CN101454957A - 非接触式能量传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于非接触式能量传输的系统，该系统包括至少一个初级导体系统和一包括至少一个与初级导体系统感应耦合的次级绕组的变压器头，其中所述次级绕组包括至少一个扁平电缆(20)，所述扁平电缆具有至少两个并行引导的电导体，所述电导体彼此保持一定间距并且相互绝缘，其中所述次级绕组由分别由所述电导体之一形成的子绕组(41、42)组成，其中每个子绕组(41、42)与所属电容(6)形成其谐振频率基本上与初级电流的中频一致的串联谐振电路。

Description

非接触式能量传输系统
技术领域
本发明涉及一种系统。
背景技术
从DE 44 46 779 C2和WO 92/17929中已知一种用于非接触式能量传输的方法，其中存在弱感应耦合。
从DE 199 29 344 A1中已知了一种由多个并行导体(线)构成的绕组，这些导体经由连接元件彼此连接。
从DE 103 12 284 B4中已知一种变压器(换)头/传输器头其包括一可与初级导体
Figure A200780019557D00052
感应耦合的次级线圈。
从DE 24 451 143中已知一种电变压器，其中使用带状电缆来形成至少两个绕组。
从US 5,500,632中已知一种宽带音频变压器(wide band audiotransformer)。
发明内容
本发明的目的在于，能以较低的费用建造一种系统。
根据本发明，所述目的在根据权利要求1所述特征的系统中得以实现。
本发明在所述系统方面的重要特征是，其设置成用于非接触式能量传输的系统，包括至少一个初级导体系统和一包括至少一个与初级导体系统感应耦合的次级绕组的变压器头，其中所述次级绕组包括至少一个扁平电缆，该扁平电缆具有至少两个并行引导的电导体，所述电导体彼此保持一定距离并且相互绝缘，其中所述次级绕组由分别由所述电导体之一形成的子绕组组成，其中每个子绕组与一所属电容形成一其谐振频率基本上与初级电流的中频一致的串联谐振电路/振荡回路。
其中优点是，不用许多费用即可制造具有许多可串联的子绕组的线圈绕组。因为仅须以扁平电缆构造绕组。对于子绕组的制造不需要其它的费用。扁平电缆使多个导体保持一定间距并可通过(压力)包封注塑或挤出简单而经济地制造。扁平电缆的材料优选包括塑料。可以较快地绕制绕组，因为在缠绕时一次性同时缠绕扁平带的所有导体并因此降低了绕制时的费用。
在一种有利的实施形式中，线圈绕组、亦即次级绕组由两个或多个扁平电缆构成，其中这些扁平电缆由内向外按周期顺序布置。其中优点是，可以以低的费用制造大量的子绕组。此外，扁平带的相邻导体彼此轴向相邻。但在不同扁平电缆中的两个导体的相邻导体径向毗邻地设置。因此在相邻子绕组之间仅产生低的电压。
在一种有利的实施形式中，所述导体是绞合导线，其各根绞线互相绝缘。其中优点是，降低了集肤效应。
在一种有利的实施形式中，每个导体设置成整个线圈绕组的子绕组。其中优点是，导体组合在一扁平电缆中，因此可以快速而简单地制造包括所有子绕组的线圈绕组。
在一种有利的实施形式中，为用于非接触式能量传输的系统设有变压器头，其中该变压器头的壳体围绕包括线圈芯在内的次级线圈以及用于形成与线圈电连接的电容的电容器。
