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Die
Erfindung betrifft eine Induktionsspulenanordnung mit einem primärseitigen
Spulenkern, auf dem mindestens eine Primärspulenwicklung
angeordnet ist, und einem sekundärseitigen Spulenkern, auf
dem mindestens eine Sekundärspulenwicklung angeordnet ist.
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Induktionsspulenanordnungen
gemäß dem Oberbegriff der Erfindung sind für
die induktive Übertragung von elektrischer Energie bekannt,
etwa für Elektrogeräte wie Zahnbürsten,
wo der primärseitige Spulenkern in einer Ladestation angeordnet
ist und der sekundärseitige Spulenkern dem Elektrogerät.
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Aus
der japanischen Anmeldeschrift
JP 1-214 230 A1 ist eine Induktionsspulenanordnung bekannt,
bei der bei einem eckig U-förmigen, primärseitigen
Spulenkern im linearen, sich zwischen den Schenkeln des U erstreckenden
Mittenbereichs eine Primärspulenwicklung angeordnet ist,
und ein sich linear erstreckender sekundärseitiger Spulenkern
im Ladezustand zwischen den Schenkeln des U angeordnet ist.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE 197 43 860 C1 ist allerdings bekannt,
dass akkumulatorbetriebene Elektrogeräte, insbesondere
Zahnbürsten und Rasierer, deren Ladestation auf einer metallischen
Oberfläche, wie man sie in Badezimmern oder Küchen
findet, angeordnet wird, gegebenenfalls nicht mehr wie vorgesehen
arbeiten, da die metallische Oberfläche elektrische Energie
aus der Primärspule aufnimmt. Um diesem Problem vorzubeugen,
wird in der
197 43
860 C1 etwa vorgeschlagen, dass zwischen der Primärspule
und dem Gehäuseboden der Ladestation eine metallische Platte
angeordnet ist, die die Primärspule von der metallischen
Oberfläche abschirmt. Nachteilig ist allerdings, dass eine
solche zusätzliche metallische Platte einen weiteren Arbeitsschritt
in der Herstellung der Ladestation erfordert und diese durch das
zusätzliche Bauteil auch teurer wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Induktionsspulenanordnung
zur Verfügung zu stellen, die den Stand der Technik weiter
bildet und bekannte Nachteile vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Induktionsspulenanordnung gemäß Anspruch
1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Im
Folgenden wird unter einem U-förmigen Spulenkern verstanden,
dass es sich sowohl um einen Spulenkern mit einem Mittelbereich,
das parallel zueinander verlaufende Schenkel miteinander verbindet,
handeln kann, wie auch um einen Spulenkern, der halbkreisförmig
oder als Kreissegment ausgeformt ist, wo also die Schenkel ggf.
selbst gekrümmt sind bzw. Teile eines Kreissegments sind
und nicht parallel zueinander verlaufen. Andere Spulenkernformen,
die ähnlich geformt sind, also einen Mittelbereich haben,
auf dem die Primärspule angeordnet ist, und die Schenkelbereiche
haben, auf denen keine Spulenwicklungen angeordnet sind, und die etwa
gekrümmt sind (und etwa anschließende Kreissegmente
eines als Kreissegment ausgebildeten Mittelbereichs darstellen)
oder linear verlaufen oder aus mehreren, gegeneinander unter einem
Winkel angeordneten Schenkelelementen bestehen, sollen ebenso unter
U-förmige Spulenkerne fallen. Ebenso soll unter U-förmiger
Spulenkern ein Spulenkern verstanden werden, die dem sich die Schenkel
im Endbereich einander zuneigen, bei dem also das oben offene Ende
des U verengt wird. In allen Fällen muss gewährleistet
sein, dass ein sekundärseitiger Spulenkern zwischen den
Endbereichen der Schenkel angeordnet werden kann.
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Unter
einem gekrümmten Mittelbereich soll verstanden werden,
dass der Mittelbereich etwa als Kreissegment ausgebildet sein kann;
der Mittelbereich kann aber auch spitz zulaufen, also sich einem V
in der Form annähern oder gleichen.
