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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ferritanordnung zur Führung eines magnetischen Flusses, mit wenigstens zwei prismatisch ausgebildeten Ferritsegmenten, die quer zu einer Richtung des zu führenden magnetischen Flusses eine Querschnittsfläche für den zu führenden magnetischen Fluss ausbilden und die derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass quer zur Richtung des zu führenden magnetischen Flusses zwei Oberflächen der benachbart angeordneten Ferritsegmente gegenüberliegen und einen Luftspalt ausbilden, so dass in Richtung des magnetischen Flusses eine Luftspaltlänge innerhalb der Ferritanordnung ausgebildet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Ferritanordnung zur Führung eines magnetischen Flusses, wobei wenigstens zwei prismatisch ausgebildete Ferritsegmente, die quer zu einer Richtung des zu führenden magnetischen Flusses eine Querschnittsfläche für den zu führenden magnetischen Fluss ausbilden, derart benachbart zueinander angeordnet werden, dass quer zur Richtung des zu führenden magnetischen Flusses zwei Oberflächen der benachbart angeordneten Ferritsegmente gegenüberliegen und einen Luftspalt mit einer Luftspaltlänge in Richtung des magnetischen Flusses innerhalb der Ferritanordnung ausbilden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Spulenanordnung mit einer elektrischen Spule, die eine Wicklung aus einem elektrischen Leiter aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein elektrisch antreibbares Fahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung, die eine elektrische Maschine umfasst, einem elektrischen Energiespeicher zum Versorgen der elektrischen Maschine mit elektrischer Energie in einem Fahrbetrieb des Fahrzeugs und einer Ladungseinrichtung zum Zuführen von elektrischer Energie zum Energiespeicher, wobei die Ladungseinrichtung zum drahtlosen energietechnischen Koppeln einer Energiequelle eine Spulenanordnung umfasst. Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Ladestation für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, mit einem Anschluss für eine elektrische Energiequelle, einem Konverter und einer am Konverter angeschlossenen Spulenanordnung zum drahtlosen energietechnischen Koppeln einer Ladungseinrichtung des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, um dem Fahrzeug Energie zuzuführen.
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Ferrite sind elektrisch schlecht oder nicht leitfähige ferrimagnetische keramische Werkstoffe, beispielsweise aus einem Eisenoxid wie Hämatit, Magnetit, weitere Metalloxide, Kombinationen hiervon oder dergleichen. Je nach Zusammensetzung können Ferrite hartmagnetisch oder weichmagnetisch sein. Ferrite finden Einsatz bei Energiewandlern beziehungsweise Energiekopplern unter Nutzung eines magnetischen Wechselfeldes. Häufig werden sie als magnetischer Rückschluss bei Spulenanordnungen benutzt. Aufgrund ihrer geringen elektrischen Leitfähigkeit eignen sie sich insbesondere für den Einsatz bei magnetischen Wechselfeldern mit hoher Frequenz.
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Darüber hinaus finden Ferritanordnungen Einsatz bei Ladungseinrichtungen, insbesondere deren Spulenanordnungen, die dazu eingerichtet sind, eine drahtlose energietechnische Kopplung zu einer Ladungseinrichtung, insbesondere des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, herzustellen, von der sie mittels des magnetischen Wechselfeldes Energie übertragen erhalten.
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Ladungseinrichtungen zum drahtlosen energietechnischen Koppeln einer Energiequelle sind dem Grunde nach bekannt, so dass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Ein elektrisches Gerät, beispielsweise ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, weist eine Ladungseinrichtung auf, damit dem Gerät, insbesondere dem Fahrzeug, Energie zugeführt werden kann, die in einem Energiespeicher des Geräts beziehungsweise des Fahrzeugs zum Zwecke einer Ausführung eines bestimmungsgemäßen Betriebs zur Verfügung gestellt und/oder gespeichert wird. Die Energie wird in der Regel mittels einer Ladestation bereitgestellt, die ihrerseits an eine elektrische Energiequelle, beispielsweise an einem öffentlichen Energieversorgungsnetz, an einem elektrischen Generator und/oder dergleichen angeschlossen ist, von der sie entsprechend elektrische Energie bezieht.
