DE19915487C1 - Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einem eine Hinleitung (1) und eine Rückleitung (2) aufweisenden stromdurchflossenen Primärleiter und einem Stromabnehmer (3) mit einem von mindestens einer Spule (4) umwickelten Ferritkern (5). Bekannte derartige Vorrichtungen erweisen sich insbesondere bei bodengebundenen Flurtransportanlagen als nachteilig, da hier nur ein Schlitz im Boden vorgesehen werden kann. DOLLAR A Die Aufgabe, eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie so weiterzubilden, daß eine berührungslose Enerieübertragung auf bodengebundene Flurtransportanlagen mit hoher Effizienz ermöglicht wird, wird dadurch gelöst, daß der Ferritkern (5) einen T-förmigen Querschnitt aufweist und die oder jede Spule (4) auf den Seitenstegen (6) des T-förmigen Ferritkerns (5) angeordnet ist wobei der Mittelsteg (7) des T-förmigen Ferritkerns (5) zwischen Hinleitung (1) und Rückleitung (2) des Primärleiters (1, 2) eingreift.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere zur Anwendung in der Energieübertragung an bewegliche Verbraucher.

In der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegende EP 818 868 A2 wird ein induktives Energieübertragungssystem für bewegliche Verbraucher beschrieben. Ein derartiges System besteht im wesentlichen aus einem Primärstromkreis, der als langgestreckte, im wesentlichen parallele Leiteranordnung ausgebildet ist, und einem am beweglichen Verbraucher angebrachten Stromabnehmer. Der Primärkreis umfaßt eine Hinleitung und eine Rückleitung, welche jeweils an ihrem einen Ende mit der Stromversorgungsquelle verbunden sind und an ihrem jeweils anderen Ende miteinander verbunden sind. Die Stromversorgungsquelle beaufschlagt den Primärleiter mit einem Wechselstrom. Der Stromabnehmer ist aus einem Ferritkern und einer diesen Ferritkern umfassenden Sekundärwicklung gebildet. Durch elektrische Induktion nehmen die Sekundärwicklungen Energie aus dem von dem stromdurchflossenen Primärleiter erzeugten Magnetfeld auf. Der in der Sekundärspule induktiv erzeugte Strom wird dann innerhalb des beweglichen Verbrauchers durch eine elektronische Schaltung aufbereitet und kann anschließend dem Verbraucher zugeführt werden, z. B. zum Antrieb, zu Beleuchtungszwecken oder anderweitiger Benutzung.

Bei dem in der EP 818 868 A2 beschriebenen System sind die Hin- und Rückleitung entlang des Verfahrweges der beweglichen Verbraucher parallel zueinander angeordnet. In die so gebildete Doppelleitung greift ein E-förmiger Ferritkern ein, wobei der Mittelschenkel des E-förmigen Ferritkerns in den Raum zwischen der Hinleitung und der Rückleitung hineinragt. Die Sekundärspule ist durch ein Paar von Leiterschleifen verwirklicht, welche um den Mittelschenkel des Ferritkerns gewickelt sind.

Aus der WO 96/20526 A1 ist weiterhin bekannt, die Primärleitung in der Art eines Koaxialkabels auszubilden, mit einem Innenleiter als Hinleitung und einem Außenleiter als Rückleitung. Der Innenleiter wird hierbei von einem U-förmigen Ferritkern umfaßt, der die Sekundärwicklung trägt.

In der US 4,833,337 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung beschrieben, in welcher der Primärleiter als Doppel-Leiterschleife ausgebildet ist mit zwei Hinleitungen und zwei Rückleitungen, die jeweils über einen wesentlichen Teil ihrer Länge parallel zueinander geführt sind. Die beiden Hin- und Rückleitungen sind hierbei in einer im Querschnitt E- förmigen Schiene angeordnet. Die beiden Rückleitungen befinden sich hierbei im Mittelschenkel der E-förmigen Schiene direkt nebeneinander und die beiden Hinleitungen verlaufen jeweils in einem Außenschenkel. Die induktive Kopplung ist durch einen im Querschnitt U-förmigen Ferritkern verwirklicht, um dessen Quersteg die Sekundärspule gewickelt ist. Die beiden Seitenstege des U-förmigen Ferritkerns sind hierbei so angeordnet, daß sie jeweils zwischen dem Mittelschenkel und einem Außenschenkel der E-förmigen Schiene eingreifen.

