DE202013100528U1

DE202013100528U1 - Spuleneinheit und Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE202013100528U1
Application number: DE202013100528.2U
Authority: DE
Original assignee: Conductix Wampfler GmbH
Current assignee: Ipt Technology De GmbH
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-05-06
Anticipated expiration: 2023-02-06

Abstract

Spuleneinheit (3; 6) zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einer Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) und einer Flussführungseinheit (8; 12; 34; 40) zur Führung eines im Betrieb der Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) auftretenden magnetischen Flusses, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) und/oder die Flussführungseinheit (8; 12; 34; 40) von einer Streufeldabschirmung (15; 16, 16’; 20; 23, 26; 26’; 27; 27’) umgeben sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spuleneinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 19 sowie die Verwendung der Spuleneinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 20.
Im Bereich der induktiven Energieübertragung zu beweglichen Verbrauchern, insbesondere Elektrolandfahrzeugen, wie Automobilen, Bussen oder Lastwagen, aber auch Zügen, ist es bekannt, die in den Elektrofahrzeugen installierte Batterie über eine am Fahrzeugboden angeordnete Sekundärspule von einer ortsfest installierten Primärspule zu laden.
Ein solches Batterieladesystem zur Verwendung beim Aufladen einer Batterie eines Elektrofahrzeugs offenbart die DE 693 13 151 T2 . Dort muss der Benutzer jedoch manuell einen Primärspulenaufbau mit einem Sekundärspulenaufbau am Fahrzeug in Verbindung bringen. Dies weist den Nachteil auf, dass der Benutzer aussteigen und den Primärspulenaufbau mit dem Sekundärspulenaufbau aufwendig und kompliziert in Verbindung bringen muss.
Gerade im Bereich von teils oder vollständig elektrische angetriebenen Bussen und Straßenfahrzeugen besteht jedoch der Wunsch, die Fahrzeugbatterie einfach und schnell automatisch ohne aufwendige Bedienung zu laden. Hierzu ist die Primärspule in der Regel auf oder versenkt in der Fahrbahn angeordnet, und das Fahrzeug wird so über die Primärspule gefahren, dass Sekundärspule möglichst exakt über der Primärspule positioniert ist. Anschließend muss lediglich der Ladevorgang aktiviert werden, so dass die im Boden angeordnete Primärspule elektrische Energie auf die in ihrer Nähe befindliche Sekundärspule am Fahrzeugboden übertragen kann. Insbesondere bei Bussen ist gewünscht, dass diese während des kurzen Aufenthalts an einer Bushaltestelle während des Aus- und Einsteigens der Passagiere schnell und automatisch geladen werden, ohne dass der Busfahrer aussteigen muss und umständlich die Primär- und Sekundärspule zueinander ausrichten muss.
Bei PKWs kann dies vorteilhaft während der Abstellzeit in einer Garage oder auf einem Parkplatz geschehen. Auch dort ist gewünscht, dass die Ladung möglichst weitgehend automatisch erfolgen soll, um auch den oft technisch wenig versierten Fahrzeugnutzern ein einfaches und ungefährliches Laden zu ermöglichen.
Da aber gerade Straßenfahrzeuge zwangsweise eine ausreichende Bodenfreiheit benötigen, ist ein Höhenabstand zwischen Primärspule und Sekundärspule in der Regel relativ groß, beispielsweise zwischen 15 und 20 cm. Wegen dieses großen Abstands, der für die induktive Übertragungsvorrichtung einen großen Luftspalt und somit magnetischen Widerstand darstellt, müssen zur induktiven Übertragung der elektrischen Energie von der Primärspule zur Sekundärspule relative hohe magnetische Feldstärken eingestellt werden.
Bekannt Anordnung sehen oft vor, dass die Primär- und Sekundärspulen über zusätzliche Hebe- oder Absenkmechanismen möglichst nahe zueinander gebracht werden können, um möglichst niedrige Feldstärken verwenden zu können. Dies ist jedoch mit hohem technischem und konstruktivem Aufwand verbunden, zumal dadurch das Fahrzeuggewicht weiter erhöht wird. Bevorzugt soll insbesondere die Sekundärspule unbeweglich am Fahrzeug angeordnet werden, so dass der hohe Abstand der Spulen in Kauf genommen wird.
Versuche haben ergeben, dass wegen des hohen Abstands zwischen Primärspule und Sekundärspule und der hierdurch bedingten notwendigen hohen magnetischen Feldstärken ein relativ starkes Streufeld erzeugt wird. Dieses verschlechtert einerseits den Wirkungsgrad der Energieübertragung und erzeugt andererseits sehr hohe Feldstärken auch räumlich weit außerhalb der Primär- und Sekundärspulen. Wegen der elektromagnetischen Verträglichkeit und um Gefährdungen von Personen im Bereich der Primärspuleneinheiten zu vermeiden, wird in der Regel gewünscht, dass die magnetische Flussdichte in einem Bereich neben dem Fahrzeug 6,25 µTesla nicht übersteigt. Diese Anforderung kann jedoch mit den herkömmlichen Primärspuleneinheiten und Sekundärspulen an Fahrzeugen nicht eingehalten werden.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die oben genannten Nachteile zu überwinden und eine eingangs genannte Spuleneinheit, eine eingangs genannte Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie sowie die Verwendung einer solchen Spuleneinheit bereitzustellen, welche ein niedriges und räumlich kleines Streufeld aufweisen und insbesondere die gewünschten Vorgaben für die maximal außerhalb des Fahrzeugs gewünschten Grenzwerte für die Flussdichte einzuhalten. Zudem soll der Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung auf das Fahrzeug verbessert werden.
