DE19726840A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie - Google Patents

Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie mit einer bei einem spei­ senden Teil (Einspeisungsteil) angeordneten Induktionsspule, der elektrische Energie zugeführt wird, und einer bei einem gespeisten Teil angeordnete und in einem durch die Indukti­ onsspule erzeugten Magnetfeld angeordneten induzierten Spule (Sekundärspule).
Wie in Fig. 7 gezeigt, ist bei einer Vorrichtung zur berüh­ rungslosen Übertragung elektrischer Energie eine bei einem gespeisten Teil 3 mit einer Gleichrichterschaltung 30 und ei­ ner Last 31 angeordnete induzierte Spule 4 in einem Magnet­ feld positioniert, das durch eine bei einem speisenden Teil 1 mit einer Gleichrichterglättungsschaltung 10 und einer Oszil­ latorschaltung 11 angeordneten Induktionsspule 2 erzeugt wird, wodurch elektrische Energie mittels elektromagnetischer Induktion übertragen wird. Da elektrische Energie von dem spei senden Teil 1 zu dem gespeisten Teil 3 übertragen werden kann, ohne daß ein Ladungsabschnitt (Anschlußabschnitt) der äußeren Umgebung ausgesetzt wird, wird die Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie häufig bei Vorrichtungen verwendet, bei denen ein wasserdichter Aufbau erforderlich ist.
Bisher sind Vorrichtungen zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie derart entworfen worden, daß sowohl der Schaltungsabschnitt mit der Induktionsspule 2 des speisenden Teils 1 als auch der Schaltungsabschnitt mit der induzierten Spule 4 des gespeisten Teils 3 auf die Last 31 des gespeisten Teils 3 ansprechend werden.
In diesem Fall wird, falls die Last 31 unterschiedlich ist, sowohl die Schaltung des speisenden Teils 1 als auch die des gespeisten Teils 3 verändert. Somit erstreckt sich die Ent­ wurfszeitdauer zum Entwurf einer Vielzahl von Bauarten von Vorrichtungen zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie über einen sehr langen Zeitabschnitt.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie zu schaffen, die eine erhebliche Verkürzung der Entwicklungsent­ wurfzeitdauer ermöglicht, wenn Lasten unterschiedlich sind.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie geschaf­ fen, die durch ein speisendes Teil mit einer Induktionsspule, der elektrische Energie zugeführt wird, und ein gespeistes Teil mit einer induzierten Spule, die in einem durch die In­ duktionsspule erzeugten magnetischen Feld angeordnet ist, und einem Lastteil gekennzeichnet ist, wobei eine Vielzahl ge­ speister Teile vorgesehen sind, und jedes gespeiste Teil ein unterschiedliches Lastteil aufweist und jedes gespeiste Teil einen Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie entspre­ chend dem einzelnen speisenden Teil aufweist, der seitens des speisenden Teils zugeführte elektrische Energie zur Überein­ stimmung mit jedem Lastteil anpaßt.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vielzahl berührungsloser Vorrichtungen zur Speicherung elek­ trischer Energie geschaffen, denen konstante elektrische Energie von außerhalb zugeführt wird, die dadurch gekenn­ zeichnet sind, daß jede Vorrichtung zur Speicherung elektri­ scher Energie eine induzierte Spule zum Empfang der konstan­ ten elektrischen Energie von außerhalb, ein Lastteil, wobei jede berührungslose elektrische Energiespeichervorrichtung jeweils ein unterschiedliches Lastteil aufweist, und einen Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie aufweist, der die von außerhalb zugeführte Energie zur Übereinstimmung mit jedem Lastteil anpaßt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher be­ schrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Veranschaulichung gemäß einem ersten Ausführungs­ beispiel,