其中优点是，变压器头可作为单元安装并且可为构件设置一共同的散热装置。此外，对于所有构件仅需一个壳体并且这些构件可紧凑地布置并绝缘。另外重要的优点还有，可以简单地抑制特别是在串联谐振电路中出现的高电压或者特别是在并联谐振电路中出现的大电流，并避免在电感和电容之间布设长的电导线，布设长的电导线是复杂并且昂贵的并会增大辐射和损耗。此外，仅设置一条必须传输负载电流和负载电压的连接线通向负载。仅在并联或串联谐振电路内部或由于并联或串联谐振电路而产生的大电流或高电压在空间上保持在变压器头内。因此，所属的技术元件(比如用于强电流的汇流排/触轨和/或用于高电压的绝缘件)布置在变压器头内部，亦即在空间上限制得狭小的区域内。因此这些元件结构能紧凑。此外，变压器头的壳体可用于绝缘并且可用作接触保护。此外，布线——亦即电连接和连接部位——除了连接线外可设置在所述的在空间上限制得狭小的区域内。
在一种有利的实施形式中，在变压器头中设有至少一个电感和电容用作谐振电路、特别是并联或串联谐振电路，其中谐振频率基本上与初级电流的中频一致。其中优点是，可以降低电连接的费用和电磁辐射。
在一种有利的实施形式中，所述壳体由(多个)壳体部件组成，特别是能密封地、可拆卸地连接和/或具有高的防护级。其中优点是，变压器头也可用在湿润环境、潮湿环境或者甚至有水的环境中。通过在变压器头内部的浇注材料/填料能够实现更高的密封性和更好的机械/物理稳定性。
在一种有利的实施形式中，所述线圈芯由铁氧体构造，特别是由多个铁氧体部件、特别是相同的铁氧体部件组成。其中优点是，不同的线圈芯始终能由相同的部件制造。因此可以制造整个结构系列的线圈芯或相应的变压器头，其中仅须储备一种或几种部件。在这种模块系统内可由此实现的大的变化仅需要小的仓储容积和相应低的费用及成本需求。
在一种有利的实施形式中，在壳体内部使用一种、两种或多种铁氧体部件。其中优点是，在费用低的情况下可以在模块系统内产生大的变化。
在一种有利的实施形式中，所述变压器头包括到负载的电连接，可从该变压器头给该负载供电。其中优点是，仅需一根连接线向外通向负载。因此，另外必需的连接元件和连接可以设置在变压器头内部并且可以用浇注材料和/或壳体保护、绝缘和机械固定。
在一种有利的实施形式中，电容器布置在至少一个印制电路板上，该印制电路板的印制导线与次级线圈电连接。其中优点是，可以简单而经济地建立连接。
在一种有利的实施形式中，所述线圈绕组围绕线圈芯并且在线圈的外表面上设有铁氧体板。其中优点是，可以降低杂散场并因此改善效率。
在一种有利的实施形式中，线圈芯构造成U形、C形或E形，特别是所述U、E或C的边在其端部加宽。其中优点是，本发明可以应用在设计不同的线圈芯中并因此也可以应用在不同种类的初级导体布置结构中，如在DE 44 46 779 C2和WO 92/17929中示例性所示的那样。在第一种情况下，馈线大致设置在U的内部。在E形芯的情况下，馈线可设置在前两个边的区域内而回线可设置在后两个边的区域内。
在一种有利的实施形式中，在印制电路板和线圈芯之间设有绝缘体。其中优点是，可实现空间上非常紧凑的布置。
在一种有利的实施形式中，次级线圈由分别与所属的电容构成串联谐振电路的子绕组组成，其中谐振频率基本上与初级电流的中频一致。其中优点是，与仅具有唯一一个电感和唯一一个电容的变压器头的实施形式相比，在串联谐振电路中可以降低产生的电压。在具有由相应的子绕组和所属的、相应匹配的电容构成的谐振电路并联组成的并联谐振电路的类似实施形式中，可相应地减小电流。
在一种有利的实施形式中，所述变压器头包括串联谐振电路的串联电路，所述串联谐振电路包括各自子绕组和相应所属的电容。其中优点是，可以降低在变压器头内部产生的电压并因此可以实现简单的绝缘。
在一种有利的实施形式中，所述变压器头包括串联谐振电路的串联电路，所述串联谐振电路包括子绕组和相应所属的电容。其中优点是，在变压器头中产生的电压，特别是在绕组抽头上，可以保持得低。
在一种有利的实施形式中，所述线圈绕组构造成扁绕组。其中优点是，变压器头可构造成特别紧凑的。
