EP2973624A1 - Sekundärseitige spulenanordnung zur induktiven energieübertragung mit quadrupolen - Google Patents

Sekundärseitige spulenanordnung zur induktiven energieübertragung mit quadrupolen

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EP2973624A1
EP2973624A1 EP13802612.5A EP13802612A EP2973624A1 EP 2973624 A1 EP2973624 A1 EP 2973624A1 EP 13802612 A EP13802612 A EP 13802612A EP 2973624 A1 EP2973624 A1 EP 2973624A1
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EP
European Patent Office
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coil
coils
coil arrangement
side coil
ssi
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Withdrawn
Application number
EP13802612.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Faical Turki
Jürgen MEINS
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Paul Vahle GmbH and Co KG
Original Assignee
Paul Vahle GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Paul Vahle GmbH and Co KG filed Critical Paul Vahle GmbH and Co KG
Publication of EP2973624A1 publication Critical patent/EP2973624A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/006—Details of transformers or inductances, in general with special arrangement or spacing of turns of the winding(s), e.g. to produce desired self-resonance
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H—ELECTRICITY
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    • H04B5/20—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems characterised by the transmission technique; characterised by the transmission medium
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
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    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F2003/005—Magnetic cores for receiving several windings with perpendicular axes, e.g. for antennae or inductive power transfer

Definitions

  • the present invention relates to a secondary-side coil arrangement for an inductive power transmission system for transmitting energy between a primary and a secondary-side coil arrangement.
  • Secondary coil arrangements for inductive energy transmission systems are widely known. There are e.g. simple circular planar coils or two planar juxtaposed in a plane rectangular coils used for power transmission on the secondary side.
  • the object of the present invention is to provide a secondary-side coil arrangement which can cooperate with different primary-side coil arrangement with high efficiency.
  • a secondary-side coil arrangement comprising coils, which forms four coil areas arranged side by side in a plane, wherein each coil forms a resonant circuit together with at least one capacitor. Due to the advantageous provision of four coil regions arranged next to one another, it is possible that the secondary-side coil arrangement can interact with differently constructed primary coil arrangements. Thus, the secondary-side coil arrangement according to the invention can cooperate with a primary coil arrangement which has only one, two or four coil regions.
  • in-phase currents or currents with different phase angles can be induced. These currents can be converted via rectifier to a smoothed output voltage.
  • the four coil areas are adjacent to each other in the four quadrants of a coordinate system, which is spanned by the coils themselves.
  • the secondary-side coil arrangement for an inductive energy transmission system can have a rectangular, in particular square, round, in particular circular, or elliptical outer contour. Others, in particular shapes with more than four corners are also possible.
  • the secondary-side coil arrangement according to the invention can either be formed by planar coils on a flat ferrite arrangement or be a solenoid arrangement.
  • the coil regions are either formed by four separate circular windings or they are formed by a plurality of planar coils which overlap in regions, wherein advantageously each coil region comprises regions of two coils or is bordered.
  • the complete encompassing or bordering of a coil area is effected by both coils forming the respective coil area.
  • each coil advantageously covers two adjacent coil regions or two coil regions arranged diagonally to one another.
  • the four planar coils are formed rectangular, with two coils form a pair of coils, and the coil pairs are rotated by 90 ° to each other and arranged one above the other.
  • the coils forming the coil pairs can advantageously be formed in each case by a single winding, in particular with a center tap. This simplifies the construction of the coil arrangement.
  • the coils of a coil pair are advantageously connected in series, with a center tapped impedance with its first pole to the connection point of the two series-connected coils and its other pole to the center / center tap of a voltage divider, the positive or negative pole of the rectifier is electrically connected.
  • an additional impedance causes the inductance in the series resonant circuit of the series-connected primary and / or secondary-side coils to increase with an offset for optimal horizontal alignment, whereby the resonant frequency of the resonant circuit is adapted to the system frequency.
  • the windings forming the coils rest on the flat sides and on the narrow end faces of a ferrite plate.
  • the windings forming the coils can each have a center tap, so that the windings form coils connected in series.
  • the winding legs of the intersecting windings divide the ferrite plate into areas that form the coil areas.
  • Fig. 1 A coil arrangement according to the invention with four in one
  • Fig. 2 secondary coil assembly having four coil regions in cooperation with a primary circular coil assembly
  • Fig. 3 secondary coil assembly consisting of four planar
  • FIG. 4 and 5 show a secondary coil arrangement with four coil areas in interaction with a primary coil arrangement consisting of two rectangular coils;
  • Fig. 6 secondary coil assembly consisting of four semicircular and overlapping coils;
  • FIG. 7 secondary coil arrangement consisting of four triangular and overlapping coils
  • FIG. 8 shows a special form of a secondary coil arrangement consisting of two coils forming Eighth, which are arranged orthogonal to one another and form four coil areas;
  • FIG. 9 inductive energy transmission device with a primary-side and a secondary-side coil arrangement
  • Fig. 12 shows a possible embodiment of the secondary coil arrangement as a solenoid
  • FIG. 13 shows a primary coil arrangement according to FIG. 9 with a secondary solenoid coil arrangement
  • Fig. 14 Circuit for the primary side of an inductive power transmission system
  • Fig. 15 Circuit for the secondary side of an inductive power transmission system.
