DE102013007851A1

DE102013007851A1 - System, insbesondere zur berührungslosen Energieübertragung

Info

Publication number: DE102013007851A1
Application number: DE102013007851.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Kutz; Nils-Malte Jahn; Tim Geiß; Alexander Kist
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: DE102013007851B4

Abstract

System, insbesondere zur berührungslosen Energieübertragung, wobei ein Spulenkern einer ersten Wicklung, insbesondere Sekundärwicklung, als Kühlkörper eines Leistungshalbleiters fungiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein System, insbesondere zur berührungslosen Energieübertragung.
Es ist allgemein bekannt, dass als System zur berührungslosen Energieübertragung eine induktive Kopplung zweier Wicklungen verwendbar ist
Unter Leistungshalbleiter wird auch ein Halbleiterbauelement verstanden, welches mehr als 1 Watt Verlustleistung erzeugen kann. Beispielsweise ist dies ein Transistor oder eine Diode oder er weist eine Mehrzahl von Transistoren und/oder Dioden auf.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur berührungslosen Energieübertragung weiterzubilden, wobei ein möglichst kompakter Aufbau gewährleistbar sein soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System, insbesondere zur berührungslosen Energieübertragung, nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem System, dass es zur berührungslosen Energieübertragung geeignet ist, wobei ein Spulenkern einer ersten Wicklung, insbesondere Sekundärwicklung, als Kühlkörper eines Leistungshalbleiters fungiert.
Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme des Leistungshalbleiters abführbar ist an den Spulenkörper. Der Leistungshalbleiter ist aus der ersten Wicklung versorgt. Vorzugsweise dient er zur Spannungsanpassung der Ausgangsspanung des Pickups.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Wicklung an einem Fahrzeug angeordnet, insbesondere an der Unterseite eines auf einer Fahrfläche bewegbar Fahrzeugs,
und dass eine zweite Wicklung, insbesondere Primärwicklung, stationär angeordnet ist, insbesondere also an der Fahrfläche angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Beladung des Fahrzeugs, insbesondere des Energiespeichers des Fahrzeugs, mit Energie ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen der ersten und zweiten Wicklung ein Luftspalt angeordnet, wobei die erste Wicklung am Spulenkern befestigt ist, insbesondere von diesem aufgenommen ist und mittels Vergussmasse stoffschlüssig mit dem Spulenkern verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung und gute magnetische Abschirmung erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leistungshalbleiter auf der von der ersten Wicklung abgewandten Seite des Spulenkerns angeordnet
und/oder ist an den Spulenkern angedrückt. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme des Leistungshalbleiters von der von der ersten Wicklung abgewandten Seite eingetragen wird in den Spulenkern und somit kein Bauraum beansprucht wird auf der der ersten Wicklung zugewandten Seite des Spulenkerns.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leistungshalbleiter von einem Federelement an den Spulenkern angedrückt. Von Vorteil ist dabei, dass ein guter Wärmeübergang, also ein geringer Wärmeübergangswiderstand erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leistungshalbleiter zwischen einem Schirmblech und dem Spulenkern angeordnet, insbesondere wobei das Schirmblech den Leistungshalbleiter an den Spulenkern andrückt. Von Vorteil ist dabei, dass die Druckkraft über das Schirmblech angedrückt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Leistungshalbleiter einen Transistor, wie IGBT oder MOSFET, oder ein Modul, welches mehrere Transistoren, wie IGBT oder MOSFET, umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass der Leistungshalbleiter ein Wärme erzeugendes Bauteil, insbesondere elektronisches Bauteil, ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind auf der von der ersten Wicklung abgewandten Seite des Spulenkerns weitere elektronische Bauteile angeordnet,
welche auf einer Leiterplatte angeordnet sind und/oder wobei eine Leiterplatte mit den Bauteilen bestückt ist, insbesondere wobei die Bauteile als SMD-Bauteile ausgeführt sind. insbesondere wobei auch der Leistungshalbleiter auf der Leiterplatte bestückt ist, insbesondere als SMD-Bauteil. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Leistungshalbleiter ein metallisches Gehäuseteil auf, welches an die Oberfläche des Spulenkern angedrückt ist, insbesondere von einem Federelement oder von einer Schraubverbindung. Von Vorteil ist dabei, dass ein verbesserter Wärmeübergang zum Spulenkern erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird statt Ferrit ein anderes flussleitendes Material, insbesondere ein ferromagnetisches Material, wie Stahl oder ein Stahlguss, verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass eine gute Wärmeaufspreizung der von dem Leistungshalbleiter erzeugten Wärme erreichbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist ein Querschnitt durch einen schematischen Aufbau eines Pickups eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung gezeigt.
