CN113228463A - 在导体装置内减少电磁相互作用的感应功率传输 - Google Patents

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Abstract

在导体装置内减少电磁相互作用的感应功率传输。本发明涉及一种用于感应功率传输的导体装置(90)，所述导体装置(90)包括至少三个线圈(92、94)，所述线圈沿着纵轴(LO)布置并且由至少一个导体形成，所述导体装置(90)包括至少两个彼此相对布置的绕组头(W)，并且在其中每个线圈(92、94)的导体部分沿着彼此以及沿着纵轴(LO)延伸，在两个绕组头(W)中的至少一个绕组头(W)内，沿纵轴(LO)延伸的第一和第二线圈(92)的导体部分彼此以第一距离(D1)布置，第一距离(D1)等于或大于零，并且沿着纵轴(LO)延伸的第三线圈(94)的导体部分布置在距第一和第二线圈(92)的所述导体部分的第二距离(D2)处，第二距离(D2)大于第一距离(D1)。此外，本发明涉及感应功率传输装置(100)和提供用于感应功率传输的导体装置(90)的方法。

Description

在导体装置内减少电磁相互作用的感应功率传输
本发明涉及导体装置、感应功率传输装置和感应功率传输的方法，特别是减少电磁相互作用的感应功率传输的方法。本发明特别涉及感应功率传输到车辆的领域。车辆可以是陆地车辆，例如公路车辆(例如汽车、卡车或公共汽车)或有轨车辆，例如火车或有轨电车。
电动车辆，特别是有轨车辆，和/或公路汽车，可以通过电能来工作，其中该电能通过感应电力传输进行传输。这种车辆可包括电路布置，该电路布置可以是车辆的牵引系统或牵引系统的一部分，包括适于接收交变电磁场并通过电磁感应产生交流电流的接收装置。此外，这种车辆可以包括适于将交流电转换为直流电的整流器。直流电可用于为牵引电池充电或使电机工作。在后一种情况下，可以通过逆变器将直流电转换为交流电。
感应功率传输使用两组绕组进行，例如三相绕组。第一组安装在地面上(初级绕组)，可由路旁功率转换器(WPC)供电。第二组绕组(次级绕组)安装在车辆上。例如，对于一些货车下方的有轨电车，第二组绕组可以连接在车辆下方。第二组绕组或通常的次级侧通常被称为拾取装置或接收器。第一组绕组和第二组绕组构成高频变压器，以将电能传输到车辆。这可以在静态(车辆没有移动时)和动态状态下(车辆移动时)完成。
第一绕组和第二绕组中的每一个代表可由多个线圈形成的导体装置。每个导体装置并且尤其是每个线圈可以由电导体(例如电缆)形成，该电导体也可以被称为相线。
由于初级绕组和次级绕组之间存在较大的间隙，使得形成的变压器的操作行为不同于具有封闭磁芯且气隙很小或可忽略不计的常规变压器的行为。较大的气隙会导致互感耦合较小和漏电感较大。
漏电感通常作为与相应导体装置的每个线圈的串联电感。为了能够传输高功率电平，有必要使用足够的电容来补偿在工作频率(例如千赫)下电感器的电抗。对于高频变压器的次级侧，电感(其包括主电感或互感和/或漏电感)和电容(其可以包括补偿电容)的组合形成谐振电路。如果选择电感和电容的阻抗值使得谐振电路的自然谐振频率等于工作频率，就会发生完美的阻抗消除。据说这样的谐振电路是可调谐的。分别调谐电路的示例可以例如在申请人先前公开的专利GB 2507533 A中找到。
在导体装置内存在多个线圈的情况下，每个线圈可以包括各自的补偿电容，通常希望每个线圈形成调谐谐振电路。具体地，所述线圈应该被调谐到相同的工作频率，或者更一般地，应该能够在共同的工作点上工作。
首先，这可能难以实现，因为线圈通常在导体装置内彼此靠近地布置，线圈之间存在电磁相互作用。应当注意，由于线圈的磁场彼此相互影响，这种电磁相互作用可能特别涉及和/或导致线圈电感的差异。
此外，由于温度变化和/或老化，补偿电容的容差会增加，从而改变由每个线圈形成的谐振电路的谐振频率。特别是当线圈彼此不同时，例如就每个电路中的补偿电容而言，这可能会对每个电路的谐振行为产生不同的影响，从而导致谐振电路的失谐。因此，改变的谐振频率可能不再对应于工作频率以及其他电路的谐振频率。这种失谐偏离了感应功率传输系统的整体性能和功率传输能力。此外，反射到变压器初级侧的次级侧的阻抗可能变为电容性。这会导致相对于WPC中的电压的超前电流，这是非常不希望的，因为超前电流消除了半导体开关的软开关条件并显着增加了它们的功率损耗。在这种工作条件下，WPC可能会过热并关闭，从而中断所需的功率传输。
因此，本发明的一个目的是提高初级或次级导体装置的可操作性，特别是在实现期望的谐振行为方面的可操作性。
本文所附独立权利要求中定义的技术方案解决了该目的。在从属权利要求中定义了有利的实施方案。应当注意，如果没有提及或另外说明，则本说明书的上述介绍部分中提到的特征也可以单独地或以其任意组合提供在当前公开的解决方案中。
根据本发明的基本构思，本文提出了限制用于感应功率传输的导体装置的线圈之间不期望的电磁相互作用的技术方案。换言之，本发明能够实现至少一些线圈的至少部分电磁去耦。因此，线圈的电感可以保持在相似的水平。这样，可以实现电路的相似工作点和谐振频率。
此外，发明人已经观察到，鉴于导体装置的线圈之间的电磁相互作用，上述失谐尤其产生反效果。具体地，在一个线圈经历相对强的失谐的情况下，这可能通过电磁相互作用影响其他线圈，从而导致整个导体装置的进一步失谐。由于在本发明的帮助下限制了所述交互，因此可以限制或甚至阻止这种情况。
