden Gleichstrom erzeugt.

Der Gleichstrom wird zunächst einem Speicherelement, wie z. B. einem Supercap, einem Akkumulator od. dgl., insbesondere aber einem Kondensator 28 mit Kapazität C, über eine weitere Diode 26 zugeführt. Der Kondensator 28 stellt zu Beginn einen Kurz- schluss dar, da seine Spannung Uc = 0 ist. In diesem Fall liegt demnach ein dem Kurzschlussläufer eines Asynchronmotors ähnlicher Betriebsfall vor. Durch den zufließenden Strom steigt die Spannung am Kondensator 28 proportional zur La- dungsmenge an. Wird eine bestimmte, für die Energieversorgung des Wagens 50 notwendige Spannung erreicht, dann wird der

Schalter 25 geschlossen, so dass für den Linearmotor wieder ein Kurzschlussläufer vorliegt. Hierdurch wird ein weiteres Aufladen des Kondensators C vermieden und die Spannung am Kondensator bleibt konstant bzw. sinkt, wenn Verbraucher des Wagens 50 aus der Ladung des Kondensators 28 gespeist werden.

Die Diode 26 verhindert im geschlossenen Zustand des Schal- ters 25 eine Entladung des Kondensators 28 über den Schalter 25.

Sinkt nun die Spannung am Kondensator 28 infolge Entladung durch die Verbraucher auf dem Wagen 50 gemäß Figur 5 unter einen bestimmten Schwellwert, wird der Schalter 25 wieder ge- öffnet und der Kondensator 28 mit Kapazität C wird erneut aufgeladen. Im weiteren Verlauf wird also durch Betätigung des Schalters 25 die Spannung am Kondensator 28 zwischen ei- nem oberen und einem unteren Grenzwert reguliert.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung handelt es sich bei dem Schalter 25 um einen Transistor, insbesondere um ei- nen Feldeffekttransistor. Mit einem solchen Transistor lassen sich sehr hohe Schaltfrequenzen realisieren, so dass im Er- gebnis am Kondensator 28 eine quasistationäre Spannung an- steht, die für die Energieversorgung des Wagens 50 entnommen werden kann.

Durch geeignete Regelalgorithmen wird der Schalter 25 derart angesteuert, dass die Spannung am Kondensator 28 unabhängig von der entnommenen Leistung und der Geschwindigkeit des Se- kundärteils 20 nahezu konstant gehalten wird.

In einer ersten Realisierung dieser Vorgehensweise werden zur Ladung des Kondensators 28 ausschließlich die durch den translatorischen Schlupf im Sekundärteil induzierten Spannun- gen verwendet. Hierzu ist es notwendig, dass die Geschwindig- keit des Sekundärteils einen gewissen Schlupf zum Wanderfeld des Stators aufweist. Dieser Schlupf ist zusätzlich gegeben

zu dem Schlupfanteil, der die Kraft vom Stator 10 auf den Se- kundärteil 20 überträgt.

In einer Variante der vorstehend erläuterten Vorgehensweise wird die Spannung am Kondensator 28 im Bereich weniger Volt gehalten um den prinzipbedingten Zusatzschlupf durch die Energieübertragung zu minimieren, und diese Spannung nachfol- gend in einem DC-DC-Wandler auf den erforderlichen Pegel an- gehoben.

Bei einer weiteren Möglichkeit der Energieübertragung nach Fig. 3 wird den drei Wicklungen 11 bis 13 des Stators 10 zu- sätzlich zu den drei netzfrequenten, zueinander um 120° ver- setzten Strömen, ein Strom überlagert, der in den drei Wick- lungen 11 bis 13 jeweils identisch ist, also jeweils die gleiche Phasenlage aufweist. Dieser Strom wird auch als Null- strom bezeichnet, weil zu seiner Rückführung der Anschluss des Stator-Sternpunktes notwendig ist. Vorzugsweise weist der eingeprägte Nullstrom eine höhere Frequenz als die Netzfre- quenz auf.

Wenn dieser Nullstrom in allen drei Wicklungen jeweils die gleiche Phasenlage aufweist, so entsteht hieraus nur ein zeitlich veränderliches Feld, jedoch kein Wanderfeld. Somit werden durch die höherfrequenten Ströme auch keine zusätzli- chen Schubkräfte erzeugt.

