EP2450921A1 - Ladevorrichtung, Empfangsstation sowie Steckvorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie - Google Patents

Ladevorrichtung, Empfangsstation sowie Steckvorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie Download PDF

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EP2450921A1
EP2450921A1 EP10190214A EP10190214A EP2450921A1 EP 2450921 A1 EP2450921 A1 EP 2450921A1 EP 10190214 A EP10190214 A EP 10190214A EP 10190214 A EP10190214 A EP 10190214A EP 2450921 A1 EP2450921 A1 EP 2450921A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
receiving station
coil
longitudinal axis
core
outer contour
Prior art date
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Application number
EP10190214A
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English (en)
French (fr)
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EP2450921B1 (de
Inventor
Michael Voth
Ralf Siegler
Dominik Huwig
Wambsganß
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rafi GmbH and Co KG
RRC power solutions GmbH
Original Assignee
Rafi GmbH and Co KG
RRC power solutions GmbH
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Publication date
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Priority to EP20100190214 priority Critical patent/EP2450921B1/de
Publication of EP2450921A1 publication Critical patent/EP2450921A1/de
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings

Definitions

  • the invention relates to a loading device according to the preamble of claim 1, to a receiving station according to the preamble of claim 7 and to a plug-in device according to the preamble of claim 12.
  • From the DE 19743860 C1 is to remove a device for the inductive transmission of electrical energy, which consists of a charging device and a receiving station in an electrically operated toothbrush.
  • the receiving station is electrically connected to a battery or a rechargeable battery, through which the motor of the toothbrush is supplied with power.
  • the receiving station is plugged into the charging device, so that the coils of the receiving station and the charging device are aligned with each other so that the magnetic field generated by the coil of the charging device affects the coil of the receiving station and thus inductively transmitted electrical energy.
  • the magnetic field radiates outward and is received by the coil of the receiving station, so that electrical energy is transmitted inductively from the coil of the charging device to the coil of the receiving station. This electrical energy is forwarded to the accumulators in the toothbrush and stored there.
  • From the US 6,268,785 B1 is to take a loading device whose outer contour is designed in the form of a truncated cone. On the loading device, a receiving station is pushed, the inner contour is adapted to the outer contour of the loading device.
  • the charging and receiving device are used for inductive transmission of electrical energy and data.
  • a coil forming a coil winding is wound onto the outer jacket of the charging device. Spaced to this first winding, a second coil is mounted, which is arranged in the region of the tip of the truncated cone.
  • two receiving coils are provided, which are aligned in the mounted state, ie in the plane formed by the two transmitting coils.
  • a charging device of the type mentioned which has at least one, preferably a plurality, levels in which coils are arranged for the inductive transmission of electrical energy and which is also designed as a coupling element.
  • a receiving station of the type mentioned which is fixedly or detachably attached to an electrically operated device and which is connectable to the charging device, so that one or more windings in the form of coils of the receiving station in alignment with the respective Coil of the charger in the state of charge run and thus form coil pairs.
  • the core of the charging device is formed of at least two stages, is first advantageously achieved by the larger training of the first stage at which no coil is provided that the magnetic field, which is associated with the second adjacent thereto stage of the coil , is screened, because the first stage is based on the longitudinal axis of the core sized larger than the second stage and on the other hand, such a configured charging device can be used as a coupling element, because this is freely accessible from above and the outer contour of the charging device is suitable as a plug connection.
  • the efficiency for inductive energy transmission is thus optimized because the magnetic field is deflected defined in a predetermined manner. Scattering losses are therefore minimized. Consequently, a further receiving coil, which is arranged in the magnetic field of the coil of the charging device, inductively absorb electrical energy and forward it to an accumulator.
  • the loading device is formed from at least two stages, where at least one coil is mounted and when each of the steps has a cross-sectionally L-shaped outer contour, which faces the coil, because this can on the one hand, the coils form a common or a separate magnetic field and on the other hand, the magnetic fields are three-dimensionally deflected structured in a predetermined manner by the L-shaped outer contour, so that in this way the efficiency for inductive energy transfer is high and leakage losses are minimized.
  • the coils of the charging device extend in different planes, which are arranged perpendicular to the longitudinal axis of the core of the charging device, and the receiving station has corresponding coil arrangements, differently configured receiving stations can be plugged onto the charging device, depending on the energy requirement that is required is to charge an electrical device associated with the receiving station. Namely, if the electrical appliance has an increased energy requirement, then several pairs of coils of the charging device and the receiving station are necessary and if the energy consumption of the charging electrical device should be lower, only a pair of coils of the charging device and the receiving station can be coupled in alignment with each other inductive energy transfer to accomplish, the remaining coils of the charger are then energized, so do not consume energy and radiate no magnetic field.
  • the outer contour of the core of the loading device and the recesses of the carrier element of the receiving station each have contours that are adapted to each other and the respective contours are designed rotationally symmetric or polygonal, the charging devices and the receiving stations in any position with respect to the circumferential direction coupled to each other , thus eliminating advantageously the need to produce a mutually aligned exactly aligned connector; Rather, it is ensured by the outer contour of the charging device, that the receiving station can be placed reliably on this without tilting this when pushed.
  • the charging device and the receiving station form a common plug-in device, which is sealed watertight, so that the electrical components are protected from penetrating water and can therefore be operated outdoors.
