DE102004027847A1 - Vorrichtung und Verfahren zur induktiven Energieübertragung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung. Die Vorrichtung umfasst eine Spulenanordnung und einen mit der Spulenanordnung verbundenen Generatur zur Erzeugung von Wechselströmen in der Spulenanordnung und zeichnet sich dadurch aus, dass die Spulenanordnung mehrere Sendespulen umfasst und der Generator zur Erzeugung gegeneinander phasenversetzter Ströme in den Sendspulen ausgebildet ist, wobei die Sendespulen so ausgebildet und angeordnet sind, dass durch die phasenversetzten Ströme außerhalb der Sendespulen ein sich entlang der Spulenanordnung bewegendes magnetisches Wanderfeld erzeugt wird. DOLLAR A Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Vorrichtung besteht darin, dass sich eine in einer Empfängerspule durch das magnetische Wanderfeld induzierte Spannung nicht ändert, wenn die Empfängerspule frei in einer Ebene parallel zur Ebene der Spulenanordnung bewegt wird.

Description

  • Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung mit einer Spulenanordnung und einem mit der Spulenanordnung verbundenen Generator zur Erzeugung von Wechselströmen in der Spulenanordnung.
  • Die drahtlose Energieversorgung von Einzelkomponenten oder Geräten spielt in vielen technischen Anwendungsbereichen eine wichtige Rolle. Dies betrifft vor allem miniaturisierte Geräte, die aufgrund ihres Einsatzgebietes keine Möglichkeit einer eigenen unabhängigen Energieversorgung haben oder die zwar mit einem wieder aufladbaren Energiespeicher versehen sind, der jedoch mangels direkter Zugänglichkeit nur auf drahtlosem Wege wieder aufgeladen werden kann. Zur drahtlosen elektrischen Energieübertragung sind in derartigen Fällen mehrere Techniken bekannt.
  • So beschreibt bspw. die US 2003/0069051 A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur drahtlosen elektrischen Energieübertragung, bei dem die Energie mittels Hochfrequenzstrahlung über eine Antenne ausgestrahlt wird. Die Hochfrequenzstrahlung wird von einer darauf abgestimmten Empfangsspule auf dem Gerät empfangen, die in diesem Fall die elektrische Energie für einen Sensor liefert. Derartige, auf der Energie übertragung durch hochfrequente elektromagnetische Strahlung basierende Techniken sind jedoch bisher lediglich für die Energieübertragung geringer Energiemengen geeignet.
  • Eine weitere Technik der drahtlosen Energieübertragung, wie sie bspw. in der US 2003/0075670 A1 oder der US 6635818 B2 beschrieben ist, setzt optische Strahlung zur Übertragung der Energie ein, die von einem optischen Empfänger auf Seite des zu versorgenden Gerätes empfangen wird. Auch mit dieser Technik lassen sich jedoch nur geringe Energiemengen pro Zeiteinheit übertragen. Für die Übertragung höherer Leistungen muss die Licht- oder Hochfrequenzstrahlung in stark gebündelter Form auf den Empfänger gerichtet werden. Gerade bei bewegten Geräten erfordert dies jedoch ein komplexes Nachführungssystem, um die Energieversorgung jeder Zeit zu gewährleisten.
  • Ein weiteres bekanntes Verfahren zur elektrischen Energieübertragung nutzt die induktive Kopplung zwischen einer Sende- und einer Empfangsspulenanordnung für die Energieübertragung. So ist bspw. aus der US 6055062 eine derartige Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung bekannt, bei der auf der Sendesowie auf der Empfangsseite jeweils eine auf einen ringförmigen Kern gewickelte Spule angeordnet ist, die sich koaxial gegenüberliegen. Durch Beaufschlagung der Sendespule mit einem Wechselstrom wird in der Empfangsspule eine Wechselspannung induziert, die der Stromversorgung des Gerätes dient.
