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Die Erfindung betrifft ein System für die drahtlose Übertragung von Energie mit Hilfe induktiver Kopplung zur Anwendung bei miniaturisierten Funktionsmodellen.
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Miniaturisierte Funktionsmodelle wie Fahrzeugmodelle, Flugzeugmodelle oder Häusermodelle mit elektrischen Funktionen werden im stationären Betrieb über Kabel beziehungsweise im mobilen Betrieb über gleitende Stromabnahme von Schienen, eingebaute Batterien oder Akkumulatoren mit Energie versorgt. Einsatzgebiete dafür sind beispielsweise Dioramen (verkleinerte Darstellungen von Landschaften), Spielzeug-Rennbahnen oder Verkaufspräsentationen für die Modelle.
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Die Energieversorgung über Kabel beschränkt den Einsatz in den meisten Fällen auf eine ortsfeste Positionierung. Dazu muss das Kabel - meisten aus optischen Gründen versteckt - von einer Energiequelle bis zum Funktionsmodell verlegt, gegebenenfalls durch die Oberfläche, auf dem das Modell steht, geführt und im Modell an die elektrische Einheit angeschlossen werden. Dies erfordert einen Aufwand bei der Installation und schränkt die Anwendung ein, erlaubt dafür einen dauerhaften Betrieb des Modells (solange die Energiequelle Strom abgibt).
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Die Energieversorgung über Schienen und Schleifer wird gerne bei Eisenbahn- und Rennwagenmodellen eingesetzt. Hierbei sind meist zweipolige Schienen fest in oder auf einer Oberfläche verlegt, an den Funktionsmodellen montierte elektrisch leitende Schleifer führen die Energie der elektrischen Einheit im Modell zu. Die Schienen sind in den meisten Fällen gut sichtbar und können die Optik der Modellanlage beeinträchtigen (zum Beispiel unrealistische Optik bei Modellrennbahnen) und im Betrieb verschmutzen, sodass der Übergangswiderstand zu den Schleifern hoch wird. Die Schleifer können sich abnutzen und müssen dann ausgetauscht werden
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Die Energieversorgung über Batterien oder Akkumulatoren wird gerne bei funkgesteuerten Modellen oder bei Modellen, die magnetisch gelenkt einem in der Oberfläche verlegten Führungsdraht folgen (unter anderem Faller Car System: https://www.faller.de/car-system/ aufgerufen 11/2023), verwendet. Weiterhin gibt es Flugzeugmodelle, die an einem Faden aufgehängt werden und einen batteriebetriebenen Propellerantrieb haben (u.a. Simba Deckenflieger https://www.dickietoys.com/dickie_de/kategorien/spielfahrzeuge/helikopterflugzeuge/sky-flyer-203342014-de.html?wse=1, abgerufen 11/2023). Batterien und Akkumulatoren haben einen begrenzten Energiegehalt und müssen nach dessen Verbrauch entweder ausgetauscht (Batterien) oder nachgeladen (Akkumulatoren) werden. Akkumulatoren haben gegenüber Batterien eine geringere Energiedichte, daher müssen sie für eine ausreichend lange Betriebsdauer vergleichsweise groß gewählt werden und können die Optik des Modells beeinträchtigen.
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Als Alternative zu den genannten Ansätzen zur Energieversorgung für elektrifizierte Funktionsmodelle wird ein eine drahtlose, induktive Energieübertragung vorgeschlagen. Die drahtlose Energieübertragung vermeidet die genannten Probleme und erlaubt einen dauerhaften Betrieb (solange der Sender aktiv ist) der Modelle ohne Fixierung durch Kabel oder fest verlegte Schienen, ohne Verschleiß oder Verdreckung stromführender oder stromabnehmender Teile und ohne die Notwendigkeit, im Modell Batterien auszuwechseln oder Akkumulatoren nachzuladen.
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Neben der induktiven Energieübertragung sind weitere Ansätze bekannt, zum Beispiel die Übertragung mit Ultraschall, Licht, Infrarot, Mikrowelle oder Laser. Jeder dieser Ansätze zeigt Vor- und Nachteile, wobei bei der induktiven Übertragung insbesondere von Vorteil erscheint, dass die magnetische Kopplung kaum bis keinen Einfluss auf den Menschen hat, keine raumfüllende Strahlung verwendet wird, keine Verschattungseffekte auftreten, keine Dämpfung der Übertragung durch Luft erfolgt und die Komponenten günstig zu realisieren sind.
