DE69820904T2

DE69820904T2 - Regelung induktiver energieübertragungsaufnehmer

Info

Publication number: DE69820904T2
Application number: DE69820904T
Authority: DE
Inventors: Talbot John BOYS
Original assignee: Auckland Uniservices Ltd
Current assignee: Auckland Uniservices Ltd
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: TW415896B; JP2001523938A; AU1265499A; EP1032963B1; DE69820904D1; EP1032963A1; EP1032963A4; KR100511583B1; KR20010032114A; NZ329195A; US6483202B1; WO1999026329A1

Description

TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft induktive Stromübertragung, insbesondere locker gekoppelte Systeme für induktive Stromübertragung, und speziell betrifft die Erfindung Schutzvorrichtungen zur Begrenzung der Strommenge, die in einer sekundären Aufnehmerspule eines induktiven Stromübertragungssystems zirkuliert.
HINTERGRUND
Der allgemeine Aufbau einer Einrichtung für induktive Stromübertragung besteht darin, dass ein Primärleiter (oder mehrere) mit Wechselstrom versorgt wird und ein Aufnehmerbauteil (oder mehrere) den veränderlichen Fluss um den Primärleiter auffängt und mittels Wicklungen in elektrische Energie umwandelt. Aufnehmerbauteile sind oft beweglich und bewegen sich entlang oder manchmal (wenn interne Energiespeicherung verfügbar ist) weg von den Primärleitern.
In der veröffentlichten Literatur gibt es augenscheinlich mindestens zwei deutlich verschiedene Gruppen von induktiven Stromübertragungssystemen. Eine Gruppe benutzt „ausgebreitete Transformatoren" für die Primärleitbahn, bei der eine Serie von Eisenschichtungen entlang der gesamten Leitbahnlänge verwendet wird, um die Kopplung des Flusses mit einem benachbarten Schichtungssatz zu verbessern, der eine Flusskonzentrationsvorrichtung umfasst, die den gesammelten Fluss veranlassen soll, die (mitunter) resonanten Aufnehmerwicklungen zu überqueren. Die Erregerfrequenz ist relativ niedrig (von Netzfrequenz bis zu ca. 5 kHz). Häufig wird die Primärleitbahn in einer Straße versteckt und ist nach oben gerichtet, während die Aufnehmer unter einem Straßenfahrzeug nach unten gerichtet sind. Diese Lösung bietet eine enge Kopplung und der Strom wird im Wesentlichen empfangen, als ob er aus einer Konstantspannungsquelle käme. Beispiele dieser Lösungsart sind in einer Reihe von Patentspezifikationen von Bolger beschrieben (z. B. US 4007817 oder 1 von EP 0253345 ). Klontz et al. ( US 5157319 ) beschreibt eine alternative enge Kopplung, die einen Sekundäraufnehmer mit Koaxial-Wicklungstransformator umfasst, der einen Primärleiter umgibt.
Unsere Gruppe benutzt eine aus einem parallelen Leiterpaar gebildete längliche Schlaufe als Primärleitbahn ohne ferri- bzw. ferromagnetisches Material, und der Fluss ist durch den Kern (der doch ferri/ferromagnetisches Material umfasst) mit den Wicklungen der resonanten Aufnehmerspule gekoppelt. Diese Kopplung wird als locker bezeichnet. Einige Leitbahnausführungen sind mit konzentrierten Resonanzelementen ausgestattet. Die Stromabgabe wird durch Entkopplung am Aufnehmer geregelt, wobei eine Reihe von beschriebenen Techniken verwendet werden, und weil das System einen Resonanzkreis als Teil des Aufnehmers verwendet, scheint der davon erzeugte Strom aus einer Konstantstromquelle zu kommen. Die Erregerfrequenz ist relativ hoch (10–30 kHz) und in einigen Ausführungsbeispielen ist die Primärleitbahn auf eine Förderschiene aufmontiert, die zur Kopplung mit den Aufnehmern auf kraftgetriebenen Fördereinheiten seitlich ausgerichtet ist, während sie in anderen Fällen in eine Straße eingebaut ist. Diese Lösungsart ist in einer Reihe von Patentspezifikationen von Boys & Green, beginnend mit WO92/17929, dargestellt.
Für einen Vergleich dieser beiden Lösungen siehe 14 und 15, und auch einen herkömmlichen Transformator (12 und 13), für Transformatoren gleichwertige Schaltkreise. (Alle 12–17 zeigen den bisherigen Stand der Technik.) 12 zeigt einen gewöhnlichen eng gekoppelten Transformator mit einer Primärwicklung 1201 und einer Sekundärwicklung 1202. 13 zeigt den dem Transformator gleichwertigen Schaltkreis, wo Wicklung 1301 den Koppelfluss M darstellt, Wicklung 1302 den Streufluss um den Primärleiter und 1303 den Streufluss um den Sekundärleiter. Der Wert für M ergibt sich aus
wobei k typischerweise 95% oder mehr ist. 14 zeigt einen locker gekoppelten induktiven Stromübertragungsaufnehmer mit Primärleitern 103 und 104, einem Kern 300 und einem Resonanzkreis, bestehend aus einem Induktor 1401 und einem Kondensator 1402. Bei der Betrachtung von 15 stellt die gleichwertige Induktivität 1504 (M) die (gemeinsame) Stromkopplungskomponente des Flusses dar, während 1503 der Streufluss ist (beispielsweise der Fluss, der von dem Aufnehmerkern ausstrahlt, während er einen erheblichen Resonanzstrom führt). Bei locker gekoppelten Systemen, die eine Primärleitbahn an der Luft haben, ist das Verhältnis der Induktoren 1503 : 1504 typischerweise 0,7 : 0,3, während bei Primärleitern mit Eisenkern und Sekundärbauteilen mit Eisenkern nach Bolger und anderen das Verhältnis typischerweise eher ca. 0,2 : 0,8 beträgt. In 15 und 17 erzeugt die Leitbahn (Konstantstromquelle 1500 mit gleichwertigen Induktoren 1501, 1502) einen Konstantstrom. 16 zeigt eine Art induktives Stromübertragungsbauteil, wo die Wicklung 1601 eine resonante, regelbare Wicklung ist und 1602 mit dem Gleichrichter 1605 nützlichen Strom erzeugt – beispielsweise als Konstantstromquelle zum Laden von Batterien. Bei der Betrachtung des Transformatoren gleichwertigen Schaltkreises von 15 ist der Wert des Kurzschlussstroms (wenn die Abgabe kurzgeschlossen werden sollte)
wobei M die Induktivität von 1504 ist.
