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Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten Spulenpaaren, deren Einzelspulen jeweils derart ausgebildet und miteinander verbunden sind, dass die in ihnen durch ein Magnetfeld induzierten Ströme entgegengesetzt gerichtet und gleich groß sind.
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Eine solche Spulenanordnung ist aus der
US 2013/0169062 A1 bekannt. Dort werden einerseits ein Spulenpaar aus zwei halbkreisförmigen, aus einem Draht hergestellten Einzelspulen beschrieben, bei dem die Einzelspulen gegeneinander verdreht sind, so dass die durch ein sie durchdringendes Magnetfeld hervorgerufenen Ströme entgegengesetzt und gleich groß sind, sich also gegenseitig aufheben. Damit erzeugt ein homogenes, störungsfreies, durch eine Primärspule einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung erzeugtes Magnetfeld, das die Einzelspulen durchdringt, keine Spannung an deren Drahtenden.
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Die
US 2013/0169062 A1 offenbart andererseits eine kreisförmige Spulenanordnung mit Spulenpaaren, die mit aus Kreissegmenten gebildeten Einzelspulen, die ebenfalls mit nur einem Draht hergestellt sind, ausgeführt ist.
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Problematisch bei diesen Anordnungen der Spulenpaare ist, dass es Symmetriepunkte und Symmetrielinien bzw. Symmetrieachsen gibt, so dass magnetisch wirksame Objekte, die das Magnetfeld stören und prinzipiell durch die Spulenanordnung detektiert werden sollen, nicht erkannt werden, wenn sie auf oder über diesen Symmetriepunkten und Symmetrielinienachsen liegen, da sich die Störung des Magnetfeldes in den Einzelspulen der Spulenpaare ebenfalls symmetrisch auswirkt und zu keiner induzierten Spannung oder keinem induzierten Strom führt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Spulenanordnung anzugeben, bei der es möglich ist, trotz partieller Symmetrien alle magnetisch wirksamen Objekte zu erkennen.
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Die Aufgabe wird durch eine Spulenanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Demnach sind bei einer Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten Spulenpaaren, deren Einzelspulen jeweils derart ausgebildet und miteinander verbunden sind, dass die in ihnen durch ein Magnetfeld induzierten Ströme entgegengesetzt gerichtet und gleich groß sind, die Spulenpaare achsensymmetrisch ausgebildet und derart zueinander orientiert angeordnet, dass ein magnetisch wirksames Objekt, das sich entlang der Symmetrieachse eines Spulenpaares befindet, die Gleichheit der Ströme zumindest eines benachbarten Spulenpaares aufhebt.
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Selbst wenn also ein Spulenpaar keine Veränderung des durch seinen Leiter fließenden Stromes erfährt, da die Veränderung des Magnetfeldes durch das magnetisch wirksame Objekt sich in beiden Einzelspulen des Spulenpaares betragsmäßig gleich jedoch in entgegengesetzter Richtung auswirkt, wird die Gegenwart dieses Objektes bei einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung trotzdem detektiert, weil ein benachbartes Spulenpaar derart angeordnet ist, dass in dessen Einzelspulen durch das Objekt unterschiedliche Magnetfeldänderungen und damit unterschiedliche Ströme auftreten, die sich nicht mehr gegenseitig aufheben. Wenn immer ein Objekt bei einer solchen Spulenanordnung auf einer Symmetrieachse eines Spulenpaares zu liegen kommt, wird es immer zumindest ein weiteres benachbartes Spulenpaar geben, durch das das Objekt detektiert wird.
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Bei einem räumlich homogenen, die Spulen der Spulenanordnung durchdringenden Magnetfeld ist es von Vorteil, wenn in einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Spulenanordnung die Einzelspulen eines Spulenpaars die gleiche Form und Größe haben. Damit ist sichergestellt, dass im Fall, dass kein Objekt im Bereich der Spulenanordnung ist, keine induzierte Spannung an den Anschlüssen der Spulenpaare entsteht bzw. keine verlustbehafteten Ströme fließen.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Spulenanordnung sind die Leitungen der Einzelspulen eines Spulenpaares in der Form einer Acht geführt.
