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Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Energieübertrager mit einer sich längs erstreckenden Halteeinrichtung und mit wenigstens einer Spule zur Erzeugung oder Aufnahme eines magnetischen Wechselfeldes. Unter der Übertragung von Energie soll auch die Übertragung von Signalen, z. B. als Daten, verstanden werden.
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Zur galvanisch getrennten Stromversorgung werden Transformatoren oder Energieübertrager mit Primärspule und Sekundärspule verwendet, die gewöhnlich einen ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Kern zur Flussbündelung enthalten. Wenn es sich um die Stromversorgung von getrennten Geräten oder Modulen handelt, wird auch der ferromagnetische oder ferrimagnetische Kern bei Bildung eines Kernspaltes auf Primärspule und Sekundärspule aufgeteilt (
WO98/15069 ,
EP 1 885 085 A1 ,
DE 10 2007 060 811 A1 und
DE 10 2007 061 610 B4 ). Bei einer derartigen Gestaltung erfolgt die kontaktlose Energieübertragung mit einem relativ hohen Wirkungsgrad. Dies setzt jedoch eine genaue räumliche Zuordnung der Primärspule zur Sekundärspule voraus, wodurch die Freiheit der räumlichen Positionierung der Stromversorgung über die Primärspule zu dem Energieempfangsgerät mit Sekundärspule stark eingeschränkt wird.
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Um von dieser Einschränkung der räumlichen Positionierung loszukommen, wird in
US 7 262 700 B2 und
US 2010/0 328 044 A1 vorgeschlagen, ein Stromversorgungsgerät mit Tischoberfläche vorzusehen, auf welcher Flachspulen als Primärspulen angeordnet sind, die mit sekundären Flachspulen der Energie empfangenden Geräten oder Modulen zusammenarbeiten, um die Stromversorgung zu bewerkstelligen. Das Empfangsgerät mit der Sekundärspule ist mobil und kann an jeder Position auf der Tischplatte des Stromversorgungsgerätes mit einer der Primärspulen gekoppelt werden. Die wirksamen magnetischen Feldlinien zwischen Primärspule und Sekundärspule verlaufen senkrecht zur Tischoberfläche.
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Mit
EP 2 067 148 B1 ist ein Ladegerät zur Übertragung elektromagnetischer Energie an eine Vielzahl von zu ladenden Empfangsgeräten bekannt, und zwar sind entlang einer schienenartigen Halterung eine Vielzahl von sich überlappenden, flachen Primärspulen vorgesehen, die mittels Sensor die Anwesenheit einer Sekundärspule eines Empfangsgerätes detektieren und dementsprechend primäre Flachspulen selektiv aktivieren. Die wirksamen magnetischen Feldlinien zwischen Primärspule und Sekundärspule verlaufen senkrecht zur Schienenoberfläche.
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US 2003/0 210 106 A1 zeigt ein System der induktiven Kopplung zwischen einer plattenförmigen Primärseite des Sendegeräts und einer mit Schraubenwindungen aufgebauten Sekundärseite des Empfangsgeräts. Die Primärseite weist eine Flachwicklung auf, bei der die Windungen spiralförmig oder in Rechteckform ineinander geschachtelt verlaufen, um über einer Tischfläche eine induktive Kopplung mit dem Empfangsgerät zu ermöglichen, dessen Position und Ausrichtung innerhalb eines aktiven Bereichs der Tischfläche frei wählbar ist. In diesem aktiven Bereich verlaufen die magnetischen Feldlinien im Wesentlichen parallel zur Tischfläche. Die Sekundärseite weist eine schraubenförmige Wicklung um einen plattenförmigen oder zylindrischen Kern auf.
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Mit
WO 2010/125 048 A1 ist ein System zur berührungslosen Daten- und Energieversorgung von Busteilnehmermodulen bekannt, wobei eine Montagebasis mit einer hutförmigen Schiene vorgesehen ist, in deren Zwischenraum sich eine Versorgungsschiene erstreckt, die eine spiralförmige Flachspule trägt, welche ein magnetisches Induktionsfeld mit einem wirksamen Anteil senkrecht zur Längserstreckung der Versorgungsschiene erzeugt.
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Mit
DE 10 2007 046 054 A1 ist ein Rogowski-Stromwandler bekannt, der eine gedruckte Leiterplatte mit mehreren aufeinandergestapelten diskreten Substatschichten umfasst. Eine erste Spule ist um mindestens drei der diskreten Substratschichten herumgewickelt und eine zweite Spule durchquert den Mittelpunkt der ersten Spule. Ein solcher Rogowski-Stromwandler dient zur Messung des Stromes in einem Leiter, ist aber nicht als Teil eines induktiven Übertragers zu Zwecken der Energieversorgung von elektrischen Geräten vorgesehen.
