WO2015149927A1 - System zur drahtlosen energieübertragung - Google Patents

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    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters

Definitions

  • the invention relates to a system for wireless energy transmission.
  • wireless energy transfer energy is transferred from one object to another.
  • this is understood to mean an electrical construction to which the electrical energy required for operation is not supplied via cables and electrical contacts but through the use of electromagnetic fields.
  • the advantages include a higher mobility and no electrical contact problems.
  • this allows a waterproof construction of the components.
  • the inductive energy transfer is based on the principle of mutual induction.
  • a magnetic alternating field is generated in the transmitter or transmitter with the aid of a coil through which alternating current flows.
  • the receiver also contains a coil. This is penetrated by a part of the alternating magnetic field. As a result, a voltage is induced in the receiver coil. When an electrical load is connected to the coil, current flows through the load due to the induced voltage and it becomes power
  • CONFIRMATION COPY transfer The operating principle corresponds to that of a transformer with weak coupling of the coils.
  • the frequency range used typically ranges from a few 10 kHz to the MHz range.
  • resonant capacitors are used in the receiver and in the transmitter, which form resonant circuits with the coils.
  • the invention has for its object to further develop the state of the art.
  • this is done with a system for wireless energy transmission based on the electromagnetic
  • Induction which is generated by alternating current through primary coils in a transmitter, an alternating magnetic field and secondary coils of at least one receiver, an electrical voltage is induced, characterized in that the primary coils of the transmitter are arranged in a plane and that the receivers with the secondary coils along a parallel to the plane of the primary coils of the transmitter secondary plane are slidably disposed. Due to the planar arrangement, an energy transfer can also take place during a movement of the consumer. moreover no exact positioning of the consumer is required.
  • a particularly advantageous embodiment is obtained when in a system for wireless energy transmission as a transmitter two mutually parallel primary coil strips are provided and when at least one secondary plane with secondary coils of at least one receiver between the two parallel primary coil bars.
  • This supply rails can be designed.
  • the primary coils of the transmitter are arranged in the parallel primary coil strips as a single row.
  • This homogeneous energy transfer can also be achieved if the receivers have two secondary planes with secondary coils and if the secondary coils of the first secondary plane are shifted relative to the secondary coils of the second plane.
  • data for controlling the consumers are also transmitted between transmitter and receiver. If these consumers are light elements, such as with appropriate design of the lighting elements, the brightness, or the color of the light can be controlled.
  • the particularly advantageous use of the invention for the activation of light-emitting elements brings particularly diverse and flexible design options for lighting designers.
  • the positions of the lighting elements can be changed, but also the brightness and the colors can be adapted to the most diverse requirements.
  • Another advantageous application of the invention relates to the power supply of consumers who are placed on a table, such as lights or electronic see devices such as personal computers.
  • a flat primary coil unit is mounted below a table top or integrated in the table top as a transmitter and the receiver and the consumers connected thereto can be arranged on the tabletop arbitrarily.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of an inventive arrangement
  • FIG. 2 shows a three-dimensional representation of a supply rail according to the invention.
  • the exemplary arrangement according to Fig.l comprises two primary coil strips A, D, which are each provided with a ferrite layer 1 for shielding the outer sides of the strips.
  • primary coils 2 are arranged flat in a row. The outer diameter of these coils is about 42 mm in the embodiment.
  • the primary coils are supplied with an alternating current and generate a magnetic alternating field.
  • the primary coils 2 of the two primary coil strips A, D are arranged facing each other in the inner region of a U-shaped supply rail, so that in conjunction with the outer ferrite layer 1 the magnetic field is substantially limited to this inner region of the supply rail is.
  • the series-arranged primary coils 2 of the first primary coil strip A are shifted in relation to the series-arranged primary coils 2 of the second primary coil strip in the direction of the longitudinal extent of the primary coil strips by half of the coil diameter.
  • the secondary coils 3 of the receiver which are connected to the consumers to be supplied.
  • These consumers may for example be equipped with driven rollers and arranged movably on the U-shaped supply rails.
  • the secondary coils 3 of the receivers have a greater expansion than the primary coils 2, in the exemplary embodiment 44 mm ⁇ 48 mm, which results in an improvement in the magnetic field
  • wipe transmitter and receiver and data will be transmitted to control the consumer. If these consumers are light-emitting elements, the brightness or the color of the light, a corresponding temporal sequence in the manner of a light organ or the movement of the luminous body along the supply rail can thus be controlled, for example with appropriate design of the light elements.
  • the data is transmitted by modulation of the alternating current in the primary coils.
  • data transmission would also be possible by radio.
  • the provided for driving the primary coils 3 electronic components E are mounted in the bottom of the recess of the U-shaped supply rails. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur drahtlosen Energieübertragung auf Basis der elektromagnetischen Induktion, wobei mit von Wechselstrom durchflossenen Primärspulen in einem Sender ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird und in Sekundärspulen zumindest eines Empfängers eine elektrische Spannung induziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspulen (2) des Senders in einer Ebene flächig angeordnet sind und dass die Empfänger mit den Sekundärspulen (3) entlang einer zu der Ebene der Primärspulen des Senders parallelen Sekundärebene verschiebbar angeordnet sind. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise zur Versorgung und Ansteuerung beweglicher Elektrischer Verbraucher wie Leuchtelementen oder Personalcomputer.