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Eine Möglichkeit der Zuführung der Energie von der Ladestation zur Ladungseinrichtung des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs besteht darin, eine elektrische Verbindung mittels eines Kabels zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation herzustellen. Darüber hinaus ist es bekannt, gemäß einer weiteren Möglichkeit eine drahtlose energietechnische Kopplung herzustellen, die eine aufwendige mechanische Anbindung mittels Kabel vermeidet. Zu diesem Zweck ist ladestationsseitig und fahrzeugseitig in der Regel jeweils eine Spulenanordnung vorgesehen, die zum Zwecke des Energieübertragens gegenüberliegend zueinander angeordnet werden und die eine energietechnische Kopplung unter Nutzung des magnetischen Wechselfeldes ermöglichen.
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Ladestationen der gattungsgemäßen Art dienen dazu, ein elektrisch antreibbares Fahrzeug während eines Ladebetriebs mit Energie zu versorgen, so dass das elektrisch antreibbare Fahrzeug seine bestimmungsgemäße Funktion, insbesondere während des Fahrbetriebs, ausüben kann. Das elektrisch antreibbare Fahrzeug benötigt die Energie für den Fahrbetrieb.
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Fahrzeuge der gattungsgemäßen Art mit einer Ladeeinrichtung zum drahtlosen Übertragen von Energie mittels eines magnetischen Wechselfeldes sind ebenfalls dem Grunde nach bekannt, so dass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises auch hierfür nicht bedarf. Das elektrisch antreibbare Fahrzeug weist die Ladungseinrichtung auf, damit dem elektrisch antreibbaren Fahrzeug Energie zugeführt werden kann, die vorzugsweise in einem Energiespeicher des Fahrzeugs zum Zwecke der Ausführung eines bestimmungsgemäßen Betriebs, nämlich des Fahrbetriebs, gespeichert wird. Die Energie wird in der Regel mittels der Ladestation bereitgestellt, die ihrerseits an die elektrische Energiequelle angeschlossen ist. Die Ladestation erzeugt das magnetische Wechselfeld unter Aufnahme elektrischer Energie der elektrischen Energiequelle. Die Ladungseinrichtung des Fahrzeugs erfasst das magnetische Wechselfeld, entnimmt diesem Energie und stellt die elektrische Energie fahrzeugseitig bereit, insbesondere, um den elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs und/oder die elektrische Maschine der Antriebsvorrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Sowohl fahrzeugseitig als auch ladestationsseitig ist jeweils eine Spulenanordnung vorgesehen, die über das magnetische Wechselfeld miteinander drahtlos energietechnisch gekoppelt sind. Um eine möglichst hohe Wirksamkeit der energietechnischen Kopplung mittels der Spulenanordnungen erreichen zu können, ist sowohl fahrzeugseitig als auch ladestationsseitig in der Regel ein magnetischer Rückschluss in Form einer Ferritanordnung vorgesehen. Dadurch kann der magnetische Fluss in gewünschter Weise geführt werden und eine hohe Wirksamkeit der energietechnischen Kopplung erreicht werden.
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Bei den insbesondere im Bereich der elektrisch antreibbaren Fahrzeuge verwendeten Spulenanordnungen, beispielsweise in der Ausgestaltung als Solenoid, sind die Abmessungen der Spulenbaugruppe unter anderem durch die Ferritanordnung bestimmt. Im Bestreben, die Abmessungen der Spulenanordnung möglichst klein zu gestalten, hat es sich gezeigt, dass eine Reduzierung der Querschnittsfläche der Ferritanordnung zu lokalen Überhitzungen führen kann. Dies beeinträchtigt die Funktion und die Sicherheit der Spulenanordnung sowie der mit ihr verbundenen weiteren Einrichtungen.
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Hieraus ergibt sich die Aufgabe, eine Ferritanordnung, ein Verfahren zu deren Herstellung, eine Spulenanordnung, eine Ladestation sowie ein elektrisch antreibbares Fahrzeug anzugeben, die verbesserte Eigenschaften aufweisen.
