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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur induktiven Energieübertragung,
um Energie von einer ortsfesten Primärschiene zu mehreren beweglichen
Sekundärschienen,
von denen jede mit einer beweglichen Einheit verbunden ist, zu übertragen. Das
System ist besonders geeignet für
Förderereinheiten
eines Sortiersystems, wobei jede Einheit eine Einrichtung zum Halten
von Artikeln hat, wobei die von dem Energieübertragungssystem bereitgestellte Energie
in erster Linie verwendet wird, um Artikel von der Einrichtung zum
Halten von Artikeln abzustoßen.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung ein System, in dem die Primärschiene
ebenso wie die Sekundärschienen
mit Schenkeln versehen sind, so daß sich die Schenkel in einer
Betriebsposition überlappen,
um die durch den Luftspalt zwischen der Primärschiene und den Sekundärschienen
verursachten Verluste zu verringern.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
ist aus dem bisherigen Stand der Technik bekannt, Energie zwischen
einem ortsfesten Teil und einem oder mehreren beweglichen Teilen
zu übertragen,
indem in einer Sekundärwicklung
auf einem beweglichen Teil mit einem magnetischen Feld, das durch
Anlegen eines Steuerstroms in einer Primärspule auf dem ortsfesten Teil
erzeugt wird, ein Strom induziert wird.
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Die
Primärseite
bekannter Systeme zur induktiven Energieübertragung weist typischerweise einen
einzigen Leiter auf, der mehr oder weniger vollständig von
einer Schiene oder Abschirmung umgeben ist, welche die Sekundärwicklung
der Sekundärseite
hält und
aus einem magnetisch leitenden Material geformt ist. Der die Sekundärwicklung
haltende Teil kann ein Ferritkern sein, der als ein magnetisch leitendes
Material besonders geeignet ist. Die Stromversorgungseinheit zur
Energieversorgung der Primärwicklung
ist üblicherweise
mit einer Kompensationseinrichtung ausgestattet, um von den Sekundärwicklungen
herrührende
schnelle Änderungen
der Lasten auf der Primärwicklung
zu kompensieren.
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Der
Oberbegriff von Anspruch 1 basiert auf US-A-5 701 992. Die vorliegende Erfindung
strebt, wie weiter unten diskutiert, danach, ein verbessertes Energieübertragungssystem
zur Verfügung
zu stellen.
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Beschreibung der Erfindung
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Um
die Brauchbarkeit von induktiver Energieübertragung, insbesondere für Systeme
mit kleinen Lasten auf der Primärschiene,
zu verbessern, aber auch für
Systeme mit größeren Lasten
anwendbar zu sein, ist es wichtig, daß das System- zur induktiven
Energieübertragung
technisch stabil und zuverlässig
und hinsichtlich seiner Anschaffungskosten, sowohl bei der Installation
als auch im Betrieb, wirtschaftlich vernünftig ist.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur induktiven
Energieübertragung zur
Verfügung
zu stellen, bei dem die durch den Luftspalt zwischen der Primärwicklung
und der/den Sekundärwicklung(en)
verursachten Verluste verringert sind.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System
zur Verfügung
zu stellen, bei dem von der/den Sekundärwicklung(en) herrührende zeitliche
Schwankungen in den Lasten auf der Primärwicklung verringert werden.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System
zur Verfügung
zu stellen, bei dem Energieübertragungsverluste
verringert werden und der Wirkungsgrad auf diese Weise erhöht wird.
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Diese
und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung, die aus der folgenden
Beschreibung deutlich werden, werden mit Hilfe der Erfindung wie weiter
unten diskutiert erfüllt.
