CN107615417B - 具有纤维增强的铁氧体磁芯的感应线圈单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于感应式能量传输的线圈单元(12；112；212)，该线圈单元具有感应线圈(16；116；216)和与所述感应线圈配合作用的铁氧体磁芯(17；117；217)，其中，所述铁氧体磁芯(17；117；217)由纤维增强陶瓷材料制成。此外，本发明涉及一种具有这种线圈单元的机动车和一种用于制造这种线圈单元的方法。

Description

具有纤维增强的铁氧体磁芯的感应线圈单元
技术领域
本发明涉及一种线圈单元、一种具有这种线圈单元的车辆以及一种用于制造这种线圈单元的方法。
背景技术
感应充电系统用于对机动车的电能储存器(例如锂离子蓄电池)进行非接触式充电。为了充电，在其中设置有次级感应线圈的机动车被较长时间置于用作充电装置的初级感应线圈上方，该初级感应线圈发射变化的磁场。
图1示例性示出设置在地面(比如行车道、停车场、车库)上或在地面中的初级线圈单元1和设置在车辆2的底部上的次级线圈单元3。在初级和次级线圈单元之间有空隙。该空隙一方面应当尽可能小，以便实现感应充电系统的高效率，而另一方面应当是大的，从而不构成车辆2的障碍或者在驶过时被车辆2损坏。
图2略详细地示出图1的感应充电系统。在初级线圈单元1和次级线圈单元3中相应设有初级感应线圈4和次级感应线圈5，这两个感应线圈分别围绕一个竖轴线缠绕并且在竖直方向上尽可能扁平地构造，使得这些线圈绕组在水平方向上延伸。初级感应线圈4与次级感应线圈5的结构基本相同，但是竖直镜像对称，其中，初级感应线圈4典型地大于次级感应线圈5。为了引导磁场线设有铁氧体磁芯6。为了保护初级和次级感应线圈4、5，所述线圈分别嵌入由磁中性材料构成的灌封材料7中。
图3示出感应线圈(例如所述初级感应线圈4或者所述次级感应线圈5)的剖开的俯视图。所述线圈例如能够基本成方形或者圆形地缠绕。
图4示出在感应充电系统运行时的场线延伸走向。初级感应线圈4产生磁场，其磁场线在图4中示出。一些场线既穿过初级感应线圈4，又穿过次级感应线圈5，而其它场线仅穿过初级感应线圈4。为了良好的效率，仅穿过初级感应线圈4的场线的比例应当保持尽可能小。这例如通过引导场线的所述铁氧体磁芯6的构造实现。
所述铁氧体磁芯6构成相应线圈单元1、3的重要组成部分，其提高所述感应线圈4、5的感应率和/或使磁场聚焦(fokussiert)/引导磁场。铁氧体是导电性差或者不具有导电能力的陶瓷材料。与传统的陶瓷类似，铁氧体由于其脆性结构被认为是有断裂危险的。制造过程大多基于烧结过程，因此仅能实现简单的形状。为了形成复杂的最终轮廓，可将简单的几何形状相应地相邻排列，例如两个成直角设置的板得到一个直角的构件。
所述现有技术的缺点在于，制造复杂的铁氧体几何结构是不可能的。由于所述材料的脆性断裂特性存在裂纹或裂缝的危险。这种裂纹又会降低感应单元的感应特性和磁特性。特别是在感应充电系统中，感应线圈并且因而铁氧体磁芯也具有较大面积并且同时非常平整。在这种几何结构中，铁氧体的脆性断裂特性是不利的。
发明内容
本发明的任务是，实现一种用于感应式能量传输的线圈单元，该线圈单元提供更好的保护，免受机械性损伤。该任务借助一种用于感应式能量传输的线圈单元和一种用于制造用于感应式能量传输的线圈单元的方法解决。