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Als Lösung wird mit der Erfindung eine Ferritanordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Ferritanordnung zur Führung eines magnetischen Flusses gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 7 vorgeschlagen. Spulenanordnungsseitig schlägt die Erfindung eine Spulenanordnung gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 10 vor. Weiterhin wird mit der Erfindung ein elektrisch antreibbares Fahrzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 11 vorgeschlagen. Schließlich schlägt die Erfindung mit dem unabhängigen Anspruch 12 eine Ladestation vor.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass, insbesondere, wenn die Spulenanordnung eine drahtlose energietechnische Kopplung bereitstellt, auch induktives Übertragungssystem genannt, besonders wenn die Spulenanordnung als Solenoid ausgeführt wird, im Vergleich zu anderen Ausführungsformen von Spulen erhöhte magnetische Flussdichten in der Ferritanordnung auftreten können. Aufgrund der technischen Anforderungen und/oder Realisierbarkeit sind solche Ferritanordnungen häufig segmentiert, insbesondere bei einem Solenoid, und bestehen nicht nur aus einem einzigen sondern dann aus einer Mehrzahl von Ferritteilen beziehungsweise Ferritsegmenten.
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Als keramische Bauelemente, die häufig sehr spröde sind, besteht bei großen Abmessungen eine Bruchgefahr, insbesondere auch dann, wenn beispielsweise in einem Fahrbetrieb eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs Vibrationen und Stöße auf die Ferritanordnung einwirken können. Aus diesem Grunde ist die Ferritanordnung in der Regel segmentiert aus einer vorgegebenen Anzahl von Ferritsegmenten gebildet, die zur Erzielung einer gewünschten, vorgegebenen Flusskonzentration des magnetischen Flusses entsprechend zueinander angeordnet sind.
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Es hat sich gezeigt, dass der Übergang des magnetischen Flusses von einem zum anderen Ferritsegment durch den in der Regel unvermeidbaren Luftspalt beeinflusst wird, wodurch auch die Flussführung in der Ferritanordnung selbst beeinflusst wird. Durch den Luftspalt kann eine Verteilung der magnetischen Flussdichte über die Querschnittsfläche des zu führenden magnetischen Flusses sehr inhomogen werden. Unter anderem kann dies durch variierende Luftspaltlängen in Richtung des zu führenden magnetischen Flusses über der Querschnittfläche verursacht oder auch verstärkt werden. Sind die Übergänge beziehungsweise Luftspalte zwischen benachbarten Ferritsegmenten in Richtung des magnetischen Flusses inhomogen ausgebildet, kommt es zu einer ungleichmäßigen Flussverteilung des magnetischen Flusses über den Querschnitt der Ferritanordnung. Dadurch ergeben sich Inhomogenitäten hinsichtlich der Beaufschlagung einzelner Ferritsegmente sowie infolgedessen die lokalen Temperaturerhöhungen innerhalb der Ferritanordnung.
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Bei einer hinreichend großen Querschnittsfläche der Ferritanordnung ist die Querschnittsfläche ausreichend, um etwaige auftretende Inhomogenitäten zu kompensieren. Das bedeutet, dass die Abmessungen der Ferritsegmente hinreichend groß in ihrer eigenen Querschnittsfläche zum Führen des magnetischen Flusses gewählt werden. Aus diesem Grund ist insbesondere die Dicke der Ferritsegmente hinreichend groß zu wählen. Dies steht jedoch einer Kompaktierung, insbesondere einer Reduktion der Dicke der Ferritsegmente entgegen.
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Um die Abmessungen der Ferritanordnung reduzieren zu können, wird insbesondere vorgesehen, die Querschnittsfläche der Ferritanordnung quer zur Richtung des magnetischen Flusses zu reduzieren. Dadurch können jedoch die eingangs beschriebenen Probleme bei der Ferritanordnung auftreten.
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Die Erfindung liefert eine Möglichkeit, die vorgenannten Probleme zu vermeiden beziehungsweise zu reduzieren. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, die Querschnittsfläche für den zu führenden magnetischen Fluss zu reduzieren. Dabei baut die Erfindung auf der Erkenntnis auf, dass ein magnetischer Widerstand für den magnetischen Fluss innerhalb eines Ferritsegments sehr klein gegenüber einem magnetischen Widerstand eines Luftspalts ist.