Bei letzterer Variante müssen zur Rückführung des Nullstromes sowohl die Wicklungen 11 bis 13 des Stators 10 als auch die Wicklungen 21 bis 23 des Sekundärteils 20 als Stern mit zu- gänglichem Sternpunkt geschaltet werden. In den drei kurzge- schlossenen Sekundärteilwicklungen 21 bis 23 wird vom Magnet- feld der Statorwicklungen 11 bis 13 wiederum eine Spannung induziert, die über einen 2-Puls-Gleichrichter zur Ladung des Kondensators 28 mit Kapazität C und damit zur Stromversorgung des Wagens 50 in der zuvor beschriebenen Art und Weise ver- wendet werden kann. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass

die übertragbare Leistung weitgehend unabhängig vom Schlupf zwischen Sekundärteil 20 und Wanderfeld des Stators 10 ist.

Wird in vorbeschriebener Weise z. B. ein Nullstrom einge- speist, dann muss die Beschaltung von Stator 10 und Sekundär- teil 20 entsprechend Fig. 3 modifiziert werden.

Eine Ladungsregelung ist in diesem Fall nicht erforderlich, weil die Spannung am Kondensator 28 den transformierten Wert der eingeprägten Oberschwingung nicht übersteigen kann. Damit können der Vorschub der sich ergebenden Transporteinrichtung als auch die Energieversorgung der transportierten Einrich- tung voneinander unabhängig gesteuert werden.

In Transporteinrichtungen wird der Stator 10 meist über Um- richter, beispielsweise das Motorsteuergerät 30, versorgt.

Durch eine geeignete Modifizierung des Steuerverfahrens, z. B. geeignete Modulation des Spannungsraumzeigers, für den Um- richter lässt sich o. g. Frequenzkomponente ohne zusätzlichen Hardwareaufwand realisieren.

Beide vorstehend beschriebenen Prinzipien der Energieübertra- gung funktionieren nur dann, wenn sich das Sekundärteil 20 im Bereich des Induktionsfeldes des Stators 10 befindet. Dies ist aber nur dann der Fall, wenn sich der Wagen 50 in Figur 5 mit dem Sekundärteil 20 gerade über einem Stator 10 aufhält oder diesen überfährt. Um die Energieversorgung des Wagens 50 auch dann sicherzustellen, wenn sich der Wagen 50 gerade nicht über einem Stator 10 befindet, wird zusätzlich ein wie- deraufladbarer Energiespeicher 40, der z. B. wieder ein Super- cap oder ein Akkumulator sein kann, auf jedem Wagen 50 zur Stabilisierung der Versorgungsspannung angebracht. Der Ener- giespeicher 40 wird geladen, wenn sich der Wagen über dem Stator befindet und dient dann, wenn sich der Wagen zwischen zwei Statoren aufhält, als Energiequelle für die Stromversor- gung des Wagens. In diesem Fall muss sichergestellt sein, dass das Verhältnis der während des Aufenthaltes über dem

Stator 10 zuführbaren Leistung zu der während der Fahrt zwi- schen zwei Statoren 10, 10 im Durchschnitt benötigten Leis- tung über dem Verhältnis der Fahrzeit zu Aufenthaltszeit liegt. Damit muss eine laufende Bewegung der Transportein- richtung gegeben sein.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß Figur 6 können die Energieversorgungen der Wagen 50, 50,... 50n miteinander verbunden werden. Dies ist möglich, weil ohnehin die Wagen 50, 50',... 50n eine im Wesentlichen geschlossene Kette bilden, weil anderenfalls die gerade nicht angetriebenen Wa- gen stehen bleiben würden. Durch die Verbindung der Energie- versorgungen der Wagen entsteht ein Energiebus, so dass Wa- gen, die sich gerade über einem Stator befinden, die Energie auch für Wagen zur Verfügung stellen, die sich gerade im Zwi- schenraum zwischen zwei Statoren 10, 10 aufhalten. In diesem Fall können die Energiespeicher 40 auf jedem Wagen 50, 50, ... 50n erheblich kleiner ausfallen bzw. auch ganz weggelas- sen werden. Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass sämtliche Wagen 50, 50,... 50n auch im Stillstand der Transportein- richtung über unbestimmte Zeit mit Energie versorgt werden können.

Gemäß Figur 7 erfolgt die Übertragung von Daten vom ortsfes- ten Teil auf das bewegliche Teil des Linearmotors, d. h. vom Stator 10 auf die sich bewegenden Wagen 50, 50,... 50n, und umgekehrt nach folgendem Prinzip : Es wird ebenfalls die induktive Kopplung zwischen Stator 10 als Primärteil und Se- kundärteil 20 als Sekundärteil genutzt. Die Daten werden in geeigneter, entsprechend dem Stand der Technik nach bekannter Form moduliert und in Form von Signalen mit deutlich höherer Frequenz als die Netzfrequenz übertragen. Als Modulationsver- fahren können beliebige Verfahren wie z. B. PSK, FSK, OFDM, CDMA, Frequency hopping usw. eingesetzt werden.