  • the housing covering the coils and the core of the charging device, as well as the housing which closes the coils and the carrier element of the receiving station to the outside, is made of an insulating material, the magnetic field of the coils of the charging device is not in its deflection and its Field strength not hindered or reduced.
  • the charging device has a plurality of steps, which have different outer diameters or height dimensions, it is possible to place these on differently configured receiving stations, which are fastened, for example, firmly to an apparatus to be electrically charged.
  • FIGS. 1 a and 1 b a charging device 1 and receiving station 11 are shown, which can be interconnected for inductive energy transfer.
  • the charging device 1 consists of a core 2, which is made of iron, so a magnetically conductive material.
  • the outer contour 4 of the core 2 is designed stepped or stepped in relation to the longitudinal axis 3 of the core 2.
  • the first stage of the core 2 is provided with the reference numeral 5 and has the largest distance of each further stage 5 '... 5 n to the longitudinal axis 3.
  • a ring segment 33 made of copper for shielding the magnetic field 32 is attached.
  • a second stage 5 ' Adjacent to the first stage 5, a second stage 5 'is provided, whose outer contour 4 is L-shaped.
  • the second stage 5 ' is associated with a wire 6 in the form of a coil formed as a coil 7.
  • the coil 7 is located on both legs the L-shaped stage 5 'and is connected via electrical lines 27 to a power source 10, through which the coil 7 is operated with alternating current in the state of charge, so that it flows through the coil 7.
  • the coil 7 forms the magnetic field 32, which is explained in detail below.
  • a third step 5 " Adjacent to the second step 5 ', a third step 5 "is provided, the outer contour 4 of which is dimensioned smaller than the distance of the second step 5' relative to the longitudinal axis 3.
  • the third step 5" also has an L-shaped outer contour 4 this is another coil 7 is arranged, which is connected via the electrical line 27 to the power source 10.
  • the coils 7 of the charging device 1 can be separated from each other or coupled to each other, so that a single or more of the coils 7 can be supplied by the power source 10 with electrical energy, thereby generating a smaller or larger magnetic field 32.
  • the control electronics 35 is namely detectable how many coils 16 of the receiving station 11 are present at all, so that the formation of the magnetic field 32 by the coil 7 to the number of receiving coils 16 is adjustable.
  • the core 2 and the two coils 7 of the charging device 1 are covered by a housing 31 to the outside, which is made of an insulating material, preferably made of plastic, and thin-walled, so that the magnetic field generated by the coils 32 32 through the housing 31 without Distraction and field strength loss radiates. However, the electrically conductive coils 7 are thereby isolated.
  • a shoulder 25 which serves as a contact surface, is worked in between the two steps 5 'and 5 ".
  • the shoulder 25 extends inclined at an angle of 45 ° from inside to outside and from top to bottom relative to the longitudinal axis 3 of the core 2.
  • the receiving station 11 is coupled via the electrical lines 27 with an accumulator 12, is supplied by an unillustrated electric drive motor of a bicycle in the decoupled state between the charging device 1 and the receiving station 11 with electrical energy.
  • the receiving station 11 consists of a support member 13 which is made of iron, that is, a magnetically conductive material.
  • Two recesses 17 'and 17 "of different size are incorporated into the carrier element 13.
  • the distance between the first recess 17' and the longitudinal axis 14 of the carrier element 13 is greater than the distance between the second recess 17".
  • the distance between the first and second recesses 17 'and 17 correlates to the distance that the second and third stages 5' and 5" of the loading device 1 have with respect to the longitudinal axis 3 of the core 2.
  • the recesses 17 'and 17 are designed as L-shaped inner wall 18 and the contour of the steps 5' and 5" modeled.
  • the first stage 5 serves as a shielding attachment 8, through which the forming magnetic field 32 is deflected in a structured manner.
  • Each of the first and second recesses 17 'and 17 " is associated with a coil 16 made of a wire coil 15.
  • the coils 16 are connected to the accumulator 12 through the electrical lead 27.
  • the support member 13 and the coils 16 of the receiving station 11 are insulated by a housing 34 to the outside, which is made of a thin-walled plastic material and thus has an insulating effect.
  • the magnetic field 32 penetrates the housing 34 without being deflected.
  • a through hole 19 is incorporated, whose axis of symmetry is aligned with the longitudinal axis 14 and run through the electrical supply line.
  • FIG. 1b the connection state between the charging device 1 and the receiving station 11 is shown. Due to the applied alternating voltage, the two coils 7 of the charging device 1 form the magnetic field 32, which is initially deflected in a structured manner by the first step 5 in the region of the shielding projection 8. In addition, the ring segment 33 shields the magnetic field 32, so that almost no scattering losses occur.
  • the coil 7 of the first stage 5 'and the coil 16 of the first recess 17' are paired inductively interconnected in pairs and therefore run in a common plane 1.
  • the coil 7 of the second stage 5 "and the coil 16 of the second recess 17" are in a further plane 11 which is parallel and spaced from the plane I runs.
  • FIG. 2 Although the charging device 1 structurally identical designed, as in the FIGS. 1a and 1b However, the receiving station 11 is provided with only the recess 17 "in which the coil 16 is arranged, which is positioned in alignment with the coil 7 of the third stage 5" of the charging device 1.
  • the coil 7, which is assigned to the second stage 5 ', has no coil partner, so that only electrical energy is transmitted inductively via the coil 7 of the second stage 5 " FIG. 1b reduced; the shutdown of the unneeded coils 7 by means of the control electronics 35th
  • each stage 5 ... 5 n Due to the L-shaped and staircase-shaped configuration of each stage 5 ... 5 n is ensured that, for example, a shielding of the magnetic field 32 is effected by these stages 5, 5 ', if only in the area of the third stage 5 "takes place an inductive energy transfer.