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Zur induktiven Energieübertragung benötigt es einen Sender und einen Empfänger. Im Sender wird mit einer geeigneten Schaltung ein Wechselstrom erzeugt, der in einer Sendespule ein magnetisches Wechselfeld bewirkt. Die Übertragung erfolgt über Gegeninduktion zwischen der Sende- und einer Empfangsspulen. In der Empfangsspule wird durch das magnetische Wechselfeld eine Wechselspannung induziert, diese wird der Anwendungen zugeführt und bedarfsweise gleichgerichtet.
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Ein grundlegendes System zur drahtlosen Übertragung von Energie mit Hilfe induktiver Kopplung wird zum Beispiel in (https://de.wikipedia.org/wiki/Drahtlose_Energie%C3%BCbertragung#Resonant_induktive_K opplung (abgerufen 30.3.2022) beschrieben.
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Systeme zur induktiven Energieübertragung, bei denen das magnetische Feld die hauptsächliche Komponente darstellt, werden typischerweise mit Hochfrequenz zwischen 20kHz und 200kHz betrieben.
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Vielfach werden derartige Systeme für kurze Entfernungen zwischen einem Sender und einem Empfänger eingesetzt. Überwiegende Anwendung dabei ist Stand 2023 das drahtlose Laden von mobilen Geräten wie zum Beispiel von Mobiltelefonen.
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Für den oben beschriebenen Einsatz bei elektrifizierten Modellen wird dagegen die Energie auf einer Fläche oder in einem Volumen benötigt. Fahrzeugmodelle sind zum Beispiel auf einer Fläche beziehungsweise auf einer flächigen Strecke (Straße) unterwegs, während Flugzeugmodelle an beliebiger Stelle in einem Volumen betrieben werden.
Weiterhin sind die Modelle im Vergleich zu der nutzbaren Fläche oder dem nutzbaren Volumen klein, und es sollen auf der Fläche oder in dem Volumen mehrere Modelle nutzbar sein.
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Für ein System zur induktiven Energieversorgung von elektrifizierten Modellen ergeben sich somit folgende Anforderungen,
- • die magnetische Energie auf einer großen Fläche oder in einem großen Volumen bereitzustellen
- • den dafür notwendigen Sender so zu entwerfen, dass er optisch möglichst wenig auffällt
- • den Sender so zu entwerfen, dass er möglichst effizient arbeitet
- • die Empfänger so zu entwerfen, dass sie möglichst unsichtbar in die Funktionsmodelle integrierbar sind
- • die Empfänger so zu entwerfen, dass die an einem beliebigen Punkt in der Fläche oder dem Volumen vorhandene magnetische Energie in ausreichend große elektrische Energie zum Betrieb der elektrischen Funktionalität umgewandelt wird
- • Sender und Empfänger so zu entwerfen, dass sie kostengünstig realisierbar sind.
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Aus dem Gebrauchsmuster Nr.
20 2017 001 055 ist ein Beleuchtungssystem bekannt, das Leuchtelemente in der Fläche induktiv mit Energie versorgt.
Aus dem Gebrauchsmuster Nr.
20 2022 001 641 ist ein Sender bekannt, der induktive Energieübertragung für ein Volumen bereitstellt.
Aus dem Gebrauchsmuster Nr.
20 2022 001 642 ist ein Empfänger für die resonante induktive Energieübertragung bekannt, der besonders effizient das magnetische Feld ausnutzt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, auf Basis der induktiven Energieübertragung ein System zu ermöglichen, das elektrifizierte Funktionsmodelle mit Energie versorgt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Für ein System zu kabellosen Energieversorgung von elektrifizierten Modellen wird demgemäß vorgeschlagen, einen Sender für die magnetische Induktion mit einer Hochfrequenz-Ansteuerung und einem Schwingkreis, bestehend aus einer Spule und einem Kondensator für resonante Abstimmung auf eine Sendefrequenz, dessen Spule die nutzbare Fläche umfasst, mit mindestens einem Empfänger mit mindestens einem auf die Sendefrequenz abgestimmten Empfangs-Schwingkreis zu kombinieren, wobei an den Empfänger die elektrische Last, das heißt die elektrische Funktionalität angeschlossen ist.