Auf der Statorseite wird der netzfrequenten Betriebsspannung das die Daten transportierende hochfrequente Signal überla-

gert. Hierzu wird eine sog. Koppeleinheit 60 verwendet, die im Wesentlichen aus einem Hochfrequenzübertrager mit vier Wicklungen 61 bis 64 sowie drei Koppelkondensatoren 66 bis 68 besteht. Beim Anschluss der drei netzseitigen Wicklungen des Hochfrequenzübertragers 61 bis 63 ist auf gleiche Orientie- rung der Spulenanschlüsse bezüglich der Wicklungsanfänge zu achten, damit sich die hochfrequenten magnetischen Felder im Luftspalt des Linearmotors nicht gegenseitig auslöschen. Vor- teilhafterweise wird-wie in Fig. 6 im Einzelnen in beson- ders vorteilhafter Weise gezeigt ist-der Sternpunkt der drei Statorwicklungen 11 bis 13 jeweils an das andere Wick- lungsende herangeführt. Ist der Stator 10 in Dreieck ver- schaltet, wird jede Wicklung 11,12, 13 des Stators 10 mit einer Wicklung 61,62, 63 des Hochfrequenzübertragers so ver- bunden, dass sich die Felder gegenseitig verstärken. Es sind aber auch alle anderen, dem Stand der Technik nach bekannte Einkoppelverfahren prinzipiell anwendbar. Auf der Sekundär- teilseite wird entsprechend verfahren, indem die im wesentli- chen identische Koppeleinheit 60 auf gleiche Art und Weise mit den Wicklungsenden des Sekundärteils 20 verbunden wird.

Es ist weiterhin in der ortsfesten Komponente eine Kodierein- richtung 35 mit Modulator/Demodulator und eine Steuerung 45 und in der beweglichen Komponente eine Kodiereinrichtung 35 mit Modulator/Demodulator und eine Steuerung 4 vorhanden.

In Figur 8 ist ein kombiniertes Daten-und Energiebus-System für den stationären Bereich mit Statoren 10 einerseits und den beweglichen Bereich mit Sekundärteilen 20 bzw. Wagen 50 andererseits dargestellt. Dabei ist des Weiteren an jedem Se- kundärteil 20 ein Sensor 78 angebracht, der den Aufenthalt eines einzelnen Wagens 50 über dem Stator 10 detektiert. Wird ein Wagen 50 über dem Stator 10 detektiert, dann gibt die Steuerung der beweglichen Komponenten die zugehörige Codier- einrichtung zur Übertragung von Nachrichtentelegrammen frei.

Der Wagen 50 erkennt seinerseits ankommende Daten-Telegramme und kann nach erfolgreichem Empfang eines Telegramms vom Sta-

tor 10 selbst ein Daten-Telegramm über den Stator 10 an die ortsfeste Steuerung mit Elektronik 70 übertragen.

Um auch Daten zu sich nicht über einem Stator 10 befindlichen Wagen 50 zu übertragen, sind gemäß Figur 8 sämtliche Wagen 50, 50,..., 50n mit einer Datenleitung bzw. einem Datenbus 76 untereinander verbunden. Des Weiteren wird jedem Telegramm eine eindeutige Zieladresse vorangestellt, so dass der Emp- fänger der Nachricht identifiziert werden kann. Empfängt nun ein Wagen 50 ein Daten-Telegramm, welches nicht für ihn be- stimmt ist, so wird es auf den Datenbus 76 übertragen. Der Telegrammverkehr auf dem Datenbus 76 kann im weiteren nach den von Feldbussystemen bekannten Prinzipien CSMA/CA, CSMA/CD oder Master-Slave erfolgen. Auf der Statorseite kann eben- falls ein Energiebus 71 einerseits und ein Datenbus 72 ande- rerseits vorhanden sein.

Bei den anhand der einzelnen Figuren beschriebenen Anordnun- gen bestehen die wesentlichen technischen Vorteile darin, dass keine Schleifkontakte und Schleifleitungen zur Übertra- gung von Energie und Daten mehr notwendig sind. Dadurch er- gibt sich ein weitestgehend wartungsfreies System.