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Aus der
US 2002/0 021 226 A1 ist unter anderem eine Einrichtung bekannt, die eine Überwachungseinrichtung und mehrere elektrische Geräte aufweist, die an wenigstens einer Tragschiene befestigt sind. Parallel zur Tragschiene ist eine längliche elektromagnetische Sendespule angeordnet, die ein Magnetfeld parallel zur Tragschiene erzeugt. Jedes elektrische Gerät verfügt über eine elektromagnetische Empfangsspule zur Aufnahme des von der Sendespule erzeugten Magnetfelds.
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In der
US 2007/0 018 767 A1 wird ein Transformator basierter LC-Resonanzkreis als integrierte Schaltung beschrieben, dessen Induktivität durch ein planares induktives Bauelement realisiert wird, welches beispielsweise aus zwei parallel geschalteten helixförmigen Spulen besteht, um parasitäre Widerstände zu reduzieren.
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Aus der
DE 20 2004 016 751 U1 ist ein Transpondersystem zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung von einer, einer stehenden Seite zugeordneten Lesespule auf eine einer rotierenden Seite zugeordneten Transponderspule.
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Aus der
DE 10 2010 028 151 A1 ist eine Spule mit einem Kern bekannt, deren Spulenwicklungen als Leiterbahnen an der oberen und unteren Außenfläche einer Leiterplatte ausgebildet sind.
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Elektrotechnische Geräte werden oft in Schaltschränken untergebracht und häufig dabei entlang von Halteschienen aufgesteckt. Vielfach wird eine galvanische Trennung zwischen der Stromversorgung und den Nutz- oder Endgeräten gefordert. Solche Nutz- oder Endgeräte sind zwar mit ihrem Sockel an die Halteschiene angepasst, hinsichtlich der Abmessung in Längsrichtung der Schiene kommen aber beträchtliche Unterschiede vor. Bei schmal gebauten Geräten ist die in der Halteschiene gegenüberstehende Fläche recht klein, sodass die induktive Kopplung zwischen der Stromversorgung und dem Nutz- oder Endgerät problematisch erscheint.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spulenform zu schaffen, die für einen induktiven Energieübertrager besonders geeignet ist, der eine längliche Halteeinrichtung aufweist. Damit soll eine Stromversorgung auch für recht schmal gebaute Nutz- oder Endgeräte bereitgestellt werden können, die entlang der sich längs erstreckenden Haltevorrichtung aneinandergereiht werden und dabei kontaktlos mit elektrischer Energie und/oder mit Daten versorgt werden.
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Im Falle eines induktiven Energieübertragers ist eine Spule vorgesehen, um ein magnetisches Wechselfeld parallel zu einer sich längs erstreckenden Halteeinrichtung zu erzeugen oder aufzunehmen. Die Spule ist aus einer ersten Platte zur Aufnahme von ersten Helixspulenelementen, einer zweiten, zur ersten Platte parallelen Platte zur Aufnahme von zweiten Helixspulenelementen und einer Verbindungsstruktur aufgebaut, die sich zwischen erster und zweiter Platte erstreckt und für Verbindungs-Helixspulenelemente sorgt, so dass die Windungen der Spule eine helixförmige Struktur mit abschnittsweise geraden Leiterabschnitten ergibt. Eine derartige stromdurchflossene Helixspule erzeugt magnetische Feldlinien, die sich im Spuleninnern parallel zur Spulenachse erstrecken, dann an dem einen Spulenende umbiegen, sich entlang des Spulenmantels erstrecken und am anderen Spulenende erneut zur Spulenachse umbiegen. Ein Anteil des Feldes parallel oder nahezu parallel zur Längserstreckung der Halteeinrichtung außerhalb der Primärspule kann als nutzbarer Anteil des magnetischen Feldes bei der Energieübertragung von Primärspule zu Sekundärspule ausgenutzt werden.
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Gemäß der Erfindung werden unter anderem die erste und die zweite Platte mit darauf oder darin angebrachten Leitungsbahnen gebildet, und die Verbindungsstruktur enthält Leiterelemente, welche die Leitungsbahnen im Sinne der Bildung einer helixförmigen Spule ergänzen. Bei dieser Ausbildung lässt sich die Spule aus vorgefertigten Platten oder plattenähnlichen Gebilden modular aufbauen.
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Im Einzelnen kann die Verbindungsstruktur zwei zueinander parallel verlaufende Sprossenstege oder Stiftleisten enthalten. Es ist aber auch möglich, eine geschlossene Verbindungsstruktur (ohne Durchbrechungen) anzuwenden, wobei dann die beiden Platten und die zweiteilige Verbindungsstruktur sich zu einem kastenförmigen Hohlprofil ergänzen.
