DE102016203350A1

DE102016203350A1 - Spule

Info

Publication number: DE102016203350A1
Application number: DE102016203350.6A
Authority: DE
Inventors: Kai Kuhr; Benjamin Willmann; Dominic Otto
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: CN107146688A; DE102016203350B4; CN107146688B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spule (30), wobei die Spule (30) zwei Ferrit-Kerne (31, 33) und einen Spulendraht (35) aufweist, wobei der Spulendraht (35) jeweils mit mindestens einer Windung (36, 37) um den jeweiligen Ferrit-Kern (31, 33) gewickelt ist, wobei die Wicklungsrichtung der mindestens einen Windung (36) um den ersten Ferrit-Kern (31) gegensinnig zur Wicklungsrichtung der mindestens einen Windung (37) um den anderen Ferrit-Kern (33) ist, wobei der erste Ferrit-Kern (31) als Hohlzylinder (32) und der zweite Ferrit-Kern (33) als Vollzylinder (34) oder als Hohlzylinder ausgebildet ist, wobei der Außendurchmesser (da) des zweiten Ferrit-Kerns (33) kleiner als der Innendurchmesser (di) des ersten Ferrit-Kerns (31) ist, wobei der zweite Ferrit-Kern (33) konzentrisch innerhalb des ersten Ferrit-Kerns (31) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spule.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet von Spulen ist die induktive Energieübertragung, beispielsweise für eine Energieübertragung in einem induktiven Ladesystem für Elektrofahrzeuge. Dabei wird über eine Primärspule elektrische Energie in die im Kraftfahrzeug angeordnete Sekundärspule übertragen..
Dabei sind Varianten mit unterschiedlichen Spulen bekannt. Eine Ausführungsform schlägt eine Zirkularspule als Primärspule vor. Der Vorteil von Zirkularspulen ist, dass diese eine rotationssymmetrische Feldverteilung erzeugen. Dies führt dazu, dass die Ausrichtung des Kraftfahrzeugs in horizontaler Richtung weniger kritisch ist, solange ein geringer Abstand und eine gute Überdeckung der beiden Spulen gewährleistet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Kraftfahrzeughersteller hinsichtlich der Anordnung der die Sekundärspule tragenden Ladeplatte einen größeren Freiheitsgrad haben und diese beispielsweise um 90° verdreht einbauen können. Ein Nachteil ist, dass Zirkularspulen nur eine geringe Feldführung aufweisen, sodass der Streufluss sehr groß ist. Dies führt zu mehr Verlusten und zu einer unerwünschten Erwärmung benachbarter Fahrzeugteile durch den Streufluss.
Eine alternative Ausführungsform ist eine sogenannte DD-Spule. Eine DD-Spule weist zwei nebeneinander angeordnete Ferrit-Kerne und einen Spulendraht auf, wobei der Spulendraht jeweils mit mindestens einer Windung um den jeweiligen Ferrit-Kern gewickelt ist. Dabei ist die Wicklungsrichtung der mindestens einen Windung um den ersten Ferrit-Kern gegensinnig zur Wicklungsrichtung der mindestens einen Windung um den anderen Ferrit-Kern. Dies bewirkt eine gute Feldführung, sodass die Streuverluste reduziert sind. Nachteilig ist, dass die horizontale Ausrichtung der Sekundärspule nun einen entscheidenden Einfluss auf den Wirkungsgrad hat, da das erzeuge Feld nicht rotationssymmetrisch ist. Dies schränkt die Anordnung der Ladeplatte im Kraftfahrzeug ein und erhöht den Aufwand bei der Ausrichtung der Sekundärspule zur Primärspule.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Spule zu schaffen, die einen verbesserten Wirkungsgrad gegenüber einer Zirkularspule aufweist und toleranter bezüglich der Ausrichtung einer Sekundärspule ist.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Spule mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Spule weist zwei Ferrit-Kerne und einen Spulendraht auf, wobei der Spulendraht jeweils mit mindestens einer Windung um den jeweiligen Ferrit-Kern gewickelt ist. Dabei ist die Wicklungsrichtung der mindestens einen Windung um den ersten Ferrit-Kern gegensinnig zur Wicklungsrichtung der mindestens einen Windung um den anderen Ferrit-Kern. Dabei ist der Ferrit-Kern als Hohlzylinder und der zweite Ferrit-Kern als Vollzylinder oder als Hohlzylinder ausgebildet. Dabei ist der Außendurchmesser des zweiten Ferrit-Kerns kleiner als der Innendurchmesser des ersten Ferrit-Kerns, wobei der zweite Ferrit-Kern konzentrisch innerhalb des ersten Ferrit-Kerns angeordnet ist. Hierdurch wird eine rotationssymmetrische Feldführung erreicht, d.h. die Vorteile einer Zirkularspule und einer DD-Spule werden ohne die jeweiligen Nachteile erreicht. Dabei soll die Formulierung Hohlzylinder oder Vollzylinder auch Strukturen umfassen, die beispielsweise Abrundungen an den Kanten aufweisen oder Strukturen in der Mantelfläche aufweisen. Solche Strukturen können beispielsweise Rillen oder Nuten sein, in denen der Spulendraht geführt ist. Dabei ist der zweite Ferrit-Kern vorzugsweise ein Vollzylinder. Allerdings sind Ausführungen denkbar, wo es herstellungstechnisch einfacher ist, einen Hohlzylinder mit einem sehr kleinen Innendurchmesser herzustellen.
In einer Ausführungsform ist die Anzahl der Windungen um den ersten Ferrit-Kern gleich der Anzahl der Windungen um den zweiten Ferrit-Kern. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl der Windungen ungleich gewählt werden, um beispielsweise auftretende Verluste im Bereich des einen Ferrit-Kerns zu kompensieren.