  • the charging device 1 and the receiving station 11 are extended by a further pair of coils 7 and 16.
  • a fourth stage 5 ' namely, a third coil 7 is arranged and the receiving station 11 also has a third coil 16, which is in the region of a third recess 17"' attached.
  • the step-shaped configuration of the charging device 1 and the receiving station 11 can be expanded as desired, so that the number of coil pairs required is to be provided depending on the amount of energy to be transmitted.
  • the self-adjusting magnetic field 32 also required to attach to the outside of the support member 13, the ring segment 33, in the transition region between the support member 13 and the housing 34, ie immediately adjacent to the core 2 of the charging device 1.
  • the plug-in device formed by the charging device 1 and the receiving station 11 is identified by the reference numeral 21.
  • the charging device 1 may be associated with a charging station fixedly attached to a building facade, for example, whereas the receiving station may be mounted on a mobile vehicle such as an electric bicycle or an electric scooter, so that it is not necessarily necessary for the charging device 1 and the receiving station 11 are mounted on a common component.
  • the plug-in device 21 is created by the joining of the receiving station 11 to the loading device 1.
  • a latching clip or a latching hook is provided, which is mounted hinged to the receiving station 11 and which is einklippsbar on the core 2 or on the housing 31 of the charging device 1. Consequently, the receiving station 11 is then fixed to the charging device 1.

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Abstract

Bei einer Ladevorrichtung (1) zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und die an einer Stromquelle (10) anschließbar ist, mit einem aus einem magnetisch leitfähigen Werkstoff hergestellten Kern (2), der rotationssymmetrisch um eine Längsachse (3) ausgebildet ist oder dessen Außenkontur (4) zu der Längsachse (3) einen konstanten oder linear ansteigenden Abstand bezogen auf eine senkrecht zu der Längsachse (3) ausgerichtete Ebene (22, 23, 24) aufweist, mit einem auf den Kern (2) aufgewickelten und eine Spule (7) bildenden Draht (6) aus elektrisch leitfähigem Material, durch die im Ladezustand Strom fließt und ein Magnetfeld, (32) gebildet ist, und mit einem aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff bestehenden Gehäuse (31), durch das der Kern (2) und die Spule (7) nach außen abgedeckt sind, eine möglichst optimale Energieübertragung stattfinden und gleichzeitig soll die Ladevorrichtung (1) als Kupplungselement ausgestaltet sein. dass der Kern (2) aus mindestens zwei Stufen (5', 5", ...5 n ) gebildet ist, dass die Außenkontur der ersten Stufe (5') einen größeren Abstand zu der Längsachse (3) des Kernes (2) als die Außenkontur der zweiten Stufe (5") aufweist und dass die Spule (7) der zweiten Stufe (5") zugeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladevorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, auf eine Empfangsstation nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 7 sowie auf eine Steckvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 12.
  • Aus der DE 19743860 C1 ist eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie zu entnehmen, die aus einer Ladevorrichtung und einer Empfangsstation in einer elektrisch betriebenen Zahnbürste besteht. Die Empfangsstation ist dabei elektrisch mit einer Batterie bzw. einem Akkumulator verbunden, durch den der Motor der Zahnbürste mit Strom versorgt ist. Die Empfangsstation wird in die Ladevorrichtung eingesteckt, so dass die Spulen der Empfangsstation und der Ladevorrichtung derart zueinander ausgerichtet sind, dass das durch die Spule der Ladevorrichtung erzeugte Magnetfeld die Spule der Empfangsstation beeinflusst und folglich induktiv elektrische Energie übertragen ist. Aufgrund der Eisenkerne und des elektrischen Flusses bildet sich nämlich das Magnetfeld, das nach außen abstrahlt und von der Spule der Empfangsstation aufgenommen ist, so dass elektrische Energie induktiv von der Spule der Ladevorrichtung zu der Spule der Empfangsstation übertragen ist. Diese elektrische Energie wird an die Akkumulatoren in der Zahnbürste weitergeleitet und dort gespeichert.
  • Als nachteilig bei solchen bekannt gewordenen Ladevorrichtungen und Empfangsstationen, die eine gemeinsame Steckvorrichtung bilden, hat sich herausgestellt, dass ein erheblicher Wirkungsgradverlust eintritt, denn die Ausbildung des Magnetfeldes zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie ist nicht positiv beeinflusst und definiert dreidimensional ausgestaltet. Dies mag für elektrische Geräte, die einen geringen Energiebedarf und damit einen geringen Bedarf zur Speicherung dieser Energie haben, ausreichend sein, zumal solche Zahnbürsten oftmals über eine längere Zeitperiode, beispielsweise über Nacht, in der Ladevorrichtung aufgeladen werden können.
  • Sollte jedoch der Bedarf bestehen, elektrische Geräte, beispielsweise elektrisch betriebene Fahrräder, Motorroller, Rasenmäher oder dergleichen, innerhalb einer möglichst kurz bemessenen Zeitspanne aufzuladen und dabei einen schnellen Ladezyklus zur Verfügung zu stellen, ist es erforderlich, dass der Wirkungsgrad zur induktiven Übertragung der elektrischen Energie möglichst hoch ist.
