DE69227242T3

DE69227242T3 - Induktives energieverteilungssystem

Info

Publication number: DE69227242T3
Application number: DE69227242T
Authority: DE
Inventors: John Talbot Boys; Andrew William 15 Mcdonald Road Green
Original assignee: Auckland Uniservices Ltd
Current assignee: Auckland Uniservices Ltd
Priority date: 1991-03-26
Filing date: 1992-02-05
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2012-02-06
Also published as: US5293308A; EP0577611B2; DE69227242T2; JPH06506099A; EP1211776A2; ES2125256T3; CA2106784A1; WO1992017929A1; ES2125256T5; CA2106784C; AU1237392A; JP2002118989A; MX9201100A; KR0180047B1; JP3304677B2; EP1211776A3; EP0818868A2; EP0577611A1; EP0818868B1; EP0577611B1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft zunächst die Verteilung, dann die räumliche Übertragung von elektrischem Strom mit drahtlosen induktiven Mitteln auf ein oder mehrere elektrische Geräte. Die Geräte sind in den meisten Fällen mobile oder tragbare Stromverbraucher (z. B. Fahrzeuge, tragbare Elektrogeräte, elektrische Werkzeuge, tragbare elektrische Maschinen, Batterieaufladegeräte oder tragbare Lampen), die festen Leitern, welche entlang der Route oder an Stellen, wo die Geräte gebraucht werden, angebracht sind, zumindest etwas Energie entnehmen können. Die Erfindung kommt insbesondere bei einem induktiven Energietransportsystem zur Anwendung, wo induktive Energie an eine Vielzahl von Fahrzeugen verteilt wird, die alle oder teilweise in Bewegung oder an bestimmten Stellen entlang eines mit den Leitern verbundenen Weges im Stillstand sind.
HINTERGRUNDINFORMATION
Obwohl die Erfindung in einer Reihe von Situationen zur Anwendung kommen kann, besteht ihr Hauptanwendungsgebiet wohl im Zusammenhang mit Fahrzeugen, die bordeigenen elektrischen Strom benötigen, insbesondere Fahrzeuge mit Elektroantrieb. Für die Anwendung der Erfindung bei Materialtransportsystemen und insbesondere bei Einschienen- und Förderbandsystemen wurde eine Lizenz an DAIFUKU CO, LTDI., 2–11, Mitejima 3-Chome, Nishiyodogawaku, Osaka 555, Japan, erteilt. Dieses Unternehmen gilt als einer der größten Hersteller von Materialtransport- und Förderbandsystemen der Welt.
Die Technik von zwangsgeführten Fahrzeugen ist bei automatisierten Lagerhäusern, roboter- und rechnergesteuerten Fließbändern usw. von wachsender Bedeutung. Im Personenverkehr ist Elektroantrieb seit vielen Jahren im Gebrauch, aber die gewöhnlichen Oberleitungen sind mit vielen Problemen verbunden, einschließlich Ästhetik, Gefahr, Kosten, Installierung, Wartung. Die mit dem beweglichen Fahrzeug verbundenen Kollektoren (z. B. Pantographen oder Kohlenstoffblockelemente) verlassen häufig die Drähte und stören damit den sonstigen Verkehr. An solche Leitungen gebundene Fahrzeuge können einander nicht überholen. Schleifkontakte sind auch aufgrund von Verschmutzung störungsanfällig.
Induktive Energieübertragung erscheint theoretisch eine attraktive Alternative zu Pantographen- oder Schleifkontaktgeräten zu bieten, da sie Funkengefahr oder mit fehlerhaften Kontakten verbundene mechanische Probleme beseitigt. Entwürfe nach dem bekannten Stand der Technik haben jedoch nicht zur praktischen Energieverteilung an Elektrofahrzeuge geführt.
GEGENWÄRTIGER STAND DER TECHNIK
Im 19. Jahrhundert wurden in den USA zahlreiche Patente betreffend induktiver Übertragung von elektrischen (telegraphischen) Signalen aus fahrenden Eisenbahnwagen und ähnlichem an gleisseitig gelegene Leiter veröffentlicht. Dabei wurden jedoch keine bedeutsamen Energiemengen übertragen. Es lagen auch eine Reihe von Patenten vor, die mit Antriebsenergieübertragung, selbst durch Hochspannungskapazitativmittel (TESLA US 514,972 ) befaßt waren, doch das einzige bedeutsame historische Patent zu dieser Arbeit ist das von HUTIN und LeBLANC ( US 527,857 ) aus dem Jahre 1894, in dem die Verwendung von ca. 3 KHz Wechselstrom-Induktion vorgeschlagen wird. In neuerer Zeit regte die theoretische Arbeit von OTTO (NZ 167,422) 1974 die Verwendung einer serienresonanten Sekundärspule an, die im Bereich von 4 bis 10 KHz für ein Fahrzeug, z. B. einen Bus, arbeitet.
Das Protokoll der 40. IEEE Fahrzeugtechnologie-Konferenz vom 6. Mai 1990 in Orlando, Florida zeigt auf Seite 100–104 ein analytisches Modell eines induktiv angetriebenen Fahrzeugs mit einer Stromversorgung bei 400 Hz. Die elektrifizierte Fahrbahn ist in Abschnitte unterteilt, die mit Hilfe von Festkörperschaltern unabhängig voneinander ein- oder ausgeschaltet werden können. Das Fahrbahnteilstück wird nur solange voll mit Strom versorgt, wie sich ein Fahrzeug mit Elektroantrieb darauf befindet. Dieses Dokument befaßt sich lediglich mit einem einzigen Fahrzeug auf einem unter Strom stehenden Fahrbahnteilstück. Die Regelung der Stromversorgung der Fahrzeugbatterie wird durch eine konstante Koppelung zwischen Fahrzeug und Fahrbahn mit einem über der Aufnehmervorrichtung angebrachten variablen Kondensatorblock erreicht, und zwar durch Schalten der Abstimmkapazitanz zur Verfolgung eines gesteuerten Abgabestroms. Der Fahrzeugführer stimmt oder verstimmt die Aufnehmervorrichtung, um den Abgabestrom zu regeln.
Es besteht jedoch keine Anweisung darüber, mit welcher Vorrichtung die Aufnehmervorrichtung von dem elektrifizierten Fahrbahnteilstück zu entkoppeln ist. Entsprechend weisen US-A-4,914,539 und GB-A-1,418,128 Systeme auf, die nicht über dieses Merkmal verfügen und sich nur mit einem einzigen Fahrzeug auf einer Leitbahn mit einer einzigen Aufnehmervorrichtung befassen.
In US-A-4,914,539 wird ein induktives Stromverteilungssystem nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 49 offengelegt.
In US-A-4,800,328 wird ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 47 offengelegt.
AUFGABE
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes System zur Verteilung und Übertragung von elektrischem Strom zu erstellen oder dem Verbraucher zumindest eine nützliche Alternative zu bieten.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der Erfindung umfaßt ein induktives Stromverteilungssystem nach Anspruch 1.
Das System entsprechend den Ansprüchen soll die Systeme nach dem bekannten Stand der Technik durch eine praktische Weise verbessern, mit der unter anderem mehrere Geräte, wie z. B. Fahrzeuge, auf derselben Leitbahn gesteuert werden können. Weitere Informationen zu diesem und anderen Aspekten der Erfindung sind den Ansprüchen zu entnehmen.
Das bzw. jedes Gerät ist vorzugsweise ein Fahrzeug.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung umfaßt ein induktives Stromverteilungssystem nach Anspruch 49.
Ein dritter Aspekt der Erfindung umfaßt ein Fahrzeug nach Anspruch 47.
Der Kern der induktiven Aufnehmervorrichtung ist vorzugsweise E-förmig, so daß jeder der beiden Leiter beim Betrieb in der Mitte zwischen zwei nebeneinanderliegenden Schenkeln des E-förmigen Kerns liegen kann.
Die vorliegende Erfindung kann erwartungsgemäß bei schienengeführten Transportsystemen in Lagerhäusern und ähnlichen unmittelbar Anwendung finden. Systeme, die die Erfindung einsetzen, können als direkte Konkurrenz von Anwendungen mit herkömmlichen Förderbandsystemen betrachtet werden, die jedoch einige bedeutende Vorteile bieten, z. B. niedrige Kosten, Steuerungsflexibilität und ruhiger Betrieb. Außerdem enthalten sie keine gefährlichen beweglichen Förderbänder und eignen sich aufgrund des Fehlens von freiliegenden Leitern, ihres funkenfreien Betriebs und der Möglichkeit, wasserdicht abgeschlossen zu werden, auch für den Betrieb in explosionsgefährdeten Umgebungen. Auch bei regem Fußgängerverkehr können sie gefahrlos eingesetzt werden. Das schienengebundene Lagersystem besteht aus einer Anzahl (potentiell Hunderten) von Fahrzeugen mit Eigenantrieb auf Schienen, wobei jedes Fahrzeug seine Energie durch eine induktive Koppelung aus einer Leiterschleife bezieht, die mit Hochfrequenzstrom versorgt wird und sich neben dem Fahrzeug befindet und parallel zu den Schienen verläuft, wie in 1 dargestellt.
Anwendungen ohne Fahrzeuge sind unter anderen solche, wo es notwendig ist, elektrische Geräte oder Maschinen ohne direkten Kontakt zu stromführenden elektrischen Leitern zu elektrifizieren, z. B. tragbare Gegenstände wie Beleuchtungsständer in Fotostudios oder Ausrüstungsgegenstände im Operationssaal, wo es wünschenswert ist, das Gerät in betriebsbereitem Zustand ohne elektrische Schnüre einfach aufnehmen und wieder ablegen zu können. Beleuchtung kann in Schwimmbädern angebracht werden, die mit versteckten energiespendenden Leiterschleifen ausgestattet sind. Sicherheit ist bei all diesen Anwendungen von großer Bedeutung.
ZEICHNUNGEN
Es folgt eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die lediglich als Beispiele dienen und auf die beiliegenden Zeichnungen bezugnehmen.
ALLGEMEINES
1: zeigt ein induktiv angetriebenes Einschienen-Fördersystem.
2: ist eine Erläuterung von einigen Versionen der Erfindung als Grundmodell eines geradlinigen schienengeführten Lagersystems.
STROMVERSORGUNG
3: zeigt ein Verdrahtungsschema mit einem Beispiel des resonanten Wechselrichters der vorliegenden Erfindung.
4: zeigt ein Verdrahtungsschema mit einem Beispiel für den Strombegrenzungsregler für den resonanten Wechselrichter der vorliegenden Erfindung.
5: zeigt ein Verdrahtungsschema mit einem Beispiel des resonanten Reglers für den resonanten Wechselrichter der vorliegenden Erfindung.
6: zeigt ein Verdrahtungsschema mit den Grundsätzen eines weiteren Ausführungsbeispiels der schaltenden Stromversorgung oder des resonanten Wechselrichters der vorliegenden Erfindung mit einer isolierten Abgabe.
