-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieübertragung nach Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Wasserfahrzeug nach Anspruch 5 sowie ein Energieübertragungssystem nach Anspruch 8 und ein Betriebsverfahren nach Anspruch 10.
-
Der gesellschaftliche Druck und immer höhere Emissionsanforderungen treiben die Elektrifizierung von Fahrzeugen voran. Dabei besteht das Antriebskonzept des Fahrzeuges wenigstens aus einem Elektromotor und einem sekundären Energiespeicher. Im Rahmen öffentlicher Diskussionen stehen vor allem Kraftfahrzeuge im Fokus, die Elektrifizierung beschränkt sich allerdings nicht auf diese Fahrzeugart. Auch Wasserfahrzeuge geraten zunehmend in das Visier der Elektrifizierung.
-
Ein solches Wasserfahrzeug kann mittels konduktiver Ladeverfahren mit Energie versorgt werden. Der Nachteil an konduktiven Ladeverfahren für Wasserfahrzeuge liegt vor allem in den Umgebungsbedingungen begründet. Kondensatansammlungen in den Steckverbindungen führen zur Oxidation elektrischer Kontaktflächen. Vor allem an Meeren wirken sich die salzhaltigen Umgebungsmedien negativ auf die elektrischen Kontaktflächen aus.
-
Alternativ sind induktive Ladeverfahren bekannt die in der Praxis eine geringe Bedeutung besitzen. So zeigt das Dokument
CN207403894U eine Ladestation für Wasserfahrzeuge, welche auf einer kreisförmigen Insel angebracht ist. Dabei ist die Insel über eine Verbindungsbrücke mit einem Landungskörper, beispielsweise einem Kai, verbunden. Wasserfahrzeuge werden über Poller, welche sich auf der Insel befinden, fixiert. Für den Ladevorgang wird eine mobile Ladevorrichtung, welche eine Primärspule beinhaltet, mittels eines Positionierstiftes über einer Sekundärspule auf dem Schiffsdeck positioniert. Die Energieübertragung zwischen mobiler Ladevorrichtung und Wasserfahrzeug erfolgt mittels der Primär- und Sekundärspule. Dabei erfolgt die Energieversorgung der Primärspule über einen Energieverteiler, welcher sich auf der kreisförmigen Insel befindet.
-
Aus dem Dokument
CN110341505A geht ein weiteres Konzept zur induktiven Ladung von Wasserfahrzeugen hervor. Dabei befindet sich an einem Landungskörper, beispielsweise einem Kai, ein Modul mit einer Primärspule. Weiterhin ist an einer Bordwand des Wasserfahrzeuges ein Modul mit einer Sekundärspule angebracht. Mittels beider Module wird Energie induktiv vom Landungskörper zum Wasserfahrzeug übertragen. Dabei muss das Wasserfahrzeug für die Energieübertragung exakt positioniert werden.
-
Durch die fehlende Bündelung und Führung der magnetischen Feldlinien bei den im Stand der Technik offenbarten Ausführungsvarianten induktiver Ladeverfahren entstehen Streuverluste, welche den Wirkungsgrad der Energieübertragung reduzieren. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Wirkungsgrad einer induktiven Ladevorrichtung für Wasserfahrzeuge zu erhöhen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Energieübertragung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, durch ein Wasserfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 5 und ein Energieübertragungssystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen spezifiziert.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Energieübertragung bereitgestellt. Diese umfasst wenigstens:
- - eine Energieversorgungseinrichtung;
- - eine mit der Energieversorgungseinrichtung in elektrischer Verbindung stehende Primärspule;
- - ein ortsfestes Fixierungselement umfassend ferromagnetisches Material.
-
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das ortsfeste Fixierungselement in eine elektromagnetische Wirkverbindung mit der Primärspule bringbar ist.
-
Durch das ortsfeste Fixierungselement aus ferromagnetischem Material werden die magnetischen Feldlinien, welche bei einem Stromfluss durch die Primärspule resultieren, gebündelt. Durch die Bündelung magnetischer Feldlinien werden magnetische Streuverluste verringert. In vorteilhafter Weise ist damit der Wirkungsgrad des Energieübertragungssystems für Wasserfahrzeuge erhöht.
-
Unter einer Energieversorgungseinrichtung ist jede Vorrichtung zu verstehen die zur Energieversorgung für elektrische Komponenten verwendet werden kann. Über eine Anschlussstelle kann die Energieversorgungseinrichtung über eine direkte oder indirekte Verbindung mit elektrischer Energie versorgt werden. Dabei kann die Bereitstellung elektrischer Energie durch Energieleitung zwischen der Energieversorgungseinrichtung und einer Umwandlungsstelle beliebiger Energieformen in elektrische Energie erfolgen, bevorzugt in Form eines Energieverteilnetzes.