在一种有利的实施形式中，所述壳体由金属、特别是铝构造。其中优点是，杂散场或者说涡流损耗可以保持得低。此外，改善了热量扩散，也就是说，由线圈产生的热量较快地分布在壳体上并因此降低了壳体上的最高温度。此外，金属进一步改善了对从变压器头出来的杂散磁场的屏蔽。因此变压器头甚至能够安装在钢上。
在一种有利的实施形式中，在变压器头的内部设有浇注材料。其中优点是，可以改善电绝缘、机械保持力、防止振动倾向的稳定性以及向周围环境的散热。
在一种有利的实施形式中，线圈绕组的扁平电缆的导线分别构造成绞合线，其中各根绞线相互绝缘，特别是其中扁平电缆是螺旋形或矩形-螺旋形卷绕的扁平电缆。其中优点是，HF绞合线能经济地获得并且可以降低集肤效应的作用。因此，在交流电流的频率在10和100kHz之间的情况下也可实现高的效率。
在一种有利的实施形式中，在每个子绕组后面串联一配设的电容，在该电容后面又串联另一子绕组，其中子绕组在空间上临近布置、特别是相邻。其中优点是，空间上相邻的子绕组彼此间具有小的电压差。因此对所述相邻子绕组之间的绝缘间距的要求低。
在一种有利的实施形式中，每个子绕组串联一配设的电容，在该电容后面又串联另一子绕组，其中第一子绕组配设于第一扁平电缆而所述另一子绕组配设于另一扁平电缆。其中优点是，这两个扁平电缆可以一同卷绕形成线圈。此外，每个扁平电缆有一个末端和一个始端。其中优点是，通过将第一扁平电缆的末端和另一扁平电缆的始端引到一印制电路板上并且电连接，就能快速而简单地将多个子绕组与多个电容连接以及将这些电容再与多个另外的子绕组连接。因此可以快速而简单地建立多个电感和电容的大规模串联电路。
该系统的重要特征是，前述的变压器头沿着伸长的初级导体可移动地设置。其中优点是，可以设置特别紧凑的系统，在该系统中可以从馈电装置给初级导体系统馈电，从该初级导体系统可以非接触地通过弱感应耦合——亦即以大的气隙——给可移动地布置的负载供电。
在一种有利的实施形式中，变压器头沿着伸长的初级导体可移动地设置。其中优点是，可以把能量传输给可移动布置的负载，亦即例如车辆的电驱动装置。
在一种有利的实施形式中，初级导体在线圈绕组的轴线方向上到线圈芯具有距离，该距离小于线圈芯的两个边的间距。其中优点是，尽管初级导体布置在第一平面内、例如布设在底部并且变压器头能在这个平面上方不受干扰地行进，但仍可以实现高的效率。
在一种有利的实施形式中，线圈芯的截面是E形，即中间边和两个外侧边设置在布置在一平面内的背部元件上，特别是其中截面的法线方向在伸长的初级导体的方向上延伸。其中优点是，初级导体可分别设置在外侧边和中间边之间的区域内，但其中初级导体与边具有间距并且在初级导体和连接这些边的部件之间的间距大于每个边的长度。在E形线圈芯的情况下，该部件是E的背部元件。
其它优点由从属权利要求中得出。
具体实施方式
下面根据附图详细阐述本发明。
在图1a中以俯视图、在图1b中以剖视图、在图1c中以斜视图以及在图1d中以分解图示出了按照本发明的装置。
在此涉及所谓的变压器头，其例如可安装在一负载上。负载沿着初级导体可移动地布置，其中由馈电装置把中频交流电流施加到初级导体中。馈电装置优选构造成电流源。
在变压器头中设有所属的、与初级导体感应耦合的次级绕组。该耦合设计成较弱的，亦即经过较大的气隙。但尽管如此，为了在从初级导体系统非接触地向次级绕组传输电功率时仍能实现高的效率，次级绕组如此串联一电容，使得所属的谐振电路具有基本上与中频相当的谐振频率。
该变压器头具有优选由金属如铝制成的壳体1。该壳体围绕基本上E形的线圈芯和围绕该线圈芯的次级绕组20，该次级绕组仅象征性地示出。线圈芯包括铁氧体板(11、21)和铁氧体部件。其中线圈芯的大概形状为E形，其中间边没有加宽。但通过将铁氧体板11放置在外侧两个边的末端上，所述边被在其末端加宽。在此，外侧边由铁氧体部件12实现。中间边通过两个铁氧体部件14和设置其上面的铁氧体板实现。