Dabei sind zwei Wicklungstechniken möglich. In einer ersten Technik werden zunächst alle Windungen um den einen Ferrit-Kern durchgeführt, bevor die Windungen um den anderen Ferrit-Kern durchgeführt werden. Alternativ kann die Wicklung auch alternierend erfolgen. Allerdings weist die erste Alternative herstellungstechnisch Vorteile auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Ferrit-Kern mindestens eine Durchbrechung auf, durch die der Spulendraht zum zweiten Ferrit-Kern geführt ist bzw. umgekehrt vom zweiten Ferrit-Kern zum ersten Ferrit-Kern geführt ist. In einer Ausführungsform wird zunächst der zweite Ferrit-Kern umwickelt und anschließend dieser in den ersten Ferrit-Kern eingesetzt und dann der erste Ferrit-Kern umwickelt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Spulendraht als verdrillte Kupferlitze ausgebildet, was hinsichtlich des Skin-Effekts von Vorteil ist.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Spule ist die Verwendung als Primärspule einer induktiven Ladestation für Elektro- oder Hybridfahrzeuge.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine Spule mit einer Zirkularspule (Stand der Technik),
2a eine Draufsicht auf eine Spule mit einer DD-Spule (Stand der Technik),
2b eine Schnittdarstellung durch eine Spule gemäß 2a (Stand der Technik),
3a eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Spule und
3b eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Spule gemäß 3a.
In 1 ist eine Spule 10 dargestellt, die eine Zirkularspule darstellt. Die Spule 10 weist einen zylinderförmigen Ferrit-Kern 11 auf, um den ein Spulendraht 12 gewickelt ist, wobei die Pfeile am Spulendraht 12 die Stromrichtung symbolisieren. Der Stromfluss durch den Spulendraht 12 bewirkt gemäß der rechten Hand-Regel eine Magnetfeldrichtung 13 in die Zeichenebene. Die sich dabei ausbildenden Feldlinien sind rotationssymmetrisch, weisen aber einen großen Stromfluss auf.
In den 2a und 2b ist eine Spule 20 dargestellt, die eine DD-Spule darstellt. Die Spule 20 weist einen ersten Ferrit-Kern 21 und einen zweiten Ferrit-Kern 22 auf, die nebeneinander beabstandet angeordnet sind. Um die beiden Ferrit-Kerne 21, 22 ist ein Spulendraht 23 gewickelt, wobei die Pfeile wieder die Stromrichtung symbolisieren.
Dabei ist um den ersten Ferrit-Kern 21 mindestens eine erste Windung 24 und um den zweiten Ferrit-Kern 22 mindestens eine zweite Windung 25 gewickelt, wobei die Windungen 24, 25 derart gewickelt sind, dass die Wicklungsrichtungen und damit der Stromfluss gegensinnig sind. So ist die Stromrichtung um den ersten Ferrit-Kern 21 im Uhrzeigersinn und die Stromrichtung um den zweiten Ferrit-Kern 21 gegen den Uhrzeigersinn. Entsprechend ergibt sich gemäß der rechten Hand-Regel eine Magnetfeldrichtung 26 in die Zeichenebene für den ersten Ferrit-Kern 21 und aus der Zeichenebene für den zweiten Ferrit-Kern 22, was eine gerichtete Magnetfeldrichtung bewirkt (siehe 2b). In der 2b ist darüber hinaus ein Träger 27 dargestellt, auf dem die Spule 20 befestigt ist. Das sich ausbildende Magnetfeld ist nicht rotationssymmetrisch.
In den 3a und 3b ist eine erfindungsgemäße Spule 30 dargestellt. Die Spule 30 weist einen ersten Ferrit-Kern 31 in Form eines Hohlzylinders 32 und einen zweiten Ferrit-Kern 33 in Form eines Vollzylinders 34 auf. Dabei ist der Innendurchmesser d_i des ersten Ferrit-Kerns 31 größer als der Außendurchmesser d_a des zweiten Ferrit-Kerns 33. Der zweite Ferrit-Kern 33 ist dabei konzentrisch in dem ersten Ferrit-Kern 31 angeordnet. Ein Spulendraht 35 ist um den ersten Ferrit-Kern 31 und den zweiten Ferrit-Kern 33 gewickelt, sodass mindestens eine Windung 36 um den ersten Ferrit-Kern 31 und mindestens eine Windung 37 um den zweiten Ferrit-Kern 33 entsteht. Dabei ist die Wicklungsrichtung wieder derart, dass die Wicklungsrichtung der Windung 36 um den ersten Ferrit-Kern 31 gegensinnig zur Wicklungsrichtung der Windung 37 um den zweiten Ferrit-Kern 33 ist. Dadurch stellt sich eine Magnetfeldrichtung 38 ein, die bei der eingezeichneten Stromrichtung im ersten Ferrit-Kern 31 aus der Zeichenebene und im zweiten Ferrit-Kern 33 in die Zeichenebene gerichtet ist. Hierdurch wird ein rotationssymmetrisches Magnetfeld erzeugt. Ist nun eine Sekundärspule ebenfalls eine rotationssymmetrische Spule (z.B. eine Zirkularspule), so ist der induzierte magnetische Fluss unabhängig von einer Winkellage der Sekundärspule in der Horizontalen. In 3b ist noch ein Träger 39 zu erkennen, auf dem die Spule 30 angeordnet ist. Dabei sei angemerkt, dass der Spalt zwischen dem ersten Ferrit-Kern 31 und dem zweiten Ferrit-Kern 33 vorzugsweise so gering wie möglich ist. In einer weiteren Ausführungsform sind der erste und zweite Ferrit-Kern 31, 33 derart dimensioniert, dass die Flächen nahezu gleich groß sind, durch die das Magnetfeld tritt. Weiter sei angemerkt, dass zwar eine statische Stromrichtung eingezeichnet wurde, die Spule jedoch auch mit einem Wechselstrom beaufschlagt werden kann.