Diese Aufgabe löst die Erfindung mit einer Spuleneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit den Merkmalen des Anspruchs 19 sowie eine Verwendung der Spuleneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 20. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist die eingangs genannte Spuleneinheit dadurch gekennzeichnet, dass die Spule und/oder die Flussführungseinheit von einer Streufeldabschirmung umgeben sind. Dadurch kann der Streufluss außerhalb der Spule deutlich reduziert und vorgegebene Grenzwerte für die magnetische Flussdichte eingehalten werden.
Bevorzugt kann die die Streufeldabschirmung die Spule und/oder die Flussführungseinheit in oder parallel zu einer Wicklungsebene von Spulenwicklungen der Spule umgeben, wodurch eine gerade für Elektrofahrzeuge oder deren Ladestationen günstiger flacher Aufbau erreichte werden kann. Die Spule kann hierzu vorteilhaft eine Flachspule mit nebeneinander oder einander teilweise überlappend angeordneten Spulenwicklungen sein. Ebenso kann die Flussführungseinheit und/oder die die Streufeldabschirmung vollständig oder zumindest teilweise flächig ausgebildet sein, um einen flachen Aufbau zu erhalten. Bevorzugt kann die Flussführungseinheit und/oder die Streufeldabschirmung aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material oder einer Kombination der beiden gebildet sein, um eine gute Führung des magnetischen Flusses zu erreichen.
In einer fertigungs-, transport- und montagetechnisch günstigen Ausführung können die Spule, die Flussführungseinheit und die Streufeldabschirmung fest miteinander verbunden, insbesondere miteinander vergossen, verpresst oder verschraubt oder Kombinationen davon sein.
Bevorzugt kann die die Spule eine einphasige Spule mit einer Spulenwicklung, eine Doppel-D-Spule mit zwei Spulenwicklungen, eine dreiphasige Spule mit drei Spulenwicklungen oder eine um die Flussführungseinheit gewickelte Solenoidspule sein. Hierdurch lässt sich bei gleichzeitiger flacher Bauform eine gute induktive Energieübertragung ermöglichen. Bevorzugt können äußere Bereiche der Spulenwicklungen seitlich über die Flussführungseinheit hinausragen, so dass Gewicht und Kosten gespart werden können.
In einer vorteilhaften Ausführung kann die Streufeldabschirmung mindestens einen Rahmen oder Ring aufweisen, der in einem seitlichen Abstand zur Spule angeordnet ist. Hierbei kann vorteilhaft der seitliche Abstand mindestens ein Sechstel einer Spulenbreite von einander in Abstandsrichtung gegenüberliegenden äußeren Spulenwicklungen betragen. Weiter bevorzugt kann eine Breite der Streufeldabschirmung mindestens ein Viertel, bevorzugt ein Drittel einer Spulenbreite von einander in Abstandsrichtung gegenüberliegenden äußeren Spulenwicklungen betragen. Hierdurch lässt sich der Streufluss außerhalb der Spule gut reduzieren. Bevorzugt kann die Streufeldabschirmung dabei koaxial zu einer Wicklungsachse oder eine Außenumfang der Wicklungen der Spule angeordnet sein, um eine gleichmäßige Verteilung des magnetischen Streuflusses zu erreichen und den Hauptflusses nicht nachteilig zu beeinflussen.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann die Streufeldabschirmung aus einer Vielzahl von einzelnen Teilelementen, insbesondere Streifen und/oder Platten, eines magnetisch gut leitenden Materials bestehen. Hierdurch kann die Fertigung und Montage erleichtert werden, da kleinere Streifen und Platten weniger leicht brechen und einfacher handzuhaben sind. Um einen guten magnetischen Schluss mit wenig Luftspalten zwischen den Teilelementen zu erhalten, können diese bündig aneinander angeordnet und/oder gehalten werden.
Fertigungstechnisch günstig kann eine Aufnahme mit Ausnehmungen zur Fixierung der Streufeldabschirmung vor dem Herstellen der Spuleneinheit aufweisen, insbesondere vor dem Vergießen, Verpressen oder Verschrauben oder sonstigen Verbinden mit der Spule und der Flussführungseinheit. Weiter kann dabei die Aufnahme eine Ausnehmung zur Aufnahme und Fixierung der Flussführungseinheit vor der Fertigung der Spuleneinheit, insbesondere vor dem Vergießen, Verpressen oder Verschrauben oder sonstigen Verbinden mit der Spule und der Streufeldabschirmung, aufweisen.
In einer günstigen Ausführung kann die Aufnahme aus einem für das Magnetfeld der Spule durchlässigen Material, insbesondere Kunststoff, bestehen, um den magnetischen Fluss nicht zu beinträchtigen. Alternativ kann die Aufnahme zumindest zum Teil, insbesondere an einem einer Grundplatte des Spuleneinheit entsprechenden Teil aus einem das Magnetfeld abschirmenden Material, insbesondere Aluminium bestehen, um das Magnetfeld vor dem Eindringen in den Boedenbereich des Fahrzeugs zu hindern.
