CN113661550A - 次级线圈拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于感应式接收系统的线圈装置，具有：第一线圈(1)，其具有多个第一线匝；以及第二线圈(2)，其具有多个第二线匝，其中第一线圈和第二线圈被设计成彼此串联连接并且彼此方向相反，其中每个线匝都具有布置在内部的导体/导体区段和布置在外部的导体/导体区段。为了提高线圈装置的互操作性，第一线匝或第二线匝的至少一部分的布置在内部的导体和布置在外部的导体被布置成使得这些导体分别位于一平面中或跨过该平面，其中根据所涉及的是第一线匝的导体/导体区段还是第二线匝的导体/导体区段，这些平面在从第一线圈到第二线圈的方向上或相反的方向上彼此分开。

Description

次级线圈拓扑结构
本发明涉及一种用于接收交变磁场的线圈装置(Spulenvorrichtung)，特别是用于感应式充电系统的线圈装置。该线圈装置还被设置用于将感应能量无接触地传输给运输工具的感应式充电系统的次级装置。
在下文中，术语“运输工具”被理解为由自己的发动机驱动的交通工具，例如机动车辆、摩托车和拖拉机。这种交通工具可以结合轨道，也可以不结合轨道。发动机本身可以具有内燃发动机、电动机或两者的组合，例如以混合驱动的形式。
术语“感应式充电系统”被理解为借助交变磁场对能量无接触传输的系统。该系统具有作为能量源的初级装置(也被称为“初级系统”或“初级部分”)和作为能量接收器的次级装置(也被称为“次级系统”或“次级部分”)，类似于变压器装置。初级装置被设计成产生交变磁场。次级装置被设计成接收一交变磁场或该交变磁场，并且从交变磁场中获得感应电流。交变磁场的产生是通过初级装置的交流电流流经的电导体，特别是线圈来实现的，并且感应电流的产生是通过次级装置的位于磁场中的电导体来实现的。
WO 2016114893描述了一种用于无线传输能量的装置，并且具有包括第一绕组路径的第一线圈和包括第二绕组路径的第二线圈。该装置包括保持装置，该保持装置被设计成以预定的缠绕模式保持第一线圈和第二线圈。第一绕组路径和第二绕组路径中的每一个都包括多个连续的绕组组。在多个连续的绕组组的每个组中，对于预定数量的绕组，连续的绕组的每个绕组的至少一部分在保持装置上被布置在紧接在前的绕组顶上。所示的线圈组件既可以充当发射器，也可以充当接收器。
电磁感应主要使用两种不同的线圈拓扑结构。第一种线圈拓扑结构是圆形线圈，即绕中心点至少一匝的线圈。第二种线圈拓扑结构是双极线圈(或也称为为双D线圈)，其具有第一线圈和第二线圈，该第一线圈具有绕第一中心点的一个或更多个线匝(Windung)，该第二线圈具有绕第二中心点的一个或更多个线匝。在此，第一线圈与第二线圈电串联连接，并且与第二线圈反向缠绕。
现有技术的缺点在于只设计用于特定的磁场模式，在该磁场模式下，线圈组件最佳地工作并且允许最佳的能量传输。从技术上来说，这种线圈组件在互操作性
Figure BDA0003284617490000021
方面存在困难。这意味着，例如，具有一个制造商的次级线圈的交通工具在具有另一个制造商的初级线圈的地面装置上只能以高损耗来进行充电(互操作性)。
因此，对于所产生的每种磁场模式，特定的次级线圈拓扑结构是优选的，以实现从至少一个初级线圈到至少一个次级线圈的最佳的能量传输。
当前，为了提高次级线圈的互操作性，添加附加的接收线圈，这些接收线圈分别更适用于接收对应的磁场模式。然而，这种线圈组件的缺点在于会导致重量大和成本高。