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Damit ist nur die grundsätzliche Relation der beiden Einzelspulen eines Spulenpaares zueinander gemeint und nicht deren Form. Diese kann zwar annähernd kreisförmig sein, hat vorzugsweise jedoch die Form eines Quadrats oder eines Rechtecks oder jede andere Form, bei der Spulenpaare so nebeneinander angeordnet werden können, dass nicht zu viele Zwischenräume entstehen, in denen ein Magnetfeld nicht detektiert wird.
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Bei einer rotationssymmetrischen Spulenanordnung haben die Einzelspulen bevorzugt die Form von Kreisringabschnitten, also Abschnitten, die durch einen Kreissektor aus einem Kreisring ausgeschnitten werden.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Spulenanordnung ist eine erste Anzahl von Spulenpaaren auf zueinander über deren Länge konstant beabstandeten Reihen derart angeordnet, dass die Symmetrieachsen von Spulenpaaren verschiedener Reihen fluchten, wobei zwischen diesen Reihen jeweils eine zweite Anzahl von Spulenpaaren auf weiteren Reihen angeordnet ist, wobei die Symmetrieachsen der Spulenpaare der zweiten Anzahl von Spulenpaaren zwischen den Symmetrieachsen der Spulenpaare der ersten Anzahl von Spulenpaaren liegen.
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Die Spulenpaare sind also quasi im regelmäßigen Verband angeordnet, was bei rechteckförmigen Einzelspulen zu einer nahezu vollständigen Abdeckung der zu überwachenden von einem Magnetfeld durchsetzten Fläche führt.
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Bei einer rotationssymmetrischen oder kreisförmigen Spulenanordnung bilden die Reihen und die weiteren Reihen konzentrische Kreise. Die Einzelspulen haben also die Form von Kreisringabschnitten, also Abschnitten, die durch einen Kreissektor aus einem Kreisring ausgeschnitten werden, wobei die Spulenpaare benachbarter Kreisringe jeweils um die Länge einer Einzelspule gegeneinander versetzt sind, also auch quasi in einen regelmäßigen Verband angeordnet sind.
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Wenn bei einer solchen kreisförmigen Spulenanordnung ein stabförmiges Objekt beispielsweise auf einem Durchmesser des Kreises liegt, der auch die Symmetrieachse einiger der Spulenpaare bildet, so werden in diesen Spulenpaaren auf Grund deren Symmetrie keine resultierenden Spannungen oder Ströme induziert. Allerdings werden in den direkt benachbarten Spulenpaaren in den benachbarten Kreisringen resultierende Spannungen oder Ströme induziert, da bei diesen Spulenpaaren jeweils eine Einzelspule näher am Objekt liegt als die andere.
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In einer vorteilhaften Ausbildung ist die Spulenanordnung auf einem Spulenträger ausgebildet. Dies kann beispielsweise eine Folie oder eine Leiterplatte sein.
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In einer Weiterbildung können die Spulenpaare auf den Spulenträger gedruckt sein.
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Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie mit einer Primär- und einer Sekundärspule, ist eine erfindungsgemäße Spulenanordnung zwischen der Primär- und der Sekundärspule angeordnet.
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Eine erfindungsgemäße Spulenanordnung kann in vorteilhafter Weise bei einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie mit einer Primär- und einer Sekundärspule zur Detektion von magnetisch wirksamen Objekten, beispielsweise Metallen wie z.B. Münzen eingesetzt werden, da diese zu einem Abschalten der Energieübertragung wegen Brandgefahr führen sollten.
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Dabei kann die Spulenanordnung in einfacher Weise auf der Primärspule angeordnet sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 eine erste Ausführung eines Spulenpaars nach dem Stand der Technik,
- 2 eine zweite vorteilhafte Ausführung eines Spulenpaars für eine rotationssymmetrische Spulenanordnung,
- 3 eine erfindungsgemäße Spulenanordnung mit Spulenpaaren gemäß 2 und
- 4 eine Spulenanordnung mit einer Anzahl von Spulenpaaren mit versetzt und teilweise überlappend angeordneten Einzelspulen.