Bevorzugt können die Ausnehmungen gerade so tief sein, dass sie die Streufeldabschirmung zumindest teilweise aufnehmen, so dass die Aufnahme relativ flach bleibt. Alternativ können die Ausnehmungen so tief sein, dass sie die Streufeldabschirmung vollständig aufnehmen, so dass die Streufeldabschirmung gut gegen Einwirkungen von außen, auch während der Fertigung geschützt bleiben.
Erfindungsgemäß ist die eingangs genannte Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspuleneinheit und/oder die Sekundärspuleneinheit wie oben und nachfolgend beschrieben ausgebildet ist.
Weiter kann erfindungsgemäß die oben und nachfolgend beschriebene Spuleneinheit als ortsfeste Primärspuleneinheit und/oder Sekundärspuleneinheit eines beweglichen Verbrauchers, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, bei einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Primärspule der Primärspuleneinheit und einer Sekundärspule der Sekundärspuleneinheit des beweglichen Verbrauchers verwendet werden.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Diese zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung quer zur Längsrichtung eines zu ladenden Fahrzeugs;
2 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Spuleneinheit aus 1;
3 eine schematische Draufsicht auf eine erste Aufnahme für die Spuleneinheit aus 2;
4 eine schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführung einer erfindungsgemäßen Spuleneinheit;
5 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Aufnahme für die Spuleneinheit aus 4;
6 eine schematische Draufsicht auf eine weitere alternative Ausführung einer erfindungsgemäßen Spuleneinheit;
7 eine schematische Draufsicht auf eine dritte Aufnahme für die Spuleneinheit aus 6;
8 eine schematische Draufsicht auf eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Spuleneinheit aus 2 und eine Schnittansicht entlang der Linie B-B;
9 eine schematische Draufsicht auf eine vierte Aufnahme für die Spuleneinheit aus 8;
10 eine schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführung einer erfindungsgemäßen Spuleneinheit;
11 eine schematische Draufsicht auf eine Abwandlung der Spuleneinheit aus 10;
12 eine schematische Draufsicht auf die Spuleneinheit aus 2 mit einer alternativen einphasigen Spule;
13 eine schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführung einer erfindungsgemäßen Spuleneinheit;
14 eine schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführung einer erfindungsgemäßen Spuleneinheit;
15 eine schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführung einer erfindungsgemäßen Spuleneinheit.
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur induktiven Übertragung elektrischer Energie zwischen einer an auf einer Fahrbahn 2 angeordneten erfindungsgemäßen Primärspuleneinheit 3 und einer an einem Fahrzeugboden 4 eines Elektrofahrzeugs 5 angeordneten erfindungsgemäßen Sekundärspuleneinheit 6.
Wie aus 1 hervorgeht, ist die Primärspuleneinheit 3 oberhalb der Fahrbahn 2 angebracht. Genauso kann die Primärspuleneinheit 3 jedoch auch in oder unter der Fahrbahn 2 versenkt sein. Auch kann die Sekundärspuleneinheit 6 in den Fahrzeugboden 4 integriert sein. Wie gut zu erkennen, ist ein Höhenabstand H zwischen Primärspuleneinheit 3 und Sekundärspuleneinheit 6 relativ groß und beträgt üblicherweise zwischen 10 bis 20 cm.
Die Primärspuleneinheit 3 weist eine Gehäuse 7 mit einer Flussführungseinheit 8 und einer darauf angeordneten Primärspule 9 auf. Das Gehäuse 7 besteht aus einem magnetisch durchlässigen Material, bevorzugt Kunststoff. Die aus einem ferro- oder ferrimagnetischen Material bestehende Flussführungseinheit 8 und die Primärspule 9 sind in das Gehäuse 7 in einem magnetisch durchlässigen Material, insbesondere Kunststoff, vergossen. Stattdessen können sie auch miteinander verschraubt oder mit Kunststofflagen oder -platten verpresst sein. Der Aufbau und die Materialien für die Primärspule 9 und die Flussführungseinheit 8 sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
Auch die in 1 gezeigten Sekundärspuleneinheit 6 weist wiederum ein Gehäuse 10 mit darin integrierter Sekundärspule 11 und aus einem ferro- oder ferrimagnetischen Material bestehende Flussführungseinheit 12 auf. Der Aufbau und die Materialien für die Sekundärspule 11 und die Flussführungseinheit 12 sind dem Fachmann an sich bekannt.
Bevorzugt können die Flussführungseinheiten 8 und/oder 12 auf ihrer der jeweiligen Spule 9 bzw. 11 abgewandten Seite mit einer den magnetischen Fluss abschirmenden Grundplatten 13, 14 versehen sein, z.B. aus Aluminium.
Die Gehäuse 7 und 10 dienen dazu, den Kontakt mit den strom- und spannungsführenden Bauteilen Spuleneinheiten 3, 6 zu verhindern und diese vor mechanischen Beschädigungen zu schützen. In 2 bis 10 sind zur besseren Darstellung die Gehäuse 7, 10 und die Grundplatten 13, 14 nicht gezeichnet.