  • FIG. 1 shows a coil arrangement Ai according to the invention with four coil areas BE S i, BE S2 , BE S 3 and BE S4 lying in one plane.
  • the coil areas BEsi, BE S2 , BE S 3 and BE S4 are arranged in the quadrants I to IV for a better understanding of the invention.
  • the individual coil areas BE S i, BE S2 , BE S 3 and BE S4 have mutually different shapes and sizes.
  • the coil areas BE S i, BE S2 , BE S 3 and BE S4 are clamped by coils, which are not shown in Figure 1, since the coil shapes and number of coils can be configured differently.
  • the phase position of the currents is set in the individual coils surrounding the coil regions BE S , BE S2 , BE S 3 and BE S4 .
  • FIG. 2 shows a secondary coil arrangement Ai according to the invention with four coil areas BE S i, BE S2 , BE S 3 and BE S4 in conjunction with a primary coil arrangement A 2 with a circular coil SP P.
  • the coil arrangements Ai and A 2 preferably have the same outer contours. However, it is possible that the shape and size of the coil assemblies Ai and A 2 differ from each other. In the energy transfer from the primary-side coil arrangement A 2 to the secondary-side coil arrangement Ai, depending on the horizontal position of the coil arrangements Ai, A 2, currents with different phase positions in the individual coils SSi -4 are created .
  • FIG. 3 shows a secondary coil assembly Ai consisting of four rectangular coils SSi to SS. 4
  • the coils SSi and SS 2 form a first coil pair SP S i and the coils SS 3 and SS 4 form a second coil pair SP S2 .
  • the phase positions cpli of the current Ii -4 which sets itself in the coil SSi- 4 largely depend thereon on the structure of the primary-side coil arrangement A 2 .
  • FIG. 3 shows on the right a primary coil arrangement A2 with four coil regions BE P i -4 , wherein the magnetic flux densities Bi -4 in the individual coil regions BE P i -4 are 45 °, 135 °, 225 ° and 315 °.
  • FIGS. 4 and 5 show a secondary coil arrangement Ai which can be constructed identically to the coil arrangement Ai shown in FIG. 3 in interaction with a primary coil arrangement A 2 consisting of two rectangular coils SP 1 and SP 2 , which are operated in push-pull.
  • the coil portions BE S i -4 are formed such that two side- ⁇ arranged coil portions BE S i, BE S2, BE S 3, BE S4 each having a primary side coil SPi and SP 2 cooperate and on this during the energy Lecture are arranged.
  • the magnetic fluxes B, in the primary coils SPi and SP 2 penetrate the respectively assigned coil regions BE S i, BE S2 , BE S 3, BE S4 and cause the currents Ii -4 in the secondary-side coil SSi-4 with corresponding phase positions.
  • the coil areas BEsi and BE S4 correspond to the coil SPi and the coil areas BE S2 and BE S 3 to the coil SP 2 .
  • the phase positions of the magnetic flux densities B of the coil areas BE S i and BE S4 and the coil areas BE S2 and BE S 3 are shifted by 180 ° to each other, whereby corresponding phase positions cpIi-4 of the coil currents Ii -4 to each other in the coils SSi -4 to adjust.
  • the coil areas BEsi and BE S4 correspond to the coil SPi and the coil areas BE S2 and BE S3 to the coil SP 2 .
  • FIG. 6 shows a secondary coil arrangement Ai consisting of four overlapping coils SSi -4 . These form superimposed coil regions BEsi-4.
  • the only difference to the structure compared to the embodiment shown in Figure 3 is that the coils SSi -4 are not rectangular, but semi-circular.
  • FIG. 7 shows a secondary coil arrangement Ai consisting of four overlapping coils SSi -4 . These form superimposed coil regions BEsi-4.
  • the only difference to the structure compared to the embodiment shown in Figure 3 is that the coils SSi -4 are not rectangular, but triangular.
  • the coordinate system with its quadrants I to IV is tilted in contrast to the embodiments described above by 45 °, as shown in dashed lines on the right in FIG.
  • FIG 8 shows a special form of a secondary coil arrangement Ai consisting of two eight-shaped coils SSi and SS 2 , each of which has two rectangular coil regions BE S i, BE S2 and BE S 3, BE S4 form the orthogonal coils. are arranged one above the other and thus form four adjoining coil areas.