在壳体1的侧面末端上，铁氧体板21安装在内侧上，其规定用于降低杂散场并进一步改善效率。
在壳体1内部设有由铁氧体磁芯、铁氧体部件和绕组20组成的整个装置。在配备有电容器6的印制电路板5之间设有在图中未示出的绝缘结构。在印制电路板5上设有形成所述电容的电容器6，所述电容分别与次级线圈或其子绕组的电感串联连接。
在此，根据附图在内部设有多个印制电路板。特别是这些印制电路板彼此并行布置。经证明有利的是，沿着两个内侧分别布置两个印制电路板，其中电容器相互背离地布置。
借助于密封件7通过使用螺钉可将壳体板旋紧在壳体1上并可密封连接。事先用浇注材料浇注(铸)内部，由此可改善导热和绝缘。
在壳体1上也设有连接线10的穿通管。因此可以给负载、如电动机或电子电路供电。
截面为E形的线圈芯由多个小的铁氧体板和铁氧体部件组成。因此可以简单、经济而快速地生产不同的几何尺寸和结构。
在另外的实施例中，电容与次级线圈的电感并联而不是串联。
绕组由Hf绞合线——亦即由其相互接触的单个导线例如通过涂漆彼此电绝缘的绞合线——制成。因此降低了损耗。
此外，绞合线构造成扁平带。因此可以在紧凑的空间范围上实现高的效率。
在图1a至1d中仅象征性地示出了绕组20。在按照本发明的有利的实施形式中，绕组20构造成扁绕组、亦即平的同心绕组。其中绕组20总体上呈矩形-螺旋形或椭圆-螺旋形延伸。也就是说，扁平带以大致矩形或椭圆形在一平面内绕制。因此节省结构空间。
在此，绕组20的扁平带包括多个彼此并联并且彼此电绝缘设置的导体。扁平带的衬底材料使导体保持彼此恒定的间距。
扁平带总体看来卷绕成螺旋形。被包括的电导体的末端引到端子排上。从图2中可看到导体的电布线/错接。
铝壳体降低了损耗并因此改善了系统的效率。
初级导体系统包括至少一条伸长的馈线和回线，其属于初级导体系统的封闭回线。二者处于变压器头的外部、亦即特别是在E形线圈芯的外部。其中，这两个导线按照图1a布设在矩形变压器头的较长侧边的方向上。变压器头沿着该导线在直线方向上以一定的距离移动。其中，变压器头配设于有轨车辆或无轨车辆。在后种情况下，为车辆装备能沿直线方向引导车辆的方向控制天线被证明是有利的。
在俯视图中、亦即在根据图1a的观察方向上看，在E形线圈芯的中间边和一个外侧边之间设有馈线。在E形线圈芯的中间边和另一外侧边之间设有回线。但如上所述，在观察方向上在线圈芯和馈线与回线之间设有一间距。但该间距小于边间距、亦即从E的中间边到外侧边的间距。
在另外的按照本发明的实施例中，次级线圈的绕组20由子绕组(41、42)组成，其中每个子绕组(41、42)后面串联一电容以降低在次级线圈连接端上、因而还有在连接线10中出现的峰值电压。因此次级电流流经第一子绕组41，然后流入配设的第一电容。此后，该电流流经第二绕组42，继而流入配设的第二电容。这一直延续到后面的电容。其中如此确定每个电感和所配设的电容的参数，使得所属的谐振频率基本上与中频一致。印制电路板特别适合于在子绕组和电容器之间以简单而经济的方式实施连接。在这种情况下，每个子绕组是一个扁绕组。
在另外的按照本发明的实施例中，通过串联和/或并联多个电容器实现电容之一或电容。
在另外的按照本发明的实施例中，代替基本上E形的线圈芯，也可以应用U形、C形或其它形状的铁氧体磁芯。
在图2中示出子绕组(41、42)的线路电感作为子绕组(41、42)的象征性图示并且以相应的附图标记(41、42)表示。