Wir haben ein Batterieaufladegerät entwickelt, welches locker gekoppelte induktive Stromübertragung benutzt und Gegenstand der Patentanmeldung PCT/NZ97/00053 ist. Bei der Betrachtung eines praktischen Kreises des Batterieaufladegeräts in Transformatorgleichwertiger Form, wie in 16 und 17 dargestellt, stellen 1705 und 1706 die Streuflussinduktivität der tatsächlichen Wicklungen dar, 1705 für die größere Anzahl der Windungen in der Resonanz/Reglerwicklung, und 1706 für die Stromaufnahmewicklung. Die relativen Anteile von L in 17 sind: 1504 = 30%, 1503 = 65%, 1705 = ca. 5% und 1706 = ca. 5%. Die Impedanz des Primärteils, von den Induktoren 1503, 1504 (= 95% von L) nach rückwärts gesehen, kann erschlossen werden unter der Annahme, dass ein Kurzschluss bei 1708 (gestrichelte Linie) vorliegt, und ist
Da der Nenner bei Resonanz Null ist, ist Z unendlich, und bietet damit die Grundlage für die Aussage, dass die Quelle als Stromquelle fungiert. Ein Schaltkreis vom Typ Bolger ist gleichwertig mit 13. Die Leerlaufspannung wird durch die Abgabeimpedanz Z = L₁₃₀₃ + L₁₃₀₂ bestimmt, wenn sie von einer Spannungsquelle wie in Schaltkreisen vom Typ Bolger angetrieben wird. Die Abgabeimpedanz ist Z = L₁₃₀₃ + L₁₃₀₁, wenn der Schaltkreis von einer Stromquelle angetrieben werden sollte.
Während das Konstantstrommerkmal dieser Art des induktiven Stromübertragungssystems allgemein einen Vorteil darstellt, bringt es jedoch auch eine Gefahr mit sich, wenn eine Aufnehmerwicklung in einen Zustand geraten sollte, wo die Menge des aufgefangenen Stroms nicht kontrolliert werden kann. Eine perfekte Konstantstromquelle hätte keine Spannungsgrenze. Ein unkontrollierter Strom, der in einem resonanten Sekundärkreis resoniert, welcher zu einem locker gekoppelten induktiven Stromübertragungssystem gehört, kann zu hohen Mengen auflaufen, wenn der Kreis Q groß ist, wobei eine Reihe von nachteiligen Auswirkungen auftreten können, beispielsweise Bauteilversagen durch Überhitzung oder Versagen von Halbleitern oder Dielektrika innerhalb von Resonanzkondensatoren, und abgesehen von der Einbuße der Funktionsfähigkeit kann dies auch zur Feuerentwicklung innerhalb des Aufnehmergeräts führen. Unsere gewöhnlichen Verfahren zur Regelung des Sekundärstroms verlassen sich auf aktive Regler, die eine aktive Schaltung um den resonanten Sekundärleiter veranlassen, wenn von einem Spannungsvergleichkreis ein Überspannungszustand ermittelt wird. Passive Begrenzung, die sich womöglich auf die materialeigenen Masseneigenschaften verlässt, wäre wohl sicherer als aktive Regelvorrichtungen. Aktive Regelung kann vor allem dann versagen, wenn mehrere Faktoren gleichzeitig auf ein Bauteil einwirken, so dass aktive Regelung ausgerechnet im größten Bedarfsfalle wahrscheinlich am ehesten versagt. Einige Systeme mit locker gekoppelter (d. h. Konstantstrom) induktiver Stromübertragung werden in Situationen eingesetzt, wo extreme Zuverlässigkeit von Bedeutung ist. Wenn solche Systeme sich lediglich auf aktive Regelung zur Begrenzung des zirkulierenden Stroms verlassen, dann ist es bei Versagen der aktiven Regelung wahrscheinlich, dass eine folgenschwere Betriebsstörung auftritt.
Bolger und Ng beschrieben in EP 0253345 die Anwendung von Konstantstromtransformatorgrundsätzen auf ein induktives Stromübertragungsgerät durch Einsatz eines sättigbaren Aufnehmerkerns. Das ist eine Regleranwendung. Der Blechkern ist absichtlich mit einer sättigbaren Stelle von verringerter Querschnittsfläche versehen. Unter normalen Betriebsbedingungen ist der Kern immer in unterschiedlichem Ausmaß gesättigt und die Abgabe vom Aufnehmer ist entsprechend durch die innerhalb des Kerns verbleibende Flussmenge begrenzt. Außerdem ist die Resonanzfrequenz auf weniger als diejenige der Speisespannung bei niedriger Belastung vorgesehen, so dass die Resonanzfrequenz zur Systemfrequenz hin ansteigt, wenn der Kern der Sättigung näher kommt; die Kopplung verbessert sich und mehr Abgabestrom (ähnlich einem Konstantstrom) steht zur Verfügung. Kerne dieser Art, die zur Sättigung angeregt werden, entwickeln Hitze auf Grund von Hysteresisverlusten, und Kühlung ist im Einschnürungsbereich nicht vorgesehen, so dass diese Lösung zu einer recht temperaturempfindlichen Abgabespannung führen würde. Die Erfinder haben beständig eine Konstantstromlösung angestrebt.
Bossi et al. beschrieben in US 4,802,080 einen Stromübertragungskreis für eine „Smart-Card". Bossi verlässt sich dabei auf eine leichte Verstimmung, die durch eine in den Primärkreis reflektierte reaktive Belastung verursacht wird. Bossi verlässt sich auf diese Verstimmungswirkung zur Minimierung der Auswirkung von Versetzung. Obwohl die Stromübertragungseffizienz zwischen Primär- und Sekundärleiter ... abnimmt, wenn die beiden Spulen perfekt ausgerichtet werden, bleibt die tatsächliche Stromübertragungsart im Wesentlichen über einen breiten Ausrichtungsbereich konstant.
Sowohl in EP 02553345 als auch in US 4 802 080 wird eine Konstantstromübertragung angestrebt. In keinem Fall wird ein „ausfallsicheres" Merkmal in Betracht gezogen, wie es in der ausführlichen Beschreibung bzw. in den Pantentansprüchen dieser Erfindung beschrieben ist. In keinem Fall ist ein Sicherheitssystem für einen induktiven Aufnehmer vorgesehen, der die Verstimmung des Aufnehmers veranlasst, um die Stromversorgung an die Ladung zu verringern.
BEGRIFFSBESTIMMUNGEN
Locker gekoppelt in Bezug auf die Übertragung induktiver Energie bedeutet, dass der Flussanteil, der den Primär- und Sekundärleiter tatsächlich koppelt, erheblich niedriger ist als der gesamte im Bereich der Kopplungsstrukturen vorhandene Magnetfluss.
Ferrimagnetische Eigenschaften treten in Ferritmaterialien auf, in denen das gesamte Ferritmolekül zu den magnetischen Eigenschaften beiträgt. Im Wesentlichen sind diese mit ferromagnetischen Eigenschaften vergleichbar: Permeabilität, Sättigung, Hysteresis usw. treten in ferrimagnetischen Materialien auf.
Ferromagnetische Eigenschaften treten in Eisen, Nickel, Kobalt, Gadolinium und Dysprosium sowie ihren Legierungen auf, in denen sich die magnetischen Eigenschaften in den Atomen befinden. Nützliche ferromagnetische Materialen für diese Verwendung schließen Hochfrequenzeisen, Sintereisen, amorphe Eisendrähte, Schichtungen von Eisen, Siliziumstahl, kornorientierten Stahl ein, und zwar entweder einzeln oder in Kombinationen verwendet.