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Die 1 zeigt ein Spulenpaar 1, das aus einem Leiter 2 gefertigt ist. Der Leiter 2 kann dabei ein Draht sein oder eine auf eine Folie oder eine Leiterplatte gedruckte oder auf anderer Weise aufgebrachte Leiterbahn.
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Eine erste Einzelspule wird hergestellt, indem der Leiter 2 zunächst in einem ersten Abschnitt a gerade geführt wird. Danach wird er im Gegenuhrzeigersinn in einem zweiten Abschnitt b in einem Halbkreis geführt, um anschließend nahezu parallel zum Abschnitt a, jedoch diesen überkreuzend in einem dritten Abschnitt c wieder etwa gerade geführt zu werden. Abschießend wird er in einem vierten Abschnitt d in einem Halbkreis im Uhrzeigersinn geführt. Es entsteht also eine etwa elliptische oder kreisförmige Doppelspule die zwei Schleifen a, b und c, d aufweist, die wie ein Acht gewickelt sind und in einer Ebene nebeneinander liegen.
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Wenn ein bezüglich einer Doppelspulensymmetrieachse spiegelbildliches oder ein homogenes Magnetfeld in die Spulenebene der 1 hinein gerichtet ist, wird in den Einzelspulen jeweils eine Spannung induziert, die zu Stromflüssen entsprechend der Pfeile 3, 4 führt, die also in demselben Leiter 2 entgegengesetzt gerichtet fließen und sich aufgrund der Symmetrie der Einzelspulen aufheben.
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Dies hat den Vorteil, dass bei einem homogenen Magnetfeld ohne Störung an den Drahtenden keine Spannung anliegt und damit keine Wärme erzeugenden Ströme fließen können.
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Eine andere Ausführungsform eines Spulenpaares mit den beschriebenen Eigenschaften ist in 2 gezeigt. Das dortige Spulenpaar 10 ist mit einem Leiter 20 gebildet, der hier zunächst in einem ersten Zuleitungsabschnitt a gerade geführt wird, um dann nach rechts in einem Winkel von etwa 90° abzuknicken und dann im Gegenuhrzeigersinn in einem Kreisringabschnitt b zurück zum ersten Knickpunkt geführt zu werden und eine erste Einzelspule zu bilden. Im Knickpunkt wird der Leiter 20 dann in einem Winkel von etwa 90° nach rechts abgeknickt, um dann im Uhrzeigersinn in einem weiteren Kreisringabschnitt c wieder zurück zum Knickpunkt zu führen und daraus parallel zum ersten Zuleitungsabschnitt a in einem zweiten Zuleitungsabschnitt d geführt zu werden.
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Auch hier wird ein planares Spulenpaar 10 gebildet, bei dem sich bei einem homogenen Magnetfeld, das die Einzelspulen durchdringt, Ströme entsprechend der Pfeile 12 und 13 ausbilden, die sich gegenseitig aufheben. Bei der Ausführungsform der 2 können viele Spulenpaare 10 nebeneinander ausgebildet werden, um eine Kreisfläche abzudecken, ohne dass größere Flächen verbleiben, die nicht von einer Spule abgedeckt sind. Die einzelnen als Kreisringabschnitte ausgebildeten Einzelspulen werden dabei zum Kreismittelpunkt hin kleiner.
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Das Spulenpaar 10 der 2 hat eine Symmetrieachse 14, die zwischen den Einzelspulen verläuft.
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Wenn ein magnetisch wirksamer Gegenstand entlang der Symmetrieachse 14 zu liegen kommt, so wird das Magnetfeld in beiden Einzelspulen in gleicher Weise beeinflusst, zum Beispiel verstärkt, wodurch sich jedoch die Ströme 12, 13 in beiden Einzelspulen des Spulenpaars 10 in gleicher Weise ändern und daher keine Spannungs- oder Stromänderung an den Spulenanschlüssen detektiert werden kann.