  • FIG. 9 shows an inductive energy transmission device with a primary-side and a secondary-side coil arrangement Ai, A 2 .
  • the planar windings form the coils of the coil assemblies Ai, A 2 together with the ferrite plates Fi, F 2 .
  • the primary-side coils SPi -4 are rectangular in shape and arranged according to the embodiment shown in Figure 3 and described to each other, so that together they form the coil areas BEpi, BE P2 , BE P3 and BE P4 .
  • the coil terminals ANi of the secondary-side coil assembly Ai are led out through a recess in the middle of the ferrite plate Fi.
  • FIGS. 10 and 11 show that the secondary-side coil arrangements Ai according to the invention can also be used with multiphase primary arrangements laid in tracks.
  • the individual coil regions BE S i -4 are in this case penetrated by the respective magnetic fluxes shown on the right with the phase positions 0 ° and 180 °.
  • FIG. 12 shows a possible embodiment of the secondary coil arrangement Ai as a solenoid.
  • the coil arrangement Ai has a ferrite plate FE, the narrow end faces F a . dl and a flat top F 0 and a flat bottom Fu has.
  • Windings Wi, W 2 are wound around the ferrite plate FE, which are arranged orthogonal to each other and intersect on the top F 0 in the center K of the ferrite plate FE.
  • the windings Wi, W 2 form the coils SSi, 2 .
  • the windings Wi and W 2 span with their legs WSu, WSi 2 , WS 2 i, WS 22 the coil areas BE S i, BE S2 , BE S3 and BE S4 .
  • FIG. 13 shows a primary coil arrangement of the secondary solenoid coil arrangement Ai shown in FIG.
  • the primary coil arrangement A 2 is formed according to the coil arrangement according to FIG.
  • FIG. 14 shows the structure of a primary-side circuit which is fed by two controlled bridge inverters 1.
  • the primary-side coils SPi and SP 2 are connected in series with resonant circuit capacitors C P i and C P2 and together with them form the resonant circuits RES P.
  • the switch Tl-4 the coil currents Ii and I 2 are set.
  • the coils SP 3 and SP 4 are connected in series with resonant circuit capacitors C P3 and C P4 and together with them form further resonant circuits RES P.
  • the switch Tl-4 the coil currents I 3 and I 4 are set.
  • a center impedance L PM is connected in each case with its one pole to the connection point V P and with its other pole to the center tap M TP of the capacitive voltage divider C G i_i, C G i_ 2 and serves to adapt the resonant frequencies when the total impedance of the primary side changes Oscillating circuits RES P.
  • the overall impedance can result, in particular, from horizontal offset between the primary and secondary coil arrangements Ai, A 2 .
  • FIG. 15 shows a circuit configuration for a secondary-side arrangement Ai.
  • the coils SSi and SS 2 are connected in series with resonant circuit capacitors C S i and C s2 and together with them form the resonant circuits RES S.
  • the two resonant circuits are connected in series with each other, wherein the series circuit of the resonant circuits is connected to the AC voltage terminal of the downstream first bridge rectifier 2.
  • the output-side smoothing capacitors C G i_i, C G i_ 2 form a capacitive voltage divider.
  • the coils SS 3 and SS 4 are connected in series with resonant circuit capacitors C s3 and C s4 and together with them form further resonant circuits RES S.
  • the two resonant circuits RES S are also connected to each other in series, wherein the series circuit of the resonant circuits is connected to the AC voltage terminal of the downstream second bridge rectifier 2.
  • the output-side smoothing capacitors C G i_i, C GL2 also form a capacitive voltage divider.
  • the additional impedances are connected with their first pole to the connection point of the coils SSi and SS 2 or SS 3 and SS 4 and with their other pole to the center tap of the capacitive voltage divider C G i_i, C GL2 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem zur Übertragung von Energie zwischen einer primär- und einer sekundärseitigen Spulenanordnung (A1, A2), dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitige Spulenanordnung (A1) Spulen (SS1, SS2, SS3, SS4) aufweist, die vier in einer Ebene nebeneinander angeordnete Spulenbereiche (BES1, BES2, BES3, BES4) der Spulenanordnung (A1) bilden, wobei jede Spule (SS1, SS2, SS3, SS4) zusammen mit mindestens einem Kondensator (CS1-4) einen Schwingkreis (RESS) bildet.

Description

Sekundärseitige Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung mit Quadrupolen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem zur Übertragung von Energie zwischen einer primär- und einer sekundärseitigen Spulenanordnung.
