DE102018115808A1 - Spulenanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung umfassend eine elektrische Spule (101), insbesondere eine Flachspule, die auf einer Oberseite OS einer Platte (102) aus einem ferromagnetischen Material Mmit einer Sättigungsmagnetisierung Mmax angeordnet ist, wobei ein elektrischer Leiter SL (103) der Spule (101) durch einen über eine Dicke d der Platte (102) durchgängigen Kanal (104) von der Oberseite OS im Wesentlichen senkrecht zu der Platte (102) durch die Platte (102) zur gegenüberliegenden Unterseite US der Platte (102) geführt ist, und wobei der Kanal (104) derart geometrisch dimensioniert ist, dass bei einem durch den Leiter SL (103) fließenden maximalen Strom Ifür eine Magnetisierung M im den Kanal (104) umgebenden Material Mder Platte (102) gilt: M(I) < Mmax und/oder dass bei einem durch den Leiter SL (103) fließenden maximalen Strom Ifür eine dabei erzeugte induktive Temperaturerhöhung ΔT des den Kanal (104) umgebenden Materials Mgilt: ΔT(I) < ΔT, wobei ΔTein vorgegebener vom Material Mund einer Masse der Platte (102) abhängiger Grenzwert ist und/oder dass für eine in dem den Kanal (104) umgebenden Material Mder Platte (102) entstehende elektrische Verlustleistung P(I) gilt: P(I) < P, wobei Pein vorgegebener Grenzwert ist und/oder dass für einen magnetischen Widerstand Reines in einem den Kanal (104) umgebenden Bereich der Platte (102) sich ausbildenden magnetischen Kreises gilt: R> R, wobei Rein vorgegebener Grenzwert ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Übertragungsmodul (engl. „Ground Pad Modul“, GPM oder engl. „Car Pad Module“, CPM) zur induktiven Energieübertragung, insbesondere an ein Fahrzeug, mit einer ebensolchen Spulenanordnung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeugladesystem umfassend ein Bodenmodul (engl. „Ground Pad Modul“, GPM) und ein fahrzeugseitig angeordnetes Fahrzeugmodul (engl. „Car Pad Module“, CPM), wobei das GPM und/oder CPM eine ebensolche Spulenanordnung aufweist und eine induktive Energieübertragung typischerweise zum Laden eines fahrzeugseitigen Energiespeichers von dem GPM zum CPM erfolgt. Das GPM weist eine Primärspule auf, das CPM weist eine Sekundärspule auf. Die Energieübertragung erfolgt induktiv von der Primärspule zur Sekundärspule. Die Erfindung betrifft schließlich ein Fahrzeug mit einer ebensolchen Spulenanordnung.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung anzugeben, die einen besseren Wirkungsgrad, eine längere Lebensdauer und insbesondere einen sicheren Betrieb bei maximalem Stromfluss durch die Spule ermöglicht.
• Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
• Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung umfassend eine elektrische Spule, insbesondere eine Flachspule, die auf einer Oberseite OS einer Platte aus einem ferromagnetischen Material M_fer mit einer Sättigungsmagnetisierung Mmax angeordnet ist, wobei ein elektrischer Leiter SL der Spule durch einen über eine Dicke d der Platte durchgängigen Kanal von der Oberseite OS im Wesentlichen senkrecht zu der Platte durch die Platte zur gegenüberliegenden Unterseite US der Platte geführt ist, und wobei der Kanal derart geometrisch dimensioniert ist, dass bei einem durch den Leiter SL fließenden maximalen Strom I_max für eine Magnetisierung M im den Kanal umgebenden Material M_fer der Platte gilt: M(I_max) < Mmax und/oder dass bei einem durch den Leiter SL fließenden maximalen Strom I_max für eine dabei erzeugte induktive Temperaturerhöhung ΔT des den Kanal umgebenden Materials M_fer gilt: ΔT(I_max) < ΔT_max, wobei ΔT_max ein vorgegebener vom Material M_fer und einer Masse der Platte abhängiger Grenzwert ist und/oder dass für eine in dem den Kanal 104 umgebenden Material M_fer der Platte 102 entstehende elektrische Verlustleistung P_V(I_max) gilt: P_V(I_max) < P_Vmax, wobei P_Vmax ein vorgegebener Grenzwert ist und/oder dass für einen magnetischen Widerstand R_m eines in einem den Kanal 104 umgebenden Bereich der Platte 102 sich ausbildenden magnetischen Kreises gilt: R_m > R_m,min, wobei R_m,min ein vorgegebener Grenzwert ist.
• Die Dimensionierung und die Formgebung des Kanals wird daher erfindungsgemäß derart gewählt, dass die Grenzwertrelationen für ΔT_max und/oder P_Vmax und/oder R_m,min erfüllt sind. Durch eine entsprechende Dimensionierung und Formgebung des Kanals wird insbesondere der magnetische Widerstand in einem den Kanal umgebenden Bereich der Platte erhöht, was insbesondere zu einer Verringerung der thermischen Belastung des Plattenmaterials bzw. einer Verringerung der Leistungsverluste führt.
• Vorteilhaft ist der elektrische Leiter SL einer von zwei Anschlüssen der elektrischen Spule. Vorteilhaft weist die Platte zwei durchgängige Kanäle auf, durch die jeweils ein Anschluss der elektrischen Spule geführt ist. Vorteilhaft wird der elektrische Leiter SL mittig, d.h. im Wesentlichen entlang einer Kanalachse durch den Kanal geführt. Vorteilhaft weist der Kanal über die Dicke d der Platte eine konstante Kanal-Querschnittsform auf.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorgeschlagenen Spulenanordnung ist der Kanal im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet, wobei eine Mantelfläche des Kanals vollständig aus dem Material M_fer gebildet ist, und wobei für den Radius R des zylinderförmigen Kanals gilt: $$R>\frac{{\mu }_0{\mu }_{r,M_{fer}}{I}_{\text{max}}}{2\pi B_{\text{max}}}=\frac{{\mu }_0{\mu }_{r,M_{fer}}{I}_{\text{max}}}{2\pi {\mu }_0\left(H_{\text{max}}+M_{\text{max}}\right)}$$

