DE102007049235A1 - Anordnung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen induktiven Übertragung von elektrischer Energie zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers (RL) mit einem Gleichstrom, mit einem als primärseitige Energieeinspeisung fungierenden, Wechselstrom durchflossenen elektrischen Leiter (1), der über einen Luftspalt (4) induktiv mit einer auf einem ferromagnetischen Kern (3) sitzenden Lastwicklung (5a, 5b) gekoppelt ist, an die wiederum die Schaltung (9) zur Gleichstromversorgung angeschlossen ist. Um den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung relativ leicht einstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass der Kern (3) zusätzlich eine Erregerwicklung (6a, 6b) trägt, die mit entsprechend vorgesehenen Wechselstromkondensatoren (8) einen Schwingkreis bildet, der die magnetische Flussdichte im Kern (3) erhöht.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers mit einem Gleichstrom gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Eine Anordnung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie ist bereits aus der EP 101 11 87 A1 bekannt. Derartige Anordnungen dienen zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern mit einem Gleichstrom. Dabei fungiert ein von einem Wechselstrom durchflossener elektrischer Leiter mittels seines vom Wechselstrom erzeugten Magnetfelds als primärseitige Energieeinspeisung. Diese wird induktiv über einen Luftspalt in eine auf einem ferromagnetischen Kern sitzende Lastwicklung eingespeist. Eine mit der Lastwicklung verbundene elektrische Schaltung erzeugt den Gleichstrom durch Gleichrichtung und Glättung aus der übertragenen elektrischen Energie.
• Der durch den elektrischen Leiter primärseitig fließende Wechselstrom liegt üblicherweise im Bereich von einigen Ampere bis zu einigen 100 Ampere; der Wechselstrom ist im allgemeinen sinusförmig, die Frequenzen liegen im Bereich von mehreren 10 kHz, wobei die Amplitude des Wechselstroms konstant ist.
• Die Anordnung von ferromagnetischem Kern und Lastwicklung (Sekundärwicklung) wird auch als „Pick-Up" bezeichnet. Auf dem Pick-Up können zur Speisung mehrerer Stromkreise mehrere Lastwicklungen angeordnet sein.
• Um die durch den relativ großen Luftspalt bedingte Schwächung der Induktion im Kern zu kompensieren, wird ein Resonanzschwingkreis aus der Streuinduktivität und zusätzlichen Wechselstromkondensatoren verwendet. Dieser sorgt dafür, dass an der Lastwicklung eine Spannungsüberhöhung auftritt, wodurch sich der Wirkungsgrad über die Induktion im Kern erhöht. Die Kapazität der Kondensatoren und die Art ihrer Anschaltung werden so gewählt, dass sich ein optimaler Arbeitspunkt einstellt. Dieser ist von den Verbrauchern, d. h. der Last, abhängig, weil die Verbraucher in der Regel kapazitive und/oder induktive Anteile aufweisen, die das Verhalten des Resonanzschwingkreises beeinflussen, weshalb eine individuelle Abstimmung erforderlich ist. Soll die Anordnung eine andere Leerlaufspannung oder einen anderen Kurzschlussstrom liefern, muss die Windungszahl der Lastwicklung geändert werden, was meist andere Kondensatoren, d. h. Kapazitäten, erforderlich macht.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung anzugeben, bei welcher der Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung relativ leicht einstellbar sind.
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen.
• Die Lösung sieht vor, dass der Kern zusätzlich eine Erregerwicklung trägt, die mit entsprechend vorgesehenen Wechselstromkondensatoren einen Schwingkreis bildet, der die magnetische Flussdichte im Kern erhöht. Der Resonanzschwingkreis wird hier also durch eine separate Wicklung, die Erregerwicklung, und die Wechselstromkondensatoren unabhängig von der Lastwicklung gebildet. Dadurch können die Wechselstromkondensatoren direkt auf dem Pick-Up montiert werden. Die Kondensatoren sind genau auf die Windungszahl der Erregerwicklung ab gestimmt. Müssen Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung neu eingestellt werden, so ist nur noch die Windungszahl der Lastwicklung entsprechend zu ändern. An den Kondensatoren und der Erregerwicklung ist keine Änderung erforderlich. Für eine höhere Flexibilität können mehrere Abgriffe an der Lastwicklung vorgesehen sein. Durch Einstellung des Luftspalts zwischen der Erregerwicklung und der Lastwicklung lässt sich die Streuinduktivität zwischen den beiden Wicklungen einfach einstellen. Die Streuinduktivität wird so eingestellt, dass starke Stromanstiege an der Schaltung zur Gleichstromversorgung vermieden werden. Weiter lässt sich dadurch ein Oszillieren von nachgeschalteten Gleichrichterdioden verringern. Das verbessert ebenfalls den Leistungsfaktor der Anordnung.
