CN104395131B - 识别导电异体的探测线圈组件、能量传输线圈组件和探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在能量发射线圈(14)的区域中识别导电异体(80)的探测线圈组件(34)，包括至少一个具有至少两个彼此反向的绕组(35，36)的第一多极探测线圈(31，32)。此外提出用于电感的能量传输系统(10)的能量传输线圈组件(13)，其中能量传输线圈组件(13)为了传输能量包括能量传输线圈(14，94)。此外，能量传输线圈组件(13)包括根据本发明的探测线圈组件(34)。此外，提供用于在能量发射线圈(14)的区域中识别导电异体(80)的探测系统(30)。探测系统(30)包括根据本发明的能量传输线圈组件(13)，并且被提供以用于检测要识别的导电异体(80)中的探测信号(54)，其在导电异体(80)中借助能量传输线圈(14)、探测线圈组件(34)或附加的探测发送线圈激励。

Description

识别导电异体的探测线圈组件、能量传输线圈组件和探测 系统

技术领域

本发明涉及一种用于在能量发射线圈的区域中识别导电异体的探测线圈组件。导电异体通常是金属部件。然而基本上，要识别的导电异体也能够包括能导电的非金属原料，例如能导电的液体。

此外，本发明涉及一种用于电感的能量传输系统的能量传输线圈组件，其中，能量传输线圈组件为了传输能量包括能量传输线圈。

另外，本发明涉及一种用于在能量发射线圈的区域中识别导电异体的探测系统。

背景技术

US 2012/0146580 A1描述了一种认证线圈，在其中，多个串联连接的平坦的线圈蜿蜒曲折地布置在平面上。

JP 2006060909 A描述了一种用于在变压器中识别异体的装置。

US 2012/0049850 A1描述了一种具有彼此反向的绕组的串联连接的金属探测线圈。

US 2004/0260174描述了一种具有梯度仪布置的金属探测装置，梯度仪布置具有多个金属探测线圈，其分别具有两个彼此反向的绕组。

US 3,758,849 A描述了一种金属探测系统。

US 2007/0228833 A1描述了一种具有用于识别寄生负载的功能的电感的功率传输系统。

US 2009/0001932 A1描述了一种具有用于识别异体的功能的无接触的功率传输系统。

补充公开的出版物DE 10 2011 015 980 A1和DE 10 2011 105 063 A1描述了一种具有用于在电感的传输路径中识别异体的功能的、用于无接触第传输能量的系统。

为了为电动车辆的蓄电池充电(又或者放电)，发展了电感作用的功率传输系统。其由借助于谐振变换器运行的线圈对构成。固定设置在停放区域中的合适的能量发射线圈引导交流电(例如具有例如大概140kHz的频率)，其在可移动的、在车辆底部中或者下面的接收线圈中感应电压。在传输多个千瓦的功率时，以这种方式形成的变压器的间隙(气隙)间的磁通量密度大到为，使得不经意地落在能量发射线圈上的金属部件(车钥匙、指环、饮料罐、包装膜)能够通过涡流或者磁损强烈地加热，并且能够面临甚至熔解的危险。由此不仅导致了功能的损害，也导致了人员的巨大的伤害危险和火灾。

因此需要探测系统，其可靠地检测了在磁场中的干扰的金属对象。原则上其能提供，对通过涡流限制的能量发射线圈的阻抗变化评估。然而在此得出的问题是，通过小的对象只能较少地影响阻抗，但是阻抗强烈地取决于到膨胀的车辆底部和到接收线圈的间距。可替换的探测方法，如光学或者红外线相机、雷达或者超声波，由于缺乏坚固性、对污染的敏感性以及出于成本原因而被质疑。

DE 10 2009 033 237A1描述了用于测量测量电感的阻抗和与测量装置连接的评估装置。优选地设置多个测量电感，其形成均匀的二维的布置，该布置在垂直于磁场的主方向的平面中延伸，该磁场由初级电感生成。因此，不必为每个测量电感实现各自的阻抗测量装置，提出的是，将各个多个测量电感的组联接为整体阻抗。

已知的测量装置位在动力学领域上和在评估的时间上的稳定性上有较高要求。在动力学领域上和在评估的时间上的稳定性上的较高要求能够增加制造成本，并且损害用于识别导电异体的探测系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于，提供用于识别导电异体的探测线圈组件、能量传输线圈组件和探测系统，其在动力学领域上和在评估的时间上的稳定性上有较低要求。