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Somit
betrifft die vorliegende Erfindung einen Sortierer zum Befördern und
Sortieren von Artikeln, der aufweist: eine Führungsschiene, die eine geschlossene
Schleife bildet, eine U-förmige
Primärschiene,
die aus einem magnetisch leitenden Material gefertigt ist und eine
Primärwicklung
hat, die mit einer Stromversorgungseinheit zum Erzeugen eines Steuerstroms
in der Primärwicklung
verbunden ist, wobei die Primärschiene
entlang mindestens eines Teils der Führungsschiene positioniert
ist, und mehrere bewegliche Einheiten, die sich entlang der Führungsschiene
bewegen, wobei jede Einheit hat: Einrichtungen zum Halten von Artikeln,
die mindestens eine Oberfläche
zum Halten von Artikeln definieren, und Einrichtungen zum Abstoßen von
Artikeln von dieser Oberfläche
und eine aus magnetisch leitendem Material gefertigte U-förmige Sekundärschiene mit
einer Sekundärwicklung,
wobei die Sekundärschiene
während
des Betriebs derart positioniert ist, daß die Schenkel der Primärschiene
und die Schenkel der Sekundärschiene
sich über
einem wesentlichen Teil der Sekundärschiene in der Bewegungsrichtung
der Einheit überlappen,
wobei der Überlapp mindestens
gleich dem zweifachen Abstand zwischen dem fraglichen Schenkel der
Primärschiene und
dem entsprechenden Schenkel der Sekundärschiene ist, wobei die Einheit
Einrichtungen hat, um die in der Sekundärwicklung induzierte Energie
zum Steuern der Einrichtung zum Abstoßen von Artikeln zu nutzen.
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Der Überlapp
ist in der in 1 gezeigten Ausführungsform
etwa vier mal der Abstand zwischen den Schenkeln, die den Luftspalt
begrenzen, den der magnetische Fluß zu durchlaufen hat. Je länger der Überlapp
ist, desto geringer sind die Verluste, aber der Luftspalt muß von einem
praktischen Standpunkt aus eine minimale Größe haben und die Länge des Überlapps
ist durch die Schenkellänge
der Schienen begrenzt. Ein realistisches Verhältnis der Überlapps und des Luftspalts
ist von einem praktischen Standpunkt aus zwischen 1 und 10, bevorzugt von
2 bis 6, wobei 4 eine geeignete Höhe ist.
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Die
Länge der
Sekundärschienen
in der Bewegungsrichtung der Einheit hängt natürlich von der Größe der Einheiten
und dem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Einheiten ab, ist
jedoch zwischen 0,1 m und 1 m, für
die meisten Anwendungen bevorzugt zwischen 0,15 m und 0,3 m vernünftig.
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Es
ist ein Vorteil, daß die
Sekundärschienen in
der Längsrichtung
der Primärschiene
mit einem kleinen Spalt zwischen aufeinanderfolgenden Sekundärschienen
angeordnet sind, um den Wirkungsgrad des Systems zu verbessern.
Die Sekundärschienen sollten
daher in der Längsrichtung
der Primärschiene zwischen
30% und 95% der Primärschiene
bedecken. In bevorzugten Ausführungsformen
sind 50%–65%
der Primärschiene
bedeckt, was sich als ausreichend erwiesen hat, um einen befriedigenden Wirkungsgrad
sicherzustellen, wenngleich der Wirkungsgrad weiter verbessert wird,
wenn etwa 95% der Primärschiene
bedeckt ist, was von einem praktischen Standpunkt aus ein Maximum
ist, wenn eine gegenseitige Bewegung von aufeinanderfolgenden Sekundärschienen
zugelassen wird.
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Die
vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um Leistung direkt
von der Sekundärwicklung
an stromverbrauchende Vorrichtungen in den beweglichen Einheiten
zu liefern, ein sogenannter Direktantrieb. Der Steuerstrom in der
Primärwicklung kann
gedreht oder gestört
werden, wenn diese Vorrichtungen einen hohen Leistungsverbrauch
haben, was in Störungen
in den restlichen beweglichen Einheiten mit einer Sekundärwicklung
und möglicherweise
zu einer Abnahme des Wirkungsgrads des Energieübertragungssystems führt.
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Folglich
weisen die beweglichen Einheiten in einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Energiespeichereinrichtungen zum Speichern
der in der Sekundärwicklung
induzierten Energie, insbesondere eine elektrische Batterie, auf, aber
die Energie kann mittels anderer Speichereinrichtungen, wie etwa
einem oder mehreren Kondensatoren, gespeichert werden. Der veränderliche
Leistungsverbrauch der Einrichtung zum Abstoßen von Artikeln von der Oberfläche zum
Halten von Artikeln wird auf diese Weise geglättet, so daß die mittlere Energieübertragung
zu einer Einheit gering ist, wenn die Primärschiene und die Sekundärschiene
in ihrer Betriebsposition sind – typischerweise
zwischen 200 und 1000 mA und bevorzugt zwischen 400 mA und 800 mA
bei einer Wechselspannung zwischen 5 V und 30 V, bevorzugt zwischen
10 V und 20 V, zum Beispiel etwa 16 V, was nach dem Gleichrichten
zu einer Gleichspannung von 12–14
V wird. Das Glätten des
Stromverbrauchs bedeutet, daß die übertragene Leistung
gering und im wesentlichen konstant ist, wobei das Energieübertragungssystem
aus diesem Grund einfach und ohne Einrichtungen zum Kompensieren
schneller Laständerungen
auf der Primärseite des
Systems aufgebaut sein kann.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform der
Erfindung sind zwei oder mehr Einheiten elektrisch verbunden und
nutzen eine gemeinsame Energiespeichereinrichtung.