Sekundärseitige Spulenanordnungen für induktive Energieübertragungssysteme sind vielfältig bekannt. Es werden z.B. einfache zirkuläre planare Spulen oder zwei planare nebeneinander in einer Ebene angeordnete rechteckförmige Spulen zur Energieübertragung auf der Sekundärseite verwendet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine sekundärseitige Spulenanordnung bereitzustellen, welche mit verschiedenen primärseitigen Spulenanordnung mit hohem Wirkungsgrad zusammenwirken kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer sekundärseitigen Spulenanordnung gelöst, die Spulen aufweist, welche vier in einer Ebene nebeneinander angeordnete Spulenbereiche bildet, wobei jede Spule zusammen mit mindestens einem Kondensator einen Schwingkreis bildet. Durch das vorteilhafte vorsehen von vier nebeneinander angeordneten Spulenbereiche ist es möglich, dass die sekundärseitige Spulenanordnung mit verschieden aufgebauten primären Spulenanordnungen zusammen wirken kann. So kann die erfindungsgemäße sekundärseitige Spulenanordnung mit einer primären Spulenanordnung zusammen wirken, welche lediglich ein, zwei oder vier Spulenbereiche aufweist.
In den einzelnen die Spulenbereiche bildenden Spulen bzw. deren Wicklungen können in Abhängigkeit der Phasenlagen der primärseitigen zugeordneten Spulenbereiche gleichphasige Ströme oder auch Ströme mit unterschiedlichen Phasenlagen induziert werden. Diese Ströme können über Gleichrichter zu einer geglätteten Ausgangsspannung umgewandelt werden.
Die vier Spulenbereiche liegen nebeneinander in den vier Quadranten eines Koordinatensystems, welches von den Spulen selbst aufgespannt wird .
Die sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem kann eine rechteckige, insbesondere quadratische, runde, insbesondere kreisförmige, oder elliptische Außenkontur aufweisen. Andere, insbesondere Formen mit mehr als vier Ecken sind ebenso möglich.
Die erfindungsgemäße sekundärseitige Spulenanordnung kann entweder durch planare Spulen auf einer flachen Ferritanordnung gebildet oder eine Solenoid- Anordnung sein.
Bei der Verwendung von planaren Wicklungen auf einer Ferritanordnung, insbesondere einer Ferritplatte, sind die Spulenbereiche entweder durch vier getrennte zirkuläre Wicklungen umfasst bzw. gebildet oder sie sind durch mehrere planare Spulen gebildet, welche sich bereichsweise überlappen, wobei vorteilhaft jeder Spulenbereich von Bereichen zweier Spulen umfasst bzw. umrandet wird . Das vollständige Umfassen bzw. Umranden eines Spulenbereichs erfolgt dabei von beiden den jeweiligen Spulenbereich bildenden Spulen zusammen.
Dabei überdeckt jede Spule vorteilhaft zwei nebeneinander liegende Spulenbereiche oder zwei diagonal zueinander angeordnete Spulenbereiche.
Vorteilhaft sind die vier planaren Spulen rechteckförmig ausgebildet, wobei jeweils zwei Spulen ein Spulenpaar bilden, und die Spulenpaare um 90° zueinander verdreht und übereinander angeordnet sind . Die die Spulenpaare bildenden Spulen können vorteilhaft jeweils durch eine einzige Wicklung, insbesondere mit Mittenabgriff, gebildet sind. Die vereinfacht den Aufbau des Spulenanordnung.
Bei der erfindungsgemäßen sekundärseitigen Spulenanordnung sind die Spulen eines Spulenpaares vorteilhaft in Reihe geschaltet sind, wobei eine Mitten- abgriffs-Impedanz mit ihrem ersten Pol mit dem Verbindungspunkt der beiden in Reihe geschalteten Spulen und ihrem anderen Pol mit dem Mittelpunkt/Mittelabgriff eines Spannungsteilers, dem Plus- oder Minus-Pol des Gleichrichters elektrisch verbunden ist. Das erfindungsgemäße Vorsehen einer zusätzlichen Impedanz bewirkt, dass sich bei einem Versatz zur optimalen horizontalen Ausrichtung die Induktivität im Reihenschwingkreis der in Reihe geschalteten primär- und/oder sekundärseitigen Spulen erhöht, wodurch eine Anpassung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises an die System-Frequenz erfolgt.
Sofern die sekundärseitige Spulenanordnung durch eine Solenoid-Anordnung gebildet ist, liegen die die Spulen bildenden Wicklungen an den flachen Seiten sowie an den schmalen Stirnseiten einer Ferritplatte an. Die die Spulen bildenden Wicklungen können dabei jeweils einen Mittenabgriff aufweisen, so dass die Wicklungen in Reihe geschaltete Spulen bilden. Die Wicklungsschenkel der sich kreuzenden Wicklungen teilen die Ferritplatte in Bereiche auf, welche die Spulenbereiche bilden .
