DE3736170A1 - Vorrichtung zum beruehrungslosen uebertragen einer leistung unter einsatz von elektrizitaet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berüh­ rungslosen Übertragen einer Leistung unter Einsatz von Elektrizität zwischen einem Geber und einem Nehmer.

In vielen Bereichen ergibt sich beim Einsatz von Elek­ trizität (Industrie, Haushalt, Labor) immer wieder die Problematik, elektrische Leistung kabelfrei in Ver­ braucher einzuspeisen, beispielsweise bei der Energie­ zufuhr zu mobilen Geräten oder Verbrauchern auf rotierenden Achsen.

In der Regel werden Problemstellung dieser Art mit Schleifringeinheiten, speziellen Kabelspiralen oder Trommeln realisiert. Die Nachteile dieser Verfahren sind bekannt: aufgrund von Verschleiß bedürfen diese Systeme einer ständigen Wartung. Der Wunsch nach einer berührungslosen Übertragung ist daher in vielen Be­ reichen vorhanden und würde für viele Produkte erheb­ liche Vorteile bringen.

Berührungslose Signalübertragung auf elektromagne­ tischer Basis ist im Hochfrequenzbereich (Funktechnik) seit langem bekannt und wird dementsprechend prakti­ ziert.

Angesichts dieses Standes der Technik hat sich der Er­ finder das Ziel gesetzt, eine berührungslose Übertra­ gung der eingangs genannten Art für den täglichen Ge­ brauch mit hohem Wirkungsgrad zu entwickeln, insbeson­ dere für den postalisch zulässigen Niederfrequenzbe­ reich, d.h. für Frequenzen unter 10 KHz; dies ist bis­ lang aus technologischen und wirtschaftlichen Gründen nicht möglich gewesen. Zudem soll eine große Einsatz­ breite erreicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß der Geber eine Primärspule an einem Steuerelement aufweist und dieser in einem freien, wenigstens teilweise durch einen Luftspalt gebildeten Abstand eine Sekundärspule des relativ zum Geber bewegbaren Nehmers induktiv Leistung bis zu mehreren 100 W bei einer Frequenz von etwa 10 KHz und weniger übertragbar ist.

Die Leistungsübertragung erfolgt also induktiv über die in Abstand zueinander verlaufenden Spulen des Gebers einerseits sowie des Nehmers anderseits, wobei die Spulen bevorzugt als großflächige Luftspulen oder als konzentrierte Kernspulen aus speziellem weich­ magnetischem Kernmaterial gestaltet sein können. Die Funktion des Systems ist auch noch bei geringsten magnetischen Kopplungsfaktoren gewährleistet.

Das Verfahren bei einer Frequenz von ca. 10 KHz ist absolut umweltverträglich und unschädlich. In der Praxis können Leistungen von 1 W bis zu mehreren hundert Watt übertragen werden bei einem Spulenabstand bis zu etwa 50 mm. Dabei sind Wirkungsgrade von über 60% erzielbar.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Se­ kundärspule eine Kontrolleinheit mit Verbraucher nach­ geordnet.

Erfindungsgemäß kann die sekundär empfangene elek­ trische Leistung je nach beabsichtigter Applikation als Wechselstrom oder nach erfolgter Gleichrichtung auch als Gleichstrom eingesetzt werden. Die Sekundär­ spannungsamplitude kann entsprechend dem Einsatzfall vorgegeben sein.

Im Rahmen der Erfindung liegt, daß der Nehmer ein Teller mit integrierter Sekundärspule sowie die Primärspule an/in einer Tischplatte vorgesehen ist. So können, um die Abkühlung von Speisen während einer Mahlzeit zu verhindern, Teller auf einem Eßtisch ge­ wärmt werden. Das Primärspulensystem wird unter dem Tisch angebracht und das Sekundärspulensystem mit dem Heizsystem flächig bevorzugt in den unteren Teller­ hohlraum integriert. Sobald der Teller auf den Tisch gestellt wird, erfolgt die ständige Beheizung des Tellers berührungsfrei mit einer auf die Tellergröße abgestimmten elektrischen Leistung.

Das Sekundärspulensystem kann nach der Erfindung zu­ sammen mit dem Heizsystem bei der Tellerherstellung vor der Glasur direkt auf die Keramik aufgedampft, bzw. aufgedruckt werden. Somit ergeben sich beim Teller keinerlei Formveränderungen.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist der Nehmer als Schuhsohle ausgebildet, und dieser liegt wenigstens eine Primärspule in einem Fußboden gegen­ über - letzterer kann auch ein abhebbares Bauteil sein. Die Schuhsohle ist bevorzugt als Einlegesohle aus einer Folie mit eingeschlossener Sekundärspule am flachen Drahtnetzwerk ausgebildet.