-
Weiterhin kann die Energieversorgung mittels Energieleitung zwischen der Energieversorgungseinrichtung und einer mobilen Ladesäule für Kraftfahrzeuge erfolgen. Durch die Energieversorgung mittels eines Energieverteilnetzes steht beliebig viel Energie zur Verfügung. Weiterhin lässt sich die Energieversorgungseinrichtung im Verbund eines intelligenten Stromnetzes („Smart Grid“) betreiben.
-
Alternativ kann sich an einer Anschlussstelle der Energieversorgungseinrichtung über direkte oder indirekte Verbindung eine Vorrichtung zur direkten Wandlung von Energie befinden, beispielsweise ein Generator. In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Energieversorgung durch eine Windkraftanlage, beziehungsweise durch einen Offshore- oder Onshore-Windpark, gewährleistet werden. Dadurch kann eine Energieversorgung unabhängig von einem Energieverteilnetz erzielt werden.
-
An einer weiteren Anschlussstelle kann sich in direkter oder indirekter Verbindung eine mit der Energieversorgungseinrichtung stehende elektrische Komponente befinden.
-
Eine Primärspule ist eine elektrische Komponente, welche wenigstens metallisches Material umfasst, wobei dieses elektrisch leitfähig ist. Dabei besitzt eine Primärspule in einer Ausführungsvariante mindestens eine Windung. Weiterhin kann der Leiterquerschnitt des Spulenmaterials eine beliebige Form einnehmen, bevorzugt eine näherungsweise kreisförmige Form.
-
Durch die Wicklung des Spulenmaterials können beliebige Wicklungsformen der Primärspule generiert werden, beispielsweise eine näherungsweise kreisförmige Wicklungsform. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wicklungsform der Spule den Querschnitt des ferromagnetischen Bauteils auf, an welchem die Primärspule anbringbar ist. Dabei kann der Querschnitt des Bauteils durch ein Polygon und/oder einen näherungsweise kreisförmigen Querschnitt beschrieben werden. Durch die Realisierung eines näherungsweise identischen Querschnittes zwischen der Wicklungsform der Primärspule und des ferromagnetischen Bauteils kann ein entstehender Luftspalt zwischen beiden gering gehalten werden. Dadurch werden Reluktanzen reduziert und der Wirkungsgrad der Energieübertragung weiter erhöht.
-
Unter einer elektrischen Verbindung ist eine lösbare, eine bedingt lösbare oder unlösbare Kontaktierung zwischen zwei elektrisch leitenden Komponenten zu verstehen. Dabei ist die elektrische Verbindung in bevorzugter Form so auszuführen, dass der Übergangswiderstand zwischen beiden elektrischen Komponenten so gering wie möglich ist, um mit einer möglichst geringen Verlustleistung elektrische Energie übertragen zu können.
-
Ein ortsfestes Fixierungselement dient zur Einschränkung der Freiheitsgrade eines Wasserfahrzeuges und gewährleistet somit eine festgelegte Soll-Position des Wasserfahrzeuges im Wasser. Neben der Einschränkung der Freiheitsgrade dient das Fixierungselement zur Konzentration magnetischer Feldlinien, womit eine Funktionsintegration generiert werden kann. Durch die Funktionsintegration kann die Bauteilvielfalt reduziert werden und eine elektromagnetische Wirkverbindung zwischen der Primärspule und des ortsfesten Fixierungselementes erzeugt werden.
-
Für die Entstehung einer elektromagnetischen Wirkverbindung zwischen einem Fixierungselement und einer Primärspule ist ein Stromfluss durch die Primärspule erforderlich. In einer Ausführungsform ist das Fixierungselement mindestens von einer Windung der Primärspule umschließbar. Durch das ferromagnetische Material des Fixierungselementes wird weiterhin eine Fokussierung der magnetischen Feldlinien erreicht, wodurch Streuverluste und somit Wirkungsgradverluste minimiert werden. Unter einer elektromagnetischen Wirkverbindung ist eine durch Stromfluss hervorgerufene magnetische Wechselwirkung zwischen mindestens zwei Körpern zu verstehen. Dabei werden beide Körper wenigstens von einer gemeinsamen magnetischen Feldlinie durchsetzt.
-
Für die folgenden Abschnitte der Beschreibung wird an dieser Stelle ein kartesisches Koordinatensystem eingeführt. Dabei liegt die x-y-Ebene des kartesischen Koordinatensystems in der Bodenfläche eines Landungskörpers. Ein Landungskörper stellt ein Uferbauwerk da, welches als Anlegestelle für Wasserfahrzeuge verwendet werden kann. Die z-Richtung des kartesischen Koordinatensystems zeigt dabei in Richtung des Horizonts.