  

  und der Leiter SL entlang der Zylinderachse geführt ist,
  mit:

µ₀:

magnetische Feldkonstante

µ_{r,M fer} :

relative Permeabilitätszahl für das Material M_fer

B_max:

maximale magnetische Flussdichte

H_max:

maximale magnetische Feldstärke

M_max:

maximale Magnetisierung des Materials M_fer.

• Ein derart ausgebildeter Kanal erfüllt die Bedingung, dass für die bei einem durch den Leiter SL fließenden maximalen Strom I_max erzeugte induktive Temperaturerhöhung ΔT des den Kanal umgebenden Materials M_fer gilt: ΔT(I_max) < ΔT_max.
• Bei nicht kreisförmigen Kanal-Querschnitten kann die Dimensionierung des jeweiligen Kanal-Querschnitts aus Simulationen auf Basis eines entsprechenden Modellansatzes ermittelt werden, sodass die Bedingung gilt: ΔT(I_max) < ΔT_max.
• Weiter kann bei nicht kreisförmigen Kanal-Querschnitten die Dimensionierung des jeweiligen Kanal-Querschnitts aus Simulationen auf Basis eines entsprechenden Modellansatzes ermittelt werden, sodass die Bedingung gilt: R_m> R_m,min.
• Vorteilhaft weist der Kanalquerschnitt eine von einem Kreis abweichende Form auf. Insbesondere ist der Kanalquerschnitt eckig (quadratisch, rechteckig, dreieckig oder sternförmig).
• Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Spulenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Platte einen vom Kanal wegweisenden und zum Kanal hin offenen Spalt/Schlitz aufweist. Durch den Spalt bzw. Schlitz in der Platte werden die in der Platte erzeugten magnetischen Feldlinien unterbrochen und erzeugen zudem sich gegenseitig behindernde magnetische Felder, sodass das in der Platte um den Kanal wirksame Magnetfeld deutlich reduziert wird. In anderen Worten wird durch den vom Kanal wegweisenden Spalt/Schlitz der magnetische Widerstand im Bereich um den Kanal erhöht. Die in der Platte erzeugte induktive Temperaturerhöhung ΔT, welche sich als Folge hoher Magnetfelder ergibt, kann somit deutlich reduziert werden.
• Vorteilhaft ist der Spalt/Schitz derart dimensioniert, dass durch den Spalt/Schlitz der magnetische Widerstand R_m = R_m,Spalt + R_m,Mfer in einem magnetischen Kreis um den Kanal in der Platte um einen Differenzwiderstand ΔR_m gegenüber einer Platte ohne vom Kanal ausgehenden Spalt (hier gilt dann: R_m = R_m,Mfer) erhöht wird, wobei dann gilt: ΔR_m = R_m,Spalt. Vorteilhaft ist ΔR_m > R_G, wobei R_G ein vorgegebener Grenzwert ist.
• Vorteilhaft ist der Spalt bzw. der Schlitz zum Umfangsrand der Platte hin offen und durchgehend. Insbesondere diese Weiterbildung unterbricht zuverlässig magnetische Feldlinien im ferromagnetischen Material M_fer der Platte und erzeugt die vorstehend beschriebenen positiven Wirkungen im Hinblick auf die Temperaturerhöhung ΔT, die Lebensdauer und den Wirkungsgrad der Spulenanordnung.
• Vorteilhaft ist zwischen der elektrischen Spule und der Platte eine elektrische Isolationsschicht angeordnet. Die Isolationsschicht weist im Bereich des Kanals eine Ausnehmung auf, durch die der elektrische Leiter SL geführt ist.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Spulenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Kanal und/oder in dem Spalt ein Material, insbesondere Kunststoff, mit einer Permeabilität µ_r < 10 angeordnet ist. Das entsprechend in dem Kanal angeordnete Material dient zur Fixierung des durch den Kanal geführten elektrischen Leiters SL, aber auch vorteilhaft zur luft- bzw. schmutzdichten Versiegelung des Kanals, sodass von der Oberseite OS der Platte zur Unterseite US der Platte keine Schmutzpartikel etc. dringen können.