  • Auch aus J. Wu et al., "A simple, wireless powering scheme for MEMS devices", Proceedings of SPIE Vol. 4559 (2001), Seiten 43–52, ist eine Vorrichtung zur drahtlosen Energieübertragung mittels induktiver Kopplung bekannt, mit die Energie auf ein mikroelektromechanisches Gerät (MEMS) übertragen wird. Die sendeseitige Spule ist in dieser Veröffentlichung um einen Ferritkern ausgebildet, der einen variablen Luftspalt aufweist. Die empfangsseitige Spule wird innerhalb dieses Luftspaltes angeordnet, so dass die Energie von der sendeseitigen in die empfangsseitige Spule eingekoppelt wird. Die Technik der induktiven Kopplung erlaubt die Übertragung höherer Leistungen. Jedoch lässt sich auch bei den bisher bekannten Realisierungen ohne aufwendige Nachführung keine konstante Leistung in einem größeren räumlichen Bereich übertragen, in dem sich das Gerät bewegen kann.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung anzugeben, die die Übertragung hoher konstanter Leistungen in einem vergrößerten räumlichen Bereich ohne Nachführung ermöglicht.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung sowie dem Verfahren der Patentansprüche 1 bzw. 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
  • Die vorliegende Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung mit einer Spulenanordnung und einem mit der Spulenanordnung verbundenen Generator zur Erzeugung von Wechselströmen in der Spulenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Spulenanordnung mehrere Sendespulen umfasst, die so ausgebildet und angeordnet sind, dass durch phasenversetzte Ströme durch die Sendespulen außerhalb der Sendespulen ein sich entlang der Spulenanordnung bewegendes heterogenes magnetisches Wanderfeld erzeugt wird. Die gegeneinander phasenversetzten Ströme in den einzelnen Sendespulen werden dabei durch den Generator erzeugt, der entsprechend für diese Aufgabe ausgebildet ist. Eine Empfängerspule auf Seiten des Empfangsgerätes kann dann frei in dem Bereich angeordnet oder bewegt werden, in dem sich das Wanderfeld ausbreitet. Dabei wird in der Empfängerspule durch das Magnetfeld eine elektrische Spannung induziert, die für die Energieversorgung des Empfangsgerätes abgegriffen wird.
  • Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines stabilen heterogenen magnetischen Wanderfeldes, das sich in einem durch die Ausdehnung der Spulenanordnung vorgegebenen räumlichen Bereich bewegt. Durch ein derartiges magnetisches Wanderfeld wird eine konstante Energieübertragung über den vorgegebenen räumlichen Bereich erreicht.
  • Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Vorrichtung sowie des zugehörigen Verfahrens besteht darin, dass die in der Empfängerspule induzierte Spannung sich nicht ändert, wenn die Empfängerspule bzw. das diese tragende Gerät frei in einer Ebene bei der Spulenanordnung bewegt wird, die parallel zu einer Bewegungsebene des magnetischen Wanderfeldes liegt. Durch geeignet großflächige Ausgestaltung der Spulenanordnung kann somit eine große Bewegungsfreiheit des Gerätes ohne Schwankungen der Energieversorgung erreicht werden. Die induktive Kopplung ermöglicht zudem eine Energieübertragung auf einem relativen hohen Energieniveau. Weiterhin lassen sich mit der vorliegenden Vorrichtung sowie dem zugehörigen Verfahren auch gleichzeitig mehrere Empfängerspulen bzw. Empfangsgeräte mit nur einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung betreiben. Die Anzahl der Geräte ist hierbei lediglich durch die Ausdehnung der Spulenanordnung sowie die Leistungskapazität der Vorrichtung begrenzt. Selbstverständlich lassen sich neben der drahtlosen Energieübertragung durch geeignete Modulation des Magnetfeldes auch Signale in ein oder beiden Richtungen übertragen.