7: zeigt, wie die Resonanzfrequenz des Wechselrichters durch elektrische Befehle geändert werden kann.
LEITBAHN
8: ist eine Darstellung der induktiven Abstimmvorrichtung zur Anpassung der Leitbahnen unterschiedlicher Länge an eine konsistente Induktanz und damit eine konsistente Resonanzfrequenz.
9: ist ein vergrößerter Querschnitt auf Line A-A von 8.
10: zeigt das Verhältnis von Fahrzeug und Primärleiter eines Einschienensystems.
FAHRZEUG
11: ist ein Verdrahtungsschema und zeigt die Grundsätze des Höchstleistungsumrichters für Wechselstrom-Gleichstrom der vorliegenden Erfindung.
12: ist ein Verdrahtungsschema mit dem Regelungskreis für die Schaltmodus-Stromversorgung und den Wechselstrom-Gleichstrom-Umrichter des Spulenreglers der vorliegenden Erfindung.
13: ist ein Verdrahtungsschema, das den Reglerkreis für den Höchstleistungumrichter für Wechselstrom-Gleichstrom der vorliegenden Erfindung zeigt.
14: zeigt das Verdrahtungsschema von 12 in vereinfachter Weise.
15: ist ein Verdrahtungsschema, das die Grundsätze des bürstenlosen Gleichstromn-Motorantriebs in einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.
16: veranschaulicht eine Übertragungsleitung und eine abgestimmte Aufnehmerspule.
17: veranschaulicht die gegenseitige Verkoppelung zwischen der Übertragungsleitung und dem abgestimmten Schaltkreis.
18: veranschaulicht schematisch den Effekt der gegenseitigen Verkoppelung.
19: veranschaulicht den Effekt einer zusätzlichen kurzgeschlossenen Spule.
20: veranschaulicht den Effekt von in der Leitbahn angebrachter Steuerverdrahtung.
21: veranschaulicht die Vorrichtung zur Verstärkung der Stromversorgung in einem Leitbahnteilstück.
22: veranschaulicht die Vorrichtung zur Stromversorgung an die Zweigstücke oder sonstige Zusatzgeräte von der Energiequelle in der Primärinduktivschleife.
23: veranschaulicht einen Schalter, der mit dem Kondensator einer Aufnehmerspule parallel ist.
24: veranschaulicht einen Schalter, der mit dem Kondensator einer Aufnehmerspule in Serie ist.
25: veranschaulicht einen komplementären Belastungskreis.
26: veranschaulicht ein Batterieladegerät.
27: veranschaulicht eine Glühlicht-Einrichtung.
28: veranschaulicht eine Röhrenlicht-Einrichtung.
ALLGEMEINE BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die in dieser Spezifikation beschriebenen neuen Grundsätze können auf verschiedene Weisen Anwendung finden. Alle haben eine induktive Elektrizitätsübertragung von einem festen Primärleiter über einen Freiraum und in eine oder mehrere sekundäre Aufnehmerspulen gemeinsam sowie die spätere Elektrizitätsnutzung, im allgemeinen jedoch nicht immer mit Speicherung. Viele Anwendungen betreffen die Versorgung von Fahrzeugen mit Antriebsenergie, aber Beleuchtung oder andere Formen von Motorantrieb und die Aufladung von Batterien sind ebenfalls vorgesehen.
Eine Einrichtung kann mindestens einen resonanten oder einen nicht-resonanten Primärkreis umfassen. Jeder Primärkreis kann aus einem Parallelleiterpaar in Form einer gertreckten Schleife oder aus einem einzigen Leiter in einer offenen Schleife bestehen. In den meisten Fällen laufen die Primärleiter ununterbrochen entlang dem vorgesehenen Weg oder der von den Fahrzeugen benutzten Leitbahn, obwohl unterbrochene Verfügbarkeit (z. B. bei vorgesehenen Bushaltestellen) und zwischenzeitige Energiespeicherung innerhalb des Fahrzeugs eine Alternative darstellen.
Die Leitbahn kann aus einer konkreten Struktur bestehen, z. B. Eisenbahngleise, Förderband oder Einschiene, oder es kann ein unsichtbarer Weg sein, der durch das Feld des einen oder der mehreren innerhalb einer Leitbahn oder eines Bodens versteckten Leiter bestimmt wird.
Die bevorzugte Betriebsfrequenz liegt im allgemeinen im Bereich von 10 bis 50 KHz, was insbesondere die durch die verfügbaren Festkörperschalter gesetzten Grenzen widerspiegelt – ebenso wie die von Leiterverlusten bestimmten Begrenzungen, obwohl die Grundsätze sich auch auf einen viel größeren Frequenzbereich, z. B. von 50 Hz bis 1 MHz ausdehnen ließen. Es sind bereits Prototypen mit Betriebsfrequenzen von 10 KHz und verfügbaren Energiemengen von 150 W und 500 W gebaut worden. Letztere wurden mit 500 V gespeist und waren in der Lage, 165 Meter Leitbahn mit Strom zu versorgen.
Sekundäre Aufnehmerspulen sind vorzugsweise resonant und, insbesondere im Falle einer wechselnden Belastung, vorzugsweise mit der Belastung durch Stromaufbereitungsmittel verbunden, und zwar entweder ein Höchstleistungsumformergerät oder vorzugsweise eine Kombination aus Aufnehmerspule-Entkopplungsvorrichtung und strombegrenzter Abgabe. Diese gelten sowohl für resonante als auch für nicht-resonante Primärleiter aufgrund des Störeffekts, den eine leicht belastete Aufnehmerspule auf die Energieübertragung über ihre Stellung hinaus hat.
Noch größere Einrichtungen lassen sich ebenfalls erstellen, wenn die stromaufbereitende Elektronik und die Anzahl der Fahrzeuge oder der Motor und die Motorantriebskreise jedes Fahrzeugs vergrößert wird, ohne dabei von den hier beschriebenen neuen Konzepten abzugehen. Angesichts einer echten Spannungsgrenze können lange Leitbahnen vorzugsweise in Teilabschnitte unterteilt und jeder von diesen von einer separaten Energiequelle versorgt werden. Einige Beispiele sind in 2 dargestellt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM 1
Eine erste bevorzugte Ausführungsform beschreibt im Besonderen einen mittelgroßen 500 W Prototyp, der einen bordeigenen Induktionsmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs oder mehrerer gleichartiger Fahrzeuge auf einer freitragenden Leitbahn verwendet, – wie in 1 dargestellt – neben Primärkabeln, die mitschwingenden Strom führen und von einer Schaltstromversorgung gespeist werden. Obwohl dieses System mit einer annähernden Bahnlänge von bis zu 165 m eine Speisespannung in Höhe von 500 V und einen umlaufenden Resonanzstrom von ca. 60 A hat, ist das gesamte Primärkabel weiter durch eine Ummantelung in einer extrudierten Plastikhülle isoliert. Damit ist es frei von Kommutationsfunken und kann auch in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden, z. B. in Bergwerken.
In 1 ist 1100 die freitragende Leitbahn, die eine Aluminium-Doppel-T-Träger mit einer flachen tragenden Oberfläche 1101 und einem Paar Parallelleiter 1102 und 1103 ist, die von der Aussparung auf der einen Seite gestützt wird. 1104 ist das gesamte Fahrzeug, das hier mit Fahrzeug 1109 auf Trägern 1108 gezeigt wird und Stütz- und Antriebsräder 1106 und 1107 sowie einen Antriebsmotor 1105 umfaßt. Die Aufnehmerspulen für das Fahrzeug befinden sich neben dem Antriebsmotor 1105 und den Leitern 1102 und 1103 und sind nicht sichtbar (Einzelheiten dazu siehe z. B. 10).
2 veranschaulicht mehrere Beispiele des Stromverteilungssystems. Eine erste Version 2100 bezieht sich auf ein System, das zwei Fahrzeuge 2101 und 2102 betreibt. Diese Fahrzeuge laufen mit Flanschrädern auf einer Leitbahn 2103 und 2104. Eine auswärts und eine einwärts verlaufende Schleife des Primärleiters 2105 und 2106 sind am einen Ende mit einem Kondensator 2107 (einem Optionalbauteil, vorzugsweise für längere Leitbahnen) verbunden und am anderen Ende mit einem Kondensator 2108 und auch mit einer Hochfrequenzstromquelle, einem Wechselstromgenerator 2109, der von einer externen Energiequelle angetrieben wird.
Eine zweite Version 2200 ist mit nur einem Fahrzeug 2201 dargestellt. Diese Version ist nicht-resonant; ihr Primärinduktor, der aus mehreren Kabelspulen bestehen kann, wird von einer Schaltstromquelle 2202 durch einen Abwärtstransformator 2203 angetrieben. Es ist wahrscheinlich, daß der Strom innerhalb des Primärinduktors 2204 kein Sinusstrom ist.
Eine dritte Version 2300 ist mit nur einem Fahrzeug 2301 dargestellt. Diese Version ist resonant. Sie wird von einer Schaltstromquelle 2302 angetrieben, die einen abgestimmten Schaltkreis, bestehend aus einem Kondensator 2303 und einer Induktanz 2304, enthält, der auch als Primärseite eines Isoliertransformators 2304 dient. In diesem Falle läuft Strom durch den Transformator 2304 und den Kondensator 2303, so daß der Transformator eine VA Einstufung benötigt, die den im Primärleiter 2305 umlaufenden Resonanzstrom sowie den für Zuleitung oder Entnahme vom Resonanzkreis verfügbaren Strom ertragen kann. Der im Resonanzkreis umlaufende Strom ist im wesentlichen Sinusstrom. Obwohl der Primärinduktor des System von jeder Wechselstromquelle gespeist werden könnte, ist die Verwendung eines Sinusstroms, der mit der durchschnittlichen Resonanzfrequenz aller assoziierten Abstimmungskreise zugeführt wird, zu bevorzugen. Sinusstrom minimiert die Abgabe von Radiofrequenzemissionen durch Oberschwingungen und verbessert die Effizienz der Übertragung von umlaufendem Strom auf abhängige abgestimmte Kreise.
Eine vierte und bevorzugte Version 2400 wird ebenfalls mit einem einzigen Fahrzeug dargestellt. In dieser Version stellt der Kondensator 2403 zusammen mit der Eigeninduktanz des Primärinduktors 2405 den Resonanzkreis dar, und alle anderen Komponenten der Stromquelle 2402 müssen nur für die Speise-Energie bemessen sein und nicht für die höheren Niveaus des Resonanzstroms. Der Strom innerhalb des Resonanzkreises ist im wesentlichen Sinusstrom. Zusätzliche Induktoren, wie in 8 dargestellt, können zwischen Stromquelle und Leitbahn installiert werden, um eine konsistente Induktanz zwischen Einrichtungen unterschiedlicher Länge zu erhalten. Zusätzliche Kapazitanz kann bei längeren Leitbahnen am Ende der Bahn vorgesehen werden. Die Stromversorgung 2402, die nun eine mit der Resonanzfrequenz von Leitbahn 2405 und dem Kondensator 2403 geführte Schaltstromversorgung umfaßt, wird im nächsten Abschnitt ausführlicher beschrieben.