Description

Beschreibung
System zur drahtlosen Energieübertragung Die Erfindung betrifft ein System zur drahtlosen Energieübertragung .
Bei der drahtlosen Energieübertragung wird Energie von einem Objekt auf ein anderes übertragen. Im Allgemeinen wird darun- ter ein elektrischer Aufbau verstanden, dem die zum Betrieb notwendige elektrische Energie nicht über Kabel und elektrische Kontakte zugeführt wird, sondern durch Nutzung von elektromagnetischen Feldern. Die Vorteile sind unter anderem eine höhere Mobilität und keine elektrischen Kontaktprobleme. Darüber hinaus wird dadurch ein wasserdichter Aufbau der Komponenten ermöglicht.
Hinsichtlich der verwendeten Wirkprinzipien beruhen die meisten Anwendungen auf dem Prinzip der induktiven Energieüber- tragung. Hier gibt es zum Teil schon seit längerem kommerziell verfügbare Produkte.
Die induktive Energieübertragung beruht auf dem Prinzip der Gegeninduktion d.h. der gegenseitigen magnetischen Beeinflus- sung zweier oder mehrerer räumlich benachbarter elektrischer Stromkreise durch den magnetischen Fluss Φ zufolge der elektromagnetischen Induktion.
Bei der Energieübertragung wird mit Hilfe einer von Wechsel- ström durchflossenen Spule im Transmitter oder Sender ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Der Empfänger enthält ebenfalls eine Spule. Diese wird von einem Teil des magnetischen Wechselfelds durchdrungen. Dadurch wird in der Empfängerspule eine Spannung induziert. Wenn an der Spule eine elektrische Last angeschlossen wird, kommt es aufgrund der induzierten Spannung zum Stromfluss durch die Last und es wird Leistung
BESTÄTIGUNGSKOPIE übertragen. Das Wirkprinzip entspricht dem eines Transformators mit schwacher Kopplung der Spulen.
Der verwendete Frequenzbereich reicht typisch von einigen 10 kHz bis in den MHz-Bereich.
Üblicherweise verwendet man im Empfänger und im Transmitter Resonanzkondensatoren, die mit den Spulen Resonanzkreise bilden.
Es entstehen unterschiedliche Resonanzen, die je nach Abstimmung unterschiedlich genutzt werden können um entweder die übertragene Leistung zu maximieren, oder die Effizienz der Leistungsübertragung zu optimieren,
Bekannte induktive Energieübertragungsverfahren wie beispielsweise auf Basis des Qi-Standards bieten hinsichtlich ihrer Leistung und der Anwendbarkeit bei Mobilen Verbrauchern nur eingeschränkte Anwendungsmöglichkeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik weiterzuentwickeln.
Erfindungsgemäß geschieht dies mit einem System zur draht- losen Energieübertragung auf Basis der elektromagnetischen
Induktion, wobei mit von Wechselstrom durchflossenen Primärspulen in einem Sender ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird und in Sekundärspulen zumindest eines Empfängers eine elektrische Spannung induziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspulen des Senders in einer Ebene flächig angeordnet sind und dass die Empfänger mit den Sekundärspulen entlang einer zu der Ebene der Primärspulen des Senders parallelen Sekundärebene verschiebbar angeordnet sind. Durch die flächige Anordnung kann eine Energieübertragung auch während einer Bewegung des Verbrauchers erfolgen. Zudem ist keine exakte Positionierung des Verbrauchers erforderlich .
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung erhält man, wenn bei einem System zur drahtlosen Energieübertragung als Sender zwei zueinander parallele Primärspulenleisten vorgesehen sind und wenn zumindest eine Sekundärebene mit Sekundärspulen zumindest eines Empfängers zwischen den beiden parallelen Primärspulenleisten verläuft.
Damit können Versorgungsschienen gestaltet werden.
Günstig ist es dabei wenn die Primärspulen des Senders in den parallelen Primärspulenleisten als einzelne Reihe angeordnet sind.
Wenn die in Reihe angeordneten Primärspulen der ersten Pri- märspulenleiste gegenüber den in Reihe angeordneten Primärspulen der zweiten Primärspulenleiste in Richtung der Längen- ausdehnung der Primärspulenleisten um die Hälfte des Spulendurchmessers verschoben sind und wenn die Sekundärspulen des zumindest einen Empfängers eine größere Fläche als die Primärspulen aufweisen, kann auch bei Bewegung des Empfängers entlang der Primärspulenleisten ein homogener Energietransfer erreicht werden.
Dieser homogene Energietransfer kann auch erzielt werden, wenn die Empfänger zwei Sekundärebenen mit Sekundärspulen aufweisen und wenn die Sekundärspulen der ersten Sekundärebe- ne gegenüber den Sekundärspulen der zweiten Ebene verschoben angeordnet sind.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden zwischen Sender und Empfänger auch Daten zur Ansteuerung der Verbraucher übertragen werden. Wenn es sich bei diesen Verbrauchern um Leuchtelemente handelt, kann so beispielsweise bei entsprechender Gestaltung der Leuchtelemente die Helligkeit, oder die Farbe des Lichtes gesteuert werden.