  • Darüber hinaus ist es erforderlich, eine Unterscheidung zu treffen, welche elektrischen Geräte aufzuladen sind. Der Antriebsmotor eines Fahrrades benötigt nämlich weniger gespeicherte elektrische Energie als der elektrische Antriebsmotor eines Motorrollers. Daher besteht auch der Bedarf, eine Ladevorrichtung zur Verfügung zu stellen, durch die in Abhängigkeit von den aufzuladenden Akkumulatoren mehr oder weniger elektrische Energie induktiv übertragen werden kann, um dadurch den Energieverbrauch an der Ladevorrichtung zu reduzieren.
  • Aus der US 6,268,785 B1 ist eine Ladevorrichtung zu entnehmen, deren Außenkontur in Form eines Kegelstumpfes ausgestaltet ist. Auf die Ladevorrichtung wird eine Empfangsstation aufgeschoben, deren Innenkontur an die Außenkontur der Ladevorrichtung angepasst ist. Die Lade- und Empfangsvorrichtung dienen zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und von Daten. Eine eine Spule bildende Drahtwicklung ist dabei auf den Außenmantel der Ladevorrichtung aufgewickelt. Beabstandet zu dieser ersten Wicklung ist eine zweite Spule angebracht, die im Bereich der Spitze des Kegelstumpfes angeordnet ist.
  • In der Empfangsstation sind zwei Empfangsspulen vorgesehen, die im montierten Zustand fluchtend, also in der Ebene verlaufen, die von den beiden Sendespulen gebildet sind.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Ladevorrichtung der eingangs genannten Gattung bereitzustellen, die mindestens eine, vorzugsweise mehrere, Ebenen aufweist, in denen Spulen zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie angeordnet sind und die gleichzeitig als Kupplungselement ausgestaltet ist. Darüber hinaus soll durch die Erfindung eine Empfangsstation der eingangs genannten Gattung bereitgestellt sein, die an einem elektrisch betriebenen Gerät fest oder lösbar angebracht ist und die an die Ladevorrichtung anschließbar ist, so dass eine oder mehrere Wicklungen in Form von Spulen der Empfangsstation fluchtend zu der jeweiligen Spule der Ladevorrichtung im Ladezustand verlaufen und somit Spulen-Paare bilden.
  • Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Steckvorrichtung der eingangs genannten Gattung, bestehend aus einer Ladevorrichtung und einer Empfangsstation bereitzustellen, mittels der wahlweise unterschiedliche Mengen von elektrischer Energie induktiv übertragen werden können und gleichzeitig der Wirkungsgrad der induktiven Energieübertragung hoch ist und keine Streuverluste aufgrund von unerwünschten dreidimensionalen Abstrahlungen des Magnetfeldes entstehen.
  • Diese Aufgaben sind erfindungsgemäß hinsichtlich der Ladevorrichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1, hinsichtlich der Empfangsstation durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 7 und hinsichtlich der Steckverbindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 12 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Dadurch, dass der Kern der Ladevorrichtung aus mindestens zwei Stufen gebildet ist, wird zunächst vorteilhafterweise durch die größere Ausbildung der ersten Stufe erreicht, an der keine Spule vorgesehen ist, dass das Magnetfeld, das von der Spule, die der zweiten dazu benachbarten Stufe zugeordnet ist, abgeschirmt wird, denn die erste Stufe ist bezogen auf die Längsachse des Kerns größer bemessen als die zweite Stufe und zum anderen ist eine derart ausgestaltete Ladevorrichtung als Kupplungselement einsetzbar, denn dieses ist von oben frei zugänglich und die Außenkontur der Ladevorrichtung ist als Steckverbindung geeignet. Der Wirkungsgrad zur induktiven Energieübertragung ist folglich optimiert, denn das Magnetfeld wird definiert in vorbestimmter Weise ausgelenkt. Streuverluste sind demnach minimiert. Folglich kann eine weitere Empfangs-Spule, die in dem Magnetfeld der Spule der Ladevorrichtung angeordnet ist, induktiv elektrische Energie aufnehmen und diese an einen Akkumulator weiterleiten.
  • Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Ladevorrichtung aus mindestens zwei Stufen gebildet ist, an denen mindestens eine Spule angebracht ist und wenn jede der Stufen eine im Querschnitt L-förmige Außenkontur aufweist, die der Spule zugewandt ist, denn dadurch können zum einen die Spulen ein gemeinsames oder ein getrenntes Magnetfeld ausbilden und zum anderen sind die Magnetfelder durch die L-förmige Außenkontur dreidimensional in vorgegebener Weise strukturiert ausgelenkt, so dass hierdurch der Wirkungsgrad zur induktiven Energieübertragung hoch ist und Streuverluste minimiert sind.
  • Da die Spulen der Ladevorrichtung in unterschiedlichen Ebenen, die senkrecht zu der Längsachse des Kerns der Ladevorrichtung angeordnet sind, verlaufen und die Empfangsstation dazu korrespondierende Spulenanordnungen aufweist, können auf die Ladevorrichtung verschiedenartig ausgestaltete Empfangsstationen aufgesteckt werden, und zwar in Abhängigkeit von dem Energiebedarf, der benötigt ist, um ein der Empfangsstation zugeordnetes elektrisches Gerät aufzuladen. Wenn nämlich das elektrische Gerät einen erhöhten Energiebedarf besitzt, dann sind mehrere Paare von Spulen der Ladevorrichtung und der Empfangsstation notwendig und wenn der Energiebedarf des aufzuladenden elektrischen Gerätes geringer sein sollte, kann lediglich ein Spulenpaar der Ladevorrichtung und der Empfangsstation fluchtend zueinander gekoppelt werden, um die induktive Energieübertragung zu bewerkstelligen, die restlichen Spulen der Ladevorrichtung sind dann unbestromt, verbrauchen also keine Energie und strahlen kein Magnetfeld ab.