Eine fünfte Version ähnelt der vierten, nur daß der abschließende Kondensator wegfällt. Diese Ausführungsform kann bei kürzeren Strecken günstiger sein, um Kosten einzusparen.
HOCHFREQUENZUMWANDLUNG VON GLEICHSTROM-WECHSELSTROM DURCH SCHALTSTROMVERSORGUNG ODER EINEN RESONANTEN WECHSELRICHTER
Leistungsmerkmale
Das resonante System zur Übertragung von Energie an bewegliche Fahrzeuge würde zur Minimierung der Bauteilgrößen am besten mit einer hohen Frequenz betrieben, doch mit höherer Frequenz steigen auch aufgrund der strahlenden Foucaultströme in Nebenleitern und des Kelvineffekts Verluste innerhalb z. B. der verteilten Primärleiter, die die Effizienz beeinträchtigen und elektromagnetische Störungen verursachen. Bei den gegenwärtig verfügbaren Halbleitern ist 10 KHz eine annehmbare Entwurfszahl, obwohl es nicht als die einzige Möglichkeit zu betrachten ist. Die Frequenz kann bis auf 50 KHz steigen, aber die Kelvineffektverluste innerhalb der Leiter sind oberhalb dieser Frequenz recht erheblich. In manchen Fällen kann es vorteilhafter sein, 400 Hz Strom zu benutzen, da dies eine Industrienorm ist, insbesondere in der Flugzeugindustrie, wo andernfalls (z. B. bei Bodentransportsystemen in Flughäfen) spezielle Frequenzen wie 28,5 KHz gewählt werden können, die keine sich potentiell störend auf Navigations- oder Kommunikationseinrichtungen auswirkenden Oberschwingungen besitzen. Die obere Betriebsspannungsgrenze liegt gegenwärtig bei ca. 600 V, sowohl in bezug auf Kondensatorbelastbarkeit als auch Spannungsgrenzen bei Halbleitern.
Der für dieses Gerät vorgesehene Schaltkreis ist in 3 bis 7 dargestellt. 3–5 sind detaillierte Verdrahtungspläne für eine Ausführungsform wie 2402 in 2, während 6 und 7 andersartige Ausführungsformen darstellen.
In 3 zeigt 3100 eine Quelle von rohem Gleichstrom; in diesem Falle ein Drei-Phasen-Brückengleichrichter, der von einer 400 V-Netzstromquelle über einen Abwärtstransformator 3105 versorgt wird. Der Transformator bietet auch elektrische Isolierung des Primärleiters vom Netzstrom. 3L1 und 3L2 verbessern den Eingabestromfaktor und schützen gegen Leiterstörungen, die von dem Hochfrequenzabschnitt 3103 herrühren. 3101 ist ein Softstart-Bauteil, das ein Stromteil 3Q3 enthält, und 3102 ist ein Umrichter, der die Diode 3106 und den Induktor 3L3 betrifft, die herkömmlicherweise von dem strombegrenzenden Regler 3107 mit seiner Stromversorgung 3108 gesteuert werden. 3109 ist ein Bauteil, das die Tore 3Q1 und 3Q2 antreibt. 3109 wird von der Gleichstromquelle 3110 versorgt. Bauteil 3LEM tastet den zugeführten Gleichstrom ab.
Der Primärresonanzkreis dieses Systems umfaßt den Kondensator 3C2, der frequenzabstimmende zusätzliche Kondensatoren (siehe 7) enthalten kann, sowie den primären induktiven Verteilungsleiter selbst zusammen mit optionalen zusätzlichen Induktanzen, die vorzugsweise eine Gesamtinduktanz von 123 Mikro- Henries besitzen. Umlaufender Resonanzstrom, der in Höhe von 60 A liegen kann, fließt normalerweise nur durch den Primärinduktor, Verbindungen zur Stromversorgung und durch 3C2. Er fließt nicht durch 3L4 (wo während der Benutzung nur wenige mA Wechselstrom gemessen wurden), und dieser balancierte phasenteilende Transformator kann ohne Luftstrecke gebaut werden. Da er nicht mehr zusätzlichen Strom führt als das Gleichstromteil, kann er auch relativ klein gehalten werden. Es fließt auch kein Resonanzstrom durch die Schalttransistoren 3Q1 und 3Q2, obwohl die bevorzugten bipolaren Transistoren mit isolierten Toren (IGBT) in der Lage sind, die umlaufende Energie als Ausgleichsvorgang in den Frühstadien eines entstehenden Fehlers zu absorbieren, z. B. ein Kurzschluß in der Leitbahn.
Obwohl der Umformer ein Paar festgesteuerte An-Aus-Schalter als Primärleistungsumschlagelemente umfaßt, ist er aufgrund seiner Verbindung zu einem Resonanz- oder Schwingschaltkreis in Wirklichkeit ein Gleichstrom-Wechselstrom-Umrichter, der einen Sinuswellen-Wechselstrom abgibt. Er erhält einen Resonanzstrom aufrecht durch Umschalten von 3Q1 und 3Q2 in komplementärer Form von niedriger auf hohe Impedanz, zu dem Zeitpunkt wo die Kondensatorspannung Null ist (festgestellt durch die Eingangsleistungen 301 und 302). Abgesehen von den Fällen von speziellen Anlauf- und Abschaltmethoden verlangt der Schaltumrichter keine besonderen Frequenzen (abgesehen von Frequenzobergrenzen als Folge von Bauteilphysik) bei dem Resonanzstrom; er ist lediglich ein Nebenantrieb, der mit der natürlichen Überschwingerfrequenz des Schaltkreises arbeitet.
Anlauf- und Abschaltsituationen werden dadurch gelöst, daß die Reserveladung in der Stromversorgung an die Steuerungskreise die der Netzstromversorgung zur Umrichtung zur Verfügung stehenden Reserven vorwegnimmt und in hohem Maße überschreitet, so daß die Regler auch funktionieren, bevor und nachdem Resonanzstrom in der Leitbahn auftritt, sowie zu den Zeiten, wo der Resonanzstromregler auf der Basis seiner eigenen Taktaktivität 10 KHz Impulse abgibt.
Da die Betriebsfrequenz aufgrund der Belastung auf der Leitbahn erheblich von der Designfrequenz abweichen und damit die Wirksamkeit der induktiven Koppelung beeinträchtigen kann, kann eine optionale Vorrichtung zur Abstimmung der Resonanzfrequenz während des Betriebs vorgesehen werden, wie in 7 dargestellt. Die Hauptschalttransistoren sind durch 7S1 und 7S2 angegeben. Eine Serie von paarweisen und vorzugsweise aufeinander abgestimmten Kondensatoren, als 7Ca, 7Ca', 7Cb, 7Cb' und 7Cc und 7Cc' bezeichnet, sind dargestellt, die in der Lage sind, durch Steuerungssignale, die an die begleitenden Festkörperschalter 7S20, 7S20', 7S21, 7S21' und 7S22 mit 7S22' abgegeben werden, verzögerungslos in den Kreis oder wieder herausgeschaltet zu werden. Diese Bauteile führen deutlich einen Bruchteil des umlaufenden Stroms und sollten angemessene Wärmesenken haben ebensowie eine angemessene Nennspannung für diese Anwendung. Zusätzlich zeigt 8 induktive Abstimmungsvorrichtungen, die für das Trimmen des Resonanzschaltkreises zum Zeitpunkt der Installierung geeignet sind.
4 veranschaulicht den Strombegrenzungsregler. Der niedere Abschnitt 4102 ist der Softstart-Abschnitt, der Strombegrenzungsabschnitt ist 4101. Im Softstart-Abschnitt bestimmen der Resistor 4R11 und der Kondensator 4C4 die Zeitverzögerung. Der erste Vergleicher 4103 bestimmt den Moment nach der Stromzufuhr, zu dem die Ladung in 4C4 die auf ihre (–) Eingabe angewendete 10 V Referenz überschreitet. Die Abgabeleistung von 4103 wird auf das Tor von 4Q3 angewendet, das mit Bauteil 3Q3 in 3 identisch ist. Der obere Teilabschnitt 4101 nimmt das Signal von einem LEM stromabtastenden Bauteil auf, verstärkt es und wendet es auf den Vergleicher 4104 an, der gegenüber einer ca. 5 Volt Grenze beurteilt wird, die angesichts der Hysteresis modifiziert ist, durch die verdrahtete ODER-Abgabe von dem Vergleicher 4105 und dem Vergleicher 4104. Der vierte Vergleicher 4106 wendet die obige Abgabe und wendet sie – wenn nicht zuviel Strom vorliegt – auf einen Antriebsschaltkreis der Transistoren 4Q1 und 4Q2 an zur Anwendung über Resistor 4R15 auf das Tor des Transistors 3Q4 in 3.
In 5 stellt 5100 das Teilstück zur Feststellung der von den Resonanzströmen in dem Induktor entwickelten Spannungen dar. Es umfaßt 1/2 eines LM319 Vergleichers, wobei die gegensätzlichen Spannungen in die gegenüberliegenden Eingaben eingegeben werden. Die Abgabe ist daher eine Widerspiegelung der (+) Eingabe zusammen mit dem Komplementärteil der (–) Eingabe. 5101 zeigt den Teilabschnitt, der für die Bestimmung der Amplitude der Resonanzkondensatorspannung zuständig ist sowie für die Zuschaltung der Versorgung mit intern erzeugten Impulsen auf der Designmittelfrequenz von Teilabschnitt 5102, falls die Amplitude niedrig ist (z. B. beim Anlaufen). Das Eingangssignal wird von den Dioden D3 und D2 gleichgerichtet und mit einem Vergleichsspannungswert verglichen. Wenn der festgestellte Wechselstrom zu gering ist, wird die interne Uhr, 5102, ein einfacher trimmbarer RC-Oszillator über einem Binäruntersetzer aktiviert. Teilabschnitt 5103 zeigt Tore zum Antrieb der beiden ICL 7667 Torantriebsvorrichtungen mit einem komplementären phasenkoordinierten Strom, der wiederum die stromschaltenden Transistoren oder normalerweise IGBT-Bauteile (2Q1 und 2Q2 in 2) regelt.