-
In einer Ausführungsform enthält die Vorrichtung zur Energieübertragung ein ortsfestes Fixierungselement, wobei dieses als I-förmiges Profil ausgeführt sein kann, beispielsweise in Form eines Halbzeugs. Unter einer I-förmigen Ausführungsform sind alle geometrischen Körper zu zählen deren Querschnitte durch ein Polygon und/oder einen näherungsweise kreisförmigen Querschnitt beschrieben werden können. Dabei kann der Querschnitt durch die x-y-Ebene des kartesischen Koordinatensystems beschrieben werden. Ein solcher Querschnitt kann durch bereits standardisierte Fertigungsverfahren produziert werden, wodurch geringe Einkaufskosten erzielbar sind.
-
Weiterhin sind die Abmessungen eines I-förmigen Körpers in einer der Raumrichtungen des kartesischen Koordinatensystems deutlich größer als in den verbleibenden Raumrichtungen, beispielsweise in z-Richtung.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Energieübertragung neben dem ortsfesten Fixierungselement weiterhin ein drehbar gelagertes L-förmiges Profil sowie einen Steg. Dabei kann sowohl der Steg als auch das L-förmige Profil ferromagnetisches Material umfassen.
-
Die geometrische Gestalt eines L-förmigen Profil kann durch eine Kombination zweier zuvor beschriebener I-förmiger Profile ausgebildet werden. Dabei werden die I-förmigen Profile so angeordnet, dass die Vektoren, welche die größte Abmessung des I-förmigen Profils charakterisieren, komplanar zueinander stehen. Weiterhin sind die I-förmigen Profile bevorzugt so anzuordnen, dass ein flächiger Kontakt zwischen beiden Profilen resultiert.
-
Dabei kann die Primärspule in dieser Ausführungsvariante das drehbar gelagerte L-förmige Profil umschließen. Durch einen Stromfluss innerhalb der Primärspule resultiert eine elektromagnetische Wirkverbindung zwischen ortsfestem Fixierungselement, drehbar gelagertem L-förmigen Profil und dem Steg. Dabei kann das L-förmige Profil eine Drehstellung einnehmen, in welcher wenigstens das L-förmige Profil, das Fixierungselement und der Steg einen geschlossenen magnetischen Kreis ausbilden. Durch Ausbildung des geschlossenen magnetischen Kreises kann der magnetische Fluss gezielt zwischen Primär- und Sekundärspule geführt werden, wodurch Streuverluste reduziert werden und der Wirkungsgrad der Energieübertragung weiter erhöht wird.
-
Unter einer drehbaren Lagerung ist, zumindest für einen bestimmten Rotationsbereich, ein uneingeschränkter Rotationsfreiheitsgrad im kartesischen Koordinatensystem zu verstehen, wohingegen verbleibende Rotationsfreiheitsgrade eingeschränkt sind. Dabei ist der uneingeschränkte Rotationsfreiheitsgrad bevorzugt so zu wählen, dass der Vektor der Rotationsachse Kollinearität zur z-Achse des kartesischen Koordinatensystems aufweist.
-
Der Steg dient zur Verbindung des Lagerpunktes des L-förmigen Profils mit dem ortsfesten Fixierungselement. In bevorzugter Ausführungsform kann der Steg als I-förmiges Profil ausgeführt werden. An den Verbindungsstellen des Stegs ist in dieser bevorzugten Ausführungsform ein flächiger Kontakt anzustreben.
-
Die Drehstellung zur Ausbildung eines magnetischen Kreises mit minimalen Reluktanzen resultiert durch Ausrichtung des L-förmigen Profils, sodass der Luftspalt zwischen ortsfestem Fixierungselement und L-förmigen Profil einen Minimalwert einnimmt.
-
Ein magnetischer Kreis ist ein geschlossener Pfad, beziehungsweise ein geschlossener Kreislauf, eines magnetischen Flusses. Für einen geschlossenen Kreislauf muss mindestens eine magnetische Feldlinie die Elemente des magnetischen Kreises durchsetzen. Dabei kann ein magnetischer Kreis ferromagnetische Elemente umfassen, wobei diese bevorzugt eine flächige Verbindungsstelle zueinander aufweisen.
-
Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Material einen lamellierten Metallkern und/oder einen pulvermetallurgischen Metallkern und/oder einen Ferritkern umfasst.