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Der
Sortierer kann vorteilhafterweise eine Abschirmung aufweisen, die
aus einem nicht ferromagnetischen elektrisch leitenden Material
hergestellt ist, wobei die Abschirmung das Äußere der Primärschiene
in einem Abstand von weniger als dem Abstand zwischen dem Schenkel
der Primärschiene und
dem entsprechenden Schenkel der Sekundärschiene umgibt. Die Abschirmung
kann dicht benachbart zu der Primärschiene sein und teilweise
oder vollständig
berührend
an die Primärschiene
angrenzen. Die Abschirmung ist in einer bevorzugten Ausführungsform
hauptsächlich
aus Aluminium hergestellt.
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Außerdem kann
die Sekundärschiene
mit einem Mittelschenkel versehen sein, der die Sekundärwicklung
hält, wobei
die Primärwicklung
in diesem Fall derart angeordnet ist, daß ein erster Teil von mindestens
einer Windung der Primärwicklung
zwischen einem ersten Schenkel der Sekundärschiene und dem Mittelschenkel
durchläuft
und ein zweiter Teil der mindestens einen Wicklung, welche den Rückstrom von
dem ersten Teil transportiert, zwischen einem zweiten Schenkel der
Sekundärschiene
und dem Mittelschenkel durchgeht.
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Die
Primärwicklung
kann in der Primärschiene
angeordnet sein und von Halteeinrichtungen gehalten werden, die
aus einem nicht ferromagnetischen Material gefertigt sind.
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Die
Einrichtung zum Halten von Artikeln der beweglichen Einheiten weist
in einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen endlosen Gurt auf, der die Oberfläche zum
Halten von Artikeln definiert, wobei der Gurt beweglich angeordnet
ist und eine Einrichtung zum Bewegen des Gurts aufweist, um die
von dem Gurt beförderten
Artikel abzustoßen.
Die Einrichtung zum Bewegen des Gurts wird mittels der Sekundärwicklung
mit Energie versorgt. Bevorzugt ist der Gurt in einer Richtung,
die im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Einheit
ist, beweglich angeordnet.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weisen die Einrichtungen zum Halten von Artikeln
der beweglichen Einheiten eine Ablage auf, die derart angeordnet
ist, daß sie mittels
eines Kippmechanismus, der von der Sekundärwicklung mit Leistung versorgt
wird, um eine Achse gekippt werden kann, die im wesentlichen parallel zu
der Bewegungsrichtung der Einheit ist. Artikel, die von der durch
die Ablage definierte Oberfläche
zum Halten von Artikeln gehalten werden, können auf diese Weise in eine
Richtung abgestoßen
werden, die im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung der
Einheit ist.
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Die
Stromversorgungseinheit zum Erzeugen des Steuerstroms in der Primärwicklung
weist in einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung Einrichtungen zum Einprägen einer
Impulssteuerspannung auf die Primärwicklung auf, welche Teil
einer abgestimmten Resonanzschaltung bildet, welche einen Kondensator
aufweist, wobei die Stromversorgungseinheit ferner Einrichtungen
zum Messen der Höhe
des erzeugten Stroms in der Primärwicklung
und zum Einstellen der Impulsbreite der Steuerspannung aufweist,
um eine vorbestimmte Höhe
des erzeugten Stroms zu erreichen.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann die Stromversorgungseinheit, abgesehen von der Einrichtung zum
Einprägen einer
Impulssteuerspannung auf die Primärwicklung, welche Teil einer
abgestimmten Resonanzschaltung bildet, die einen Kondensator aufweist,
ferner Einrichtungen zum aufeinanderfolgenden Ändern der Frequenz der Steuerspannung
innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs und Einrichtungen
zum Bestimmen der zeitlichen Beziehung zwischen den Impulsen der
Steuerspannung und der Phase des erzeugten Stroms aufweisen, um die
Resonanzfrequenz der abgestimmten Resonanzschaltung zu bestimmen.