可以通过增加至少一个线圈周围的磁导率来实现去耦，使得由所述线圈产生的电磁场可以集中在其附近和/或可以以期望的方式引导，以限制对其他线圈的影响。例如，通过产生有限长度的闭合场线，可以将电磁场，特别是其磁通量保持在靠近其起源的线圈。
或者，这可以通过降低线圈周围的磁导率来实现(例如通过提供显着的气隙)，从而限制所述线圈的磁通量可能影响相邻线圈的程度(例如不容易转递或者无法到达)。例如，线圈到其他线圈的距离可以在至少一个方向上局部增加。根据一些实施方案，该距离可用于将可磁化材料定位在所得间隙中以实现上述的增加磁导率。这样，通过结合上述两种渗透性策略的优点，可以特别可靠地防止不需要的相互作用。
应当注意，在此上下文中，磁导率可被理解为线圈周围支持形成和/或扩展源自相应相邻线圈的磁场的能力。
通过这样限制线圈之间的电磁相互作用，可以限制失谐的风险，并且通常可以更容易地为所有线圈保持共同的工作点。特别地，一旦一个线圈受到老化或温度影响，任何线圈的不可控失谐的风险可能是有限的。
据进一步发现，在所谓的绕组头中引入上述措施特别有效，例如因为这些区域中的线圈很接近。此外，绕组头中的磁通量可能更大，例如是导体装置的中心部分(即包含下面讨论的有源部分的部分)的3到5倍。这可能是由于绕组头处铁氧体或其他可磁化材料的浓度较高所致，例如由于在该区域提供已知的电磁屏蔽组件。因此，当提供用于在绕组头的区域中将线圈彼此电磁去耦的本发明措施时，可以特别好地限制失谐。
更具体地，本文建议了用于感应功率传输的导体装置(例如感应功率传输至陆地车辆，例如火车或公路车辆)。导体装置包括至少三个线圈，所述线圈沿纵轴布置(例如，彼此相邻)并且由至少一个导体形成(优选地，每个线圈由一个单独的导体形成)，导体装置包括至少两个彼此相对布置的绕组头，并且在其中每个线圈的导体部分沿着彼此以及沿着纵轴延伸，在两个(或每个)绕组头中的至少一个绕组头内，沿纵轴延伸的第一线圈和第二线圈的导体部分彼此以第一距离布置，第一距离等于或大于零，并且沿着纵轴延伸的第三线圈的导体部分布置在据另外的导体部分(即，沿着纵轴延伸的第一和第二线圈的导体部分)的第二距离处，第二距离大于第一距离。
换言之，第一和第二线圈的导体部分被定位成比第三线圈的导体部分更靠近彼此。第二距离可以彼此相等并且通常不为零。如果在下文中仅以单数形式提及第二距离，如果没有提及或另有说明，则可能涉及两个第二距离。作为定义两个第二距离的替代方案，第二距离可以定义为涉及第一和第三线圈之间的距离，而第三距离可以涉及第二和第三线圈之间的距离，这些距离也大于第一距离。
换言之，导体部分中的两个(第一和第二线圈的导体部分)可以彼此靠近或甚至沿定义的轴(第一距离)位于相同位置，而另一导体部分(第三线圈的导体部分)被定位为与第一距离相比更大的距离的位置。应注意，所述另一导体部分到第一和第二线圈的任何导体部分的距离可以大于所述第一距离。
第二距离可为第一距离的至少1.5倍或第一距离的至少两倍、至少、至少五倍、至少十倍或多达二十倍。附加地或替代地，第一距离可以小于绕组头内的线圈的纵向部分的长度的10％、小于5％或小于2％，并且第二距离可以大于该长度(例如，所述第一距离的1.5倍)。
通常，可以选择第一距离和第二距离以使线圈的特性相当(例如，通过相应地限制不期望的相互作用)。这样的特性可以是感应电流的电感、谐振行为、振幅和/或频率等。在该上下文中，距其余线圈具有较大第二距离的线圈可以是暴露于与其他线圈的最多和/或最大相互作用的线圈，例如位于它们之间(见下文)。
应注意，在本公开中，如果涉及线圈的导体部分，特别是绕组头内的线圈导体部分，这通常可能涉及沿纵轴延伸的导体部分，即使这可能没有在以下每种情况中提到。因此，当在下面提及绕组头内的导体部分时，可以不考虑可能包括在绕组头中或至少通向绕组头的横向导体部分。
此外，这种导体部分沿纵轴的延伸不限于(但可以任选地)平行于所述轴的直线延伸，而是，导体部分可以被认为是沿着所述轴延伸，只要其延伸的一个方向分量(例如，矢量)并且优选主要的方向分量沿着所述轴延伸。这涉及例如绕组头内导体部分的椭圆形线圈或一般弯曲延伸。因此，只要导体部分不沿垂直于纵轴延伸的横轴延伸(或仅延伸到较小的主导程度)，就可以认为导体部分沿纵轴延伸。同样，当其连接沿纵轴彼此间隔开的两个导体部分和/或线圈的两个区域时，可以认为任何导体部分沿纵轴延伸。即使对于在待连接的部分或区域之间延伸的导体部分的确切路线或延伸，这也可能是有效的。
绕组头通常可以是其中线圈的延伸方向被反转的区域，例如从缠绕方向看时反向。例如，导体可以进入向上延伸的绕组头并且离开向下延伸朝向相对的绕组头的绕组头。
线圈也可称为相绕组或导体装置的极。一般而言，线圈可包括由导体形成的至少一个完全闭合或大部分闭合的环或绕组。例如，环或线圈的开口角度可以等于或小于90°，因此在很大程度上闭合。线圈可包括多个完全闭合或大部分闭合的匝(例如，每个线圈至少两个)。所述匝的开口角度或开口部分可被定位成彼此不重叠(例如定位在线圈的不同侧，优选相对侧)。
线圈可以由导体形成。优选地，至少一些线圈(优选所有线圈)由单独的导体形成(即每个线圈一个导体)。导体也可以被称为相线和/或可以是电缆。通常，每个线圈可以产生交流三相电流的一个相(次级侧)或由交流三相电流的一个相操作(初级侧)。
