DE102013113244A1

DE102013113244A1 - Spule für ein induktives Energieübertragungssystem

Info

Publication number: DE102013113244A1
Application number: DE102013113244.8A
Authority: DE
Inventors: Faical Turki
Original assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Current assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-06-03
Also published as: WO2015078620A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung (SPA) für ein induktives Energieübertragungssystem, die mindestens einen plattenförmigen Spulenkern (Ki), insbesondere aus Ferrit, aufweist, und der mindestens eine plattenförmige Spulenkern (K, KL, KQ) jeweils von mindestens einer Wicklung (W1, W2, W3, W4) mit jeweils mindestens einer Windung (WG) umfasst ist, wobei die Spulenanordnung (SPA) mindestens zwei Wicklungen (W1, W2, W3, W4) aufweist, deren Wicklungsachsen (WA) in einem Winkel (φ) von größer 50°, insbesondere in einem Winkel von 90°, zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (WG) der im Winkel (φ) zueinander angeordneten Wicklungen (Wi) kreuzungsfrei zueinander angeordnet sind und/oder dass sich kreuzende Windungen (WG) mit ihren Wicklungen (Wi) nur im Bereich einer Ausnehmung (A, Ai) oder einem Bereich mit verringerte Dicke des plattenförmigen Spulenkerns (K, Ki) kreuzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem, die mindestens einen plattenförmigen Spulenkern, insbesondere aus Ferrit, aufweist, und der mindestens eine plattenförmige Spulenkern jeweils von mindestens einer Wicklung mit jeweils mindestens einer Windung umfasst ist, wobei die Spulenanordnung mindestens zwei Wicklungen aufweist, deren Wicklungsachsen in einem Winkel von größer 50°, insbesondere in einem Winkel von 90°, zueinander angeordnet sind.
Eine gattungsgemäße Spulenanordnung zeigt die 17, welche Gegenstand einer vorangemeldeten Patentanmeldung des Anmelders ist. Die Wicklungen W11 und W12 sind parallel zur Längsachse ML um den Spulenkern K herum gewickelt. Um die Querachse des Spulenkerns K sind die beiden Wicklungen W21 und W22 herum gewickelt. Alle Längs- und Querwicklungen kreuzen sich auf beiden Flachseiten K_O und K_U des Spulenkerns K im Punkt KR. Aufgrund der sich kreuzenden Wicklungen baut die Spulenanordnung relativ hoch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spulenanordnung zu schaffen, welche weniger hoch baut, dennoch sehr gute Eigenschaften für den Einsatz in einem induktiven Energieübertragungssystem aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spulenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Spulenanordnung gemäß Anspruch 1 ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Wicklungen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung vorteilhaft gar nicht kreuzen, so dass vorteilhaft Kreuzungspunkte, wie den Punkt KR in 17, vermieden werden. Sofern die erfindungsgemäße Spulenanordnung Kreuzungsbereiche aufweist, so sind diese voreilhaft nur dort vorgesehen, wo entweder der Spulenkern eine Ausnehmung oder einen Rücksprung aufweist, so dass ein Teil der sich kreuzenden Wicklungen in der Ausnehmung oder dem Rücksprung zur Einlage kommen kann und somit die erfindungsgemäße Spulenanordnung flach baut.
Die einzelnen Wicklungen können in verschiedensten Anordnungen um den Spulenkern oder um einzelne Spulenkerne, die durch vereinzelte Spulenkörper gebildet sind, herum gewickelt werden. Der Spulenkern weist vorteilhaft eine im Vergleich zur Breite und Länge des Spulenkerns geringe Höhe auf. Die Höhe ist mindestens um den Faktor 10 bis 100 kleiner als die Breite oder Länge des Spulenkerns. Der Spulenkern oder die Spulenkörper, welche vorteilhaft aus Ferrit sind, sind vorteilhaft plattenförmig. Dabei sind die Wicklungen um den Spulenkern bzw. die Spulenkörper so angeordnet, dass sie sich nicht kreuzen, damit die Spulenanordnung eine möglichst geringe Höhe aufweist.
Eine erste mögliche Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Spulenkern eine flache Scheibe mit mindestens einer fensterartigen Ausnehmung ist. Durch die fensterartige Ausnehmung bzw. Ausnehmungen können die Wicklungsdrähte der Wicklungen geführt werden, so dass eine Kreuzung der Wicklungen auf einer oder beiden flachen Seiten der Spulenanordnung vermieden wird. Der Spulenkern kann dabei durch eine einstückige Ferritplatte gebildet sein oder aus mehreren, insbesondere plattenförmigen, Ferritteilen zusammengesetzt sein. So kann der Spulenkern rechteckförmig sein, und eine zentrische Ausnehmung aufweisen, wobei um die Längs- und Querseiten Wicklungen gewickelt sind, welche die Ausnehmung durchgreifen.