因此，本发明的任务在于提供一种用于感应式接收系统或次级线圈的改进的线圈装置，该线圈装置具有更高的互操作性，同时该线圈装置成本低且结构简单。
为此，本发明提供了根据权利要求1的线圈装置。该线圈装置特别地以如下方式设计，使得该线圈装置具有包括第一线匝路径A或多个第一线匝的第一线圈和包括第二线匝路径B或多个第二线匝的第二线圈，其中第一线圈和第二线圈被设计成彼此串联连接并且彼此方向相反。特别地，这意味着这两个线匝路径被设计成使得流经这两个线圈的电流在第一线匝路径中顺时针流动，而在第二线匝路径中逆时针流动，反之亦然。每个线匝具有布置在内部的导体/导体区段和布置在外部的导体/导体区段，这些导体/导体区段特别地彼此平行布置。根据本发明的线圈装置的特征在于，第一线匝或第二线匝的至少一部分的布置在内部的导体和布置在外部的导体分别以如下方式布置，使得这些导体分别位于一平面中或跨过该平面，其中这些平面在从第一线圈到第二线圈的方向上或相反的方向上彼此分开，这取决于是涉及第一线匝的导体/导体区段还是第二线匝的导体/导体区段。
在此已经发现，根据本发明的线圈装置与圆形线圈和双极线圈的不同磁场模式具有更高的互操作性。由此，线圈装置的应用范围更加灵活，并且可以与多种不同的初级线圈一起使用。
另一优点在于线圈装置的对准偏移(英语：Alignment Offset)得到改善或提高。这意味着，线圈装置不必为了持续地获得最佳的传输效率而相对于初级线圈布置成居中或位于特定点处。换种表达方式：如果线圈装置相对于初级线圈偏离预定点，则该线圈装置与现有技术相比显示出较小的传输效率降低；传输效率几乎保持不变。因此，线圈装置的对准更容易，并且恒定的能量传输更能抵抗次级线圈与初级线圈之间的位置偏差。
在优选的实施方式中，线圈装置另外具有以如下方式设计的铁氧体组件，即在一侧，特别是在感应式发射器系统或初级线圈的一侧，至少部分地覆盖布置在线圈装置的中心的线匝路径区段或者第一线圈和第二线圈的布置在内部的导体，并且在该侧至少部分地不覆盖或者完全不覆盖第一线圈和第二线圈的其余线匝路径区段。铁氧体组件支持更好的磁场导向，并且从而更有效地传输能量。这特别是通过至少部分地覆盖布置在中心的线匝路径区段来实现的，这些线匝路径区段是通过至少一个布置在中间导体上的铁氧体组件来实现的，因此模仿电磁铁线圈(Solenoidspule)。在此，优选地，至少50％的线匝路径区段被覆盖，尽管也存在布置在中心的导体被一个或更多个铁氧体组件完全覆盖的实施方式。铁氧体组件可以另外延伸到第一线圈和第二线圈的两个相对地布置在外部的导体，并且特别地，因此至少部分地覆盖它们。
此外，其余线匝路径区段，即除了布置在中心或布置在内部的导体之外的所有导体区段，也可以根本不被铁氧体组件覆盖；特别是在布置在内部的线匝路径区段被覆盖的一侧上。
铁氧体组件还具有用作线圈的保持装置的优点。因此，铁氧体组件满足多种功能，例如磁场导向，特别是减少杂散场，以及线圈导体的定位和保持。
在有利的实施方式中，第一线圈和第二线圈分别被设计成螺旋的，特别是在至少一个平面上。在此，线匝的直径扩展到相应线圈的下一匝。这具有控制或降低线圈设备高度的优点，并且特别是使其平整。在此，线匝可以描述圆形、方形、矩形或任意其他几何形状。
为了产生形状特别均匀的线圈装置，布置在内部的导体/导体区段彼此相邻布置，并且特别是布置成至少部分彼此平行。这种形状是均匀的，并且有效地利用了空间。此外，还提高了与例如圆形线圈的互操作性。