导体装置具有纵轴并且优选地具有以一定角度延伸的横轴，例如所述横轴垂直于所述纵轴。两个轴都可以在其中形成有至少一个线圈的平面内延伸或平行于该平面延伸。应注意，“其中形成有线圈的平面”可以涉及其中形成有线圈的任何主平面，例如平面包括至少50％的区域被线圈覆盖或包围和/或包括至少50％的所述线圈的导体长度。附加地或替代地，上面引用的表达可以涉及在绕组头之间延伸的线圈平面和/或包括线圈的有源部分的线圈平面，以下进一步详细讨论。
线圈可沿纵轴彼此并排布置(例如，当沿所述纵轴观察导体装置时)，或者换言之，可沿纵轴相对于彼此移位。这可以包括存在于至少一些线圈之间的距离、间距或空间。然而，优选地，线圈至少部分地彼此重叠，使得沿着纵轴彼此相邻布置也可以包括部分重叠，只要当沿着所述轴观察时，线圈次序明显。优选地，沿着横轴不存在线圈的相应位移。
通常，线圈的中心(例如几何中心和/或由线圈包围的区域的中心)可以沿着纵轴彼此相邻地布置，但是优选地在它们之间具有一定距离。所述距离可以等于沿纵轴的两个相邻线圈中的至少一个的尺寸的至少四分之一，例如为所述尺寸的大约一半或三分之一。此外，各个中心优选地沿着共同的直线布置，该共同的直线优选地与纵轴一致或沿着纵轴延伸。
每个线圈可以以矩形或椭圆形方式成形并且优选地每个线圈具有相同的尺寸和/或形状。每个线圈可以具有彼此相对布置和/或平行布置的两对部分，一对是绕组头的一部分，而另一对是所谓的有源部分。附加地或替代地，每个线圈可以具有两个(比较)长的部分和两个(比较)短的部分，较长的部分优选地彼此相对地和/或平行地延伸，优选地这也适用于较短的部分。较长的部分可以是有源部分，而较短的部分可以是绕组头的一部分。
线圈的有源部分可以限定或支配线圈关于感应功率传输的特性。附加地或替代地，有源部分可以被配置为在感应功率传输期间通过与另外的导体装置(例如定位在初级侧和次级侧中相应的另一个)相互作用(和/或协作)来产生谐振电磁场。通常，有源部分可以由线圈的较长部分和/或线圈的所谓极支路的至少一部分形成或提供。有源部分可以沿着导体装置的横轴延伸和/或由沿着导体装置的纵轴延伸的另外的部分(较短的绕组头)连接。
总而言之，每个线圈因此可以具有沿着和/或平行于纵轴和横轴之一延伸的部分或段(特别是沿着纵轴的两个部分和沿着横轴的两个部分)。平行于横轴延伸的部分也可以称为有源部分。横轴优选地与纵轴正交并交叉。
线圈可以提供为基本上平坦的结构。因此，它们可以布置在共同的二维平面内和/或平行于共同的二维平面。所述平面可以包括导体装置的上述横轴和纵轴。应当理解，如果在共同的平面内延伸，则所述平面可以具有有限的厚度，例如可以是由导体定义的厚度(例如，其直径)。另一方面，至少在两个线圈之间重叠、堆叠或交叉的位置处，平面的厚度可以由导体的厚度或其直径的相应倍数来定义，例如因为在相应的交叉处，多个导体部分彼此叠置。
根据已知的技术方案，形成绕组头的线圈的导体部分的至少一部分可以放置在与形成所述线圈的有源部分的那些导体部分不同的(例如垂直的)高度处。例如，这些不同的导体部分可以相对于彼此成角度。在这种情况下，其中形成有线圈的平面的厚度可以包括两个高度水平，或者如上所述，其中形成有线圈的平面可以涉及在绕组头之间延伸并因此包括有源部分的(主)平面。
通常，横轴和纵轴都可以垂直于竖直轴线定向，所述竖直轴线优选地朝向第一侧和次级侧中的另一个定向和/或平行于功率传输的主方向延伸。此外，所述垂直轴可以沿着重力方向定向，但优选地与其相反地定向。本公开中使用的方向术语指的是诸如“上方”、“下方”、“旁边”或它们各自的同义词的方向，可以涉及前述的纵向、横向和竖直轴线。
应注意，如果未提及或以其他方式说明(即术语第一、第二和第三未定义不同顺序)，则对第一、第二和第三线圈的引用通常是可互换的。然而，在优选实施方案中，所述线圈中的一个沿纵轴位于其他线圈之间，即第三线圈布置在距其他线圈的较大距离处。
更准确地，根据装置和方法的一个实施方案，当沿着纵轴观察时，第三线圈至少部分地布置在第一线圈和第二线圈之间。这是有益的，因为所述(中心)线圈可能受与其他(外部)线圈的电磁相互作用的影响最大。因此，通过本发明的措施将所述中心线圈与外部线圈去耦是特别有利的，因为可以显着降低导体装置内的总电磁相互作用。
通常，第一和第二距离可以沿着任何(共同的)轴测量，并且根据以下实施方案，特别是沿着垂直轴或水平(例如横向)轴测量。
具体地，根据装置和方法的一个方面，第一距离和第二距离沿着平行于其中形成有至少一个线圈的平面的轴延伸。所述平面可以是如上所述的主平面。此外，所述平面可以是垂直于垂直(空间)轴延伸的水平面。另一方面，测量距离所沿的轴可以是如上所述的横轴。因此，根据该实施方案，可以提供线圈的水平位移。
因此，沿着所述轴线并且在绕组头内，两个线圈或其导体部分可以分别优选地布置在相同的位置(例如，在相同的横向位置)，而第三线圈的导体部分可以布置在与其他导体部分相比不同的横向位置。特别地，所述不同的横向位置可以相对于导体装置的几何中心，位于更向内和/或更靠近所述几何中心的位置。
例如，第一和第二线圈的导体部分可以形成绕组头的外部部分，而第三线圈的导体部分可以形成内部导体部分。所述内部导体部分可以例如是面向相对的绕组头，或者换言之，其定位比所述外部部分更靠近。