Derartige induktive Energieübertragungssysteme haben weitreichende Anwendungen gefunden, bei denen herkömmliche Schleifleitungen oder Schleppkabel vorteilhaft ersetzt werden konnten, beispielsweise bei Elektrohängebahnen. Sie wurden jedoch noch nicht zur Energieübertragung an bodengebundenen Flurtransportanlagen verwendet.

Bei der Anwendung der induktiven Energieübertragung an bodengebundenen Flurtransportanlagen erweist sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen insbesondere als nachteilig, daß alle bekannten Stromabnehmer E-förmig oder U-förmig ausgebildet sind. Damit wären mindestens zwei Schlitze in den Boden einzubringen, in welche die Schenkel des Stromabnehmers eingreifen. Dies erweist sich insbesondere bei häufigen Biegungen offensichtlich als zu umständlich und macht darüberhinaus den Boden schlecht begehbar oder befahrbar. Weiterhin ist zu beachten, daß bei gängigen Flurtransportanlagen eine hohe Leistungsübertragung notwendig ist, um den Antrieb der oftmals schweren Transporteinheiten zu ermöglichen. Dies erfordert bei der induktiven Energieübertragung eine entsprechend hohe Effizienz. Diesbezüglich hat sich außerdem herausgestellt, daß insbesondere bei gängigen Industrieböden eine effiziente Energieübertragung auf induktivem Wege schwer zu verwirklichen ist, da derartige Böden oftmals einen hohen Gehalt an ferromagnetischem Material aufweisen, was zu hohen Streuverlusten bei dem vom Primärleiter erzeugten Magnetfeld führt.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie so weiterzubilden, daß eine berührungslose Energieübertragung auf bodengebundene Flurtransportanlagen mit hoher Effizienz ermöglicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben, welche zeigen:

Fig. 1: Eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromabnehmers,

Fig. 2: Diagramm des Verlaufs der magnetischen Feldlinien um den Primärleiter in Anwesenheit eines Flachstromabnehmers,

Fig. 3: Diagramm des Verlaufs der magnetischen Feldlinien des Primärleiters in Anwesenheit eines erfindungsgemäßen T-förmigen Stromabnehmers,

Fig. 4: Perspektivische Darstellung eines Schienenelements zur induktiven Energieübertragung an Flurtransportfahrzeuge, zusammen mit einem Stromabnehmer gemäß Fig. 1,

Fig. 5: Einen Querschnitt der Anordnung von Fig. 4.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromabnehmers 3 zur induktiven Aufnahme von elektrischer Energie aus einem stromdurchflossenen Primärleiter. Der Stromabnehmer 3 besteht aus einem T-förmigen Ferritkern 5, sowie aus zwei um die beiden Seitenstege 6 des Ferritkerns gewickelte Sekundärspulen 4. Der Ferritkern 5 ist aus "Standard Power Ferrites" gefertigt, welche eine zweckmäßige magnetische Permeabilität aufweisen. Die Sekundärspule 4 ist durch leitfähige Drähte gebildet, welche in Längsrichtung um die beiden Seitenstege 6 des Ferritkern 5 gewickelt sind. Die beiden so gebildeten Sekundärwicklungen können auch miteinander verbunden sein. Die Enden der stromleitenden Drähte sind an eine nicht dargestellte Elektrik angeschlossen, die häufig als Konditionierelektrik bezeichnet wird und dazu dient, den vom Stromabnehmer stammenden Strom gleichzurichten, umzuspannen oder in anderer Weise und je nach späterer Verwendung umzuformen. Diese an sich bekannten Einzelheiten sind hier nicht dargestellt.

In Fig. 2 ist schematisch der Verlauf der magnetischen Feldlinien um den Primärleiter, bestehend aus einer Hinleitung 1 und einer Rückleitung 2, in Anwesenheit eines Flachstromabnehmers 5' dargestellt. Der örtliche Verlauf der magnetischen Feldlinien ist durch "Finite-Elemente-Simulationen" berechnet. Analog hierzu ist in Fig. 3 der Verlauf der magnetischen Feldlinien um den Primärleiter 1, 2 in Anwesenheit eines erfindungsgemäßen T-förmigen Stromabnehmers 5 dargestellt.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie auf Flurtransportsysteme. Die Anordnung besteht im wesentlichen aus einem Schienenelement 9, welches die Hin- und Rückleitung 1, 2 des Primärleiters führt, sowie einem erfindungsgemäßen Stromabnehmer 3.