  • Da die Außenkontur des Kernes der Ladevorrichtung und die Aussparungen des Trägerelementes der Empfangsstation jeweils Konturen aufweisen, die aneinander angepasst sind und die jeweiligen Konturen rotationssymmetrisch oder mehreckig ausgestaltet sind, können die Ladevorrichtungen und die Empfangsstationen in einer beliebigen Positionen bezogen auf die Umfangsrichtung miteinander gekoppelt wer den. Somit entfällt vorteilhafterweise die Notwendigkeit, eine zueinander ausgerichtete exakt fluchtende Steckverbindung herzustellen; vielmehr ist durch die Außenkontur der Ladevorrichtung sichergestellt, dass die Empfangsstation auf diese zuverlässig aufgesetzt werden kann, ohne dass diese beim Aufschieben verkantet.
  • Des Weiteren bilden die Ladevorrichtung und die Empfangsstation eine gemeinsame Steckvorrichtung, die wasserdicht abgeschlossen ist, so dass die elektrischen Bauteile vor eindringendem Wasser geschützt sind und folglich im Freien betrieben werden können.
  • Da das die Spulen und den Kern der Ladevorrichtung abdeckende Gehäuse sowie das Gehäuse, das die Spulen und das Trägerelement der Empfangsstation nach außen verschließt, aus einem isolierenden Werkstoff hergestellt ist, wird durch die Gehäuse das Magnetfeld der Spulen der Ladevorrichtung nicht in seiner Auslenkung und seiner Feldstärke nicht behindert bzw. reduziert.
  • Da die Ladevorrichtung mehrere Stufen aufweist, die unterschiedliche Außendurchmesser bzw. Höhenabmessungen aufweisen, können auf diese unterschiedlich ausgestaltete Empfangsstationen aufgesetzt werden, die beispielsweise fest an einem elektrisch aufzuladenden Gerät befestigt sind.
  • In der Zeichnung sind nachfolgend zwei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele einer Ladevorrichtung sowie drei erfindungsgemäße Ausführungsvarianten einer Empfangsstation jeweils im Schnitt, die gemeinsam eine Steckvorrichtung bilden, dargestellt. Diese Ausführungsbeispiele und die Steckverbindung sind nachfolgend näher erläutert. Im Einzelnen zeigt:
    • Figur 1 a
    ein erstes Ausführungsbeispiel einer Ladevorrichtung und einer Empfangsstation mit drei bzw. zwei Stufen, wobei an jeweils zwei Stufen eine Spule angeordnet ist, im entkoppelten Zustand,
    Figur 1b
    die Ladevorrichtung und die Empfangsstation gemäß Figur 1a im verbundenen Zustand,
    Figur 2
    die Ladevorrichtung gemäß Figur 1 a und ein zweites Ausführungsbeispiel einer Empfangsstation mit einer Stufe im aufgesteckten Zustand,
    Figur 3
    ein zweites Ausführungsbeispiel einer Ladevorrichtung mit vier Stufen und drei jeweils einer der Stufen zugeordneten Spule und einem dritten Ausführungsbeispiel einer Empfangsstation mit drei Stufen, an denen jeweils Spulen angebracht sind, im verbundenen Zustand und
    Figur 4
    eine schematische Darstellung der Ausbildung von Feldlinien, die Magnetfelder bilden, gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 b.
  • In den Figuren 1 a und 1 b sind eine Ladevorrichtung 1 und Empfangsstation 11 dargestellt, die zur induktiven Energieübertragung miteinander verbunden werden können.
  • Die Ladevorrichtung 1 besteht aus einem Kern 2, der aus Eisen, also einem magnetisch leitfähigen Material, hergestellt ist. Die Außenkontur 4 des Kernes 2 ist bezogen auf die Längsachse 3 des Kernes 2 stufen- oder treppenförmig ausgestaltet. Die erste Stufe des Kerns 2 ist mit der Bezugsziffer 5 versehen und weist den größten Abstand jeder weiteren Stufe 5'...5n zu der Längsachse 3 auf. An der Außenseite der Stufe 5 ist ein Ringsegment 33 aus Kupfer zur Abschirmung des Magnetfeldes 32 angebracht.
  • Benachbart zu der ersten Stufe 5 ist eine zweite Stufe 5' vorgesehen, deren Außenkontur 4 L-förmig ausgestaltet ist. Der zweiten Stufe 5' ist ein Draht 6 in Form einer als Spule 7 ausgebildete Wicklung zugeordnet. Die Spule 7 liegt an beiden Schenkeln der L-förmigen Stufe 5' an und ist über elektrische Leitungen 27 mit einer Stromquelle 10 verbunden, durch die die Spule 7 mit Wechselstrom im Ladezustand betrieben ist, so dass dieser durch die Spule 7 fließt. Somit bildet die Spule 7 das Magnetfeld 32 aus, das nachfolgend im Einzelnen näher erläutert ist.
