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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spule geeignet für ein induktives Ladesystem.
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Stand der Technik
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Induktive Ladesysteme übertragen elektrische Energie von einer Sendespule in einer Vorrichtung zu einer Empfangsspule in einer anderen Vorrichtung. Dazu wird in der Sendespule durch einen Wechselstrom ein Magnetfeld erzeugt, welches in der Empfangsspule einen elektrischen Strom induziert. Dieser in der Empfangsspule induzierte Strom kann verwendet werden, um einen elektrischen Energiespeicher in der Empfangsvorrichtung zu laden, die Empfangsvorrichtung zu betreiben und/oder Informationen zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvorrichtung zu übertragen. Wie beispielsweise in der Schrift
DE 21 3025 000 119 beschrieben sind induktive Ladesysteme Stand der Technik. Induktive Ladesysteme umfassen eine Ladevorrichtung, die Leistung und/oder Signale an eine elektronische Vorrichtung überträgt, und zwar durch induktive Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule in der elektronischen Vorrichtung. Da bei induktiven Ladesystemen beispielsweise für elektrisch angetriebene Fahrzeuge elektrische Leistungen von mehreren Kilowatt über Zeiträume von mehreren Stunden übertragen werden, ist ein möglichst hoher Wirkungsgrad von großer Bedeutung.
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Werden zum Übertragen der Leistungen die Spulen mit hohen Frequenzen angesteuert, treten durch den Skin- und Proximityeffekt Stromverdrängungen im elektrischen Leiter der Spule auf. Hierdurch erhöht sich der elektrische Spulenwiderstand und somit die Verlustleistung in der Spule. Um dem entgegen zu wirken, werden für die elektrischen Leiter in der Spule Leitungen aus HF-Litze (Hochfrequenzlitze) verwendet. Diese Leitungen sind Litzenleiter, bei denen die einzelnen Litzen im Leiter zueinander isoliert sind. Die einzelnen Litzen sind über eine gewisse Länge so verseilt, dass jede Litze mal außen an der Oberfläche und dann wieder im Inneren des Leiters verläuft. Somit reduzieren sich die Skin- und Proximityeffekte auf ein Minimum. Dies verringert den elektrischen Widerstand und somit die Verlustleistung und Erwärmung in der Übertragungsspule und in den Zuleitungen. Je nach Stromstärke kommen Litzenleiter zum Einsatz, bei denen mehrere hundert oder tausend isolierte Einzellitzen zu einem Litzenkabel verseilt werden. Der Durchmesser der einzelnen Litzen liegt hierbei oft bei 0,2 oder 0,1 mm.
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Nachteilig an der Herstellung dieser HF-Litzenleiter sind der Aufwand und die Kosten. Bei der Verarbeitung dürfen zusätzlich nachteilig Mindestbiegeradien und maximale Zugkräfte nicht überschritten werden. Zusätzlich darf bei der Verarbeitung die oft dünne Leiterisolation nicht beschädigt werden. Um die Spulendrähte in der vorbestimmten Position zu halten, muss eine Trägerkonstruktion vorhanden sein, die ein Einfädeln des Spulendrahtes unter Berücksichtigung der oben genannten mechanischen Verarbeitungsbedingungen ermöglicht.
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Es besteht daher der Bedarf nach einem kostengünstigen, vereinfachten und robusten Herstellungsverfahren.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es kostengünstig, vereinfacht und robust durchführbar ist.
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Erfindungsgemäß ist dazu ein Verfahren zur Herstellung einer Spule, die zur induktiven Übertragung elektrischer Energie geeignet ist, vorgesehen. Die Spule weist mindestens einen ersten elektrisch nicht leitenden Spulenträger auf, welcher mindestens eine Spulenwicklung umfasst. Der mindestens eine elektrische Leiter der Spulenwicklung ist von der Trägerstruktur des Spulenträgers vollständig umschlossen und wird mittels eines 3D-Druckverfahrens erzeugt. Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber der Verwendung von HF-Litzenleitern vereinfacht und billiger. Zusätzlich entfällt der Biegeprozess, der bei der üblichen Verarbeitung die Einhaltung von Mindestbiegeradien und die Nichtüberschreitung maximaler Zugkräfte fordert. Durch die Einbettung der elektrischen Leiter in die Trägerstruktur durch 3D-Druck, werden die elektrischen Leiter automatisch vorteilhaft in der vorbestimmten Position gehalten.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Vorteilhafterweise werden der Spulenträger und die Leiter der Spulenwicklung in einem gemeinsamen 3D-Druckprozess erzeugt. Durch die gemeinsame drucktechnische Erzeugung werden die Trägerstruktur des Spulenträgers und die elektrischen Leiter der Spulenwicklung so gefertigt, dass die elektrischen Leiter vollständig durch die Trägerstruktur des Spulenkörpers umschlossen sind und in vorteilhafter robuster Weise keine mechanischen Spannungen in den Leitern und in der Trägerstruktur des Spulenträgers auftreten. In vorteilhafter Weise sorgt die vollständige Umschließung der elektrischen Leiter durch die Trägerstruktur für eine unterbrechungsfreie elektrische Isolierung der elektrischen Leiter gegeneinander und nach außen.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Trägerstruktur des elektrisch nicht leitenden Spulenträgers den elektrischen Leiter in der vorbestimmten Position hält. Durch die vollständige Einbettung der elektrischen Leiter in die Trägerstruktur des Spulenträgers werden mechanische Verlagerungen der Leiter bzw. der ganzen Spulen durch Vibrationen, Temperaturwechsel, elektrische und/oder magnetische Kräfte verhindert.