在这种情况下，与第一和第二线圈相比，第三线圈可以具有减小的横向尺寸(或者换言之，减小的高度)，所述横向尺寸在绕组头之间延伸。具体地，横向尺寸可以沿如上所述的横轴测量，该横轴优选地与纵轴正交地延伸。当考虑线圈的实际相关尺寸时，这可能对线圈的特性没有显着影响，例如在感应电流方面。然而，也可以尝试通过相应地调整第三线圈的其他量度和/或特性来补偿这个有限的尺寸。为此，可以调整并且特别是增加第三线圈的导体(例如其直径)和/或沿纵轴的纵向尺寸。
或者，第一距离和第二距离可以沿着不平行于其中形成有至少一个线圈的平面的轴延伸。特别地，第一距离和第二距离可以沿垂直轴延伸。例如，第一至第三线圈的导体部分可以在绕组头内布置在彼此的顶部，或换言之置于彼此之上。然而，它们可以以不同的距离彼此间隔开。特别地，线圈中的两个(第一和第二)可以彼此靠近地布置，而剩余的(第三)线圈可以布置在距其较大的(第二)距离处。这样，可以限制该第三线圈与第一和第二线圈中的任何一个之间的电磁相互作用。
如上所述，第一距离和第二距离因此通常可以是垂直距离，即它们可以沿垂直轴测量。
根据装置和方法的另一实施方案，在每个绕组头内，可磁化材料布置在第三线圈的导体部分与第一和第二线圈之一的导体部分之间。具体地，可磁化材料可以布置在第三线圈与第一和第二线圈分别相邻的线圈之间。为此，增加第三线圈到其余线圈的距离是特别有益的。
通常，可磁化材料允许以期望的方式引导电磁场，更准确地说，引导相邻线圈的磁通量，因为它不能完全渗透磁通量。相反，磁通量可以至少部分地在可磁化材料的方向上被引导。因此，可磁化材料可有助于将磁通量集中在每个线圈附近，从而将相邻线圈彼此磁屏蔽。优选地，这以形成闭合和/或短磁场线的方式进行。此外，可磁化材料可以例如通过相应地引导磁通量，特别是每个电磁场的磁场线，来避免或至少限制相邻线圈的磁场彼此交叉。
在装置和方法的一个示例中，可磁化材料被布置为促进围绕第三线圈的闭合磁场线的形成。附加地或替代地，可磁化材料可以被布置为促进第一和/或第二线圈的闭合场线的形成。为此，可磁化材料可以形成在第三线圈与第一线圈和第二线圈中的至少一个线圈之间延伸的突起。所述突起可以例如在横轴的方向上突出和/或沿纵轴以限定的长度(例如，绕组头长度的至少一半)延伸。通常，可磁化材料可以在绕组头内在至少两侧(优选在三侧)围绕第三线圈和/或第一线圈和第二线圈中的至少一个(优选两者)。
通常，可磁化材料可以具有小的导电性并且可以为例如铁氧体。因此，减少了在屏蔽材料中感应的电流的影响。
更一般地说，可磁化材料可以是铁磁性的、顺磁性的或亚铁磁性的。优选地，可磁化材料的磁化率至少为10，优选地至少为50。
在所述装置和方法的另一实施方案中，当沿不平行于其中形成有至少一个线圈的平面的轴观察时，可磁化材料布置在相应的导体部分之间。
如上所述，根据布置和方法的实施方案，可磁化材料形成为突起。所述突起可以至少部分地在平行于其中形成有至少一个线圈的平面的方向上延伸(或更具体地，可以在该方向上突出)。例如，突起可以水平地突出到形成在第三线圈与第一线圈和第二线圈中的至少一个之间的空间中。
根据装置和方法的一个方面，可磁化材料是沿着每个绕组头延伸的屏蔽组件的一部分。屏蔽组件通常可以被配置为屏蔽周围环境免受由导体装置产生的电磁场的影响。各个屏蔽组件的示例可以例如在申请人较早的公开专利EP 2 841 293B1中找到。其在成本方面可能是有益的，因为在导体部分之间延伸的可磁化材料可以直接布置在屏蔽组件处和/或形成为屏蔽组件的一部分。因此，不需要额外的固定装置的承载构件来以期望的方式定位可磁化材料。
为了进一步限制生产成本，优选地可以提供整体一件式设计，其中可磁化材料(例如突起)以上述方式布置在导体部分之间，形成较大件的屏蔽组件的一部分。例如，它可以从细长的屏蔽组件突出，例如沿绕组头纵向延伸。除了布置在导体部分之间的材料之外，细长屏蔽组件可以具有C形、U形或L形横截面，以便覆盖导体装置的外部和/或上部及其侧面。
附加地或替代地，在每个绕组头内，可磁化材料可以与第三线圈的导体部分的一侧相对放置，所述一侧背离第一和第二线圈。换言之，每个绕组头内的第三绕组的导体部分的面向外部的一侧(特别是初级侧或次级侧中的另一侧)可以被相应的可磁化材料覆盖和/或屏蔽。此外，关于垂直轴，所述可磁化材料可以位于第三线圈的导体部分下方。更进一步地，相应的可磁化材料可以垂直定位在第一和/或第二线圈上方。线圈上方和下方的这些材料中的每一种都可以通过可磁化材料的另一部分彼此连接，从而形成整体C形轮廓。
这可以优选地通过这种材料的水平突起来完成，在相应材料也以上述方式定位在导体部分之间的情况下，突起可以平行于所述相应材料延伸。相应材料可以形成屏蔽组件的横截面轮廓的水平分支，例如相应C形轮廓或E形轮廓的下支。应注意，当以上述方式在导体部分之间提供可磁化材料时，可以实现E形轮廓，其中所述材料形成所述E型材的中间支部或中间突起。因为，在一些方面，屏蔽组件可以具有E形横截面轮廓。
这里提到的任何轮廓都可以是屏蔽组件的横截面轮廓。横截面的平面可以与绕组头内的导体部分和/或与水平空间平面正交地延伸。
本发明还涉及一种导体装置，其包括至少三个线圈，所述线圈沿着纵轴布置并且由至少一个导体形成，所述导体装置包括至少两个彼此相对布置的绕组头，并且在其中每个线圈的导体部分沿着彼此以及沿着所述纵轴延伸，并且可磁化材料放置在至少一个绕组头内的至少两个导体部分之间。
该导体装置可以包括关于包括第一距离和第二距离的导体装置所讨论的任何以上或以下讨论的特征、实施方案和方面。具体地，上文关于类似术语的特征所讨论的任何定义、解释、实施方案和变型也可以适用于包括可磁化材料的导体装置。