Fig. 2(a) und (b) ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei Fig. 2(a) eine schematische Schnittansicht und Fig. 2(b) eine Ver­ anschaulichung darstellen,
Fig. 3(a) bis 3(c) ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, wobei Fig. 3(a) und 3(b) schematische Schnittansichten und Fig. 3(c) eine Veranschaulichung darstellen,
Fig. 4 eine Veranschaulichung gemäß einem vierten Ausfüh­ rungsbeispiel,
Fig. 5 eine Veranschaulichung gemäß einem fünften Ausfüh­ rungsbeispiel,
Fig. 6(a) bis 6(c) ein sechstes Ausführungsbeispiel, wobei Fig. 6(a) und 6(b) schematische Schnittansichten und Fig. 6(c) eine Veranschaulichung darstellen,
Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines grundsätzli­ chen Aufbaus,
Fig. 8 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines grundsätzli­ chen Aufbaus,
Fig. 9 eine erläuternde Veranschaulichung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel,
Fig. 10(a) bis (d) Veranschaulichungen von Energiesignalver­ läufen an Punkten B und C gemäß Fig. 8,
Fig. 11 eine Veranschaulichung gemäß einem Ausführungsbei­ spiel gemäß einer Kombination des ersten und des zweiten Aus­ führungsbeispiels und
Fig. 12 eine seitliche Schnittansicht eines wiederaufladbaren Rasierers und einer Batterieaufladevorrichtung davon, bei dem eine Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie gemäß den Ausführungsbeispielen angewandt ist.
Der grundsätzliche Aufbau gemäß den Ausführungsbeispielen ist derselbe wie der in Fig. 7 gezeigte. Eine Vielzahl von Bauar­ ten gespeister Teile 3 mit jeweils unterschiedlicher Last 31 empfängt elektrische Energie im Ansprechen auf die jeweils enthaltene Last 31 durch Anpassung der nachstehend beschrie­ benen Punkte an ein speisendes Teil (Einspeisungsteil) 1 in einer einzigen Ausführung. Nachstehend sind verschiedene Aus­ führungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
Falls die Windungsanzahl einer induzierten Spule (Sekundär­ spule) 4 des gespeisten Teils 3 für das speisende Teil 1 mit einer vorbestimmten Glättungsschaltung 10, einer vorbestimm­ ten Oszillatorschaltung 11 und einer vorbestimmten Indukti­ onsspule 2 verändert wird, ist ein in Fig. 1 gezeigtes Ver­ hältnis zwischen der Windungsanzahl und dem aus der induzier­ ten Spule 4 entnehmbaren Ausgangsstrom vorhanden. Wenn die Windungsanzahl A beträgt, wird der Ausgangsstrom maximal. Normalerweise ist die Windungsanzahl A derart eingestellt, daß der maximale Ausgangsstrom erzeugt wird, jedoch wird zur Verringerung des Ausgangsstroms in Abhängigkeit von der Last 31 die Windungsanzahl von A verschoben.
Zweites Ausführungsbeispiel
Alternativ dazu wird ein in Fig. 2(a) gezeigter Zwischenraum (eine Lücke, ein Abstand) G zwischen der Berührungsoberfläche der äußeren Oberfläche des gespeisten Teils 3 mit dem spei­ senden Teil 1 und der enthaltenen induzierten Spule 4 vergrö­ ßert, wodurch wie in Fig. 2(b) gezeigt der erzeugte Aus­ gangsstrom verringert wird. Der Zwischenraum G wird nicht nur durch Veränderung der Dicke der äußeren Wand des gespeisten Teils 3, sondern ebenfalls durch Veränderung der Position der in dem gespeisten Teil enthaltenen induzierten Spule 4 verän­ dert.
Drittes Ausführungsbeispiel
Alternativ dazu wird die Induktivität in Abhängigkeit davon verändert, ob wie in Fig. 3(a) und 3(b) gezeigt ein Kern 40 in die induzierte Spule 4 eingefügt ist, wodurch wie in Fig. 3(c) gezeigt der Ausgangsstrom verändert wird.
