DE102019200436A1 - Coil arrangement with a plurality of coil pairs arranged thereon in one plane and device with such a coil arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten Spulenpaaren (1; 10; 20a, 20b), deren Einzelspulen jeweils derart ausgebildet und miteinander verbunden sind, dass die in ihnen durch ein Magnetfeld induzierten Ströme (3, 4; 12, 13) entgegengesetzt gerichtet und gleich groß sind, wobei die Spulenpaare (1; 10; 20a, 20b) punktsymmetrisch ausgebildet und derart zueinander orientiert angeordnet sind, dass ein magnetisch wirksames Objekt (22), das sich an dem Symmetriepunkt (14) eines Spulenpaares (1; 10; 20a, 20b) befindet, die Gleichheit der Ströme (3, 4; 12, 13) zumindest eines benachbarten Spulenpaares (1; 10; 20a, 20b) aufhebt.The invention relates to a coil arrangement with a plurality of coil pairs (1; 10; 20a, 20b) arranged in one plane, the individual coils of which are each formed and connected to one another in such a way that the currents (3, 4; 12, 13) are oppositely directed and of equal size, the coil pairs (1; 10; 20a, 20b) being point-symmetrical and oriented in relation to one another in such a way that a magnetically active object (22) which is located at the point of symmetry (14) of a coil pair ( 1; 10; 20a, 20b), the equality of the currents (3, 4; 12, 13) at least one adjacent pair of coils (1; 10; 20a, 20b) is canceled.
Description
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. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie mit einer Primär- und einer Sekundärspule, zwischen denen eine solche Spulenanordnung angeordnet ist.The invention relates to a coil arrangement with a plurality of coil pairs arranged in one plane, the individual coils of which are each formed and connected to one another in such a way that the currents induced therein by a magnetic field are directed in opposite directions and are of equal size. The invention also relates to a device for the inductive transmission of energy with a primary and a secondary coil, between which such a coil arrangement is arranged.
Eine solche Spulenanordnung und eine solche Vorrichtung sind aus der
Die
Problematisch bei diesen Anordnungen der Spulenpaare ist, dass es Symmetriepunkte und Symmetrielinien 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 Symmetrielinien liegen, da sich die Störung des Magnetfeldes in den Einzelspulen der Spulenpaare ebenfalls symmetrisch auswirkt und zu keiner induzierten Spannung oder keinem dadurch hervorgerufenen Strom führt.The problem with these arrangements of the coil pairs is that there are points of symmetry and lines of symmetry, so that magnetically active objects which interfere with the magnetic field and are in principle to be detected by the coil arrangement are not recognized if they lie on or above these points of symmetry and lines of symmetry, because the disturbance of the magnetic field in the individual coils of the coil pairs also has a symmetrical effect and does not lead to any induced voltage or to any current caused thereby.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Spulenanordnung und eine Vorrichtung mit einer solchen Spulenanordnung anzugeben, bei denen es möglich ist, trotz partieller Symmetrien alle magnetisch wirksamen Objekte zu erkennen.It is therefore the object of the invention to provide a coil arrangement and a device with such a coil arrangement, in which it is possible to recognize all magnetically active objects despite partial symmetries.
Die Aufgabe wird durch eine Spulenanordnung nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit einer solchen Spulenanordnung nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by a coil arrangement according to claim 1 and a device with such a coil arrangement according to claim 7. Advantageous further developments are specified in the subclaims.
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 punktsymmetrisch ausgebildet und derart zueinander orientiert angeordnet sind, dass ein magnetisch wirksames Objekt, das sich an dem Symmetriepunkt eines Spulenpaares befindet, die Gleichheit der Ströme zumindest eines benachbarten Spulenpaares aufhebt.Accordingly, in a coil arrangement with a plurality of coil pairs arranged in one plane, the individual coils of which are each formed and connected to one another in such a way that the currents induced therein by a magnetic field are oppositely directed and of the same size, the coil pairs are formed point-symmetrically and are arranged in such a way that they are oriented to one another are that a magnetically active object, which is located at the point of symmetry of a pair of coils, cancels the equality of the currents of at least one adjacent pair of coils.
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 orientiert 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 einem Symmetriepunkt eines Spulenpaares zu liegen kommt, wird es immer zumindest ein weiteres benachbartes Spulenpaar geben, durch das das Objekt detektiert wird.Even if a pair of coils does not experience any change in the current flowing through its conductor, since the change in the magnetic field caused by the magnetically effective object has the same amount in both individual coils of the pair of coils, but in the opposite direction, the presence of this object is nevertheless detected in a coil arrangement according to the invention , because an adjacent pair of coils is oriented in such a way that different magnetic field changes and thus different currents occur in the individual coils of the object and thus different currents, which no longer cancel each other out. Whenever an object in such a coil arrangement comes to lie on a point of symmetry of a pair of coils, there will always be at least one further adjacent pair of coils by which the object is detected.
Bei einem räumlich homogenen, die Spulen der Spulenanordnung durchdringenden Magnetfeld ist es von Vorteil, wenn in einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Spulenanordnung die Einzelspulen alle 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.In the case of a spatially homogeneous magnetic field penetrating the coils of the coil arrangement, it is advantageous if, in an embodiment of the coil arrangement according to the invention, the individual coils all have the same shape and size. This ensures that in the event that there is no object in the area of the coil arrangement, no induced voltage arises at the connections of the coil pairs.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Spulenanordnung sind die Leitungen der Einzelspulen eines Spulenpaares in der Form einer Acht geführt.In an advantageous embodiment of the coil arrangement, the lines of the individual coils of a pair of coils are guided in the form of an eight.