次级绕组20由一扁平带制成，其中该扁平带包括六个并排布置的、可称为子绕组(41、42)的绞合导线。绞合导线特别是彼此并行地保持和设置在扁平带中，使得在相对于导线方向的横向上的间距彼此恒定。其中这种保持通过绝缘塑料实现，该绝缘塑料可例如借助于压力注塑包封或挤压围绕绞合导线地制成。此外，扁平带(图2的带1)与另一个同样包括六个并排布置的绞合导线的扁平带(图2的带2)共同绕制。这两个扁平带(带1、带2)可以说彼此重叠地如此堆叠，即这两个扁平带在从里向外绕制后交替设置。扁平带(图2的带1)包括导体41作为子绕组。扁平带(图2的带2)包括导体42作为子绕组。
正如图2所示，在每个扁平带(图2的带1、带2)中的每个绞合导线规定为一个子绕组(41、42)，其中在图2中象征性示出了具有所属线路电感的各绞合导线。在此，如上所述，在每个子绕组(41、42)的电感之间串联一各自的电容。因此可以建立由电容器和绞合导线形成的谐振电路，不必设置附加的电感。在图2中，在电容器的上面扁平带借助于其绞合导线段电感41表示为带1，在下面扁平带借助于其绞合导线段电感42表示为带2。
在此，在第一扁平带(图2的带1)中的具有第一绞合导线的第一子绕组41——通过具有所属线路电感41的绞合导线段表示——的后面连接一电容器，在该电容器的后面是在第二扁平带中的具有第一绞合导线的第一子绕组42。在连接在该子绕组后面的电容之后连接有在第一扁平带(图2的带2)中的以第二绞合导线构造的第二子绕组。在其后面的电容的下游又连接有在第二扁平带(图2的带2)中的以第二绞合导线构造的第二子绕组。以这样的方式继续构造。其中，如此选择和布置绞合导线的顺序，使得彼此相继的子绕组在空间上相邻。因此降低了电压差。此外能不费事地实现其中设有多个子绕组的线圈绕组。
根据图2的绕制方式的另一优点是，第一扁平电缆(在图2中的带1)的第一末端可在第一印制电路板31上电连接在该印制电路板的印制导线上。在同一印制电路板31上可以连接第二扁平电缆(在图2中的带2)的第二末端。因此，在各自末端之间可以连接第一组电容器。
这两个扁平电缆(在图2中的带1和带2)的另外两个末端类似地在第二印制电路板32上与第二组电容器连接。
扁平电缆全部绕制成扁绕组。因此，在扁平带中保持在一起的导体平行地上下重叠，其中绕组在该方向上的宽度基本上由扁平带的宽度确定。
在图3中对于示例性的匝数3/2详细阐述了在图1a至1d中仅象征性示出的绕组20和在图2中仅在电路技术上以电感示出的绕组20。
扁平带1的并行导体41的末端在其各自的第一末端与端子排301连接，而在其另外的末端与端子排302连接。端子排包括用于各自的扁平带的各导体的连接装置，因此各自的导体与配设给它们的电容连接。同样扁平带2的导体的末端与端子排303和304连接。
端子排301和303配设给第一印制电路板31并且设置在该印制电路板上。
端子排302和304配设给第二印制电路板32并且设置在该印制电路板上。
在另外的按照本发明的实施例中，可以建立另外的匝数来代替3/2，特别是11/2、13/2或甚至15/2。这特别适用于在10和100安培之间的初级导体电流和从绕组接收的在300瓦到3kW之间的最大功率。
附图标记表：
1  壳体
5  印制电路板
6  电容器
7  密封件
8  壳体板
10 连接线
11 铁氧体板
12 铁氧体部件
13 铁氧体板
14 铁氧体部件
15  铁氧体板
20  绞合扁平带绕组
21  侧面的铁氧体板
31  第一印制电路板
32  第二印制电路板
41  被包括的绞合导线段的、具有所属线路电感的扁平电缆
42  被包括的绞合导线段的、具有所属线路电感的扁平电缆
301 端子排
302 端子排
303 端子排
304 端子排
带1 扁平电缆
带2 扁平电缆

Claims (21)

1.一种用于非接触式能量传输的系统，包括至少一个初级导体系统和一包括至少一个与该初级导体系统感应耦合的次级绕组的变压器头，其特征在于，所述次级绕组包括至少一个扁平电缆(20)，该扁平电缆具有至少两个并行引导的电导体，该电导体彼此保持一定间距并且相互绝缘，其中所述次级绕组由分别由所述电导体之一形成的子绕组(41、42)组成，其中每个子绕组(41、42)与所属电容(6)形成谐振频率基本上与初级电流的中频一致的串联谐振电路。