  • Benachbart zu der zweiten Stufe 5' ist eine dritte Stufe 5" vorgesehen, deren Außenkontur 4 zu der Längsachse 3 kleiner bemessen ist als der Abstand der zweiten Stufe 5'. Auch die dritte Stufe 5" weist eine L-förmige Außenkontur 4 auf und an dieser ist eine weitere Spule 7 angeordnet, die über die elektrische Leitung 27 mit der Stromquelle 10 verbunden ist.
  • Mittels einer Steuerelektronik 35 können die Spulen 7 der Ladevorrichtung 1 voneinander getrennt oder miteinander gekoppelt sein, so dass eine einzelne oder mehrere der Spulen 7 von der Stromquelle 10 mit elektrischer Energie versorgt werden können, um dadurch ein kleineres oder größeres Magnetfeld 32 zu erzeugen. Durch die Steuerelektronik 35 ist nämlich erfassbar, wie viele Spulen 16 der Empfangsstation 11 überhaupt vorhanden sind, so dass die Ausbildung des Magnetfeldes 32 durch die Spulen 7 an die Anzahl der Empfangs-Spulen 16 anpassbar ist.
  • Der Kern 2 und die beiden Spulen 7 der Ladevorrichtung 1 sind durch ein Gehäuse 31 nach außen abgedeckt, das aus einem Isolierwerkstoff, vorzugsweise aus Kunststoff, hergestellt und dünnwandig ausgestaltet ist, so dass das von den Spulen 7 erzeugte Magnetfeld 32 durch das Gehäuse 31 ohne Ablenkung und Feldstärkenverlust durchstrahlt. Die elektrisch leitenden Spulen 7 sind jedoch dadurch isoliert.
  • Zwischen den beiden Stufen 5' und 5" ist eine Schulter 25 angearbeitet, die als Anlagefläche dient. Die Schulter 25 verläuft in einem Winkel von 45° geneigt von innen nach außen und von oben nach unten bezogen auf die Längsachse 3 des Kerns 2.
  • Die Empfangsstation 11 ist über die elektrischen Leitungen 27 mit einem Akkumulatoren 12 gekoppelt, durch die ein nicht dargestellter elektrischer Antriebsmotor eines Fahrrades im entkoppelten Zustand zwischen der Ladevorrichtung 1 und der Empfangsstation 11 mit elektrischer Energie versorgt ist.
  • Die Empfangsstation 11 besteht aus einem Trägerelement 13, das aus Eisen, also einem magnetisch leitfähigen Werkstoff, hergestellt ist. In das Trägerelement 13 sind zwei unterschiedlich groß bemessene Aussparungen 17' und 17" eingearbeitet. Der Abstand der ersten Aussparung 17' zu der Längssachse 14 des Trägerelementes 13 ist größer bemessen als der Abstand der zweiten Aussparung 17". Im Wesentlichen entspricht der Abstand der ersten und zweiten Aussparung 17' und 17" dem Abstand, den die zweite und dritte Stufe 5' und 5" der Ladevorrichtung 1 bezogen auf die Längsachse 3 des Kernes 2 aufweist. Die Aussparungen 17' und 17" sind als L-förmige Innenwand 18 ausgestaltet und der Kontur der Stufen 5' und 5" nachempfunden.
  • Die erste Stufe 5 dient als Abschirmansatz 8, durch den das sich ausbildende Magnetfeld 32 definiert strukturiert abgelenkt ist.
  • Der ersten und zweiten Aussparung 17' und 17" ist jeweils eine Spule 16, die aus einer Drahtwicklung 15 hergestellt ist, zugeordnet. Die Spulen 16 sind durch die elektrische Leitung 27 mit dem Akkumulator 12 verbunden.
  • Das Trägerelement 13 und die Spulen 16 der Empfangsstation 11 sind durch ein Gehäuse 34 nach außen isoliert, das aus einem dünnwandigen Kunststoffwerkstoff gefertigt ist und somit eine isolierende Wirkung aufweist. Das Magnetfeld 32 durchdringt jedoch das Gehäuse 34 ohne abgelenkt zu werden.
  • In dem Boden des Trägerelementes 13 ist eine Durchgangsöffnung 19 eingearbeitet, deren Symmetrieachse fluchtend zu der Längsachse 14 verläuft und durch die elektrische Zuleitung hindurch laufen.
  • In Figur 1b ist der Verbindungszustand zwischen der Ladevorrichtung 1 und der Empfangsstation 11 abgebildet. Die beiden Spulen 7 der Ladevorrichtung 1 bilden aufgrund der anliegenden Wechselspannung das Magnetfeld 32 aus, das zunächst von der ersten Stufe 5 im Bereich des Abschirmansatzes 8 definiert strukturiert abgelenkt ist. Zusätzlich schirmt das Ringsegment 33 das Magnetfeld 32 ab, so dass nahezu keine Streuverluste entstehen.
  • Die Spule 7 der ersten Stufe 5' und die Spule 16 der ersten Aussparung 17' sind paarweise fluchtend induktiv zusammengeschaltet und verlaufen demnach in einer gemeinsamen Ebene 1. Die Spule 7 der zweiten Stufe 5" und die Spule 16 der zweiten Aussparung 17" sind in einer weiteren Ebene 11 angeordnet, die parallel und beabstandet zu der Ebene I verläuft.
  • Folglich sind zwei Paare von Spulen 7 und 16 induktiv zusammengeschaltet, so dass durch die Ansteuerung der Spulen 7 die Ladevorrichtung 1 die induktive Energieübertragung an die Spulen 16 der Empfangsstation 11 bewerkstelligt ist.
