DE10218124A1

DE10218124A1 - Ladevorrichtung zur kontaktlosen Ladung batteriebetriebener Geräte

Info

Publication number: DE10218124A1
Application number: DE10218124A
Authority: DE
Inventors: Mario Bechtold; Ralph Oppelt; Wilfried Schnell
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-04-23
Filing date: 2002-04-23
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2022-04-24
Also published as: DE10218124B4

Abstract

Ladevorrichtung zur kontaktlosen Ladung batteriegetriebener Geräte, mit einem Gehäuse (2), das einen über eine Öffnung (22) zugänglichen Aufnahmeraum (8) umgrenzt und einer darin angeordneten ersten Leiteranordnung (3, 3a), die in einem Ladebereich (14) des Aufnahmeraumes (8) ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt und eine zwischen der ersten Leiteranordnung (3, 3a) und der Öffnung (22) angeordneten zweiten Leiteranordnung (4, 4a), die ein Abschirmfeld erzeugt, welches das über den Ladebereich (14) hinaus wirkende Wechselfeld der ersten Leiteranordnung (3, 3a) zumindest teilweise kompensiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zur kontaktlosen Ladung batteriebetriebener Geräte. Eine solche beispielsweise aus JP 10-004639 bekannte Vorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einer Öffnung, mit einem Aufnahmeraum, in dem ein zu ladendes Mobilgerät positioniert wird. Der Aufnahmeraum ist dabei der Form des Gerätes mehr oder weniger angepasst. In der Ladevorrichtung ist eine Leiteranordnung vorhanden, die in einem Ladebereich des Aufnahmeraums ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das an eine Leiteranordnung innerhalb des zu ladenden Gerätes induktiv ankoppelt. Weiterhin ist noch ein Magnetkern vorhanden, um das elektromagnetische Feld gezielt in das zu ladende Gerät einzuleiten. Nachteilig bei der bekannten Ladevorrichtung ist, dass sie an ein bestimmtes Mobilgerät angepasst und daher nur für dieses verwendbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ladevorrichtung vorzuschlagen, mit der batteriebetriebene Mobilgeräte nahezu in beliebiger Form aufladbar sind, sofern diese eine Induktionsspule zur Einkopplung der Ladeenergie aufweisen.

Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 dadurch gelöst, dass zwischen einer ersten der Energieübertragung dienenden Leiteranordnung und der Öffnung des Gehäuses eine zweite Leiteranordnung angeordnet ist, die ein Abschirmfeld erzeugt. Dieses ist so gerichtet und so ausgelegt, dass es das über den Ladebereich hinaus wirkende Wechselfeld der ersten Leiteranordnung zumindest teilweise kompensiert. Diese Ausgestaltung lässt es nun zu, dass das Gehäuse beziehungsweise der Aufnahmeraum so gestaltet sein können, das eine Vielzahl unterschiedlicher Geräte darin Platz finden. Wenn durch entsprechende Auslegung der ersten Leiteranordnung im Aufnahmeraum beziehungsweise im Ladebereich ein entsprechend starkes magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, ist eine induktive Kopplung mit dem zu ladenden Gerät auch bei nicht exakter geometrischer und elektromagnetischer Anpassung problemlos möglich. Naturgemäß ist bei einem stärkeren elektromagnetischen Wechselfeld die Abstrahlung über die Gehäuseöffnung entsprechend groß. Hinzu kommt, dass bei der vorgeschlagenen Ladevorrichtung die Gehäuseöffnung relativ groß gehalten ist. Eine Abstrahlung wird aber dadurch verhindert oder zumindest verringert, dass im Bereich der Öffnung ein Abschirmfeld erzeugt wird, dass das über den Ladebereich hinaus wirkende Wechselfeld der ersten Leiteranordnung zumindest teilweise kompensiert.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel sind die beiden Leiteranordnungen jeweils wenigstens von einer Spule gebildet, wobei die Spulen in Richtung ihrer Windungsachsen hintereinander angeordnet sind und wobei sich der Aufnahmeraum innerhalb der Spulenwindungen befindet. Eine solche Anordnung eignet sich für batteriebetriebene Geräte, beispielsweise Mobiltelefone, die zur induktiven Kopplung mit der ersten Leiteranordnung der Ladevorrichtung eine Induktionsspule aufweisen, deren Windungsachse sich in Gehäuselängsrichtung erstreckt. Der Aufnahmeraum beziehungsweise das Gehäuse der Ladevorrichtung müssen dabei lediglich so gestaltet sein, dass das zu ladende Gerät eine Position einnimmt, bei der die Windungsachse seiner Induktionsspule eine der Windungsachse der ersten Leiteranordnung vergleichbare Ausrichtung aufweist. Das zu ladende Gerät kann dabei mit unterschiedlichen Drehpositionen in dem Aufnahmeraum angeordnet werden.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel sind die beiden Leiteranordnungen jeweils von wenigstens einem Paar von in Reihe geschalteten in Richtung ihrer Windungsachsen hintereinander und mit Abstand zueinander angeordneten Spulen gebildet, wobei sich die Windungsachsen der Spulen quer zur Längsrichtung des Aufnahmeraumes beziehungsweise quer zur Einsteckrichtung eines zu ladenden Gerätes erstrecken. Die elektronischen Bauteile eines Mobilgerätes sind in der Regel auf einer Platine angeordnet, die sich parallel zu einer Flachseite und in Längsrichtung des Mobilgerätes erstreckt. Für die Bereitstellung einer Induktionsspule im Mobilgerät bietet es sich nun an, diese in Form von Leiterbahnen auf der Platine auszugestalten. Die Windungsachse der Induktionsspule verläuft dabei quer zur Längserstreckung des Mobilgerätes. Wird ein solches Mobilgerät in die Ladevorrichtung hineingestellt, verläuft die Windungsachse der Induktionsspule etwa parallel oder gleichachsig zu den Windungsachsen der Spulen der ersten Leiteranordnung. Neben der Eignung der in Rede stehenden Ladevorrichtung zur Aufladung der genannten Mobilgeräte ist noch von Vorteil, dass die induktive Kopplung zwischen der ersten Leiteranordnung und der Induktionsspule des Mobilgerätes mit einem größeren Wirkungsgrad als bei dem erst genannten Ausführungsbeispiel erfolgt. Dementsprechend kann die erste Leiteranordnung so ausgelegt sein, das sie ein schwächeres Wechselfeld mit entsprechend geringerer Abstrahlung nach außen erzeugt. Eine wahlfreie Drehstellung des zu ladenden Mobilgerätes im Aufnahmeraum ist dann gewährleistet, wenn die erste Leiteranordnung ein zweites Spulenpaar umfasst, wobei die Windungsachse der Spulen des ersten Spulenpaares "orthogonal" zu der Windungsachse der Spulen des zweiten Spulenpaares ausgerichtet sind.

Das Aufladen sowohl von Mobilgeräten mit einer längs als auch von Mobilgeräten mit einer quer ausgerichteten Induktionsspule ist mit ein- und derselben Ladevorrichtung möglich, wenn, diese längs und quer erstreckende Spulen aufweist.

Eine in herstellungstechnischer Sicht vorteilhafte und die Handhabung vereinfachende Ausgestaltung sieht eine Becherform für das Gehäuse der Ladevorrichtung vor.

