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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung für einen Drehtisch.
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Vorrichtungen, insbesondere Maschinen oder Anlagen, mit einem um eine Drehachse drehbar gelagerten Drehtisch sind allgemein bekannt. Schleifleitungen zur Versorgung bewegter Verbraucher bei solchen Maschinen sind ebenfalls bekannt.
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Aus der
DE 100 14 954 A1 ist eine Elektrohängebahn bekannt, die auf einer Laufschiene mittels eines Elektroantriebs verfahrbare Transporteinheiten aufweist, wobei die Energieübertragung auf die Verbraucher mit unterschiedlichem Leistungsbedarf durch induktive Energieübertragung vorteilhaft in der Weise erfolgt, dass die Laufschiene gleichzeitig als Rückleiter des Speiseleiters auf der Primärseite genutzt wird und der Stromabnehmer auf der Sekundärseite zwei separate, unterschiedlich ausgelegte Wicklungen aufweist, um über eine Abnehmerelektronik entsprechend dem unterschiedlichen Leistungsbedarf der Verbraucher zwei getrennte Speisespannungen verschiedener Höhe und Belastbarkeit zur Verfügung zu stellen.
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Aus der
DE 100 53 373 A1 ist ein Verfahren zur berührungslosen Energieübertragung aus einer oder mehreren Mittelfrequenzstromquellen, deren Mittelfrequenzen Abweichungen um eine Frequenz f aufweisen können, auf einen oder mehrere bewegte Verbraucher über eine oder mehrere Übertragungsstrecken und aus den bewegten Verbrauchern zugeordneten Übertragerköpfen mit einem oder mehreren nachgeschalteten Anpassstellern zum Einstellen der von den Übertragungsstrecken aufgenommenen Leistung, wobei die Übertragungsstrecken von den Mittelfrequenzstromquellen mit in ihren Effektivwerten konstanten Strömen gespeist werden, wobei die in einen Anpasssteller eingespeisten Ströme jeweils in einem Gleichrichter gleichgerichtet, mit jeweils einer Zwischenkreisdrossel geglättet und zusammengeführt werden, wobei dieser Zwischenkreisstrom je nach Leistungsbedarf der an dem Anpasssteller angeschlossenen Verbraucher mittels eines einzigen Schalters entweder dem die Ausgangsspannung des Anpassstellers puffernden Zwischenkreiskondensator zugeführt oder vor diesem Zwischenkreiskondensator abgeleitet wird, wobei die Schaltfrequenz des Schalters als fester Wert aus einem 10%-breiten Toleranzband um die Frequenz f gewählt wird, wobei die Ausgangsspannungen mehrerer Anpasssteller zur Versorgung eines Verbrauchers über Dioden parallel schaltbar sind.
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Aus der
DE 196 49 682 A1 ist eine Vorrichtung zur breitbandigen Signal- oder Energieübertragung zwischen gegeneinander beweglichen Einheiten bekannt.
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Aus der
US 5 770 936 A ist eine Anordnung zur berührungslosen Energieübertragung bekannt, wobei die Anordnung eine Drehachse umfasst, um welche ein mehrere Antriebe umfassender Drehtisch drehbar gelagert ist,
wobei die Antriebe berührungslos zumindest mit Energie versorgbar sind,
und zur berührungslosen Energieübertragung mehrere Übertragerköpfe mit dem Drehtisch verbunden sind, die aus einer nicht-mitdrehenden Ringleitung versorgbar sind,
wobei eine mit den Umrichtern der Antriebe verbundene Steuerung ebenfalls aus dem Anpassteller mit unipolarer Spannung versorgbar ist,
wobei zumindest die Steuerung und die Umrichter zum Informationsaustausch verbunden sind,
wobei alle Umrichter aus einem oder mehreren, mit mehreren Übertragerköpfen verbundenen Anpassstellern mit unipolarer Spannung über eine Zwischenkreisverkabelung versorgt werden, die Übertragerköpfe von der Ringleitung mittels induktiver Koppelung Energie aus einem Einspeisesteller erhalten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung weiterzubilden unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile. Insbesondere soll der Wirkungsgrad verbessert werden und die Reibung verkleinert werden bei gleichzeitiger kostengünstiger Ausführung.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Vorrichtung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung bei der Adaptervorrichtung sind, dass die Vorrichtung eine Drehachse umfasst, um welche ein mehrere Antriebe umfassender Drehtisch drehbar gelagert ist, wobei die Antriebe berührungslos zumindest mit Energie versorgbar sind, und zur berührungslosen Energieübertragung ein oder mehrere Übertragerköpfe mit dem Drehtisch verbunden sind, die aus einer nicht-mitdrehenden Ringleitung versorgbar sind.