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Bei der Gestaltung als Hohlprofil sind mannigfaltige Abwandlungen möglich. So ist es möglich, die Verbindungsstruktur im Verbund mit einer der beiden Platten herzustellen, wobei ein U-Profil entsteht, das mit der anderen Platte abgedeckt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Teil der Verbindungsstruktur mit der einen Platte und den anderen Teil der Verbindungsstruktur mit der zweiten Platte im Verbund herzustellen, sodass zwei L-förmige Gebilde entstehen, die aufeinander gesteckt sich zu dem kastenförmigen Gebilde vereinen.
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Insbesondere wenn eine der Platten als gedruckte Schaltungsplatte ausgeführt ist, kann auf der Platte eine Regelelektronik mit aufgebracht sein, um die Spule mit angepassten Frequenzen und Stromamplituden zu betreiben. Die Regelelektronik kann aber auch im Zwischenraum der Platten bzw. der Verbindungsstruktur untergebracht werden.
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Die Spule wird an einer Halteeinrichtung fixiert, die zumeist schienenartig ausgebildet ist und häufig aus Metall besteht. Deshalb wird bevorzugt zwischen Spule und Halteeinrichtung eine Abschirmungsvorrichtung angeordnet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 einen Energieübertrager schematisiert in perspektivischer Ansicht und in Seitenansicht,
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2 eine Spule aus zwei Leiterplatten und Stiftleisten oder Sprossenstegen aufgebaut, und
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3 eine nicht zur Erfindung gehörende kastenförmige Spule
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Generell ist die Spule gemäß Erfindung aus einer ersten Platte 1, aus einer zweiten Platte 2 und einer Verbindungsstruktur 3, 4 aufgebaut, um eine hohle Quaderform zu bilden. Die Seitenwände des Quaders sind entweder geschlossen (3) oder teilweise offen (2). In der Anwendung als Primärspule P1 erstrecken sich die Platten 1, 2 parallel zu einer Halteeinrichtung 5, die als Metallschiene ausgebildet sein kann. Zwischen der unteren Platte 2 und der Halteeinrichtung 5 erstreckt sich eine Abschirmung 6, vorzugsweise aus Ferrit.
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Die Platten 1, 2 und die zweiteilige Verbindungsstruktur 3, 4 enthalten jeweils einen isolierenden Grundkörper 10, 20, 30, 40 und leitende Spulenelemente 11, 21, 31, 41. Zusammengebaut ergeben die Platten 1, 2 und die Verbindungsstruktur 3, 4 die längliche hohle Quaderform, nahe deren Oberfläche sich die Spule als eine Helixspule erstreckt, die aus dem Spulenelementen 11, 21, 31, 41 aufgebaut ist.
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In der Bauform nach 2 bestehen die Platten 1 und 2 aus Leiterplatten, deren „geätzte” oder aufgedruckte Leiterbahnen die Spulenelemente 11 bzw. 21 darstellen. Bei der Platte 1 sind die Leiterbahnen schräg auf der Plattenebene angeordnet, bei der Platte 2 jedoch quer zur Längserstreckung der Platte 2. Die Leiterbahnen 11 sind an ihren Enden mit Kontaktbohrungen 13 bzw. 14 versehen und die Leiterbahnen 21 mit Kontaktbohrungen 23 bzw. 24. In 1 sind die Verbindungsstrukturen 3, 4 als Stiftleisten oder Sprossenleiter ausgebildet, die eine Anzahl von Kontaktstiften als die Spulenelemente 31 bzw. 41 enthalten, um die Kontaktbohrungen 13, 23 bzw. 14, 24 miteinander elektrisch zu verbinden. Auf diese Weise wird die helixförmige Spule aus den Spulenelementen 11, 21, 31, 41 gebildet. Eine Leiterbahn 12 führt das linke Ende der Spule zu einem Anschlusspunkt 15 benachbart zum Anschlusspunkt 16 der Spule. Diese Anschlusspunkte 15, 16 sind mit einer Regeleinrichtung 7 verbunden, die als gedruckte Schaltung ausgebildet ist.
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3 zeigt eine Variante der helixförmigen Spule, wobei gleichartige Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen belegt werden. Die beiden Platten 1 und 2 und die zweiteilige Verbindungsstruktur 3, 4 ergänzen sich zu einem kastenförmigen Hohlprofil, deren Grundkörper 10, 20, 30, 40 aus elektrisch isolierendem Material besteht. In der Ausführungsform nach 3 wird aus den Teilen 2, 3 und 4 ein U-Profil gebildet, das durch die erste Platte 1 verschlossen wird. Es ist aber auch möglich, etwa aus den Teilen 1 und 3 sowie 2 und 4 jeweils ein L-Profil zu formen, die aufeinanderliegend das Hohlprofil bilden. Um die Oberfläche des Hohlprofils herum erstrecken sich die Spulenelemente 11, 21, 31, 41, die zusammen die helixförmige Spule bilden. Die Spule kann in MID-Technik (Molded Interconnect Devices) hergestellt sein, wobei die Spulenelemente sich innerhalb der Wandungen des kastenförmigen Hohlprofils erstrecken. Es sind aber auch andere Herstellungsweisen möglich, selbst das Bewickeln des kastenförmigen, aus den isolierenden Grundkörpern bestehenden Hohlprofils ist möglich.