Nachfolgend wir anhand von Zeichnungen die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 : Eine erfindungsgemäße Spulenanordnung mit vier in einer
Ebene liegenden Spulenbereichen;
Fig. 2 : sekundäre Spulenanordnung mit vier Spulenbereichen in Zusammenspiel mit einer primären kreisförmigen Spulenanordnung;
Fig. 3 : sekundäre Spulenanordnung bestehend aus vier planaren
rechteckförmigen Spulen in Zusammenspiel mit einer primären Spulenanordnung mit vier Spulenbereichen mit magnetischen Flüssen unterschiedlicher Phasenlagen;
Fig. 4 und 5 : sekundäre Spulenanordnung mit vier Spulenbereichen in Zusammenspiel mit einer primären Spulenanordnung bestehend aus zwei rechteckförmigen Spulen; Fig. 6: sekundäre Spulenanordnung bestehend aus vier halbkreisförmigen und sich überlappenden Spulen;
Fig. 7 : sekundäre Spulenanordnung bestehend aus vier dreiecksförmi- gen und sich überlappenden Spulen;
Fig. 8: Sonderform einer sekundäre Spulenanordnung bestehend aus zwei Achten bildenden Spulen, die orthogonal zueinander angeordnet sind und vier Spulenbereiche bilden;
Fig. 9 : induktive Energieübertragungsvorrichtung mit einer primärsei- tigen und einer sekundärseitigen Spulenanordnung;
Fig. 10 und 11 : sekundärseitige Spulenanordnung in Zusammenspiel mit in
Bahnen verlegten 3-phasigen Primärleitern.
Fig. 12 : eine mögliche Ausführungsform der sekundären Spulenanordnung als Solenoid;
Fig. 13 : eine primäre Spulenanordnung gemäß Figur 9 mit einer sekundären Solenoid-Spulenanordnung;
Fig. 14: Schaltung für die Primärseite eines induktiven Energieübertragungssystems;
Fig. 15 : Schaltung für die Sekundärseite eines induktiven Energieübertragungssystems.
Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Spulenanordnung Ai mit vier in einer Ebene liegenden Spulenbereichen BESi, BES2, BES3 und BES4. Die Spulenbereiche BEsi, BES2, BES3 und BES4 sind zum besseren Verständnis der Erfindung in den Quadranten I bis IV angeordnet. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die einzelnen Spulenbereiche BESi, BES2, BES3 und BES4 zueinander unterschiedliche Formen und Größen aufweisen. Die Spulenbereiche BESi, BES2, BES3 und BES4 werden durch Spulen aufgespannt, die in Figur 1 nicht dargestellt sind, da die Spulenformen und Anzahl der Spulen unterschiedlich ausgestaltet sein können. Je nach Art der verwendeten primärseitigen Spulenanordnung A2, stellt sich die Phasenlage der Ströme in den einzelnen die Spulenbereiche BESi, BES2, BES3 und BES4 umrandenden Spulen ein.
Die Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße sekundäre Spulenanordnung Ai mit vier Spulenbereichen BESi, BES2, BES3 und BES4 in Zusammenspiel mit einer primären Spulenanordnung A2 mit einer zirkulären Spule SPP. Die Spulenanordnungen Ai und A2 weisen bevorzugt gleiche äußere Konturen auf. Es ist jedoch möglich, dass sich die Form und Größe der Spulenanordnungen Ai und A2 voneinander unterscheiden. Bei der Energieübertragung von der primärseitigen Spulenanordnung A2 zur sekundärseitigen Spulenanordnung Ai stellen sich je nach horizontaler Position der Spulenanordnungen Ai, A2 zueinander Ströme mit verschiedenen Phasenlagen in den einzelnen Spulen SSi-4 ein.