PRIMÄRINDUKTORKABEL – ABSTIMMUNG
Unsere bevorzugte Verwendung der eigentlichen Leitbahn als induktiven Teil des Primärresonanzkreises erfordert aufgrund der Tatsache, daß eine bevorzugte Resonanzfrequenz für versorgte Module wie Fahrzeuge besteht, eine Resonanzfrequenz der Leitbahn, die zwischen den Einrichtungen im wesentlichen konstant ist. Ein Induktanzwert von 133 Mikro-Henries ist unabhängig von der eigentlichen Leitbahnlänge vorzuziehen. 8 und 9 veranschaulichen ein System zur Abstimmung der Leitbahn auf eine bestimmte Resonanzfrequenz. Um den Auswirkungen unterschiedlicher Leitbahnlängen entgegenzuwirken, kann ein Satz von diskreten oder Modulinduktanzen 8100 zwischen der Energieversorgungseite 8101, 8103 und der Leitbahnseite 8102, 8104 eingebaut werden. Praktischerweise können dies eine Reihe von einzelnen Torus-Ferritkernen mit Luftstrecke 9105 sein, vorzugsweise von niedriger Permeabilität, um Sättigung zu vermeiden. Solche Toroide haben eine bevorzugte Dicke von 40 mm, eine innere Öffnung von 20 mm und einen äußeren Durchmesser von 60 mm. Die Luftstrecke 9106 ist vorzugsweise 0,67 mm lang. (9108 ist ein Träger.) Jeder Toroid, der um einen Leiter 9107 gelegt wird, bietet im wesentlichen dieselbe Induktanz wie ein Meter Leitbahnlänge. Zum Zeitpunkt der Installierung wird die Leitbahnlänge gemessen. Sollte sie kürzer als 165 m sein, wird die Leitbahninduktanz erhöht, indem jeder Litzendrahtleiter durch einen Toroid pro fehlendem Meter Leitbahnlänge gefädelt wird. Bei der Aktivierung wird die eigentliche Resonanzfrequenz gemessen und die Toroidkette verlängert oder verkürzt, um die Resonanzfrequenz präzise auf den Sollwert einzustellen.
Die Primärinduktivschleife kann einen starken Wechselstrom von 60 A mit einer Frequenz vo 10 KHz führen. Die induktive Energie (Magnetfluß), die von diesem Strom bei dieser hohen Wechselrate ausgestrahlt wird, verursacht gewöhnlich sowohl innerhalb des Leiters als auch innerhalb von Leiter- und insbesondere ferromagnetischen Materialien innerhalb des Flußfeldes Foucaultströme.
Die Primärschleife, die zur Verteilung der Energie entlang des oder der Wege der beweglichen Fahrzeuge benutzt wird, besteht aus einem getrennten parallel laufenden Kabelpaar (siehe 1, 1101 und 1102). Jedes der beiden Kabel besteht vorzugsweise aus mehreren dünnen, isolierten Drähten (sogenanntem Litzendraht) zur Verringerung der Leiterverluste aufgrund des Kelvineffekts und insbesondere der Foucaultströme in Nebenleitern. Eine bevorzugte Art von kommerziell hergestelltem Litzendraht besteht aus ca. 10 240 Litzen aus 40 Gauge lackisoliertem Kupferdraht mit einem Durchmesser von ca. 13 mm. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Telefondraht mit mehreren isolierten Leitern. Der Abstand der Kabel ist eine Kompromißlösung. Wenn sie zu nahe aneinander sind, heben die Felder einander auf und die Koppelung zu den Fahrzeugaufnehmerspulen ist schwach. Liegen sie dagegen zu weit auseinander, so steigt die Leitbahninduktanz erheblich, was eine größere Antriebsspannung erfordert und unnötig hohe Verluste der Aufnehmerspulen verursacht, da dann ein erheblicher Brückenteil der Aufnehmerspule Strom führt, ohne von den Feldern erfaßt zu werden. Die praktische Grenze von 600 V wird von den Bauteilkapazitäten bestimmt und ist für den Antrieb von ca. 200 m Leitbahn bei 60 A geeignet. Diese Länge kann durch den Einbau eines zweiten Serienkondensators im Kabel zur Verringerung der erforderlichen Reaktivenergie etwa verdoppelt werden, siehe 2 – 2100 und 2400.
Der Litzendraht 9110 und 9111 kann praktischerweise innerhalb eines Röhrenstrangs mit einer Plastikextrusion in einem becherförmigen Abschnitt untergebracht werden, wie im Querschnitt in 9 dargestellt.
10 veranschaulicht die eigentlichen Verhältnisse Primärseite-Leerraum-Sekundärseite dieser Ausführungsform im Querschnitt. Die Skala dieser Zeichnung ist etwa 120 mm für den Rücken des E-förmigen Ferritkerns 10102 und die freitragende Einzelschiene von 1 basiert auf diesem Abschnitt.
10100 veranschaulicht die Kombination eines starken Trägerelements 10101, typischerweise Aluminium-Doppel-T-Profil mit einer oberen belastbaren Oberfläche 10103, auf der die Fahrzeugräder laufen können. Die Seite 10104 ist mit Auslegern 10106 und 10107 versehen, wo die Trägerelemente montiert werden können. Die Seite 10105 ist als Träger der Primärleiter vorgesehen. 10110 and 10111 sind die zwei parallelen Primärleiter, vorzugsweise aus Litzendraht. Sie sind in Röhrensträngen auf Abstandhaltern 10112 und 10113, wie in bezug auf 9 beschrieben, untergebracht. Die Abstandhalter werden von einer Platte 10114 gestützt.
Alle Materialien sind vorzugsweise nicht-leitend, z. B. Kunststoff, oder NE-Metalle, z. B. Aluminium. Wenn eisenhaltiges Material neben einem oder mehreren der Primärleiter oder den Sekundäraufnehmerspulen des Fahrzeugs angebracht werden muß, so hat es sich als günstig erwiesen, das eisenhaltige Material mit einer mehrere Millimeter dicken Aluminiumschicht zu schützen, woraufhin die beim Betrieb entstehenden Foucaultströme zur Blockierung tieferen Eindringens des Magnetflusses dienen, womit der Energieverlust aufgrund von Hysteresis innerhalb des ferromagnetischen Materials minimiert wird.
Der bevorzugte Ferritkern 10102 der Aufnehmerspule besteht aus einer Anzahl von übereinander angeordneten E-förmigen Ferritblöcken zusammen mit Platten 10117, die auf den Mittelschaft geschraubt sind. Der Mittelschenkel ist vorzugsweise 20 mm dick, die Gesamtlänge der Aufnehmerspulemontage typischerweise 260 mm. Es sollte gelegentlich ein Block von der Anordnung fernbleiben, so daß die Sekundärspule, die im Betrieb 20 A Umlaufstrom führen kann, mit Luft gekühlt werden kann. Die Aufnehmerspule 10115 zusammen mit einer oder mehreren optionalen Zusatzspulen wie 10116 ist um den Mittelschenkel des Ferritkerns gewickelt. Die Koppelung von Fluß aus dem Primärleiter 10110 und 10111 an den Ferrit ist relativ effizient, da der Primärleiter fast vollständig von dem Ferrit umschlossen ist.
Das Fahrzeug (nicht dargestellt) besteht zur Linken des Ferrits 10102, wo es unmittelbar mit Schrauben oder ähnlichem (auch wenn es aus Gußeisen besteht) befestigt ist, da der wechselnde Fluß im wesentlichen im Ferrit selbst eingeschlossen ist.
Die Aufnehmerspule, von der es an einem Fahrzeug eine oder mehrere geben kann, umfaßt einen abgestimmten Kreis, der auf Resonanz mit der Design-Frequenz der Primärinduktivschleife gebracht wird. Die Aufnehmerspule umfaßt vorzugsweise eine Anzahl von Windungen des Litzendrahts um den Mittelschenkel eines aus Ferritmaterial bestehenden Kerns, wobei der Kern eine flußkonzentrierende Funktion hat, um die Effizienz der Induktionskoppelung zu verstärken. Im Gebrauch verursacht das Vorhandensein von Hochresonanzströmen zusammen mit zahlreichen Leiterwindungen ein recht starkes Magnetfeld in der Umgebung der Spule. Der Resonanzkondensator (der zusätzliche Kapazitanzeinheiten vorsehen kann, um die Resonanzfrequenz einzustellen) ist vorzugsweise in einer parallelen Verbindung mit der Spule, und Gleichrichtungsvorrichtungen (vorzugsweise schnelle Stromgleichrichterdioden) sind in Serie mit der Belastung über den Kondensator verdrahtet. Eine Hoch-Q-Aufnehmerspule ist deswegen wünschenswert, weil daraus mehr Strom gewonnen werden kann. Doch da eine Erhöhung des Spulen-Q-Werts auch ihre Größe und Kosten erhöht, ist ein Kompromiß notwendig. Zudem kann eine Hoch-Q-Aufnehmerspule bei kleinen Varianten zu Abstimmproblemen in der Betriebsfrequenz führen.
Die Anzahl der Windungen und die damit verbundenen Resonanzkondensatoren können nach dem für optimale Aufeinanderabstimmung von späteren Schaltkreisen notwendigen Spannung/Strom-Verhältnis ausgewählt werden. Wie in 10 gezeigt, ist der Kern für die Aufnehmerspule so plaziert, daß der Magnetfluß aus der Primärschleife maximal aufgefangen wird.
Eine zweite Aufnehmerspule kann auch auf dem Ferritstapel installiert werden, die als Entkoppelungsvorrichtung fungiert, um die Hauptaufnehmerspule gegen den Magnetfluß abzuschirmen. Ihr Betrieb wird im Hinblick auf den Regler beschrieben (Siehe unten: "Abgestimmte Aufnehmerspule und Betriebsmerkmale").
Eine weitere Hilfs-Aufnehmerspule kann ebenfalls installiert werden, vorzugsweise an einer Stelle, die nicht mit der Hauptaufnehmerspule gekoppelt ist, um die bordeigenen Elektronikschaltkreise separat mit Energie zu versorgen.
EINZELHEITEN DER STROMVERSORGUNG DES SCHALTMODUS 12 & 14
Eine vereinfachte schematische Darstellung des Schaltmodusreglers ist in 14 angegeben. Die Spannung über dem Abstimmkondensator 14112 der Aufnehmerspule 14111 wird von 14114 gleichgerichtet und von 14121 und 14122 gefiltert, um eine Gleichstromspannung zu erzeugen. Der Vergleicher 14117 überwacht diese Spannung und vergleicht sie mit einem Vergleichswert 14118. Wenn der Ladungsstrom geringer als der von der Aufnehmerspule an die Ladung 14116 entnehmbare Maximalstrom ist, dann erhöht sich die Kondensatorspannung. Dies veranlaßt den Vergleicher, Schalter 14113 anzuschalten und damit praktisch die Aufnehmerspule kurzzuschließen. Diode 14122 verhindert, daß der Gleichstromabgabekondensator ebenfalls kurzgeschlossen wird. Das Ergebnis ist, daß der von der Aufnehmerspule übertragene Strom praktisch gleich Null ist. Demzufolge verringert sich die Gleichstromspannung über 14115 soweit, bis der Vergleicher den Schalter wieder ausschaltet. Die Geschwindigkeit, mit der diese Schaltung erfolgt, wird von der Hysteresis über dem Vergleicher (Resistor 14123, mit Resistoren 14119 und 14120), der Größe des Kondensators 14115 und der Differenz zwischen Ladungsstrom und maximalem Spulenabgabestrom bestimmt.
12 zeigt den Schaltmodusregler in näheren Einzelheiten.