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Von Vorteil ist dabei, dass eine Maschine mit Drehtisch vorsehbar ist, die ohne Schleifleitung berührungslos mit Energie versorgbar ist. Somit entfallen Wartungskosten und Wartungsaufwand. Außerdem ist die berührungslose Energieübertragung immer gleichartig ausführbar und es entstehen keine durch Funkenbildung verursachten Störspannungen oder dergleichen. Insbesondere ist zusätzlich vorteilhaft, dass sogar überraschenderweise ein Drehtisch mit Übertragerköpfen ausstattbar ist, die aus einer um den Drehtisch herum angeordneten, nicht-mitdrehenden Ringleitung versorgbar sind.
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Erfindungsgemäß werden alle Umrichter aus einem oder mehreren, mit einem oder mehreren Übertragerköpfen verbundenen Anpassstellern mit unipolarer Spannung versorgt, die Übertragerköpfe von der Ringleitung mittels induktiver Koppelung Energie aus einem Einspeisesteller erhalten. Insbesondere ist eine mit den Umrichtern verbundene Steuerung ebenfalls aus dem Anpasssteller mit unipolarer Spannung versorgbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Umrichter aus gleichgerichteter Spannung versorgbar sind und somit keine derartige Gleichrichtung benötigen. Der Anpasssteller umfasst also eine Gleichrichtung für alle zu versorgenden Umrichter und für die ebenfalls zu versorgende Steuerung. Somit sind Teile wie Gleichrichter einsparbar und die Kosten, die Masse und das Trägheitsmoment des Drehtisches reduzierbar.
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Erfindungsgemäß sind zumindest die Steuerung und die Umrichter zum Informationsaustausch verbunden sind. Von Vorteil ist dabei, dass die auf dem Drehtisch mitdrehende Steuerung die ebenfalls mitdrehenden Umrichter steuern und regeln kann gemäß den Anforderungen sowie gemäß den von Sensoren stammenden Signalen.
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Von Vorteil ist bei dem verwendeten Verfahren zur berührungslosen Energieübertragung, dass die Schaltverluste geringer sind als bei Verfahren, die eine Schaltfrequenz von 2fM voraussetzen und dass nicht nur synchron, sondern auch mehrere asynchron arbeitende Einspeisungen zur Versorgung eines Anpassstellers einsetzbar sind. Außerdem ist der Stromfluss mittels eines einzigen Schalters steuerbar. Beispielsweise sind Ringleitungen auch in axialer Richtung der Drehachse übereinander liegend anordenbar.
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Bei einer bevorzugten Ausführung sind der oder die Übertragerköpfe am Umfang des Drehtisches angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass bei Verwendung von mindestens zwei, um einen nichtverschwindenden Winkelversatz am Umfang versetzt angeordneten Übertragerköpfen eine unterbrechungsfreie Energieübertragung während der Drehung des Drehtisches ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Schaltfrequenz 1/T als Wert zwischen 0,5fM und 1,5fM gewählt. Von Vorteil ist dabei, dass bei möglichst geringen Schaltverlusten eine Zwischenkreisdrossel mit möglichst kleiner Baugröße einsetzbar ist.
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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.
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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.
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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.
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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 Störeinflüsse bei asynchron arbeitenden Einspeisungen ist.