优选地，第一线圈和第二线圈的直接相邻地布置在内部的导体/导体区段之间的间距大于第一线圈和第二线圈的直接相邻地布置在外部的导体/导体区段之间的间距。这具有以下优点：双极线圈的特性不占主导地位，因此线圈装置不仅仅针对这种形状和相应的磁场。
此外，已经发现，第一线圈和第二线圈的直接相邻地侧向布置的导体成对地至少部分地彼此重叠布置是有利的。由此，可以减小相应的路径区段的宽度，并从而减小线圈装置在其宽度和长度上的扩展或延伸。特别地，由于根据本发明的铁氧体组件，在相应的路径区段中将导体彼此重叠地布置或堆叠是有利的，因为线圈装置的高度中的空间利用已经由铁氧体组件预先确定。特别地取决于铁氧体组件的高度和导体的直径，也存在将三个或更多个导体彼此相叠布置的方案。
优选地，铁氧体组件具有两个矩形的铁氧体板结构(或铁氧体模制件，或铁氧体装置)，这些铁氧体板结构彼此平行地布置并且间隔开，其中用于两个线圈的两个馈电导体可以在铁氧体板结构之间延伸。这具有节省重量同时为馈电导体提供空间的优点。由于这两个铁氧体板结构可以被设计成彼此相同并且相对于线圈装置对称的布置，因此不会对相应的磁场产生不利影响。
此外，已经发现，铁氧体板结构由多个相同成形或相同设计的铁氧体板和/或具有一定磁导率的模制件构成。除了已知的铁氧体板之外，还可以使用模制件。作为对于铁氧体板结构的替代或除了铁氧体板结构外，铁氧体混凝土(Ferritbeton)可以用作铁氧体组件，类似于混凝土以液体形式搅拌，可以被浇铸成特定形状，然后硬化。这种混凝土具有较低的磁导率，但是可以通过相应的几何或结构尺寸来适配于铁氧体板结构的特性。
优选地，铁氧体板结构分别具有凹部，第一线圈和第二线圈的布置在内部的导体/导体区段被布置在该凹部中。这具有降低线圈装置的高度和减小所需空间的优点。在另一有利的实施方式中，铁氧体组件在第一线圈和第二线圈的布置在外部的导体/导体区段上延伸。铁氧体组件的这种附加的延伸有助于稳定装置，并且减少杂散磁场或将磁场集中到线圈上。
为了进一步改善磁场形状或磁场走向，布置在内部的导体/导体区段被布置在第一平面上，并且布置在外部的导体/导体区段被布置在第二平面上，其中第一平面被布置成与第二平面平行并且与第二平面间隔开。
根据本发明的线圈装置可以安装在次级系统以及初级系统中。也就是说，线圈装置既可以用作接收器装置、发射器装置，也可以用作发射器和接收器装置(或收发器)。
下面描述的附图涉及本发明的优选实施例，并且不旨在进行限制，而是对所示线圈装置的特征进行附加解释和说明。应指出，这些特征可以单独地或多个地与前述实施方式相结合。不同附图的具有相同参考标记的特征可以是相同的。
在附图中：
图1示出了作为优选实施例的根据本发明的线圈装置的俯视图，
图2A示出了图1的两个相同的铁氧体组件，这些铁氧体组件分别具有相同形状和大小的多个铁氧体板，
图2B示出了沿着图1的铁氧体组件的纵向截面，
图2C示出了重量和厚度不同的三种不同的铁氧体板的选择，
图3示出了根据另一优选实施例的线圈装置的纵向截面，以及
图4示出了沿着图3的线圈装置的宽度的三个不同的横截面视图。