In dieser Figur ist die Aufnehmerspule bei 12P1 zwischen den Klemmen 1 und 3 angeschlossen. Eine Reihe von Kondensatoren 12CT1, 12CT2 und die verbleibenden der Serie (typischerweise sind 5 nötig, um 1,1 μF zu erreichen) sind die Resonanzkondensatoren. Ein Brückengleichrichter, bestehend aus vier schnellen Dioden 12D4–D7, richtet den eingehenden Strom an 12L1, bestehend aus einer Drosselkette für die Kondensatoren 12C7 und 12C8. Der Gleichstrom wird an die Ladung an Klemmen 1 und 3 des Verbinders 12P2 weitergeführt. Die Gleichstromspannung wird von 12R1 überwacht und von 12IC1:A gepuffert. Wenn sie einen von 12REF3 bestimmten Vergleichswert überschreitet, schaltet der Vergleicher 12IC1:B 12T1 an, ein Hochleistungs-FET, das zum Kurzschließen der Aufnehmerspule dient. Die bevorzugte Geschwindigkeit dieser Schaltung ist nominal 30 Hz. 12T2 bietet dem FET strombegrenzenden Schutz, Varistor 12V1 bietet Spannungsschutz.
Wenn die Ladungsenergie den von der Aufnehmerspule möglichen Höchstwert überschreitet, so liegt die Ausgabespannung stets unter dem von 12REF3 festgelegten Vergleichswert, und Schalter 12T1 ist dann immer ausgeschaltet. Wenn die Ladung ein von einem Wechselrichter angetriebener Wechselstrommotor ist, dann kann dies bei hohen Beschleunigungsraten auftreten. Der Regler in 12 bietet eine Vorrichtung zur Erhaltung der maximalen Stromübertragung in solchen Fällen durch Erzeugung eines optisch gekoppelten Kontrollsignals, das als Anweisung an den Wechselrichter zur Verringerung der Beschleunigung benutzt werden kann. Das Signal wird durch Vergleich der Spannung bei 12P2 mit einem Dreiecksträger knapp unter dem von 12REF3 festgelegten Vergleichswert erzeugt. Der Dreiecksträger wird durch einen Entspannungsoszillator 12IC1:C produziert, während 12IC1:D den Vergleich vornimmt. Die optische Isolierung erfolgt durch 12IC2.
So versucht der Schaltkreis in 12, die Abgabespannung zwischen einer Ober- und einer Untergrenze zu halten, und hält den Resonanzstrom innerhalb der Aufnehmerspule unter einer Obergrenze.
ABGESTIMMTE AUFNEHMERSPULE und BETRIEBSMERKMALE
Es hat sich gezeigt, daß insbesondere, aber nicht ausschließlich in Installierungen, wo die Primärschleife in einem Resonanzzustand ist, ein nur leicht beladenes Fahrzeug den Strom daran hindern kann, andere von dem leicht beladenen Fahrzeug entfernte Fahrzeuge zu erreichen. Dieser Effekt ergibt sich aus hohen Umlaufstromleistungen in der leicht beladenen Aufnehmerspule, die Wechselwirkungen mit dem Resonanzstrom in den Primärinduktoren zeigen. Daher wurde ein Regler oder Fahrzeugenergieaufbereiter entwickelt, der zwei separate Fahrzeugfunktionen vereint, nämlich die Entkupplung oder Ausschaltung der Aufnehmerspule, wenn die Spulenabgabespannung über eine bestimmte Schwelle ansteigt, sowie die Begrenzung des Abgabestroms, wenn der Abgabestromverlust über eine zweite Schwelle ansteigt. Dieses System ist eine bevorzugte Energieregelungsmethode, die im Gegensatz zu der Höchstleistungsmethode Umwandlungseffizienzwerte von über 80% erzielt.
Die Entkupplung der Aufnehmerspule kann mechanisch durch eine physische Trennung der Spule von einem Optimum [Position nahe an den Primärleitern] erfolgen. Die Entkupplung kann auch elektrisch erfolgen. Zum Beispiel kann sie durch einen Serienschalter innerhalb des Resonanzkreises erfolgen, der zur Unterbrechung des Stromflusses geöffnet werden kann. Zu Steuerungszwecken kann er wiederholt geöffnet werden (z. B. mit ca. 20–100 Hz), um eine über dem Sollwert fluktuierende Abgabespannung zu erzielen. Zu Bewegungsreglungszwecken kann er für die gewünschte Dauer offengehalten werden. Diese Methode hat den Nachteil, daß der Schalter, der ein Zweirichtungsschalter sein muß, bei den beobachteten Resonanzstrommengen in der Aufnehmerspule einen Serienspannungsabfall von über 2 Volt zeigt, was zu einem Verlust von ca. 50 bis 100 W führt. Eine zweite, bevorzugte, wenn vielleicht auch überraschende Methode ist die Ausschaltung der Aufnehmerspule durch Schließen eines Schalters über dem Kondensator, wodurch das Resonanzelement aus dem System entfernt wird. Dieser geschlossene Schalter führt nicht viel Strom, da der Kreis nicht länger resonant ist, und darum sind die Verluste gering und beeinträchtigen jedenfalls nicht die ladungstragenden Modi. Im Augenblick der Schalterschließung ist die gespeicherte Ladung innerhalb des Resonanzkreises gering. Wenn die beabsichtigte Abgabe eine Hochstrom-Niederspannungsoption ist, ergibt sich trotzdem ein erheblicher Verlust in diesem Schalter, wenn er geschlossen ist, so daß eine dritte bevorzugte Methode darin besteht, eine sekundäre Aufnehmerspule mit einer relativ höheren Zahl von Windungen einzurichten. Wenn eine solche Spule ausgeschaltet wird, ist der Stromfluß durch den Schalter relativ gering.
Beim Betrieb eines Fahrzeugsystems mit einem induktiven Aufnehmer kann die vom Motor verlangte Abgabeenergie in einem großen Bereich schwanken. Demzufolge kann auch der Elektrizitätsverbrauch recht stark schwanken. Bei leicht beladenen Anwendungen tritt hier ein Problem auf, da die an die Paralleldrahtübertragungsleitung zurückreflektierte Impedanz ebenfalls stark schwankt. In diesem Beispiel ist das oben beschriebene Parallelleiterpaar als Übertragungsleitung zu betrachten, wie in 16 beschrieben.
In 16 stellt R_eff die effektive Motorbelastung der Aufnehmerspule dar, die dem abgestimmten Schaltkreis entsteht. Diese entspricht der induktiven Aufnehmerspule von 13. Wenn die Übertragungsleitung von einer Spannungsquelle angetrieben wird, dann entspricht die effektive gegenseitige Koppelung dem in 17 dargestellten Schaltkreis.
Der Effekt der gegenseitigen Koppelung M besteht darin, einen der Primärseite gleichwertigen Widerstand zu übertragen, und dies wird in dem in 18 dargestellten Schaltkreis veranschaulicht. Bezugnehmend auf 17, wenn ω hoch ist, können niedrige Werte für M (d. h. niedrige Koppelungsfaktoren) eingesetzt werden, und es werden trotzdem gute Energieübertragungsfähigkeiten erzielt.
Ein überbelasteter Motor entspricht einem R_eff = Unendlichkeit, während ein leicht belasteter Motor R_eff ~ 0 entspricht. Im Überlastungsfalle ist ω²M²/R_eff -> 00, so daß keine Energie übertragen wird, während im leicht belasteten Fall ω²M²/R_eff -> Unendlichkeit ist, so daß es immer schwieriger wird, den Strom in der Paralleldrahtübertragungsleitung aufrechtzuerhalten. Dieses letzte Merkmal ist äußerst unerwünscht, da ein leicht belastetes Fahrzeug dann den Stromfluß an andere Fahrzeuge auf derselben Leitung blockieren kann.
Die Übertragungsleitung sollte vorzugsweise mit einem Hochfrequenz-Wechselstrom versorgt werden. Dieser Hochfrequenzstrom kann von einem Hochfrequenz-Wechselstromerzeuger oder vorzugsweise von einem Leistungselektronikkreis, wie oben beschrieben, erzeugt werden. Im Falle eines Leistungselektronikkreises wird die Oszillationsfrequenz durch die fortgesetzte reaktive Ladung auf der Verbindung bestimmt, und der Effekt von leicht beladenen Fahrzeugen besteht darin, daß die Betriebsfrequenz um mehrere hundert Hertz von der bevorzugten Betriebsfrequenz von 10 kHz abgelenkt wird. Dadurch wird das ω²M²/R_eff -> Unendlichkeitsproblem gelöst, da verstimmte Kreise niedrigere (reaktive) Impedanz reflektieren, doch die Verstimmung begrenzt wiederum den Energiefluß an die anderen Fahrzeuge. Dieses Problem kann durch Verringerung der Koppelung zwischen der Übertragungsleitung und der abgestimmten Aufnehmerspule minimiert werden. Diese Lösung basiert auf der Feststellung, daß der Term ω²M²/R_eff im wesentlichen nur eine Variable enthält – die gegenseitige Induktanz, die dem Koppelungsfaktor zwischen den beiden Magnetkreisen entspricht. Wenn dieser Koppelungsfaktor – der normalerweise als konstant betrachtet wird – in der Praxis reduziert werden kann, dann kann auch die Wechselwirkung reduziert werden.
Ein Lösungsvorschlag wird in 19 veranschaulicht. Eine zusätzliche Spule 1901 wird zwischen die Übertragungsleitung 1900 und die Aufnehmerspule 1902 plaziert. Diese zusätzliche Spule hat einen Schalter 19S, der, wenn offen, bedeutet, daß die zusätzliche Spule keinen Effekt hat. Wenn der Schalter 19S jedoch geschlossen ist, dann verhindert diese kurzgeschlossene Spule, daß die Flußwege sie passieren und dadurch die Koppelung reduzieren und M reduzieren. Die Plazierung der zusätzlichen Spule ist nicht entscheidend – solange sie etwas Fluß auffängt, erfüllt sie ihren Zweck. Es ist insbesondere wünschenswert, daß die zusätzliche Spule den Fluß auffängt und dabei die Induktanz so wenig wie möglich beeinflußt. In der Praxis ist dies nicht schwer zu erreichen. Der Schalter 19S kann ein elektronischer Schalter einer beliebigen von mehreren bekannten Anordnungen sein.
Beim Betrieb wird die Spannung über dem abgestimmten Kreis V_T überwacht. Wenn sie zu hoch wird, dann ist der Kreis zu leicht beladen, und der Schalter S wird angeschaltet, um die Spannung zu reduzieren. Wenn die Spannung V_T niedrig ist, bleibt der Schalter S offen.