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Eine
Induktionsspulenanordnung gemäß der Erfindung
arbeitet besonders energieeffizient. Und zwar sorgt die Krümmung
des Mittelbereichs des primärseitigen Spulenkerns dafür,
dass Bereiche höherer magnetischer Feldstärke,
wie sie insbesondere am Ende der Primärspulenwicklung auftreten,
vom Bodenbereich entfernt werden, sodass eine Positionierung etwa
einer Ladestation mit einem solchen primärseitigen Spulenkern
auf einer metallischen Fläche nur eingeschränkt
zu der aus der
DE
197 43 860 C1 bekannten Effizienzverringerung führt,
bei der die metallische Fläche aus dem magnetischen Feld
aufnimmt, die dann nicht mehr für die Energieübertragung
an die Sekundärspulenwicklung dienen kann. Durch die Krümmung
des Mittelbereichs wird auch die magnetische Flussdichte im Bereich
außerhalb der konvexen Krümmungsseite verringert
und im Bereich innerhalb der konkaven Krümmungsseite verstärkt.
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Der
primärseitige Spulenkern und der sekundärseitige
Spulenkern können auch jeweils aus mehreren, fix zueinander
positionierten Teilspulenkernen bestehen. So kann etwa der Mittelbereich
des primärseitigen Spulenkerns aus mehreren linearen Teilspulenkernen
bestehen, die mit einem geringen Luftspalt zu einem gekrümmten
Mittelbereich des primärseitigen Spulenkerns angeordnet
sind.
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In
einer Weiterbildung der Induktionsanordnung wird der Abstand zwischen
sich im Ladezustand gegenüberstehenden Endbereichsflächen
des primärseitigen Spulenkerns und des sekundärseitigen
Spulenkerns durch Anpassung der Formgebung im Wesentlichen konstant
gehalten. Sind etwa die Endbereichsflächen der Endbereiche
des primärseitigen Spulenkerns gegen die Mittenachse geneigt,
so sind dementsprechend auch die Endbereichsflächen der
Endbereiche des sekundärseitigen Spulenkerns, die den Endbereichsflächen
des primärseitigen Spulenkerns gegenüber stehen,
in gleicher Art geneigt. Sind die Endbereichsflachen gekrümmt,
so findet sich diese Krümmung sowohl bei den Endbereichsflächen
des primärseitigen Spulenkerns als auch bei den Endbereichsflächen
des sekundärseitigen Spu lenkerns in gleicher Weise. Dies
sorgt für eine gleichmäßige und homogene
Felddichte im Bereich zwischen den sich gegenüberstehenden
Endbereichsflächen und damit für eine hohe Effizienz
bei der Energieübertragung. Dabei folgen die Krümmungen
der Endbereichsflächen den Krümmungen der Gehäuseseiten
der Ladestation und des Elektrogeräts, damit die Spulenkerne
jeweils so dicht wie möglich an der Gehäuseinnenseite
positioniert werden können und derart so dicht wie möglich
aneinander positioniert werden, sodass die magnetischen Felder nur
einen möglichst geringen Bereich ohne ferromagnetischen Kern
zu überbrücken haben.
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In
einer weiteren Ausgestaltung hat der primärseitige und/oder
sekundärseitige Spulenkern Erhebungen, Aussparungen und/oder
Kanten, die der Positionierung dienen, insbesondere der Positionierung
mittels einer Halterung, die im Elektrogerät oder der Ladestation
vorgesehen ist. Eine solche definierte Positionierung in der Halterung,
die etwa selbst wieder zum Gehäuse des Elektrogeräts
in einer definierten Position vorgesehen ist, führt über
eine definierte Lagerung des Elektrogerätes in der Ladestation,
in der der primärseitige Spulenkern definiert gelagert
ist, letztendlich zu einer definierten Positionierung des sekundärseitigen
Spulenkerns zwischen den Endbereichen des primärseitigen
Spulenkerns.
