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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. Das Elektrogerät muss dabei nutförmige Aufnahmen aufweisen, damit guter Kontakt mit dem Ladegerät hergestellt werden kann. Dies schränkt die Möglichkeiten der äußeren Gestaltung des Elekrogerätes ein.
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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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Aus der
US 3 938 018 A ist ein Ladegerät bekannt, bei dem ein mehrfach gebogener Spulenkern am Ladegerät mit einer Spule mit geradem Kern am aufzuladenden Gerät kombiniert wird. Die Spulen nehmen dabei eine recht großen Abstand voneinander ein, so dass die Ladegeschwindigkeit noch optimierbar erscheint.
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Aus der Patentschrift
DE 196 45 098 C2 ist ein Spulenbauelement bekannt, das insbesondere als Drossel oder Transformator für Vorschaltgeräte von Gasentladungslampen geeignet ist. Das Spulenbauelement umfasst ein erstes Blechpaket und ein zweites Blechpaket. Das erste Blechpaket ist aus Kernblechen zusammengesetzt, welche jeweils einen Aussenschenkel aufweisen, der an ein Wickelfenster grenzt. Es gibt eine Berührungsfläche, bei der das zweite Bleichpaket den Außenschenkel des ersten Blechpakets berührt, die im wesentlichen zylindrisch gewölbt ist, so dass die Blechpaket unterschiedliche Winkelstellungen zueinander einnehmen können. Die Geometrie dieser Anordnung läßt sich nicht leicht auf ein Ladegerät übertragen, das platzsparend sein soll und große Freiheit bei der Gestatlung des Äußeren des Elektrogerätes lassen soll.
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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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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 Endbereichsflächen gekrümmt, so findet sich diese Krümmung sowohl bei den Endbereichsflächen des primärseitigen Spulenkerns als auch bei den Endbereichsflächen des sekundärseitigen Spulenkerns 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 Mittelbereich 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 Energie 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.