Der Kreis ist kompatibel mit dem Überlastungsschaltkreis, der ebenfalls V_T zur Regelung des Gleichrichters benutzt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM 2 – 150 W VERSION
Diese bevorzugte Ausführungsform beschreibt im besonderen einen 150 W Prototyp auf geringer Skala, der einen bordeigenen, bürstenlosen Gleichstrom-Motor zum Antrieb eines Fahrzeugs oder mehrerer gleichartiger Fahrzeuge verwendet, und zwar auf einer Leitbahn über mit 10 KHz gespeisten Primärkabeln. Dieses gesamte System ist daher frei von Kommutationsfunken und kann auch in explosionsgefährdeter Umgebung geeignet sein, wie z. B. in Bergwerken.
HOCHFREQUENZ WECHSELSTROM-GLEICHSTROM-UMRICHTUNG
Der Schaltkreis für die Energiequelle für dieses Gerät ist in 6 schematisch dargestellt.
Der in die Hochfrequenzkabel 6101 und 6102 eingespeiste Strom wird mit Hilfe eines Festkörper-Schaltwandlers 6100 erzeugt, der in einem Resonanzmodus arbeitet, um eine nahezu perfekte 10 kHz Sinuswelle zu erzeugen. Demzufolge sind die von dem Leiter ausgegebenen Radiofrequenzstörungen unbedeutend, da der Oberwellengehalt des Stroms niedrig ist – unter 1% –, und das System wäre damit auch für den Betrieb in kommunikationsintensiver Umgebung, z. B. Flughäfen geeignet.
Der Resonanzkreis ist in dieser Ausführungsform in dem Mittelanzapfungsinduktor 6L1 und dem Kondensator 6C1 innerhalb der Stromversorgung enthalten. Darum müssen diese Bauteile für die Intensität des Resonanzstroms geeignet sein. Der induktive Leiter sollte vorzugsweise ebenfalls auf dergleichen Frequenz resonant sein. Da dieser Entwurf am Transformator 6L1 elektrische Isolierung hat, ist er besonders für Kleinsysteme geeignet, wo es auf Sicherheit ankommt, ebenso wie für Situationen, wo eine relativ hohe Versorgungsspannung von 6Edc in eine andere Spannung transformiert werden kann.
Zur Erzielung der notwendigen Stromerhöhung in der Leitbahn und zur Minimierung des Effekts von Ladungsunterschieden auf die Betriebsfrequenz des Wandlers wird die Windungszahl des Ferrit-Topfkern-Hochfrequenztransformators in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel hoch gehalten, indem nur eine Windung auf die Sekundärseite plaziert wird. Um die Effekte der Ladung auf die Frequenz weiter zu minimieren, wird die Impedanz des auf Hochfrequenz abgestimmten Schaltkreises (Z = (L1/C1) absichtlich niedrig gehalten. Bei der Festlegung des Z-Wertes muß jedoch ein Kompromiß eingegangen werden, da niedrige Werte zu hohem Primärumlaufstrom führen, der die Effizienz verringert und Kosten und Größe des Umrichters aufgrund der höheren C1 Kapazitanzanforderungen erhöht. Die Primärseitentransformatorwicklung (L1) sollte aus mehreren Litzen von isoliertem Draht mit engem Durchmesser bestehen, um Verluste aufgrund des Kelvineffekts zu verringern, während der Eingangsinduktor Ls mit gewöhnlichem Volldraht gewickelt werden kann, da im wesentlichen nur Gleichstrom hindurchfließt.
Der in 6 schematisch dargestellte resonante Umrichter wird durch abwechselnde Torsteuerung der beiden Schalter 6S1 und 6S2 gesteuert, die 180° der Überschwingerperiode von 6L1 und 6C1 angeschaltet sind und einen Schaltkreis wie in 5 dargestellt benutzen. Wenn die Eingangsspannung 6Edc unter einem bestimmten Niveau (wie es beim Anlaufen auftritt) liegt, wird die Tastung durch einen Oszillator geregelt, der mit ungefähr derselben Resonanzfrequenz für den Schaltkreis f = 1/(L1C1) läuft. Wenn die Spannung 6Edc dann dieses Niveau überschreitet und einige weitere Millisekunden verstrichen sind, wird der feste Oszillator ausgeschaltet, und 6S1 und 6S2 werden stattdessen zu der gedämpften Resonanzfrequenz torgesteuert, indem die Spannungsnullkreuzungen und Schaltungen von 6C1 zu diesen Zeitpunkten festgestellt werden. Dies gewährleistet, daß S1 und S2 unter allen Ladungsbedingungen bei Nullspannung an- und ausschalten, wodurch der Schaltungsverlust in diesen beiden Bauteilen minimiert wird.
Die beiden Leistungsschalter 6S1 und 6S2 sind als MOSFETs dargestellt, aber sie könnten ebensogut bipolare Transistoren, IGBTs oder GTOs (GTO Thyristoren) oder andere Festkörperschalter sein, die für die in einer bestimmten Anwendungssituation nötigen Energieniveaus entworfen wurden. Ihre Tore werden durch einen wie in 5 dargestellten Regler angetrieben.
Der Prozess für die kapazitive Abstimmung, wie oben unter Bezugnahme auf 7 beschrieben, gilt auch für einen resonanten Regler dieser Art.
HOCHFREQUENZKABEL
Auch in dieser Ausführungsform besteht das Hochfrequenzkabel, das den Strom entlang der von den beweglichen Fahrzeugen gefahrenen Leitbahnen) verteilt, aus einem separaten und im wesentlichen parallelen Kabelpaar, dessen Kabel vorzugsweise aus mehreren dünnen, isolierten Drähten, den sogenannten Litzendrähten, bestehen, um die Kelvinseffekt- und leiterseitige Leiterverluste zu verringern. Ein bevorzugter Typ von kommerziell erhältlichem Litzendraht enthält ca. 10.000 Litzen von 40 Gauge lackisoliertem Kupferdraht mit einem Durchmesser von ca. 13 mm, der trotzdem preisgünstig ist. Der Abstand der Kabel ist nicht entscheidend. Wenn sie jedoch zu nahe aneinander liegen, so heben die Felder einander auf, und die Koppelung zu den Aufnehmerspulen des Fahrzeugs ist dann schwach. Wenn sie dagegen zu weit auseinander liegen, so entstehen unnötig hohe Aufnehmerspulenverluste, da dann ein erheblicher Teil der stromführenden Aufnehmerspule nicht von den Feldern erfaßt wird. Zusätzlich ist die Leitbahninduktanz dann höher, was bedeutet, daß mehr Spannung zugeführt werden muß, um den nötigen Stromumlauf zu erzielen. Dieses Problem kann zwar teilweise durch Serien-Kondensatoren im Kabel gelöst werden, um die Anforderungen von Reaktivleistung zu verringern, wie in 2 dargestellt; es erhöht jedoch die Kosten und den Umfang des Kabels.
INDUKTIVE AUFNEHMERSPULE
Eine Form der Aufnehmerspule umfaßt mehrere Windungen von Mehrlitzendraht auf einer vorzugsweise rechteckigen Nicht-Eisen-Wickelschablone, deren Breite etwa der des Hochfrequenzkabels entspricht. Der Mehrlitzendraht sollte der oben beschriebene Litzendraht sein. In dieser Ausführungsform wurde kein ferromagnetischer Kern benutzt. Die Wicklung ist parallel mit einem Kondensator verbunden, dessen Wert so gewählt wird, daß ein resonanter Schaltkreis entsteht und die Spule auf die Frequenz der verteilten Energie abgestimmt wird (d. h. 10 kHz). Es ist wünschenswert, daß die Aufnehmerspule einen Hoch-Q hat, da ihr dann mehr Energie entnommen werden kann. Da ein höherer Spulen-Q-Wert normalerweise auch Größe und Kosten erhöht – und auch Abstimmungsprobleme schafft –, ist ein Kompromiß notwendig. Eine Hilfsaufnehmerspule wird ebenfalls eingerichtet, um den Regler für den Hochleistungsumrichter mit Energie zu versorgen und zu synchronisieren.
HOCHLEISTUNGSALLSTROMUMRICHTER
Im Prinzip kann jeder geeignete Motor, sogar ein Wechselstrommotor, wie z. B. ein Induktionsmotor, zum Antrieb des O-Busses verwendet werden, wenn nach dem Hochleistungsallstromumrichter geeignete Stromumrichtungsstadien hinzugefügt werden. Der in dem einen Prototypsystem getestete Motor ist ein bürstenloser Gleichstrom-Typ, der die Vorteile bietet, kostengünstig, leicht, wartungsfreundlich und für den Betrieb in explosionsgefährdeten Umgebungen geeignet zu sein.
Der Hochleistungsallstromumrichter wird im Überblick in 11, Einzelheiten seines Reglers in 13 dargestellt.
Um maximale Stromübertragung von der Aufnehmerspule unter niedrigen bis mittleren Q-Bedingungen zu erzielen, wird ein schematisch in 11 dargestellter Buck-Typ-Umrichter verwendet und so gesteuert, daß gewährleistet ist, daß die beladene Aufnehmerspule 11L2 einen Q-Wert hat, der vorzugsweise nie unter dem der Hälfte des unbeladenen Falles liegt. Der Regler für 11S3 (Schaltkreis in 14) wird geschaltet, um die Spitzenspannung 11V1 auf dem Wert zu halten, der maximale Energie liefert. Wenn V1 V1ref (siehe 11) überschreitet, dann wird Bauteil 11S3 angeschaltet, wenn die Spannung über 11C2 das nächste Mal durch eine Nullkreuzung geht. Wenn während eines Halbzyklus 11V V1ref nicht überschreitet, dann wird 11S3 bei der nächsten Nullkreuzung ausgeschaltet. Durch Verwendung dieser integralen Halbzyklus-Steuerung werden Schaltverluste und damit auch die ausgestrahlte Radiofrequenzstörung minimal gehalten.
13 zeigt einen Kontrollschaltkreis, der das Tor von 11S3 über den Abgabeantrieb 13102, einen ICL 7667, antreiben kann. 13106 ist eine von der Hilfsspule gespeiste Stromversorgung, die eine Abgabeleistung von 10 V bei 13101 erzeugt.
13104 ist ein Nullkreuzungs-Detektor, der mit der Phase des festgestellten Hochfrequenzstromes gekoppelt ist. Seine Abgabe wird durch einen impulsformenden Schaltkreis 13105 geleitet um sie in Spitzen zu verwandeln, und dann einen D-Flip-Flop 13107 zu schließen, der den Torantrieb speist, solange der Vergleicher 13100 anzeigt, daß die Versorgung in einer Anlaufmodusschwelle ist (siehe Zeitkonstante bei seiner Eingabe) und damit Kontrollimpulse durch das Tor 13108 durchläßt. 13103 ist der Primärsensor des Spulenspannungsniveaus und gibt 13109 frei.