图1示出了作为根据本发明的优选实施例的线圈装置的俯视图，该线圈装置具有第一线圈1和第二线圈2。线圈1、2具有共同的电导体，并且因此彼此电串联地接通或连接。线圈1、2以螺旋状并排布置，并且可经由两个电流馈电导体或电源端子9a、9b电接触或电连接。除了一些较细微的构造之外，这两个线圈1、2相对于彼此轴线对称地布置和成形。每个线圈1和2都具有其自己的线匝路径A或B，该线匝路径分别是共同的电导体的一部分，并且分别被分成四个路径区段或导体区段。第一线圈1按区域划分成第一路径区段A1、第二路径区段A2、第三路径区段A3和第四路径区段A4，其中所提到的路径区段A1至A4按逆时针顺序布置。第二线圈2按区域划分成第一路径区段B1、第二路径区段B2、第三路径区段B3和第四路径区段B4，其中所提到的路径区段B1至B4按顺时针顺序布置。在此，线圈内的以下路径区段彼此相对：路径区段A2和A4(也被称为第一线圈的侧向布置的导体/导体区段)以及路径区段A1和A3(也被称为第一线圈的布置在内部和布置在外部的导体/导体区段)、路径区段B2和B4(也被称为第二线圈的侧向布置的导体/导体区段)以及路径区段B1和B3(也被称为第二线圈的布置在内部和布置在外部的导体/导体区段)。此外，第一线圈1和第二线圈2的路径区段A1和B1彼此直接相邻。在本发明中，路径区段限定了线圈的一区域，在该区域中，布置在其中的导体/导体区段在它们的布置和成形方面具有特定的性质。由于该限定导致的偏差存在于不同线匝路径区段之间的过渡边界处，在该过渡边界处导体描述弯曲部或转弯并且通向下一个线匝路径区段。
所有线匝路径区段A1至A4和B1至B4的特征在于，布置在其中的导体被布置成基本上是直线的并且彼此平行。线匝路径区段A1和B1是个例外，因为在这些区段中，这些导体分别在其中心具有台阶或弯曲部类型。该台阶用于：开始第一线圈或第二线圈的新的一匝或一圈；朝向线圈装置的中心增大线匝的直径；并且从而能够使共同的导体的其余部分直线且平行地形成，特别是在区段A1和B1中。路径区段A1和B1中两个相邻导体之间的间距总是大小相同的，并且特别是大于路径区段A3和B3中导体之间的间距。由于区段A1和B1中的导体的间距更大，因此双极线圈拓扑的特性被削弱。区段A3和B3的特殊之处在于导体的布置：例如，导体在区段B1、B2和B4中在线圈的外边缘上延伸，而该导体在区段B3中布置在线圈的内边缘或在其线圈开口处。反之亦然，对于区段B1、B2和B4中的内部导体而言，这些内部导体在区段B3中布置在线圈或线圈装置的外边缘处。在路径区段A2、A4、B2和B4中，导体成对地彼此重叠地布置，以便从而减小线圈装置的宽度。此外，线圈装置具有由两个相同形成的铁氧体板结构3a和3b组成的铁氧体组件3。在这一点应指出，在其他实施方式中，可以使用多于两个和/或不同形状和/或大小的铁氧体板结构。铁氧体板结构3a和3b分别延伸穿过这两个线圈1和2，并且在线圈装置的整个长度上延伸，即完全从第一线圈1的左边缘延伸到第二线圈2的右边缘。根据铁氧体组件的高度，当然也可以将多于两个的导体彼此重叠地布置，以便使线圈装置更紧凑。在线圈装置的一侧，可以看到电流馈电导体9a和9b，这些电源导体在铁氧体板结构3a和3b之间延伸到线圈装置的中心，最终分别通过顺时针和逆时针的一圈螺旋或多圈缠绕来形成线圈2和1。
图2A示出了图1的两个铁氧体板结构3a和3b的俯视图，这些铁氧体板结构分别由多个相同设计的铁氧体板4制成。每个铁氧体板4长90mm，宽30mm并且高9mm。每个铁氧体板结构3a和3b分别长380mm并且宽90mm，并且以覆盖210mm宽度的方式彼此平行地布置。也就是说，铁氧体板结构3a和3b彼此之间具有30mm的间距。铁氧体板4彼此无间隙、平行且齐平地布置。