Die mindestens eine fensterartige Ausnehmung kann dazu genutzt werden, weitere Komponenten unter zu bringen, wie z.B. einen oder mehrere Kondensatoren, Sensoren und/oder weitere elektrische Komponenten, wie Gleichrichter, Wechselrichter, Steuereinheiten, etc.. Auch kann eine fensterartige Ausnehmung dazu genutzt werden, ein Verstärkungselement aufzunehmen, welches verhindert, dass die elektrischen Komponenten der Spulenanordnung durch äußere Krafteinwirkung, wie sie z.B. beim Überfahren oder Drauftreten auftritt, zerstört werden. Sofern die Spulenanordnung mehrere fensterartige Ausnehmungen aufweist, können die zusätzlichen Komponenten und Verstärkungselemente über die Fläche der Spulenanordnung verteilt angeordnet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass in einer fensterartigen Ausnehmung verschiedenste Komponenten und/oder Verstärkungselemente angeordnet sind.
Die fensterartige Ausnehmung kann aber auch dazu genutzt werden, um einen Teil sich kreuzender Wicklungen aufzunehmen, so dass die Spulenanordnung insgesamt nicht höher baut als eine Spulenanordnung ohne sich kreuzende Wicklungen. Die fensterartige Ausnehmung kann auch durch eine Verjüngung des Spulenkerns im Kreuzungsbereich der Wicklungen ersetzt werden. Es ist jedoch in der Regel unerwünscht, einen Spulenkern zu verwenden, dessen Querschnittsfläche an einer Stelle verringert ist, da es hierdurch in diesem Bereich nachteilig zur magnetischen Sättigung kommen kann. Die fensterartige Ausnehmung bzw. die Verjüngung, welche insbesondere auf einer oder beiden flachen Seiten des Spulenkerns einen Rücksprung bildet bzw. bilden, können auch etwas größer als der eigentliche Kreuzungsbereich ausgebildet sein, so dass die Wicklungsdrähte, welche in die fensterartige Ausnehmung oder den Rücksprung gelegt werden bzw. angeordnet sind, nicht übermäßig gebogen werden müssen. So ist es auch möglich, dass der Spulenkern in einem Übergangsbereich hin zum Kreuzungsbereich bzw. der Ausnehmung oder dem Rücksprung angeschrägt oder abgeflacht ist, und sich der Spulenkern somit hin zur fensterartigen Ausnehmung bzw. Rücksprung verjüngt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform, ist die Spulenanordnung durch mehrere, insbesondere flache rechteckige Spulenkörper gebildet, die mindestens jeweils von mindestens einer Wicklung umwickelt sind, wobei die Wicklungsachsen von zumindest zwei Wicklungen in zwei verschiedene Richtungen, insbesondere quer zueinander angeordnet sein müssen, so dass die Wicklungen mit Magnetfeldern unterschiedlicher Richtungen, insbesondere orthogonalen Magnetfeldern, zusammen wirken können.
Vorteilhaft sind bei dieser Ausführungsform die einzelnen Spulenkörper rechtwinklig und parallel zueinander in Zeilen und Spalten, insbesondere in Form eines rechtwinkligen, Gitters angeordnet, wobei die Spulenkörper mit ihren Enden an anderen Spulenkörpern angrenzen oder mit diesen überlappen können. Die Spulenkörper können selbstverständlich auch zueinander beabstandet sein.
Sofern sich die Spulenkörper miteinander überlappen, befinden sich die Wicklungsachsen der Wicklungen nicht exakt auf einer Ebene sondern sind leicht zueinander versetzt. Da die einzelnen Wicklungen jedoch in Richtung des Normalenvektors, welcher senkrecht auf der flachen Seite der Spulenanordnung steht, eine Ausdehnung haben, welche größer als der durch die sich überlappenden Spulenkörper bedingte Versatz ist, wird für die weitere Betrachtung angenommen, dass die einzelnen Wicklungen in einer Ebene angeordnet sind. Die ist bei einer Spulenanordnung, bei der sich die Spulenkörper nicht überlappen tatsächlich auch der Fall. Bei sich überlappenden Spulenkörpern wird ansonsten unter dem Winkel φ der Winkel verstanden, der von den auf eine der durch die Spulenkörper aufgespannten Ebenen projizierten Wicklungsachsen eingespannt ist.