-
Lamellierte Metallkerne umfassen mindestens zwei geschichtete Lagen eines metallischen Bleches, wobei diese vorzugsweise einen flächigen Kontakt zueinander aufweisen. Die Ausführung des ferromagnetischen Materials als Vollmaterial ist bei Metallkernen nicht zielführend. Durch das anliegende sich zeitlich ändernde Magnetfeld resultieren Wirbelströme, welche das Vollmaterial, beziehungsweise den Metallkern erhitzen würden. Zur Vermeidung dieser unerwünschten Erhitzung kann der Metallkern in einer lamellierten Form ausgeführt sein. Durch die Bauform wird die Entstehung der Wirbelströme und somit die unerwünschte Erhitzung reduziert.
-
Pulverkerne werden pulvermetallurgisch aus ferromagnetischem Material und einem organischen und/oder anorganischen elektrisch isolierenden Bindemittel hergestellt. Im Gegensatz zu einem Metallkern aus Vollmaterial, aber auch gegenüber lamellierten Metallkernen weißen Pulverkerne geringere Wirbelstromverluste bei hohen Frequenzen auf, da die Metallkörner zueinander durch das Bindemittel eine besonders hohe elektrische Isolation aufweisen.
-
Ferritkerne umfassen ferrimagnetische Werkstoffe. Durch die Ferritkörner resultiert eine niedrige elektrische Leitfähigkeit. Infolge dessen zeichnen sich Ferritkerne durch geringe Metallkernverluste über einen weiten Frequenzbereich aus.
-
Gemäß der Erfindung wird weiterhin ein Wasserfahrzeug bereitgestellt. Dieses umfasst wenigstens:
- - ein Bordnetz;
- - ein bordseitiges Fixierungselement;
- - eine Sekundärspule die in elektrische Verbindung mit dem Bordnetz und in mechanische
-
Verbindung mit dem bordseitigen Fixierungselement bringbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule in eine elektromagnetische Wirkverbindung mit einem außerbordseitigen Fixierungselement bringbar ist.
-
Durch die elektromagnetische Wirkverbindung der Sekundärspule mit einem außerbordseitigen Fixierungselement können magnetische Feldlinien, welche bei einem Stromfluss durch eine Primärspule resultieren, gebündelt werden. Durch die Bündelung magnetischer Feldlinien werden magnetische Streuverluste verringert und infolge dessen die Durchflutung der Sekundärspule erhöht. In vorteilhafter Weise wird dadurch der Wirkungsgrad des Energieübertragungssystems für Wasserfahrzeuge weiter erhöht.
-
Ein Bordnetz kann elektrische Leitungen und/oder elektrische Verbindungen und/oder elektrische Verbraucher beinhalten. Dabei kann das Bordnetz die Energieversorgung einzelner elektrischer Verbraucher und/oder den Informationsfluss zwischen einzelnen elektrischen Verbrauchern gewährleisten. Ein elektrischer Verbraucher ist eine elektrische Komponente, welche als Eingangsgröße elektrische Energie verwenden kann. Dabei kann innerhalb des elektrischen Verbrauchers eine Energieumwandlung erfolgen, beispielsweise von elektrischer Energie in mechanische Energie.
-
Ein bordseitiges Fixierungselement ist am Wasserfahrzeug angebracht, bevorzugt an Bord des Wasserfahrzeugs. Dabei kann dieses zur Einschränkung der Freiheitsgrade eines Wasserfahrzeuges eingesetzt werden. Das bordseitige Fixierungselement stellt über ein Zwischenelement, beispielsweise ein Seil, eine Kraftleitung zwischen Wasserfahrzeug und außerbordseitigem Fixierungselement her. Dabei dient die Kraftleitung zur Einschränkung der Freiheitsgrade des Wasserfahrzeuges.
-
Eine Sekundärspule ist eine elektrische Komponente, welche wenigstens metallisches Material umfasst, wobei dieses elektrisch leitfähig ist. Dabei besitzt eine Sekundärspule in einer bevorzugten Ausführungsvariante, mindestens eine Windung. Weiterhin kann der Leiterquerschnitt des Spulenmaterials eine beliebige Form einnehmen, bevorzugt eine näherungsweise kreisförmige Form.
-
Durch die Wicklung des Spulenmaterials können beliebige Wicklungsformen der Sekundärspule generiert werden, beispielsweise eine näherungsweise kreisförmige Wicklungsform. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wickelungsform der Spule den Querschnitt des außerbordseitigen Fixierungselementes auf, an welcher diese anbringbar ist. Dabei kann der Querschnitt des außerbordseitigen Fixierungselementes durch ein Polygon und/oder einen näherungsweise kreisförmigen Querschnitt beschrieben werden. Durch die Realisierung eines näherungsweise identischen Querschnittes zwischen der Wicklungsform der Spule und des außerbordseitigen Fixierungselementes kann ein entstehender Luftspalt zwischen beiden gering gehalten werden. Dadurch werden Reluktanzen reduziert und der Wirkungsgrad der Energieübertragung weiter erhöht.