Die Spulen 9, 11 sind bei der vorliegenden Ausführung identisch ausgebildet, so dass die Erfindung nachfolgend vor allem anhand der Primärspule 9 beschrieben wird. Entsprechende Angaben gelten analog für die Sekundärspule 11.
Die Primärspule 9 ist als flache, sogenannte Doppel-D-Spule mit nebeneinander spiralförmig in einer Wicklungsebene E gelegten Wicklungen 9’, 9’’ ausgebildet, wobei diese hier rechteckförmig mit abgerundeten Ecken gelegt sind, aber auch kreisspiralförmig gelegt sein können. Windungsachsen A, A’ der Spulenwicklungen 9’, 9’’ stehen senkrecht auf der Wicklungsebene E, also senkrecht auf der Papierebene in 2 bis 10. In den Zeichnungen ist die Spule 9 lediglich in Form von konzentrischen gezeichneten Wicklungen gezeigt, die tatsächlich in an sich bekannter Weise jedoch spiralig ineinander gewickelt sind. In diesen Figuren ist die bereits in 1 eingezeichnete Querrichtung X quer zur Längsrichtung Y des Fahrzeugs 5 sowie die Längsrichtung Y eingezeichnet
Dabei sind die Wicklungen 9’, 9’’ so miteinander fest verschaltet oder werden im Betrieb so verschaltet oder bestromt, dass sich der in 1 angedeutete Feldlinienverlauf F des für die induktive Energieübertragung maßgeblichen magnetischen Hauptfluss’ ergibt, wobei sich die Flüsse der Wicklungen 9’, 9’’ in an sich bekannter Weise addieren und nicht auslöschen. Die Flussführungseinheit 8 dient somit dazu, den magnetischen Hauptfluss der beiden Wicklungen 9’, 9’’ durch die wicklungsfreien Bereiche der Wicklungen 9’, 9’’ zu kanalisieren. Die Wicklungen 9’, 9’’ können deshalb bevorzugt in bekannter Weise über die Flussführungseinheit 8 seitlich hinausstehen.
Anstelle der in den Figuren gezeigten Spulen 9 und 11 können auch andere Arten von Spulen verwendet werden, beispielsweise zwei-, drei- oder auch mehrphasige Spulen mit einer entsprechenden Anzahl von nebeneinander oder teilweise überlappenden Spulenwicklungen.
Im weiteren wird die Erfindung anhand der Primärspuleneinheit 3 erläutert, entsprechende Ausführungen ergeben sich analog für die Sekundärspuleneinheit 6.
Überraschend hat sich bei Messungen gezeigt, dass sich das Streufeld und die magnetische Streuflussdichte der bestromten Primärspule 9 deutlich verringert, wenn die Primärspule 9 und ihre Flussführungseinheit 8 von einer Streufeldabschirmung 15 umgeben sind. In 2 besteht die Streufeldabschirmung 15 aus einem geschlossenen, rechteckförmigen innen offenen Rahmen 16 aus einem magnetisch gut leitenden Material, insbesondere einem ferro- oder ferrimagnetischen Material. Derartige Materialien sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und brauchen deshalb vorliegend nicht im einzelnen benannt zu werden, typische Materialien sind beispielsweise Mangan-Zink-Ferrite.
Der Rahmen 16 ist vorliegende in der gleichen Ebene wie die Flussführungseinheit 8 und koaxial zum Zentrum der Spule 9 angeordnet, um eine möglichst gleichmäßige Führung des durch die bestromte Primärspule 9 erzeugten Streufelds zu ermöglichen. Der Rahmen 16 kann aber auch etwas höher oder niedriger als die Flussführungseinheit 8 angeordnet werden.
Bevorzugt kann ein seitlicher Abstand D zwischen der Flussführungseinheit 8 und der Innenseite des Rahmens 16 mindestens ein Sechstel der Spulenbreite S einander in Abstandsrichtung gegenüberliegender äußerer Wicklungen der Spulenwicklungen 9, 9’’ betragen. Dies bedeutet mit Bezug auf 2, dass die Abstandsrichtung waagrecht verläuft, also in Richtung des Doppelpfeils D. Weiter kann die Breite B des Rahmens 16 bevorzugt mindestens ein Viertel, besonders bevorzugt mindestens ein Drittel der Spulenbreite S betragen.
Entsprechendes gilt auch für andere Formen von Spulen und Streufeldabschirmungen. Würde die Spule 9 in 2 beispielweise in X- bzw. Y Richtung unterschiedliche Spulenbereiten haben, so ist für den dann unterschiedlichen Abstand zwischen Spule 9 und Rahmen 16 in X- bzw. Y-Richtung jeweils die Spulenbreite zwischen gegenüberliegenden Spulenwicklungen in Abstandsrichtung zum benachbarten Teil der Streufeldabschirmung maßgeblich. Auch gelten obige Angaben bei anderen Formen, z.B. einer sechs-, acht- oder anderen mehreckigen Spule und entsprechend geformter Streufeldabschirmung und Flussführungseinheit.