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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 sägezahnförmiges Modulatorsignal verwendbar ist.
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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.
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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.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 10 ist die Vorrichtung gezeigt. Sie ist bei Maschinen und oder Anlagen einsetzbar, die zumindest eine Drehachse 104 umfassen. Der Drehtisch 101 ist also drehbar gelagert. Er wird von einem Antrieb bewegt.
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Der Drehtisch 101 umfasst mehrere, beispielsweise 30 bis 100 Motoren 102, die ohne Getriebe ausgeführt sind und jeweils mindestens einen Teller 108 antreiben, auf dem Objekte 107 positionierbar sind.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind diese Motoren 102 mit einer Mehrphasenwicklung ausgeführt und weisen ein höheres Anfahrmoment auf als ein vergleichbar groß ausgeführter Dreiphasenwicklungs-Drehstrom-Motor. Dabei ist der Motor 102 derart ausgeführt, dass ein wesentlicher Teil der Wärme der Wicklungen des Stators des Motors an den Teller 108 oder den Drehtisch 101 abgebbar ist. Dazu ist der Wärmeleitwiderstand von den Statorwicklungen zum Teller 108 oder Drehtisch 101 kleiner als über das Gehäuse an die Umgebung. Unter Einbringung von Wärmeleitpaste im vorderen, dem Teller 108 oder Drehtisch 101 zugewandten Bereich ist dies einfach realisierbar. Die Statorbleche des Stators geben hingegen ihre insbesondere von Wirbelströmen erzeugte Wärme über das Gehäuse des Motors 102 an die Umgebung ab.
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Der Drehtisch 101 nach 10 ist mit zwei Übertragerköpfen versehen, die in der 10 rechts und links gezeigt sind. Diese Übertragerköpfe weisen Spulenwicklungen auf, die derart um einen entsprechend ausgebildeten Kern ausgeführt sind, dass zu einer nicht-mitdrehenden Ringleitung eine induktive Kopplung vorgesehen ist, über die Energie übertragbar ist. Dazu ist ein mit Mittelfrequenz betreibbarer Einspeisesteller 1 mit der Ringleitung elektrisch verbunden.
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Auf dem Drehtisch 101 ist ein in 20 gezeigter Anpasssteller (122, 6) angeordnet, der aus dem Übertragerkopf (106, 5) versorgt wird und mittels Gleichrichtung eine unipolare Spannung für die Umrichter 120 und eine Steuerung 121 zur Verfügung stellt. Dazu ist eine Zwischenkreis-Verkabelung, also eine Leistungsverkabelung 123 vorgesehen. Die unipolare Spannung ist also als Zwischenfrequenzspannung der Umrichter 120 verwendbar. Die Umrichter umfassen Wechselrichter, die an diese Zwischenkreisspannung angeschlossen sind und den jeweiligen Motor versorgen.
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Die Steuerung 121 ist mit den Umrichtern 120 zum Informationsaustausch verbunden. Dabei kann die Informationsübertragung 124 mittels einer Feldbusverkabelung erfolgen. Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel erfolgt der Informationsaustausch per Infrarot, per Funkwellen oder per auf die Zwischenkreis-Verkabelung aufmodulierten Hochfrequenz-Wechselspannungsanteilen. Im letztgenannten Fall ist die Informationsübertragung auch über die induktive Koppelung zwischen Ringleitung 105 und Übertragerkopf (106, 5) ermöglicht. Weitere Alternative ist auch eine Leckwellenleitungsübertragung, die beispielsweise ein Koaxialkabel mit Längsschlitz, das wie die Ringleitung 105 um den Drehtisch 101 herum gelegt ist, umfasst.
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Somit entfallen Getriebe, die zu einer hohen Masse und einem großen Trägheitsmoment führen würden und somit einen aufwendigen Antrieb des Drehtisches 101 erforderlich machen würden.
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Die Steuerung 121 ist mit Sensoren verbindbar zur Realisierung verschiedener Steuer- und Regelverfahren.