• Eine Auskleidung des Spalts mit einem derartigen Material dient der Strukturstabilität der Platte und ebenfalls einer luft- bzw. schmutzdichten Versiegelung des Spalts.
• Die vorgeschlagene Spulenanordnung ermöglicht im Ergebnis eine optimierte Gestaltung des Anschlusses der Spule durch eine ferromagnetische Platte. Dadurch wird die Lebensdauer der Spulenanordnung, der Wirkungsgrad der Spulenanordnung und die Zuverlässigkeit beim Betrieb der Spulenanordnung gegenüber dem Stand der Technik verbessert.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Übertragungsmodul zur induktiven Energieübertragung, insbesondere an ein Fahrzeug, mit einer Spulenanordnung, wie vorstehend beschrieben. Das Übertragungsmodul ist insbesondere ein GPM oder ein CPM zur induktiven Energieübertragung, insbesondere an ein Fahrzeug.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeugladesystem umfassend ein Bodenmodul (engl. „Ground Pad Modul“, GPM) und ein fahrzeugseitig angeordnetes Fahrzeugmodul (engl. „Car Pad Module“, CPM), wobei das GPM und/oder CPM eine ebensolche Spulenanordnung aufweist und eine induktive Energieübertragung typischerweise zum Laden eines fahrzeugseitigen Energiespeichers von dem GPM zum CPM erfolgt.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Spulenanordnung, wie vorstehend beschrieben. Das Fahrzeug kann insbesondere ein Elektrofahrzeug, ein Hybrid-Fahrzeug mit Elektroantrieb und Verbrennungsmotor, ein Straßenfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug sein.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnungen - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• Es zeigen:
• 1 einen schematisierten Aufbau einer vorgeschlagenen Spulenanordnung,
• 2 eine Aufsicht auf eine Platte einer vorgeschlagenen Spulenanordnung.
• 1 zeigt einen schematisierten Aufbau einer vorgeschlagenen Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung, umfassend eine elektrische Flachspule 101, die auf einer Oberseite OS einer Platte 102 aus einem ferromagnetischen Material M_fer mit einer Sättigungsmagnetisierung Mmax angeordnet ist, wobei ein elektrischer Leiter SL 103, hier ein elektrischer Anschluss der Spule 101 durch einen über eine Dicke d der Platte 102 durchgängigen Kanal 104 von der Oberseite OS im Wesentlichen senkrecht zu der Platte 102 durch die Platte 102 zur gegenüberliegenden Unterseite US der Platte 102 geführt ist.
• Der Kanal 104 ist in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet, wobei eine Mantelfläche des Kanals 104 vollständig aus dem Material M_fer gebildet ist, und für den Radius R des zylinderförmigen Kanals gilt: $$R>\frac{{\mu }_0{\mu }_{r,M_{fer}}{I}_{\text{max}}}{2\pi B_{\text{max}}}=\frac{{\mu }_0{\mu }_{r,M_{fer}}{I}_{\text{max}}}{2\pi {\mu }_0\left(H_{\text{max}}+M_{\text{max}}\right)}$$