Die Figur 3 zeigt eine sekundäre Spulenanordnung Ai bestehend aus vier rechteckförmigen Spulen SSi bis SS4. Die Spulen SSi und SS2 bilden ein erstes Spulenpaar SPSi und die Spulen SS3 und SS4 bilden ein zweites Spulenpaar SPS2. Die Phasenlagen cpli der sich in den Spule SSi-4 einstellenden Ströme Stroms Ii-4 hängt maßgeblich davon von dem Aufbau der primärseitigen Spulenanordnung A2 ab. In Figur 3 ist rechts eine primäre Spulenanordnung A2 mit vier Spulenbereichen BEPi-4 dargestellt, wobei die magnetischen Flussdichten Bi-4 in den einzelnen Spulenbereichen BEPi-445°, 135°, 225° und 315° betragen. Diese magnetischen Flussdichten durchströmen auch die Spulenbereiche BESi-4 der sekundären Spulenanordnung Ai, wodurch Ströme Ii-4 in den Spulen SSi-4 mit entsprechenden Phasenlagen einstellen. In Abhängigkeit von der horizontalen Ausrichtung der Spulenanordnungen Ai und A2 zueinander variieren die Phasenlagen cpIi-4 der Ströme Ii-4.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine sekundäre Spulenanordnung Ai, welche identisch zu der in Figur 3 dargestellten Spulenanordnung Ai aufgebaut sein kann in Zusammenspiel mit einer primären Spulenanordnung A2 bestehend aus zwei rechteckförmigen Spulen SPi und SP2, welche im Gegentakt betrieben werden. Die Spulenbereiche BESi-4 sind so ausgebildet, dass zwei nebeneinander ange¬ ordnete Spulenbereiche BESi, BES2, BES3, BES4 mit jeweils einer primärseitigen Spule SPi und SP2 zusammen wirken bzw. über diesen während der Energie- Übertagung angeordnet sind. Die magnetischen Flüsse B, in den primären Spulen SPi und SP2 durchdringen die jeweils zugeordneten Spulenbereiche BESi, BES2, BES3, BES4 und bewirken die Ströme Ii-4 in den sekundärseitigen Spule SSi-4 mit korrespondierenden Phasenlagen.
Bei der in Figur 4 gezeigten relativen Ausrichtung der sekundären Spulenanordnung Ai zur primärseitigen Spulenanordnung A2 korrespondieren die Spulenbereiche BEsi und BES4 mit der Spule SPi und die Spulenbereiche BES2 und BES3 mit der Spule SP2. Die Phasenlagen der magnetischen Flussdichten B der die Spulenbereiche BESi und BES4 und der Spulenbereiche BES2 und BES3 sind um 180° zueinander verschoben, wodurch sich entsprechende Phasenlagen cpIi-4 der Spulenströme Ii-4 zueinander in den Spulen SSi-4 einstellen.
Bei der in Figur 5 gezeigten relativen Ausrichtung der sekundären Spulenanordnung Ai zur primärseitigen Spulenanordnung A2 korrespondieren die Spulenbereiche BEsi und BES4 mit der Spule SPi und die Spulenbereiche BES2 und BES3 mit der Spule SP2.
Die Figur 6 zeigt eine sekundäre Spulenanordnung Ai bestehend aus vier sich überlappenden Spulen SSi-4. Diese bilden übereinander angeordnet die Spulenbereiche BEsi-4. Der einzige Unterschied zum Aufbau gegenüber der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass die Spulen SSi-4 nicht rechteckig, sondern halbkreisförmig ausgebildet sind.
Die Figur 7 zeigt eine sekundäre Spulenanordnung Ai bestehend aus vier sich überlappenden Spulen SSi-4. Diese bilden übereinander angeordnet die Spulenbereiche BEsi-4. Der einzige Unterschied zum Aufbau gegenüber der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass die Spulen SSi-4 nicht rechteckig, sondern dreieckig ausgebildet sind. Das Koordinatensystem mit seinen Quadranten I bis IV ist im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen um 45° gekippt, wie es rechts in Figur 7 gestrichelt dargestellt ist.
Die Figur 8 zeigt eine Sonderform einer sekundären Spulenanordnung Ai bestehend aus zwei achtförmigen Spulen SSi und SS2, die jeweils zwei rechteck- förmige Spulenbereiche BESi, BES2 und BES3, BES4 bilden die orthogonal zuei- nander angeordnet sind und somit vier aneinandergrenzende Spulenbereiche bilden .
Die Figur 9 zeigt eine induktive Energieübertragungsvorrichtung mit einer pri- märseitigen und einer sekundärseitigen Spulenanordnung Ai, A2. Die planaren Wicklungen bilden die Spulen der Spulenanordnungen Ai, A2 zusammen mit den Ferritplatten Fi, F2. Die primärseitigen Spulen SPi-4 sind rechteckförmig ausgebildet und entsprechend der in Figur 3 dargestellten und beschriebenen Ausführungsform zueinander angeordnet, so dass sie zusammen die Spulenbereiche BEpi, BEP2, BEP3 und BEP4 bilden . Die Spulenanschlüsse ANi der sekundärseitigen Spulenanordnung Ai sind durch eine Aussparung in der Mitte der Ferritplatte Fi hindurch nach oben herausgeführt.
In den Figuren 10 und 11 ist dargestellt, dass die erfindungsgemäßen sekundärseitigen Spulenanordnungen Ai auch mit in Bahnen verlegten mehrphasigen Primäranordnungen verwendbar sind . Die einzelnen Spulenbereiche BESi-4 werden hierbei von den jeweils rechts dargestellten magnetischen Flüssen mit den Phasenlagen 0° und 180° durchdrungen .