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In
einer weiteren Ausführungsform sind die Endbereichsflächen
des sekundärseitigen Spulenkerns in mindestens eine Richtung
konvex ausgeformt. Dann sind die im Ladezustand gegenüberstehenden
Endbereichsflächen des primärseitigen Spulenkerns
entsprechend konkav ausgeformt, damit der Abstand über
die Fläche im Wesentlichen konstant gehalten wird. Bei
einer solchen Krümmung kann in Richtung der Krümmung
eine Verwinkelung des sekundärseitigen Spulenkerns zum
primärseitigen Spulenkern (also eine Rotation des sekundärseitigen Spulenkerns
um eine Mittenachse, die senkrecht auf der Krümmungsrichtung
steht) ausgeglichen werden, ohne dass dies zu einer Verringerung
in der Effizienz der induktiven Energieübertragung führt.
Insbesondere wenn sphärisch konvex ausgeformte Endbereichsflächen
des sekundärseitigen Spulenkerns von größerer
Ausdehnung sind als die Endbereichsflächen des primärseitigen
Spulenkerns, kann eine beliebige Verwinkelung um den Mittelpunkt
des sekundärseitigen Spulenkerns ausgeglichen werden.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Ladestation, die eine primärseitige
Induktionsspulenanordnung aus primärseitigem Spulenkern
und Primärspulenwicklung gemäß der Erfindung
aufweist, ein Elektrogerät, das eine sekundärseitige
Induktionsspulenanordnung aus sekundärseitigem Spulenkern
und Sekundärspulenwicklung gemäß der
Erfindung aufweist, und ein System aus einem solchen Elektrogerät
und einer solchen Ladestation.
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Die
Erfindung wird im Weiteren durch exemplarische Ausführungsbeispiele
und im Bezug auf Figuren näher erläutert. Dabei
ist in den Figuren
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1 eine
Darstellung einer Ladestation, die einen primärseitigen
Spulenkern aufweist,
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2 eine
Darstellung eines akkumulatorbetriebenen Elektrogerätes,
das einen sekundärseitigen Spulenkern aufweist
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3 ein
primärseitiger Spulenkern,
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4 ein
primärseitiger Spulenkern mit einer Primärspulenwicklung
im Mittelbereich,
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5 ein
sekundärseitiger Spulenkern,
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6 ein
sekundärseitiger Spulenkern mit einer Sekundärspulenwicklung,
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7 ein
Schnitt durch ein Elektrogerät gemäß 2 und
eine Ladestation gemäß 2, die sich
beide im Ladezustand befinden, und
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8 eine
Darstellung der magnetischen Feldstärke in einer erfindungsgemäßen
Induktionsspulenanordnung im Ladezustand.
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In 1 ist
eine Ladestation 10 für ein drahtloses, akkumulatorbetriebenes
Elektrogerät (in 2 dargestellt)
gezeigt, die ein Gehäuse 11, eine Vertiefung 12 zur
Aufnahme zumindest eines Teils des Elektrogeräts und eine
Stromverbindung 13 (etwa in Form eines Netzanschlusses
zum Anschluss an eine gängige Steckdose) aufweist. Das
Gehäuse 11 der Ladestation 10 ist nach
vorne hin abgeschrägt, was insbesondere das Einbringen
und wieder Herausnehmen des Elektrogeräts erleichtert.
Die Ladestation 10 enthält weiterhin (hier nicht
gezeigt) einen primärseitigen Spulenkern (in 3 dargestellt)
mit einer Primärspulenwicklung (in 4 dargestellt).
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In 2 ist
ein zur Ladestation aus 1 korrespondierendes Elektrogerät 20,
hier ein Haarentfernungsgerät mit einem Haartrimmer 21,
gezeigt, das einen unteren Bereich 22 hat, in dem (hier
nicht gezeigt) ein sekundärseitiger Spulenkern (in 5 dargestellt)
mit einer Sekundärspulenwicklung (in 6 dargestellt)
angeordnet ist. Der untere Bereich 22 des Elektrogeräts
und die Vertiefung 12 (1) der Ladestation 10 (1)
sind so ausgestaltet, dass der untere Bereich 22 des Elektrogeräts
in die Vertiefung 12 der Ladestation 10 versenkt
werden kann, sodass der sekundärseitige Spulenkern zwischen primärwicklungsfreien
Schenkeln des primärseitigen Spulenkerns zu liegen kommt.