Sättigung ist eine Eigenschaft von ferri/ferromagnetischen Materialien, die als Veränderung in der Permeabilität des Materials als Funktion des Magnetfeldes definiert ist, bei welcher das Material eine endliche Fähigkeit zum Mitführen einer Flussmenge aufweist, so dass die Permeabilität abnimmt, wenn das Feld ansteigt. Eine Analogie der Sättigung wäre, dass ein Badetuch nur eine begrenzte Wassermenge aufnehmen kann, nach der das überschüssige Wasser abtropft.
ZIEL
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung oder ein Verfahren zur Regelung eines induktiven Stromübertragungsaufnehmers zu entwickeln, oder der Öffentlichkeit zumindest eine nützliche Alternative zu bieten.
ERFINDUNGSAUSSAGE
Die Erfindung ist durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gekennzeichnet. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen bestimmt.
BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele, die in dieser Spezifikation beschrieben und abgebildet sind, sind lediglich als Beispiele zu verstehen und sollen in keiner Weise den Sinn oder Umfang der Erfindung eingrenzen.
1: (und Querschnitt: 5) zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines erfindungsgemäßen resonanten Aufnehmers nach dem bisherigen Stand der Technik.
2: (und Querschnitt: 6) zeigt eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen resonanten Aufnehmers.
3: (und Querschnitt: 7) zeigt eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen resonanten Aufnehmers.
4: (und Querschnitt: 8) zeigt eine dritte Ausführung eines erfindungsgemäßen resonanten Aufnehmers.
9: zeigt ein vereinfachtes Schaltkreisdiagramm für einen erfindungsgemäßen Sekundäraufnehmer, der einen vorgegebenen festen Sättigungspunkt hat.
10A: zeigt ein vereinfachtes Schaltkreisdiagramm für einen erfindungsgemäßen Sekundäraufnehmer mit regelbarer Sättigung.
10B: zeigt eine Anwendung von 10 auf einen Doppelkern-Aufnehmer, der die Regelung des Sättigungspunkts eines Aufnehmerbauteils ermöglicht.
10C: zeigt eine Anwendung von 10 auf einen Einzel-E-Kern-Aufnehmer, der auch die Aufhebung von induzierten Strömen ermöglicht.
11: zeigt zwei vereinfachte Schaltkreisdiagramme für einen Aufnehmerkreis mit einem vom Aufnehmerinduktor getrennten sättigbaren Induktor.
12 mit 13: zeigt einen herkömmlichen und einen gleichwertigen Transformatorkreis für einen herkömmlichen Transformator nach dem bekannten Stand der Technik.
14 mit 15: zeigt einen herkömmlichen und einen gleichwertigen Transformatorkreis für einen einfachen induktiv gekoppelten Resonanzaufnehmer.
16 mit 17: zeigt einen herkömmlichen und einen gleichwertigen Transformatorkreis für einen erfindungsgemäßen sättigbaren Batterieauflader mit einer separaten Reglerwicklung.
18: ist ein Oszillogramm, aufgezeichnet nach einer Musterwellenformanzeige, die die Sekundärspannung in einem Batterieauflader in einem kurzen Zeitraum nach dem Start aufzeigt.
19: ist ein Oszillogramm, aufgezeichnet nach einer Musterwellenformanzeige, die die Sekundärspannung in einem Batterieauflader in einem längeren Zeitraum nach dem Start aufzeigt.
BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die Erfindung bietet eine Vorrichtung zur Begrenzung der Strommenge in einem Stromaufnehmerbauteil, das als Aufnehmer einen sekundären Induktor unter Verwendung eines ferrimagnetischen oder ferromagnetischen Kerns hat und das einen Teil eines Resonanzkreises für ein locker gekoppeltes induktives Stromübertragungssystem bildet. Die Erfindung beruht auf einer der magnetischen Eigenschaften jener Materialarten, nämlich der Sättigungsfähigkeit. In einem locker gekoppelten resonanten Sekundärtyp von induktiven Stromübertragungssystemen sind große magnetische Felder eher eine Auswirkung von Resonanzstrom, der in den hohen Q-Wicklungen 102 in einem Zeitraum zirkuliert, wenn der vom Aufnehmer entnommene Strom weniger als die Menge ist, die als Magnetfluss empfangen wird, als die unmittelbare Auswirkung des Magnetfeldes, das von den Primärleitern aufgenommen wird. Das kann als „spannungsempfindliche Regelung einer Stromquelle" betrachtet werden. Allgemein gesagt, bietet die Erfindung eine „Ersatz-Notregelung" oder ein „Sicherheitsventil", und es ist sinnvoller, ein Sicherheitsventil zu haben, das auf einer materialeigenen Eigenschaft beruht, als eine aktive Regelungsvorrichtung, wie in unserer Patentschrift WO92/17929 beschrieben, weil eine aktive Regelungsvorrichtung von Zeit zu Zeit aus unterschiedlichen Gründen ausfallen kann.
Wir beschreiben einen mit den Startbedingungen zusammenhängenden Schutzvorgang, für den Sättigung als passive Regelungsvorrichtung ohne „Anlauf" oder „Initialisierung" gut geeignet ist.
Es ist sinnvoll, die Erfindung der normalen Praxis gegenüberzustellen. Obwohl jeder ferri/ferromagnetische Kern natürlich bei einem gewissen Fluss Sättigung erreicht (ebenso wie jeder Kessel explodiert, wenn kein Sicherheitsventil vorhanden ist), betrifft die Erfindung insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung der maximalen zulässigen Abgabe aus einem locker gekoppelten Aufnehmer und damit zur Gestaltung von Wicklungen und Kern, so dass der Kern bei dieser maximalen Abgabe gesättigt wird und die Wicklungen keine höhere Abgabespannung oder mehr Strom abgeben können als den vorgegebenen Höchstwert. Das ist der sogenannte „Sicherheitsventil"-Effekt. Unterschiedliche induktive Stromübertragungsanwendungen werden unterschiedliche Verhältnisse von gewöhnlicher Betriebsabgabe zur maximal zulässigen Abgabe benötigen, und eine „stabile" Anwendung, wie etwa ein Batteneauflader, könnte ein Verhältnis näher bei 1,0 haben als eine Anwendung, bei der eine motorisierte Beförderungsanlage ohne Speichervorrichtung mit Energie versorgt wird.
Unsere bevorzugte aktive Regelungsvorrichtung benutzt teilweise Entkopplung, indem in Wirklichkeit eine Leitmasse zum Erscheinen in der Lücke veranlasst wird, über die induktive Energie von einem Primärleiter an einen Sekundäraufnehmer übergeht. Die Leitmasse ist in der Tat der kurzgeschlossene Sekundäraufnehmer (siehe 1604 in 16). Das Kurzschließen der Sekundärwicklung würde in jedem Fall eine jegliche Abgabe auf Null bringen und sie kurzzuschließen ist eine zulässige Handlung angesichts einer Versorgung nach der Art des Konstantstroms. Diese Regelungsvorrichtung verringert rasch die Spannungsmenge, die aus dem Sekundäraufnehmer kommt und bietet den aus der Primärleitbahn ausstrahlenden Magnetfeldern eine „magnetisch reflektierende" Leitoberfläche, so dass jeglicher zugehörige Fluss in der kurzgeschlossenen Wicklung einen gleichen und entgegengesetzten Fluss erzeugt. Eine aktive Regelung beinhaltet einen elektronischen Schaltkreis, der typischerweise einen Komparator, einen Antrieb für einen Festkörperschalter und den Festkörperschalter selbst umfasst und der wiederum eine Stromversorgung benötigt und eine endliche „Ausregelzeit" oder „Anlaufzeit" hat, was eine Schwäche darstellen könnte. (Siehe Beispiel 1). Ein locker gekoppelter Aufnehmerkreis, er auf diese Weise geregelt wird, ähnelt einer Konstantstromquelle.