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Da die Ferritanordnung aus einer Mehrzahl von kleineren Ferritsegmenten zusammengesetzt ist, ist an den Übergangsstellen benachbarter Ferritsegmente in Richtung des magnetischen Flusses der magnetische Widerstand aufgrund des Luftspalts erhöht. Beim Stand der Technik werden an dieser Stelle Inhomogenitäten der magnetischen Flussdichte über die Querschnittsfläche in Kauf genommen. Bei einer Querschnittsflächenreduktion, insbesondere einer Dickenreduktion der Ferritsegmente kann dies zur lokalen Überhitzung der Ferritsegmente führen. Dies begrenzt die Reduktion des Querschnitts der Ferritanordnung für die Führung des magnetischen Flusses beim Stand der Technik.
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Mit der Erfindung wird eine Möglichkeit eröffnet, die ungünstige Verteilung der magnetischen Flussdichte über die Querschnittsfläche der Ferritanordnung zu reduzieren, wodurch die vorgenannten Probleme, insbesondere hinsichtlich der Erwärmung, deutlich reduziert werden können. Dadurch ist es möglich, die Ferritanordnung insgesamt besser auszulasten, wodurch Freiräume zur Reduktion der Querschnittsfläche, beispielsweise der Dicke der Ferritsegmente und infolgedessen einer Bauhöhe einer Spulenanordnung, erreicht werden können.
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Die Erfindung erreicht dies dadurch, dass nicht nur Ferritsegmente in willkürlicher Weise angeordnet werden, sondern dadurch, dass die Ferritsegmente, die vorliegend prismatische Ferritsegmente sind, derart angeordnet werden, dass über die Querschnittsfläche der Ferritanordnung die Luftspaltlängen an beliebigen Orten eines jeweiligen Luftspalts der Querschnittsfläche im Wesentlichen gleich lang sind. Dadurch ist es möglich, luftspaltbedingte Inhomogenitäten weitgehend zu reduzieren, so dass für den magnetischen Fluss über die Querschnittsfläche ein im Wesentlichen homogener magnetischer Widerstand bereitgestellt werden kann. Infolge dessen stellt sich eine im Wesentlichen homogene Flussdichteverteilung der magnetischen Flussdichte über die Querschnittsfläche der Ferritanordnung ein. Die Erfindung nutzt also die Erkenntnis, dass die Geometrie des Luftspalts beziehungsweise der Luftspalte die Verteilung des magnetischen Flusses beziehungsweise einen Gradienten der magnetischen Flussdichte über der Querschnittsfläche wesentlich mitbestimmt. Die Querschnittsfläche ist vorzugsweise eine durch die Ferritanordnung für den zu führenden magnetischen Fluss bereitgestellte Fläche entlang ihrer Erstreckung, die senkrecht zur Richtung des zu führenden magnetischen Flusses ausgebildet ist.
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Die Ferritsegmente sind insbesondere als geometrische Körper in Form eines Prismas ausgebildet und weisen vorzugsweise sämtlich die gleiche geometrische Form auf. Ein Prisma ist ein geometrischer Körper, der ein Vieleck als Grundfläche aufweist und dessen Seitenkanten im Wesentlichen parallel und gleich lang sind. Ein Prisma kann durch Parallelverschiebung eines eine ebene Grundfläche bildenden Vierecks entlang einer nicht in dieser Ebene liegenden Geraden im Raum erzeugt werden. Ein Prisma ist folglich ein spezielles Polyeder. Eine bevorzugte Ausgestaltung für Ferritsegmente ist ein Prisma mit rechteckiger Grundfläche, insbesondere die Quaderform.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ferritsegmente eine relative magnetische Permeabilität größer als 1, vorzugsweise größer als 10, insbesondere größer als 100, aufweisen. Die Ferritsegmente können bei der Ferritanordnung in einer horizontalen Ebene angeordnet sein. Die Ferritsegmente sind beispielsweise als Sinterkörper gefertigt und weisen hohe Anteile an Eisenoxid, Magnetit, anderen magnetisierbaren Oxiden und/oder dergleichen auf.