具体地，可磁化材料可以放置在如上所讨论的第三线圈的导体部分(例如，沿纵轴布置在另外的线圈之间的线圈)与第一和第二线圈之一之间。此外，可磁化材料可以形成为例如水平突起。然而，不同之处在于，与包括第一距离和第二距离的导体装置相反，绕组头部内的导体部分的这种不等间距不是强制性的。相反，已经确定，即使在导体部分的间距相等或大体不同的情况下，当将可磁化材料布置在至少两个导体部分之间(例如，在它们之间垂直布置)时，特别是在沿纵轴延伸的那些段之间，也可以至少部分地实现本发明的优点。
本发明还涉及一种感应功率传输装置，包括配置为产生电磁场的初级侧和配置为接收电磁场的次级侧，从而在次级侧产生磁感应，其中初级侧和次级侧中的至少一个侧包括根据前述权利要求中任一项所述的导体装置。初级侧和次级侧通常可以根据以上和以下讨论的任一个示例来配置。例如，初级侧可以是固定的，例如提供在周围环境中，而次级侧可以是可移动的，例如在车辆上提供。应当注意，作为本发明的一般方面，本文公开的导体装置可用于初级侧和次级侧中的任何一个，而在次级侧限制线圈之间的电磁相互作用可能是特别有益的。
综上所述，次级侧可以布置在陆地车辆上，初级侧可以布置在陆地车辆的周围(例如陆地车辆在其上移动的地面)。
本发明还涉及一种提供用于感应功率传输的导体装置的方法，该方法包括形成导体装置的至少三个线圈，使得线圈沿着纵轴布置，并且使得形成至少两个彼此相对布置的绕组头，并且在其中每个所述线圈的导体部分沿着彼此以及沿着所述纵轴延伸，并且使得在两个所述绕组头中的至少一个绕组头内，沿所述纵轴延伸的第一和第二线圈的所述导体部分彼此以第一距离布置，所述第一距离等于或大于零，并且沿着所述纵轴延伸的第三线圈的所述导体部分布置在距另一导体部分(例如所述第一和第二线圈的所述导体部分)的第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
本发明还涉及一种提供用于感应功率传输的导体装置的方法，该方法包括形成导体装置的至少三个线圈，使得线圈沿着纵轴布置，使得形成至少两个彼此相对布置的绕组头，并且在其中每个所述线圈的导体部分沿着彼此以及沿着所述纵轴延伸，并且使得可磁化材料放置在至少一个所述绕组头内(例如，沿着纵轴延伸)的至少两个导体部分之间。
该方法可以包括任何进一步的步骤、任何改进或任何进一步的特征以提供任何之前和随后讨论的交互、操作状态和功能。具体地，关于装置特征的任何之前和随后的解释和改进也可以适用于等效的方法特征。一般而言，可以利用根据之前和随后的任一示例中装置来实现和/或执行这些方法。
以下将参考附图描述本发明的实施方案。在整个附图中，在其类型和/或功能方面彼此对应的特征可以被分配相同的附图标记。附图中：
图1是根据本发明实施方案的感应功率传输装置的示意图；
图2是图1的次级侧或装置的示意图；
图3是现有技术的次级侧绕组头的详细视图；
图4是图2的次级侧绕组头的详细视图；
图5是根据本发明另一实施方案的次级侧绕组头的详细视图；
图6是根据本发明又一实施方案的次级侧绕组头的详细视图；和
图7是图6的实施方案的一部分的俯视图。
在图1中，示意性地示出了根据本发明实施方案的感应功率传输装置100。感应功率传输装置100被配置为对电动车辆4进行感应充电。车辆4包括用于在轨道2上行驶的车轮7a、7b。例如，车辆4可以是公路汽车(例如私人汽车或公共汽车)或可以是有轨车辆，例如轨道车辆。公路或铁路的细节未在图1中示出。
本文提供与轨道2结合(例如嵌入)的导电材料的装置。例如，存在用于在工作期间承载三相交流电的三个相的三相导体1a、1b、1c。相导体1a、1b、1c形成导体装置90，其中相导体1a、1b、1c中的每一个是线圈92、94(参见以下图2的讨论)。
与嵌入轨道或作为轨道2的一部分的导电材料一起，所述导体装置90形成感应功率传输装置100的初级侧102，或者换言之，形成初级侧导体组件。在工作期间，初级侧102产生电磁场。磁场线F示意性地示于图1中。然而，场线F并未完全示出。相反，仅由磁通线示出车辆4车载功率传输装置100的初级侧102和次级侧104之间的间隙中的磁场的几乎均匀的区域。
车辆4包括用于接收电磁场并用于通过磁感应产生电能的接收器4b。为此目的，接收器4b包括次级侧104或换言之，装置100的次级侧导体组件。在所示的具体实施方案中，该次级侧104包括用于产生三相交流电的三相线5a、5b、5c。相线5a、5b、5c可以是包括细长电导体的若干绕组的线圈，因此表示上述导体装置90的线圈92、94。可选地，每条相线5a、5b、5c可以包括或更准确地形成为多个线圈。
如图1还示意性地示出了用于存储由接收器4b产生的电能的能量存储器4a。其他电气和/或电子部件可用于将产生的电能提供给任何消耗电力的车辆4上，未在图1中示出。
如图2示意性地示出了图1的感应功率传输装置100的初级侧102或次级侧104的俯视图或仰视图。特别地，其示出了在相应初级侧或次级侧102、104的导体装置90的俯视图或仰视图。连接初级侧和次级侧的方向(即，如图1所示在其间延伸的磁通F的方向)垂直于图1的图像平面延伸。此外，在图1中，各个导体装置90的外部构件5c、5a和1c、1a对应于图2的外部线圈92，而中心构件5b、1b对应于图2的中心线圈94。