Dies ist dann die Anordnung, die die Induktionsspulen (primärseitiger Spulenkern
mit einer Primärspulenwicklung und sekundärseitiger
Spulenkern mit einer Sekundärspulenwicklung) in einem Ladezustand
annehmen. Die Vertiefung 12 kann formschlüssig
zu dem zu ladenden Elektrogerät ausgeformt sein und insbesondere Nuten
und/oder Stege aufweisen, die mit entsprechenden Stegen und/oder
Nuten des Elektrogeräts korrespondieren, sodass das Elektrogerät
im Ladezustand in einer definierten Position in der Vertiefung 12 der
Ladestation 10 gelagert werden kann.
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In 3 ist
ein U-förmiger primärseitiger Spulenkern 30 gezeigt,
der einen Mittelbereich 31 und Endbereiche 32 und 33 hat.
In den Endbereichen 32 und 33 hat der primärseitige
Spulenkern 30 je eine ins Innere des U gerichtete Endbereichsfläche 34, 35.
Der Mittelbereich 31 der primärseitigen Spulenbereichs
ist zu den Endbereichen 32, 33 hin gekrümmt.
Da zwischen den Endbereichsflächen 34, 35 der
Endbereiche 32, 33 der sekundärseitige
Spulenkern (in 5 und 6 dargestellt)
im Ladezustand angeordnet ist (was in 7 dargestellt
ist), ist der Mittelbereich 31 damit in Richtung auf den
sekundärseitigen Spulenkern hin gekrümmt.
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Die
Endbereichsflächen 34, 35 sind im gezeigten
Beispiel als ebene Flächen ausgeformt. Alternativ können
die Endbereichsflächen aber auch zumindest in eine Richtung
konvex oder konkav ausgeformt sein. Sphärisch konkav ausgeformte
Endbereichsflächen 34, 35 könnten
etwa zu sphärisch konvex ausgeformten Endbereichsflächen
des sekundärseitigen Spulenkerns zusammenwirken und so auch
kleiner Verwinkelungen der Induktionsspulenanordnung aus einer idealen
Position heraus ausgleichen, ohne dass es dadurch zu einer deutlichen
Verschlechterung der Effizienz des magnetischen Schlusses zwischen
den Spulen kommt.
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4 zeigt
den primärseitigen Spulenkern 30 aus 3 mit
einer Primärspulenwicklung 300, wobei die elektrische
Verbindung über Anschlüsse 301 erreicht
wird. Die Primärspulenwicklung 300 befindet sich
nur in einem Mittelbereich (Referenznummer 31 in 3)
und lässt die Schenkel des primärseitigen Spulenkerns 30 frei,
sodass die Endbereiche 32, 33 primärspulenwicklungsfrei
sind.
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5 zeigt
eine Ansicht eines sekundärseitigen Spulenkerns 40,
der einen Mittelbereich 41, Endbereiche 42, 43 und
Endbereichsflächen 44, 45 an den Endbereichen 42, 43 hat,
sodass in einem Ladezustand (8) die Endbereichsflächen 44, 45 der Endbereiche 42, 43 des
sekundärseitigen Spulenkerns 40 den Endbereichsflächen 34, 35 der
Endbereiche 32, 33 des primärseitigen
Spulenkerns 30 (3) gegenüberstehen.
Die Endbereichsflächen 44, 45 sind dabei
derart angewinkelt bzw. gekrümmt zu einer Mittelachse des
sekundärseitigen Spulenkerns 40 ausgerichtet,
dass zumindest bei einer idealen Positionierung im Ladezustand ein
Abstand zwischen den Endbereichsflächen 44, 45 des
sekundärseitigen Spulenkerns 30 und den Endbereichsflächen 34, 35 des
primärseitigen Spulenkerns 30 über die
Flächen im Wesentlichen konstant ist (bei einer ebenen
Ausführungsform der Endbereichsflächen 34, 35 des
primärseitigen Spulenkerns und der Endbereichsflächen 44, 45 des
sekundärseitigen Spulenkerns 40 wären
diese Flächen je parallel zueinander angeordnet). In der
gezeigten Ausführungsform hat der sekundärseitige
Spulenkern 40 einen erhöhten Mit telbereich 41,
sodass Kanten 44 zwischen dem Mittelbereich 41 und
den Endbereichen 42, 43 ausgebildet sind. Die
Kanten 44 können zur Positionierung des sekundärseitigen
Spulenkerns 30 in einer Halterung (nicht gezeigt) des Elektrogerätes
etwa mittels formschlüssigen Einklemmens verwendet werden,
sodass die Endbereichsflächen 44, 45 definiert
zur Gehäuseaußenkante des Elektrogeräts
positioniert sind und damit im Ladezustand definiert zu dem primärseitigen
Spulenkern positioniert sind. Alternativ zu einem erhöhten
Mittelbereich 41 kann der Mittelbereich auch verjüngt
sein oder es können Stege und/oder Nuten im sekundärseitigen
Spulenkern ausgebildet sein, die der erwähnten Positionierung im
Elektrogerät dienen.