Die Anzahl der Wicklungen, deren Wicklungsachsen parallel zu den Zeilen ausgerichtet sind, kann sich von der Anzahl der Wicklungen, deren Wicklungsachsen parallel zu den Spalten ausgerichtet sind, unterscheiden. Es können jedoch selbstverständlich auch gleich viele Zeilen- wie Spaltenwicklungen vorhanden sein. Auch müssen die Wicklungen nicht alle die gleiche Windungszahl und Wicklungsquerschnittsfläche aufweisen.
Ob die Wicklungen, welche in der gleichen Spalte oder Zeile angeordnet sind, in Reihe, parallel oder einzeln geschaltet sind, ist abhängig von der korrespondierenden Spulenanordnung des induktiven Energieübertragungssystems.
Nachfolgend werden verschiedene mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die dargestellten und erläuterten Ausführungsformen sind als nicht abschließend anzusehen, da die erfindungsgemäßen plattenförmigen Spulenkörper je nach den gestellten Anforderungen in unterschiedlichster Art und Weise zueinander angeordnet werden können.
Die Figuren zeigen:
1: Perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Spulenanordnung mit einem plattenförmigen Spulenkörper mit zentraler Ausnehmung;
1a u. b: zwei Querschnitte durch die Spulenanordnung gemäß 1;
2a: perspektivische Darstellung des Spulenkörpers der Spulenanordnung gemäß 1;
2b: Draufsicht auf die Spulenanordnung gemäß 1;
3a–c: mögliche erste Ausgestaltung des Spulenkörpers gemäß 2a;
4: Querschnittsdarstellung durch eine Spulenanordnung mit einem Spulenkörper gemäß 3a–c;
5: Querschnittsdarstellung durch eine Spulenanordnung mit einem in der Ausnehmung angeordnetem Sensor;
6: Querschnittsdarstellung durch eine Spulenanordnung mit einer in der Ausnehmung angeordneten Sensorspule und zusätzlichen Verstärkungselementen;
7: zweite mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung, bei der eine Wicklung eine Ausnehmung übergreift;
8: Querschnittsdarstellung durch die Spulenanordnung gemäß 7;
9: dritte mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung, bei der der Spulenkern aus vier Spulenkörpern mit jeweils einer Wicklung gebildet ist, die aneinander grenzen und in einer Ebene angeordnet sind;
10: vierte mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung, bei der der Spulenkern aus vier Spulenkörpern mit jeweils einer Wicklung gebildet ist, die mit ihren Endbereichen überlappend und in zwei Ebenen angeordnet sind;
11: Querschnittsdarstellung durch die Spulenanordnung gemäß 10;
12: fünfte mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung, bei der Spulenkern aus drei Spulenkörpern mit jeweils einer Wicklung gebildet ist, die in Form eines Doppel-T angeordnet sind;
13: sechste mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung, bei der Spulenkern aus drei Spulenkörpern gebildet ist, die in Form eines Doppel-T angeordnet sind, wobei jeweils zwei Wicklungen zwei parallel zueinander angeordnete Spulenkörper umgreifen;
14: siebte mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung, bei der Spulenkern aus längs und quer angeordneten Spulenkörpern mit jeweils einer Wicklung gebildet ist, die ein Spulengitter bilden;
15: achte mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung, bei der Spulenkern aus längs und quer angeordneten Spulenkörpern gebildet ist, die ein Spulengitter bilden, mit nur einer Querwicklung, welche die drei quer angeordneten Spulenkörper umgreift;
16a–d: weitere mögliche Ausführungsform, bei der sich die Wicklungen im Bereich einer zentrischen Ausnehmung kreuzen;
17: Spulenanordnung gemäß des Standes der Technik.
Die 1 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung SPA. Die Spulenanordnung SPA weist einen Spulenkern K auf, der eine rechteckige flache Platte mit der Kantenlänge L und der Breite B sowie der Höhe H ist. In der Mitte des Spulenkerns K ist eine Ausnehmung A, durch die die Wicklungsdrähte der Wicklungen W₁ bis W₄ hindurch treten. Je nach Ausführungsform können zum Beispiel die Spulen W₁ und W₃ sowie die Spulen W₂ und W₄ jeweils miteinander in Reihe geschaltet werden.