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Vorzugsweise sind die Ebene, in der die Ferritsegmente angeordnet sind, sowie die Ferritsegmente selbst nicht gekrümmt.
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Eine besonders praktische Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass insbesondere dem Luftspalt zugewandte Oberflächen der Ferritsegmente im Wesentlichen plan sind, das heißt, keine Krümmung aufweisen. Dadurch kann erreicht werden, dass die einen Luftspalt bildenden gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Ferritsegmente im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Dadurch ist auf besonders einfache Weise gewährleistet, dass an beliebigen Stellen des Luftspalts im Wesentlichen die gleiche Luftspaltlänge vorliegt. Der jeweilige lokale magnetische Widerstand des Luftspalts ist somit für den magnetischen Fluss im Wesentlichen über die Querschnittsfläche lokal konstant, so dass eine Flusskonzentration des magnetischen Flusses aufgrund variierenden magnetischen Widerstands des Luftspalts weitgehend vermieden werden kann.
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Darüber hinaus kann natürlich vorgesehen sein, dass die dem Luftspalt zugewandten Oberflächen benachbarter Ferritsegmente korrespondierende Konturen an der Oberfläche aufweisen, so dass auf diese Weise gewährleistet werden kann, dass über den Querschnitt des Luftspalts an beliebigen Stellen die gleiche Luftspaltlänge im Wesentlichen erreicht werden kann. Die Luftspaltlänge orientiert sich dabei an der jeweiligen lokalen Richtung des magnetischen Flusses.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Luftspalt einen die Luftspaltlänge definierenden Abstandhalter aufweist. Entsprechend werden die Ferritsegmente mittels eines Abstandhalters positioniert und/oder ausgerichtet. Der Abstandhalter, der vorzugsweise aus einem nicht ferro- oder ferrimagnetischen Werkstoff gebildet ist, dient somit als Lehre zur Positionierung der benachbarten Ferritsegmente, so dass ein Luftspalt mit den gewünschten Eigenschaften erreicht werden kann.
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Alternativ kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Oberflächen benachbarter Ferrite direkt aneinander angrenzen und ein Luftspalt lediglich durch Oberflächenrauheiten der aneinander angrenzenden Oberflächen benachbarter Ferritsegmente erzeugt wird. Demzufolge grenzen quer zu einer Richtung des zu führenden magnetischen Flusses Oberflächen benachbart zueinander angeordneter Ferritsegmente unmittelbar aneinander an. Dadurch lässt sich ein sehr geringer magnetischer Widerstand des Luftspalts erreichen. Abweichungen der Luftspaltlänge über den Querschnitt des zu führenden magnetischen Flusses können somit reduziert werden beziehungsweise gering gehalten werden.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Ferritanordnung eine Mehrzahl von Ferritsegmenten aufweist, wobei jeweils wenigstens zwei Ferritsegmente quer zur Richtung des magnetischen Flusses benachbart zueinander angeordnet sind, wobei Summen der jeweiligen Luftspaltlängen in Richtung des zu führenden magnetischen Flusses über die Querschnittsfläche jeweils gleich sind. Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere für den Fall, dass die Anordnung der Ferritsegmente aufgrund der Querschnittsanforderung für den zu führenden magnetischen Fluss und äußerer Randbedingungen für den verfügbaren Raum erfordern, dass an unterschiedlichen Stellen des Querschnitts des zu führenden magnetischen Flusses eine unterschiedliche Anzahl von Luftspalten die Folge ist. Dadurch, dass über die gesamte Strecke des zu führenden magnetischen Flusses die Luftspaltlängen über dem Querschnitt jeweils im Wesentlichen konstant ist, kann auch in diesem Fall im Wesentlichen eine Homogenisierung der magnetischen Flussdichte über den Querschnitt des zu führenden magnetischen Flusses erreicht werden.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich bei der vorgenannten Ausgestaltung, wenn Bereiche mit einer unterschiedlichen Anzahl von Luftspalten über die Gesamterstreckung der Ferritanordnung voneinander beabstandet sind, das heißt, die Ferritsegmente quer zur Richtung des magnetischen Flusses mit einem größeren Abstand als dem Luftspalt zwischen zwei benachbarten Ferriten in Richtung des magnetischen Flusses beabstandet sind. Dadurch kann erreicht werden, dass der magnetische Fluss sich nicht in den Bereich mit der geringeren Anzahl von Luftspalten verdrängt und so über die Erstreckungsrichtung der Ferritanordnung lokal aufgrund benachbarter Luftspalte Flussdichtekonzentrationen neben den Luftspalten erzeugt werden.