在图2中，示出了纵轴LO。轴线LO将在图1中从左向右延伸，例如平行于轨道2。此外，示出了正交于纵轴LO延伸的横轴LA。在图1中，横轴LA将正交于该图的平面延伸，例如朝向观察者。横轴和纵轴LA、LO在水平面内延伸或限定水平面。应注意，所述水平面相当于其中至少形成有线圈92、94的有源部分A的平面。如上所述，这可以被认为是其中形成有线圈92、94的(主)平面。此外，垂直空间轴Z正交于横轴和纵轴LA、LO两者延伸并且面向图2的观察者。应注意，在图1中，也描绘了垂直轴Z的取向。
线圈92、94各自由不同的线标记。具体地，外部线圈92由点划线标记，而中心线圈94由实线标记。可以看出，每个线圈形成为椭圆形或矩形闭合电导体装置，所述导体是电缆。线圈92、94具有类似的形状和尺寸但不是全等布置的。取而代之的是，它们沿纵轴LO彼此相对移动，但沿横轴LA布置在相同的高度。
每个线圈92、94包括沿横轴LA延伸的两个较长导体部分和沿纵轴LO延伸的两个较短导体部分，导体部分的相应对中的每一对彼此平行并且彼此相对。沿横轴LA延伸的导体部分各自形成相应线圈92、94的有源部分A，并因此形成整个导体装置的有源部分A。沿着纵轴LO延伸的导体部分形成连接有源部分A的两个相对的绕组头W。具体地，有源部分A沿纵轴LO彼此间隔开。然而，它们通过绕组头的导体部分连接。由于桥接有源部分A之间的纵向间隙，绕组头的导体部分沿纵轴LO延伸，即使它们在椭圆形绕组的情况下可能是弯曲的。为了进一步说明，在图2中圈出了较大面积的绕组头W。但是，严格来说，只有每三个线圈92、94的短导体部分沿彼此延伸的区域才可以被认为是表示实际的绕组头W。这相当于每个所述环绕区域中的中心线圈94的短纵向导体部分的面积。应注意，在实施方案的上下文中，仅那些沿着纵轴LO延伸的导体部分被称为“绕组头内的/绕组头的导体部分”。
因此，在图2的示例中，线圈92、94沿横轴LA布置在相同的位置(即高度)。然而，它们被顺序地布置并且特别是沿着纵轴LO彼此相邻地布置。
更详细地，每一个线圈92、94示出了几何中心92M、94M，或者换言之，线圈92、94的区域中心(即，由线圈92、94围绕的区域的中心)。可以看出，中心线圈94，尤其是相对于其几何中心94M，沿纵轴LO布置在外部线圈92之间(尤其是这些外部线圈92的几何中心92M之间)。
因此，线圈92、94并且尤其是它们的几何中心92M、94M彼此间隔开，或者换言之，沿纵轴彼此相对位移相等的距离(例如每个线圈92、94的纵向尺寸(即宽度)的三分之一)。
作为图2中描绘的导体装置的一般结果，每个线圈92、94形成可以在工作期间产生三相交流电的不同相位的线圈或可以承载三相交流电的一个相的线圈，这取决于考虑初级侧或次级侧102、104中的哪一个。
更进一步地，在图2中示出了由磁性材料制成的屏蔽组件96。从以下附图中可以明显看出，所述屏蔽组件96还可以(相对于轴线Z)覆盖绕组头W的至少一部分或在其下方延伸。此外，即使屏蔽组件96仅被描绘为在绕组头W的外侧并沿着绕组头W延伸，它也可以在所有侧面完全包围导体装置90。例如，由于通过附加的横向部分(未示出)连接图2中所描绘的纵向部分，它可以具有整体矩形的轮廓。此外，屏蔽组件96的至少一部分可以沿着导体装置90的一侧延伸，该侧在初级侧或次级侧102、104中的相应另一侧处背离另外的导体装置90。可以在上述早先公开的EP 2 841 293B1中找到屏蔽组件96的示例。
在下文中，将讨论根据本发明的实施方案的导体装置90的横截面。横截面的平面包含横轴LA以及垂直轴Z或平行于横轴LA以及垂直轴Z延伸。此外，横截面仅描绘绕组头W之一。然而，应当理解，以类似的方式配置分别相对的绕组头W。这由下图中的对称轴S表示，其中所描绘的构件和组件是镜像的。更进一步地，以下横截面涉及次级侧104，但可以以相同方式配置初级侧102(例如，通过简单地将所描绘的导体装置90倒置)。
然而，首先，图3中示出了现有技术的技术方案的示例。更准确地说，附图示出了现有技术导体装置90的绕组头W的横截面。不同的线圈92、94由与图2中类似的线型(即，点线、虚线、实线)表示。可以看到线圈92、94的有源部分A的一部分。在绕组头W的区域中，线圈92、94的导体部分相对于所述有源部分A成角度并且朝向相对的有源部分A(即远离观察者的点)延伸到图3的平面中。
以通常已知的方式，每个线圈92、94的导体部分垂直放置在彼此的顶部，或者换言之，垂直堆叠(参见各自的垂直轴Z)。因此绕组头W内的相邻导体部分彼此垂直地间隔开。该间距是规则的，即导体部分距相应的直接相邻的导体部分具有相同的垂直距离。此外，在相邻导体部分之间接触的情况下，所述距离相对较小(例如几厘米)或不存在。如果不需要接触，可以在相邻的导体部分之间布置例如塑料垫片或其他电绝缘材料。
此外，附图示出了包括可磁化材料110的屏蔽组件96。屏蔽组件96(垂直地)覆盖导体装置90的上侧。靠近横向边缘处，它具有用于接收绕组头W的扩大的角部112。应注意，屏蔽组件96还覆盖横向外边缘或换言之，绕组头W的侧面114。
图3还示出了绕组头部W的区域中产生的磁力线116的主要路线，所述磁力线116在操作导体装置90时(即，当向其感应地传输电能时)出现。由于屏蔽组件96的形状，产生的大部分电磁通量不会进入周围环境而是遵循屏蔽组件96的形状。具体地，在垂直向上的方向离开绕组头W后，场线116被引导回来，朝向绕组头W的下部穿过该屏蔽组件96覆盖绕组头W的侧面114的部分。这样，产生了磁场线116的闭合圆。