Der Spulenkern K ist ein flacher rechteckiger oder quadratischer Ring mit der äußeren Umrandung R_a und der inneren Umrandung R_i, welche die Ausnehmung A umgrenzt. Die Höhe H des flachen Spulenkerns K ist im Vergleich zur Länge L und der Breite B um ein Vielfaches kleiner. Dadurch, dass die Wicklungen W₁ bis W₄ nicht übereinander gelegt sind, das heißt, sich nicht kreuzen, ist die Spulenanordnung SPA sehr flach.
Es ist selbstverständlich möglich, dass, wie beispielhaft in den 7 und 8 dargestellt, die Spulenanordnung SPA in einem Gehäuse G angeordnet ist. Das Gehäuse G kann auch durch eine Vergussmasse gebildet sein, in der die Spulenanordnung SPA eingegossen ist. Selbstverständlich ist es möglich, dass die Spulenanordnung SPA zunächst in eine Vergussmasse eingebettet wird und anschließend in ein, insbesondere stoßfestes Gehäuse, eingesetzt wird oder von diesem ummantelt wird.
Der Spulenkern K weist rechteckförmige oder quadratische Eckbereiche E auf, die über Stege ST miteinander in Verbindung stehen, und die nicht umwickelt sind. Die Stege ST sind von den Wicklungen W₁ bis W₄ umgriffen. Eine perspektivische Ansicht eines nicht umwickelten Spulenkerns K zeigt die 2a.
Die 1a und 1b zeigen Querschnitte durch die Spulenanordnung SPA gemäß 1. Dabei zeigt die 1a den Querschnitt durch den Schnitt A‘-A‘. Die Stege ST des Spulenkerns K sind von den Windungen der Wicklungen W₂ und W₄ umwickelt, wobei die Wicklungsdrähte an der oberen und unteren flachen Seite K_F des Spulenkörpers K anliegen und um die Kanten R_K sowie den äußeren Rand R_a und den inneren Rand R_i herumgeführt sind. Die Wicklungsachsen WA stehen senkrecht zur Zeichnungsebene in der Ebene EB. Zwischen den Stegen ST befindet sich die Ausnehmung A, die von keiner der Wicklungen W₁ bis W₄ übergriffen wird. Die Wicklungen W₁–W₄ weisen jeweils eine axiale Wicklungslänge auf, die geringfügig kleiner ist als die Länge der Stege ST.
Die 1b zeigt den Querschnitt B‘-B‘ durch die Spulenanordnung SPA gemäß der 1 im Bereich der Wicklung W₃, deren Wicklungsachse WA sich von links nach rechts durch die Wicklung W₃ erstreckt und in der Ebene EB liegt.
Die 2b zeigt eine Draufsicht auf die Spulenanordnung SPA zur Veranschaulichung des Winkels φ, welcher durch die Spulenachsen WA aufgespannt wird. Fortan werden die Wicklungen W_Li, deren Spulenachsen WA parallel zur x-Koordinate angeordnet sind, als Längswicklungen bezeichnet und die Wicklungen W_Qi, deren Spulenachsen WA parallel zur y-Achse sind, als Querwicklungen bezeichnet werden. Der Winkel φ beträgt bei der dargestellten Ausführungsform jeweils 90°.
Die maximale axiale Länge einer Wicklung W ist durch die Länge L_Ri der Ausnehmung A vorgegeben.
Entsprechend der Einteilung der Wicklungen in Quer- und Längswicklungen W_Qi und W_Li, können auch die Stege in Längsstege ST_L und Querstege ST_Q, wie es in der 3a dargestellt ist, bezeichnet werden.
Die 3b und 3c zeigen mögliche Ausgestaltungen von Spulenkernen K, die aus flachen Spulenkörpern K_L und K_Q, die insbesondere aus Ferrit sind, gebildet sind. Dabei tragen die sich in Längsrichtung erstreckenden Spulenkörper K_L die Längswicklungen W_Li und die sich in Querrichtung erstreckenden Spulenkörper K_Q die Querwicklungen W_Qi.
In der 3b sind die Spulenkörper K_L und K_Q jeweils rechteckförmige flache Platten, die zueinander gleich ausgebildet sind. Die 3c zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung des Spulenkerns K, der aus zwei langen rechteckförmigen flachen Spulenkörpern K_L gebildet ist, die sich in Längsrichtung erstrecken und zwischen denen kleinere rechteckförmige Spulenkörper K_Q verbunden sind. Die Spulenkörper K_L, K_Q der in den 3b und 3c dargestellten Spulenkerne K sind jeweils in einer Ebene zueinander angeordnet und können z.B. durch einen Träger zueinander in Position gehalten werden. Es ist aber auch möglich, dass die Spulenkörper K_L, K_Q durch eine Vergussmasse zueinander in Position gehalten werden. Eine entsprechende Ausbildung der Erfindung zeigt die 4. Der Spulenkern K, welcher einstückig oder aus Platten K_L und K_Q gebildet sein kann, ist von einer äußeren Ummantelung K_SF umfasst. Nachdem die äußere Schicht K_SF auf den Spulenkörper K aufgetragen ist, wird der Spulenkörper K anschließend mittels der Windungen WG, welche letztendlich die Wicklungen W_Li und W_Qi bilden, umwickelt.