Bevorzugt weist eine in 3 gezeigte erste Aufnahme 17 eine rechteckige Ausnehmung 18 zur Aufnahme der Flussführungseinheit 8 und eine umlaufende, ununterbrochene rahmenförmige Ausnehmungen 19 auf, in die der Rahmen 16 eingelegt werden kann. Hierdurch lassen sich die eingelegten Teile für das Vergießen der Primärspuleneinheit 3 genau zueinander positionieren, was zur Erzielung eines möglichst gleichmäßigen magnetischen Feldverlaufs sinnvoll ist.
Durch diese Anordnung wird das Streufeld um die Streufeldabschirmung 15 herum konzentriert, die Flussdichte außerhalb der Primärspuleneinheit 3 reduzieren sich somit deutlich, so dass die erlaubten und gewünschten Werte der magnetischen Flussdichte bereits nahe bei der Primärspuleneinheit 3 unter dem Fahrzeug 5 erreicht werden können. Entsprechendes gilt, wenn zusätzlich oder alternativ auch um die Sekundärspuleneinheit 6 eine entsprechende Streufeldabschirmung angeordnet wird.
Die 4 bis 11 zeigen alternative Ausgestaltungen der Erfindung, welche sich jedoch das gleiche Grundprinzip zu Nutze machen, nämlich eine die jeweilige Spule 9, 11 umgebende, bevorzugt flächige Streufeldabschirmung.
Der Streufeldabschirmung 15 aus 2 kann, wie in 4 gezeigt, auch aus einzelnen, einheitlich mit der Bezugsziffer 19 bezeichneten Streifen 19 bestehen, welche aus dem gleichen Material wie der Ring 14 bestehen. Hierdurch vereinfacht sich die Fertigung, da die verwendeten Materialien relativ leicht brechen und eine Ring 15 deshalb schwierig zu fertigen und handzuhaben ist. Bevorzugt weist eine in 5 gezeigte zweite Aufnahme 21 eine rechteckige Ausnehmung 18 zur Aufnahme der Flussführungseinheit 8 und einheitlich mit der Bezugsziffer 22 bezeichnete vier streifenförmige Ausnehmungen 22 auf, in die die vier Streifen 19 eingelegt und für das Vergießen, Verpressen oder Verschrauben zur Primärspuleneinheit 3 in definierter Stellung fixiert werden können.
Die Streufeldabschirmung 15 aus 2 kann, wie in 6 gezeigt, auch aus einheitlich mit der Bezugsziffer 23 bezeichneten einzelnen, nebeneinander gelegten kleineren Platten 23 aus dem gleichen Material zusammengefügt sein.
Hierdurch vereinfacht sich wiederum die Fertigung, da solche kleinen Platten 23 weniger leicht brechen und besser handzuhaben sind. Bevorzugt weist eine in 7 gezeigte dritte Aufnahme 24 eine rechteckige Ausnehmung 18 zur Aufnahme der Flussführungseinheit 8 und einheitlich mit der Bezugsziffer 25 bezeichnete plattenförmige Ausnehmungen 25 auf, in die die Platten 23 eingelegt und für das Vergießen, Verpressen oder Verschrauben zur in definierter Stellung fixiert werden können.
Bevorzugt werden die Streifen 20 bzw. Platten 23 mit möglichst geringem Abstand zueinander eingelegt, die Stege der Ausnehmungen 22 bzw. 25 zwischen den Streifen 20 bzw. Platten 23 sollten also möglichst dünn sein.
Alternativ können die vier Streifen 20 oder die Platten 23 auch in die rahmenförmige Ausnehmung 19 eingelegt und mittels nicht gezeichneter, zwischen die Streifen 19 bzw. die Platten 23 eingeschobene, bevorzugt keilförmige Abstandshalter gegeneinander verspannt werden, um eine definierte Lage für das Vergießen vorgeben zu können. Auch können bei dieser Ausführung die Streifen 20 oder die Platten 23 auch so breit gemacht werden, dass sie die rahmenförmige Ausnehmung 19 vollständig ausfüllen und sich somit gegenseitig fixieren. Hierdurch kann zusätzlich eine gut magnetisch leitende Verbindung zwischen den Streifen 20 bzw. Platten 23 bereitgestellt werden.
Vorteilhaft können dabei die Streifen 20 oder die Platten 23 auch so breit gemacht werden, dass sie die rahmenförmige Aufnahme vollständig ausfüllen und sich gegenseitig fixieren. Hierdurch kann zusätzlich eine gut magnetisch leitende Verbindung zwischen den Streifen 20 oder Platten 23 bereitgestellt werden.
Bei der Ausführung nach 8 besteht die Streufeldabschirmung aus koaxial um die Primärspule 9 und koplanar zu Flussführungseinheit 8 angeordneten rechteckigen Rahmen, einem Innenrahmen 26 und einem Außenrahmen 27, welche in gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Rahmen 26 und 27 bestehen wie der Rahmen 16 aus 2 wieder aus einem magnetisch gut leitenden Material, insbesondere einem ferro- oder ferrimagnetischen Material. Durch diese Ausführung wird das Streufeld nicht ganz so stark verringert wie bei der Ausführung nach 2, jedoch wird ferro- bzw. ferrimagnetischen Material gespart, wodurch sich das Gewicht und auch die Kosten verringern. Bevorzugt wird diese gewichtssparende Ausführung bei der Sekundärspuleneinheit 6 am Fahrzeug 5 eingesetzt.