Claims

Spule (30), wobei die Spule (30) zwei Ferrit-Kerne (31, 33) und einen Spulendraht (35) aufweist, wobei der Spulendraht (35) jeweils mit mindestens einer Windung (36, 37) um den jeweiligen Ferrit-Kern (31, 33) gewickelt ist, wobei die Wicklungsrichtung der mindestens einen Windung (36) um den ersten Ferrit-Kern (31) gegensinnig zur Wicklungsrichtung der mindestens einen Windung (37) um den anderen Ferrit-Kern (33) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ferrit-Kern (31) als Hohlzylinder (32) und der zweite Ferrit-Kern (33) als Vollzylinder (34) oder als Hohlzylinder ausgebildet ist, wobei der Außendurchmesser (d_a) des zweiten Ferrit-Kerns (33) kleiner als der Innendurchmesser (d_i) des ersten Ferrit-Kerns (31) ist, wobei der zweite Ferrit-Kern (33) konzentrisch innerhalb des ersten Ferrit-Kerns (31) angeordnet ist.
Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Windungen (36) um den ersten Ferrit-Kern (31) gleich der Anzahl der Windungen (37) um den zweiten Ferrit-Kern (33) ist.
Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Windungen (36) um den ersten Ferrit-Kern (31) ungleich der Anzahl der Windungen (37) um den zweiten Ferrit-Kern (33) ist.
Spule nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulendraht (35) erst um den einen Ferrit-Kern (31, 33) zur Ausbildung der Windungen (36, 37) gewickelt ist und anschließend um den anderen Ferrit-Kern (33, 31) gewickelt ist.
Spule nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ferrit-Kern (31) mindestens eine Durchbrechung aufweist, durch die der Spulendraht (35) zum zweiten Ferrit-Kern (33) geführt ist.
Spule nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulendraht (35) als Kupferlitze ausgebildet ist.
Verwendung einer Spule (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüche als Primärspule einer induktiven Ladestation.