-
Unter einer mechanischen Verbindung können alle Verbindungsarten verstanden werden mit welcher Kraft mechanisch zwischen zwei Elementen übertragbar ist. Dabei kann die mechanische Verbindung als lösbar und/oder unlösbar ausgeführt sein.
-
Ein außerbordseitiges Fixierungselement ist ein Fixierungselement welches sich außerhalb des Wasserfahrzeuges befindet. Dabei kann jedes Fixierungselement verwendet werden, welches zur Einschränkung der Freiheitsgrade eines Wasserfahrzeuges dient. In einer Ausführungsform wird ein Fixierungselement, welches sich an einem Landungskörper befindet, verwendet.
-
Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Wasserfahrzeuges ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule wenigstens:
- - einen Strang zur Energieübertragung;
- - einen Strang zur Kraftübertragung;
umfasst.
-
Ein Strang zur Energieübertragung wird von einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld durchsetzt, welches beispielsweise durch eine Primärspule erzeugt werden kann. Dabei wird innerhalb der Sekundärspule eine Induktionsspannung generiert. Der Strang zur Energieübertragung dient dazu elektrische Verbraucher des Wasserfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.
-
Unter einem Strang zur Kraftübertragung kann jedes Element verstanden werden, welches die Kräfte zwischen Wasserfahrzeug und Landungskörper sicher übertragen kann. Durch die Kraftübertragung können die Freiheitsgrade des Wasserfahrzeugs eingeschränkt werden.
-
Die vorteilhafte Wirkung der Ausführungsvariante liegt in der Funktionsintegration der Energie- und Kraftübertragung in einem einzigen Bauteil. Wobei durch die Funktionsintegration die Bauteilvielfalt reduziert werden kann.
-
Erfindungsgemäß weist das Bordnetz des Wasserfahrzeugs:
- - eine Ladeeinrichtung;
- - einen sekundären Energiespeicher;
- - einen elektrischen Verbraucher;
auf.
-
Wobei das Bordnetz dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - die Sekundärspule in elektrischer Verbindung mit der Ladeeinrichtung und/oder dem elektrischen Verbraucher steht;
- - die Ladeeinrichtung in elektrischer Verbindung mit dem sekundären Energiespeicher steht;
- - die Windungszahlen von Primär- und Sekundärspule gleich oder unterschiedlich sind.
-
Unter einer Ladeeinrichtung ist jede Vorrichtung zu verstehen, welche die Kapazität, also die gespeicherte Ladungsmenge, eines sekundären Energiespeichers erhöhen kann. Eine Ladevorrichtung kann verschiedene elektronische Schaltungen aufweisen, womit unterschiedliche Ladeverfahren realisiert werden können, beispielsweise eine Schnellladung. Weiterhin kann eine Ladeeinrichtung die Spannungsart umwandeln, beispielsweise von Wechselspannung zu Gleichspannung und umgekehrt. Dabei wird eine Ladeeinrichtung an einer Anschlussstelle mit elektrischer Energie versorgt. An einer weiteren Anschlussstelle kann über eine elektrische Verbindung eine elektrische Komponente, bevorzugt ein sekundärer Energiespeicher, angeschlossen werden.
-
Ein sekundärer Energiespeicher ist ein Energiespeicher dessen Ladungsmenge mehrfach durch Entladen reduziert und durch Aufladen erhöht werden kann.
-
Unterschiedliche oder gleiche Windungszahlen zwischen Primär- und Sekundärspule ermöglichen eine Transformation der primärseitigen Spannung auf den Spannungswert des Bordnetzes des Wasserfahrzeugs.
-
Gemäß der Erfindung wird weiterhin ein Energieübertragungssystem bereitgestellt. Dieses umfasst wenigstens:
- - eine Vorrichtung zur Energieübertragung;
- - ein Wasserfahrzeug.
-
Der Erfindungsgegenstand ist dadurch gekennzeichnet, dass das außerbordseitige Fixierungselement des Wasserfahrzeugs das ortsfeste Fixierungselement der Vorrichtung zur Energieübertragung ist.
-
Das Energieübertragungssystem vereint eine Vorrichtung zur Energieübertragung und ein Wasserfahrzeug. Dabei besteht die Besonderheit darin, dass ein gemeinsames ortsfestes Fixierungselement Bestandteil des Wasserfahrzeuges und der Vorrichtung zur Energieübertragung ist.