  • In Abhängigkeit von der Paareanzahl der Spulen 7 und 16 erfolgt eine Übertragung, deren Energiemenge definiert bestimmbar ist.
  • In Figur 2 ist zwar die Ladevorrichtung 1 konstruktiv identisch ausgestaltet, wie in den Figuren 1a und 1b abgebildet, jedoch ist die Empfangsstation 11 lediglich mit der Aussparung 17" versehen, in der die Spule 16 angeordnet ist, die zu der Spule 7 der dritten Stufe 5" der Ladevorrichtung 1 fluchtend positioniert ist. Die Spule 7, die der zweiten Stufe 5' zugeordnet ist, hat keinen Spulenpartner, so dass lediglich über die Spule 7 der zweiten Stufe 5" induktiv elektrische Energie übertragen ist. Die Menge der übertragenen Energie ist daher gegenüber dem Ausführungsbeispiel in der Figur 1b reduziert; die Abschaltung der nicht benötigten Spulen 7 erfolgt mittels der Steuerelektronik 35.
  • Aufgrund der L-förmigen und treppenförmigen Ausgestaltung jeder Stufe 5...5n ist gewährleistet, dass durch diese Stufen 5, 5' beispielsweise eine Abschirmung des Magnetfeldes 32 bewirkt ist, wenn lediglich im Bereich der dritten Stufe 5" eine induktive Energieübertragung stattfindet.
  • In Figur 3 ist dagegen die Ladevorrichtung 1 und die Empfangsstation 11 um ein weiteres Paar von Spulen 7 und 16 erweitert. In einer vierten Stufe 5'" ist nämlich eine dritte Spule 7 angeordnet und die Empfangsstation 11 weist ebenfalls eine dritte Spule 16 auf, die im Bereich einer dritten Aussparung 17"' befestigt ist.
  • Die stufenförmige Ausgestaltung der Ladevorrichtung 1 und der Empfangsstation 11 kann beliebig erweitert werden, so dass in Abhängigkeit von der zu übertragenden Energiemenge die Anzahl der notwendigen Spulenpaare vorzusehen ist.
  • Es ist zur Abschirmung des sich einstellenden Magnetfeldes 32 auch erforderlich, an der Außenseite des Trägerelementes 13 das Ringsegment 33 anzubringen, und zwar im Übergangsbereich zwischen dem Trägerelement 13 und dem Gehäuse 34, also unmittelbar benachbart zu dem Kern 2 der Ladevorrichtung 1. Dies bewirkt nämlich, wie dies insbesondere in Figur 4 abgebildet ist, eine weitere vorteilhafte dreidimensionale Ausbildung des Magnetfeldes 32, so dass dieses im Bereich der Paare von Spulen 7 und 16 geleitet ist, um die induktive Energieübertragung zu optimieren, also den Wirkungsgrad zu steigern und Streuverluste zu vermeiden.
  • Die durch die Ladevorrichtung 1 und die Empfangsstation 11 gebildete Steckvorrichtung ist mit der Bezugsziffer 21 gekennzeichnet. Die Ladevorrichtung 1 kann nämlich einer Ladestation, die beispielsweise an einer Gebäudefassade ortsfest angebracht ist, zugeordnet sein, wohingegen die Empfangsstation an einem mobilen Fahrzeug, beispielsweise einem Elektrofahrrad oder einem Elektromotorroller, befestigt sind, so dass es nicht zwangsweise notwendig ist, dass die Ladevorrichtung 1 und die Empfangsstation 11 an einem gemeinsamen Bauteil angebracht sind. Die Steckvorrichtung 21 wird durch das Zusammenfügen der Empfangsstation 11 an der Ladevorrichtung 1 geschaffen.
  • Um ein unbeabsichtigtes Lösen der Empfangsstation 11 von der Ladevorrichtung 1 zu vermeiden, ist ein Rastbügel oder ein Rasthaken vorzusehen, der an der Empfangsstation 11 klappbar angebracht ist und der an dem Kern 2 oder an dem Gehäuse 31 der Ladevorrichtung 1 einklippsbar ist. Folglich ist dann die Empfangsstation 11 an der Ladevorrichtung 1 fixiert.

Claims (14)

  1. Ladevorrichtung (1) zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und die an einer Stromquelle (10) anschließbar ist, mit einem aus einem magnetisch leitfähigen Werkstoff hergestellten Kern (2), der rotationssymmetrisch um eine Längsachse (3) ausgebildet ist oder dessen Außenkontur (4) zu der Längsachse (3) einen konstanten oder linear ansteigenden Abstand bezogen auf eine senkrecht zu der Längsachse (3) ausgerichtete Ebene (22, 23, 24) aufweist, mit einem auf den Kern (2) aufgewickelten und eine Spule (7) bildenden Draht (6) aus elektrisch leitfähigem Material, durch die im Ladezustand Strom fließt und ein Magnetfeld (32) gebildet ist, und mit einem aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff bestehenden Gehäuse (31), durch das der Kern (2) und die Spule (7) nach außen abgedeckt sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kern (2) aus mindestens zwei Stufen (5', 5", ...5n) gebildet ist, dass die Außenkontur der ersten Stufe (5') einen größeren Abstand zu der Längsachse (3) des Kernes (2) als die Außenkontur der zweiten Stufe (5") aufweist und dass die Spule (7) der zweiten Stufe (5") zugeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens eine dritte Stufe (5") an dem Kern (2) angearbeitet ist, dass der dritten und jeder weiteren Stufe (5"', ...5n) jeweils eine Spule (7) zugeordnet ist, die voneinander elektrisch getrennt oder zusammenschaltbar sind und dass das Gehäuse (31) die erste und jede weitere Stufe (5', ...5n) und die Spulen (7) ummantelt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die zueinander benachbarten Stufen (5', ...5n) im Querschnitt treppenförmig angeordnet sind.