然而，发明人已经观察到这些场线116延伸穿过存在于绕组头W中的所有导体部分，并因此穿过所有线圈92、94。因此，线圈92、94之间存在很强的电磁相互作用，而这些线圈92、94实际上应该产生交流电的独立相。这特别涉及中心线圈94，因为其位于外部线圈92之间，在其有源部分A的区域中经受了强电磁相互作用。
本发明试图通过例如根据以下实施方案的线圈92、94中的至少一些的电磁去耦来克服这些问题。
在图4中，显示了与图3中类似的横截面。然而，在这种情况下，仅外部线圈92的导体部分在绕组头W内靠近彼此定位。具体地，它们定位在彼此相距相对较小的距离D1处，该距离可能为几厘米(例如小于5厘米)或甚至可能为零。另一方面，中心线圈94的导体部分在绕组头W内与外部线圈92的每个导体部分相距较大的距离D2。应注意，距离D2当然彼此不同但以类似的方式标记以表明它们都与中心线圈的导体部分到其他导体部分的距离有关。此外，距离D1、D2是从图3中的坐标系显而易见的垂直距离，这对于进一步的图4至图6中的每一个也是有效的。
因此，在绕组头W内，与中心线圈94的导体部分(距离D2)相比，外部线圈92的导体部分彼此更靠近(距离D1)。由于外部线圈92与中心线圈94之间产生的气隙，因此可以限制这些线圈92、94之间的电磁相互作用，特别是外部线圈92对中心线圈94的不期望的影响。
因此，如图3所示调整线圈92、94之间的距离代表了本发明的实施方案，而不管以下讨论的屏蔽组件96的进一步特征。
尽管如此，所描绘的屏蔽组件96的设计以及具体地在绕组头W中的导体部分之间延伸的可磁化材料110的一部分提供了进一步有利的实施方案。
更详细地，图3示出屏蔽组件96也具有覆盖绕组头W内的导体部分的侧面114的部分。然而，在外部线圈92的导体部分与中心线圈94的导体部分之间的位置处，形成可磁化材料110的突起，其水平突出(即沿横轴LA，见图3)并沿绕组头W的长度(即沿纵轴LO，见图3)延伸。因此，所述可磁化材料110的突起延伸到由外部和中心线圈92、94之间增加的距离D2形成的气隙中。当沿垂直轴Z观察时，突起的可磁化材料110因此位于外部线圈92和中心线圈94的导体部分之间。
从下面的图5可以明显看出，提供对可磁化材料110的相应保护代表了本发明的一个实施方案。通过在绕组头W内将这些线圈92、94彼此屏蔽，该特征可以帮助限制特别是在外部线圈92和中心线圈94之间的电磁相互作用。具体地，如下面关于图4所讨论的，它有助于将外部线圈92和中心线圈94中的每一个的磁场线116集中到靠近相应线圈92、94的位置。然而，相对于中心线圈94，这可以在与图4的实施方案相比较小程度上实现，因为屏蔽组件96不覆盖所述中心线圈94的侧面和下侧。
回到图4，可以看出屏蔽组件96还覆盖中心线圈94的侧面114并且包括平行于线圈92、94之间的水平突起延伸的可磁化材料110的另一水平突起120。因此，屏蔽组件96的横向倾斜部分或通常屏蔽组件96屏蔽(或围绕)绕组头W的部分具有E形横截面。根据具体的构造，所述E形横截面的支路可以具有不同的长度。例如，在图4中，上支路长于由可磁化材料110的相应突起形成的中心支路和下支路。
外部线圈92和中心线圈94的侧面114中的每一个在绕组W内因此被屏蔽组件96部分地包围，并且更具体地，在三个侧面上包围。这有助于集中由靠近其的这些线圈92、94产生的电磁场。更准确地说，如图4所示，大部分磁场线116可以由屏蔽组件96引导，特别是在导体部分之间的水平突起的帮助下，以便产生相应场线116的闭合圆。特别地，可以避免外部线圈92的大部分场线116延伸穿过中心线圈94，从而限制这些线圈92、94之间的电磁相互作用。
本发明的另一实施方案在图6中示出。在这种情况下，绕组头W内的导体部分不是垂直地间隔开而是水平地间隔开，更准确地说，沿着横轴LA间隔开(即，在其中形成有线圈92、94的有源部分的平面内)。具体地，中心线圈94的导体部分与外部线圈92的导体部分沿着横轴LA以图6中描绘的距离D2间隔开。该距离特别涉及这些导体部分的侧面114或者，换言之，在这些侧面114之间测量。另一方面，导体部分之间的垂直距离可以是规则的，很类似于根据图3的等距间距。这特别限制了绕组头W的垂直尺寸。然而，垂直距离也可以根据图4和图5的实施方案进行配置，以实现绕组头W内外部和中心线圈92、94之间的特别强的电磁去耦。
应注意，外部线圈92的导体部分之间的水平/横向距离在图6中为零。因此，这些导体部分之间的相应第一距离D1未在图6中描绘。此外，中心线圈和外部线圈94、92之间的纵向/横向第二距离D2就这两个外部线圈92而言是相等的。在本权利要求的措辞中，中心线圈94到外部线圈92的每个另外的导体部分的第二距离D2是彼此相等的。
另一方面，屏蔽组件96的配置类似于图3的示例。这也意味着磁场线116以类似的方式被引导穿过绕组头W内的所有导体部分。然而，由于距离D2，所述场线116的(水平)长度增加。这意味着磁通量被削弱，特别是在由水平距离D2形成的气隙区域中。同样，这导致限制线圈92、94之间的电磁相互作用，特别是限制外部线圈92对中心线圈94的影响。