Die Figur 12 zeigt eine mögliche Ausführungsform der sekundären Spulenanordnung Ai als Solenoid . Die Spulenanordnung Ai weist eine Ferritplatte FE auf, die schmale Stirnseiten Fa.dl sowie eine flache Oberseite F0 und eine flache Unterseite Fu aufweist. Um die Ferritplatte FE sind Wicklungen Wi, W2 herum gewickelt, die orthogonal zueinander angeordnet sind und sich auf der Oberseite F0 in der Mitte K der Ferritplatte FE kreuzen . Die Wicklungen Wi, W2 bilden die Spulen SSi,2. Die Wicklungen Wi und W2 spannen mit ihren Schenkeln WSu, WSi2, WS2i, WS22 die Spulenbereiche BESi, BES2, BES3 und BES4 auf. Durch die in die Spulenbereiche BESi, BES2, BES3 und BES4 eindringenden magnetischen Flussdichten, welche von der primärseitigen Anordnung, wie sie in Fig . 13 beschrieben und dargestellt ist, werden in den Spulen SSi/2 entsprechende Ströme erzeugt.
Die Figur 13 zeigt eine primäre Spulenanordnung der in Figur 12 dargestellten sekundären Solenoid-Spulenanordnung Ai. Die primäre Spulenanordnung A2 ist entsprechend der Spulenanordnung gemäß Figur 3 ausgebildet. Die Figur 14 zeigt den Aufbau einer primärseitigen Schaltung, welche durch zwei gesteuerte Brückenwechselrichter 1 gespeist wird . Die primärseitigen Spulen SPi und SP2 sind in Reihe zu Schwingkreiskondensatoren CPi und CP2 geschaltet und bilden zusammen mit diesen die Resonanzkreise RESP. Mittels der Schalter Tl-4 werden die Spulenströme Ii und I2 eingestellt. Ebenso sind die Spulen SP3 und SP4 in Reihe zu Schwingkreiskondensatoren CP3 und CP4 geschaltet und bilden zusammen mit diesen weitere Resonanzkreise RESP. Mittels der Schalter Tl-4 werden die Spulenströme I3 und I4 eingestellt.
Eine Mittenimpedanz LPM ist jeweils mit ihrem einen Pol mit dem Verbindungspunkt VP und mit ihrem anderen Pol mit dem Mittenabgriff MTP des kapazitiven Spannungsteilers CGi_i, CGi_2 verbunden und dient zur Anpassung der Resonanzfrequenzen bei einer Änderung der Gesamtimpedanz der primärseitigen Schwingkreise RESP. Die Gesamtimpedanz kann sich insbesondere durch horizontalen Versatz zwischen der primär- und sekundärseitigen Spulenanordnungen Ai, A2 ergeben.
Die Figur 15 zeigt einen Schaltungsaufbau für eine sekundärseitige Anordnung Ai. Die Spulen SSi und SS2 sind in Reihe zu Schwingkreiskondensatoren CSi und Cs2 geschaltet und bilden zusammen mit diesen die Resonanzkreise RESS. Die beiden Schwingkreise sind zueinander in Reihe geschaltet, wobei die Reihenschaltung der Schwingkreise an den Wechselspannungsanschluss des nachgeschalteten ersten Brückengleichrichters 2 angeschlossen ist. Die aus- gangsseitigen Glättungskondensatoren CGi_i, CGi_2 bilden einen kapazitiven Spannungsteiler. Ebenso sind die Spulen SS3 und SS4 in Reihe zu Schwingkreiskondensatoren Cs3 und CS4 geschaltet und bilden zusammen mit diesen weitere Schwingkreise RESS. Die beiden Schwingkreise RESS sind ebenfalls zueinander in Reihe geschaltet, wobei die Reihenschaltung der Schwingkreise an den Wechselspannungsanschluss des nachgeschalteten zweiten Brückengleichrichters 2 angeschlossen ist. Die ausgangsseitigen Glättungskondensatoren CGi_i, CGL2 bilden ebenfalls einen kapazitiven Spannungsteiler. Mittels der zusätzlichen Impedanzen LSM erfolgt ein automatischer Abgleich der Resonanzfrequenzen der Schwingkreise RESS an die Systemfrequenz, sofern es aufgrund eines horizontalen Versatzes der Spulenanordnungen Ai, A2 aus der optimalen Position heraus zu einer Änderung der Gesamtimpedanz der sekundär- seitigen Schwingkreise kommt, da sich die Phasenlagen der Ströme zueinander ändern. Die zusätzlichen Impedanzen sind dabei mit ihrem ersten Pol mit dem Verbindungspunkt der Spulen SSi und SS2 bzw. SS3 und SS4 und mit ihrem anderen Pol mit dem Mittenabgriff des kapazitiven Spannungsteilers CGi_i, CGL2 verbunden.