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 einer Raute oder jede andere Form, bei der Spulenpaare so nebeneinander angeordnet werden können, ohne dass zu viele Zwischenräume entstehen, in denen ein Magnetfeld nicht detektiert wird.This means only the basic relation of the two individual coils of a pair of coils to each other and not their shape. Although this can be approximately circular, it preferably has the shape of a square or a rhombus or any other shape in which pairs of coils can be arranged side by side without creating too many gaps in which a magnetic field is not detected.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung stehen die durch die Schleifen und den Schleifenverbindungspunkt einer Acht gehenden Achsen von zwei benachbarten Spulenpaaren, deren Schleifenverbindungspunkte durch eine Achtschleife voneinander entfernt sind, senkrecht aufeinander.In a particularly advantageous development of a coil arrangement according to the invention, the axes of the two adjacent pairs of coils, the loop connecting points of which are separated from one another by an eight-loop, go through the loops and the loop connection point of an eight, perpendicular to one another.
Damit sind immer die am nächsten benachbarten Spulenpaare, dies sich fast berühren, ohne sich zu überlappen, derart zueinander ausgerichtet, dass ihre Achsen im rechten Winkel zueinanderstehen. Die betroffene Achse ist dabei diejenige, die durch die beiden Achtschleifen und den Schleifenverbindungspunkt, also üblicherweise den Symmetriepunkt, verläuft. Diese Achse ist üblicherweise auch eine Symmetrieachse eines Spulenpaars. This means that the closest adjacent pairs of coils, almost touching each other without overlapping, are always aligned in such a way that their axes are at right angles to each other. The affected axis is the one that runs through the two eight loops and the loop connection point, i.e. usually the point of symmetry. This axis is usually also an axis of symmetry of a pair of coils.
Durch diese Orientierung zueinander wird erreicht, dass ein Objekt, das auf dem Symmetriepunkt oder der Symmetrieachse des einen Spulenpaars liegt und daher von diesem Spulenpaar nicht detektiert wird, auf jeden Fall von diesem am nächsten benachbarten Spulenpaar erkannt wird.This orientation towards one another ensures that an object which lies on the point of symmetry or the axis of symmetry of one pair of coils and therefore is not detected by this pair of coils is in any case recognized by the pair of coils closest to it.
In einer vorteilhaften Ausbildung ist die Spulenanordnung auf einem Spulenträger ausgebildet. Dies kann beispielsweise eine Folie oder eine Leiterplatte sein.In an advantageous embodiment, the coil arrangement is formed on a coil carrier. This can be a film or a circuit board, for example.
In einer Weiterbildung können die Spulenpaar auf den Spulenträger gedruckt sein.In a further development, the pair of coils can be printed on the coil carrier.
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.In a device according to the invention for the inductive transmission of energy with a primary and a secondary coil, a coil arrangement according to the invention is arranged between the primary and the secondary coil.
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.A coil arrangement according to the invention can thus advantageously be used in such a device for the inductive transmission of energy for the detection of magnetically active objects, for example metals such as e.g. Coins are used because they should switch off the energy transfer due to heating due to eddy currents and thus increased fire risk.
Dabei kann die Spulenanordnung in einfacher Weise auf der Primärspule angeordnet sein.The coil arrangement can be arranged in a simple manner on the primary coil.
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, -
3 eine erste erfindungsgemäße Spulenanordnung mit Spulenpaaren gemäß2 -
4 eine zweite erfindungsgemäße Spulenanordnung mit Spulenpaaren gemäß2 und -
5 eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie mit einer Primär- und einer Sekundärspule, zwischen denen eine erfindungsgemäße Spulenanordnung angeordnet ist.
-
1 a first embodiment of a pair of coils according to the prior art, -
2nd a second advantageous embodiment of a pair of coils, -
3rd a first coil arrangement according to the invention with pairs of coils2nd -
4th a second coil arrangement according to the invention with pairs of coils according to2nd and -
5 a device for inductive transmission of energy with a primary and a secondary coil, between which a coil arrangement according to the invention is arranged.
Die
Eine erste Einzelspule wird hergestellt, indem der Leiter
Wenn ein homogenes Magnetfeld in die Spulenebene der
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.This has the advantage that there is no voltage at the wire ends in a homogeneous magnetic field without interference and therefore no heat-generating currents can flow.
Eine andere Ausführungsform eines Spulenpaares mit den beschriebenen Eigenschaften ist in
Auch hier wird ein planares Spulenpaar
Das Spulenpaar
Wenn ein magnetisch wirksamer Gegenstand auf dem Symmetriepunkt
In den
Statt einer quadratischen Form, wie in der
In der
In der Spulenanordnung der
Hierdurch ergibt sich ein Feld von Einzelspulen der ersten Anzahl von Spulenpaaren
Diese Freiflächen sind mit Einzelspulen der Spulenpaare der zweiten Anzahl von Spulenpaaren
Zusätzlich ist ein Symmetriepunkt
Damit wird in erfindungsgemäßer Weise erreicht, dass ein Objekt
Die
In der
Bei dieser Vorrichtung kann ein Objekt auch bei einer Positionierung auf einem Symmetriepunkt oder einer Symmetrielinie detektiert werden, obwohl Spulenpaare verwendet werden, bei denen bei einem homogenen durch die Primärspule erzeugten Magnetfeld ohne Störung durch ein Fremdobjekt keine Spannung an deren Anschlüssen detektierbar ist. With this device, an object can also be detected when positioned on a point of symmetry or a line of symmetry, although coil pairs are used in which, in the case of a homogeneous magnetic field generated by the primary coil, no voltage at its connections can be detected without interference from a foreign object.
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