In dieser Spezifikation benutzen wir den allgemein bekannten E-Kern als unser Prototyp-Beispiel, obwohl die eigentlichen Ausführungsbeispiele von induktiven Stromaufnehmerwicklungen viele verschiedene Formen haben können und die Erfindung für alle ferri- oder ferrmagnetischen Kerne gilt. Ein Beispiel eines ferrimagnetischen Aufnehmers nach dem bisherigen Stand der Technik ist in 1 gezeigt, wo ein E-förmiger Kern in Vorderansicht bei 100 gezeigt ist, der in der Nähe von einem Paar von Primärleitbahnleitern angeordnet ist, die im Querschnitt bei 103 und 104 gezeigt sind.
Dieser Aufnehmer umfasst einen Ferritkern 101, der einen verdickten Mittelschenkel 106 hat, um den eine Aufnehmerwicklung 102 gewickelt ist, sowie ein Paar von nicht-gewickelten Schenkeln 105, 105'. Typischerweise haben die nicht-gewickelten Schenkel einen geringeren Querschnitt als der Mittelschenkel 106, denn der gesamte Fluss fließt durch den Mittelschenkel und damit durch die ihn umgebende Wicklung, während die anderen jeweils nur die Hälfte des Flusses führen. Auf diesem Zeichnungsblatt ist ein Querschnitt des Mittelkerns, geschnitten etwa auf der Linie A-A', rechts von der entsprechenden Planansicht gezeigt. Ein Kern dieser Art in einem funktionstüchtigen Beispiel eines resonanten, induktiven Stromübertragungs-Sekundäraufnehmers zeigt unter gewöhnlichen Betriebsbedingungen keine Sättigung, doch wenn er unkontrolliert bleibt, so kann der zirkulierende (resonante) Strom ca. auf das Zwanzigfache der abgenommenen Strommenge anwachsen.
Es bestehen mindestens zwei Mechanismen, mittels derer die Wirkung der Sättigung benutzt werden kann, um die Kopplung zu zerstören und die zirkulierende Strommenge zu verringern. Der Verstimmungsmechanismus tritt in Kraft, wenn die beginnende Sättigung die Verringerung der Kernpermeabilität und damit der sekundären Induktivität verursacht; damit ändert sich die Resonanzfrequenz des Aufnehmers und Entkopplung tritt auf durch Verstimmung von einer vorgegebenen systemweiten Resonanzfrequenz. Der andere Mechanismus beruht auf der Beendigung der Konstantstromquelle in einem Kurzschluss, wenn Entkopplung erforderlich ist. Es wird Bezug genommen auf den gleichwertigen Transformatorschaltkreis von 15. Die Verringerung (durch Sättigung) der Induktivität des geteilten Anteils M (1504) des gleichwertigen Kreises hat die Wirkung, die durch 1501, 1502 eintretende Konstantstromversorgung in einem Kurzschluss zu beenden, wonach kein Strom mehr durch 1503 fließt und die Ladung antreibt. Diese Lösung zur Abschaltung einer Konstantstromversorgung durch Kurzschluss ist gegenüber einem offenen Kreis zu bevorzugen, denn in diesem Fall würde die Spannung sonst unendlich weiter ansteigen – oder zumindest so lange, bis ein folgenschweres Versagen eintritt. Die Gefahr der Überlastung von Leitern oder Bauteilen mit anschließendem Betriebsausfall kann gering gehalten werden, weil die Maximalabgabe im unkontrollierten Zustand vorhersehbar ist. Sie wird hauptsächlich von den physikalischen Eigenschaften des Kerns (z. B. siehe 10) und der Anzahl der Windungen von Wicklungen bestimmt und so können die bekannten Höchstwerte bei der Spezifizierung von Bauteilnennleistungen benutzt werden.
Obwohl diese Mechanismen gleichzeitig wirken können, ist der Verstimmungseffekt der mit M (1504) verbundenen Kernsättigung gering. Verstimmung kann andere Resonanzkreise innerhalb eines induktiven Stromübertragungssystems betreffen. Darum bevorzugen wir es, den sättigbaren Anteil des Kerns unterhalb der Wicklungen anzubringen, und die Option, bei der die Sättigungswirkung durch ein unterschiedliches sättigbares Material erzielt wird, ist gewöhnlich zu bevorzugen.
Wenn sich andererseits der sättigbare Teil im Induktor 1503 in 15 oder 17 befindet (den Streufluss darstellend, einen sättigbaren Aufnahmeflügel eines flussaufnehmenden Kerns), dann ist klar, dass lediglich eine Verstimmungswirkung auftreten würde, obwohl die Konstantstromeingabe trotzdem eine Senke durch die Abgabe zur Beladung suchen würde, was nicht so nützlich ist wie die erste Option. Wenn das sättigbare Element in den Induktor 1706 eingesetzt würde, der den Gleichrichter versorgt, dann hätte die Sättigung fast gar keine Auswirkung.
Das Verhältnis von Strom und Spannung umfasst bei einem System, wo die Wicklungen den sättigbaren Kernteil umgeben, einen relativ steilen Stromabfall bei steigender Spannung in den Fällen, wo eine enge Kopplung besteht (siehe „Veranschaulichung" unten). Gekoppelte Energie ist proportional zu M². Im Gegensatz dazu ergibt ein alternatives Verfahren mit Verwendung eines separaten sättigbaren Induktors (siehe unten) bei steigender Spannung einen allmählicheren Stromabfall, weil in diesem Fall die Verstimmung ein dominanter Faktor ist. Dieses Verfahren hat auch noch andere Vorteile.
VERANSCHAULICHUNG
In einer Batterieladevorrichtung (wie in Patentanmeldung PCT/NZ97/00053 beschrieben,) wo ein geregelter, gestimmter, resonanter Hochspannungskreis und ein Niederspannungskreis, der lediglich eine Abgabe bietet, eng miteinander gekoppelt sind, bietet die beginnende Sättigung eine scharfe Kopplungsverringerung, wie durch den Beginn einer scharfen Abweichung von der Voraussage (die Formel selbst enthält keinen Sättigungsbegriff) und Messung angezeigt, wenn der abgenommene Strom sich auf einen Sättigungspunkt um ca. 210 Amp. verringert.
wobei 22 das Verhältnis von Windungen zwischen den gekoppelten Wicklungen darstellt, V_AC sich auf die höhere Spannung der Reglerwicklungen bezieht, die nicht die für die gleichgerichtete DC-Spannung verantwortlichen Wicklungen sind, der Faktor 0,004 I_DC einen Streufluss von der Verdrahtung darstellt und 0,6 V den Vorwärtsspannungsabfall von Dioden darstellt. Die Konstanten im ersten Term verringern sich auf 0,0409 V_AC.