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Ein
sekundärseitiger Spulenkern 40 mit einer Sekundärspulenwicklung 400 ist
in 6 gezeigt. Die zugeführte elektrische
Energie wird über Anschlüsse 401 einer
Ladeschaltung und dem (oder den) zu ladenden Akkumulator (Akkumulatoren)
zugeführt. Solche an sich bekannten Ladeschaltungen und
Akkumulatoren sind hier nicht gezeigt.
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Der
primärseitige Spulenkern und der sekundärseitige
Spulenkern sind in an sich bekannter Weise aus einem ferromagnetischen
Material hergestellt, insbesondere aus einem ferromagnetischen Pulververbundmaterial,
das in die Form des jeweiligen Spulenkerns gepresst wird.
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In 7 ist
ein Schnitt durch den unteren Bereich 22 eines Elektrogeräts 20,
dass in einem Ladezustand in einer Vertiefung der Ladestation 10 gelagert
ist, und durch eine Ladestation 10 gezeigt. Der (ebenfalls
geschnitten dargestellte) primärseitige Spulenkern 30 ist
in der Ladestation 10 so angeordnet, dass er möglichst
nah bis an die Innenseite des Gehäuses der Ladestation 10 heranreicht.
Der (auch geschnitten dargestellte) sekundärseitige Spulenkern 40 ist
so in dem Elektrogerät 20 angeordnet, dass er
möglichst nahe an die Gehäuseinnenseite heranreicht.
In dem gezeigten Ladezustand ist der sekundärseitige Spulenkern 40 zwischen
den primärspulenwicklungsfreien Schenkeln des Primärspulenkerns
angeordnet.
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8 zeigt
die Intensität der magnetischen Feldstärke in
einer Ebene, die durch die Mittenlinien des primärseitigen
und des sekundärseitigen Spulenkerns bei einer idealen
Positionierung im Ladezustand geht. Es ist erkennbar, dass die magnetische Feldstärke
in dem Bereich
50, der auf der konvexen Seite des primärseitigen
Spulenkerns liegt, sehr gering ist, da das magnetische Feld in den
konkaven Innenbereich des primärseitigen Spulenkerns gezogen wird.
Bereiche erhöhter Feldstärke, wie sie am Ende der
Primärspulenwicklung im Bereich
51 zu finden sind,
sind durch die Krümmung des Mittelbereichs in Richtung
auf den sekundärseitigen Spulenkern hin vom Boden der Ladestation
weiter entfernt positioniert als bei einem eckigen, U-förmigen
primärseitigen Spulenkern, beim dem die Primärspulenwicklung,
wie aus der
JP 1-214
230 A1 bekannt, nur auf dem Mittensteg zwischen den Schenkeln
des U angeordnet ist. Dementsprechend ist ein Verlust von elektromagnetischer
Ener gie durch Platzierung der Ladestation auf einer metallischen
Oberfläche verringert gegenüber der Anordnung
mit einem eckigen U und die induktive Energieübertragung
arbeitet diesbezüglich mit hoher Effizienz, da die magnetische Feldenergie
zum sekundärseitigen Spulenkern hin konzentriert wird.
Zwischen den Endbereichen der Spulenkerne, Bereich
52,
ist die magnetische Feldstärke in der Luft am höchsten,
da sich die Feldlinien dort wegen des geringen Abstandes der Spulenkerne mit
geringstem magnetischen Widerstand schließen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 1-214230
A1 [0003, 0033]
- - DE 19743860 C1 [0004, 0004, 0009]