图2B示出了先前在图2A中描述的铁氧体板结构3a和3b的纵向截面，其中还示出了线圈1和2的导体。在此，展示了来自线匝路径区段A1、A3、B1和B3的导体，即第一线圈和第二线圈的布置在内部和布置在外部的导体/导体区段。铁氧体组件在第一上平面中具有铁氧体板4a，并且在第二下平面中具有铁氧体板4b。路径区段A3和B3中的导体分别被布置成彼此直接相邻，而路径区段A1和B1中的导体彼此均匀地间隔开。在此，路径区段A1和B1的导体被布置在第一上平面上，而路径区段A3和B3的导体被布置在第二下平面上。布置在下方的铁氧体板4b的总长度为180mm，这是基于两个铁氧体板的长度。由第一平面上的铁氧体板4a组成的两个铁氧体板组件分别具有120mm的长度，其中第一平面上的两个组件之间的间距为140mm。
在图2C中，给出了各种类型的铁氧体板，它们的高度和重量基本不同。所有铁氧体板具有90mm的长度和30mm的宽度。在图1中的线圈装置中用于两个铁氧体组件3a和3b的高度为9mm的28个铁氧体板具有3.3kg的总重量。在这一点上应指出，提供了不同形状和/或尺寸的铁氧体板，这些铁氧体板可以用于本文所公开的实施方式。
图3示出了根据另一优选实施例的线圈装置的纵向截面视图，与图1或图2B的线圈装置相比，该线圈装置具有附加特征。整个线圈装置具有23mm的高度。3mm厚的GFK盖板8被布置在线圈装置的顶面上，该GFK盖板长420mm并且宽300mm。在该GFK盖板的下方，FVK框架型材7被布置在线圈装置的左侧边缘和右侧边缘上，这些FVK框架型材分别是18mm的高和宽。在这些FVK框架型材之间布置了线圈和具有铁氧体板4a、4b的铁氧体组件，这已经在图1和图2B中进行了描述。在线圈装置的底面上布置了2mm厚的铝板6，该铝板具有与GFK盖板8相同的宽度和长度。
在线圈装置的第一平面中，如先前在图2B中所描述的，示出了线匝路径区段A1和B1的导体。在这些导体与下部铁氧体板4b之间布置具有1mm至2mm厚度的玻璃纤维织物10。在第二平面中布置了线匝路径区段A3和B3的导体，这些导体也通过玻璃纤维织物衬垫10与铁氧体板4a和铝板6间隔开。厚度为9mm的塑料衬垫5被布置在线匝路径区段A3和B3的导体与铁氧体板4b之间，这些塑料衬垫用作间隔保持件和结构支撑元件。塑料衬垫5宽55mm并且高9mm。线匝路径区段A3和B3的宽度各为45mm。
图4示出了沿着图3的线圈装置的宽度的三个不同的横截面视图。图4中的上部视图示出了穿过线圈装置中心的横截面，即所描述的线匝路径区段A1和B1之间的边界线。在此，特别地示出了下平面上的馈电导体9b和线匝路径区段A1或B1的导体。在图4的中间视图中，示出了线圈装置的大约四分之一长度的横截面。在此，在中心可以清晰可见这两个馈电导体9a和9b以及在路径区段A2和A4中成对地彼此叠加布置的导体。此外，塑料衬垫5被示出在铁氧体板4a下方。在图4最下方的视图中，示出了线圈装置的最外边缘处的横截面视图，其中该横截面延伸穿过路径区段A3，并且示出了路径区段A3的导体A。在该导体A上方布置了馈电导体9a和9b。
参考标记列表
1 第一线圈
2 第二线圈
3 铁氧体组件
3a 第一铁氧体板结构
3b 第二铁氧体板结构
4 铁氧体板
4a 第一平面或上平面的铁氧体板
4b 第二平面或下平面的铁氧体板
5 塑料衬垫
6 铝板
7 FVK(纤维增强塑料)框架型材
8 GFK(玻璃纤维增强塑料)盖板
9a 馈电导体
9b 馈电导体
10 玻璃纤维织物衬垫
A1 第一线圈的第一路径区段或布置在内部的导体/导体区段
A2 第一线圈的第二路径区段或侧向布置的导体/导体区段
A3 第一线圈的第三路径区段或布置在外部的导体/导体区段
A4 第一线圈的第四路径区段或侧向布置的导体/导体区段