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In der 10 ist auch gezeigt, dass auf den Tellern 108 Objekte 107 platzierbar sind, die somit, insbesondere unter Einsatz von Sensoren, positionierbar sind. Das nicht-mitdrehende, also stationäre Werkzeug 103, steht an einer Arbeitsposition. Die Objekte 107 werden mittels Drehung des Drehtisches 101 und Drehung des Tellers 108 in die Arbeitsposition gebracht. Somit sind die Objekte 107 in der stets gleichen Position bearbeitbar.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden als Motoren
102 Direktantriebe verwendet, also keine Getriebemotoren. Vorteil ist dabei, dass sie spielfrei sind und der Motor nach Art der
DE 100 49 883 A1 als permanentmagneterregter Synchronmotor in Mehrphasenmotor-Ausführung vorsehbar ist. Dabei ist die Spulenzahl der Wicklungen des Motors um 1 kleiner als die Polzahl. Somit ist dieser Motor bei niedrigen Drehzahlen vorteilhaft einsetzbar, insbesondere als Direktantrieb, also zum direkten Antrieb der Last ohne Zwischenschaltung eines Getriebes. Der Motor
102 wird dabei, wie auch in
20 gezeigt, jeweils von einem Umrichter
120 versorgt. Dabei ist zusätzlich von Vorteil, dass die Winkellage des Rotors dieses Motors vom Umrichter bestimmbar ist. Die Information über die Winkellage der Teller
108 und Objekte
107 ist somit bekannt und verwendbar und es entfallen sonst notwendige zusätzliche Sensoren zum Bestimmen einer Winkellage der Teller
108. Insbesondere ist die Information mittels der Informationsübertragung
124 an die Steuerung
121 übertragbar. Dabei ist die Informationsübertragung
124 auch als Feldbus, wie CAN-Bus, Interbus, Profibus oder ASI-Bus, ausführbar. Der Drehtisch
101 weist an seiner Drehachse
104 einen Winkellagegeber, insbesondere einen Absolutwertgeber, auf, dessen Winkellageinformationen der Steuerung
121 zugeführt werden. Diese Informationen werden auch an stationäre Vorrichtungen übertragbar, beispielsweise an eine nicht-mitdrehende Steuerung, die das Werkzeug
103 zur Bearbeitung der Objekte
107 ansteuert. Somit ist ein Bearbeiten der Objekte
107 in genau abgestimmter Weise ermöglicht, also bei bestimmten Winkellagen des Drehtisches
101 und bestimmten Winkellagen der Teller
108. Die Information des Absolutwertgebers ist mittels der Informationsübertragung
124, also beispielsweise CAN-Bus, auch induktiv, insbesondere über Übertragerkopf (
106,
5) und Ringleitung
105 übertragbar an die stationäre, nicht-mitdrehende Steuerung.
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Die berührungslose Energieübertragung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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1 zeigt ein beispielhaftes Prinzipschaltbild zur berührungslosen Energieübertragung mit einem Anpasssteller (122, 6).
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2 zeigt ein beispielhaftes Prinzipschaltbild des Anpassstellers mit einer Einspeisung 21.
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3 zeigt für ein Ausführungsbeispiel ein Prinzipschaltbild der Regelung und Ansteuerung des Anpassstellers.
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4 zeigt ein nicht erfindungsgemäßes Prinzipschaltbild eines weiteren Anpassstellers mit zwei Einspeisungen (21, 31).
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5 zeigt für ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ein Prinzipschaltbild mit zwei Anpassstellern, deren Ausgänge über Dioden parallelgeschaltet sind.
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1 zeigt ein erstes beispielhaftes Prinzipschaltbild zur berührungslosen Energieübertragung mit einem Anpasssteller (122, 6). Es umfasst einen stationären und einen beweglichen Teil. Der bewegliche Teil ist auf dem Drehtisch 101 angeordnet.