Die 5 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch eine Spulenanordnung SPA, welche in einem Gehäuse G angeordnet ist. Der Schnitt verläuft durch die zentrische Ausnehmung A, in der ein Sensor S angeordnet ist. Das Gehäuse weist eine flache Oberseite G_F1 und eine flache Unterseite G_F2 sowie eine äußere stirnseitige Umrandung G_S auf, durch die die Spulenanordnung SPA gegenüber äußeren mechanischen Einflüssen sowie vor Feuchtigkeit und Schmutz geschützt ist.
Die 6 zeigt ebenfalls einen Querschnitt im Bereich der Ausnehmung A, wobei in der Ausnehmung A eine Sensorspule S_SP sowie Verstärkungselemente V angeordnet sind, welche sich durch die gesamte Ausnehmung A hindurch erstrecken und mit den flachen Gehäuseseiten G_F1 und G_F2 verbunden sind. Hierdurch kann das Gehäuse G große Kräfte in z-Richtung aufnehmen, wodurch das Gehäuse G große Stabilität erhält und insbesondere trittfest oder überfahrfest wird.
Die nachfolgenden 7 bis 16d zeigen weitere alternative Ausführungsformen erfindungsgemäßer Spulenanordnungen SPA.
Die 7 zeigt eine Spulenanordnung SPA mit einem rechteckigen ringförmigen Spulenkörper K, der längs und quer angeordnete Spulenkörper K_L1, K_L2 und K_Q1, K_Q2 aufweist, die einstückig mittels der Eckbereiche E miteinander verbunden sind und um die die Längswicklung W_L1 und die beiden Querwicklungen W_Q1 und W_Q2 herumgewickelt sind. Die Längswicklung W_L1 umgreift den gesamten Spulenkörper K und übergreift somit auch an beiden flachen Seiten die Ausnehmung A. Sofern sich, wie dargestellt, die Längswicklung W_L1 nicht über die gesamte Breite der Ausnehmung A erstreckt, können zwischen den Querwicklungen W_Q1 und W_Q2 und der Längswicklung W_L1 jeweils Verstärkungselemente V in der Ausnehmung A angeordnet, die sich entsprechend den in 8 im Querschnitt dargestellten Verstärkungselementen V von einer flachen Seite zur anderen flachen Seite der Spulenanordnung oder des Gehäuses G erstrecken. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Spulenanordnung SPA mittels einer Vergussmasse ummantelt wird, sodass die Verstärkungen V durch die die Ausnehmung verfüllende Vergussmasse gebildet werden. Die Verstärkungselemente können jedoch auch, und dies gilt für alle möglichen Ausführungsformen, aus einem anderen Material als dem Gehäusematerial gebildet sein. Selbstverständlich können neben oder an Stelle der dargestellten Verstärkungselemente auch elektrische Komponenten oder elektrische Bauteile wie zum Beispiel Kondensatoren, Sensoren oder Antennen in der Ausnehmung A angeordnet sein.
Die 8 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch den Schnitt A‘-A‘ der 7. Die die Ausnehmung A überspannenden Wicklungsdrähte der Längswicklung W_L1 hängen, sofern kein Unterstützungselement U in der Ausnehmung A vor dem Bewickeln angeordnet wird, zunächst frei über der Ausnehmung A. Rechts und links von der Wicklung W_L1 sind die Verstärkungselemente V angeordnet. Das optional vorsehbare Unterstützungselement U kann auch als Verbindungssteg für die beiden Verstärkungselemente V dienen. Sowohl das Unterstützungselement U als auch die Verstärkungselemente können optional vorgesehen werden. Sie können als separate Elemente ausgebildet sein oder durch eine Vergussmasse gebildet werden.
Die 9 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung SPA. Die Spulenanordnung SPA besteht aus Längsspulenkörpern K_L1 und K_L2 sowie Querspulenkörpern K_Q1 und K_Q2, welche jeweils von Wicklungen W_L1, W_L2 und W_Q1, W_Q2 umwickelt sind. Die Spulenkörper K_L1, K_L2, K_Q1 und K_Q2 sind in einer Ebene angeordnet und stoßen mit ihren Stirnseiten bei AN aneinander. Sie können durch eine Vergussmasse zueinander in Position gehalten werden oder aber in ein Gehäuse eingelegt werden, welches die Spulenkörper K formschlüssig in Position hält.