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Die neuartige Spule ist als Element in einem induktiven Energieübertrager vorgesehen, der zur Energieversorgung einer Mehrzahl von zu versorgenden Geräten dient, die in einer Reihe nebeneinander an der Halteeinrichtung 5 befestigt sind. Deshalb gibt es mehrere zueinander fluchtende Primärspulen P1, P2 ... auf der Halteeinrichtung, wie dies in 3 mit einer abgebrochen dargestellten Primärspule P2 angedeutet ist. Solche nebeneinander angeordneten Primärspulen P1, P2 können zu einer einzigen virtuellen Spule zusammengeschaltet werden, und hierzu dienen Kontaktstellen 17, 18 der Primärspule P1, wobei die Kontaktstellen 18 mit Kontaktstellen 19 der Primärspule P2 zusammenarbeiten. Im Äußeren oder Inneren des kastenförmigen Hohlprofils befinden sich Schaltungen zur Stromzuführung, zur Verbindung und zur Trennung von benachbarten Primärspulen sowie Regelelektronik, um den Spulen Ströme mit den passenden Frequenzen und Amplituden zuzuführen. Diese Schaltungen sind symbolisch bei 7 skizziert.
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1 zeigt in schematischer Darstellung einen induktiven Energieübertrager mit einer Primärspule P1 und einer Sekundärspule S1 in Perspektive und in Seitenansicht. Die Primärspule P1 ist eine Helixspule, deren Achse parallel zu der Halteeinrichtung 5 und über dieser verläuft. Der Umriss der Primärspule kann zylindrisch sein, vorzugsweise wird jedoch die Kastenform nach 2 und 3 angewandt, da sich diese der Form der Hutschiene 5 anpasst. Die Sekundärspule S1 kann eine Flachspule mit spiralförmiger Wicklung in einer Ebene sein, die senkrecht auf der Achse der Primärspule P1 steht. Es ist aber auch möglich, eine Sekundärspule in Kastenform gemäß 2 und 3 anzuwenden.
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Wenn die Primärspule P1 geeignet erregt wird, entsteht ein magnetisches Wechselfeld, zu welchem mehrere Feldlinien H1, H2, H3, H4 eingezeichnet sind. Die Feldlinie H1 hat einen zur z-Achse parallelen Anteil beim Durchfluten der Sekundärspule S1. Dieser horizontale Verlauf der Feldlinie ist der Nutzanteil des Wechselfeldes und führt zu entsprechenden induzierten Spannungen und Strömen in der Sekundärspule S1. Zur Erhöhung des Wirkungsrades des so geformten Übertragers kann für die Primärspule P1 ein ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Kern vorgesehen sein, der sich entlang der eingezeichneten Feldlinie H1 erstreckt, jedoch im horizontalen Verlauf einen genügend breiten Luftspalt freilässt, um die Sekundärspule S1 aufzunehmen.
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Die Sekundärspule S1 ist in einem zu versorgenden Gerät angeordnet, das auf der Halteeinrichtung 5 neben anderen zu versorgenden Geräten sitzt und bei galvanischer Trennung mit Strom versorgt werden soll. Bei Verwendung einer flachen Sekundärspule S1 kann das zu versorgende Gerät sehr schmal gebaut werden, wobei der Einfangquerschnitt der Sekundärspule S1 dank des horizontalen Verlaufs H1 der Feldlinien ausreichend groß ist, um genügend Energie in die Sekundärspule einzukoppeln. Somit stellt die Spulenform der Primärspule P1 eine wertvolle Komponente bei dem Aufbau eines induktiven Energieübertragers dar, der auch schmal gebaute, zu versorgende Geräte beaufschlagen kann.
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Wenn das Erfordernis der schmalen Bauweise entfällt, kann die neuartige Spule auch als Sekundärspule in Empfangsgeräten verwendet werden. Dabei kann eine Querschnittsform der Sekundärspule gewählt werden, welche die paarige – oder mehrfache – Anordnung von Spulen nebeneinander ermöglicht, um, bei möglichst großer Einfangfläche der Spule, den Raum oberhalb der Primärspule weitgehend auszunutzen, wie dies bei einem sektoralen Querschnitt der Spule möglich ist. Im Halbkreis um eine zylinderförmige Primärspule können sich also zwei oder mehrere Sekundärspulen sektoral gruppieren und so den wechselnden Magnetfluss optimal ausnutzen.