2.按照上述权利要求中至少一项所述的系统，其特征在于，所述串联谐振电路设置成被变压器头包括的串联电路。
3.按照上述权利要求中至少一项所述的系统，其特征在于，所述次级绕组由两个或多个扁平电缆(20)构造，其中所述扁平电缆从内向外按周期顺序交替布置。
4.按照上述权利要求中至少一项所述的系统，其特征在于，所述电导体是绞合导线，其各绞线相互绝缘。
5.按照上述权利要求中至少一项所述的系统，其特征在于，所述次级绕组连同其线圈芯(11-15)以及用于形成与所述次级绕组电连接的电容的电容器(6)被壳体(1)围绕。
6.按照权利要求5所述的系统，其特征在于，所述壳体由壳体部件(8)组成，特别是能密封地、可拆卸地连接和/或具有高的防护级。
7.按照权利要求5至6中至少一项所述的系统，其特征在于，所述线圈芯由铁氧体构造，特别是由多个铁氧体部件(11、12、13、14、15)、特别是相同的铁氧体部件(13、15)组成。
8.按照权利要求7所述的系统，其特征在于，应用一种、两种或多种铁氧体部件(11、12、13、14、15)、特别是彼此粘合连接的铁氧体部件。
9.按照上述权利要求中至少一项所述的系统，其特征在于，所述变压器头包括到负载的电连接(10)，从该变压器头能给该负载供电。
10.按照权利要求5至9中至少一项所述的系统，其特征在于，电容器(6)布置在至少一个印制电路板(5)上，该印制电路板的印制导线与次级绕组电连接。
11.按照权利要求5至10中至少一项所述的系统，其特征在于，所述次级绕组围绕所述线圈芯，在所述次级绕组的外表面上设有用于降低杂散场的铁氧体板(11)。
12.按照权利要求5至11中至少一项所述的系统，其特征在于，所述线圈芯构造成U形、C形或E形，特别是所述U、E或C的边在其端部加宽。
13.按照权利要求5至12中至少一项所述的系统，其特征在于，在印制电路板(5)之间或在印制电路板(5)和线圈芯之间设有绝缘体。
14.按照权利要求5至13中至少一项所述的系统，其特征在于，所述壳体(1)由金属、特别是铝构造。
15.按照权利要求5至14中至少一项所述的系统，其特征在于，在壳体(1)内部设有浇注材料。
16.按照上述权利要求中至少一项所述的系统，其特征在于，所述至少一个扁平电缆(20)螺旋形或矩形-螺旋形地卷绕。
17.按照上述权利要求中至少一个项所述的系统，其特征在于，在每个配设于第一子绕组(41)的电容(6)后面串联另一子绕组(42)，其中子绕组(41、42)在空间上彼此临近布置、特别是相邻。
18.按照权利要求1至16中至少一项所述的系统，其特征在于，在每个配设于第一子绕组(41)的电容后面串联另一子绕组(42)，其中第一子绕组(41)配设于第一扁平电缆(20)而所述的另一子绕组(42)配设于另一扁平电缆(20)。
19.按照上述权利要求中至少一项所述的系统，其特征在于，所述变压器头沿着伸长的初级导体、特别是馈线和回线可移动地设置。
20.按照权利要求18所述的系统，其特征在于，所述初级导体在次级绕组的轴线的方向上到线圈芯(11-15)具有距离，该距离小于线圈芯的两个边(12、14)的间距。
21.按照权利要求18-19中至少一项所述的系统，其特征在于，线圈芯的截面是E形，即中间边(14)和两个外侧边(12)设置在布置在一平面内的背部元件(13)上，特别是其中线圈芯(11-15)的截面的法线方向在伸长的初级导体的方向上延伸。
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