Der Stromabnehmer 3 umfaßt den in Fig. 1 dargestellten T-förmigen Ferritkern 5, um dessen Seitenstege 6 die Sekundärspule 4 gewickelt ist, sowie ein flaches im wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 8. Das Gehäuse 8 weist an seiner Unterseite ein hervorstehendes Führungsschiffchen 7' auf. Der T-förmige Ferritkern 5 ist hierbei so in dem Gehäuse 8 angeordnet, daß sein Mittelsteg 7 in das Führungsschiffchen 7' hineinragt. An seiner Unterseite weist das Gehäuse 8 eine Beschichtung 20 auf, welche gute Gleiteigenschaften aufweist. Bei dieser Beschichtung 20 kann es sich beispielsweise um eine Keramikbeschichtung handeln, oder um einen mit Kohlenstoff dotierten Kunststoff. Die Beschichtung 20 erstreckt sich vorteilhafterweise auch über das Führungsschiffchen 7'. In einer alternativen und nicht dargestellten Ausführungsform kann das Gehäuse 8 auch auf Rollen oder Rädern gelagert sein, anstelle auf der Schiene zu gleiten.

Wie in Fig. 5 gezeigt, weist das Schienenelement 9 im Querschnitt betrachtet eine glatte Unterseite 11 und zwei hierzu senkrechte Seitenflächen 13 sowie eine Oberfläche 12 auf. In der Mitte der Oberfläche befindet sich ein längs des Schienenelements 9 verlaufender, im Querschnitt rechteckiger Kanal 10 mit einer Grundfläche 14 und zwei Seitenflächen 15, die als Führungsflächen ausgebildet sind. Das Schienenelement 9 ist aus elektrisch nichtleitendem und nichtmagnetischem Material, beispielsweise aus Kunststoff oder Keramik gefertigt, und weist vorteilhafterweise an seiner Oberseite 12 gute Gleiteigenschaften auf.

In ihrem oberen, also der Oberfläche 12 zugewandten Bereich weisen beide Seitenflächen 13 der Schiene 9 jeweils eine in Längsrichtung verlaufende Ausnehmung 16 auf. Diese Ausnehmungen sind - ausgehend von den Seitenflächen 13 - zunächst von konstanter Breite B und erweitern sich anschließend kreisbogenförmig, wobei der gebildete Kreisbogen sich über mehr als 180 Grad erstreckt und einen Durchmesser D aufweist, der größer ist als die Breite der Ausnehmungen 16. In diese beiden Ausnehmungen 16 ist die Hinleitung 1 und die Rückleitung 2 des Primärleiters eingeklemmt, derart daß der kreisrunde Außendurchmesser der Primärleiter 1, 2 mit dem kreisbogenförmigen Grund 17 der Ausnehmungen 16 kontaktiert.

Die Hinleitung 1 und die Rückleitung 2 sind aus im Querschnitt kreisrunden Litzendrähten gebildet. Die Litzendrähte können an ihrer Außenseite mit einem isolierendem Material ummantelt sein. Die Hinleitung 1 und die Rückleitung 2 sind jeweils am einen Ende miteinander verbunden, während sie am anderen Ende an die Stromquelle - hier nicht dargestellt - angeschlossen sind, von der sie mit einem Wechselstrom beaufschlagt werden. Typische Wechselstromfrequenzen liegen im Bereich von 15 kHz, typische Strom- und Spannungswerte liegen bei 200 A und 600 V.

In Fig. 5 ist das Schienenelement 9 im eingebauten Zustand mit einem darin geführten Stromabnehmer dargestellt. Das Schienenelement 9 ist hierbei fest im Boden angebracht, in dem es seitlich mit Mörtel oder Beton 18 vergossen ist. Bei dem Boden handelt es sich beispielsweise um den Boden einer Lager- oder Produktionshalle, der regelmäßig aus Beton oder Stahlbeton besteht. Die Oberseite 12 der Schiene 9 schließt hierbei bündig mit der Oberseite 19 des Bodens ab.