Viertes Ausführungsbeispiel
Zusätzlich wird die Kapazität eines Ausgangskondensators bei der Schaltung des gespeisten Teils 3 zur Veränderung der Re­ sonanzfrequenz verändert, wodurch der entnehmbare Ausgangs­ strom wie in Fig. 4 gezeigt verändert werden kann. Diese Wir­ kung ist nachstehend ausführlich unter Bezug auf Fig. 8 bis 10(d) beschrieben. Gemäß Fig. 8 bezeichnet die Bezugszahl 41 eine Gleichrichterglättungsschaltung bei dem gespeisten Teil 3, 42 ein Sekundärseitenkondensator (Sekundärkondensator) und 43 ein Primärseitenkondensator. Das heißt, daß das speisende Teil 1 einen Resonanzumrichter (resonance-type inverter) auf­ weist, bei dem die Induktionsspule 2 und der Primärseitenkon­ densator 43 parallel zueinander verschaltet sind. Die indu­ zierte Spule 4 und der Sekundärseitenkondensator 42 bilden einen Schwingkreis. Durch Veränderung der Kapazität des Se­ kundärseitenkondensators 42 wird der Übereinstimmungspunkt mit der Schwingfrequenz des speisenden Teils 1 verändert. Das heißt, daß, falls die Kapazität des Sekundärseitenkondensa­ tors 42 wie in Fig. 9 gezeigt von C1 auf C2 verändert wird, die der Last 31 zuführbare Energie wie in Fig. 10(b) und 10(d) gezeigt verändert wird. Fig. 10(a) und 10(b) zeigen je­ weils Energiesignalverläufe an den Punkten B und C gemäß Fig. 8, wenn die Kapazität des Sekundärseitenkondensators 42 C1 beträgt. Fig. 10(c) und 10(d) zeigen jeweils Energiesignal­ verläufe an den Punkten B und C, wenn die Kapazität des Se­ kundärseitenkondensators 42 C2 beträgt. Die Amplitude des Energieverlaufs an dem Punkt C im Fall der Kondensatorkapazi­ tät C2 (Fig. 10(d)) ist kleiner als die in dem Fall von C1 (Fig. 10(b)) an dem Punkt C. Auf diese Weise wird die der Last 31 zuführbare Energie (schraffierter Bereich bei Fig. 10(b) und 10(d)) verändert. Zur Verwendung dieser Wirkung, kann der aus der induzierten Spule 4 entnehmbarer Ausgangs­ strom (= die der Last 31 zuführbare Energie) verändert wer­ den.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Weiterhin wird wie in Fig. 5 gezeigt der Leitungsdurchmesser bzw. Drahtdurchmesser der induzierten Spule 4 zur Veränderung des Ausgangsstroms verändert.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Weiterhin wird als induzierte Spule 4 eine Spule mit einer breiten Windungsbreite wie in Fig. 6(a) gezeigt oder einer schmalen Windungsbreite wie in Fig. 6(b) gezeigt zur Verände­ rung der Ausgangsstroms verwendet. Wenn die Windungsbreite verbreitert wird, verringert sich der entnehmbare Ausgangs­ strom wie in Fig. 6(c) gezeigt.
Im übrigen ist es möglich, die vorstehend beschriebenen Aus­ führungsbeispiele zum wirksamen Erhalt der Wirkung gemäß den Ausführungsbeispielen zu kombinieren. Beispielsweise kann wie in Fig. 11 gezeigt die Windungsanzahl der induzierten Spule 4 und der Zwischenraum G gleichzeitig zur Anwendung des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels zusammen verändert wer­ den. Zwischen A und D wird eine extrem große Ausgangsstrom­ differenz erhalten, wobei in diesem Fall der Zwischenraum G bei A klein und bei D groß ist. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, eine große Ausgangsstromdifferenz durch andere Kombinationen wie die Kombination des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels, die Kombination des zweiten und des vierten Ausführungsbeispiels oder dergleichen zu erhal­ ten.