Diese Ausgestaltung löst auf einfache Weise ein erheb­ liches Problem des täglichen Lebens; Personen, die längere Zeit auf kaltem Untergrund stehen (z.B. Wach­ leute, Zollbeamte, Arbeiter in Kühlhäusern) haben per­ manent unter dem Problem der Unterkühlung der Schuhe bzw. Füße zu leiden. Eine Fußbodenheizung ist häufig aus wirtschaftlichen oder - bei Kühlhäusern - aus technischen Gründen nicht möglich. Daher stellt die Erfindung für diesen Anwendungsfall die optimale Lösung dar. Lediglich die zum physiologischen Wohlbe­ finden benötigte geringe Heizleistung wird berührungs­ frei in die hauchdünne, im Schuh befindliche Spulen­ folie eingekoppelt. Die Primärspule befindet sich da­ bei unter dem Fliesenboden oder im Estrich bzw. ist in jene Platte eingelegt. Mit sehr niedrigr elektrischer Leistung kann somit ein gravierendes Problem umwelt­ freundlich behoben werden.

Ein Schönheitsfehler beim Betrieb von Aquarien mit elektrischer Pumpe bzw. elektrischer Heizung sind die hierfür erforderlichen Stromversorgungskabel, welche in das Aquarium eingeführt werden müssen. Auch schafft die Erfindung Abhilfe; es hat sich als günstig erwiesen, die Sekundärspule in einer Umhüllung und mit dieser im Innenraum eines Wasserbehälters, vor allem eines Aquariums anzuordnen, wobei die Primärspule außerhalb des Wasserbehälters verläuft.

Mit dem erfindungsgemäßen Spulensystem im bzw. außer­ halb des Aquariums kann durch die Glaswand elektrische Energie in das Aquarium eingekoppelt werden und zwar ohne störende Kabel.

Die Erfindung ist nach einem weiteren Merkmal der Er­ findung zur Überwachung von Rolltoren einzusetzen; von den technischen Aufsichtsbehörden wird aus Sicher­ heitsgründen für Rolltore an Hofeinfahrten eine aktive Schutzeinrichtung verlangt. Dies bedeutet, daß das Tor mit Meßfühlern ausgestattet sein muß, welche das Auf­ laufen des Tores auf ein Hindernis melden und den so­ fortigen Stillstand bewirken.

Die Stromversorgung und die Signalführung der Meßfüh­ ler ist insofern ein Problem, als sie auf das bewegte Tor geleitet werden muß. Dies ist bisher nur über speziell getrommelte Zugkabel oder Stromschienen mög­ lich. Infolge der schweren Umweltbedingungen und der starken mechanischen Belastung ist diese Lösung sehr wartungsintensiv. Mit der Erfindung erfolgt die Ein­ kopplung der Meßfühlerstromversorgung und die Aus­ kopplung der Meßfühlersignale berührungs- und damit wartungsfrei über das Spulensystem; die Sekundärspule ist mit dem Meßfühler zugeschaltet und wird mit dem Tor bewegt - dies in Luftspaltabstand zur ortsfesten Primärspule.

Im Rahmen der Erfindung liegt es zudem, die Primär­ spule im Sockel od.dgl. einer Windradlagerung anzu­ bringen. Windräder sollen zum Betrieb bei tiefen Tem­ peraturen beheizt werden. Das Windrad wird zur Aus­ richtung in die jeweilige Windrichtung drehbar gela­ gert. Über dieses Lager - d.h. über einen konstruk­ tiv bedingten Luftweg von 2 mm - muß eine elektrische Leistung von 20 W zum Propellerlager übertragen wer­ den. Deshalb steht windradseitig eine Sekundärspule am Luftspalt. Ein eingebauter Thermostat aktiviert das System nur nach unterschreiten einer vorgegebenen Grenztemperatur.

Dieses System zur berührungslosen und kabelfreien Übertragung von elektrischer Leistung mit hohem Wirkungsgrad enthält eine
applikationsspezifische Auslegung des Spulensystems entsprechend der erforderlichen Spannung, Leistung und der geometrischen Form,
einfache robuste Elektronik hoher Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit
und erlaubt somit auch Einsatzmöglichkeiten in rauher Industrieumwelt.

Die folgenden Anwendungsbereiche sind denkbar:
berührungsfreie, kabellose Batterieladung in Rad- und Schienen-Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen und Geräten,
Stromversorgung von Meß- und Steuergeräten auf rotierenden Wellen und Achsen ohne Schleifringein­ heiten,
berührungslose Versorgung von mobilen Robotern und Montageeinrichtungen,
kabel- und rohrfreie Beheizung von bewegten Ein­ richtungen und Systemen.