B1 第二线圈的第一路径区段或布置在内部的导体/导体区段
B2 第二线圈的第二路径区段或侧向布置的导体/导体区段
B3 第二线圈的第三路径区段或布置在外部的导体/导体区段
B4 第二线圈的第四路径区段或侧向布置的导体/导体区段
A (第一线圈的)第一线匝路径
B (第二线圈的)第二线匝路径。

Claims (10)

1.一种用于感应式接收系统的线圈装置，具有：
具有多个第一线匝的第一线圈(1)，以及
具有多个第二线匝的第二线圈(2)，
其中，所述第一线圈(1)和所述第二线圈(2)被设计成彼此串联连接并且彼此方向相反，其中，每个线匝都具有布置在内部的导体/导体区段和布置在外部的导体/导体区段，
其特征在于，
所述第一线匝或所述第二线匝的至少一部分的布置在内部的导体和布置在外部的导体被布置成使得所述导体分别位于一平面或跨过该平面，其中根据所涉及的是所述第一线匝的导体/导体区段还是所述第二线匝的导体/导体区段，这些平面在从所述第一线圈到所述第二线圈的方向上或相反的方向上彼此分开。
2.根据权利要求1所述的线圈装置，其特征在于，以如下方式设计的铁氧体组件(3)：所述铁氧体组件在一侧，特别是感应式发射器系统的一侧，至少部分地覆盖所述第一线圈(1)和所述第二线圈(2)的布置在内部的导体/导体区段，并且在所述侧至少部分地不覆盖所述第一线圈(1)和所述第二线圈(2)的其余导体/导体区段(A2、A3、A4、B2、B3、B4)。
3.根据权利要求1或2所述的线圈装置，其特征在于，所述第一线圈(1)和所述第二线圈(2)各自被设计成螺旋的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述布置在内部的导体/导体区段彼此相邻布置，特别是被布置成至少部分地彼此平行。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述第一线圈和所述第二线圈的直接相邻地布置在内部的导体/导体区段之间的间距大于所述第一线圈和所述第二线圈的直接相邻地布置在外部的导体/导体区段之间的间距。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的线圈装置，其特征在于，直接相邻地侧向布置的导体成对地至少部分地彼此重叠地布置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述铁氧体组件(3)具有两个矩形的铁氧体板结构(3a；3b)，所述铁氧体板结构被布置成彼此平行并且间隔开，其中用于两个线圈(1；2)的两个馈电导体(9a；9b)在两个铁氧体板结构(3a；3b)之间延伸。
8.根据权利要求7所述的线圈装置，其特征在于，所述铁氧体板结构(3a；3b)由多个相同成形的铁氧体板(4)和/或由具有一定磁导率的模制件构成。
9.根据权利要求7或8所述的线圈装置，其特征在于，所述铁氧体板结构(3a；3b)分别具有凹部，所述第一线圈和所述第二线圈的布置在内部的导体/导体区段被布置在所述凹部中。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的线圈装置，其特征在于，所述布置在内部的导体/导体区段被布置在第一平面上，并且所述布置在外部的导体/导体区段被布置在第二平面上，其中，所述第一平面被布置成与所述第二平面平行并且与所述第二平面间隔开。
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