  • In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung weist jede Sendespule eine periodische Folge von parallel verlaufenden geradlinigen Spulenabschnitten auf, von denen benachbarte Spulenabschnitte gegenläufig von Strom durchflossen werden. Diese Spulenabschnitte sind dabei über entsprechende Verbindungsleitungen seriell miteinander verbunden. Die Perioden der zumindest zwei Sendespulen sind jeweils gleich. Weiterhin sind die Sendespulen mit ihren geradlinigen Spulenabschnitten in einer gemeinsamen Ebene parallel zueinander und um einen Bruchteil der Periode gegeneinander versetzt in Richtung senkrecht zum geradlinigen Verlauf der Spulenabschnitte angeordnet. Durch diese spezielle Ausgestaltung der Spulenanordnung lässt sich ein magnetisches Wanderfeld erzeugen, das sich parallel zur gemeinsamen Ebene auf einer Gerade bewegt. Die zumindest eine Empfängerspule wird für die Energieübertragung parallel und in einem wählbaren Abstand zu dieser gemeinsamen Ebene angeordnet oder bewegt. Je weiter die Empfängerspule von dieser Ebene entfernt ist, desto geringer ist die übertragbare Leistung. Im gesamten von der Spulenanordnung abgedeckten Bereich wird bei konstantem Abstand zu dieser Ebene eine konstante Spannung in der Empfängerspule induziert, so dass die übertragene Energie in diesem Fall unabhängig von der lateralen Position der Empfängerspule in diesem Bereich ist.
  • Bei der letztgenannten sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung werden auch stärkere elektromagnetische Interferenzen mit möglicherweise benachbart angeordneten elektrischen Geräten vermieden, da die Stärke des erzeugten Magnetfeldes mit dem Abstand zur gemeinsamen Ebene der Spulenanordnung stark abnimmt. Weiterhin lassen sich bei dieser Ausgestaltung auf beiden Seiten der gemeinsamen Ebene Empfangsgeräte mit Energie versorgen, da das magnetische Wanderfeld auf beiden Seiten in gleicher Weise erzeugt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Vorrichtung sowie das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung des Grundaufbaus der vorliegenden Vorrichtung sowie eines Empfangsgerätes;
  • 2 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung des elektrischen Aufbaus der vorliegenden Vorrichtung;
  • 3 eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung der vorliegenden Vorrichtung;
  • 4a–f ein Beispiel für die Verteilung des erzeugten magnetischen Feldes um die Sendespulen bei unterschiedlichen Phasen des Wechselstromes;
  • 5a/b zwei Sendespulen mit unterschiedlichem Aufbau; und
  • 6a–c ein Beispiel für die Intensitätsverteilung der z-Komponente des mit einer Spulenanordnung aus 5a erzeugten magnetischen Feldes.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • 1 zeigt den Grundaufbau der vorliegenden Vorrichtung 10 zur induktiven Energieübertragung sowie eines Empfängers 20, der mit einem zu versorgenden Gerät 30, beispielsweise einem elektrischen Energiespeicher, verbunden ist. Die dargestellte Vorrichtung 10 umfasst einen Signalgenerator 11 zur Erzeugung von zumindest zwei Phasensignalen, eine Treibereinheit 12 für die Sendespulen mit zumindest zwei in der Figur nicht erkennbaren Verstärkern, über die ein Wechselstromfluss in den Sendespulen der Spulenanordnung 1 auf Basis der Phasensignale erzeugt wird.
  • Die Spulenanordnung 1 umfasst hierbei zumindest zwei Sendespulen für die Erzeugung eines heterogenen magnetischen Wanderfeldes. Die elektrische Leistung für den Signalgenerator 11 sowie die Treibereinheit 12 wird über eine Stromversorgungseinheit 13 bereitgestellt. Die in 1 nicht erkennbaren Sendespulen sind vorzugsweise als Flachspulen in einer Ebene, bspw. auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet, wie dies durch die plattenförmige Darstellung in der 1 angedeutet ist. Die Anzahl der vom Signalgenerator 11 erzeugten Phasensignale sowie die Anzahl der Verstärker in der Treibereinheit 12 entsprechen dabei der Anzahl der Sendespulen in der Spulenanordnung 1.
  • Der Empfänger 20 umfasst eine Empfängerspule 21, einen Rensonanzkreis 22 sowie einen Spannungsumformer 23. Der Resonanzkreis 22 weist in der Regel einen einzelnen Kondensator für eine Resonanz mit der Induktivität der Empfängerspule 21 auf, um die für die nachfolgenden Schaltkreise erforderliche Ausgangscharakteristik bereitzustellen. Der Spannungsumformer 23, in der Regel ein Gleichrichter- und Filterkreis, konvertiert die induzierte Wechselspannung in die für das angeschlossene Gerät 30 erforderliche Form, bspw. in eine stabile Gleichspannung.