Zudem kann das für die Stromübertragung benutzte Spulensystem gleichzeitig auch für die Übertragung von Meß- und Befehlsdaten in beide Richtungen benützt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 die schematische Wiedergabe einer Wärme­ vorrichtung für Teller;

Fig. 2 ein vergrößertes Detail aus Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Skizze zu einer Schuh­ heizung;

Fig. 4 eine Schrägsicht auf ein Detail der Fig. 3;

Fig. 5 den Längsschnitt durch ein Aquarium mit Heizung;

Fig. 6 die Seitenansicht eines Rolltores;

Fig. 7 die Draufsicht auf Fig. 6;

Fig. 8 eine Schemaskizze zu einer Anemometer-Be­ heizung. ′

Gemäß Fig. 1 steht auf einer Tischplatte 10 der Dicke e von mehreren Zentimetern ein Teller 11 mit einer auf seine Unterseite aufgedruckten Heizschicht in Form einer elektrischen Sekundärspule 14. Unterhalb der Tischplatte 10 ist eine Primärspule 16 festgelegt und durch einen Leiter 18 mit einem Steuergerät 20 verbun­ den, welches einen 220 V-Eingang 21 aufweist und dessen Heizleistung einstellbar ist. Mit 19 sind weitere Spulenanschlüsse für eine - zum Beispiel der Sitzplatzzahl entsprechende - Anzahl von Primärspulen bezeichnet. Weder die Primärspule 16 noch die Sekun­ därspule 14 ist für den Benutzer sichtbar.

Beim Teller 11 der Fig. 2 ist die in eine Kaverne des Tellerbodens 12 integrierte und aus Gründen der Über­ sichtlichkeit in der Zeichnung überhöht dargestellte Sekundärspule 14 von einem Stellrand 13 umgeben.

Sobald der Teller 11 auf die Tischplatte 10 gestellt wird, erfolgt die ständige Beheizung des Tellers 11 benützungsfrei mit einer auf die Tellergröße abgestimmten Leistung.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist in einem Schuh 24 eine Einlegesohle 26 angeordnet, die als Folie mit integrierter Sekundärspule 14 ausgebildet ist. Der Be­ nutzer des Schuhes 24 steht auf einem bei 28 angedeu­ teten Fußboden (Fliesen, Estrich), unter dem die Pri­ märspule (16) einer Länge f von 50 cm bis 100 cm ver­ läuft. Auch hier ist die Primärspule 16 an das Steuer­ gerät 20 angeschlossen, mit dem (Pfeil 22) die ge­ wünschte Erwärmung (1 bis 10 W) individuell einge­ stellt zu werden vermag. Der Abstand z zwischen Pri­ märspule 16 und Sekundärspule 14 beträgt mehrere Zen­ timeter, die Erwärmung der Umgebung durch die Primär­ spule 16 ist vernachlässigbar.

Eine solche Heizeinrichtung ist in besonderem Maße dort von Nutzen, wo ein Benutzer von Schuhen lange Zeit an einer bestimmten Stelle ausharren muß, bei­ spielsweise beim Militär, beim Zoll oder bei der Bahn.

Auf der Tischplatte 10 der Fig. 5 steht ein aus Glas geformtes Aquarium 30 oberhalb einer Primärspule 16. In einem Abstand z von mehreren Millimetern verläuft im Innenraum 31 des Aquariums 30 eine in einer Kunst­ stoffplatte angeordnete Sekundärspule 14, an die nach oben hin über eine Leitung 33 eine Pumpe 34 von bei­ spielsweise 5 W sowie über ein parallel zum Boden 32 gelegten anderen Leiter 35 ein Heizsystem 36 von z.B. 30 W angeschlossen sind.

Zur genauen Regelung der Wassertemperatur erfaßt ein bei 37 angedeuteter Temperaturfühler die Innentempera­ tur des Aquariums 30 und meldet unter Benützung des Spulensystems 14/16 den aktuellen Temperaturwert zum Steuergerät 20, das bei Bedarf das Heizsystem 36 akti­ viert.

An einem Rolltor 40 ist gemäß Fig. 6, 7 an einem Aus­ leger eine Sekundärspule 14 angebracht, der eine an einer Mauer 38, einem Zaun od. dgl. festliegende und an ein Steuergerät 20 angeschlossene Primärspule 16 gegenübersteht. Zudem ist am Rolltor 40 auch ein Ver­ teiler 42 und wenigstens ein Meßfühler 44 angebracht, welch letzterer das Auflaufen des Rolltores 40 auf ein Hindernis meldet und den sofortigen Stillstand aus­ löst. Mit 46 ist eine Motorstop-Einrichtung bezeich­ net.