  4. Ladevorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jede der Stufen (5, ...5n) des Kernes (2) im Querschnitt eine L-förmige Außenkontur aufweist und dass jede der Spulen (7) an der L-förmigen Außenkontur der jeweiligen Stufe (5, ...5n) anliegt.
  5. Ladevorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an der Außenkontur der Stufe (5), die den größten Abstand von der Längsachse (3) aufweist, ein Ringsegment (33) aus Kupfer angebracht ist und dass das von jeder Spule (7) gebildete Magnetfeld (32) durch das Ringsegment (33) derart abgelenkt ist, dass das Magnetfeld (32) in einer vorbestimmten dreidimensionalen strukturierten Ausbildung zu der Ladevorrichtung (1) verläuft.
  6. Ladevorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ladevorrichtung (1) als Kupplungselement vorgesehen ist und dass auf das Kupplungselement eine an die Außenkontur der Ladevorrichtung (1) ganz oder teilweise angepasste Empfangsstation (11) aufsetzbar ist.
  7. Empfangsstation (11), die elektrisch mit mindestens einem Akkumulator (12) verbindbar ist, bestehend aus einem Trägerelement (13), dessen Werkstoff magnetisch leitend ist und in den eine Aussparung (17) eingearbeitet ist, aus einer eine Spule (16) bildenden Drahtwicklung (15), dessen Werkstoff elektrisch leitend und zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie geeignet ist, und die an der parallel zu der Längsachse (14) des Trägerelementes (15) verlaufende Innenwand (18) der Aussparung (17) angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die der Spule (16) zugewandte Innenwand (18) der Aussparung (17) im Querschnitt L-förmig oder plan ausgestaltet ist und dass die Empfangsstation (11) als Kupplungselement dient.
  8. Empfangsstation nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Innenwand (18) der Aussparung (17) und die Außenseite des Trägerelementes (13) mittels eines Gehäuses (34) aus elektrisch isolierendem Werkstoff abgedeckt sind.
  9. Empfangsstation nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Trägerelement (13) mindestens zwei unterschiedlich groß bemessene Aussparungen (17'... 17n) aufweist, die in zwei zueinander parallelen senkrecht zu der Längsache (14) des Trägerelementes (13) ausgerichteten Ebenen (22, 23, 24) verlaufen, und dass der Abstand der Innenwand (18) der Aussparungen (17'...17n) bezogen auf die Längsachse (14) des Trägerelementes (13) von innen nach außen vergrößert ausgestaltet ist.
  10. Empfangsstation nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Aussparungen (17... 17n) bezogen auf die Längsachse (14) des Trägerelementes (13) rotationssymmetrisch oder mehreckig ausgebildet sind.
  11. Empfangsstation nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jeder Aussparung (17'...17n) eine Spule (16) zugeordnet ist, die elektrisch voneinander entkoppelbar oder zusammenschaltbar sind.
  12. Steckvorrichtung (21) zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet,
    dass ein erstes als Kupplungselement ausgebildete Ladevorrichtung (1) vorgesehen ist, deren Außenkontur (4) bezogen auf die Längsachse (3) treppenförmig ausgestaltet ist, dass mindestens einer der Stufen (5'.., 5n) der treppenförmigen Ladevorrichtung (1) mit einer Spule (7) versehen ist, dass eine als zweites Kupplungselement dienende Empfangsstation (11) zur Kopplung an dem ersten Kupplungselement (1) vorhanden ist, dessen Trägerelement (13) mindestens eine Aussparung (17'...17n) aufweist, deren Abstand von innen nach außen bezogen auf die Längsachse (14) des Trägerelementes (13) derart stufenförmig zunimmt, dass die Innenkontur der Empfangsstation (11) ganz oder teilweise an die Außenkontur der Ladevorrichtung (1) angepasst ist, dass jeder Aussparung (17'...17n) eine Spule (16) zugeordnet ist und dass die Spulen (16) des ersten und des zweiten Kupplungselementes (1, 11) im montierten Zustand paarweise fluchtend derart zusammengeschaltet sind, dass die Paare von Spulen (7, 16) einem gemeinsamen oder voneinander getrennten Magnetfeld (32) zur induktiven Energieübertragen zugeordnet sind.
  13. Steckvorrichtung nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen zwei Paaren von Spulen (7, 16) an dem Kern (2) und dem Trägerelement (13) eine schräg verlaufende Anlagefläche (25) angearbeitet ist, deren Verlauf derart aneinander angepasst ist, dass diese bezogen auf die Längsachse (3) des Kerns (2) und des Trägerelementes (13), vorzugsweise in einem Winkel von 45°, eine nach außen abfallende Schulter bildet.
  14. Steckvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als erstes Kupplungselement eine Ladevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und als zweites Kupplungselement eine Empfangsstation (11) nach einem der Ansprüche 8 bis 12 vorgesehen ist.
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