  • Bei einer Erzeugung eines heterogenen magnetischen Wanderfeldes mit der in der 1 gezeigten Vorrichtung 10 wird in der nahe der Spulenanordnung 1 angeordneten oder bewegten Empfängerspule 21 eine elektrische Wechselspannung induziert, die der Energieversorgung des angeschlossenen Gerätes 30 dient. Auf diese Weise lässt sich die in das Magnetfeld eingebrachte Energie von dem Gerät 30 nutzen.
  • 2 zeigt ein Beispiel für den elektrischen Aufbau der vorliegenden Vorrichtung 10, bei dem lediglich beispielhaft 3 Sendespulen 2, 3 und 4 in der Spulenanordnung 1 erkennbar sind. Wie in dieser Figur ebenfalls angedeutet, lässt sich die Vorrichtung 10 auch mit mehr als drei Sendespulen realisieren. Auch eine Ausgestaltung mit lediglich zwei Sendespulen ist selbstverständlich möglich. In diesen Fällen erhöht oder erniedrigt sich die Anzahl der Verstärker 121123 in der Treibereinheit 12 sowie die Anzahl der Phasensignale θi des Signalgenerators 11.
  • Der Signalgenerator 11 erzeugt für jede der Sendespulen 24 ein Phasensignal 111, 112, 113 mit identischer Periode, bspw. als Rechtecksignal. Die Phasen benachbarter Sendespulen 24 unterscheiden sich dabei um die Phase π/N, wobei N der Gesamtzahl der Sendespulen 24 in der Spulenanordnung 1 und π dem Phasenwinkel einer halben Periode jedes Phasensignals entspricht. Im vorliegenden Beispiel ist das Signal 112 gegenüber dem Signal 111 um π/N, das Signal 113 gegenüber dem Signal 112 durch π/N usw. verzögert. Jedes dieser Phasensignale 111113 wird dem zugehörigen Verstärker 121123 der Treibereinheit 12 zugeführt. Die durch den Signalgenerator 11 vorgegebenen Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen Sendespulen 24 bleiben bei der Verstärkung erhalten. Mit den in der Treibereinheit 12 aus den Phasensignalen erzeugten phasenversetzten Wechselströmen werden die Sendespulen 24 betrieben, die vorzugsweise identisch aufgebaut sind. Die Phasendifferenz zwischen den durch die Sendespulen 24 fließenden Wechselströmen ist eine Vorraussetzung für die Erzeugung einer konstanten, drahtlosen Energieversorgung innerhalb eines räumlichen Bereiches nahe und parallel zur Oberfläche der Spulenanordnung 1.
  • 3 zeigt ein Beispiel für die Ausbildung und Anordnung der Sendespulen in einer Spulenanordnung 1, die im vorliegenden Fall lediglich zwei Sendespulen 2, 3 umfasst. Beide Sendespulen 2, 3 sind identisch aufgebaut. In der Figur ist aus Gründen der besseren Darstellbarkeit lediglich eine der beiden Sendespulen 2 schematisch im Detail ersichtlich, während von der weiteren Sendespule 3 nur ein kleiner Abschnitt angedeutet ist. Die Sendespule 2 weist einen Eingangsanschluss 2a sowie einen Ausgangsanschluss 2b auf und umfasst eine Folge von geradlinigen Spulenabschnitten 7 die parallel zueinander in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Die Spulenabschnitte 7 sind über elektrische Verbindungen 8 so in Reihe miteinander verbunden, dass benachbarte geradlinige Spulenabschnitte 7 von gegenläufigen Strömen durchflossen werden und die Gesamtanordnung zur Spule 2 verschaltet wird. Für die Bildung der Spule 2 muss zumindest ein einzelnes Spulenelement 6 vorhanden sein, das sich durch zwei gegenläufig von Strom durchflossene geradlinige Spulenabschnitte auszeichnet. In der Regel bildet eine Vielzahl derartiger Spulenelemente 6, die entsprechend der Darstellung der 3 nebeneinander in der gleichen gemeinsamen Ebene mit ihren Spulenabschnitten parallel zueinander angeordnet sind, die Sendespule 2. Die durch den Abstand der geradlinigen Spulenabschnitte 7 vorgegebene Periode w/2 der Sendespule 2 ist über die gesamte Ausdehnung der Sendespule 2 konstant.