Claims

Patentansprüche
Sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem zur Übertragung von Energie zwischen einer primär- und einer sekundärseitigen Spulenanordnung (Ai, A2), dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitige Spulenanordnung (Ai) Spulen (SSi, SS2, SS3, SS4) aufweist, die vier in einer Ebene nebeneinander angeordnete Spulenbereiche (BESi, BES2, BES3, BES4) der Spulenanordnung (Ai) bilden, wobei jede Spule (SSi, SS2, SS3, SS4) zusammen mit mindestens einem Kondensator (CSi-4) einen Schwingkreis (RESS) bildet.
Sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Spule (SS,) jeweils mit mindestens zwei anderen Spulen (SSj) bereichsweise überlappt und mit diesen zwei, insbesondere räumlich nebeneinander angeordnete, Spulenbereiche (BEj, BEj) bildet.
Sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der vier Spulenbereiche (BEi, BE2, BE3, BE4) in einem Quadranten (I, II, III, IV) angeordnet ist.
Sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule (SS,) nur einen oder zwei Spulenbereiche (BEj, BEj) überdeckt.
Sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule (SS,) zwei nebeneinander liegende Spulenbereiche (BEi, BEj) oder zwei diagonal zueinander angeordnete Spulenbereiche (BEi, BEj) überdeckt.
6. Sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich in den Spulen (SS,) einstellenden Ströme über mindestens einen Gleichrichter (GL) gleichgereichtet werden.
7. Sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Spulen (SSi, SS2, SS3, SS4) rechteckförmig ausgebildet sind, wobei jeweils zwei Spulen (SSi, SS2; SS3, SS4) ein Spulenpaar (SSpi, SSP2) bilden, wobei die Spulenpaare um 90° zueinander verdreht und übereinander angeordnet sind.
8. Sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnungen (Ai, A2) eine rechteckige, insbesondere quadratische, runde, insbesondere kreisförmige, oder elliptische Außenkontur aufweisen.
9. Sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitige Spulenanordnung (Ai) zusätzlich zu den vier Spulen (SSi, SS2, SS3, SS4) mindestens eine weitere Spule (SPZU) aufweist, die mit mindestens einem, insbesondere allen, vier nebeneinander angeordnete Spulenbereiche (BESi, BES2, BES3, BES4) überlappend angeordnet ist.
10. Sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (SSi, SS2, SS3, SS4) eines Spulenpaares (SPsi, SPS2) jeweils in Reihe geschaltet sind, wobei eine Mittenabgriffsimpedanz (LSM) mit ihrem ersten Pol mit dem Verbindungspunkt (Vs) der beiden in Reihe geschalteten Spulen (SSi, SS2; SS3, SS4) und ihrem anderen Pol mit dem Mittelpunkt/Mittelabgriff (MTS) eines Spannungsteilers, dem Plus- oder Minus-Pol (4) des Gleichrichters (2) elektrisch verbunden ist.
11. Sekundärseitige Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (SSi, SS2, SS3, SS4) durch planare Wicklungen gebildet sind .
12. Sekundärseitige Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Spulenpaare (SSPi, SSP2) bildenden Spulen (SSi, SS2, SS3, SS4) durch eine jeweils eine einzige Wicklung, insbesondere mit Mittenabgriff, gebildet sind .
13. Sekundärseitige Spulenanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (SSi, SS2, SS3, SS4) um eine Ferritplatte (FE) herum angeordnet, insbesondere gewickelt sind, wobei die Spulen (SSi, SS2, SS3, SS4) zumindest auf einer flachen Seite (F0) der Ferritplatte (FE) orthogonal zueinander angeordnet sind und/oder sich zumindest auf der flachen Seite (F0) der Ferritplatte (FE), insbesondere in deren Mitte, kreuzen.
14. Sekundärseitige Spulenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitige Spulenanordnung (AI) eine Solenoid- Anordnung ist, wobei die Spulen (SSi, SS2, SS3, SS4) durch die Wicklungen (Wi, W2) gebildet sind, welche an den flachen Seiten (F0, Fu) sowie an den schmalen Stirnseiten (Fa, Fb, Fc, Fd) der Ferritplatte (FE) anliegen.
15. Sekundärseitige Spulenanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (W1( W2) an zwei Gleichrichter angeschlossen sind .
16. Sekundärseitige Spulenanordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsschenkel (WSu, WSi2, WS2i, WS22) miteinander vom Kreuzungspunkt (K) die Ferritplatte (FE) in Bereiche aufteilen, welche die Spulenbereiche (BEPi, BEP2, BEP3, BEP4) bilden.
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