9 zeigt eine vierte Aufnahme 28 zur Halterung des Innenrahmens 26 und des Außenrahmens 27. Wie in 8 rechts der Schnitt längs der Linie B-B zeigt, werden die Flussführungseinheit 8, der Innenrahmen 26 und der Außenrahmen 27 in der vierten Aufnahme 28 fixiert. Die vierte Aufnahme 28 weist rechteckige rahmenförmige Ausnehmungen 29, 30 für den Innenrahmen 26 und den Außenrahmen 27 auf. Die Aufnahme 28 hält die Flussführungseinheit 8, den Innenrahmen 26 und den Außenrahmen 27 vor dem Vergießen, Verpressen oder Verschrauben zur Primärspuleneinheit 3 in ihrer Position und stellt so einen definierten, möglichst exakten Abstand der gehaltenen Teile zueinander her, um Unsymmetrien in der magnetischen Feld- und Flussverteilung zu verringern bzw. ganz zu vermeiden.
Die Aufnahmen 17, 21, 24 und 28 dienen der ortsgenauen Positionierung der unterschiedlichen Streufeldabschirmungen vor dem Vergießen, Verpressen oder Verschrauben mit der Primärspule 9 und der Flussführungseinheit 8 und stellen so einen definierten, möglichst exakten Abstand der gehaltenen Teile bereit. Bevorzugt sind die Aufnahmen 17, 21, 24 und 28 aus einem magnetisch durchlässigen Material, bevorzugt Kunststoff gefertigt.
Um bei der Sekundärspuleneinheit 6 eine möglichst flache Bauweise zu erreichen, können die Aufnahmen 17, 21, 24 und 28 dort auch aus Aluminium oder einem anderen das magnetische Feld abschirmenden Material bestehen, so dass auf die Grundplatte 14 verzichtet werden kann.
Um weiter Material zu sparen und die Bauhöhe der Sekundärspuleneinheit 6 noch weiter zu verringern, können die Ausnehmungen 18, 19, 22 bzw. 25 dort auch gerade nur so tief sein, dass die Streufeldabschirmungen 16, 20, 23, 26 bzw. 27 beim Vergießen in ihrer Position gehalten werden.
Bei der in 10 gezeigten alternativen Spuleneinheit wird anstelle der in 2 gezeigten Doppel-D-Spule 9 als einziger Unterschied eine einphasige, flach gewickelte Spule 31 verwendet. Auch dort umgibt die rahmenförmige Streufeldabschirmung 15 die Flussführungseinheit 8 zur Reduzierung des Streufelds.
Bei der in 11 gezeigten weiteren alternativen Spuleneinheit wird anstelle der in 2 gezeigten Doppel-D-Spule 9 eine einphasige Solenoidspule 32 verwendet, welche in an sich bekannter Weise um die Flussführungseinheit 8 gewickelt wird. In 13 sind lediglich die oberhalb der Flussführungseinheit 8 verlaufenden Wicklungen gezeigt, die unter der Flussführungseinheit 8 verlaufenden Wicklungen sind aus Gründen der übersichtlichen Darstellung nicht gezeichnet.
Bei der in 12 gezeigten weiteren alternativen Spuleneinheit wird anstelle der in 2 gezeigten Doppel-D-Spule 9 eine dreiphasige Spule 33 mit drei Spulenwicklungen verwendet, die auf einer entsprechend längeren Flussführungseinheit 34 liegend gewickelt sind.
Dabei sind die drei Wicklungen 33, 33’’, 33’’’ so miteinander fest verschaltet oder werden im Betrieb so verschaltet oder bestromt, dass der für die induktive Energieübertragung maßgebliche magnetische Hauptfluss durch die wicklungsfreien Bereiche der Wicklungen 33, 33’’, 33’’’ verläuft. Dabei addieren sich die Flüsse der Wicklungen 33, 33’’, 33’’’ in an sich bekannter Weise und auslöschen sich nicht aus. Die Flussführungseinheit 8’ dient somit auch hier dazu, den magnetischen Hauptfluss der Wicklungen 33, 33’’, 33’’’ durch die wicklungsfreien Bereiche der Wicklungen 33, 33’’, 33’’’ zu kanalisieren. Auch hier stehen die äußeren Spulenwicklungen 33, 33’’’ seitlich über die Flussführungseinheit 34 hinaus.
Bei dieser Spule 33 wird die für den Abstand D und die Breite B des Rahmens 35 maßgebliche Spulenbreite S als Abstand der in Abstandsrichtung gegenüberliegender äußeren Wicklungen der Spulenwicklungen 33, 33’’’ herangezogen.
13 und 14 zeigen alternative Ausführungen einer Spuleneinheit entsprechend 2 bzw. 8, wobei dort kreisringförmige Streufeldabschirmungen 36 bzw. 37, 38 um eine entsprechend kreisförmig ausgebildete Primärspule 39 und Flussführungseinheit 40 angeordnet sind. Ansonsten gelten die zu 2 bzw. 8 gemachten Ausführungen entsprechend. Anstelle der einphasigen Spule 39 kann auch eine halbkreisförmig gelegte Doppel-D-Spule entsprec hend 2 verwendet werden.