根据本发明的一个实施例提供用于感应式能量传输的线圈单元，其包括感应线圈和与感应线圈配合作用的铁氧体磁芯，其中，所述铁氧体磁芯由纤维增强陶瓷材料制成。由此可实现一件式的铁氧体磁芯，其特点在于高稳定性。这种铁氧体磁芯的优点在于，即使在大负荷的情况下也保持铁氧体磁芯的磁特性和感应特性。此外，所述铁氧体磁芯在力分布方面可以集成在车辆的承载性的底部结构的内部。此外可以通过降低构件的数量(尤其是在复杂3D结构的情况下)降低制造成本。由于铁氧体磁芯的优化的形状能够期待得到改进的系统特性，即更高的效率、更高的性能等。此外，铁氧体磁芯的鲁棒性延长使用寿命。通过适配的形状此外能够实现重量和构造空间的减小。
根据本发明的一个另外的实施例，在纤维增强陶瓷材料中的纤维是不具有导电能力的或者相互绝缘的。
根据本发明的一个另外的实施例，在纤维增强陶瓷材料中的纤维是碳纤维。
根据本发明的一个另外的实施例，在纤维增强陶瓷材料中的纤维是玻璃纤维。
根据本发明的一个另外的实施例，在陶瓷材料中的纤维是可滑动地嵌入的。
根据本发明的一个另外的实施例，在铁氧体磁芯内部的纤维是单向定向的。
此外，本发明提供一种具有这种线圈单元的车辆。
此外，本发明的实施例提供一种用于制造用于感应式能量传输的线圈单元的方法，包括下列步骤：烧结铁氧体磁芯，其中，在烧结过程期间将纤维压入到陶瓷材料中；提供感应线圈，并将感应线圈相对于铁氧体磁芯固定。通过根据本发明的方法能够实现前面结合根据本发明的装置所述的优点。
附图说明
下面参考附图描述本发明的优选实施例。在附图中：
图1示出现有技术的感应充电系统；
图2更详细地示出图1的感应充电系统；
图3示出图1的感应充电系统的感应线圈的剖开的俯视图；
图4示出在图1的感应充电系统运行时的场线延伸走向；
图5示出具有根据本发明的感应充电系统的车辆；
图6更详细地借助铁氧体磁芯结构的细节示意图示出图5的感应充电系统的线圈单元的第一实施例；
图7更详细地示出图5的感应充电系统的线圈单元的第二实施例；
和
图8更详细地示出图5的感应充电系统的线圈单元的第三实施例。
具体实施方式
图5示意性示出根据本发明的感应充电系统。该感应充电系统包括初级线圈单元10，该初级线圈单元安装在地面11上或地面中，所述地面例如是行车道、停车场、停放面或者如在图5中示出的车库。该初级线圈单元10与设在机动车13上或机动车内的次级线圈单元12配合作用。优选所述次级线圈单元12安装在机动车13的底部。该机动车13具有电能储存器14(优选高压蓄电池，例如锂离子蓄电池)，该电能储存器经由电线15与所述次级线圈单元12电连接并且能够经由所述次级线圈单元感应式地充电。在所述初级线圈单元和次级线圈单元之间留有空隙。为了给能量储存器14充电，所述初级线圈单元10发射变化的磁场。由此通过感应在所述次级线圈单元12中形成为能量储存器14充电所需的充电电流。
下面根据次级线圈单元示例性地描述线圈单元的根据本发明的结构。但这应当仅是示例性的，因为本发明的构思(尤其是铁氧体磁芯的构成)同样也可以应用在初级线圈单元中，即便更稳定的线圈单元的优点在次级线圈单元中更为重要。
图6示出图5的感应充电系统的线圈单元的(尤其是次级线圈单元12的)第一实施例，其包括铁氧体磁芯结构的细节示意图。所述次级线圈单元12包括次级感应线圈16，其绕组围绕作为中心的竖轴线(优选平行于车辆竖轴线，见图2)缠绕。在此，所述绕组在俯视图中基本是方形的或者圆形的形状，其中央是空的。在所述次级线圈单元12的中央设置有铁氧体磁芯17。该铁氧体磁芯与所述次级感应线圈16共同被嵌入在由磁中性材料制成的灌封材料18中。所述铁氧体磁芯17在灌封材料18的内部中在所述次级线圈单元12的朝向所述初级线圈单元10的一侧上延伸，但是在所述次级感应线圈16的绕组的区域中除外，所述绕组被铁氧体磁芯17这样围绕，使得所述次级感应线圈16的绕组的面向所述次级线圈单元10的一侧保持露出。