MOTORANTRIEB
15 veranschaulicht einen Motorantriebtyp, der mit Gleichstrom gespeist werden kann und ein Abgabemoment in Relation zur Stromversorgung 15Vo bietet. (Im Prinzip könnte jeder geeignete Motor, sogar ein Wechselstrommotor, z. B. ein Induktionsmotor, zum Fahrzeugantrieb eingesetzt werden, wenn nach dem Höchstleistungsumrichter geeignete Stromrichtungsstadien hinzugefügt werden). Der in einem Prototypsystem verwendete Motor ist ein bürstenloser Gleichstrommotor, der die Vorteile bietet, kostengünstig, leicht, wartungsfreundlich und funkenfrei zu sein, so daß er auch in explosionsgefährdeter Umgebung einsetzbar ist. Ein Untersetzungsgetriebe koppelt den Motor an die Fahrzeugräder, um auch bei reduzierter Geschwindigkeit ein nützliches Antriebsmoment zu erzeugen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Fahrzeugträgheit so bemessen, daß die Motordrehzahl sich auch durch einfaches Sperren der Motorkommutationsschalter 15S4, S5 und S6 in Übereinstimmung mit einem bestimmten Arbeitszyklus regeln läßt. Der Drehzahlkontrollkreis geht über den Umfang dieser Spezifikation hinaus und ist hierin nicht aufgenommen. Das Prototypfahrzeug verfügte über einfache Grenzschalter an jedem Leitbahnende, um den Motor umzukehren.
15101 umfaßt eine elektronische Bremse, Vorrichtungen zur Zusammenbindung der Motorwindungen durch die Dioden 15102.
ENERGIESTEUERUNG IN UND AUS DER LEITBAHN
Die Energie für die vom Fahrzeug auszuführenden Aufgaben sollte vorzugsweise am Fahrzeug selbst gesteuert werden können. Es gibt jedoch auch Gelegenheiten, wo die Steuerung von der Leitbahn aus nützlich sein kann. Für verfügbare Energie im nullnahen Bereich kann die Regelungsverdrahtung auf oder in unmittelbarer Nähe der Leitbahn montiert und wie in 20 dargestellt kurzgeschlossen werden. Wenn Schalter 20S offen ist, hat er keine Auswirkung. Wenn Schalter 20S geschlossen ist, können die Fahrzeuge diesen Teil der Leitbahn nicht passieren, aber sie können auf beiden Seiten davon normal funktionieren.
Für erhöhte Energie in einem Leitbahnteilstück kann eine Spule benutzt und wie in 21 dargestellt mit Energie versorgt werden. In dieser Zeichnung wird die Spule durch den Oberleiter mit Energie versorgt. Wagen, die diese Spule passieren, erhalten die zweifache Leitbahnstrommenge 2I und können daher mit dem zweifachen Energieniveau funktionieren. Auch höhere Werte als zwei sind leicht zu erzielen.
Auf diese und andere einfache Weise können einfache Schleifen und Spulen an der Leitbahn zur Steuerung der Fahrzeuge eingesetzt werden. Die Spule kann auch wie in 20 dargestellt zum Abtasten eines Fahrzeugs verwendet werden, denn wenn Schalter S geöffnet ist, steigt die Abgabespannung, wenn sich ein Fahrzeug auf der Spule befindet. Dann kann, wenn nötig, der Schalter geschlossen werden, um das Fahrzeug auf einer genauen Stelle anzuhalten. Es gibt noch viele weitere Ausbaumöglichkeiten dieser einfachen Techniken, z. B. können Sensorwicklungen zur Steuerung von Fahrzeugen an Kreuzungen eingesetzt werden, so daß es nicht zu Zusammenstößen kommt.
VARIATIONEN
22 zeigt, wie Sekundärleitbahnen 2210, 2211 von der Primärleitbahn 2212 mit Aufnehmerspulen, die direkt mit den Sekundärleitbahnleitern verbunden und induktiv mit den Primärleitbahnleitern gekoppelt sind, mit Energie versorgt werden können. Wenn in der Sekundärleitbahn eine andere Stromgrößenordnung oder -frequenz erforderlich ist, dann kann, wie in 2213 dargestellt, ein zusätzlicher Stromumrichter benutzt werden.
23 zeigt einen Schalter 23101 parallel mit dem Kondensator 23102 der Aufnehmerspule 23103. Wird der Schalter 23101 geschlossen, so wird der Schaltkreis nicht-resonant, was die zwischen der Primärstromversorgung (nicht dargestellt) und der Aufnehmerspule 23103 gekoppelte Energie reduziert.
Durch geeignete Regelung des Schalterbetriebs kann die von der Aufnehmerspule empfangene Strommenge geregelt werden.
24 zeigt eine weniger bevorzugte Anordnung, in der ein Schalter 24101 in Serie mit einem Kondensator 24102 und einem Induktor 24103 ist, so daß bei geöffnetem Schalter kein resonanter Strom fließen kann.
25 zeigt einen komplementären Belastungskreis. Dieser hat eine Aufnehmerspule 2501 mit einem Regler 2502, und speist Gleichstrom an ein Hauptgerät 2503 (z. B. einen Elektromotor).
Eine komplementäre Belastung in Form eines Resistors 2504 wird von einem Schalter 2505 geregelt. Dies kann ein Pulsbreitenmodulationselement sein zur Steuerung der Zeitdauer, die der Resistor 2504 eingeschaltet wird, um zu gewährleisten, daß der Aufnehmer immer voll belastet ist, obwohl das Hauptgerät 2503 möglicherweise nur leicht belastet ist. Eine solche Anordnung ist bei Niedrigleistungsanwendungen von nutzen, wird jedoch bei Hochleistungsanwendungen ineffizient, da die primäre Stromversorgung ständig Höchstleistungen erbringen muß.
26–28 zeigen andere Varianten, einschließlich eines Batterieaufladegeräts (26), einer Glühlichteinrichtung (27) und einer Röhrenlichteinrichtung (28). Primärleiter 2601, 2701, 2801 versorgen bewegliche Geräte, angezeigt durch ihre Aufnehmerspulen 2602, 2702, 2802, mit Energie. Diese können von den Primärleitern entfernt oder näher heran gebracht werden, um die mit jedem Gerät gekoppelte Energie aufzuladen.
Das Batterieaufladegerät kann die Batterien 2603 mit Hilfe des Reglers 2604, der derselbe sein kann wie der oben beschriebene Fahrzeugregler, mit Dauerstrom versorgen.
Entsprechend zeigt 27 eine Glühlampe 2703 anstelle der Batterien. Die Lampe kann von einem Spannungsregler 2704 mit dem benötigten Gleichstrom versorgt werden, der dem lokalen Netz (Wechsel-)Strom entspricht. Daher kann die Abgabe für Neuseeland auf 230 V Gleichstrom eingestellt werden, so daß die an den lokalen 230 V-Wechselstrom angepaßten Lampen benutzt werden können.
Es ist vorzuziehen, daß die Glühlampe mit Gleichstrom versorgt wird, um Probleme zu vermeiden, die mit der Induktanz der Lampe bei Stromversorgungsfrequenzen auftreten könnten. Durch Bewegen der Lampe zur Primärleitung oder davon weg kann die mit der Aufnehmerspule gekoppelte Energiemenge variiert werden.
28 zeigt eine Röhrenlampe 2803, die mit dem von der Aufnehmerspule 2802 empfangenen Hochfrequenzwechselstrom versorgt wird.
Diverse Abänderungen und Modifikationen können an dem oben Dargestellten vorgenommen werden, ohne von dem Umfang dieser Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.

Claims

Ein induktives Energieverteilungssystem bestehend aus: einer Stromquelle (2402); einem Primärleiterweg (2405), der mit der Stromquelle (2402) verbunden ist; einem oder mehreren elektrischen Geräten (2101, 2102, 2401) zur Benutzung in Verbindung mit dem Primärleiterweg (2405); das bzw. jedes Gerät (2401) ist in der Lage, einem mit dem Primärleiterweg (2405) verbundenen Magnetfeld zumindest etwas Energie zu entnehmen; das bzw. jedes Gerät (2401) verfügt über mindestens eine induktive Aufnehmervorrichtung (23103, 24103, 2501) sowie über mindestens eine Ausgangsladung, die von dem in der induktiven Aufnehmervorrichtung induzierten elektrischen Strom angetrieben werden kann; wobei die mindestens eine induktive Aufnehmervorrichtung (23103, 24103, 2501) ein Resonanzteil enthält, das eine Aufnehmerresonanzfrequenz hat; und vorgesehen ist eine Regelungsvorrichtung, die die Energiemenge, welche der Ausgangsladung zugeführt wird, regelt; dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische oder elektrische Entkopplungsvorrichtung besteht, die von der Regelungsvorrichtung betätigt werden kann, um die Energieübertragung von dem Primärleiterweg an das Gerät beim Betrieb des Geräts zu sperren, indem verhindert wird, daß Resonanzstrom in der induktiven Aufnehmervorrichtung fließt, obwohl der Primärleiterweg an bleibt, wodurch die mindestens eine induktive Aufnehmervorrichtung von dem Primärleiterweg (2405) im wesentlichen ganz entkoppelt wird.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsvorrichtung eine Vorrichtung (23101, 24101) enthält, die induktive Aufnehmervorrichtung (23103, 24103) absatzweise zu entkoppeln.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zeitraum, in dem die induktive Aufnehmervorrichtung (23103, 24103, 2501) nicht entkoppelt ist, zahlreiche Zyklen der Aufnehmerresonanzfrequenz stattfinden.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die elektrischen Geräte (2101, 2102, 2401) mobile oder tragbare Geräte sind.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsladung ein Batterieaufladegerät umfaßt, das eine oder mehrere Batterien 2603 speist.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärleiterweg (2405) einen Primärresonanzkreis (2403, 2405) umfaßt, der eine Primärresonanzfrequenz hat, die im wesentlichen mit der Aufnehmerresonanzfrequenz übereinstimmt.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsvorrichtung auf dem Gerät (2401) angebracht ist, oder wenn es mehr als ein Gerät ist (2401), so ist auf jedem Gerät (2101, 2102) eine entsprechende Entkopplungsvorrichtung angebracht.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsvorrichtung die Möglichkeit bietet, die induktive Aufnehmervorrichtung vom Leiterweg (2405) zu entfernen.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Aufnehmervorrichtung auch eine nicht-resonante Komponente enthält.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsvorrichtung Teil der nicht-resonanten Komponente der induktiven Aufnehmervorrichtung ist.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsvorrichtung Teil der resonanten Komponente der induktiven Aufnehmervorrichtung ist.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsvorrichtung eine Isolierwicklung (1901) enthält und daß diese Isolierwicklung über einen Schalter verfügt (19S), mit dem die Wicklung zwischen einer Leerlauf- und einer Kurzschlußschaltung geschaltet werden kann, so daß die zwischen dem Primärleiterweg (2405) und der induktiven Aufnehmervorrichtung (1902) gekoppelte Energie geändert wird, wenn der Schalter (19S) von einer Stellung auf eine andere Stellung geschaltet wird.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierwicklung (1901) auf dem oder in der Nähe des Primärleiterweges (2405) angebracht ist.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem bzw. jedem Gerät (2401) eine Isolierwicklung angebracht ist.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzteil der induktiven Aufnehmervorrichtung (23102, 23103) einen Kondensator und einen Induktor umfaßt, und daß die Entkopplungsvorrichtung einen Schalter (24101) hat, der in Serie mit dem Kondensator ist, so daß das Resonanzteil der induktiven Aufnehmervorrichtung (24102, 24103) zwischen einem Resonanzkreis und einem Leerlauf schalten kann, damit bei Leerlaufschaltung kein Resonanzstrom in der induktiven Aufnehmervorrichtung (24103) fließen kann.