15 zeigt eine weitere alternative Spuleneinheit entsprechend 13, wobei hier anstelle einer einphasigen spiralförmig gewickelten Primärspule 39 eine dreiphasige, dreiecksähnlich gewickelte Spule verwendet wird. Dabei sind die drei Wicklungen der Spule so miteinander fest verschaltet oder werden im Betrieb so verschaltet oder bestromt, dass der für die induktive Energieübertragung maßgebliche magnetische Hauptfluss durch die wicklungsfreien Bereiche der Wicklungen verläuft. Dabei addieren sich die Flüsse der Wicklungen in an sich bekannter Weise und auslöschen sich nicht aus. Die Flussführungseinheit 8’ dient somit auch hier dazu, den magnetischen Hauptfluss der Wicklungen 41, 41’’, 41’’’ durch die wicklungsfreien Bereiche der Wicklungen 41, 41’’, 41’’’ zu kanalisieren. Auch bei dieser Ausführung reichen die äußeren Teile der Wicklungen 41, 41’’, 41’’’ über die Flussführungseinheit 40 hinaus, was zeichnerisch nur angedeutet ist.
Anstelle der in den Figuren gezeigten und oben beschriebenen Spulen können auch andere Arten von Spulen verwendet werden, beispielsweise mehrphasige Spulen mit einer entsprechenden Anzahl Spulenwicklungen. Auch können die Spulenwicklungen der Spulen nebeneinander gelegt oder teilweise überlappenden ausgebildet sein. Zudem kann die Spule, die Flussführungseinheit und/oder die Streufeldabschirmung ggf. auch nicht vollständig eben sein, sondern teilweise geknickt oder formangepasst sein, um insbesondere die Sekundärspule platzsparend an die Geometrie eines Fahrzeugbodens anpassen zu können. Beispielsweise könnte bei der Spuleneinheit 3 aus 2 entlang der in 2 senkrechten Symmetrielinie zwischen den Wicklungen 9, 9’ ein Knick in Höhenrichtung vorgesehen werden.
Bezugszeichenliste

1: Energieübertragungsvorrichtung
2: Fahrbahn
3: Primärspuleneinheit
4: Fahrzeugboden
5: Elektrofahrzeug mit angedeuteten Reifen
6: Sekundärspuleneinheit
7: Gehäuse Primärspuleneinheit
8: Flussführungseinheit Primärspule
9: Primärspule (Doppel-D-Spule)
9’, 9’’: Spulenwicklungen Primärspule
10: Gehäuse Sekundärspuleneinheit
11: Sekundärspule
12: Flussführungseinheit Sekundärspule
13: Grundplatte Primärspuleneinheit
14: Grundplatte Sekundärspuleneinheit
15: Streufeldabschirmung
16: Ferritrahmen
17: erste Aufnahme
18: rechteckige Ausnehmung
19: rahmenförmige Ausnehmung
20: Streifen
21: zweite Aufnahme
22: streifenförmige Ausnehmungen
23: Platten
24: dritte Aufnahme
25: plattenförmige Ausnehmungen
26: Innenrahmen
27: Außenrahmen
28: vierte Aufnahme
29: rahmenförmige innere Ausnehmung
30: rahmenförmige äußere Ausnehmung
31: einphasige Spule
32: Solenoidspule
33: dreiphasige Spule
33’, 33’’, 33’’’: Spulenwicklungen dreiphasige Spule
34: Flussführungseinheit dreiphasige Spule
35: rechteckiger Ferritrahmen dreiphasige Spule
36: kreisringförmige Streufeldabschirmungen
37: kreisringförmige Streufeldabschirmungen
38: kreisringförmige Streufeldabschirmungen
39: kreisförmige Spule
40: Flussführungseinheit kreisförmige Spule
41: kreisförmige dreiphasige Spule
41’, 41’’, 41’’’: Spulenwicklungen kreisförmige dreiphasige Spule
A: Wicklungsachse
B: Breite der Streufeldabschirmung
D: Abstand Spule-Streufeldabschirmung
E: Wicklungsebene
F: Feldlinienverlauf
H: Höhenabstand der Spulen
S: Spulenbreite
X: Querrichtung Fahrzeug
Y: Längsrichtung Fahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69313151 T2 [0003]

Claims

Spuleneinheit (3; 6) zur induktiven Übertragung elektrischer Energie mit einer Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) und einer Flussführungseinheit (8; 12; 34; 40) zur Führung eines im Betrieb der Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) auftretenden magnetischen Flusses, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) und/oder die Flussführungseinheit (8; 12; 34; 40) von einer Streufeldabschirmung (15; 16, 16’; 20; 23, 26; 26’; 27; 27’) umgeben sind.
Spuleneinheit (3; 6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streufeldabschirmung (15; 16, 16’; 20; 23, 26; 26’; 27; 27’) die Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) und/oder die Flussführungseinheit (8; 12; 34; 40) in oder parallel zu einer Wicklungsebene (E) von Spulenwicklungen (9’, 9’’; 33’, 33’’, 33’’’; 41’, 41’’, 41’’’) der Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) umgibt.
Spuleneinheit (3; 6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) eine Flachspule mit nebeneinander oder einander teilweise überlappend angeordneten Spulenwicklungen (9’, 9’’; 33’, 33’’, 33’’’; 41’, 41’’, 41’’’) ist.