  • Die identisch ausgebildete Sendespule 3 liegt in der gleichen gemeinsamen Ebene und überlappt die Sendespule 2 derart, dass die Spulenabschnitte 7 der Sendespule 3 parallel zu den Spulenabschnitten 7 der Sendespule 2 und in Richtung senkrecht zu den Spulenabschnitten um 1/4 der Breite w eines Spulenelementes 6 versetzt liegen. Dies ist aus der 3 ersichtlich. Selbstverständlich sind die einzelnen die Spulenabschnitte 7 und Verbindungsleitungen 8 bildenden Drähte oder Leiterbahnen hierbei ausreichend gegeneinander isoliert.
  • Bei einer Ausgestaltung der Spulenanordnung 1 mit mehr als zwei Sendespulen 2 sind ebenfalls die geradlinigen Spulenabschnitte 7 aller Sendespulen parallel zueinander in der gleichen gemeinsamen Ebene angeordnet. Der Versatz der Spulenabschnitte 7 der einzelnen Sendespulen ist dabei so gewählt, dass die Spulenabschnitte 7 jeweils benachbarter Sendespulen um eine Distanz von w/2N gegeneinander versetzt sind, wobei w der Breite eines Spulenelementes 6 und N der Anzahl der vorhandenen Sendespulen entspricht. Eine Ausgestaltung der Spulenanordnung 1 mit lediglich zwei Sendespulen hat neben dem einfachen Aufbau jedoch auch den Vorteil, dass zumindest theoretisch keine wechselseitige Induktion zwischen den beiden Sendespulen vorliegt, so dass die Ausgestaltung der Treibereinheit 12 bei dieser Ausgestaltung vereinfacht wird.
  • Auch wenn in der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung jede Sendespule die gleiche Anzahl von Spulenelementen aufweist, lässt sich die vorliegende Vorrichtung auch mit einer unterschiedlichen Anzahl von Spulenelementen für jede der eingesetzten Sendespulen realisieren.
  • Die 4a–e zeigen die Verteilung des magnetischen Feldes um die Sendespulen zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Wechselstromflusses. Bei diesem Beispiel wurde eine Spulenanordnung 1 mit zwei Sendespulen 2, 3 angenommen, wie sie bereits in Verbindung mit 3 beschrieben wurde. Die durch die beiden Sendespulen 2, 3 fließenden Wechselströme I2 = sin (ωt) für Spule 2 und I3 = sin (ωt – π/2) für Spule 3 sind in der 4a dargestellt.
  • Die 4b4e repräsentieren einen senkrechten Schnitt durch die in der gemeinsamen Ebene 9 liegenden geradlinigen Spulenabschnitte der beiden Sendespulen 2 und 3. In den Figuren sind lediglich vier dieser geradlinigen Spulenabschnitte 7 zusammen mit den durch die Pfeile angedeuteten magnetischen Flusslinien dargestellt, die durch den Wechselstromfluss in den geradlinigen Spulenabschnitten hervorgerufen werden. Die momentanen Stromrichtungen in den geradlinigen Spulenabschnitten sind im Falle eines positiven Stroms mit einem Kreuz, im Falle eines negativen Stroms mit einem gefüllten Punkt und im Falle einer Stromstärke von 0 ohne besondere Kennzeichnung angedeutet. Aus den 4b4e, die die Verhältnisse in unterschiedlichen Phasen zeigen, ist ersichtlich, dass sich das magnetische Feld der Spulenanordnung mit der Zeit von links nach rechts bewegt. Mit dieser Spulenanordnung wird somit ein magnetisches Wanderfeld erzeugt, dass sich entlang der Spulenanordnung bewegt. Auch bei einer Spulenanordnung mit mehr als zwei Spulen oder mit mehreren jeweils einen geradlinigen Spulenabschnitt bildenden elektrisch Leitungen oder Drähten wird eine vergleichbare Verteilung bzw. Bewegung des Magnetfeldes erhalten.