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsvorrichtung einen Schalter über der induktiven Aufnehmervorrichtung (23103) hat, mit dem die induktive Aufnehmervorrichtung zwischen einem Resonanzkreis (23102, 23103) und einem Kurzschlußkreis geschaltet werden kann, so daß, wenn die induktive Aufnehmervorrichtung (23103) in Kurzschlußstellung ist, kein Resonanzstrom in der induktiven Aufnehmervorrichtung (23103) fließen kann.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung (2102) elektrisch abstimmbar ist.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung (2102) in Verbindung mit dem Primärresonanzkreis (23102, 23103) so angepaßt wird, daß sie einen Sinuswechselstrom einer Frequenz produziert, die im wesentlichen die gleiche ist wie die der Primärresonanzfrequenz.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung (2102) einen schaltenden Konverter enthält, der mindestens über einen Schalter verfügt, sowie eine Vorrichtung zur Feststellung einer Stromphase in dem resonanten Primärleiterweg (2405) und eine Vorrichtung zur Regelung des Schalters, der mit der Vorrichtung zur Feststellung der Phase im resonanten Primärleiterweg (2405) verbunden ist, so daß bei Gebrauch der mindestens eine Schalter mit der Phase des Resonanzstroms im resonanten Primärleiterweg (2405) phasenverriegelt ist.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung (2402) eine Ein-Phasen-Stromversorgung (2304) ist und daß der Schalter mindestens ein Paar Komplementärschalter (2302) hat.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzteil des induktiven Aufnehmers ein Serienresonanzkreis ist, der mindestens einen Kondensator und mindestens einen Induktor hat.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzteil des induktiven Aufnehmers (23102, 23103) ein Parallelresonanzkreis ist, der mindestens einen Kondensator (23102) und mindestens einen Induktor (23103) hat.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor einen magnetisch permeablen Kern (10102) hat.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor so geformt ist, daß er einen Teil des Primärleiterweges fast völlig umschließt.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärleiterweg (1100) zwei mit einem Abstand im wesentlichen parallele Leiter 1102, 1103 enthält, und daß der Kern des Induktors E-förmig ist und beide Leiter jeweils in der Mitte zwischen zwei nebeneinander liegenden Schenkeln des E-förmigen Kerns liegen.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät (2401) aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Fahrzeuge, Elektrogeräte, elektrische Werkzeuge, Elektromaschinen, Batterieaufladegeräte oder Lampen umfaßt.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. jedes Gerät ein Fahrzeug ist.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Ausgangsladung ein auf dem Fahrzeug (2401) angebrachtes elektrisches Gerät ist.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Ausgangsladung eine Vorrichtung zur Levitation des Fahrzeuges in Beziehung zu dem Primärleiterweg (2405) ist.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Ausgangsladung mindestens einen Elektromotor (2503) auf dem Fahrzeug umfaßt.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzteil der induktiven Aufnehmervorrichtung ein Serienresonanzkreis ist, der mindestens einen Kondensator und mindestens einen Induktor hat.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzteil der induktiven Aufnehmervorrichtung (23102, 23103) ein paralleler Resonanzkreis ist, der mindestens einen Kondensator (23102) und mindestens einen Induktor (23103) hat.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsvorrichtung eine Isolierwicklung (1901) auf dem Fahrzeug (2401) hat, daß die Isolierwicklung einen Schalter (19S) hat zum Umschalten der Isolierwicklung (1901) zwischen einer Leerlauf- und einer Kurzschlußschaltung, so daß die gekoppelte Energie zwischen dem Primärleiterweg (2405) und der induktiven Aufnehmervorrichtung (1902) geändert wird, wenn der Schalter (19S) von einer Stellung in die andere geschaltet wird.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Regelung des Schalters (19S) sowie eine Vorrichtung (14117) zur Überwachung der Spannung im Kondensator (14112) und im Induktor (14111) besteht, so daß, wenn (a) die Spannung einen vorgegebenen Höchstwert überschreitet, die Regelungsvorrichtung (14117) den Schalter (19S) von der Leerlaufstellung auf die Kurzschlußstellung schaltet, damit die Spannung unter den vorgegebenen Höchstwert sinken kann, oder wenn (b) die Spannung unter einen vorgegebenen Mindestwert sinkt, die Regelungsvorrichtung den Schalter (19S) von der Kurzschlußstellung in die Leerlaufstellung schaltet.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsvorrichtung in der induktiven Aufnehmervorrichtung einen Schalter enthält (23101, 24101), mit dem die induktive Aufnehmervorrichtung zwischen einem Resonanzstatus und einem Nicht-Resonanzstatus hin- und hergeschaltet werden kann.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Einstellung des Schalters (14113) sowie eine Vorrichtung (14117) zur Überwachung der Spannung im Kondensator und im Induktor besteht, so daß, wenn (a) die Spannung einen vorgegebenen Höchstwert übersteigt, die Regelungsvorrichtung (14117) den Schalter anschaltet und den Kreis (14111, 14112) von einem Resonanzstatus in einen Nicht-Resonanzstatus versetzt, damit die Spannung unter den vorgegebenen Höchstwert sinken kann, oder wenn (b) die Spannung unter einen vorgegebenen Mindestwert sinkt, die Regelungsvorrichtung (14117) den Kreis (14111, 14112) von einem Nicht-Resonanzstatus in einen Resonanzstatus schaltet.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (24101) in Serie mit dem Kondensator (24102) und dem Induktor (24103) ist.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (23101) parallel mit dem Kondensator (23102) und dem Induktor (23103) ist.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärleiterweg (2405) einen einzigen Primärleiter enthält.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärleiterweg (1100) zwei mit einem Abstand im wesentlichen parallele Leiter (1102, 1103) enthält.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 39 oder Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Primärleiter einen oder mehrere gestreckte Leiterseile (9107) enthält, die eine relativ große Oberfläche für den Transport von Hochfrequenzstrom bieten.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärleiterweg (2405) eine oder mehrere Regionen enthält, die zusätzliche Primärleiter haben, so daß diese Regionen im Betrieb verstärkte Magnetfelder besitzen.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärleiterweg (2405) einen Primärresonanzkreis (23102, 23103) enthält, der eine Primärresonanzfrequenz hat, die im wesentlichen der Aufnehmerresonanzfrequenz entspricht, und daß der Primärresonanzkreis (23102, 23103) zwei Abstand haltende gestreckte Leiter enthält, die mit mindestens einem Kondensator zu einer geschlossenen Schleife verbunden sind.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärleiterweg (2105) durch einen zusätzlichen Kondensator (2107) beendet wird.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärleiterweg (2305) durch ein Leitelement beendet wird.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Einstimmung der Primärresonanzfrequenz auf eine bestimmte Frequenz besteht und daß die Einstimmungsvorrichtung einen oder mehrere magnetisch permeable Körper (9105) enthält, die nahe an den Primärleiterweg (9107) gebracht oder von diesem weiter entfernt werden können, um die Induktanz des Primärresonanzkreises (23102, 23103) zu verändern.
Ein Fahrzeug, das einen Teil seiner Antriebskraft aus einem mit einem Primärleiterweg (2405) verbundenen magnetischen Feld beziehen kann, der von einem variierenden elektrischen Strom gespeist wird; dieses Fahrzeug hat mindestens eine induktive Aufnehmervorrichtung (23103, 24103, 2501) und mindestens eine Ausgangsladung (2503), die elektrisch von dem in der induktiven Aufnehmervorrichtung (23103, 24103, 2501) induzierten Strom betrieben werden kann, wobei die mindestens eine induktive Aufnehmervorrichtung (23103, 24103, 2501) ein Resonanzteil enthält, das eine Aufnehmerresonanzfrequenz hat; und vorgesehen ist eine Regelungsvorrichtung, die die Energiemenge, welche der Ausgangsladung zugeführt wird, regelt; dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische oder elektrische Entkopplungsvorrichtung besteht, die von der Regelungsvorrichtung betätigt werden kann, um die Energieübertragung von dem Primärleiterweg an das Gerät beim Betrieb des Geräts zu sperren, indem verhindert wird, daß Resonanzstrom in der induktiven Aufnehmervorrichtung fließt, obwohl der Primärleiterweg an bleibt, wodurch die mindestens eine induktive Aufnehmervorrichtung im wesentlichen ganz vom Primärleiterweg (2405) entkoppelt wird.
Ein Fahrzeug nach Anspruch 47 zur Verwendung mit einem Primärleiterweg, bestehend aus zwei Leitern (10110, 10111), die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und am Klemmenende miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (10102) der induktiven Aufnehmervorrichtung (23103) E-förmig ist, so daß die beiden Leiter (10110, 10111) sich im Betrieb jeweils in der Mitte zwischen zwei benachbarten Schenkeln des E-förmigen Kerns (10102) befinden.
Ein induktives Energieverteilungssystem bestehend aus: einer Stromquelle (2402); einem Primärleiterweg (2405), der mit der Stromquelle (2402) verbunden ist; einer Anzahl von elektrischen Geräten (2101, 2102) zur Benutzung in Verbindung mit dem Primärleiterweg (2405); jedes Gerät (2101) ist in der Lage, einem mit dem Primärleiterweg in Verbindung stehenden Magnetfeld zumindest etwas Energie zu entnehmen; jedes Gerät (2101) verfügt über mindestens eine induktive Aufnehmervorrichtung (23103, 24103, 2501) sowie über mindestens eine Ausgangsladung, die von dem in der induktiven Aufnehmervorrichtung (23103, 24103, 2501) induzierten elektrischen Strom angetrieben werden kann; wobei die mindestens eine induktive Aufnehmervorrichtung (23103, 24103, 2501) ein Resonanzteil (23102, 23103) enthält, das eine Aufnehmerresonanzfrequenz hat; und vorgesehen ist eine Regelungsvorrichtung, die die Energiemenge, welche der Ausgangsladung zugeführt wird, regelt; dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gerät (2101) eine Entkopplungsvorrichtung hat, die von der Regelungsvorrichtung betätigt werden kann, um die Energieübertragung von dem Primärleiterweg an das Gerät beim Betrieb des Geräts zu sperren, indem verhindert wird, daß Resonanzstrom in der induktiven Aufnehmervorrichtung fließt, obwohl der Primärleiterweg an bleibt, wodurch die mindestens eine induktive Aufnehmervorrichtung (23103, 24103, 2501) von dem Primärleiterweg (2405) im wesentlichen ganz entkoppelt wird.
Ein induktives Energieverteilungssystem nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Leiter (10110, 10111) Litzendraht enthält.