Die 10 zeigt eine zu 9 alternative Ausführungsform, bei der die Längs- und Querspulenkörper K_L1, K_L2 und K_Q1, K_Q2 in zwei Ebenen EB₁ und EB₂ (11) angeordnet sind, wobei sie sich in den Bereichen ÜB überlappen. Die Spulenkörper K_L1, K_L2 und K_Q1 und K_Q2 bilden zusammen eine zentrische Ausnehmung A und äußere Rücksprünge RÜ, in denen weitere Komponenten wie zum Beispiel Verstärkungselemente, Sensoren, elektrische Schaltungen, Antennen, etc. angeordnet werden können und/oder die mittels einer nicht dargestellten Vergussmasse ausgefüllt werden können.
Die 11 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch den Schnitt A‘-A‘ der 10. Die Wicklungsachse der Wicklung W_L1 befindet sich dabei in der Ebene EB₁. Gleiches gilt für die nicht dargestellte Wicklung W_L2. Die Wicklungsachsen WA der ebenfalls nicht dargestellten Querwicklungen W_Q1 und W_Q2 befinden sich in der Ebene EB₂. Der Winkel φ, welcher von den Wicklungsachsen der Quer- und Längswicklungen aufgespannt wird, ergibt sich durch die Projektionen der Quer- und Längswicklungsachsen auf eine der beiden Ebenen EB₁ oder EB₂.
Die 12 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung SPA, bei der vier Längswicklungen W_L11, W_L12, W_L21 und W_L22 auf zwei Längsspulenkörpern K_L1 und K_L2 angeordnet sind, und lediglich eine Querwicklung W_Q1 auf dem die beiden Längsspulenkörper K_L1 und K_L2 verbindenden Querspulenkörper K_Q1 angeordnet ist. Die drei Spulenkörper K_L1, K_L2 und K_Q1 bilden eine Art Doppel-T-Träger. In die Ausnehmungen A₁ und A₂ können wie gehabt Verstärkungselemente, elektrische Komponenten, wie zum Beispiel Kompensatoren, Schalteinrichtungen, Steuereinrichtungen oder auch Sensoren und Antennen angeordnet werden. Die Längswicklungen W_L11, W_L12 sind dabei auf den Endbereichen K_L1´ des Längsspulenkörpers K_L1 gewickelt. Ebenso sind die Längswicklungen W_L21 und W_L22 auf den Endbereichen des Längsspulenkörpers K_L2 gewickelt.
Die 13 zeigt eine ähnliche Anordnung von Spulenkörpern K_L1, K_L2 und K_Q1, wobei jedoch die Längswicklungen W_L1 und W_L2 jeweils die beiden parallel zueinander angeordneten Längsspulenkörper K_L1 und K_L2 umfassen und damit die Ausnehmungen A₁ und A₂ übergreifen.
Die in 14 dargestellte erfindungsgemäße Spulenanordnung zeigt eine gitterförmige Anordnung der Spulenkörper K_L1, K_L2, K_Q1, K_Q2 und K_Q3. Die Längsspulenkörper K_L1 und K_L2 sind parallel zueinander angeordnet und erstrecken sich über die gesamte Länge der Spulenanordnung SPA und tragen jeweils zwei Längswicklungen W_L11, W_L12 sowie W_L21 und W_L22. Die Querspulenkörper K_Q1, K_Q2 und K_Q3 überlappen in den Bereichen ÜB mit den Längsspulenkörpern K_L1 und K_L2 und tragen in ihrer Mitte die Querwicklungen W_Q1, W_Q2 und W_Q3. Die Gesamtspulenanordnung SPA bildet zwei Ausnehmungen A₁ und A₂, in denen wie vorbeschrieben Verstärkungselemente, elektrische Schaltungen, elektrische passive Bauelemente, etc. angeordnet werden können.