In der 2 ist ein erfindungsgemäßer Pickup 10 entsprechend dargestellt.
Wie in 1 gezeigt, weist der Pickup eine Wicklung 2, insbesondere Sekundärwicklung, auf, welche als Flachwicklung und/oder Ringwicklung ausgeführt ist und auf einen Spulenkern 3, der vorzugsweise aus Ferrit gefertigt ist, aufgelegt ist. Die Wicklung 2 wird vorzugsweise mit Vergussmasse 9 vergossen und somit auch stoffschlüssig und wärmeleitend an den Spulenkern 3 angebunden.
Ein Teil der von der Wicklung 2 erzeugten Wärme wird somit über den Spulenkern 3 abgeführt an die Umgebung. Ein anderer Teil der von der Wicklung 2 erzeugten Wärme wird zum Luftspalt hin abgeführt.
Über den Luftspalt beabstandet ist eine Primärwicklung, beispielsweise im Boden, angeordnet, die mit einem mittelfrequenten Wechselstrom beaufschlagt wird.
Der Pickup ist beispielhaft an der Unterseite eines Fahrzeugs angeordnet und ermöglicht somit die induktive Energieübertragung vom stationären Teil des Systems zum Fahrzeug hin.
Die Sekundärwicklung ist mit einer Kapazität in Reihe und/oder parallel beschaltet, so dass ein Resonanzkreis gebildet ist, dessen Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Frequenz des in den Primärleiter eingeprägten Wechselstroms entspricht. Aus dem Resonanzkreis ist eine elektronische Schaltung, die Bauelemente 8 und zumindest einen Leistungshalbleiter 5 umfasst und ausgangsseitig eine Spannungsquelle für einen Verbraucher, wie Elektrogeräte des Fahrzeugs, einen Elektromotor und/oder einen Energiespeicher des Fahrzeugs, darstellt.
Der Leistungshalbleiter 5 ist dabei an einem Kühlkörper 6 befestigt oder zumindest wärmeleitend mit diesem verbunden, so dass die von dem Leistungshalbleiter 5 erzeugte Wärme über diesen Kühlkörper 6 an die Umgebung abführbar ist.
Auf der von der Wicklung 2 abgewandten Seite des Pickups ist zwischen der elektronischen Schaltung und dem Spulenkern 3 ein Schirmblech 4, insbesondere aus Aluminium, angeordnet, so dass die Bauteile des Fahrzeugs geschützt sind vor den von der Primärwicklung erzeugten starken Magnetflüssen.
Da in die Primärwicklung ein Wechselstrom eingeprägt wird, stellt diese somit eine Stromquelle dar.
Wie in 2 gezeigt, weist der erfindungsgemäße Pickup 10 im Unterschied zum Pickup nach 1 das Schirmblech 4 auf der von der Wicklung 2 abgewandten Seite des Pickups auf und auf der von der Wicklung 2 abgewandten Seite der elektronischen Schaltung, welche die elektronischen Bauteile 8 umfasst.
Somit ist es ermöglicht, den Leistungshalbleiter 5 wärmeleitend mit dem Spulenkern 3 zu verbinden und somit den Spulenkern 3 als Kühlkörper für den Leistungshalbleiter 5 zu verwenden. Denn auf diese Weise spreizt der Spulenkern 3 die vom Leistungshalbleiter 5 in ihn eingetragene Wärme auf.
Der Leistungshalbleiter 5 weist einen seinem Gehäuse einen metallischen Bereich auf, welcher auf den Spulenkern gedrückt wird. Der metallische Beriech ist aus Aluminium, aus Kupfer, aus einem Kupferhaltigen Legierung oder aus Stahl gefertigt. Da der Spulenkern 3 aus Ferrit gefertigt ist, ist ein Andrücken des metallischen Bereichs an den Spulenkern 3 mittels eines Federelements vorteilhaft ausführbar. Alternativ ist ein Andrücken mittels einer Schraube bewirkt.
Vorzugsweise ist als Vergussmasse 9, mit welcher die Wicklung 2 stoffschlüssig an den Spulenkern 3 angebunden ist, eine wärmeleitende Vergussmasse verwendet.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird das Abschirmteil gegen 4 zum Spulenkern 3 hin gedrückt, so dass der Leistungshalbleiter 5 zwischen dem Abschirmteil 4 und dem Spulenkern 3 angedrückt wird. Somit ist eine Aufspreizung der Wärme nicht nur durch den Spulenkern 3 sondern auch durch das Abschirmteil 4 erreicht.
Die Wicklungen sind derart ausgeführt, dass der magnetische Fluss vom Luftspalt her in den Spulenkern eingeleitet wird und an den Randbereichen des Spulenkern als Rückfluss zurückgeleitet wird. Bei Umkehrung der Stromrichtung in der Primärwicklung kehrt sich danach auch der Fluss entsprechend um. Da in die Primärwicklung ein Wechselstrom eingeprägt wird, ist das von einer Wicklung erzeugtes Magnetfeld ein Wechselmagnetfeld.
Bezugszeichenliste