根据本发明，该目的由此实现，即提供用于在能量发射线圈的区域中识别导电异体的探测线圈组件，其中，探测线圈组件包括至少一个具有至少两个彼此反向的绕组的第一多极探测线圈。探测线圈组件包括至少另外一个多极探测线圈，其相对于第一多极探测线圈在横向于主场方向的方向上错开地布置。可选的或附加的，该另外一个多极探测线圈相对于第一多极探测线圈围绕所述主场方向旋转一角度地布置。在两个多极探测线圈之间的空间的偏移在侧向上是多极栅格的四分之一周期或是呈角度的。

由于线圈对的电感的相关性，多极探测线圈的应用基本上有如下可行性方案：

-多极探测线圈能够用于检测借助于其他的线圈所生成的磁场。该其他的线圈能够是单极线圈或者同样是多极线圈。

-多极探测线圈能够用于生成借助于其他的线圈所检测的磁场。该其他的线圈能够是单极线圈或者同样是多极线圈。

-多极探测线圈能够用于生成借助于多极探测线圈自己所检测的磁场。上次提到的可替换方法对应于已知的、开头所述的电感测量方法，补充了根据本发明的特征，即探测线圈具有至少两个彼此反向的绕组。

关于能量传输线圈组件，根据本发明的目的由此来实现，即为电感的能量传输系统提供能量传输线圈组件，其为了传输能量包括能量传输线圈，其中，能量传输线圈组件包括根据本发明的探测线圈组件。能量传输线圈能够是(位置固定或者可移动的)初级线圈或者是(位置固定或者可移动的)次级线圈。

关于探测系统，根据本发明的目的由此来实现，即在能量发射线圈的区域中提供探测系统以用于识别导电异体，其包括根据本发明的能量传输线圈组件，并且对此准备检测要识别的导电异体中的探测信号，其在导电异体中借助于能量传输线圈、探测线圈组件或附加的探测发送线圈来激励。

由此，探测线圈组件包括至少一个具有至少两个彼此反向的绕组的第一多极探测线圈，这至少部分地平衡了对由多极探测线圈包括的磁场的这样的影响，即该影响通过大面积的物件的出现来限定。由此，以多极探测线圈的终端行为的角度至少部分地平衡了对由多极探测线圈包括的磁场的、通过大面积的物件的出现来限定的影响，这简化了多极探测线圈的终端行为的评估和一个或多个小面积的物件的出现的识别。在理想情况下，尽可能地或者完全地平衡通过大面积的物件的出现来限定的、对由多极探测线圈包括的磁场的影响。然后，以最优的方式简化了多极探测线圈的终端行为的评估和一个或多个小面积的物件的出现的识别。

符合目的的是，多极探测线圈设计为雷达的或者笛卡尔的曲折(kartesischer)。当多极探测线圈以大量的、彼此反向的绕组构成时，出现了具有高空间频率的多极场，随着间距增加，该空间频率下落地比用于能量传输的双极场快速地多。借助于这样的磁性的退耦，能够强烈地降低在动力学领域上和在评估的时间上的稳定性上的要求。此外能够避免的是，大面积的、均匀的物件(如车辆底部)在探测接收线圈中生成了电压。探测接收线圈的敏感区域的垂直高度能够通过选择反向运动的导线的水平的间距来调整。

独立于此所具有的优点为，探测线圈组件包括至少另外一个多极探测线圈，其相对于第一多极探测线圈在横向于主场方向的方向上错开地布置，和/或布置成围绕所述主场方向转动一角度。因此，也能够更大概率地识别导电的对象的出现，该导电的对象既部分地位于多极探测线圈的第一极的区域中，又部分地位于多极探测线圈的第二极的区域中。相应地适用于至少两个导电的单个对象的同时出现，其中至少一个对象位于多极探测线圈的第一极的区域中，并且一个对象位于多极探测线圈的第二极的区域中。

能够具有的优点是，两个多极探测线圈之间的空间的偏移是多极栅格的四分之一周期，和/或该角度是合适的角度。因此，包括了两个多极探测线圈的探测线圈组件的空间的解析能力是最大的。