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In den 1 und 2 sind symmetrische Spulenpaare 1, 10 darstellt, da von einem homogenen Magnetfeld ausgegangen wird. Die Spulenpaare können jedoch durch verändern der Größe einer der Einzelspulen an ein nicht gleichmäßiges Magnetfeld angepasst werden, indem bei einem schwächeren Magnetfeld in der einen Einzelspule diese entsprechend größer gemacht wird, um den gleichen Gesamtfluss zu erzielen.
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In der 3 ist nun eine erfindungsgemäße Spulenanordnung am Beispiel von Spulenpaaren 20a, 20b entsprechend der Form der 2 dargestellt. Dabei sind eine Vielzahl von solchen Spulenpaaren 20a, 20b quasi im regelmäßigen Verband vorzugsweise auf einem Spulenträger 21 ausgebildet. Der Spulenträger 21 kann z.B. eine Folie sein oder eine Leiterplatte. Die Spulenpaare können als Drahtspulen darauf befestigt, z.B. geklebt oder z.B. als Paste aufgedruckt sein.
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In der Spulenanordnung der 3 sind eine erste Anzahl von Spulenpaaren 20a derart auf einem - nicht dargestellten - Spulenträger angeordnet, dass sie in einer Anzahl von gleich beabstandeten Reihen 21 nebeneinander ausgebildet sind, wobei die Reihen 21 konzentrische Kreise sind. Die Spulenpaare auf einer Reihe bilden also einen Kreisring, wobei zwischen den so ausgebildeten Kreisringen jeweils Raum für einen weiteren Kreisring verbleibt.
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Die weiteren Kreisringe auf konzentrischen Reihen 22 werden durch eine zweite Anzahl von Spulenpaaren 20b gebildet, die jeweils um die Länge einer Einzelspule gegenüber den Spulenpaaren 20a der ersten Anzahl von Spulenpaaren versetzt angeordnet sind.
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Die Spulenpaaren 20a der ersten Anzahl von Spulenpaaren und die Spulenpaaren 20b der zweiten Anzahl von Spulenpaaren sind also quasi in einem regelmäßigen Verband angeordnet und befüllen eine Kreisfläche.
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Damit wird in erfindungsgemäßer Weise erreicht, dass ein Objekt 23, das auf einer Symmetrieachse eines Spulenpaares 20b der einen Anzahl von Spulenpaaren liegt und daher von diesem nicht detektiert werden kann, auf jeden Fall von dem direkt benachbarten Spulenpaar 20a der anderen Anzahl von Spulenpaaren detektiert wird, da dessen Einzelspulen durch diese Anordnung einen unterschiedlichen Abstand zum Objekt 23 haben, wodurch sich unterschiedliche Änderungen des dessen Einzelspulen durchdringenden Magnetfeldes ergeben und daher eine Spannung oder ein Strom detektiert werden kann.
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Bei einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie mit einer Primär- und einer Sekundärspule, wie sie beispielsweise zum Laden einer Antriebsbatterie eines zumindest zeitweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs verwendet wird, kann eine erfindungsgemäße Spulenanordnung zwischen der Primär- und der Sekundärspule angeordnet werden.
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Damit kann eine erfindungsgemäße Spulenanordnung in vorteilhafter Weise bei einer solchen Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie zur Detektion von magnetisch wirksamen Objekten, beispielsweise Metallen wie z.B. Münzen eingesetzt werden, da diese zu einem Abschalten der Energieübertragung wegen Erhitzung aufgrund von Wirbelströmen und damit erhöhter Brandgefahr führen sollten.
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Dabei kann die Spulenanordnung in einfacher Weise auf der Primärspule angeordnet sein.
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Die 4 zeigt schematischer Darstellung eine Variante der Anordnung erfindungsgemäßer Spulenpaare, bei die Einzelspulen der Spulenpaare jeweils in zwei verschiedenen Ebenen liegen und eine Einzelspule eines Spulenpaares jeweils über- oder unterhalb einer Einzelspule eines benachbarten Spulenpaares angeordnet ist. Der Übersichtlichkeit halber sind die Zuleitungen der Spulenpaare nicht gezeigt, diese können z.B. entsprechend der Darstellungen der 1 oder 2 ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0169062 A1 [0002, 0003]