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Indem die Sendespule nur die Außenkanten der Fläche umfasst, ist die Verlegung der Spulen besonders einfach, der Materialeinsatz an Spulendraht gering und die optische Präsenz der Spule reduziert.
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Durch die resonante Abstimmung arbeitet der Sender besonders effizient, da der Schwingkreis im Resonanzfall einen geringen Widerstand darstellt und somit weniger hochfrequente Energie für die gleiche Magnetfeldstärke eingebracht werden muss.
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Der resonante Empfangs-Schwingkreis hat bei der Sendefrequenz ebenfalls einen geringen Widerstand, sodass er gegenüber der nichtresonant betriebenen Empfangsspule deutlich mehr Energie abgreifen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung realisiert die Schaltung zur Anregung des Sende-Schwingkreises ein spannungsloses Schalten (ZVS, Zero-Voltage-Switching).
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Bei dieser Schaltung werden die beiden Halbwellen der hochfrequenten Anregung durch jeweils einen Transistor (MOSFET) getrieben, die Umschaltung zwischen diesen erfolgt im Nulldurchgang der Anregung. Dadurch ist diese Schaltung besonders verlustarm.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung wird für den Sender-Schwingkreis eine Spule mit einer Windung verwendet.
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Dies Maßnahme hat mehrere Vorteile:
- • Materialsparend, da nur eine Windung
- • Einfach zu verlegen
- • Optisch maximal unauffällig
- • Geringer Spulenwiderstand da kurze Drahtlänge
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Damit kann die Sendespule leicht und kostengünstig an neue geometrische Gegebenheiten angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung werden für die Versorgung eines Volumens zwei abgestimmte Schwingkreise, deren Sendespulen die Außenkanten des nutzbaren Volumens umfassen und die phasengleich mit dem gleichen Hochfrequenzsignal angeregt werden, vorgesehen
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Durch die zwei Sende-Schwingkreise mit Sendespulen an den Außenkanten des Volumens wird im Inneren des Volumens eine durchgehende Magnetfelddichte erzeugt, gleichzeitig ist auch hier der Materialeinsatz minimiert und die Optik wenig beeinträchtigt.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung wird die Energie im Empfangsschwingkreis über eine nicht-resonante Spule an die Last ausgekoppelt.
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Die nicht-resonante Spule kann zur Impedanzanpassung des Empfangskreises an die Last genutzt werden. Die nicht-resonante Spule hat nur einen minimalen Einfluss auf die Abstimmung des Empfangs-Schwingkreises und kann daher platzsparend direkt auf der Spule des Empfangskreises montiert werden
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Gemäß einer weiteren Ausprägung wird ein zweiter, resonanter Empfangs-Schwingkreis in einem definierten Abstand zum ersten Empfangs-Schwingkreis vorgesehen.
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Der zweite Empfangs-Schwingkreis stellt eine Vergrößerung der empfangenden Spulenfläche dar, hat aber auch einen Einfluss auf die Abstimmung des Empfangs-Kreises. Durch eine Variation des Abstands und der Position der Spulen der beiden Kreise zueinander kann eine optimale Energieausbeute erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung wird die Energieabgabe der Empfangseinheit durch eine Begrenzung von Strom oder Spannung begrenzt.
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Durch eine unterschiedliche Magnetfelddichte innerhalb der Fläche oder des Volumens der Sendespulen kann die von der Empfangseinheit aufgenommene Energie je nach Position des Empfängers schwanken und insbesondere durch die Last bedingte Maximalwerte überschreiten.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung wird die Energieabgabe der Empfangseinheit geregelt.
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Innerhalb des Regelbereichs wird die Strom- oder Spannungsabgabe konstant gehalten, sodass die Last mit vorgesehenen Werten (zum Beispiel Helligkeit einer Lichtquelle, Drehzahl eines Motors) arbeiten kann.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung kann mindestes eine weitere Empfangseinheit im Modell integriert werden.