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Der stationäre Teil umfasst einen Einspeisesteller 1, einen Gyrator 2, einen Anpasstransformator 3 und eine Übertragungsstrecke 4.
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Der Einspeisesteller 1 wandelt die aus dem Drehstromnetz (L1, L2, L3) aufgenommene niederfrequente Wechselspannung in eine mittelfrequente Spannung UA mit konstanter Mittelfrequenz fM, die beispielhaft 25 kHz beträgt. Ein dem Einspeisesteller 1 nachgeschalteter, resonant betriebener Reihenschwingkreis, der sogenannte Gyrator 2, stellt eine spannungsgesteuerte Stromquelle IA dar. Die Gyrator-Kapazität CG und die Gyrator-Induktivität LG werden entsprechend der Mittelfrequenz fM und der Nennleistung des Einspeisestellers 1 ausgelegt.
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Die Stromquelle IA speist einen Anpasstransformator 3, dessen Übersetzungsverhältnis Ü derart ausgelegt ist, dass in der Übertragungsstrecke 4 ein in seinem Effektivwert konstanter Mittelfrequenzstrom IÜ fließt, unabhängig von der Nennleistung des Einspeisestellers 1.
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Der bewegliche, auf dem Drehtisch 101 vorgesehene Teil umfasst zumindest einen Übertragerkopf (106, 5) mit Kompensationskondensator, einen Anpasssteller (122, 6) und einen Verbraucher 7, also einen Motor 102. Die Übertragungsstrecke 4 weist die Ringleitung 105, also einen langgestreckten Leiter, auf, an den Spulenwicklungen des Übertragerkopfes (106, 5) derart induktiv gekoppelt sind, dass eine Energieübertragung an das bewegliche Teil stattfindet. Dabei weist der Übertragerkopf (106, 5) eine Windungszahl w2 auf, wodurch die Stromstärke einer Einspeisung am Anpasssteller (122, 6) bestimmt ist.
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Der Anpasssteller (122, 6) wandelt den aus dem Übertragerkopf (106, 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. Dabei ist jedoch ein Gleichrichter beim Frequenzumrichter verzichtbar.
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Der von der Übertragungsstrecke 4 auf den Übertragerkopf (106, 5) übertragene Strom stellt eine Einspeisung 21 dar. Dieser Strom wird entsprechend der 2 in einem Gleichrichter 22 des Anpassstellers (122, 6) gleichgerichtet, mit einer Zwischenkreisdrossel 23 geglättet und je nach Leistungsbedarf des an dem Anpasssteller (122, 6) angeschlossenen Verbrauchers 7 mittels eines Schalters 25 entweder dem die Ausgangsspannung U= des Anpassstellers (122, 6) pullernden Zwischenkreiskondensator 27 zugeführt oder vor diesem Zwischenkreiskondensator 27 abgeleitet.
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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.
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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 KD.
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Der nichtlineare Teil umfasst einen Modulator und ein Zweipunktglied, das ein Einschaltsignal Sein für den Schalter 25 generiert. Die Eingangsgröße des Zweipunktglieds wird aus der Differenz eines sägezahnförmigen Modulatorsignals ISZ und einem Steuersignal ISt 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.
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Das Steuersignal ISt besteht aus der Summe der Ausgangssignale des P-Spannungsreglers, der Lastaufschaltung und des Dämpfungsglieds.
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Das Ausgangssignal des P-Spannungsreglers ergibt sich durch die mittels eines Proportionalglieds gewichtete Differenz zwischen Sollspannung Usoll und Ausgangsspannung U= des Anpassstellers.
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Zur Bildung des Ausgangssignals der Lastaufschaltung wird der Ausgangsstrom I= des Anpassstellers einem Verzögerungsglied mit Verzögerungszeit T3 zugeleitet.
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Das Ausgangssignal des Dämpfungsglieds ergibt sich durch die mittels eines Proportionalglieds gewichtete Differenz von Zwischenkreisstrom IZ und geglättetem Signal IZV des Zwischenkreisstromes. Die Verstärkung des Proportionalglieds beträgt KD.