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Vorteilhafterweise besteht die Spule aus mehreren durch den nicht leitenden Spulenträger gegeneinander isolierten elektrischen Leitern. Die Verwendung von mehreren gegeneinander isolierten Leitern erlaubt den Einsatz von höheren Strömen und somit die Erzeugung eines größeren magnetischen Flusses und damit verbunden die Übertragung einer höheren Leistung im Vergleich zu Spulen mit Einzelleitern. Ebenfalls werden Beschädigungen der Isolation durch Reiben oder Aneinanderschlagen der einzelnen Leiter aneinander vermieden.
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Vorteilhafterweise sind die elektrischen Leiter so zueinander angeordnet, dass sich eine verseilte Struktur ergibt. Durch die verseilte Anordnung der durch die Trägerstruktur des Spulenträgers gegeneinander elektrisch isolierten Leiter verläuft jeder Leiter ein Stück außen an der Oberfläche und dann wieder im Innern der verseilten Struktur. Damit reduzieren sich die Skin- und Proximityeffekte auf ein Minimum und verringern den elektrischen Widerstand und somit die Verlustleistung und die Erwärmung in der Übertragungsspule und in den Zuleitungen.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass die elektrischen Leiter in einer beliebigen räumlichen Struktur zueinander angeordnet sind. Durch den 3D-Druck können Anordnungen mit weiter optimierten Skin- und Proximityeffekten der elektrischen Leiter verwirklicht werden, die mit den herkömmlichen Verseilungsmethoden nicht herstellbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegte Zeichnung ersichtlich.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Spule.
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Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in der Figur nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Spule 1 bestehend aus einem Spulenträger 2 mit Spulenwicklungen 3. Zur besseren Veranschaulichung ist die Spule 1 aufgeschnitten dargestellt. In den Schnittflächen sind die zur besseren Darstellung ebenfalls geschnittenen elektrischen Leiter 4 und die Trägerstruktur 5 zu erkennen.
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Die dargestellte Spule 1 ist als Flachspule ausgeführt, die durch ein 3D-Druckverfahren erstellt wurde. Das 3D-Druckverfahren ermöglicht die Anfertigung der Spule 1 ohne Verwendung von vorgefertigten elektrischen Leitern. In der Trägerstruktur 5 des Spulenträgers 2 liegen die elektrischen Leiter 4 so, dass sie keinen Kontakt zueinander haben und durch die elektrisch nicht leitende Trägerstruktur 5 elektrisch isoliert sind. Die elektrisch nicht leitende Trägerstruktur 5 trägt die elektrischen Leiter 4 so, dass diese immer genau in ihrer vorbestimmten Position gehalten werden. In dem 3D-Druckprozess werden die Leiter 4 so gedruckt, dass sich eine vorbestimmte verseilte Struktur der elektrischen Leiter 4 ergibt, um die Skin- und Proximityeffekte auf ein Minimum zu beschränken. Weiterhin bietet der 3D-Druckprozess die Möglichkeit, die elektrischen Leiter 4 in einer beliebigen räumlichen Struktur zueinander anzuordnen. Damit lassen sich Anordnungen mit weiter optimierten Skin- und Proximityeffekten der elektrischen Leiter 4 verwirklichen, die mit herkömmlichen Verseilungsmethoden nicht herstellbar sind. Diese Anordnungen der elektrischen Leiter 4 können beispielsweise durch computergestützte Berechnungsmethoden optimiert werden und führen zu einer weiteren Reduktion des elektrischen Widerstands der Spulenwicklung 3 und senken damit weiterhin die Verlustleistung.
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Die ebenfalls zu beachtenden Einschränkungen bei der bekannten Anfertigung von Spulenwicklungen 3 mittels verseilten Litzenleitern wie beispielsweise Zugkraftgrenzen und Mindestbiegeradien spielen bei der Herstellung mittels 3D-Druckverfahren keine Rolle und schränken die Designfreiheit für die Anordnung der Spulenwicklung 3 und der einzelnen elektrischen Leiter 4 nicht ein.
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Bei Verwendung von transparenten Werkstoffen für die Trägerstruktur 5 des Spulenträgers 2 können mit dem 3D-Druckverfahren die elektrischen Leiter 4 der Spulenwicklung 3 direkt in einen durchsichtigen Spulenträger 2 angeordnet werden. Damit können beispielsweise glasklare Spulenträger 2 als Tischplatten angefertigt werden, die bei Verwendung sehr dünner elektrischer Leiter 4 nahezu unsichtbare Spulenwicklungen 3 zum Laden von Mobiltelefonen, tragbaren Computern und anderen Verbrauchern enthalten.
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Weitere Anwendungsmöglichkeiten bieten sich bei Verwendung von transparenten Werkstoffen für die Trägerstruktur 5 des Spulenträgers 2 beispielsweise durch die Möglichkeit, nahezu unsichtbare Hochleistungsantennen oder Heizelemente in Fensterscheiben anzufertigen.
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Bei Spulen 1, die zur induktiven Übertragung elektrischer Energie vorgesehen sind, bietet sich die Verwendung von Werkstoffen für die Trägerstruktur 5 des Spulenträgers 2 an, deren Wärmeleitung durch Zusätze gegenüber den Standardwerkstoffen gesteigert ist. Damit kann die Abfuhr der anfallenden Verlustwärme aus den elektrischen Leitern 4 der Spulenwicklung 3 verbessert werden. In Verbindung mit der optimierten Anordnung der elektrischen Leiter 4 der Spulenwicklung 3 sind somit Spulen mit höherer Leistungsdichte möglich, die flexibel an die Einbausituation und die Verwendung angepasst werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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