  

  mit:

µ₀:

magnetische Feldkonstante

µ_{r,M fer} :

relative Permeabilitätszahl für das Material M_fer

B_max:

maximale magnetische Flussdichte

H_max:

maximale magnetische Feldstärke

M_max:

maximale Magnetisierung des Materials M_fer.

• Der Leiter ist mittig entlang einer Kanalachse durch den Kanal 104 geführt.
• Der Kanal 104 ist dadurch derart dimensioniert, dass bei einem durch den Leiter SL 103 fließenden maximalen Strom I_max für eine Magnetisierung M im den Kanal 104 umgebenden Material M_fer der Platte 102 gilt: M(I_max) < Mmax.
• 2 zeigt eine Aufsicht auf eine Platte 102 einer vorgeschlagenen Spulenanordnung. Die Platte 102 weist zwei zylinderförmig ausgestaltete Kanäle 104 auf, bei dem die Platte 102 jeweils einen vom jeweiligen Kanal 104 wegweisenden und zum Kanal 104 und zum Umfangsrand der Platte 102 hin offenen und durchgehenden Spalt 105 aufweist. Die beiden elektrischen Anschlüsse der Spule (nicht dargestellt) verlaufen mittig durch die jeweiligen Kanäle 104. Die sich jeweils von der Oberseite OS zur Unterseite US der Platte 102 durchgehend erstreckenden Spalten 105 reduzieren erheblich im Material der Platte 102 wirksame Magnetfelder, sodass insbesondere für eine induktiv erzeugte Temperaturerhöhung ΔT des den Kanal 104 umgebenden Materials M_fer der Platte 102 erheblich reduziert werden kann.
• Im Ergebnis erhöht sich damit der Wirkungsgrad der Energieübertragung durch die Spulenanordnung sowie deren Lebensdauer.
• Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
• Bezugszeichenliste

101

Spule, insbesondere Flachspule

102

Platte aus ferromagnetischem Material

103

elektrischer Leiter SL/ elektrischer Anschluss der Spule 101

104

Kanal durch die Platte 102

105

Spalt

Claims (10)

1. Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung umfassend eine elektrische Spule (101), insbesondere eine Flachspule, die auf einer Oberseite OS einer Platte (102) aus einem ferromagnetischen Material M_fer mit einer Sättigungsmagnetisierung Mmax angeordnet ist, wobei ein elektrischer Leiter SL (103) der Spule (101) durch einen über eine Dicke d der Platte (102) durchgängigen Kanal (104) von der Oberseite OS im Wesentlichen senkrecht zu der Platte (102) durch die Platte (102) zur gegenüberliegenden Unterseite US der Platte (102) geführt ist, und wobei der Kanal (104) derart geometrisch dimensioniert ist, dass bei einem durch den Leiter SL (103) fließenden maximalen Strom I_max für eine Magnetisierung M im den Kanal (104) umgebenden Material M_fer der Platte (102) gilt: M(I_max) < Mmax und/oder dass bei einem durch den Leiter SL (103) fließenden maximalen Strom I_max für eine dabei erzeugte induktive Temperaturerhöhung ΔT des den Kanal (104) umgebenden Materials M_fer gilt: ΔT(I_max) < ΔT_max, wobei ΔT_max ein vorgegebener vom Material M_fer und einer Masse der Platte (102) abhängiger Grenzwert ist und/oder dass für eine in dem den Kanal (104) umgebenden Material M_fer der Platte (102) entstehende elektrische Verlustleistung P_V(I_max) gilt: P_V(I_max) < P_Vmax, wobei P_Vmax ein vorgegebener Grenzwert ist und/oder dass für einen magnetischen Widerstand R_m eines in einem den Kanal (104) umgebenden Bereich der Platte (102) sich ausbildenden magnetischen Kreises gilt: R_m> R_m,min, wobei R_m,min ein vorgegebener Grenzwert ist.
2. Spulenanordnung nach Anspruch 1, bei dem der Kanal (104) über die Dicke d der Platte (102) eine konstante Kanal-Querschnittsform aufweist.
3. Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Platte (102) einen vom Kanal (104) wegweisenden und zum Kanal (104) hin offenen Spalt (105) aufweist.
4. Spulenanordnung nach Anspruch 3, bei dem der Spalt (105) zum Umfangsrand der Platte (102) hin offen und durchgehend ist.
5. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Kanal (104) im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist, wobei eine Mantelfläche des Kanals (104) vollständig aus dem Material M_fer gebildet ist, und für den Radius R des zylinderförmigen Kanals gilt: $$R>\frac{{\mu }_0{\mu }_{r,M_{fer}}{I}_{\text{max}}}{2\pi B_{\text{max}}}=\frac{{\mu }_0{\mu }_{r,M_{fer}}{I}_{\text{max}}}{2\pi {\mu }_0\left(H_{\text{max}}+M_{\text{max}}\right)}$$

   

   und der Leiter SL entlang der Zylinderachse geführt ist, mit: µ₀: magnetische Feldkonstante µ_{r,M fer} : relative Permeabilitätszahl für das Material M_fer B_max: maximale magnetische Flussdichte H_max: maximale magnetische Feldstärke B_max: maximale Magnetisierung des Materials M_fer.
6. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zwischen der elektrischen Spule (101) und der Platte (102) eine elektrische Islolationsschicht angeordnet ist.
7. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in dem Kanal (104) und/oder in dem Spalt (105) ein Material, insbesondere Kunststoff, mit einer Permeabilität µ_r < 10 angeordnet ist.
8. Übertragungsmodul zur induktiven Energieübertragung, insbesondere an ein Fahrzeug, mit einer Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Fahrzeugladesystem umfassend ein Bodenmodul GPM und ein fahrzeugseitig angeordnetes Fahrzeugmodul CPM, wobei das GPM und/oder CPM eine Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist und eine induktive Energieübertragung von dem GPM zu dem CPM erfolgt.
10. Fahrzeug mit einer Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

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