Die Erfindung wird nun anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer becherförmigen Ladevorrichtung mit darin angeordnetem Mobilgerät,
Fig. 2 einen Längsschnitt der Ladevorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der ersten und der zweiten Leiteranordnung der Ladevorrichtung,
Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung eines Mobilgerätes mit einer Induktionsspule, deren Windungsachse sich in Längsrichtung des Gerätes erstreckt,
Fig. 5 eine alternative Ausgestaltung der ersten und zweiten Leiteranordnung in schematischer perspektivischer Darstellung, und
Fig. 6 ein Mobilgerät mit einer Induktionsspule, deren Windungsachse quer zur Längserstreckung des mobilen Gerätes verläuft.
Fig. 1 zeigt eine Ladevorrichtung 1, die ein becherförmiges Gehäuse 2 aus elektrisch abschirmenden Material sowie eine erste und zweite Leiteranordnung 3, 4 umfasst, welche innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sind. Die Leiteranordnungen 3, 4 sind jeweils von einer Spule 5, 6 gebildet, deren Windungen 7 nahe der Innenwandung des Gehäuses 2 angeordnet sind und einen Aufnahmeraum 8 für ein batteriebetriebenes Mobilgerät 9 umschließen. Die Windungsachsen 11, 12 der Spulen S, 6 erstrecken sich in Richtung der Mittellängsachse 13 des Gehäuses 2 beziehungsweise des Aufnahmeraumes 8. Die Spule 5 umgrenzt einen Ladebereich 14, der von deren elektromagnetischem Wechselfeld durchdrungen ist. Die mit der ersten Leiteranordnung 3 zusammenwirkende Induktionsspule 15 des Mobilgerätes 9 ist so positioniert, dass es sich während des Ladevorgangs gemäß Fig. 1 im wesentlichen innerhalb des Ladebereiches 14 befindet.
Die Ladevorrichtung umfasst eine Einrichtung, die eine Impedanzänderung einer der beiden Leiteranordnungen 3, 4 beim Einführen eines Mobilgerätes 9 in den Aufnahmeraum 8 detektiert und den Ladevorgang startet. Während des Ladevorgangs ist die Spule 5 mit einer Wechselspannungsquelle 16 verbunden. Wenn die Spule 5 in Richtung des Pfeiles 17 von Strom durchflossen ist, hat das entstehende elektrische Wechselfeld die durch den Pfeil 18 angedeutete Ausrichtung. In der Induktionsspule 15 des Mobilgerätes wird bei fließendem Ladestrom durch induktive Kopplung ein Feld mit gegensinniger Ausrichtung (Pfeil 19) erzeugt. Zwischen den Spulenenden 20 ist eine Induktionsspannung abgreif- und nach Gleichrichtung zur Aufladung der Batterie des Mobilgerätes 9 nutzbar.
Das aus einem elektrisch abschirmenden Material, also aus Metall, einem Metallpartikel enthaltenden oder einem metallbeschichteten Kunststoff bestehende Gehäuse 2 schirmt das Wechselfeld der Spule 5 zur Seite und nach unten hin ab. Eine Abstrahlung eines Magnetfeldes über die Öffnung 22 des Gehäuses 2 wird durch die zwischen der Öffnung 22 und der ersten Leiteranordnung 3 positionierte zweite Leiteranordnung 4 beziehungsweise Spule 6 verhindert, zumindest jedoch verringert. Die Stärke eines Magnetfeldes nimmt mit zunehmender Entfernung zur Spule sehr stark ab. Das außerhalb des Ladebereiches 14 noch wirksame Wechselfeld der Spule 5 ist daher relativ schwach. Zu dessen Abschirmung beziehungsweise Kompensation genügt daher ein entsprechend schwaches Abschirmfeld, welches von der Spule 6 erzeugt wird. Die Spule 6 ist an eine Spannungsquelle 16' angeschlossen. Außerdem ist sie im Hinblick auf die Spule 5 in umgekehrter Richtung (Pfeil 17') stromdurchflossen und erzeugt ein Wechselfeld, das dem Wechselfeld der Spule 5 entgegengerichtet ist (angedeutet durch Pfeil 18' in Fig. 3)
In Fig. 5 ist eine alternative Ausgestaltung der ersten und zweiten Leiteranordnung 3a, 4a gezeigt. Die Leiteranordnungen 3a, 4a sind jeweils durch ein Spulenpaar gebildet. Die Spulen 23, 24 beziehungsweise 25, 26 des jeweiligen Paares sind elektrisch in Reihe geschaltet und in Richtung ihrer Windungsachsen 27, 28 beabstandet hintereinander angeordnet. Die Spulen 23 und 24 sind an eine Spannungsquelle 16angeschlossen und sind in umgekehrter Richtung stromdurchflossen (Pfeil 29) als die an eine Spannungsquelle 16' angeschlossenen Spulen 25, 26. Die Folge des gegensinnigen Stromflusses sind gegensinnig ausgerichtete Wechselfelder (angedeutet durch die Pfeile 30). Mit dieser Leiteranordnung lässt sich ein Mobilgerät 9a aufladen, dessen Induktionsspule 15a aus in der Planebene des Mobilgerätes 9a verlaufenden Windungen 7a gebildet ist. Zum Aufladen der Batterien des Mobilgerätes 9a wird dieses so im Aufnahmeraum 8 angeordnet, dass sich seine Planebene beziehungsweise seine Windungsachse 30 quer zu den Windungsachsen 27 der Spulen 23, 24 erstrecken. Eine exakt orthogonale Ausrichtung ist dabei nicht erforderlich, vielmehr ist hier ein gewisser Toleranzbereich der Drehposition vorhanden, innerhalb dessen eine noch ausreichenden induktive Kopplung zwischen erster Leiteranordnung 3a und Induktionsspule 15a gegeben ist. Eine Anordnung des Mobilgerätes 9a in beliebigen Drehpositionen ist dann möglich, wenn die erste Leiteranordnung 3a ein zweites Spulenpaar (nicht dargestellt) umfasst, dessen Windungsachsen orthogonal zu den Windungsachsen 27 der Spulen 23, 24 ausgerichtet sind. Um auch in diesem Falle eine optimale Abschirmwirkung der zweiten Leiteranordnung zu gewährleisten, kann auch diese ein zweites, um 90° verdreht ausgerichtetes Spulenpaar (nicht dargestellt) enthalten.