Ergebnistabelle
Man beachte die abrupt einsetzende Sättigung, wo der entnommene Strom abfällt. (In diesem Beispiel war der Primärstrom konstant.)
VORRICHTUNG
Im Folgenden werden Beispiele von mehreren Gestaltungsstrategien beschrieben, die Erfindung in der Praxis zu verwenden, welche getrennt oder zusammen eingesetzt werden können. Beispielsweise kann Strategie 3 mit den Strategien 1 oder 2 angewendet werden, um den Höchstfluss vor der Sättigung einzudämmen, als „Anpassung vor Ort", die der Einstellung eines Sicherheitsventil entsprechen würde, und Strategie 3 kann sogar auch als Energieregelungsvorrichtung verwendet werden.
Strategie 1
Während die „Fluss aufnehmenden" Flächen des Aufnehmerkerns wie zuvor beibehalten werden, wird eine Verringerung der Querschnittsfläche des Kerns vorgesehen, vorzugsweise an einer Stelle innerhalb des gemeinsamen Flussweges. Im Allgemeinen würde die gemeinsame Stelle innerhalb der Wicklungen des resonanten Sekundärinduktors liegen. Siehe 2 und 6. Dies ist eine einfache Lösung, obwohl eine Verengungsstelle im Kern einen geschwächten Punkt darstellt, wo eine Bruchstelle entstehen könnte. Eine Kühlvorrichtung könnte vorgesehen werden, um den Raum zu füllen. Die erste und zweite Strategie veranschaulichen zwei Möglichkeiten, wie die Kernkapazität verringert werden kann, um einen hohen Magnetfluss zuzulassen. 2 zeigt, dass der Querschnitt 203 des ferromagnetischen Kerns absichtlich von der ursprünglichen Querschnittfläche 107 verringert ist – und die tatsächliche Verringerungsmenge, die eine Obergrenze innerhalb einer bestimmten Anwendung setzt, kann empirisch oder rechnerisch ermittelt werden, einschließlich „Kantenwirkungen" und Ähnlichem. Ein nicht-magnetischer, nicht-leitender Zwischenraum 202 kann beibehalten werden, um den Kern 203 an seinem Platz zu halten und/oder um als Stütze für die Wicklungen 102 zu fungieren. In 2 haben wir im verengten Teil dieselbe Art Ferrit im Gebrauch wie im übrigen Kern dargestellt. Es könnte dort jedoch auch eine andere Ferritart verwendet werden.
Strategie 2
Es wird eine andere Ferritart an einer Stelle vorzugsweise innerhalb des gemeinsamen Flussweges verwendet, wobei die andere Ferritart die Eigenschaft hat, leichter zu sättigen zu sein. In 3 ist der Ersatz durch eine leichter zu sättigende Art von Ferritmaterial 302 im gemeinsamen Kernteil gezeigt. Der Querschnitt (7) zeigt, dass der gesamte Kern auf dieser Ebene aus diesem veränderten Material besteht. Diese Lösung hat den Vorteil, dass ein bevorzugtes, leicht zu sättigendes Ferrit, das für diesen Zweck besonders geeignet ist, für die allgemeine Verwendung als gesamter Fluss aufnehmender Kern nicht geeignet sein könnte. Ein bevorzugtes Kernmaterial hätte eine kleine Hysteresisschlaufe, wie durch die Fläche einer aufgezeichneten B-H-Schlaufe angezeigt, denn die Auslenkungen von B und H sind in einem sich der Sättigung nähernden Kern erweitert und Hysteresisverluste werden in Wärme umgewandelt. Vorteile dieser Strategie bestehen im eigentlichen Aufbau und in der genauen Voraussage der Aufnehmereigenschaften bei der Entwicklung des Kerns. Obwohl ein oder beide Schenkel des Kerns auf diese Weise verändert werden könnten, bleibt bei der Veränderung des Mittelschenkels die Symmetrie erhalten und es wird der Kernteil verändert, der den kombinierten Streu- und Koppelfluss führt, einschließlich des von den Strömen in der Aufnehmerwicklung 102 resultierenden Flusses.
Strategie 3
Die Verwendung eines separaten, sättigbaren Induktors insbesondere als Verstimmelement, das anderswo im Resonanzkreis angeschlossen ist (wie in 11 dargestellt), hat den Vorteil, dass der Fluss aufnehmende Hauptkern für seinen wichtigsten Zweck der Flussaufnahme optimiert werden kann, während der sättigbare Induktor für seinen Hauptzweck der Regelung optimiert werden kann.
Strategie 4
Es wird eine elektrische Vorrichtung für die Sättigung des Ferrits (gewöhnlich) unter Verwendung von DC-Magnetströmen vorgesehen. In 4 ist der Grundsatz der aktiven Vorrichtung für die Einstellung des Sättigungsniveaus dargestellt. Hier können die Wicklungen 402 und 403 durch Führen von Gleichstrom (oder Wechselstrom) die Sättigung des Kerns beeinflussen, indem die vom Kern erfahrenen Auslenkungen vormagnetisiert werden, wie sich in der B/H-Kurve des Kerns (oder eines Teils davon) zu einem Grenzwert oder dem anderen hin zeigt. (Siehe 10A, 10B oder 10C für Einzelheiten). Diese Lösung ist eine Kombination von Schutz und Regelung. Wahlweise können die Wicklungen über leichter zu sättigende Zonen platziert werden, wie etwa Block 404 eines unterschiedlichen Ferrits, der zur Veranschaulichung nur auf einer Seite des Kerns in 4 dargestellt ist.
Kombinationsstrategien
Die vierte oder aktive Regelungsstrategie kann mit den früher genannten Strategien kombiniert werden, so dass ein rein passives System als Reserve für eine aktive, regelbare Einstellung fungiert. Bei bestimmten Anwendungen könnte eine solche „ausfallsichere" Lösung unbedingt erforderlich sein.
Es ist außerdem möglich, einen Überhitzungsschutz einzubauen, der praktisch ein alternatives „Sicherheitsventil" darstellt, indem ein Material aufgenommen wird, das bei steigenden Temperaturen besonders leicht gesättigt wird. In der Tat sind praktisch alle sättigbaren Materialien recht temperaturempfindlich. Außerdem könnte es möglich sein, den Curie-Punkt eines ausgewählten Materials auszunutzen, so dass zumindest ein Teil des Kerns praktisch nicht-ferromagnetisch wird (Permeabilität tendiert zu 1,0), wenn die Temperatur über seinen Curie-Punkt ansteigt. Damit würde die Überhitzung des Kerns oder auch der ihn umgebenden Wicklungen in einer zuverlässigen Abschaltung des zirkulierenden Stroms resultieren. Wiederum wäre es zu bevorzugen, dieses Material unterhalb der Wicklung (wie etwa 1504) anzubringen. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die langsame Reaktionszeit, die bei einem Verfahren mit Erwärmung einer Masse auftritt, was zum Schutz gegen schnellere Zerstörungsprozesse nicht geeignet ist, wie etwa solchen, die Gleichrichter mit übermäßiger Sperr-Vorspannung oder spannungsbelastete Kondensatoren betreffen.