-
Eine Ausführungsvariante des Energieübertragungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass eine bidirektionale Energieübertragung zwischen der Energieversorgungseinrichtung der Vorrichtung zur Energieübertragung und des sekundären Energiespeichers des Wasserfahrzeugs durchführbar ist.
-
Unter einer bidirektionalen Energieübertragung kann die Übertragung elektrischer Energie zwischen Energieversorgungseinrichtung und sekundärem Energiespeicher verstanden werden. Somit lässt sich das Energieübertragungssystem im Verbund eines intelligenten Stromnetzes („Smart Grid“) betreiben.
-
Gemäß der Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines Energieübertragungssystems bereitgestellt.
-
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
- 1 eine bevorzugte Ausführungsform des Energieübertragungssystems 10, umfassend eine Vorrichtung zur Energieübertragung 30, einen Landungskörper 20 sowie ein Wasserfahrzeug 90.
- 2 - 4 die am magnetischen Kreis beteiligten Komponenten. Dabei zeigt 2 den geöffneten und 3 den geschlossenen magnetischen Kreis, wobei in 3 weiterhin ein Tau 110 und eine Sekundärspule 130 dargestellt wird. Weiterhin bildet 4 eine Draufsicht der 3 ab.
-
1 illustriert eine bevorzugte Ausführungsform eines Energieübertragungssystems 10, umfassend eine Vorrichtung zur Energieübertragung 30, einen Landungskörper 20 sowie ein Wasserfahrzeug 90.
-
Dabei ist das Energieübertragungssystem 10 in zwei Betriebsarten ausführbar. In einer ersten Betriebsart dient eine Energieversorgungseinrichtung 40 zur Bereitstellung elektrischer Energie für die induktive Energieübertragung vom Landungskörper 20 zum Wasserfahrzeug 90. In einer zweiten Betriebsart dient die Energieversorgungseinrichtung 40 zur Speisung eines Energieverteilnetzes, beispielsweise des öffentlichen Stromnetzes, mit elektrischer Energie eines sekundären Energiespeicher 160 des Wasserfahrzeuges 90. Wobei die Energieübertragung elektrischer Energie vom sekundären Energiespeicher 160 zur Energieversorgungseinrichtung 40 und somit zwischen Wasserfahrzeug 90 und Vorrichtung zur Energieübertragung 30 ebenfalls induktiv erfolgt.
-
Unabhängig von der Betriebsart werden die Freiheitsgrade des Wasserfahrzeugs 90 mittels eines Taus 110 eingeschränkt. Die Kraftleitung erfolgt hierbei zwischen einem bordseitigen Fixierungselement 100 des Wasserfahrzeugs 90 und einem am Landungskörper 20 befindlichen Fixierungselement 70. Als Landungskörper kann eine Anlegestelle für Wasserfahrzeuge verstanden werden, in der gezeigten Ausführungsform in Form eines Kais oder Piers. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Klampe als bordseitiges Fixierungselement 100 und ein Poller als Fixierungselement 70 verwendet. Neben dem Tau 110 kann weiterhin eine Sekundärspule 130 zur Einschränkung der Freiheitsgrade verwendet werden, die Kraftleitung erfolgt analog zum Tau 110. Dabei erfolgt die Kraftleitung der Sekundärspule durch einen Strang zur Kraftübertragung, wobei dieser im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch synthetische Fasern, beispielsweise in Form von Dyneema, ausgebildet ist.
-
In einer ersten Betriebsart wird zunächst die Ladung des sekundären Energiespeichers in Form eines Hochvoltspeichers unter Bezugnahme auf 1 erläutert. Die Versorgung des Energieübertragungssystems 10 mit elektrischer Energie erfolgt über die Vorrichtung zur Energieübertragung 30.
-
Die Vorrichtung zur Energieübertragung 30 umfasst die Energieversorgungseinrichtung 40, eine Primärspule 50, ein drehbar gelagertes L-förmiges Profil 60, das Fixierungselement 70 und einen Steg 80.
-
Das drehbar gelagerte L-förmige Profil 60, das Fixierungselement 70 und der Steg 80 umfassen ferromagnetisches Material, wobei dieses in der gezeigten Ausführungsform in Form eines pulvermetallurgisch hergestellten Metallkerns resultiert.
-
Die Energieversorgungseinrichtung 40 kann an einer Anschlussstelle über mehrere Varianten, über eine direkte oder indirekte elektrische Verbindung, mit elektrischer Energie versorgt werden. So kann die elektrische Energie durch direkten Anschluss an ein Energieverteilnetz oder einen mittelbaren Anschluss an ein Energieverteilnetz über eine mobile Ladesäule für Kraftfahrzeuge bereitgestellt werden, wobei beispielsweise das öffentliche Stromnetz als Energieverteilnetz verwendet werden kann.