Claims

1. Ladevorrichtung zur kontaktlosen Ladung batteriebetriebener Geräte, mit einem Gehäuse (2), das einen über eine Öffnung (22) zugänglichen Aufnahmeraum (8) umgrenzt und einer darin angeordneten ersten Leiteranordnung (3, 3a), die in einem Ladebereich (14) des Aufnahmeraumes (8) ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, gekennzeichnet durch, eine zwischen der ersten Leiteranordnung (3, 3a) und der Öffnung (22) angeordneten zweiten Leiteranordnung (4, 4a), die ein Abschirmfeld erzeugt, welches das über den Ladebereich (14) hinaus wirkende Wechselfeld der ersten Leiteranordnung (3, 3a) zumindest teilweise kompensiert.

2. Ladevorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, dass die Leiteranordnungen (3, 4) jeweils wenigstens von einer Spule (5, 6) gebildet sind, wobei die Spulen (5, 6) in Richtung ihrer Windungsachsen (11, 12) hintereinander angeordnet sind und wobei sich der Aufnahmeraum (8) innerhalb der Spulenwindungen befindet.

3. Ladevorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, dass die Leiteranordnungen (3a, 4a) jeweils von wenigstens einem Paar von in Reihe geschalteten, in Richtung ihrer Windungsachsen (27, 28) hintereinander und beabstandet angeordneten Spulen (23, 24 und 25, 26) gebildet sind, wobei sich die Windungsachsen (27, 28) der Spulen quer zur Mittellängsachse (13) des Aufnahmeraums (8) erstrecken.

4. Ladevorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch, dass zumindest die erste Leiteranordnung (3a) zwei Spulenpaare umfasst, wobei die Windungsachsen des einen Paares quer zu den Windungsachsen des anderen Paares verlaufen.

5. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch, dass das Gehäuse (2) becherförmig ist.

6. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch, ein abschirmendes Gehäuse.

7. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch, dass sie Leiteranordnungen (3, 3a, 4, 4a) sowohl nach Anspruch 2 als auch nach den Ansprüchen 3 und 4 umfasst.