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Die
weiter oben beschriebene Stromversorgungseinheit bildet, wenn sie
auf ein System zur induktiven Energieübertragung angewendet wird, selbst
eine Erfindung. Ebenso bildet das weiter oben beschriebene System
zur induktiven Energieübertragung
selbst eine Erfindung, ob es auf einen Sortierer angewendet wird
oder nicht.
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Detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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Das
System zur induktiven Energieübertragung
weist gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wie in 1 gezeigt die
folgenden drei Hauptbestandteile auf:
eine primäre Stromversorgungseinheit
(PSU), welche die Stromversorgungseinheit für die ortsfeste Primärschiene 1 ist,
die
Primärschiene 1,
welche eine ortsfeste Schiene ist, die die Primärseite, die Primärwicklung 2,
des induktiven System hält,
die
Sekundärschienen 3,
die bewegliche Schienen sind, welche mit einer der beweglichen Einheiten
verbunden sind, die Leistung von dem induktiven System empfangen,
wobei die Sekundärschienen 3 die Sekundärseiten 4 des
induktiven Systems halten.
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Die
PSU wird mit 3 × 400–500 V Wechselspannung,
50/60 Hz, gespeist, die danach auf 560 V Gleichspannung gleichgerichtet
und geglättet
wird. Ein sinusförmiger
Steuerstrom mit einem quadratischen Mittelwert von etwa 22 A mit
einer Frequenz von etwa 20 kHz wird mit Hilfe einer impuls weitenmodulierten
Steuerschaltung mit einem konstanten Stromgenerator und Kondensator(en)
erzeugt, um eine abgestimmte Resonanzschaltung bereitzustellen,
welche den/die Kondensator(en) aufweist, wobei die Primärwicklung
und die Leiter den in der PSU enthaltenen Teil der Schaltung mit
dem auf der Primärseite
enthaltenen Teil, d. h. der Primärwicklung,
verbinden. Eine Rechteckimpuls-Steuerspannung wird der abgestimmten
Resonanzschaltung eingeprägt,
in der ein sinusförmiger
Strom erzeugt wird, wenn die Frequenz der eingeprägten Steuerspannung
nahe der Resonanzfrequenz der Schaltung ist. Die Höhe des Stroms
wird gemessen und die Impulsbreite wird eingestellt, um ungeachtet
der Schaltungslast einen konstanten Strom zu halten. Der Strom wird
von der PSU über
abgeschirmte Leiter zu der Primärseite 2 des
induktiven Systems geleitet. Die PSU wird derart angeordnet, daß die Länge der
Leiter von der PSU zu der Primärseite,
bevorzugt auf eine Länge
von 1,5 Meter oder weniger, minimiert wird, um elektromagnetisches
Rauschen zu minimieren.
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Die
Frequenz der eingeprägten
Spannung durchläuft
beim Anlaufen des Systems 16 bis 22 kHz, um die richtige Resonanzfrequenz
der abgestimmten Resonanzschaltung zu finden. Diese Frequenz kann aufgrund
von unterschiedlichem Aufbau, der unterschiedlichen Länge der
Primärschiene
und Wicklung, der unterschiedlichen Länge von Leitern, etc. für die verschiedenen
Schaltungen verschieden sein. Die Resonanzfrequenz wird gefunden,
wenn die Spannungsimpulse in zeitlicher Übereinstimmung damit sind,
daß der
Steuerstrom den Nullstrom durchläuft. Die
Frequenz der eingeprägten
Spannung wird in regelmäßigen Intervallen,
z. B. alle 100 Millisekunden, feinabgestimmt, um Schwankungen der
Resonanzfrequenz der Schaltung aufgrund der Lastschwankung auf der
Schaltung zu kompensieren, weil die Einheiten, die mit der Primärwicklung
verbinden, einen schwankenden Stromverbrauch haben, insbesondere
wenn das System der vorliegenden Erfindung zum Befördern schwererer
Artikel verwendet wird oder das System verwendet wird, um Leistung an
Einheiten zu liefern, die in Zügen
aus Einheiten mit einem möglicherweise
großen
räumli chen
Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Zügen angeordnet sind, so daß die Primärwicklung
zu einer gegebenen Zeit nur mit wenigen Einheiten oder überhaupt
keinen Einheiten verbindet.