-
Weiterhin kann die Bereitstellung elektrischer Energie durch eine lokale Energieerzeugung erfolgen. Hierfür kann beispielsweise ein Generator oder eine Windkraftanlage, beziehungsweise ein Offshore- oder Onshore-Windpark verwendet werden, wobei diese in den entsprechenden Figuren nicht dargestellt sind. In beiden Fällen kann die elektrische Energieversorgung in Form von Wechselspannung erfolgen.
-
An einer weiteren Anschlussstelle befindet sich die Primärspule 50, wobei die Verbindung beider Komponenten konduktiv erfolgt und beispielsweise durch eine Schraubverbindung realisiert werden kann. Durch die konduktive Verbindung beider Komponenten resultiert durch die anliegende Wechselspannung ein Stromfluss in der Primärspule 50. Der Stromfluss erzeugt hierbei nach den geltenden physikalischen Gesetzen ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld. Da die Primärspule 50 das drehbar gelagerte L-förmige Profil 60 umschließt wird das generierte Magnetfeld aufgrund des ferromagnetischen Materials verstärkt, weiterhin resultiert eine elektromagnetische Wirkverbindung zwischen der Primärspule 50 und dem L-förmigen Profil 60.
-
Dabei kann das Magnetfeld durch die Ausgangsspannung der Energieversorgungseinrichtung 40 beeinflusst werden, wobei ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld im hochfrequenten Bereich anzustreben ist. Zu den wesentlichen Einflussparametern zählen die Spannungsart, die Spannungshöhe und die Frequenz der Spannung. Für die Variation der Einstellparameter weist die Energieversorgungseinrichtung 40 in diesem Ausführungsbeispiel einen bevorzugten Aufbau auf, zu diesem Aufbau zählt wenigstens ein Gleichrichter, ein Filter, ein Zwischenkreis, ein Wechselrichter und eine Regelelektronik. Die bevorzugte Ausführungsform kann dabei auch auf andere Ausführungsbeispiele angewendet werden.
-
Durch die Anordnung des drehbar gelagerten L-förmigen Profils 60, des Fixierungselements 70 und des Stegs 80 resultiert ein magnetischer Kreis mit minimalen Reluktanzen, sofern der Drehwinkel des L-förmigen Profils 60 so gewählt ist, dass ein Luftspalt 170 zwischen L-förmigem Profil 60 und Fixierungselement 70 den möglichen Minimalwert einnimmt. Aufgrund des magnetischen Kreises resultiert eine Führung und Konzentration magnetischer Feldlinien. Das Fixierungselement 70 wird von der Sekundärspule 130 umschlossen, wodurch die Sekundärspule 130 vom sich zeitlich ändernden Magnetfeld durchsetzt wird.
-
Weiterhin resultiert eine elektromagnetische Wirkverbindung zwischen dem Fixierungselement 70 und der Sekundärspule 130 und somit zwangsläufig auch zwischen der Primärspule 50 und der Sekundärspule 130. Durch die Durchflutung der Sekundärspule 130 wird im Strang zur Energieübertragung der Sekundärspule 130 eine Induktionsspannung induziert. Wobei der Strang zur Energieübertragung im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch metallisches Material aus Kupfer resultiert. Dabei ist die Windungszahl der Sekundärspule 130 so zu wählen, dass die resultierende Induktionsspannung näherungsweise der Spannung eines Bordnetzes 120 des Wasserfahrzeugs 90 entspricht.
-
Die Sekundärspule 130 steht in konduktiver Verbindung mit dem Bordnetz 120 des Wasserfahrzeugs 90 und somit in elektrischer Verbindung mit einem elektrischen Verbraucher 140 und/oder einer Ladeeinrichtung 150.
-
Ein über die Sekundärspule 130 angeschlossener elektrischer Verbraucher 140 kann über die anliegende Wechselspannung betrieben werden. Dabei kann im gezeigten Ausführungsbeispiel unter einem elektrischen Verbraucher beispielsweise ein Bordinstrument, eine Beleuchtungseinrichtung in Form eines Scheinwerfers, eine Klimaanlage, eine Steuerungseinrichtung, eine Kühleinrichtung in Form eines Kühl- und/oder Gefrierschrankes verstanden werden, wobei diese in den Figuren nicht dargestellt sind. Alternativ kann der elektrische Verbraucher 140 durch Verwendung eines internen Gleichrichters mit Gleichspannung betrieben werden.