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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.
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Das Dämpfungsglied bedämpft Eigenschwingungen des Zwischenkreisstromes IZ in der aus induktivem Übertragerkopf (106, 5) mit Kompensationskondensator, Gleichrichter 22 und Zwischenkreisdrossel 23 bestehenden schwingungsfähigen Anordnung.
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In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird statt des sägezahnförmigen Modulatorsignals ISZ ein periodisches Modulatorsignal mit zeitlich linear verlaufenden An- und Abstiegsflanken 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.
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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.
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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.
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Somit ist das Schalten des Schalters 25 asynchron zum Verlauf des Stromes der Einspeisung 21. Es liegt kein fester Phasenbezug vor.
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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.
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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.
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Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist als Periodendauer T auch ein Wert aus einem 50%-breiten Toleranzband um 1/fM verwendbar.
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4 zeigt für ein nicht 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 IZ mittels eines einzigen Schalters 25 entweder dem die Ausgangsspannung U= des Anpassstellers puffernden Zwischenkreiskondensator 27 zugeführt oder vor diesem Zwischenkreiskondensator 27 abgeleitet.
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Auf diese Weise sind nicht nur zwei synchron arbeitende, sondern auch zwei asynchron arbeitende Einspeisungen zur Versorgung des Anpassstellers einsetzbar.
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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 Ausführungsbeispiel 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In der 30 ist eine Weiterbildung zur berührungslosen Energieversorgung gezeigt. Dabei werden an der Drehachse 104 mehrere Übertragerköpfe 106 gestapelt angebracht. In der jeweiligen Ebene der in der 30 gezeigten drei Ebenen sind 2, 3, 4 oder mehr Übertragerköpfe 106 vorsehbar. In der 30 sind davon nur 2 gezeigt. Die nicht-mitdrehende Ringleitung 105 ist ebenfalls in den jeweiligen Ebenen vorgesehen und mit einem oder mehreren Einspeisestellern verbunden.
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In der 50 ist in symbolischer Draufsicht gezeigt, wie in einer der Ebenen vier Übertragerköpfe anordenbar sind. Dabei wird die übertragbare Leistung wesentlich durch die Anzahl der Ebenen bestimmt. Vorteilig verwendbar ist dieses Ausführungsbeispiel bei Drehtischen mit kleinem Durchmesser oder Drehtischen, bei denen nur ein kleiner, für das Anbringen von Übertragerköpfen nutzbarer Durchmesser vorgesehen ist.
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In der 40 ist zur berührungslosen Energieübertragung eine Übertragung mittels Transformator gezeigt. Dabei ist das Transformatorteil 301 nicht-mitdrehend und das mitdrehende Transformatorteil 302 mit dem Drehtisch verbunden. Dabei ist auch eine einfache Wechselspannung verwendbar ohne komplexen Einspeisesteller oder Anpasssteller. Die Transformatorenteile (301, 302) sind mit ein- oder mehrphasigen Wicklungen ausführbar.
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In der 60 ist ein großer Drehtisch 101 gezeigt, wobei die Stellen für das Anbringen von Übertragerköpfen 601 gezeigt sind. Da pro Übertragerkopf (106, 5) beispielsweise 1 kW übertragbar ist, ist insgesamt eine entsprechend dem Umfang des Drehtisches große Leistung übertragbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einspeisesteller (ESS)
- 2
- Gyrator
- 3
- Anpasstransformator
- 4
- Übertragungsstrecke
- 5
- Übertragerkopf 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
- I=
- 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
- CG
- Gyrator-Kapazität
- 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
- 101
- Drehtisch
- 102
- Motor
- 103
- Werkzeug
- 104
- Drehachse
- 105
- Ringleitung
- 106
- Übertragerkopf
- 107
- Objekt
- 108
- Teller
- 120
- Umrichter
- 121
- Steuerung
- 122
- Anpasssteller
- 123
- Leistungsverkabelung
- 124
- Informationsübertragung