Jede dieser Strategien neigt dazu, einen Sättigungszustand oder Verlust von ferromagnetischen Eigenschaften innerhalb des Aufnehmerkerns unter solchen Umständen herbeizuführen, wenn eine vom Stromaufnehmerbauteil aus den Primärleitern (Quelle des Magnetflusses) 103, 104 aufgenommene Strommenge die vom Stromaufnehmer entnommene Strommenge erheblich übersteigt. Der Punkt, bei dem die Sättigung auftritt, kann durch Gestaltung, Materialwahl und/oder äußerliche Sättigungsvorrichtungen (4 und 10A, 10B, 10C) vorgegeben werden. Vorzugsweise sollte das Stromaufnehmerbauteil in reichlicher Kapazität jene Anteile des ferromagnetischen Kerns beibehalten, die für die Flussaufnahme vorgesehen sind. In 1–4 sind dies die Enden der drei Schenkel. Diese können entlang der Achse der Primärleiter verlängert werden, um mehr Fluss aufzufangen.
9 zeigt ein Schaltkreisdiagramm für einen erfindungsgemäßen induktiven Aufnehmer. Hier sind 103, 104 die Primärleiter, und 102 ist eine Sekundärwicklung in einem Resonanzkreis mit Kondensator 902 bei der Systemfrequenz. Ein Brückengleichrichter 903 entnimmt Strom von dem Resonanzkreis durch einen als Beispiel angeführten Stromaufbereiter 904 und leitet ihn an eine mit den Klemmen 906 und 907 verbundene Ladung 905. Dieser Schaltkreis verlässt sich auf die Sättigung des sättigbaren Kerns 300/302 zur Begrenzung der von dem Aufnehmer erhältlichen Höchstspannung. In der Tat bietet der Brückengleichrichter eine spannungsbegrenzte Stromquelle, deren Spannung davon abhängt, bei welchem Niveau die Sättigung eintritt. Der als Beispiel angeführte Stromaufbereiter könnte beispielsweise ein linearer integrierter Schaltkreis mit drei Klemmen sein, der durch Serie oder Nebenschlussregelung eine konstante, geregelte Abgabespannung mit etwas weniger Spannung erzeugt als die Eingangsspannung, die über der Abgabe des Brückengleichrichters 903 erhalten wird.
10A zeigt einen weiteren sättigbaren induktiven Aufnehmer, bei dem eine separate Wicklung 1001 als Steuervorrichtung auf dem sättigbaren Aufnehmer 300/302 benutzt wird. In diesem Fall ist Block 1002 wiederum ein Regler, doch erfolgt die Regelung durch (1) den Vergleich der Abgabespannung mit einem Normwert und, falls sie zu hoch ist, dadurch, dass (2) ein größerer Gleichstrom durch die Vorrichtung 1003 geleitet wird (um zu verhindern, dass induzierter Wechselstrom vom Induktor 1001 zurück zum Regler fließt), so dass das Niveau, bei dem der Kern 300/302 gesättigt wird, durch den vom Induktor erzeugten Fluss reduziert wird und die Abgabespannung sinkt. Das ist eine relativ wirksame Art der Regelung verglichen mit einer linearen Serie oder Nebenschlussregelung. Es ist eine Form der aktiven Regelung, obwohl sie mit einem Sicherheitsventil ausgestattet werden sollte; die Höchstabgabe ist auf den Punkt eingestellt, wo der sättigbare Kern selbst bei Nullstrom in den Wicklungen 1001 gesättigt wird. Im oben genannten Beispiel ist eine Vorrichtung 1003 erforderlich, um einen induzierten Hochspannungswechselstrom von den Wicklungen 1001 zu blockieren, denn ein Designer würde eine hohe Anzahl von Windungen in 1001 benutzen, um eine hohe Flussdichte ohne zu hohen Strom zu erzielen.
10B und 10C zeigen, wie dieser Hochspannungswechselstrom durch Aufhebung blockiert werden kann. In 10B steht der in Wicklung 1001 um Kern 300 erzeugten Spannung die in Wicklung 1001' um einen wiederholten Kern 300' erzeugte Spannung der entgegengesetzten Phase gegenüber. 1004 stellt Verbindungselemente mit einer Regeleinheit wie etwa 1002 dar. Die Stromwicklungen 102 werden in der gewohnten Weise gehandhabt. 10C zeigt eine andere Aufhebungsvorrichtung, bei der jede der Wicklungen 1001, 1001' einen stetigen Fluss erzeugt, der zwar eine lokale Sättigung herbeiführen kann, jedoch wahrscheinlicher im Mittelschenkel von Kern 300 unterhalb der Hauptwicklung 102 hinzugefügt wird, doch die in einer Kontrollwicklung erzeugte Wechselstromspannung wird durch die in der anderen Wicklung erzeugte Spannung der entgegengesetzten Phase aufgehoben. (103, 104 stellen die Primärleiter im Schnitt dar.) Restfilterung (1003) kann trotzdem noch sinnvoll sein.
11 zeigt zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung, in denen der sättigbare Induktor 1101 (in der oberen Version) oder 1102 (in der unteren Version) zwar physikalisch und elektrisch vom Aufnehmerinduktor getrennt, jedoch in den Resonanzkreis aufgenommen ist. In der gezeigten Konfiguration verursacht das Einsetzen der Sättigung ein Absinken der Gesamtinduktivität des Resonanzkreises (bestehend aus 102, 902 und 1101), und damit steigt die Resonanzfrequenz, und die Kopplung zwischen Bahn (103, 104) und Aufnehmer verringert sich. Das Verhältnis der Aufnehmerinduktivität 102 zum sättigbaren Abschnitt 1101 sollte vorzugsweise so gewählt werden, dass die Sättigung ein wirksames Mittel zur Verstimmung des Aufnehmers darstellt. Einer der Vorteile der Trennung des sättigbaren Elements 1101 vom Aufnehmerelement 102 besteht unter anderen darin, dass der Aufnehmer optimal für die jeweilige Anwendung gestaltet werden kann. Ein großer Teil von Kosten und Gewicht eines Aufnehmerbauteils besteht in den Ferritkomponenten des Aufnehmerinduktorkerns, und es ist sinnvoll, wenn der Kern mit minimalen Einschränkungen optimal gestaltet werden kann. Außerdem kann der Einbau eines sättigbaren Elements, wie etwa der verengte Abschnitt innerhalb des Aufnehmerkerns selbst, die Gefahr der Beschädigung erhöhen. Weiterhin kann das sättigbare Element, sofern abgesondert, selektiv mit Gebläseluft oder Ähnlichem gekühlt werden, um seine Eigenschaften zu stabilisieren, und zusätzlich kann das sättigbare Element mit aktiv angetriebenen Regelwicklungen, wie in 10A dargestellt, versehen werden. 11 weist auf die allgemein bekannte Praxis hin, mehr als einen Aufnehmer oder Stromverbraucher ohne nachteilige Wechselwirkungen von derselben Primärleitbahn 103, 104 zu betreiben.