Spuleneinheit (3; 6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussführungseinheit (8; 12; 34; 40) und/oder die die Streufeldabschirmung (15; 16, 16’; 20; 23, 26; 26’; 27; 27’) vollständig oder zumindest teilweise flächig ausgebildet sind.
Spuleneinheit (3; 6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussführungseinheit (8; 12; 34; 40) und/oder die Streufeldabschirmung (15; 16, 16’; 20; 23, 26; 26’; 27; 27’) aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material oder einer Kombination der beiden gebildet ist.
Spuleneinheit (3; 6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39), die Flussführungseinheit (8; 12; 34; 40) und die Streufeldabschirmung (15; 16, 16’; 20; 23, 26; 26’; 27; 27’) fest miteinander verbunden, insbesondere miteinander vergossen, verpresst oder verschraubt sind.
Spuleneinheit (3; 6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine einphasige Spule (31) mit einer Spulenwicklung, eine Doppel-D-Spule (9) mit zwei Spulenwicklungen (9’, 9’’), eine dreiphasige Spule (33) mit drei Spulenwicklungen (33’, 33’’, 33’’’) oder eine um die Flussführungseinheit (8) gewickelte Solenoidspule (32) ist.
Spuleneinheit (3; 6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass äußere Bereiche der Spulenwicklungen (9’, 9’’; 33’, 33’’, 33’’’; 41’, 41’’, 41’’’) seitlich über die Flussführungseinheit (8; 12; 34; 40) hinausragen.
Spuleneinheit (3; 6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streufeldabschirmung (15) mindestens einen Rahmen (16; 26, 27) oder Ring (16; 16’) aufweist, der in einem seitlichen Abstand (D) zur Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) angeordnet ist.
Spuleneinheit (3; 6) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Abstand (D) mindestens ein Sechstel einer Spulenbreite (S) von einander in Abstandsrichtung gegenüberliegenden äußeren Spulenwicklungen (9’, 9’’; 33’, 33’’’) beträgt.
Spuleneinheit (3; 6) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (B) der Streufeldabschirmung (15) mindestens ein Viertel, bevorzugt ein Drittel einer Spulenbreite (S) von einander in Abstandsrichtung gegenüberliegenden äußeren Spulenwicklungen (9’, 9’’; 33’, 33’’’) beträgt.
Spuleneinheit (3; 6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streufeldabschirmung (15; 16, 16’; 20; 23, 26; 26’; 27; 27’) koaxial zu einer Wicklungsachse (A) oder eine Außenumfang der Wicklungen der Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) angeordnet ist.
Spuleneinheit (3; 6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streufeldabschirmung (15) aus einer Vielzahl von einzelnen Teilelementen, insbesondere Streifen (20) und/oder Platten (23), eines magnetisch gut leitenden Materials besteht.
Spuleneinheit (3; 6) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Teilelemente (20; 23) bündig aneinander angeordnet und/oder gehalten werden.
Spuleneinheit (3; 6) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Aufnahme (17, 21, 24) mit Ausnehmungen (19; 22; 25; 29; 30) zur Fixierung der Streufeldabschirmung (15; 16, 16’; 20; 23, 26; 26’; 27; 27’) vor dem Vergießen, Verpressen oder Verschrauben mit der Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) und der Flussführungseinheit (8; 12; 34; 40) aufweist.
Spuleneinheit (3; 6) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (17, 21, 24) eine Ausnehmung (18) zur Aufnahme und Fixierung der Flussführungseinheit (8; 12; 34; 40) vor dem Vergießen, Verpressen oder Verschrauben mit der Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) und der Streufeldabschirmung (15; 16, 16’; 20; 23, 26; 26’; 27; 27’) aufweist.
Spuleneinheit (3; 6) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (17, 21, 24) aus einem für das Magnetfeld der Spule (9; 11; 31; 32; 33; 39) durchlässigen Material, insbesondere Kunststoff, oder einem das Magnetfeld abschirmenden Material, insbesondere Aluminium besteht.
Spuleneinheit (3; 6) nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (18; 19; 22; 25; 29; 30) so tief sind, dass sie die Streufeldabschirmung (15; 16, 16’; 20; 23, 26; 26’; 27; 27’) zumindest teilweise oder vollständig aufnehmen.
Vorrichtung (1) zur induktiven Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Primärspule (9; 9’) einer ortsfesten Primärspuleneinheit (3) und einer Sekundärspule (11) einer an einem beweglichen Verbraucher, insbesondere einem Elektrofahrzeug (5) angeordneten Sekundärspuleneinheit (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspuleneinheit (3) und/oder die Sekundärspuleneinheit (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 ausgebildet sind.
Verwendung einer Spuleneinheit (3; 6) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 als ortsfeste Primärspuleneinheit (3) und/oder Sekundärspuleneinheit (6) eines beweglichen Verbrauchers, insbesondere eines Elektrofahrzeugs (5), bei einer Vorrichtung (1) zur induktiven Übertragung elektrischer Energie zwischen einer Primärspule (9; 9’) der Primärspuleneinheit (3) und einer Sekundärspule (11) der Sekundärspuleneinheit (6) des beweglichen Verbrauchers.