铁氧体磁芯17因此不是平坦地或者板状地构造，而是在所述线圈绕组的外部平坦地构造并且在所述线圈绕组的区域中构成凹腔，所述线圈绕组设置在所述凹腔中，其中，所述凹腔对应所述线圈绕组的形状。铁氧体磁芯17优选是一件式的，即一个连续的、非损坏不可分离的构件。这种成型通过如下方式实现：所述铁氧体磁芯17由纤维增强陶瓷制造。在图6中，局部细节图示出被嵌入到陶瓷材料中的纤维19(作为白线示出并且为了明晰起见，仅一根纤维用附图标记标识)。所述铁氧体磁芯17使用一种唯一的制造方法(尤其是烧结方法)制造。在用于铁氧体磁芯17的烧结方法期间，所述纤维19以近似于最终轮廓的形状被压入到陶瓷材料中。这些被装入的纤维的目的是，使在烧结过程中已经产生的裂纹稳定化，由此防止裂纹扩大并且保持所述铁氧体磁芯17的磁特性和感应特性。此外能够提高相对于以后的机械作用的断裂强度。所述纤维优选是玻璃纤维或者碳纤维。玻璃纤维是不具有导电能力的并且因此不产生可能又导致不符合期望的磁涡流的电流环路。碳纤维是具有导电能力的并且因此必须相互绝缘。铁氧体磁芯17的所有碳纤维各自绝缘和/或组合成直径不大于0.1mm的碳纤维束并且这些碳纤维束相互绝缘。本发明的发明人发现，在直至所述直径的束或者互不接触的各个碳纤维的情况下不会形成磁涡流，因为在具有导电能力的碳纤维的情况下不会形成电流环路。优选所述碳纤维单向定向。例如在铁氧体磁芯17内部的所有纤维可以单向定向，即所述纤维的纵向方向沿着相同方向延伸。此外可能的是，将所述纤维设置在多个层中，其中，同层的纤维单向定向并且相邻两层的纵向方向(例如以90°的角度)相交。通过至少所述相互绝缘不会形成电流环路。所述碳纤维或者束的相互绝缘例如能够通过涂装、涂镀或者包封不具有导电能力的材料实现。所述纤维这样嵌入到陶瓷材料中，使得其相对于所述陶瓷材料是具有滑动能力的。在纤维定向时须注意，所述纤维尽可能垂直于在陶瓷材料中的潜在开裂定向。所述潜在的开裂能够根据可预期的力作用模拟或者计算。
所述次级线圈单元12设置在机动车13的底部20上并且固定在其上。底部20例如可以如示出的那样在次级线圈单元12的区域内留空并且次级线圈单元12能够埋在底部20中，使得次级线圈单元12基本与底部20齐平地在车辆下侧上延伸。基于根据本发明的、稳定的铁氧体磁芯17因此可能的是，所述次级线圈单元12构成所述底部的一部分并且承受力21，尤其是拉应力、压应力和弯曲应力。为了实现该功能，灌封材料18由纤维增强复合材料、例如玻璃纤维复合材料组成。
为了附加的保护，所述次级线圈单元12可以被未示出的壳体结构包围并受到保护。
图7更详细地示出图5的感应充电系统的线圈单元112、尤其是次级线圈单元112的第二实施例。该次级线圈单元112包括与所述次级感应线圈16对应的次级感应线圈116和与所述铁氧体磁芯17对应的铁氧体磁芯117。区别于前述实施例，所述次级线圈单元112不是埋在机动车13的底部中，而是固定在承载元件120上。该承载元件120的尺寸和设计适合于受力。该承载元件120本身可以是机动车13的底部或者可以是附加的、待固定在底部上的构件，例如由铝构成。次级感应线圈116和铁氧体磁芯117嵌入到由磁中性材料组成的灌封材料118中。由于所述灌封材料118在本实施例中必须承受的力小于在第一实施例中的力，因此其能够不太稳定地设计，例如可以放弃纤维增强。所述灌封材料118的较不稳定的实施方案通过附加的覆盖件122补偿，所述覆盖件提供免于机械损伤的保护。所述覆盖件122可以作为简单的盖板或者以壳罩的形式设计。例如所述覆盖件122可以由纤维增强复合材料、例如玻璃纤维复合材料制成。