Der besonders vorteilhafte Einsatz der Erfindung zur Ansteue- rung von Leuchtelementen bringt besonders vielfältige und flexible Gestaltungsmöglichkeiten für Lichtdesigner mit sich. So können auch nach einer erstmaligen Montage die Positionen der Leuchtelemente verändert werden, aber auch die Helligkeit und die Farben können den unterschiedlichsten Anforderungenn angepasst werden.
Ein weiteres vorteilhaftes Einsatzgebiet der Erfindung betrifft die Energieversorgung von Verbrauchern, die auf einem Tisch angeordnet sind, wie von Leuchten oder aber elektroni- sehen Geräten wie Personalcomputer. Dabei wird als Sender eine flächige Primärspuleneinheit unterhalb einer Tischplatte oder in die Tischplatte integriert angebracht und die Empfänger sowie die daran angeschlossenen Verbraucher können auf der Tischplatte beliebig angeordnet werden.
Denkbar wäre auch die Integration von Primärspuleneinheiten in Möbel oder Wände. Damit wäre eine hohe Flexibilität in der Anbringung oder Anordnung von elektrischen Verbrauchern wie beispielsweise von Fernsehern oder elektronischen Bildschir- men auf diesen Möbeln oder an den Wänden gegeben.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert . Es zeigen beispielhaft:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung und
Fig.2 eine räumliche Darstellung einer erfindungsgemäßen Ver- sorgungsschiene . Die beispielhafte Anordnung nach Fig.l umfasst zwei Primär- spulenleisten A, D, welche jeweils mit einer Ferritschicht 1 zur Abschirmung der Außenseiten der Leisten versehen sind. Auf dieser Ferritschicht 1 sind Primärspulen 2 flächig in Reihe angeordnet. Der Außendurchmesser dieser Spulen beträgt beim Ausführungsbeispiel ca. 42 mm. Die Primärspulen werden mit einem Wechselstrom beaufschlagt und erzeugen ein magnetisches Wechselfeld. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Primärspulen 2 der beiden Primärspulenleisten A, D im montierten Zustand im Innbereich einer U-förmigen Versorgungsschiene einander zugewandt angeordnet, sodass in Verbindung mit den außenliegenden Ferritschicht 1 das Magnetfeld auf diesen Innenbereich der Ver- sorgungsschiene wesentlich beschränkt ist.
Die in Reihe angeordneten Primärspulen 2 der ersten Primär- spulenleiste A sind gegenüber den in Reihe angeordneten Primärspulen 2 der zweiten Primärspulenleiste in Richtung der Längenausdehnung der Primärspulenleisten um die Hälfte des Spulendurchmessers verschoben.
Damit wird eine höhere Homogenität des Magnetfeldes erreicht. In die Ausnehmung der U-förmigen Versorgungsschiene ragen die Sekundärspulen 3 der Empfänger, die mit den zu versorgenden Verbrauchern verbunden sind. Diese Verbraucher können beispielsweise mit angetriebenen Rollen ausgestattet und auf den U-förmigen Versorgungsschienen bewegbar angeordnet sein.
So ist es beispielsweise mit einer entsprechenden Ansteuerung möglich, Leuchtelemente auf der Versorgungsschiene zu verschieben, ohne dass aufwändige Montagearbeiten erforderlich werden, die insbesondere bei hoch angebrachten Beleuchtungs- körpern z.B. in Hotels den Geschäftsbetrieb stören würden. Es ist auch denkbar, mit entsprechenden Steuerprogrammen die Beleuchtungskörper nach einer vorgegebenen Choreografie permanent zu bewegen und so besondere Lichteffekte zu erzielen. Dabei sind auch endlose Drehbewegungen der Verbraucher möglich, die bei einer Kabelverbindung zur Energieversorgung nicht denkbar wären.
Die Sekundärspulen 3 der Empfänger weisen eine größere Aus- dehnung als die Primärspulen 2 auf, beim Ausführungsbeispiel 44mm x 48 mm wodurch eine Verbesserung der magnetischen
Kopplu8ng erzielt werden kann.
Anstelle der beschriebenen Verschiebung der Primärspulen 2 von erster Primärspulenleiste A zu zweiter Primärspulenleiste D wäre es auch möglich, die Sekundärspulen 3 der ersten Sekundärebene B zu denjenigen der zweiten Sekundärebene C zu verschieben . Bei dem Ausführungsbeispiel werden wischen Sender und Empfänger auch Daten zur Ansteuerung der Verbraucher übertragen werden. Wenn es sich bei diesen Verbrauchern um Leuchtelemente handelt, kann so beispielsweise bei entsprechender Gestaltung der Leuchtelemente die Helligkeit oder die Farbe des Lichtes, eine entsprechende zeitliche Abfolge nach Art einer Lichtorgel oder die Bewegung des Leuchtkörpers entlang der Versorgungsschiene gesteuert werden.
Die Übertragung der Daten erfolgt durch Modulation des Wech- selstromes in den Primärspulen. Alternativ wäre eine Datenübertragung auch mittels Funk möglich.
Die zur Ansteuerung der Primärspulen 3 vorgesehenen Elektronikkomponenten E sind im Boden der Ausnehmung der U-förmigen Versorgungsschienen angebracht. Bezugszeichenliste
1 Feritplatte
2 Primärspulen
3 Sekundärspulen
A Erste Primärspulenleiste D Zweite Primärspulenleiste B Erste Sekundärebene
C Zweite Sekundärebene E Elektronikkomponenten