Zwischen Primärspule 16 und Sekundärspule 14 besteht ein geringer Abstand Z von mehreren Zentimetern. Die Einkoppelung der Meßfühlerstromversorgung sowie die Auskoppelung der Meßfühlersignale erfolgt trotz des Abstandes Z problemlos über das Spulensystem 14/16. Bei der Montage ist lediglich darauf zu achten, daß sich bei jeder Torstellung die beiden Spulen 14, 16 überlappen.

Fig. 8 zeigt sehr schematisiert ein um eine vertikale Achse A in die jeweilige Windrichtung drehbar gelager­ tes Windrad 50 oder Anemometer, das zum Betrieb bei tiefen Temperaturen beheizt ist. Mit B ist die Dreh­ achse eines in einem Propellerlager 51 drehenden Pro­ pellers 52 bezeichnet, in dessen Nähe eine Heizung 36 zu erkennen ist.

Das Windrad 50 ist auf einer Welle 54 angebracht und in einem Lagergehäuse 56 der Welle 54 eine Sekundär­ spule 14. In einem darunter in einem Abstand t vorgesehenen weiteren Gegengehäuse 58 sitzt eine Pri­ märspule 16. Die Weite t des Luftspaltes 60 zwischen dem Lagergehäuse 56 der Welle 54 und dessen Gegenge­ häuse 58 beträgt etwa 2 mm. Über diesen konstruktiv bedingten Luftweg muß eine elektrische Leistung von 20 W zum Propellerlager 51 übertragen werden.

Das an die Primärspule 16 über die Leitung 18 ange­ schlossene Steuergerät 20 ist mit einem Thermofühler 37 ausgestattet; ein eingebauter Thermostat aktiviert das System nur nach Unterschreiten einer vorgesehenen Grenztemperatur.

Die Leistungsübertragung erfolgt induktiv über das Spulensystem 14/16. Die Primärspule 16 und die Sekun­ därspule 14 sind großflächige Luftspulen - mit Abmes­ sungen zwischen 10 cm und einigen Metern - oder kon­ zentrierte Kernspulen aus speziellem, weichmagneti­ schem Kernmaterial.

Ergänzend sei noch angemerkt, daß das für die Strom­ übertragung benutzte Spulensystem 14/16 gleichzeitig auch für die Übertragung von Meß- und Befehlsdaten in beide Richtungen benützt werden kann.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum berührungslosen Übertragen einer Leistung unter Einsatz von Elektrizität zwischen einem Geber und einem Nehmer, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (10, 28, 58) eine Primärspule (16) an einem Steuerelement (20) aufweist und diese in einem freien, wenigstens teilweise durch einen Luftspalt gebildeten Abstand (z) einer Sekundär­ spule (14) des relativ zum Geber bewegbaren Nehmers (11, 26, 40, 56) gegenüberliegt, wobei zwischen den Spulen induktive Leistung bis zu mehreren 100 Watt bei einer Frequenz von etwa 10 KHz und weniger übertragbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen Sekundärspule (14) und Ver­ braucher (11, 24, 30, 40, 50) eine Kontrolleinheit angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Nehmer ein Teller (11) mit integrierter Sekundärspule (14) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens eine Primärspule (16) an/in einer Tischplatte (10) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sekundärspule (14) in einer Kaverne des Tellerbodens (12) festliegt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule (14) in den Tellerboden (12) eingegossen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Nehmer als Schuhsohle (26) ausgebildet und dieser wenigstens eine Primärspule (16) in einem Fußboden (28) gegenüberliegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Teil des Fußbodens (28) mit der Primärspule (16) ein lösbares Bauteil, beispielsweise eine Platte, ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schuhsohle (26) als Einlege­ sohle aus einer Folie mit eingeschlossener Sekun­ därspule (14) aus flachem Drahtnetzwerk od.dgl. ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sekundärspule (14) in einer Umhüllung und mit dieser im Innenraum (31) eines Wasserbehälters (30) angeordnet ist, wobei die Primärspule (16) außerhalb des Wasserbehälters verläuft.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der Wasserbehälter (30) aus Glas oder transparentem Kunststoff besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an die Sekundärspule (14) eine Pumpe (34) und/oder eine Heizeinrichtung (38) an­ geschlossen sind/ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sekundärspule (14) einem Fühler (44) eines bewegbaren Tores (40), Fensters od.dgl. zugeschaltet und die Primärspule (16) an einem festen Bauwerk (38) festlegbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Primärspule (16) im Sockel (58) od.dgl. einer Lagerung für ein drehbares Windrad (50) od.dgl. angebracht und diesem Sockel jenseits eines Luftspaltes (60) ein Lagerteil (56) mit der Sekundärspule (14) zugeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule (14) mit einer Heizung (36) im/am Windrad verbunden ist.