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Die
tatsächliche
Implementierung der weiter oben beschriebenen Stromversorgungseinheit
ist für den
Fachmann offensichtlich und wird aus diesem Grund in der vorliegenden
Erfindung nicht detailliert offenbart.
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Die
Verluste in der Primärschaltung
werden verringert und der Wirkungsgrad dadurch erhöht, indem
die Spannung mit der Resonanzfrequenz der Primärschaltung eingeprägt wird.
Dadurch ist die Verwendung von z. B. weniger teuren Materialien
mit höheren
Verlusten oder die Verwendung anderer Lösungen, die Verluste implizieren,
erlaubt, ohne daß dies
dazu führt,
daß der
Gesamtwirkungsgrad des Systems unannehmbar niedrig wird. Die Primärseite des
Systems kann auch ohne die Verwendung von Kondensatoren gebildet
werden, so daß keine
abgestimmte Resonanzschaltung gebildet wird, aber der Strom wird
nicht sinusförmig,
wodurch elektromagnetisches Rauschen erzeugt wird.
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Die
Primärschiene 1 ist
als eine U-Schiene ausgebildet und ist aus 1 mm dickem Silizium-enthaltendem
Transformatorstahlblech geformt. Die Länge der Schenkel des U senkrecht
zur Bewegungsrichtung ist 28,5 mm. Entlang der Schiene ist ein Profil 5 aus
einem nicht ferromagnetischen Material, wie etwa ein stranggepreßtes oder
spritzgeformtes Kunststoffmaterial, montiert, welches die Primärwicklung 2 hält. Die
Primärwicklung 2 ist
aus einem Kupferleiter mit 6 Quadratmillimeter kreisförmigem Querschnitt
gefertigt, der zwei mit der PSU verbundene serielle Windungen bildet.
Die zwei Windungen können
alternativ als parallele Windungen angeordnet sein, aber verlangen
in diesem Fall einen höheren Strom
und somit höhere
Verluste als serielle Windungen. Leiter mit einem kreisförmigen Querschnitt
werden gegenüber
der üblicheren
Wahl eines flachen Leiters mit einem rechteckigen Querschnitt bevorzugt,
weil sie in einer Primärschiene
einfacher zu montieren sind. Jedoch nutzt der flache Leiter die Querschnittsfläche des
Leiters wirkungsvoller aus, weil der Kelvin-Skineffekt weniger ausgeprägt als für Leiter
mit einem kreisförmigen
Querschnitt ist. Die Sekundärschiene
kann im Mittel über
der Fläche auch
näher an
die Fläche
eines flachen Leiters rücken
und dadurch die Luftspaltverluste verringern. Ein niedrigerer Strom
und dadurch niedrigere Verluste können gelten, wenn zwei Windungen
anstelle von einer verwendet werden, und die Verwendung von zwei
nebeneinander angeordneten kreisförmigen Leitern ermöglicht eine
kompaktere Konstruktion als ein größerer kreisförmiger Leiter.
Außerdem
ist der Kelvin-Skineffekt für
zwei Windungen mit einer kleineren Querschnittsfläche geringer
als für
eine Windung mit einer größeren Querschnittsfläche, und
die zwei Windungen können
derart angeordnet werden, daß die
Sekundärschiene
im Mittel über
der Fläche näher an die
Querschnittfläche
der zwei Windungen rückt
und dadurch der Luftspaltverlust verringert werden kann.
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Die
Sekundärschiene 3 hat
in Bewegungsrichtung eine Länge
von 220 mm und weist jeweils zwei U-Schienen auf, die aus 1 mm dickem
Silizium-enthaltendem Transformatorstahlblech geformt sind, das
zusammenmontiert ein E bildet, dessen Schenkel in eine Richtung
senkrecht zur Bewegungsrichtung eine Länge von 23,5 mm haben. Die Höhe des E
ist 65 mm. Der Mittelschenkel des E hält die Sekundärwicklung 4,
die 25 aus einem Kupferleiter mit 0,56 mm Durchmesser gefertigte
Windungen aufweist. Die Sekundärwicklung
ist mit einem Wagensteuerungspult (CCB) verbunden. Die Schenkel der
in der Mitte des E plazierten U-Schienen sind ferner mit einer Biegung 6 ausgestattet,
um die Stirnfläche
des Blechs, das die Schenkel und die Primärschiene 1 bildet,
zu vergrößern, wobei
das magnetische Feld durch diese Fläche zwischen dem Mittelschenkel
und der Primärschiene 1 verläuft, wodurch der
magnetische Widerstand in dem System verringert und der Wirkungsgrad
des Systems erhöht
wird. Es ist aufgrund der vorhandenen Batterie nicht notwendig,
einen Kondensator in die Sekundärschaltung,
welche die Sekundärwicklung
aufweist, einzubauen, um eine abgestimmte Resonanzschaltung zu bilden, weil
die Batterie die Last an der Sekundärschaltung ebenso wie an der
Primärschaltung,
welche die Primärwicklung
aufweist, glättet.