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Ferner wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass wenigstens eine dem Luftspalt zugewandte Oberfläche der Ferritsegmente eine Rauheit von weniger als 1 µm, insbesondere weniger als 200 nm, aufweist. Dadurch kann erreicht werden, dass die Luftspaltlängen, insbesondere bei parallel gegenüberliegenden Oberflächen von benachbarten Ferritsegmenten, die einen Luftspalt ausbilden, im Wesentlichen gleich lang sind. Besonders vorteilhaft erweist sich diese Ausgestaltung, wenn die gegenüberliegenden Oberflächen der benachbarten Ferritsegmente unmittelbar aneinander angrenzen. Durch die geringe Rauheit können Variationen in den Luftspaltlängen über den Querschnitt des zu führenden magnetischen Flusses reduziert werden, wodurch Auswirkungen auf den zu führenden magnetischen Fluss ebenfalls reduziert werden können. Die Rauheit kann gemäß DIN 4760 oder dergleichen ermittelt und/oder angegeben sein.
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Verfahrenstechnisch wird ferner vorgeschlagen, dass wenigstens eine dem Luftspalt zugeordnete Oberfläche der Ferritsegmente geschliffen wird. Insbesondere sollte jede einem Luftspalt zugeordnete Oberfläche der Ferritsegmente geschliffen sein. Dadurch kann eine geringe Rauheit der Oberfläche und/oder eine im Wesentlichen zu vernachlässigende Krümmung der Oberfläche erreicht werden. Beide Maßnahmen erlauben es sowohl für sich genommen als auch gemeinsam, eine Verteilung der magnetischen Flussdichte über den Querschnitt des zu führenden magnetischen Flusses zu verbessern.
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Mit der Erfindung wird ferner eine Spulenanordnung mit einer elektrischen Spule vorgeschlagen, die eine Wicklung aus einem elektrischen Leiter aufweist, wobei die Spulenanordnung eine Ferritanordnung gemäß der Erfindung umfasst. Dadurch kann mit der Spulenanordnung der Vorteil der erfinderischen Ferritanordnung erreicht werden. Die Spule dient der Wechselwirkung mit einem magnetischen Wechselfeld im Rahmen des Betriebs einer drahtlosen energietechnischen Kopplung. An Anschlüssen der Spule kann mittels des elektrischen Leiters in Abhängigkeit der Wechselwirkung der Spule mit dem magnetischen Wechselfeld eine elektrische Spannung bereitgestellt werden.
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Schließlich wird mit der Erfindung ein elektrisch antreibbares Fahrzeug vorgeschlagen, welches sich dadurch auszeichnet, dass dessen Spulenanordnung eine Ferritanordnung gemäß der Erfindung aufweist. Dadurch kann erreicht werden, dass die Spulenanordnung hinsichtlich ihrer Abmessungen reduziert werden kann, wodurch Bauraum und Gewicht beim Fahrzeug eingespart werden können. Darüber hinaus lassen sich mit der Erfindung auch die zuvor bereits genannten Vorteile der Ferritanordnung realisieren. Mit der Spulenanordnung ist es möglich, dem elektrisch antreibbaren Fahrzeug Energie zuzuführen, und zwar über eine drahtlose energietechnische Kopplung mit einem magnetischen Wechselfeld, welches mit der Spulenanordnung wechselwirkt. Dieses magnetische Wechselfeld kann von einer geeignet eingerichteten Ladestation bereitgestellt sein.
