Induktive Energieversorgung von Maschinenwerkzeugen

Ausgangslage

Mit der Weiterentwicklung moderner Werkzeugmaschinen werden weitere Bearbeitungsschritte in den automatisierten Ablauf der Maschinen integriert. Dazu werden die Werkzeuge mit Zusatzmodulen, wie Sensoren oder Aktoren, ausgestattet. Diese Zusatzmodule benötigen eine Versorgungsschnittstelle zwischen Werkzeug und Maschine, die in die Maschinenspindel integriert werden soll.

Ergebnisse

Zur Konzeptfindung wurde zuerst ein Resonanzwandler mit nur einer Übertragungsstrecke betrachtet. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden anschliessend für die Kombination von zwei Übertragungsstrecken in einem Resonanztank genutzt. Dabei wird eine dreifache Serie-Kompensation der Streuinduktivitäten verwendet.
Da es sich bei der verfügbaren Geometrie in der Maschinenspindel um einen Hohlzylinder handelt und die Primär- und Sekundärseite der ersten Übertragungsstrecke relativ zueinander rotieren, wurde eine geeignete Transformator-Topologie ausgearbeitet und anhand von FEM-Simulationen verifiziert. Dabei wurden die Einflüsse der verschiedenen geometrischen Parameter auf die Kopplung und induzierten Verluste im umliegenden Maschinengehäuse aufgezeigt.
Für die Auslegung des Konverters wurden Schaltungs- und Feld-Simulationen zur Bestimmung der auftretenden Ströme und Spannungen sowie Verluste durchgeführt. Durch den Vergleich der erhaltenen Designs und weiteren Iterationen wurde so ein passendes Design evaluiert.
Mit dem aufgebauten Konverter kann die Funktionsweise und das Potential von induktiver Energieversorgung für Maschinenwerkzeugen aufgezeigt werden. Trotz der auftretenden Wirbelstromverluste erfolgt die Energieübertragung mit einem Wirkungsgrad von bis zu 90 % bei einer übertragenen Leistung von 600 W und Ein- und Ausgangsspannung von 48 V.