图8更详细地示出图5的感应充电系统的线圈单元212、尤其是次级线圈单元的第三实施例。该第三实施例大部分对应于第一实施例。因此，为了避免重复，仅描述与第一实施例的区别。区别于第一实施例，铁氧体磁芯217构成有倒圆的角。在现有技术中，通过多个较小的构件的相邻排列实现了较复杂的、不同于扁平形状的形状。由于所述铁氧体磁芯217根据本发明能够构成为一件式的，因此在构成铁氧体磁芯时，这些铁氧体磁芯也可以具有柔韧的并且更好匹配的、具有倒圆的轮廓。
虽然在附图和前面的说明书中详细地示出和描述了本发明，但是该示出和描述应理解为是说明性的或者示例性的，而非局限性的，并且并不故意将本发明局限于已公开的实施例。在不同的从属权利要求中述及了特定的特征，这一直白的事实不应当理解为，这些特征的组合无法得到有利的使用。
附图标记列表
1 初级线圈单元
2 车辆
3 次级线圈单元
4 初级感应线圈
5 次级感应线圈
6 铁氧体磁芯
7 灌封材料
10 初级线圈单元
11 地面
12 次级线圈单元
13 机动车
14 电能储存器
15 电线
16 次级感应线圈
17 铁氧体磁芯
18 灌封材料
19 纤维
20 底部
21 力
112 线圈单元
116 次级感应线圈
117 铁氧体磁芯
118 灌封材料
120 承载元件
122 覆盖件
212 线圈单元
216 次级感应线圈
217 铁氧体磁芯
218 灌封材料
220 底部

Claims (12)

1.用于感应式能量传输的线圈单元(12；112；212)，所述线圈单元具有感应线圈(16；116；216)和与所述感应线圈配合作用的铁氧体磁芯(17；117；217)，其特征在于，所述铁氧体磁芯(17；117；217)由纤维增强陶瓷材料制成。
2.根据权利要求1所述的线圈单元(12；112；212)，其中，在所述纤维增强陶瓷材料中的纤维是不具有导电能力的或者是相互绝缘的。
3.根据权利要求1所述的线圈单元(12；112；212)，其中，在所述纤维增强陶瓷材料中的纤维是碳纤维。
4.根据权利要求2所述的线圈单元(12；112；212)，其中，在所述纤维增强陶瓷材料中的纤维是碳纤维。
5.根据权利要求1所述的线圈单元(12；112；212)，其中，在所述纤维增强陶瓷材料中的纤维是玻璃纤维。
6.根据权利要求2所述的线圈单元(12；112；212)，其中，在所述纤维增强陶瓷材料中的纤维是玻璃纤维。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的线圈单元(12；112；212)，其中，在所述陶瓷材料中的纤维是可滑动地嵌入的。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的线圈单元(12；112；212)，其中，所述纤维在铁氧体磁芯(17；117；217)的内部是单向定向的。
9.具有根据权利要求1至8中任一项所述的线圈单元(12；112；212)的车辆(13)。
10.用于制造用于感应式能量传输的线圈单元(12；112；212)的方法，具有下列步骤：
-烧结铁氧体磁芯(17；117；217)，其中，在烧结过程期间纤维被压入到陶瓷材料中；
-提供感应线圈(16；116；216)，并且
-将所述感应线圈相对于所述铁氧体磁芯固定。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在纤维增强陶瓷材料中的纤维是碳纤维。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，在纤维增强陶瓷材料中的纤维是玻璃纤维。
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