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Schließlich wird mit der Erfindung auch eine Ladestation für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug vorgeschlagen, wobei die Spulenanordnung der Ladestation eine Ferritanordnung gemäß der Erfindung aufweist. Dadurch kann die Ladestation bei bestehenden Abmessungen höhere Leistungsdichten beziehungsweise Flussdichten erzeugen, so dass ein Wirkungsgrad beziehungsweise eine Leistungsfähigkeit der drahtlosen energietechnischen Kopplung verbessert werden kann.
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Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren sind gleiche Bauteile und Funktionen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
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Es zeigen:
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1 eine Ferritanordnung mit Ferritsegmenten, wobei über den Querschnitt des zu führenden magnetischen Flusses eine unterschiedliche Anzahl von Luftspalten in Erstreckungsrichtung der Ferritanordnung in Richtung des magnetischen Flusses vorhanden sind, und
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2 eine Ferritanordnung mit Ferritsegmenten gemäß der Erfindung.
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1 zeigt eine Ferritanordnung 10 mit Ferritsegmenten 12, 14, wobei die Ferritsegmente 12, 14 als quaderförmige Prismen ausgebildet sind, die eine Dicke von etwa 4 mm aufweisen. Die Ferritsegmente 12 weisen Kantenlängen von 4 und 6 cm auf, wohingegen die Ferritsegmente 14 Kantenlängen von 4 und 8 cm aufweisen.
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In der Ferritanordnung 10 gemäß 1 sind die Ferritsegmente 12 in einer planen Ebene mit ihren 6 cm langen Längsseiten unmittelbar benachbart zueinander angeordnet. In der Ferritanordnung 10 der 1 sind die vier Ferritsegmente 12 derart angeordnet, dass sie mit ihren Längsseiten aneinandergrenzen und auf diese Weise drei Luftspalte 18 ausbilden, die quer zur Flussrichtung 16 des zu führenden magnetischen Flusses ausgerichtet sind. Benachbart hierzu sind zwei Ferritsegmente 14 angeordnet, deren kurze 4 cm lange Seiten in Flussrichtung 16 aneinandergrenzen und einen Luftspalt 24 ausbilden. Darüber hinaus grenzt die hierdurch gebildete Anordnung unmittelbar benachbart an die Anordnung der Ferritsegmente 12, so dass der Luftspalt 24 und der mittlere der Luftspalte 18 einen gemeinsamen Luftspalt ausbilden.
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Im praktischen Betrieb stellt sich aufgrund der Luftspalte 18, 24 einen Flussdichteverteilung ein, die zu einer erhöhten magnetischen Flussdichte in den Ferritsegmenten 14 führt. Infolgedessen liegt aufgrund der Einwirkung des magnetischen Flusses eine erhöhte Verlustleistung in den Ferritsegmenten 14 vor. Folglich ist eine lokale Erhitzung beziehungsweise Überhitzung im Bereich der Ferritsegmente 14 die Folge. Dies ist dadurch begründet, dass der magnetische Widerstand in Richtung des magnetischen Flusses 16 im Bereich der Ferritsegmente 14 lediglich aufgrund des einzigen Luftspalts 24 lediglich 1/3 des magnetischen Widerstands in den Ferritsegmenten 12 ist. Der magnetische Widerstand ist vorliegend überwiegend durch die magnetischen Widerstände bestimmt. Dagegen ist der magnetische Widerstand im Bereich der Ferritsegmente 12 im Wesentlichen durch die drei Luftspalte 18 gebildet ist, die auch Sicht des magnetischen Flusses hintereinandergeschaltet sind. Dadurch entsteht hinsichtlich des magnetischen Flusses eine Parallelschaltung aus den Ferritsegmenten 14 einerseits sowie den Ferritsegmenten 12 andererseits. Entsprechend der jeweiligen magnetischen Widerstände verteilt sich der magnetische Fluss somit aufgrund des geringeren magnetischen Widerstands überwiegend auf den Bereich der Ferritsegmente 14, wodurch eine entsprechend hohe Verlustleistung in den Ferritsegmenten 14 die Folge ist. Die Ferritsegmente 12 sind dagegen vergleichsweise gering durch den magnetischen Fluss beansprucht, so dass im Vergleich zu den Ferritsegmenten 14 die Verlustleistung in den Ferritsegmenten 12 wesentlich geringer ist. Die Ferritsegmente 12 sind hierdurch hinsichtlich ihrer Möglichkeiten nicht optimal ausgelastet, wohingegen die Ferritsegmente 14 überlastet sind.