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Bedingt durch die Abmessungen und die Geometrie des Modells sind der Größe der Spule eines Empfangs-Schwingkreises Grenzen gesetzt. Falls die damit abgreifbare Energie für den Betrieb mehrerer Funktionen nicht ausreicht, kann mindestens eine weitere Empfangseinheit an anderer Stelle im Modell vorgesehen werden. Entsprechend des Energiebedarfs können dann die Funktionen auf die Empfangseinheiten aufgeteilt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung können mindesten zwei Empfangseinheiten im Modell integriert und elektrisch gekoppelt werden.
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Falls größenbedingt eine Empfangseinheit nicht ausreichend Energie für den Betrieb einer Funktion (zum Beispiel eines leistungsstärkeren Motors) liefert, kann eine mindestens zweite Empfangseinheit an anderer Stelle im Modell integriert werden. Nach der Gleichrichtung der elektrischen Energie können die Einheiten zur Erhöhung des Stroms parallel oder zur Erhöhung der Spannung in Serie geschaltet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung werden in mindestens einem Teil der aktiven Fläche innerhalb der Sendespule beziehungsweise einem Teil des aktiven Volumens zwischen den zwei Sendespulen das Magnetfeld durch ein geeignetes Material abgeschwächt.
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Durch diese Maßnahme kann zum Beispiel bei einer Fahrstraße ein Abschnitt so moduliert werden, dass dort das elektrifizierte Modell eine geringere Energie erhält und dadurch langsamer fährt.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung werden die Sendespulen an der Außenseite der Fläche oder des Volumens mit einem geeigneten Material abgeschirmt.
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Auch wenn das Magnetfeld der resonanten induktiven Energieübertragung nur einen geringen bis garkeinen Einfluss auf Menschen hat und die Systeme mit geringen Leistungen arbeiten, kann durch eine außen angebrachte Abschirmung die Gesundheitsvorsorge nochmals erhöht werden.
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Das System zur induktiven Energieversorgung von elektrifizierten Modellen wurde mit Bezug auf Modelle von (Renn-)Fahrzeugen und Dioramen beschrieben.
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In gleicher Weise können vergleichbare Anwendungen von dem vorgeschlagenen System profitieren:
- • Versorgung von Leuchteinheiten in der Fläche oder dem Volumen
- • Versorgung von Robotern zur Durchführung verschiedener Aufgaben
- • Versorgung von Sensoren
- • Anwendungen innerhalb von Aquarien oder anderen, flüssigkeitsgefüllten Volumina
- • Anwendungen im schwerelosen oder luftleeren Raum
- • Anwendungen innerhalb von lebenden Körpern
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Der Fachmann wird weitere Einsatzbereiche finden können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes System zur induktiven Energieübertragung von einem Sender zu einem elektrifizierten Modell.
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Die Sendespule 2 wird durch die Hochfrequenzschaltung 1 angeregt und umfasst eine Fläche, auf der sich ein elektrifiziertes Automodell 3 befindet. Das Automodell 3 kann einen elektrischen Motor integriert haben und sich damit auf der gesamten Fläche bewegen. Der Motor wird dabei über eine Empfangseinheit mit Energie versorgt wird.
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Im Bereich 4 wird das Magnetfeld durch ein geeignetes Material abgeschwächt, sodass hier der elektrische Motor weniger Energie bekommt und das Automodell langsamer fährt.
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Die Abschirmung 5 reduziert eine Abstrahlung des Magnetfelds nach rechts
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2 zeigt ein Volumen mit einem elektrifizierten Flugzeugmodell 3, das mit einem Faden an einer Glasscheibe 4 aufgehängt ist.
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Das Flugzeugmodell kann zum Beispiel eine umfangreiche Lichtanlage mit Kabinen-, Positions- und Landelichter enthalten, die ihre Energie von einer integrierten Empfangseinheit bekommen.
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Die beiden Sendespulen 2 und 5 werden phasengleich von der Leistungseinheit 1 mit einem hochfrequenten Signal beaufschlagt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 202017001055 [0014]
- WO 202022001641 [0014]
- WO 202022001642 [0014]