  • Die 5a und 5b zeigen zwei Ausgestaltungen für eine Sendespule 2 nochmals im Detail. In der 5b ist eine Sendespule 2 mit nur einer Windung zu erkennen, wobei einige Spulenabschnitte 7 hierbei durch zwei Leitungen 5 oder Leiterbahnen gebildet werden. 5a zeigt demgegenüber eine Ausgestaltung der Sendespule 2 mit zwei Windungen, wobei selbstverständlich auch eine noch größere Anzahl von Windungen realisiert werden können. Jede einzelne in dieser oder den vorangehenden Figuren gezeigte Leitung 5 kann sich auch aus einem Bündel gegeneinander isolierter Verbindungsdrähte zusammensetzen, um den Skineffekt zu reduzieren.
  • Die 6a–c zeigen schließlich die Verteilung der Intensität der z-Komponente des durch eine Spulenanordnung 1 mit zwei gemäß 5a ausgebildeten Sendespulen erzeugten magnetischen Feldes in den unterschiedlichen Raumrichtungen. Unter der z-Komponente wird hierbei die Komponente des magnetischen Feldes senkrecht zur gemeinsamen Ebene der geradlinigen Spulenabschnitte verstanden.
  • Die Anzahl der Spulenelemente in jeder der Sendespulen ist M = 5, die Länge der geradlinigen Spulenabschnitte 7 beträgt l = 264 mm, die Breite eines Spulenelementes w = 48 mm und der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Leitungen eines Spulenabschnittes d = 3 mm. Beide Sendespulen sind gemäß der Darstellung der 3 um einen Abstand von w/4 gegeneinander versetzt angeordnet. Der Strom in der Sendespule 2 alterniert mit sin ωt, der Strom in der Sendespule 3 demgegenüber um π/2 phasenversetzt, so dass sich ein Verlauf von sin (ωt – π/2) ergibt. Die in den 6a6c dargestellten Kurven wurden auf Basis des Biot-Savart-Gesetztes bei ωt = 0 berechnet. Die x-, y- und z-Richtung sowie der 0-Punkt sind in den Figuren mit Bezug auf die Darstellung der 5a festgelegt, in der dieser 0-Punkt sowie die x-, y- und z-Richtung eingezeichnet sind.
  • Die 6a zeigt die Variation der z-Komponente der magnetischen Feldintensität in x-Richtung, zwischen dem Punkt (–w; l/2; 6) und dem Punkt ((M+1)w; 1/2; 6). Mit fortschreitender Zeit t wandern die Maxima dieser Kurve mit der Periode T = 2π/ω und der Geschwindigkeit v = w/T nach rechts. Wird der Phasenversatz der beiden durch die Sendespulen 2, 3 fließenden Ströme in entgegengesetzter Richtung gewählt, d. h. dass der Strom durch Sendespule 3 dem Strom durch die Sendespule 2 vorauseilt, so bewegen sich die Maxima der in 6a dargestellten Kurve nach links.
  • 6b zeigt die z-Komponente der magnetischen Feldintensität in y-Richtung, zwischen dem Punkt (118,5; –w; 6) und dem Punkt (118,5; l+w; 6). Die x-Position von 118,5 mm entspricht der Position des mittleren positiven Maximums in der 6a. Mit fortschreitender Zeit t bewegt sich die gesamte Kurve mit der Periode T = 2π/ω proportional in Richtung der Hz=0 Linie bis zu einer negativen Maximalposition und anschließend wieder zurück zur momentan dargestellten Position.
  • Die 6c zeigt die z-Komponente der magnetischen Feldintensität entlang der z-Richtung, d. h. senkrecht zur gemeinsamen Ebene 9 der geradlinigen Spulenabschnitte 7 der Sendespulen zwischen dem Punkt (118,5; l/2; 0) und Punkt (118,5; l/2; w/2). Mit fortschreitender Zeit bewegt sich diese Kurve in Richtung der Hz=0 Linie, erreicht das negative Maximum und bewegt sich dann wieder zurück in die vorliegende Position mit der Periode T=2π/ω.
  • Die x-Komponente der magnetischen Feldintensität der vorliegenden Spulenanordnung verhält sich ähnlich wie die Verteilung in z-Richtung. Die y-Komponente der magnetischen Feldintensität ist 0, solange der Einfluss der Verbindungsleitungen 8 der Spulenelemente 6 vernachlässigbar ist.