此外能够适用的是，探测线圈组件包括用于生成组合的探测信号的分集接收装置，该组合的探测信号由两个多极探测线圈的探测信号推导出的并且是相位不敏感的。因此能够使用具有两个多极探测线圈的探测线圈组件的空间的解析能力。

能够有利的是，分集接收装置包括整流器，其中，整流器的第一整流器输入端与第一多极探测线圈连接，并且整流器的第二整流器输入端与第二多极探测线圈连接。因此，借助于该措施能够将能包括两个多极探测线圈的电信号概括为一个电信号，并且借助于仅对一个电信号的评估来进行评估。

另一个改进方案在于，分集接收装置包括移相器，其中，移相器的第一输入端与第一多极探测线圈连接，并且移相器的第二输入端与第二多极探测线圈连接。借助于该措施也能够将能包括两个多极探测线圈的电信号概括为一个电信号，并且借助于仅对一个电信号的评估来进行评估。

一个特别优选的改进方案在于，能量传输线圈相对于多极探测线圈磁性地接地。因此，能够在评估探测信号时不加考虑地保持经过能量传输站的能量传输系统的可移动的元件的出现或者不出现，该探测信号由多极探测线圈生成。

此外能够符合目的的是，探测系统被提供用于，在频分复用和/或时分复用中分开地执行异体探测和能量传输。因此，能够避免对异体探测的能量传输的干扰影响。

附图说明

根据附图详细阐述了本发明，其中：

图1示意性地示出根据本发明的探测系统；

图2示意性地示出具有探测发送线圈和探测接收线圈的探测线圈组件的第一实施方式的俯视图；

图3示意性地示出具有探测发送线圈和探测接收线圈的探测线圈组件的第二实施方式的俯视图；

图4示意性地示出具有探测发送线圈和探测接收线圈的探测线圈组件的第三实施方式的俯视图；

图5示意性地示出在运行探测系统期间具有磁场线的第三实施方式的横截面；

图6示意性地示出具有两个平面地彼此上下重叠布置的探测接收线圈的第四实施方式的横截面；

图7示意性地示出在运行探测系统期间具有磁场线的第四实施方式的横截面；

图8示意性地示出用于从由四个探测接收线圈生成的探测信号中生成组合的探测信号的第一电路；

图9示意性地示出用于从由两个探测接收线圈生成的探测信号中生成组合的探测信号的第二电路。

具体实施方式

下面详细阐述的实施例展示了本发明的优选的实施方式。

图1所示的能量传输系统10示出了在不动的、电感的能量传输站11上方的车辆90。为了将能量从固定的电能源12中传输到车辆90，能量传输站11包括：能量发射线圈14，其嵌入到由铁氧体组成的铁轭16中；用于生成交流电压的发送器20；和耦合电容22。能量发射线圈14能够例如是平坦的线圈。为了接收能量发射线圈14借助于可变的磁场51提供的能量，在车辆底部92中布置能量接收线圈94，其嵌入到由铁氧体组成的铁轭96中。能量接收线圈94能够例如是平坦的线圈。为了对车辆电池95充电，能量接收线圈94经由电容97和整流器98连接到车辆连接的充电电路99上。

图1示出了导电异体80，其位于能量传输站11上。借助于能量发射线圈提供的可变化的磁场51在导电异体80中生成涡流。由于涡流，在导电异体80中出现较高的欧姆损耗，这加热了导电异体80。导电异体80(例如钥匙链)能够由于加热而损坏，这损坏了能量传输站11，和/或描述了对接触导电异体80的人员的危险(例如恐慌)。

为了区域中识别在能量传输站11的导电异体的出现，能量传输站11包括探测系统30。探测系统30包括多个探测接收线圈32，32’(见图6)、发送模块12和评估电路36。此外，探测系统30包括探测发送线圈。在图1所示的实施例中，能量发射线圈14不仅应用于辐射要传输的能量，而且应用为探测发送线圈。可替换地，能够将能量接收线圈94应用为探测发送线圈，其中，随后在车辆侧提供探测发送信号。此外存在的可行性方案是，为导电异体80的磁激励设置一个或多个隔开的探测发送线圈，其不应用为能量发射线圈14或者能量接收线圈94。因为在探测接收线圈32中仅存在具有较小电流强度的电流，探测接收线圈32就不需要是小电阻的了，从而在印刷电路板上的细的金属线或印刷电路对此是合适的。总括了多个探测接收线圈32或者探测发送线圈的组件在下面被称为探测线圈组件34。总括了探测线圈组件34和能量发射线圈14或能量接收线圈94的组件在下面被称为能量传输线圈组件13。