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Die
Primärschiene 1 ist
auf der Führungsschiene 7 des
Sortierers montiert. Die Führungsschiene 7 ist
aus Aluminium gefertigt, und die Führungsschiene ist an der Montageposition
derart geformt, daß eine
U-förmige
Abschirmung 8 um die Primärschiene bereitgestellt wird.
Diese Abschirmung 8 aus einem nicht ferromagnetischen,
aber elektrisch leitenden Material, in diesem Fall Aluminium, erhöht den Wirkungsgrad
des Energieübertragungssystems,
indem die Streuung des induzierten Magnetfelds weg von der Primärschiene 1 beschränkt wird.
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Die
Primärspule 2 wird
von der Spannung U1 mit der Frequenz f1 gespeist,
wobei der Primärstrom ein
Magnetwechselfeld Φ1 um die Primärwicklung 2 in der
Primärschiene 1 erzeugt.
Dieses Wechselfeld geht auch durch die Sekundärschiene 3 und die
Sekundärwicklung 4,
wenn die Sekundärwicklung 4 in ihrer
Betriebsposition relativ zur Primärschiene 1 ist. Das
Wechselfeld induziert dabei eine Sekundärspannung U2 in der Sekundärwicklung 4,
wobei die Sekundärspannung
entgegengesetzt zu der Spannung U1 der Primärwicklung 2 ist. Die
Sekundärspannung U2
wird in dem CCB gleichgerichtet und wird über eine Ladeschaltung auf
dem CCB in eine 12 V-Batterie auf der beweglichen Einheit 9 gespeist.
Die Leistung von der Batterie wird in erster Linie verwendet, um
einen Quergurt 10 auf der beweglichen Einheit 9 anzutreiben,
um einen Artikel auf den Gurt 10 zu laden, oder um einen
auf dem Gurt 10 beförderten
Artikel abzustoßen,
oder sie kann verwendet werden, um einen Kippmechanismus zum Kippen
einer Ablage auszulösen,
wobei auf diese Weise ein auf der Ablage beförderter Artikel abgestoßen wird.
Die Leistung kann auch für
andere Zwecke, wie etwa zum Steuern einer Steuerungseinheit, welche
das Abstoßen
von Artikeln steuert, eine Antenne zum Lesen von Funkfrequenzetiketten
(RFID) auf den Artikeln, etc., verwendet werden.
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Die
Primärschiene 1,
welche die Primärwicklung 2 aufweist,
ist nur entlang gerader Abschnitte der Führungsschiene 7 des
Sortierers angeordnet. Die Länge
jeder Primärschiene 1 wird
zu etwa 15 m gewählt,
und jede Primärschiene 1 hat
eine zugehörige
PSU. Die Anzahl von Primärschienen 1 auf
einem Sortierer ist durch die Anzahl von Gruppen von Ladestationen,
die sich mit Gruppen von Entladestationen entlang des Wegs des Sortierers
abwechseln, gegeben, da die Leistung in erster Linie zum Laden und/oder
Abstoßen
von Artikeln verwendet wird. Die Gesamtlänge des Sortierers spielt nur
eine geringe Rolle, wenn die Anzahl der Primärschienen 1 bestimmt
werden soll, weil der Standby-Energieverbrauch der Einheiten gering
ist.
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Jede
Länge der
Primärschiene 1 von
15 m wird in Teillängen
von 0,5 m ohne elektrischen Kontakt zwischen aufeinanderfolgenden
Teillängen
unterteilt, um die Wirbelstromverluste in der Primärschiene 1 zu
begrenzen. Jede Unterteilung der Schiene in Teillängen, wie
etwa Längen
von 0,05 m bis 3 m verringert die Verluste, und von einem praktischen
und mechanischen Standpunkt aus wird der bevorzugte Bereich von
0,25 m bis 1 m ausgewählt. Die
Schiene kann mit Bezug auf die Verluste vorteilhaft in sogar kleinere
Teile, wie etwa Längen
von 0,1 bis 0,3 m unterteilt werden.