在图7中，示出了图6的导体装置90没有屏蔽组件96的俯视图。同样，可以看到中心线圈94相对于外部线圈92的水平位移。应注意，术语“外部”涉及所述线圈92沿纵轴LO的位置。从所描绘的对称轴S明显看出，与外部线圈92相比，中心线圈94的横向尺寸因此减小。然而，当考虑实际相关尺寸时(例如沿纵轴的尺寸比所示尺寸大得多)，这对线圈92、94的特性没有显着影响。因此，当暴露于电磁场时，在所述线圈92、94中仍然感应出相当的电流。

Claims (17)

1.一种用于感应功率传输的导体装置(90)，
所述导体装置(90)包括至少三个线圈(92、94)，所述线圈沿着纵轴(LO)布置并且由至少一个导体形成，
所述导体装置(90)包括至少两个彼此相对布置的绕组头(W)，并且在其中每个所述线圈(92、94)的导体部分沿着彼此以及沿着所述纵轴(LO)延伸，
在两个所述绕组头(W)中的至少一个绕组头(W)内，沿所述纵轴(LO)延伸的第一和第二线圈(92)的所述导体部分彼此以第一距离(D1)布置，所述第一距离(D1)等于或大于零，并且沿着所述纵轴(LO)延伸的第三线圈(94)的所述导体部分布置在距所述第一和第二线圈(92)的所述导体部分的第二距离(D2)处，所述第二距离(D2)大于所述第一距离(D1)。
2.根据权利要求1所述的导体装置(90)，当沿着所述纵轴(LO)观察时，所述第三线圈(94)至少部分地布置在所述第一和第二线圈(92)之间。
3.根据权利要求1或2所述的导体装置(90)，所述第一距离(D1)和所述第二距离(D2)沿着平行于其中形成有所述线圈(92、94)中的至少一个的平面的轴延伸。
4.根据前述权利要求中任一项所述的导体装置(90)，所述第一距离(D1)和所述第二距离(D2)是水平距离。
5.根据权利要求3或4所述的导体装置(90)，所述第三线圈(94)与所述第一和第二线圈(92、94)相比具有更小的横向尺寸，所述横向尺寸在所述绕组头(W)之间延伸。
6.根据权利要求1或2所述的导体装置(90)，所述第一距离(D1)和所述第二距离(D2)沿着不平行于其中形成有所述线圈(92、94)中的至少一个的平面的轴延伸。
7.根据权利要求1、2或6所述的导体装置(90)，所述第一距离(D1)和所述第二距离(D2)是垂直距离。
8.根据权利要求6或7所述的导体装置，在每个绕组头(W)内，可磁化材料(110)布置在所述第三线圈(94)的所述导体部分与所述第一和第二线圈(92)之一的导体部分之间。
9.根据权利要求8所述的导体装置，当沿着不平行于其中形成有所述线圈(92、94)中的至少一个的平面的轴观察时，可磁化材料(110)布置在各个导体部分之间。
10.根据权利要求8或9所述的导体装置，所述可磁化材料(110)形成为至少部分平行于其中形成有所述线圈(92、94)中的至少一个的平面延伸的突起。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的导体装置，所述可磁化材料(110)是沿每个绕组头(W)延伸的屏蔽组件(96)的一部分。
12.根据前述权利要求中任一项所述的导体装置，在每个绕组头(W)内，可磁化材料(110)与所述第三线圈(94)的导体部分的一侧相对放置，所述一侧背离所述第一和第二线圈(92)。
13.一种用于感应功率传输的导体装置(90)，
所述导体装置(90)包括至少三个线圈(92、94)，所述线圈沿着纵轴(LO)布置并且由至少一个导体形成，
所述导体装置(90)包括至少两个彼此相对布置的绕组头(W)，并且在其中每个线圈(92、94)的导体部分沿着彼此以及沿着所述纵轴(LO)延伸，
可磁化材料(110)放置在至少一个所述绕组头(W)内的至少两个导体部分之间。
14.一种感应功率传输装置(100)，
包括配置为产生电磁场的初级侧(102)和配置为接收电磁场的次级侧(104)，从而在所述次级侧(104)产生磁感应，
所述初级侧和所述次级侧(102、104)中的至少一个侧包括根据前述权利要求中任一项所述的导体装置。
15.根据权利要求14所述的感应功率传输装置(100)，所述次级侧(104)布置在陆地车辆上，所述初级侧(102)布置在所述陆地车辆的周围。
16.一种提供用于感应功率传输的导体装置(90)的方法，
包括形成至少三个线圈(92、94)以形成导体装置(90)并且使得所述线圈(92、94)沿着纵轴(LO)布置，并且
使得形成至少两个彼此相对布置的绕组头(W)，并且在其中每个所述线圈(92、94)的导体部分沿着彼此以及沿着所述纵轴(LO)延伸，并且
使得在两个所述绕组头(W)中的至少一个绕组头(W)内，沿所述纵轴(LO)延伸的第一和第二线圈(92、94)的所述导体部分彼此以第一距离(D1)布置，所述第一距离(D1)等于或大于零，并且沿着所述纵轴(LO)延伸的第三线圈(94)的所述导体部分布置在距所述第一和第二线圈(92、94)的所述导体部分的第二距离(D2)，所述第二距离(D2)大于所述第一距离(D1)。
17.一种提供用于感应功率传输的导体装置(90)的方法，
包括形成导体装置(90)的至少三个线圈(92、94)，使得所述线圈(92、94)沿着纵轴(LO)布置，
使得形成至少两个彼此相对布置的绕组头(W)，并且在其中每个所述线圈(92、94)的导体部分沿着彼此以及沿着所述纵轴(LO)延伸，并且
使得可磁化材料(110)放置在至少一个所述绕组头(W)内的至少两个导体部分之间。
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