在图1的实施方式中，能量发射线圈14应用为探测发送线圈。探测接收线圈32实施为多极绕组。对此，图2到图5示出了可能的结构形式的选择。图2示出了梯度仪、即两个半绕组37，38的结构形式，其串联起来，并且整体上形成梯度仪形状。通常所期望的是，探测接收线圈32的检测区域在垂直方向上下落经过的距离基本上比在梯度仪结构形式中要短。

因此，优选具有多个曲折40或者具有大量曲折40的结构形式。图3对此示出了第一结构形式，其中，探测发送线圈31的绕组圆周与探测接收线圈32的曲折40交叉。图4示出了第二结构形式，其中，探测接收线圈32的曲折40与能量发射线圈14经由其共同直径离开地交叉。

图5示出了在运行探测系统30期间具有铁轭16和磁场线61，62的第三实施方式的横截面。虚线形式的场线61示出了借助于能量发射线圈14生成的场线。实线形式的场线62示出了由探测接收线圈32生成的场线。在此能识别的是，能量发射线圈14仅设计成一个磁极71，同时探测接收线圈32设计成多个磁极72。探测接收线圈32因此是多极线圈。由于探测接收线圈32的曲折形式，多极线圈的单个极72具有大概相同强度的线圈，从而经由多个曲折离开地尽可能地抵消极72的场分量。由此能够实现的是，探测接收线圈32的磁场52不像能量发射线圈14的磁场51那样远地向上延伸。独立于此，也能够因此实现的是，面对能量发射线圈14的探测接收线圈32接地。

如果在概念上将电流输送进探测接收线圈32中，那么就得出磁场52，其在水平方向63上周期地改变其方向。因为相关性，当探测接收线圈32应用为接收线圈的时候，磁场52等价于偶极矩的敏感性，该偶极矩在导电异体80中感应出。在探测磁场52垂直于能量发送磁场51定向的位置，能够出现的情况是，均质的导电异体80(例如金属球)没有感应出探测信号54。在非均质的导电异体80中(例如钥匙或者指环)，在敏感性上得到零，其取决于导电异体80的定向。

出于这种原因，提出了图6以横截面方式所示的第四实施方式，其具有两个探测接收线圈32，32’。探测接收线圈32，32’平面地彼此上下重叠地布置。借助于对探测接收线圈32，32’的探测信号54，54’的评估能够实现的是，也在能量传输站11的区域中识别这样的导电异体80，该导电异体在单独的探测接收线圈32中没有感应出探测信号54。为了在关于控制场方向63方面获得探测接收线圈32，32’的全部的均质的敏感性，所提出的是，布置n个探测接收线圈32，将其大约以分为2n份的曲折周期Λ地错开，其中n是大于1的自然数。

图6和图7示出了在运行探测系统30期间、n等于二的、具有磁场线62，62’的第四实施方式的横截面。

利用探测信号54，54’与单独的探测接收线圈32，32’的简单的相加，在关于控制场方向63方面实现不了探测系统30的均质的敏感性，而是出现新的零。图8示出了用于从由四个探测接收线圈32生成的探测信号54，54’，54”，54”’中生成组合的探测信号55的第一电路。在此，为各自的整流器102，102’，102”，102”’提供探测信号54，54’，54”，54”’中的每个，该整流器为加法器104提供了各个整流的信号。加法器104因此形成了表示了组合的探测信号55的加法结果。利用该电路100，在关于控制场方向63方面实现了探测系统30的均质的敏感性，从而能探测每个导电异体80，其中，探测发送线圈31感应出了涡流。电路100的基础结构基本上应用为大于1的自然数。

图9示意性地示出了用于从由两个探测接收线圈32，32’生成的探测信号54，54’中生成组合的探测信号55的第二电路200。对此，两个探测接收线圈32，32’的探测信号54，54’借助于90°的移相器202聚集在一起，从而探测接收线圈32，32’的(相互的)磁场52设计为圆周或者椭圆极化的旋转场。

