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Die Erfindung betrifft ein System für die drahtlose Übertragung von Energie mit Hilfe induktiver Kopplung zur Versorgung von elektrischen Einheiten in oder an transparenten Objekten.
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Transparente Objekte im Wohnbereich können zum Beispiel gläserne Kronleuchter oder gläserne Weihnachtspyramiden, aber auch in vielfältiger Weise gestaltete (Kunst-)Objekte aus Glas oder einem anderen transparenten oder durchsichtigen Material sein.
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Ab einer geeigneten Größe können diese Objekte auch mit Kerzen, elektrischen Leuchteinheiten oder anderen, elektrisch betriebenen Einheiten ausgestattet sein.
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Kerzen geben ein warmes Licht, allerdings besteht Brandgefahr bei unbeaufsichtigtem Betrieb, es entsteht Ruß, der sich auf dem Objekt oder der Umgebung ablagert und die Brenndauer ist begrenzt.
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Zum Betrieb elektrische Einheiten können entweder Batterien oder wiederaufladbare Akkumulatoren (Akkus) verwendet werden, oder die Einheiten sind über Kabel an eine elektrische Versorgung angeschlossen.
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Kabel können dabei frei verlegt werden - was aus ästhetischen Gründen oft nicht wünschenswert ist - oder sie werden durch geeignete Hohlräume und Öffnungen des Objekts geführt. Diese Hohlräume und Öffnungen sind bei der Fertigung mehr oder weniger aufwändig zu planen und umzusetzen, trotzdem werden die Kabel meist noch erkennbar sein. Auch ist die Position der Einheiten in Bezug auf des Objekt - bedingt durch die Kabelführung - in den meisten Fällen nicht mehr veränderbar. Auch können bewegliche Teile des transparenten Objekts nur aufwändig über Schleifkontakte kabelgebunden mit Energie versorgt werden. Dafür können die elektrischen Einheiten im Dauerbetrieb so lange betrieben werden, wie die Versorgung Strom liefert.
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Batterien oder Akkus haben einen begrenzten Energiegehalt und müssen regelmäßig ausgetauscht oder nachgeladen werden. Dies ist für einen Dauerbetrieb ungünstig und verursacht zusätzliche Kosten.
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Um die geschilderten Probleme zu vermeiden, wird eine Energieversorgung der elektrischen Einheiten bei transparenten Objekten mit einer kabellosen, induktiven Energieübertragung vorgeschlagen.
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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 das magnetische Feld 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 mindestens einen Sender und mindestens 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 bedarfsweise gleichgerichtet und der Anwendungen zugeführt.
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Durch eine resonante induktive Übertragung kann die Effizienz des Systems gesteigert werden.
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Ein grundlegendes System zur drahtlosen Übertragung von Energie mit Hilfe induktiver Kopplung wie auch mit resonanter induktiver Kopplung wird zum Beispiel in (https://de.wikipedia.org/wiki/Drahtlose_Energie, 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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Das mit Energie zu versorgende transparente Objekt kann nun vorteilhafterweise in direkter Nähe des Sendeschwingkreises platziert werden.
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Für die Vergrößerung der Reichweite der induktiven Energieübertragung zum Betrieb weiter von dem Sendeschwingkreis entfernten elektrischen Einheiten wird ein Relais-Schwingkreis vorgeschlagen, der auf eine Frequenz nahe der Sendefrequenz abgestimmt ist.
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Die in oder auf dem transparenten Objekt befindlichen elektrischen Einheiten werden mit einem geeigneten Empfänger ausgestattet, der die hochfrequenten Schwingungen aufnimmt und in geeigneter Weise elektrische Energie für den Betrieb der Einheiten bereitstellt.
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Für ein System zur induktiven Energieversorgung von elektrifizierten transparenten Objekten ergeben sich folgende Anforderungen,
- • die magnetische Energie auf einer entsprechenden Fläche oder in einem entsprechenden 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 elektrischen Einheiten 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.
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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 und mit Hilfe der in den genannten Gebrauchsmustern beschriebenen Techniken ein System zu ermöglichen, das elektrifizierte transparente Objekte 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 elektrischen Einheit transparenter Objekte 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, 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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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 auch leicht und kostengünstig an neue geometrische Gegebenheiten angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung wird für die Versorgung weiter entfernter elektrische Einheiten ein Relais-Schwingkreise vorgesehen, der in der Nähe der weiter entfernten elektrischen Einheiten platziert wird.
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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 in einer elektrischen Einheit des transparenten Objekts integriert werden.
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Bedingt durch die Abmessungen und die Geometrie einer elektrischen Einheit sind der Größe der Spule eines Empfangs-Schwingkreises Grenzen gesetzt. Falls die damit abgreifbare Energie für den Betrieb von mehr als einer Funktion nicht ausreicht, kann mindestens eine weitere Empfangseinheit an anderer Stelle in der Einheit vorgesehen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung können mindesten zwei Empfangseinheiten in der elektrischen Einheit integriert und elektrisch gekoppelt werden.
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Falls größenbedingt eine Empfangseinheit nicht ausreichend Energie für den Betrieb einer Funktion liefert, kann mindestens eine zweite Empfangseinheit an anderer Stelle in der Einheit integriert werden. Nach der Gleichrichtung der induzierten Spannung können die Empfänger zur Erhöhung des Stroms parallel oder zur Erhöhung der Spannung in Serie geschaltet werden.
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Das System zur induktiven Energieversorgung von elektrifizierten transparenten Objekten wurde mit Bezug auf Wohnraum-Accessoires beschrieben.
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In gleicher Weise können vergleichbare Anwendungen von dem vorgeschlagenen System profitieren:
- • 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 Zeichnung.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes System zur induktiven Energieübertragung von einem Sender zu den elektrischen Einheiten eines transparenten Objekts. Der resonante Sendekreis, bestehend aus Sendespule 2 und Kapazität 3, wird durch die Hochfrequenzschaltung 1 angeregt. Das transparente Objekt 4 befindet sich in der Nähe des Sendekreises. An dem transparenten Objekt 4 befinden sich mehrere elektrische Einheiten, bestehend aus einem Empfänger 5 und einer elektrischen Last 6. Der Relais-Schwingkreis 7 ist in der Nähe der vom Sende-Schwingkreis entfernteren elektrischen Einheiten platziert.
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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 Nicht-Patentliteratur
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- https://de.wikipedia.org/wiki/Drahtlose_Energie [0012]