ÜBERLEGUNGEN ZUR PRIMÄRLEITBAHN
Viele unserer bestehenden induktiven Stromübertragungssysteme benutzen eine gemeinsame Systemfrequenz, und die primäre Stromversorgung wird in selbstresonierender Weise betrieben, in der die Menge der Resonanzfrequenzen der Primärleitbahn und diverser locker gekoppelter Sekundärkreise die „Oszillationsfrequenz" der Stromquelle bestimmt. Eine sehr ähnliche Resonanzfrequenz in allen Resonanzkreisen sorgt für maximale Kopplung und verringert die Gefahr von Frequenzsprüngen oder anderen Instabilitäten. Die systemweite Resonanzfrequenz beträgt in unseren Einrichtungen typischerweise 10 bis 15 kHz. Wenn die auf Sättigung beruhenden Regelungen eine Verstimmung verursachen, ist die für die Versorgung der Primärleitbahn benutzte Energiequelle vorzugsweise von konstanter Frequenz, da jegliche Änderungen der Primärversorgungsfrequenz andere entlang derselben Primärleitbahn betriebene Aufnehmer nachteilig beeinflussen könnten. Außerdem wäre die Regelung wirkungslos, wenn die Energieversorgung die verstimmte Aufnehmerfrequenz „verfolgen" könnte. Darum verlassen wir uns vorzugsweise auf die Manipulierung der gemeinsamen Induktivität, damit M (1504 in 15) maximal von Sättigung abhängig bleibt, während 1503 auf Grund von sorgfältiger Gestaltung des Kerns unverändert ist.
ÜBERLEGUNGEN ZUR SEKUNDÄREN REGELUNG
Der induktive Stromübertragungsaufnehmer mit Konstantstrom in einem locker gekoppelten System wird bei Vorhandensein von auf Sättigung beruhender Begrenzung des Resonanzstroms zu einer spannungsbegrenzten Konstantstromquelle. Wenn das System immer unter Sättigung betrieben wird, könnte es dann zu einer Konstantspannungsquelle werden. Das ist nicht energieeffizient, beispielsweise auf Grund von Verlusten im sättigbaren Kern, und es ist auch nicht stabil, denn die von den Verlusten verursachte Erwärmung verursacht einen Sättigungsdrift.
BEISPIEL 1
In einem Gerät, das induktive Stromübertragung zum Zwecke der Batterieaufladung verwendet, wurde der Sättigungskernaufnehmer so gestaltet, dass die Gleichrichterdioden wirksam gegen Spannungsspitzen geschützt sind, die andernfalls jederzeit auftreten können, wenn ein Kurzschlussregler in den „offenen" Zustand eintritt, oder beim ursprünglichen Anschluss an die Stromversorgung. Da eine Konstantstromquelle besteht, resultiert die unmittelbare Zufuhr von voller Stromleistung in einer Spannungsspitze, denn der Verbrauch steigt langsamer an. Die Anstiegsrate des Stroms, der vom Gleichrichter zur Batterie fließt, wird von einer Serieninduktivität begrenzt.
Im Gestaltungsprozess bezüglich der Sättigung wird ein Kern vorgesehen, der am unteren Ende eines Betriebstemperaturbereichs gesättigt wird, bevor die Abgabespannung die Spitzenrückwärtsspannungsleistung der benutzten Gleichrichterdioden überschreitet. (Die „niedrige Temperatur" wird nur darum angegeben, weil die Flussdichte bei Sättigung mit steigender Temperatur abnimmt.) In dieser Anwendung wird eine Schottky-Dioden enthaltende Brücke benutzt, die jeweils eine Spitzenrückwärtsspannungsleistung von 45 V besitzen. Die Anzahl der Windungen ist in diesem Falle fast 1, und der maximal zulässige Fluss wird daher auf einen Wert eingestellt, der weniger als 90 V pro Windung (die Grenze für zwei Dioden in Serie) ergibt. In der Praxis erhalten wir 26 V pro Windung von unserem Prototyp-Transformator. Diese Anwendung der Sättigung bietet sofortigen Schutz und da er auf Materialeigenschaften beruht, ist keine vorherige Aktivierung von aktiven Schaltern erforderlich.
In diesem Beispiel ist der entnommene Strom relativ berechenbar, und die Spannung, bei der Sättigung eintritt, kann auf einen nur geringfügig höheren Wert eingestellt werden als die Abgabespannung. (Andere Anwendungen, wie etwa bewegliche Fahrzeuge, die eine stark schwankende Belastung haben, können eine größere Spanne zwischen Abgabe und Sättigung erfordern.)
Beispielmessungen sind in 18 angegeben, wo ein Spannungs- (Y = 20 V/Teilung) gegen Zeit- (X = ca. 150 μs/Teilung) Oszillogramm dargestellt ist, das von einer abgetasteten Wellenformanzeige aufgezeichnet wurde, welche die Sekundärspannung in einem Batterieauflader nach der Anlaufzeit (Zeit A) darstellt. Wir beobachten, dass die Spitzen der ersten drei Zyklen B, C, D in einer Serie ansteigen, doch die vierte Spitze (E) ist nur wenig höher und die folgenden Spitzen (F, G, H) sind geringer. Nach der achten Spitze (I) neigt die Amplitude zur Stabilisierung. Diese Wirkung zwischen Spitzen D bis I gibt den Beginn der Sättigung und die Begrenzung der Spannungsamplitude nach nur drei Zyklen zugeführter Energie wider. Wären die Spitzen nach der dritten Spitze weiter mit gleicher Geschwindigkeit angestiegen, so wäre der Gleichrichter zerstört worden (eine 12,9 kHz Versorgung; 20 V pro vertikale Teilung.)
Eine zweite nachteilige Wirkung wird ebenfalls von dem sättigbaren Kern kontrolliert, und zwar die Tendenz des Kreises mit dem Resonanzkondensator und dem Serieninduktor (nicht dem Aufnehmerresonanzinduktor), einen ungedämpften Resonanzkreis zu bilden und wiederholt große Flussauslenkungen zu erfahren. Der Gleichrichter und die Batterie bilden einen Teil dieses Kreises, haben jedoch wenig dämpfende Wirkung. 19 ist ein Diagramm des wellenförmigen Mantels der sekundären Abgabe (wo A, D und K dieselben Punkte sind wie in 17), welches zeigt, dass die Aufnahme eines sättigbaren Induktors als Resonanzinduktor zu einer wirksamen Dämpfung der Spitzen im sekundären Stromfluss führt.
ABWEICHUNGEN
Obwohl die Ausführungsbeispiele sich auf einen E-förmigen Kern beziehen, und obwohl wir den Ausdruck „Ferrit" benutzen, um hier das bevorzugte Kernmaterial zu erörtern, treffen die Grundsätze der Erfindung auf jegliche Konfiguration und auf jegliches Material eines aus einem ferrimagnetischen oder ferromagnetischen Material hergestellten Kerns zu.
Im Falle von relativ eng gekoppelten induktiven Stromübertragungssystemen ist die Manipulierung der Kopplung durch Sättigung weniger nützlich, doch können verstimmende Eigenschaften ausgenutzt werden. Die hier beschriebenen Grundsätze treffen auch auf Situationen zu, wo sekundäre Resonanz normalerweise nicht ausgenutzt wird, und bei diesen ist Entkopplung der bedeutsamste Mechanismus.