组合的探测信号55能够与阙值比较。当超过阙值的时候，能够对此使用该信息，将发送器20关闭，以便以这种方式避免涡流出现在位于能量传输站11上的导电异体80中。

至今所述的探测系统30应用也用于借助于导电异体80激励探测信号54，54的能量发射线圈14的主场51，并且应用用于接收的多极探测线圈32，32’的系统。当在相反的作用方向上运行能量传输系统10，以便将能量从车辆90传输到固定的网络12中的时候，异体80的探测也能够以相同的方式实现。

在利用探测接收线圈32构造低功率的、可变化的磁场52并且利用能量发射线圈12接收器控制信号的情况下，独立与此也能够实现的是，在于该探测方法方面，将发送绕组12和探测接收线圈32的角色互换。对此，能够例如以与能量传输的频率不同的频率运行探测系统30，或者在时间上与能量传输交替地运行探测系统。

Claims (10)

1.一种用于在能量发射线圈(14)的区域中识别导电异体(80)的探测线圈组件(34)，其中所述探测线圈组件(34)包括至少一个具有至少两个彼此反向的绕组(35，36)的第一多极探测线圈(31，32)，所述探测线圈组件(34)包括至少一个第二多极探测线圈(32’)，所述第二多极探测线圈相对于所述第一多极探测线圈(32)在横向于主场方向(64)的方向(63)上错开地布置，和/或围绕所述主场方向(64)转动一角度地布置，

其特征在于，

在所述第一多极探测线圈(32)和所述第二多极探测线圈(32’)之间的空间的偏移(a)在侧向上是多极栅格(Λ)的四分之一周期(Λ/4)或是所述角度。

2.根据权利要求1所述的探测线圈组件(34)，其特征在于，多极探测线圈(31，32)设计为径向的或者笛卡尔的曲折(40)。

3.根据权利要求1或2所述的探测线圈组件(34)，其特征在于，所述探测线圈组件(34)包括用于生成组合的探测信号(55)的分集接收装置(100，200)，所述组合的探测信号由所述第一多极探测线圈(32)和所述第二多极探测线圈(32’)的探测信号(54，54’)推导出并且是相位不敏感的。

4.根据权利要求3所述的探测线圈组件(34)，其特征在于，所述分集接收装置(100)包括整流器(102，102’，102”，102”’)，其中，所述整流器(102)的第一整流器输入端(54)与所述第一多极探测线圈(32)连接，并且所述整流器(102’)的第二整流器输入端(54’)与所述第二多极探测线圈(32’)连接。

5.根据权利要求3所述的探测线圈组件(34)，其特征在于，所述分集接收装置(200)包括移相器(202)，其中，所述移相器(202)的第一输入端(201)与所述第一多极探测线圈(32)连接，并且所述移相器(202)的第二输入端(201’)与所述第二多极探测线圈(32’)连接。

6.根据权利要求4所述的探测线圈组件(34)，其特征在于，所述分集接收装置(200)包括移相器(202)，其中，所述移相器(202)的第一输入端(201)与所述第一多极探测线圈(32)连接，并且所述移相器(202)的第二输入端(201’)与所述第二多极探测线圈(32’)连接。

7.一种用于电感的能量传输系统(10)的能量传输线圈组件(13)，其中，所述能量传输线圈组件(13)为了传输能量包括能量传输线圈，其特征在于，所述能量传输线圈组件(13)包括根据权利要求1至6中的任一项中所述的探测线圈组件(34)。

8.根据权利要求7所述的能量传输线圈组件(13)，其特征在于，所述能量传输线圈相对于多极探测线圈(32)磁性地接地。

9.一种用于在能量发射线圈(14)的区域中识别导电异体(80)的探测系统(30)，其特征在于，所述探测系统(30)包括根据权利要求7或8所述的能量传输线圈组件(13)，并且所述探测系统被提供用于检测在要识别的所述导电异体(80)中的探测信号(54，54’)，所述探测信号在所述导电异体(80)中借助于所述能量传输线圈(14)、探测线圈组件(34)或者附加的探测发送线圈(31)来激励。

10.根据权利要求9所述的探测系统(30)，其特征在于，所述探测系统(30)被提供用于，在频分复用和/或时分复用中分开地执行异体探测和能量传输。