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2 zeigt nunmehr eine Ausgestaltung einer Ferritanordnung 20 gemäß der Erfindung, die aus prismatischen Ferritsegmenten 22 gebildet sind, die sämtlich eine Dicke von 3 mm aufweisen und Kantenlängen von 3 sowie 2 cm aufweisen. Die Ferritsegmente 22 sind somit quaderförmig ausgebildet und in einer planen Ebene schachbrettartig angeordnet. Dadurch bilden sich zwischen benachbarten Oberflächen der Ferritsegmente 22 Luftspalte 28 aus, die im Wesentlichen homogen und gleich sind. Dadurch entsteht für den magnetischen Fluss über die durch die Ferritsegmente 22 gebildete Querschnittsfläche der Ferritanordnung 20 über deren Erstreckung in Flussrichtung 16 eine jeweils konstante Anzahl von Luftspalten 28, so dass sich eine ebenso homogene Verteilung für den magnetischen Widerstand ausbildet. Dadurch ist gewährleistet, dass sich der magnetische Fluss in Flussrichtung 16 im Wesentlichen gleichmäßig über die Ferritsegmente 28 verteilt und somit die Ferritsegmente 22 gleichmäßig mit magnetischem Fluss beaufschlagt sind. Bei dieser Anordnung kommt es auf Luftspalte quer zur Flussrichtung 16 zwischen benachbarten Ferritsegmenten 22 nicht an.
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Durch die Erfindung wird erreicht, dass der magnetische Fluss gleichmäßig auf die Ferritsegmente 22 verteilt wird, so dass auch eine Verlustleistung sich gleichmäßig über sämtliche Ferritsegmente 22 im Wesentlichen verteilt. Dadurch kann erreicht werden, dass die Dicke der Ferritsegmente 22 reduziert werden kann, so dass insgesamt eine Bauhöhe einer Spulenanordnung mit einer solchen Ferritanordnung 20 reduziert werden kann.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung anhand von 1 sieht vor, dass eine Summe von Luftspaltlängen der Luftspalte 18 gleich ist einer Luftspaltlänge des Luftspalts 24. Hierzu werden die Ferritsegmente 12, 14 entsprechend angeordnet. Darüber hinaus wird quer zur Flussrichtung 16 ein weiterer Luftspalt 26 vorgesehen, dessen Luftspaltlänge quer zur Flussrichtung 16 die Luftspaltlänge des Luftspalts 24 in Richtung des Luftspalts 16 um etwa den Faktor 10 überschreitet. Dadurch wird erreicht, dass magnetischer Fluss, der durch die Ferritsegmente 12 geführt wird, sich im Bereich des ersten und des letzten Luftspalts 18 nicht lokal in das jeweilige Ferritsegment 14 verdrängen lässt und so zu einer lokalen Inhomogenität der Flussdichtebeanspruchung führen kann.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist vorgesehen, dass die benachbart zueinander angeordneten Oberflächen der Ferritsegmente 22 geschliffen sind und eine Oberflächenrauhigkeit von weniger als 200 nm aufweisen.
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Insgesamt erweist es sich als vorteilhaft, dass durch die Erfindung Gradienten der magnetischen Flussdichte in einer Querschnittsfläche des zu führenden magnetischen Flusses im Wesentlichen homogenisiert werden können, so dass lokale Überhitzungen aufgrund von Flussdichtekonzentrationen des magnetischen Flusses reduziert werden, wenn nicht sogar gänzlich vermieden werden können.
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Die anhand der FIG beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht begrenzen.
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Selbstverständlich wird der Fachmann bei Bedarf entsprechende Variationen vorsehen, ohne den Kerngedanken der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können einzelne Merkmale bedarfsgerecht in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus können natürlich Vorrichtungsmerkmale durch entsprechende Verfahrensschritte und umgekehrt realisiert sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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