Durch den seitlichen Verguß 18 werden die in der Schiene 9 geführten Hin- und Rückleitungen 1, 2 in die Ausnehmungen 16 der Schiene 9 eingedrückt. Die Hin- und Rückleitung 1, 2 verlaufen daher längs der Schiene 9 parallel in einem gewählten Abstand zueinander. Der Abstand wird dabei so gewählt, daß eine effiziente induktive Energieübertragung auf den Stromabnehmer 3 erreicht wird. Abstände im Bereich von ca. 60 mm haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.

Die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Anordnung eines Schienenelements 9 ist gedanklich dahingehend zu erweitern, daß aus einer Vielzahl dieser Schienenelemente 9 eine Schienenanordnung aufgebaut ist, die neben geraden Stücken und gekrümmten Stücken auch Weichen und andere aus dem Schienenbau bekannte Verzweigungen enthalten kann. Hierzu können auch einzelne Schienenelemente 9 in gekrümmter Ausführungsform hergestellt werden.

Wie aus gemeinsamer Betrachtung der Fig. 4 und 5 zu sehen ist, ist der Stromabnehmer 3 in dem Schienenelement 9 geführt, so daß er in Längsrichtung verfahrbar ist. Dazu greift der Stromabnehmer 3 mit dem Führungschiffchen 7' des Gehäuses 8 in den Kanal 10 ein, so daß sich der Mittelsteg 7 des in dem Gehäuse angeordneten Ferritkerns 5 mittig zwischen den Primärleitern 1, 2 befindet.

Die beschriebene Anordnung funktioniert wie folgt:

Von der nicht dargestellten Stromquelle werden die Hinleitung 1 und die Rückleitung 2 mit Wechselstrom versorgt. Hierdurch wird um die Stromleiter ein Magnetfeld erzeugt, dessen Feldlinien vor allem im Bereich zwischen der Hinleitung 1 und der Rückleitung 2 besonders dicht konzentriert sind, wie in Fig. 3 gezeigt. Genau in diesem Bereich kann man also möglichst effektiv auf induktivem Wege über eine Spule Energie aus dem Magnetfeld entziehen und somit mit hohem Wirkungsgrad Energie übertragen.

Aus diesem Grunde ist in der Schiene 9 mittig zwischen den beiden Stromleitern von der Oberseite 12 her der Kanal 10 eingearbeitet. Der Stromabnehmer 3 greift mit dem Schiffchen 7' des Gehäuses 8 in diesen Kanal 10 ein, so daß sich der Mittelsteg 7 des in dem Gehäuse 8 angeordneten Ferritkerns 5 exakt mittig zwischen den Primärleitern 1, 2 befindet, wo eine besonders hohe Energiedichte des Magnetfeldes vorliegt. Aufgrund des Induktionsgesetzes wird in den Spulen 4 wiederum ein Strom erzeugt, der dann wie oben beschrieben weiter behandelt wird.

Wird der Stromabnehmer 3 entlang des Schienenelements 9 verfahren, ändern sich die Bedingungen nicht, da der Abstand zwischen dem Mittelsteg 7 des Ferritkerns 5 und den Primärleitern 1, 2 gleich ist, bedingt durch die feste Einfügung der Primärleiter 1, 2 in das Schienenelement 9 und die Führung des Stromabnehmers 3 in dem Schienenelement 9. Das Schiffchen 7' des Stromabnehmers 3 mit dem darin angeordneten Mittelsteg 7 des Ferritkerns 5 dient demzufolge sowohl zur seitlichen Führung des Stromabnehmers 3 in der Schiene 9, als auch zur Formung und zur Aufnahme des vom Primärleiter 1, 2 erzeugten magnetischen Flusses.

Um eine induktive Übertragung der magnetischen Energie mit hohem Wirkungsgrad zu gewährleisten, muß sich der wirksame Bereich des Stromabnehmer 3 entlang seines Verfahrweges in einem Bereich hoher magnetischer Energiedichte, also möglichst mittig zwischen den beiden Primärleitern 1, 2, befinden. Um die hierfür erforderlichen engen Toleranzgrenzen einzuhalten, ist die hier verwirklichte seitliche Führung durch das Führungsschiffchen 7' des Stromabnehmers 3 notwendig. Mit der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung konnten Wirkungsgrade für die induktive Energieübertragung von mehr als 80% erzielt werden.