Die 15 zeigt eine weitere mögliche Ausbildung der erfindungsgemäßen Spulenanordnung, bei der im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 14 nicht drei gesonderte Querwicklungen W_Q1, W_Q2 und W_Q3 vorgesehen sind, sondern nur eine Querwicklung W_Q1, die alle drei Querspulenkörper K_Q1, K_Q2 und K_Q3 umgreift und somit die Ausnehmungen A₁ und A₂ bereichsweise
Die 16a–d zeigen eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung SPA, wobei sich die beiden Wicklungen W₁ und W₂ im Kreuzungsbereich KR der fensterartigen Ausnehmung A kreuzen. Der Spulenkern K weist rechteckförmige oder quadratische Eckbereiche E auf, die nicht umwickelt sind und welche über Stege ST miteinander in Verbindung stehen. Der Spulenkern K weist ein Länge L und eine Breite B auf, die im Verhältnis zur Höhe H des Spulenkerns K um ein Vielfaches größer sind. Selbstverständlich können die Wicklungen W₁ und W₂ jeweils auch durch mehr als eine Wicklung ersetzt sein. Durch die Ausnehmung A ist es möglich, dass die Wicklung W₁ im Kreuzungsbereich KR in die Ausnehmung nach innen ausweicht, und somit die Wicklung W₂ im Kreuzungsbereich KR nicht weiter vom Spulenkern K absteht als im Bereich der Stege ST.
Wie aus 16c ersichtlich, setzt sich der Spulenkern K aus vier plattenförmigen Eckplatten K₁, K₂, K₃ und K₄ zusammen, die jeweils mit ihren aneinandergrenzenden freien Schenkeln die Stege ST und die Ausnehmung A bilden. Die Eckplatten K₁, K₂, K₃ und K₄ weisen jeweils eine äußere schmale Stirnseite R_a und eine innere, die Ausnehmung A umrandende Innenseite R_i auf.
Die 16d zeigt den Querschnitt A´-A´ durch die Spulenanordnung gemäß 16b, welcher parallel zu den Windungen der Wicklung W₂ verläuft. Im Kreuzungsbereich KR verlaufen die Wicklungsdrähte der Wicklung W₁ innerhalb der Ausnehmung A. Sofern die Dicke H des Spulenkerns K groß genug ist, kann zwischen den oberen Wicklungsdrähten und den unteren Wicklungsdrähten der Wicklung W₁ noch eine nicht dargestellte Elektronikeinheit oder ein Kondensator angeordnet werden. Auch kann zwischen den oberen Wicklungsdrähten und den unteren Wicklungsdrähten der Wicklung W₁ nochein Ferrit angeordnet werden, wobei jedoch hiervon aus Sättigungsgründen abzuraten ist.

Claims

Spulenanordnung (SPA) für ein induktives Energieübertragungssystem, die mindestens einen plattenförmigen Spulenkern (K_i), insbesondere aus Ferrit, aufweist, und der mindestens eine plattenförmige Spulenkern (K, K_L, K_Q) jeweils von mindestens einer Wicklung (W₁, W₂, W₃, W₄) mit jeweils mindestens einer Windung (WG) umfasst ist, wobei die Spulenanordnung (SPA) mindestens zwei Wicklungen (W₁, W₂, W₃, W₄) aufweist, deren Wicklungsachsen (WA) in einem Winkel (φ) von größer 50°, insbesondere in einem Winkel von 90°, zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (WG) der im Winkel (φ) zueinander angeordneten Wicklungen (W_i) kreuzungsfrei zueinander angeordnet sind und/oder dass sich kreuzende Windungen (WG) mit ihren Wicklungen (W_i) nur im Bereich einer Ausnehmung (A, A_i) oder einem Bereich mit verringerte Dicke des plattenförmigen Spulenkerns (K, K_i) kreuzen.
Spulenanordnung (SPA) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (SPA) mehrere plattenförmige Spulenkörper (K_L, K_Qi) mit jeweils mindestens einer darauf angeordneter Wicklung (W₁, W₂, W₃, W₄) aufweist, und die plattenförmigen Spulenkerne (K_i) aneinander angrenzen und/oder sich, insbesondere in rechtem Winkel, kreuzen.
Spulenanordnung (SPA) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei plattenförmige Spulenkörper (K_Li; K_Qi) zueinander parallel und beabstandet sind und mindestens ein plattenförmiger Spulenkörper (K_Qi; K_Li) dazu quer angeordnet ist.
Spulenanordnung (SPA) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Wicklung (W_i) mindestens zwei parallel zueinander angeordnete plattenförmige Spulenkörper (K_Li, K_Qi) umschließt.
Spulenanordnung (SPA) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei parallel zueinander angeordnete Wicklungen (W_i) mindestens zwei parallel zueinander angeordnete plattenförmige Spulenkörper (K_Li, K_Qi) umschließen.