-
Die Ladeeinrichtung 150 dient in der vorliegenden Betriebsart zur Erhöhung der Ladungsmenge des sekundären Energiespeichers 160. Dabei wird die Ladeeinrichtung 150 über eine Anschlussstelle mit elektrischer Energie von der Sekundärspule 130 versorgt. An einer weiteren Anschlussstelle befindet sich ein sekundärer Energiespeicher 160.
-
Die Ladevorrichtung 150 beinhaltet verschiedene elektronische Schaltungen, womit unterschiedliche Ladeverfahren realisiert werden können, beispielsweise eine Schnellladung. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Realisierung unterschiedlicher Ladeverfahren dadurch erreicht, dass die Ladeeinrichtung einem bevorzugten Aufbau genügt. Zu diesem Aufbau zählt wenigstens ein Gleichrichter, ein Filter, ein Zwischenkreis, ein Wechselrichter und eine Regelelektronik. Die bevorzugte Ausführungsform kann dabei auch auf andere Ausführungsbeispiele angewendet werden.
-
In einer zweiten Betriebsart dient die Energieversorgungseinrichtung 40 der Vorrichtung zur Energieübertragung 30 zur Speisung eines Energieverteilnetzes, beispielsweise des öffentlichen Stromnetzes und/oder eines weiteren elektrischen Verbrauchers, beispielsweise eines weiteren Wasserfahrzeugs und/oder Kraftfahrzeuges, mit elektrischer Energie vom sekundären Energiespeicher 160 des Wasserfahrzeuges 90. Wobei in weiterer elektrischer Verbraucher in Form eines weiteren Wasserfahrzeuges als auch in Form eines weiteren Kraftfahrzeuges in den Figuren nicht dargestellt ist.
-
Die elektrischen Verbindungen des Bordnetzes 120 sind in der 2. Betriebsart analog zur 1. Betriebsart ausgeführt. Im Betrieb versorgt der sekundäre Energiespeicher 160 die Ladeeinrichtung 150 mit elektrischer Energie. Wobei die Ladeeinrichtung 150 die angeschlossene Gleichspannung mittels eines Wechselrichters in Wechselspannung umwandelt. Dadurch wird die Sekundärspule 130 von einem sich zeitlich ändernden Strom durchflossen, wobei dieser ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld erzeugt. Analog zur 1. Betriebsart resultiert eine elektromagnetische Verbindung zwischen der Sekundärspule 130 und der Primärspule 50. Durch das sich zeitlich ändernde Magnetfeld wird in der Primärspule 50 eine Induktionsspannung erzeugt, welche in der Energieversorgungseinrichtung 40 auf die Spannungshöhe und Frequenz der Netzfrequenz des zu speisenden Energieverteilnetzes umgewandelt wird. Zuletzt erfolgt die Speisung eines Energieverteilnetzes, beispielsweise des öffentlichen Stromnetzes, mit der zuvor umgewandelten Induktionsspannung.
-
2 zeigt das in 1 beschriebene Ausführungsbeispiel mit geöffnetem magnetischen Kreis. In diesem Ausführungsbeispiel sind das drehbar gelagerte L-förmige Profils 60, das Fixierungselement 70 und der Steg 80 Bestandteile eines magnetischen Kreises. Die gezeigte Drehstellung des L-förmigen Profils 60 dient zur Befestigung des Taus 110 am Fixierungselement 70. Weiterhin kann die Sekundärspule 130 am Fixierungselement 70 angebracht werden.
-
3 stellt den in 2 beschriebenen geöffneten magnetischen Kreis in einem geschlossenen Zustand dar. Dabei wird die Drehstellung des L-förmigen Profil 60 so gewählt, dass der Luftspalt 170 zwischen L-förmigem Profil 60 und Fixierungselement 70 den möglichen Minimalwert einnimmt. Dadurch resultiert ein geschlossener magnetischer Kreis mit minimalen Reluktanzen.
-
4 bildet eine Draufsicht der 3 ab und veranschaulicht den resultierenden Minimalwert des Luftspaltes 170 zwischen L-förmigem Profil 60 und Fixierungselement 70.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Energieübertragungssystem
- 20
- Landungskörper
- 30
- Vorrichtung zur Energieübertragung
- 40
- Energieversorgungseinrichtung
- 50
- Primärspule
- 60
- Drehbar gelagertes L-förmiges Profil
- 70
- Ortsfestes Fixierungselement
- 80
- Steg
- 90
- Wasserfahrzeug
- 100
- Bordseitiges Fixierungselement
- 110
- Tau
- 120
- Bordnetz
- 130
- Sekundärspule
- 140
- Elektrischer Verbraucher
- 150
- Ladeeinrichtung
- 160
- Sekundärer Energiespeicher
- 170
- Luftspalt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- CN 207403894 U [0004]
- CN 110341505 A [0005]