• Wenn die Schaltung zur Gleichstromversorgung als Hochsetzsteller ausgeführt ist, wird vorzugsweise mit der doppelten Frequenz des eingespeisten Wechselstroms getaktet. Der Pick-Up wird in diesem Fall in bestimmten zeitlichen Abständen kurzgeschlossen und der Kondensator entladen. Die beim Entladen (Kurzschließen) des Kondensators entstehenden Spannungsspitzen sind durch die galvanische Trennung der beiden Wicklungen relativ klein.
• Fertigungstechnisch einfacher ist es, wenn der Kern u-förmig mit einem Joch und zwei seitlichen Schenkeln ausgebildet ist und auf jedem Schenkel jeweils eine Last- und eine Erregerwicklung sitzt.
• Der U-förmige Kern lässt sich besser ausnutzen, wenn die beiden Last- und die beiden Erregerwicklungen jeweils seitlich nebeneinander auf den Schenkeln sitzen.
• Die Einstellung der Streuinduktivität lässt sich verbessern, wenn die beiden Last- und Erregerwicklungen durch ferromagne tische Distanzstücke voneinander getrennt sind, die so angeordnet sind, dass sie eine zentrale Öffnung bilden.
• Die Wirksamkeit der Distanzstücke erhöht sich, wenn diese an den Schenkeln befestigt sind.
• Der Durchmesser der zentralen Öffnung und die Dicke der Distanzstücke wird so gewählt, dass sich die gewünschte Streuinduktivität einstellt.
• Die Fertigung der Anordnung vereinfacht sich, wenn die Wechselstromkondensatoren außen auf dem Joch des u-förmigen Kerns angeordnet sind.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung der Anordnung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und
• 2 das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß 1.
• 1 zeigt eine Anordnung zur berührungslosen induktiven Übertragung von elektrischer Energie in einer schematischen Darstellung. Die Anordnung wird auch als Pick-Up bezeichnet und dient zur Versorgung eines oder mehrerer elektrischer Verbraucher mit Gleichstrom.
• Die Anordnung weist zur primärseitigen Energieeinspeisung einen Primärleiter 1 auf, der zu einer Primärleiterschleife gehört, welche an einem nicht gezeigten Stromnetz angeschlossen ist. Der Primärleiter 1 ist von einem Wechselstrom durchflossen, dessen Stromstärke hier 100 A und eine Frequenz von 28 kHz (sinusförmig) aufweist. Die Amplitude des Wechselstroms ist zeitlich konstant. Der Primärleiter 1 ist mittels einer schematisch angedeuteten Halterung 2 fixiert. Er befindet sich zwischen zwei Schenkeln 3a, 3b eines u-förmigen ferromagnetischen Kerns 3. Die beiden Schenkel 3a, 3b sind über ein Joch 3c miteinander verbunden. Der Primärleiter 1 befindet sich auf der dem Joch 3c gegenüberliegenden Seite des Kerns 3. Die Innenseiten der beiden Schenkel 3a, 3b weisen einen Abstand dLuft auf und begrenzen hier den so gebildeten Luftspalt 4, in dem sich der Primärleiter 1 befindet.
• Jeder Schenkel 3a, 3b trägt jeweils eine Lastwicklung 5a, 5b und eine Erregerwicklung 6a, 6b. Beide Lastwicklungen 5a, 5b und beide Erregerwicklungen 6a, 6b sind unmittelbar nebeneinander angeordnet und durch einen kleinen Luftzwischenraum (nicht dargestellt) voneinander getrennt. Die beiden Lastwicklungen 5a, 5b sind parallel und die beiden Erregerwicklungen 6a, 6b in Reihe geschaltet. In Längsrichtung der Schenkel 3a, 3b sind die Wicklungspaare 5a, 5b und 6a, 6b der Wicklungen 5a, 5b, 6a, 6b unter Bildung eines voneinander beabstandet angeordnet. Der Zwischenraums 7 zwischen den beiden Wicklungspaaren 5a, 5b und 6a, 6b ist hier zum Teil mit ferromagnetichen Distanzstücken 7a, 7b ausgefüllt, in deren Mitte sich ein Luftspalt (zentrale Öffnung 7c) befindet. (Bei einer einfacheren Ausführung kann auf die Distanzstücke 7a, 7b auch verzichtet werden.)