Claims

Patentansprüche
1. System zur drahtlosen Energieübertragung auf Basis der elektromagnetischen Induktion, wobei mit von Wechselstrom durchflossenen Primärspulen in einem Sender ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird und in Sekundär- spulen zumindest eines Empfängers eine elektrische
Spannung induziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspulen (2) des Senders in einer Ebene flächig angeordnet sind und dass die Empfänger mit den Sekundärspulen (3) entlang einer zu der Ebene der Primärspu- len (2) des Senders parallelen Sekundärebene verschiebbar angeordnet sind.
2. System zur drahtlosen Energieübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sender zwei zuei- nander parallele Primärspulenleisten (A, D) vorgesehen sind und dass zumindest eine Sekundärebene (B, C) mit Sekundärspulen zumindest eines Empfängers zwischen den beiden parallelen Primärspulenleisten (A, D) verläuft.
3. System zur drahtlosen Energieübertragung nach Anspruch
2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspulen (2) des Senders in den parallelen Primärspulenleisten (A, D) als einzelne Reihe angeordnet sind.
4. System zur drahtlosen Energieübertragung nach Anspruch
3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihe angeordneten Primärspulen (2) der ersten Primärspulenleiste (A) gegenüber den in Reihe angeordneten Primärspulen der zweiten Primärspulenleiste (D) in Richtung der Längen- ausdehnung der Primärspulenleisten ( A,D) um die Hälfte des Spulendurchmessers verschoben sind und dass die Se- kundärspulen (3) des zumindest einen Empfängers eine größere Fläche als die Primärspulen (2) aufweisen.
System zur drahtlosen Energieübertragung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger zwei Sekundärebenen (B,C) mit Sekundärspulen (3) aufweisen und dass die Sekundärspulen (3) der ersten Sekundärebene
(B) gegenüber den Sekundärspulen (3) der zweiten Ebene
(C) verschoben angeordnet sind.
System zur drahtlosen Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sender und Empfänger auch Daten zur Ansteuerung der Verbraucher übertragen werden.
System zur drahtlosen Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als am Empfänger angeschlossene Verbraucher Leuchtelemente vorgesehen sind.
System zur drahtlosen Energieübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sender eine flächige Primärspuleneinheit vorgesehen ist, die unterhalb einer Tischplatte oder in die Tischplatte integriert angebracht ist und dass auf der Tischplatte Empfänger verschiebbar angeordnet sind.
System zur drahtlosen Energieübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sender eine flächige Primärspuleneinheit vorgesehen ist, die in eine Wand integriert ist.
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