VORTEILE
Die vorgeschlagene sekundäre Strombegrenzungsvorrichtung ist passiv und beruht auf den Masseneigenschaften eines Materials. Daher sollte die Erfindung ein sehr zuverlässiges, ausfallsicheres Regelungsmerkmal darstellen. Temperaturanstieg, mechanische Schocks, Brüche usw. verringern die Sättigungsfähigkeit. Nur Kühlung kann diese steigern. Die Gefahr, Leistungsnennwerte von Bauteilen zu überschreiten, ist jetzt – wie in Beispiel 1 – unter Kontrolle gebracht, unabhängig davon, ob aktive Schutzschaltkreise ordnungsgemäß aktiviert wurden. Die Ausnutzung der Sättigung zur Regelung, wie hier beschrieben, ist eine „wattlose" Art der Kontrolle. Wenn die aktive Seite ausfallt, wird die passive Sättigungsgrenze erreicht.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass diverse Veränderungen und Modifikationen an der vorstehenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden Patentansprüchen dargelegt ist.

Claims

Vorrichtung zur Regelung eines Aufnehmers induktiv übertragener Energie [900] zur Verwendung in einem locker gekoppelten induktiven Stromübertragungssystem zur Aufnahme von Strom in Form einer Stromversorgung von einem einen Primärleiter [103, 104] umgebenden Magnetfluss, wenn dieser bei einer Systemfrequenz mit Wechselstrom versorgt wird; wobei der Aufnehmer [900] eine Vorrichtung zur Regelung einer Abgabespannung oder eines Abgabestroms auf einem aus Sicherheitsgründen oberhalb eines Arbeitsbereichs der Abgabespannung bzw. des Abgabestroms liegenden Wert umfasst; und wobei der Aufnehmer [900] ein Resonanzkreis ist, der bei der Systemfrequenz resonant ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnehmer [900] eine passive Vorrichtung [300/302] zur Begrenzung der im Aufnehmer [900] umlaufenden Resonanzstrommenge auf weniger als einen vorgegebenen Wert umfasst, wobei die passive Vorrichtung [300/302] wenigstens einen sättigbaren Induktor [300/302] mit einem Kern [200] umfasst, wobei wenigstens ein Teil [203] des wenigstens einen sättigbaren Induktors [300/302] eine beginnende Sättigung innerhalb des Kerns [200] bei einem oder oberhalb eines ausgewählten Stroms anzeigt, so dass die beginnende Sättigung innerhalb des Kerns [200] die Resonanzfreqenz des Aufnehmers ändert und damit die Stimmung des Aufnehmers veranlasst, von der Systemfrequenz abzuweichen, womit die Effektivität der Stromaufnahme reduziert und damit die in den Resonanzkreis einfließende Strommenge reduziert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine sättigbare Induktor [300/302] so aufgebaut ist, dass der sättigbare Anteil [203] des Kerns [200] im Gebrauch sowohl von einem Koppelfluss als auch von einem Streufluss geteilt wird, so dass die beginnende Sättigung eine Verringerung des Koppelflusses veranlasst, womit die von der Stromquelle in den Resonanzkreis einfließende Strommenge ebenfalls reduziert wird, so dass die beginnende Sättigung zu einer minimalen Verstimmung führt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern [200] einen sättigbaren Teil umfasst, der eine beschränkte Querschnittfläche [203] hat, die eine beginnende Sättigung bei einer vorgegebenen Flussdichte anzeigen kann, so dass sich der Koppelwirkungsgrad zwischen dem Primärleiter und dem Aufnehmerkreis verringert, wenn das Material zumindest teilweise gesättigt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Flussdichte, bei der die beginnende Sättigung einsetzt, durch Auswahl eines Materials [302] mit bekannten Sättigungsgrenzeigenschaften aus einer Reihe von ferrimagnetischen oder ferromagnetischen Materialien bestimmt wird sowie durch Verwendung einer Menge des gewählten Materials innerhalb eines Fluss führenden Kernteils, so dass sich der Koppelwirkungsgrad zwischen dem Primärleiter und dem Aufnehmerkreis verringert, wenn das Material zumindest teilweise gesättigt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Einsetzen der Sättigung benötigte Flussmenge dadurch geregelt wird, dass Strom durch eine oder mehrere zusätzliche Wicklungen [402, 403] geführt wird, die um einen Teil des Kerns [400] gewickelt sind, der eine vorgegebene beginnende Sättigung hat; wobei die Wicklungen in der Lage sind, einen innerhalb des sättigbaren Teils des Kerns Fluss erzeugenden Gleichstrom zu führen, wobei der Gleichstrom durch einen Regler erzeugt wird, der im Gebrauch auf Stromaufnehmerbedingungen anspricht, so dass der Koppelwirkungsgrad zwischen dem Primärleiter und dem Aufnehmerkreis damit regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der sättigbare Induktor [1101 oder 1102] separat von einem Induktor [1101 oder 1102] ist, der in der Lage ist, den Magnetfluss aufzufangen, und dass der sättigbare Induktor [1101 oder 1102] innerhalb des Resonanzkreises verbunden ist, so dass er mindestens einen Anteil des gesamten Resonanzstroms führt und der Beginn einer zumindest teilweisen Sättigung im sättigbaren Induktor im Gebrauch die Resonanzfrequenz des Aufnehmers veranlasst, sich von der Systemfrequenz zu entfernen.
Verfahren zur Regelung eines Aufnehmers induktiv übertragener Energie [900], verwendet in einem locker gekoppelten induktiven Stromübertragungssystem zur Aufnahme von Strom in Form einer Stromversorgung von einem einen Primärleiter [103, 104] umgebenden Magnetfluss, der bei einer Systemfrequenz mit Wechselstrom versorgt wird, wobei der Aufnehmer [900] eine Vorrichtung zur Regelung einer Abgabespannung oder eines Abgabstroms auf einem aus Sicherheitsgründen oberhalb eines Arbeitsbereichs der Abgabespannung bzw. des Abgabestroms liegenden Wert umfasst, und wobei der Aufnehmer [900] ein Resonanzkreis ist, der bei der Systemfrequenz resonant ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Größenordnung des umlaufenden Resonanzstroms innerhalb des Aufnehmers dadurch unterhalb einer vorgegebenen Höchststrommenge gehalten wird, dass innerhalb eines sättigbaren Kerns eines im Resonanzkreis des Aufnehmers enthaltenen sättigbaren Induktors [300/302] zumindest eine teilweise Sättigung erzielt wird, wobei der Begrenzungsprozess unabhängig von einer aktiven Regelvorrichtung verläuft.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Einsetzen der Sättigung benötigte Flussmenge dadurch geregelt wird, dass Strom durch eine oder mehrere zusätzliche Wicklungen [402, 403] geführt wird, die um einen Teil des Kerns [400] gewickelt sind, der eine vorgegebene beginnende Sättigung hat; die Wicklungen sind dabei so angepasst, eine innerhalb des sättigbaren Teils des Kerns Fluss erzeugende Gleichstrommenge zu führen, wobei der Gleichstrom durch einen Regler erzeugt wird, der im Gebrauch auf Stromaufnehmerbedingungen anspricht, so dass der Koppelwirkungsgrad zwischen dem Primärleiter und dem Aufnehmerkreis damit regelbar ist.