Spulenanordnung (SPA) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Spulenkörper (K_Li, K_Qi) ein Gitter aus mindestens zwei Zeilen (Z) und mindestens zwei Spalten (SP) bilden, wobei jede Zeile (Z) und jede Spalte (SP) durch mindestens jeweils einen plattenförmigen Spulenkörper gebildet ist und zwischen einigen oder allen von den plattenförmigen Spulenkörpern (K_Li, K_Qi) gebildeten Kreuzungspunkten (KP) auf den jeweiligen Spulenkörpern (K_Li, K_Qi) Wicklungen (W_i) angeordnet sind.
Spulenanordnung (SPA) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) und die Länge (L) der Spulenanordnung (SPA) um mindestens das Zehnfache größer ist als die Höhe (H) der Spulenanordnung (SPA) und die Spulenanordnung (SPA) zumindest eine flache Seite aufweist, welche einer korrespondierenden Spulenanordnung des induktiven Energieübertragungssystems während der Energieübertragung zugewandt ist.
Spulenanordnung (SPA) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (SPA) mindestens eine, insbesondere fensterartige, Ausnehmung (A, A_i) hat, und dass mindestens eine der Wicklungen (W_i) die mindestens eine Ausnehmung (A, A_i) durchgreift und/oder teilweise verdeckt.
Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (K) oder die Spulenkernteile (K_i) jeweils aus mehreren Platten (K_p) aus weichmagnetischem Werkstoff, insbesondere Ferrit, gebildet sind.
Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (K) ein flacher Rahmen (R) ist, der einen, insbesondere rechteckigen oder quadratischen, inneren Rand (R_Li, R_Qi) aufweist, welcher die zentrische Ausnehmung (A) umfasst und einen, insbesondere rechteckigen oder quadratischen, äußeren Rand (R_La, R_Qa) aufweist.
Spule nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (R) zwei äußere und zwei innere zueinander parallele Längsseiten (R_Li, R_La) und zwei äußere und zwei innere zueinander parallele Querseiten (R_Qi, R_Qa) aufweist, wobei die Längsseiten (R_Li, R_La) und die Querseiten (R_Qi, R_Qa) insbesondere senkrecht zueinander angeordnet sind.
Spule nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (R) zumindest in den Bereichen (R_W) in denen er von den Wicklungen (W₁, W₂, W₃, W₄) umgriffen ist, im Querschnitt rechteckförmig oder oval ausgebildet sind.
Spule nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (R_k) der Längs- und/oder Querseiten (R_Li, R_La, R_Qi, R_Qa) zumindest bereichsweise abgerundet sind.
Spule nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Längs- und/oder Querseiten (R_L, R_Q) jeweils von mindestens einer Wicklung (W₁, W₂, W₃, W₄) umfasst sind, wobei die Wicklung (W₁, W₂, W₃, W₄) alle Seiten der Längs- und/oder Querseiten (R_L, R_Q) unmittelbar umfasst.
Spule nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Wicklung (W₁, W₂, W₃, W₄) jeweils im Wesentlichen über die Länge (L_ri) der inneren Längs- oder Querseite (R_Li, R_Qi) erstreckt.
Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Ausnehmung (A) Wicklungsdrähte von einer sich mit einer anderen Wicklung (W₂) im Bereich der Ausnehmung (A) kreuzenden Wicklung (W₁) angeordnet sind.
Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Ausnehmung (A_i) mindestens ein Kondensator, ein Sensor und/oder eine Steuerungseinheit angeordnet ist.
Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Ausnehmung (A) mindestens eine Sensoreinrichtung (S), insbesondere eine Sensorspule (S_SP), angeordnet ist.
Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Ausnehmung mindestens ein Verstärkungselement (V) zur Verstärkung der Spule angeordnet ist.
Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Ausnehmung (A, A_i) mit einem Füllstoff ausgefüllt ist, der insbesondere zur Verstärkung der Spule oder der Energieübertragungseinrichtung dient.
Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Ausnehmung (A, A_i) mindestens ein Verstärkungselement (V) angeordnet ist, welches sich insbesondere von einer flachen Seite (SP_F1) der Spule zur anderen flachen Seite (SP_F2) erstreckt.
Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (W_i, W₁, W₂, W₃, W₄) der Spulenanordnung (SPA) zusammen mit mindestens einem Kondensator einen oder mehrere Schwingkreise bilden.
Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (K) zumindest an einer seiner flachen Seiten (K_F) eine Schicht (K_S), die insbesondere aus Kunststoff ist, aufweist.
Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (K) zusammen mit den Wicklungen (W_i, W₁, W₂, W₃, W₄) in einem Gehäuse (G) angeordnet ist und/oder in einer Vergussmasse eingegossen ist.