• Weiter oberhalb des Jochs 3c befinden sich – bezogen auf die 1 – zwei Wechselstromkondensatoren 8, die zusammen mit den Erregerwicklungen 6a, 6b einen Schwingkreis bilden.
• Das den Primärleiter 1 umgebende Magnetfeld erzeugt in den Lastwicklungen 5a, 5b als auch in den Erregerwicklungen 6a, 6b sowie in dem ferromagnetischen Kern 3 einen magnetischen Fluss (eine Induktion). Der Primärleiter 1 ist also über den Luftspalt 4 induktiv mit den Lastwicklungen 5a, 5b gekoppelt. Auf diese Weise wird elektrische Energie in die Lastwicklungen 5a, 5b übertragen. Gleichzeitig wird der durch die Erregerwicklungen 6a, 6b und die Kondensatoren 8 gebildete Resonanzschwingkreis zu Schwingungen angeregt, welche die magnetische Flussdichte im Kern erhöhen und den Wirkungsgrad der Anordnung verbessern.
• In der 2 ist das Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß 1 dargestellt. Es zeigt den in den zusammengeschalteten Lastwicklungen 5a, 5b generierten Strom I (Sekundärstrom), der eine Frequenz von 28 kHz aufweist und von der Schaltung 9 (Anpasssteller) zur Gleichstromversorgung konstant gehalten wird. Im Ersatzschaltbild sind berücksichtigt: die Hauptinduktivität Lh der Anordnung (die Induktivität des Primärleiters 1) und die wirksame Kapazität Ck der Anordnung (ergibt sich aus der Zusammenschaltung der Kondensatoren 8) als auch die Streuinduktivitäten L'2d (Streuinduktivität zwischen Primärleiter 1 und Erregerwicklung 6a, 6b) und L''3d (Streuinduktivität zwischen Lastwicklung und Erregerwicklung 6a, 6b). An die Schaltung 9 ist über einen nicht gezeigten Gleichrichter ein Verbraucher RL angeschlossen.
• Soll die Anordnung eine andere Leerlaufspannung oder Kurzschlussstrom, die beiden Einstellparameter der Anordnung, liefern, muss nur die Windungszahl der Lastwicklung geändert werden. Die Kapazitäten der Kondensatoren 8 und die Erregerwicklungen 6a, 6b bleiben unverändert.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - EP 1011187 A1 [0002]

Claims (7)

1. Anordnung zur berührungslosen induktiven Übertragung von elektrischer Energie zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers (RL) mit einem Gleichstrom, mit einem als primärseitige Energieeinspeisung fungierenden, Wechselstrom durchflossenen elektrischen Leiter (1), der über einen Luftspalt (4) induktiv mit einer auf einem ferromagnetischen Kern (3) sitzenden Lastwicklung (5a, 5b) gekoppelt ist, an die wiederum die Schaltung (9) zur Gleichstromversorgung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (3) zusätzlich eine Erregerwicklung (6a, 6b) trägt, die mit entsprechend vorgesehenen Wechselstromkondensatoren (8) einen Schwingkreis bildet, der die magnetische Flussdichte im Kern (3) erhöht.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (3) u-förmig mit einem Joch (3c) und zwei seitlichen Schenkeln (3a, 3b) ausgebildet ist und auf jedem Schenkel (3a, 3b) jeweils eine Last- (5a, 5b) und eine Erregerwicklung (6a, 6b) sitzt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Last- (5a, 5b) und die beiden Erregerwicklungen (6a, 6b) jeweils seitlich nebeneinander auf den Schenkeln sitzen.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Last- (5a, 5b) und Erregerwicklungen (6a, 6b) durch ferromagnetische Distanzstücke (7a, 7b) voneinander getrennt sind, die eine zentrale Öffnung (7c) bilden.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetischen Distanzstücke (7a, 7b) an den Schenkeln (3a, 3b) befestigt sind.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der zentralen Öffnung (7c) und die Dicke (7) der Distanzstücke (7a, 7b) so gewählt ist, dass sich die gewünschte Streuinduktivität (L''3d) einstellt.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselstromkondensatoren (8) außen auf dem Joch (3c) des u-förmigen Kerns (3) angeordnet sind.