Durch die erfindungsgemäße T-förmige Ausgestaltung des Ferritkerns 5 wird also eine effiziente Aufnahme der magnetischen Energie ermöglicht, und gleichzeitig eine seitliche Führung des Stromabnehmers 3 entlang seines Verfahrweges verwirklicht. Bei entsprechend stabiler Ausgestaltung des Führungsschiffchens 7' kann dieses außerdem die Funktion einer Führung für das gesamte, entlang der Schienenanordnung 9 verfahrbaren, Flurtransportfahrzeug übernehemen. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten E-förmigen bzw. U-förmigen Stromabnehmern ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur ein einziger Kanal im Boden vorhanden, was die Befahrbarkeit und Begehbarkeit des Bodensverbessert. Darüberhinaus erweist sich der erfindungsgemäße Stromabnehmer 3 als sehr effizient, insbesondere bei enger Führung der Hin- und Rückleitung 1, 2. Die T-förmige Ausgestaltung des Ferritkerns 5 führt zu einer hohen Energiedichte bei kompakter Bauweise, da die Magnetfelder der unmittelbar nebeneinanderliegenden stromdurchflossenen Leiter sich im Fernbereich nicht gegenseitig auslöschen können, weil die Magnetfeldausbreitung durch den Mittelschenkel des T-förmigen Ferritkerns 5 unterbrochen wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Schienenelements 1 besteht dieses nicht aus Kunststoff, sondern beispielsweise aus keramischem Material. Diese Ausführungsform weist insbesondere wegen der Temperaturbeständigkeit und der Formstabilität von keramischen Werkstoffen Vorteile auf. Bei dieser Ausführungsform kann das Führungsschiffchen 7' aus Metall gefertigt sein. Auch können die Ausnehmungen 16 in anderer Weise ausgeführt sein. Beispielsweise kann der kreisbogenförmige Bereich sich nur über einen Winkel von 180° erstrecken, wodurch der Durchmesser D genau gleich der Breite B der Ausnehmungen 16 im Bereich der Seitenflächen 13 entspricht. Hierdurch schnappen zwar die Primärleiter 1 und 2 nicht ein, können aber durch geeignete Dimensionierung noch immer elastisch gegen den Grund 17 der Ausnehmungen 16 verklemmt werden.

Schließlich kann in einer alternativen Ausführungsform des Schienenelements 9 dessen Gesamtbreite im Bereich über den Ausnehmungen 16 geringer sein als im Bereich unter den Ausnehmungen. Diese Ausführungsform hat beim Einbau des Schienenelements 9 in den Boden den Vorteil, daß nur ein sehr enger Montagekanal in den Boden eingearbeitet werden muss und trotzdem ein vollständiges Ausgießen der Ausnehmungen 16 mit dem Beton 18 ermöglicht wird, da der Beton auch von oben in die Ausnehmungen 16 einfließen kann.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einem eine Hinleitung (1) und eine Rückleitung (2) aufweisenden stromdurchflossenen Primärleiter und einem Stromabnehmer (3) mit einem von mindestens einer Spule (4) umwickelten Ferritkern (5) mit einem Mittelsteg (7), wobei der Mittelsteg (7) des Ferritkerns (5) zwischen Hinleitung (1) und Rückleitung (2) des Primärleiters (1, 2) eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (5) einen T-förmigen Querschnitt aufweist und die oder jede Spule (4) auf den Seitenstegen (6) des T- förmigen Ferritkerns (5) angeordnet ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelsteg (7) des Ferritkerns (5) in einen Kanal (10) eingreift.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromabnehmer (3) in dem Kanal (10) in Längsrichtung verfahrbar angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (5) in einem Gehäuse (8) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) an seiner Unterseite ein Führungsschiffchen (7') aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelsteg (7) des Ferritkerns (5) in das Führungsschiffchen (7') eingreift.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) an seiner Unterseite eine gleitfähige Beschichtung (20) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsschiffchen (7') an seiner Außenseite eine gleitfähige Beschichtung aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsschiffchen (7') in den Kanal (10) eingreift.

10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche zur induktiven Übertragung elektrischer Energie an Flurtransportfahrzeuge.