  • Aus den 6a6c ist ersichtlich, dass an jedem Punkt nahe der Spulenanordnung ein in der z- und x-Komponente wechselndes magnetisches Feld vorliegt. Dieses wechselnde magnetische Feld bleibt annähernd konstant innerhalb einer zur Oberfläche der Spulenanordnung, d.h. der gemeinsamen Ebene 9, parallelen und nahe dieser Oberfläche liegenden Ebene. Wird eine Empfängerspule an einer beliebigen Stelle in dieser Ebene platziert oder in dieser Ebene bewegt, so wird in der Empfängerspule eine konstante Spannung unabhängig von deren momentaner Position induziert.
  • 1
    Spulenanordnung
    2
    Sendespule
    2a
    Eingangsanschluss
    2b
    Ausgangsanschluss
    3
    Sendespule
    4
    Sendespule
    5
    elektrische Leitungen bzw. Leiterbahnen
    6
    Spulenelement
    7
    geradliniger Spulenabschnitt
    8
    Verbindungsleitungen
    9
    gemeinsame Ebene
    10
    Vorrichtung zur induktiven
    Energieübertragung
    11
    Signalgenerator
    111
    Phasensignal
    112
    Phasensignal
    113
    Phasensignal
    12
    Treibereinheit
    121
    Verstärker
    122
    Verstärker
    123
    Verstärker
    13
    Stromversorgungseinheit
    20
    Empfänger
    21
    Empfängerspule
    22
    Resonanzkreis
    23
    Spannungsumformer

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung mit einer Spulenanordnung (1) und einem mit der Spulenanordnung (1) verbundenen Generator (1113) zur Erzeugung von Wechselströmen in der Spulenanordnung (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (1) mehrere Sendespulen (24) umfasst und der Generator (1113) zur Erzeugung gegeneinander phasenversetzter Ströme in den Sendespulen (24) ausgebildet ist, wobei die Sendespulen (24) so ausgebildet und angeordnet sind, dass durch die phasenversetzten Ströme außerhalb der Sendespulen (24) ein sich entlang der Spulenanordnung (1) bewegendes magnetisches Wanderfeld erzeugt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespulen (24) jeweils eine periodische Folge von parallel verlaufenden geradlinigen Spulenabschnitten (7) gleicher Periode aufweisen, von denen benachbarte Spulenabschnitte (7) gegenläufig von Strom durchflossen werden, und zumindest in einem Bereich mit ihren geradlinigen Spulenabschnitten (7) in einer gemeinsamen Ebene (9) parallel zueinander und um einen Bruchteil der Periode gegeneinander versetzt angeordnet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespulen (24) bei einer Anzahl von N Sendespulen (24) mit ihren geradlinigen Spulenabschnitten (7) jeweils um den Bruchteil 1/N der Periode gegeneinander versetzt angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Generator (1113) erzeugte Phasenversatz der Ströme in benachbarten Sendespulen (24) jeweils π/N beträgt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die geradlinigen Spulenabschnitte (7) durch ein oder mehrere gegeneinander isolierte gebündelte Spulendrähte gebildet sind.
  6. Verfahren zur induktiven Energieübertragung, bei dem mit einer Spulenanordnung (1) ein sich entlang der Spulenanordnung (1) bewegendes magnetisches Wanderfeld erzeugt wird, zumindest eine Empfängerspule (21) in dem magnetischen Wanderfeld angeordnet oder bewegt und eine in der Empfängerspule (21) durch das magnetische Wanderfeld induzierte elektrische Spannung abgegriffen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wanderfeld durch Beaufschlagung mehrerer Sendespulen (24) der Spulenanordnung (1) mit gegeneinander phasenversetzten Strömen erzeugt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzeugung des magnetischen Wanderfeldes eine Vorrichtung (10) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 eingesetzt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerspule (21) in einer zur gemeinsamen Ebene (9) der Sendespulen (24) parallelen Ebene in dem magnetischen Wanderfeld bewegt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Empfängerspule (21) eine ring- oder polygonförmige Spule mit ein oder mehreren Windungen eingesetzt wird.
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