Auf jeden Fall wird die Schaltung des gespeisten Teils 3 der Sekundärseite im Entwurf im Ansprechen auf die Last des ge­ speisten Teils 3 derart geändert, daß das speisende Teil 1 der Primärseite unverändert verwendet werden kann. In diesem Fall können unterschiedliche Arten von gespeisten Teilen 3 ein einzelnes speisendes Teil 1 gemeinsam nutzen, oder können die Schaltungsteile des speisenden Teil 1 dieselben sein, ob­ wohl die gespeisten Teile 3 aufgrund der Gehäuseform usw. das speisende Teil nicht gemeinsam nutzen können. Falls unter­ schiedliche Bauarten gespeister Teile ein einziges speisendes Teil 1 gemeinsam nutzen, wird die Form der Oberfläche jedes gespeisten Teils 3, das das speisende Teil 1 berührt, mit der Form der das gespeiste Teil 3 berührenden Oberfläche des speisenden Teils 1 in Übereinstimmung gebracht.
Fig. 12 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines wiederauf­ ladbaren Rasierers und eine Batterieaufladevorrichtung davon, bei denen die Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie gemäß den Ausführungsbeispielen ange­ wandt ist. Die Batterieaufladevorrichtung (das speisende Teil) kann einen einzelnen Aufbau aufweisen, das heißt, daß es gemeinsam für verschiedene Arten von Rasierern (gespeiste Teile) verwendet werden kann, bei denen Batterien (Ni-Cd- Bauart, Ni-Mn-Bauart oder dergleichen), Eigenschaften und Bauarten (Gleichstrommotor, Linearmotor) unterschiedlich sind.
Außerdem kann die Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie gemäß den Ausführungsbeispielen bei je­ der andern Art elektrischer Produkte angewendet werden und ist nicht auf wiederaufladbare elektrische Rasierer be­ schränkt. Beispielsweise kann die Vorrichtung bei einer elek­ trischen Zahnbürste, einem Mobiltelefon (schnurloses Telefon im Haus, Automobiltelefon oder dergleichen), einer tragbaren audio-visuellen Ausrüstung (Videokamera, Minidiskspieler, Kompaktdiskspieler oder dergleichen) usw. angewandt werden.
Wie vorstehend beschrieben wird gemäß den Ausführungsbeispie­ len eine Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektri­ scher Energie mit einem speisenden Teil, das eine Indukti­ onsspule aufweist, der elektrische Energie zugeführt wird, und eine Vielzahl von gespeisten Teilen geschaffen, die je­ weils eine in einem durch die Induktionsspule erzeugen Ma­ gnetfeld angeordnete induzierte Spule aufweisen. Die gespei­ sten Teile unterscheiden sich in bezug auf das Lastteil, wo­ bei jeder der gespeisten Teile mit verschiedenen Lastteilen einen Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie entspre­ chend dem einzelnen speisenden Teil zum Empfang elektrischer Energie im Ansprechen auf das Lastteil durch das speisende Teil aufweisen. Somit wird, falls Lasten unterschiedlich sind, lediglich das gespeiste Teil im Entwurf geändert, um die Lastdifferenz zu berücksichtigen, und das speisende Teil nicht im Entwurf geändert, damit der Entwicklungsentwurfs­ zeitabschnitt drastisch gekürzt werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, wird eine Vorrichtung zur berüh­ rungslosen Übertragung elektrischer Energie geschaffen, die ein speisendes Teil 1 mit einer Induktionsspule 2, der elek­ trische Energie zugeführt wird, und eine Vielzahl von gespei­ sten Teilen 3 mit jeweils einer in einem durch die Indukti­ onsspule 2 erzeugten Magnetfeld angeordneten induzierten Spu­ le 4 aufweist. Die gespeisten Teile 3 unterscheiden sich im Lastteil 31, wobei jedes der gespeisten Teile 3 mit unter­ schiedlichen Lastteilen 31 einen Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie entsprechend dem einzelnen speisenden Teil 1 aufweist, um elektrische Energie im Ansprechen auf das Lastteil 31 von dem speisenden Teil 1 zu empfangen. Es wird das einzelne speisende Teil 1 verwendet, wobei lediglich die gespeisten Teile die Lastdifferenz berücksichtigen.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie, gekennzeichnet durch
ein speisendes Teil (1) mit einer Induktionsspule (2), der elektrische Energie zugeführt wird, und
ein gespeistes Teil (3) mit einer induzierten Spule (4), die in einem durch die Induktionsspule erzeugten magnetischen Feld angeordnet ist, und einem Lastteil (31),
wobei eine Vielzahl gespeister Teile (3) vorgesehen sind, und jedes gespeiste Teil (3) ein unterschiedliches Lastteil (31) aufweist und jedes gespeiste Teil einen Ab­ schnitt zur Anpassung elektrischer Energie entsprechend dem einzelnen speisender Teil (1) aufweist, der seitens des spei­ senden Teils (1) zugeführte elektrische Energie zur Überein­ stimmung mit jedem Lastteil (31) anpaßt.
2. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie die elektri­ sche Energie durch Veränderung der Windungsanzahl der indu­ zierten Spule (4) verändert.
3. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie die elektri­ sche Energie durch Veränderung eines Zwischenraums (G) zwi­ schen einer Kontaktfläche einer äußeren Fläche des gespeisten Teils (3) mit dem speisenden Teil (1) und der induzierten Spule (4) anpaßt.
4. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie die elektri­ sche Energie in Abhängigkeit von einem Vorhandensein oder ei­ nem Fehlen eines Kerns (40) der induzierten Spule (4) anpaßt.
5. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das speisende Teil (1) einen Resonanzumrichter hat, bei dem die Induktionsspule (2) und eine Primärseitenkondensator (43) parallel zueinander verschaltet sind, und
der Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie die elektrische Energie durch Veränderung einer Kapazität eines Kondensators (42) anpaßt, der zu der induzierten Spule (4) zur Bildung eines Schwingkreises parallel verschaltet ist.
6. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie die elektri­ sche Energie durch Veränderung der Windungsbreite der indu­ zierten Spule (4) anpaßt.
7. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie die elektri­ sche Energie durch Veränderung des Drahtdurchmessers der in­ duzierten Spule (4) anpaßt.
8. Vielzahl berührungsloser Vorrichtungen zur Speicherung elektrischer Energie, denen konstante elektrische Energie von außerhalb zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie
eine induzierte Spule (4) zum Empfang der konstanten elektrischen Energie von außerhalb,
ein Lastteil (31), wobei jede berührungslose elektrische Energiespeichervorrichtung jeweils ein unterschiedliches Lastteil aufweist, und
einen Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie auf­ weist, der die von außerhalb zugeführte Energie zur Überein­ stimmung mit jedem Lastteil (31) anpaßt.
9. Berührungslose Vorrichtung zur Speicherung-elektrischer Energie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie die elektri­ sche Energie durch Veränderung der Windungsanzahl der indu­ zierten Spule (4) verändert.
10. Berührungslose Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie die elektri­ sche Energie durch Veränderung einer Distanz (G) zwischen ei­ ner äußeren Fläche der Vorrichtung zur Speicherung elektri­ scher Energie und der induzierten Spule (4) anpaßt.
11. Berührungslose Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie die elektri­ sche Energie in Abhängigkeit von einem Vorhandensein oder ei­ nem Fehlen eines Kerns (40) der induzierten Spule (4) anpaßt.
12. Berührungslose Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie die elektri­ sche Energie durch Veränderung einer Kapazität eines Konden­ sators (42) anpaßt, der parallel zu der induzierten Spule (4) zur Bildung eines Schwingkreises geschaltet ist.
13. Berührungslose Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie die elektri­ sche Energie durch Veränderung der Windungsbreite der indu­ zierten Spule (4) anpaßt.
14. Berührungslose Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie die elektri­ sche Energie durch Veränderung des Drahtdurchmessers der in­ duzierten Spule (4) anpaßt.
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