1: magnetischer Fluss im Luftspalt zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung
2: Wicklung, insbesondere Sekundärwicklung
3: Spulenkern, insbesondere aus Ferrit
4: Schirmblech, insbesondere aus Aluminium
5: Leistungshalbleiter
6: Kühlkörper, insbesondere aus Aluminium
7: magnetischer Rückfluss
8: elektronische Bauteile
9: Vergussmasse
10: Pickup

Claims

System, insbesondere zur berührungslosen Energieübertragung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spulenkern einer ersten Wicklung, insbesondere Sekundärwicklung, als Kühlkörper eines Leistungshalbleiters fungiert.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wicklung an einem Fahrzeug angeordnet ist, insbesondere an der Unterseite eines auf einer Fahrfläche bewegbar Fahrzeugs, und dass eine zweite Wicklung, insbesondere Primärwicklung, stationär angeordnet ist, insbesondere also an der Fahrfläche angeordnet ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und zweiten Wicklung ein Luftspalt angeordnet ist, wobei die erste Wicklung am Spulenkern befestigt ist, insbesondere von diesem aufgenommen ist und mittels Vergussmasse stoffschlüssig mit dem Spulenkern verbunden ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungshalbleiter auf der von der ersten Wicklung abgewandten Seite des Spulenkerns angeordnet ist und/oder an den Spulenkern angedrückt ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungshalbleiter von einem Federelement an den Spulenkern angedrückt ist.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungshalbleiter zwischen einem Schirmblech und dem Spulenkern angeordnet ist, insbesondere wobei das Schirmblech den Leistungshalbleiter an den Spulenkern andrückt.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungshalbleiter ein Transistor, wie IGBT oder MOSFET, ist oder ein Modul, welches mehrere Transistoren, wie IGBT oder MOSFET, umfasst.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der von der ersten Wicklung abgewandten Seite des Spulenkerns weitere elektronische Bauteile angeordnet sind, welche auf einer Leiterplatte angeordnet sind und/oder wobei eine Leiterplatte mit den Bauteilen bestückt ist, insbesondere wobei die Bauteile als SMD-Bauteile ausgeführt sind. insbesondere wobei auch der Leistungshalbleiter auf der Leiterplatte bestückt ist, insbesondere als SMD-Bauteil.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungshalbleiter ein metallisches Gehäuseteil aufweist, welches an die Oberfläche des Spulenkern angedrückt ist, insbesondere von einem Federelement oder von einer Schraubverbindung.
System nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statt Ferrit ein anderes flussleitendes Material, insbesondere ein ferromagnetisches Material, wie Stahl oder ein Stahlguss, verwendet wird.