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Frequenzauswahl
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Das
vorliegende erfindungsgemäße System zur
induktiven Energieübertragung
hat einen Luftspalt zwischen der Primär- und der Sekundärseite,
und der magnetische Fluß Φ muß diesen
Luftspalt passieren. Die magnetische Induktion B ist umgekehrt proportional
zu dem Abstand zwischen der Primärseite
und der Sekundärseite.
Nach der Transformatorgleichung kann dies durch Erhöhen der
Frequenz f kompensiert werden. Eine Anzahl von Experimenten wurde
im Frequenzbereich von 2 kHz bis 20 kHz durchgeführt, und die letztere Frequenz
wurde wegen der Vorgabe eines minimalen akustischen Rauschpegels
aufgrund von Arbeitsumgebungsüberlegungen
ausgewählt.
Ein ähnlicher
Wirkungsgrad kann bei einer niedrigeren Frequenz erzielt werden, aber
das akustische Rauschen kann in diesem Fall ein Umweltproblem darstellen.
Die gewählte
Frequenz erfordert eine Abschirmung der Leiter zwischen der PSU
und der Primärschiene,
um zu verhindern, daß elektromagnetisches
Rauschen die elektronischen Anlagen und das Personal beeinträchtigt. Die
gewählte
Frequenz erfordert jedoch, daß der Steuerstrom
in der Primärschaltung
sehr nahe an einer perfekten Sinusfunktion ist, um die Erzeugung von
elektromagnetischem Rauschen zu vermeiden.
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Material für die Schienen
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Die
Schienen 1, 3 sind anstelle aus einem Laminat
aus mehreren 0,3 mm oder 0,5 mm Blechen, das üblicherweise in Transformatoren
verwendet wird und das weniger Wirbelstromverluste erzeugt, aus
1 mm dickem Transformatorblech geformt. Diese Lösung wäre aufgrund der mehreren Bleche,
die in Form gebogen werden müßten, mechanisch
komplexer herzustellen und auch anfälliger, und die stabilere Lösung mit
1 mm Blech wurde gewählt.
Das verwendete Blech enthält
etwa 3% Silizium, was den ohmschen Widerstand des Stahls erhöht, wodurch
die Wirbelstromverluste verringert werden. Die Bleche werden, nachdem
sie in Form gebogen wurden, um die Primär- und Sekundärschienen zu bilden, bei 820°C für eine Stunde
ausgeglüht,
wodurch die magnetischen Hystereseverluste in den Schienen, in erster
Linie in den Ecken der Schienen verringert werden. Das Ausglühverfahren
beeinflußt
die Wirbelstromverluste nicht wesentlich.
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Die
Verwendung von Pulverkernen mit Eisenpulver und einem isolierenden
Bindemittel oder eines Ferritkerns anstelle des Blechs würde die
Wirbelstromverluste drastisch verringern, aber diese Lösungen sind
sehr viel teurer, und insbesondere die Pulverkerne sind mechanisch
sehr viel anfälliger. Auch
sind Eisen-Nickel-Legierungen viel teurer als Transformatorstahlbleche.
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In 2A–H sind
mehrere alternative Ausführungsformen
von Primär-
und Sekundärseiten
eines Systems zur in duktiven Energieübertragung gezeigt. Die Primärschiene 1,
die Primärwicklung 2,
die Sekundärschiene 3 und
die Sekundärwicklung 4 sind in
den Figuren gekennzeichnet. In einigen der Ausführungsformen (B, C und G) wird
die Führungsschiene
zum Leiten des Rückstroms
von der Primärwicklung 2 verwendet,
wobei aus diesem Grund in den jeweiligen Figuren nur der Primärleiter
gezeigt ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein System zur induktiven Energieübertragung
an sich, das für
einen Sortierer verwendet werden kann oder auf andere Vorrichtungen
angewendet werden kann, in denen induktive Energieübertragung
ein geeignetes Verfahren zum Übertragen
von Energie von einem Primärsystem
an ein oder mehrere Sekundärsysteme
ist, wobei die Sekundärsysteme
sich relativ zu dem Primärsystem
bewegen können.
Außerdem betrifft
die vorliegende Erfindung auch die offenbarte Stromversorgungseinheit
an sich, die auf ein System zur induktiven Energieübertragung
angewendet wird.