WO2018215085A1 - Method for reducing stray fields in inductive energy transmission - Google Patents

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WO2018215085A1
WO2018215085A1 PCT/EP2018/000233 EP2018000233W WO2018215085A1 WO 2018215085 A1 WO2018215085 A1 WO 2018215085A1 EP 2018000233 W EP2018000233 W EP 2018000233W WO 2018215085 A1 WO2018215085 A1 WO 2018215085A1
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Definitions

  • the invention relates to a method for reducing stray fields in the inductive energy transmission, in which a by a transformer coil containing
  • Transmitter arrangement having a substantially constant operating frequency having alternating magnetic field in magnetic interaction with a brought into a receiving position, preferably a receiver coil containing
  • Receiver arrangement occurs, wherein the Mattertrageran extract in its the receiving position of the receiver assembly remote area has a stray field shielding layer of metamaterial.
  • the invention further relates to a transformer arrangement and a receiver arrangement for carrying out such a method, the use of the metamaterials in such a method or in Studentstrageran Aunt or the receiver assembly, and the use of the metamaterials in the inductive
  • a method of the type mentioned is known from US 2013/0088090.
  • a system which basically consists of three main components, namely a
  • the described transformer arrangement comprises a ferrimagnetic
  • the metamaterial can be designed inter alia as a so-called split-ring resonator, for example as a ring coil structure on a printed circuit board.
  • split-ring resonator for example as a ring coil structure on a printed circuit board.
  • the resonance of the inductance of the ring with its own parasitic capacitance may be sufficient to achieve the desired resonant frequency.
  • low field frequencies it may be necessary to bring the material into the resonant structure required for the action as a metamaterial by adding an external capacitor with an inductive coil.
  • the described systems are intended for use in static or dynamic charging of electrically powered vehicles.
  • Eddy currents at high frequencies may also have effective diamagnetic behavior.
  • the eddy currents inevitably lead to a disadvantageous for the efficiency reduction of the coil quality.
  • the mentioned in the said application also as a possible shielding
  • Metamaterial requires, especially when it comes to the shielding of larger areas, the use of a variety of in their inductance and capacitance exactly to the frequency of the alternating magnetic field matched individual elements. It is difficult and associated with the production of correspondingly great effort to comply with these parameters with the required accuracy for each of the individual elements of such a variety.
  • the metamaterial as proposed in the cited application, is designed as a so-called split-ring resonator, for example as a printed circuit board with a conductive coil with a gap and a capacitor connected to the coil ends.
  • split-ring resonator for example as a printed circuit board with a conductive coil with a gap and a capacitor connected to the coil ends.
  • Such arrangements also have a non-negligible thickness, which is disadvantageous in some applications where space is limited.
  • the object of the invention was based on this prior art, a
  • the layer of metamaterial is formed by a plurality of identically constructed coil antenna elements, which are applied in a planar, regular arrangement on a polymer film and each forming a coil
  • RFID radio-frequency identification, by means of electromagnetic waves
  • transponder often referred to as radio tag
  • passive coil antenna elements are designed.
  • Coil antenna elements for their function not on their own energy sources such.
  • Coil antenna elements usually a thin, advantageously flexible carrier film
  • planar, regular arrangement of the coil antenna elements on a polymer film is ultimately an array of resonators whose resonant frequency is tuned by tuning the available inductance and capacitance, i. essentially on the design of the tracks and dimensioning of the capacitors, in certain desired
  • Frequency range which is usually well below the operating frequency of the alternating magnetic field and typically also above the resonant frequency of the individual Coil antenna elements is, therefore, the respective present collective of the coil antenna elements can act as a metamaterial, which is able to effectively shield the stray fields.
  • the frequency ranges suitable for this purpose can be estimated, for example, with the aid of the curves which determine the frequency dependence of the permeability for the respective metamaterial Ueff ''). Such curves can, for example, by
  • J.B. Pendry was developed for metamaterial structures and, for example, in J.B. Pendry et al., IEEE TRANSACTIONS ON MICRO WAVE THEORY AND
  • inductance and capacitance are tuned so that metamaterial in the frequency at which the intersection of the curve of Ueff 'and Ueff "is approximately equal to the operating frequency of the alternating magnetic field.However, it is not necessary that these frequencies exactly In most cases, a tolerance range of + 20%, advantageously + 10%, is sufficient to ensure a low permeability of the metamaterial for the present magnetic field and thus also an effective
  • the method according to the invention can be used over a wide frequency spectrum and is used particularly favorably in areas where magnetic fields with standardized operating frequencies are provided.
  • Examples of such applications are the inductive energy transfer in the field of electromobility, where operating frequencies of the magnetic fields have proven between 10 kHz to 100 kHz, which was determined by convention as the standard operating frequency 85 kHz.
  • operating frequencies of the magnetic fields have proven between 10 kHz to 100 kHz, which was determined by convention as the standard operating frequency 85 kHz.
  • essentially constant operating frequencies those which are mostly selected from the range of 10 kHz to 50 MHz are used. It is not excluded to lower the lower limit to about 50 Hz. In general, it has proved to be advantageous if the operating frequency of the alternating magnetic field is subjected to the smallest possible fluctuations.
  • the respectively intended operating frequency should expediently be maintained with an accuracy of at least + 5%, preferably at least + 2%, particularly preferably + 1%.
  • the advantages of the invention are usually particularly noticeable when high amounts of energy are transferred, so that energy losses caused by stray fields and / or risks with regard to electromagnetic environmental compatibility are not negligible. This applies to a large extent, for example, for the inductive energy transfer in the field of electromobility.
  • modified RFID coil antenna elements is that you can rely on the available and proven in RFID technology for their production process. These production methods are known to the person skilled in the art; as an example, reference is made to the methods described in US 2006/0043199 A1.
  • the respectively selected coil patterns are applied in a manner known per se in the form of printed conductors to a polymer carrier film, to be precise by means of printing or etching processes. This can be done for example with particular advantage by printing processes using conductive inks, such as stamp printing or inkjet printing, but also by etching, for example dry etching of metallized carrier films, or by electrodeposition, sputtering or photolithographic processes.
  • materials which ensure the electrical conductivity of the conductor tracks, are preferably metals, in particular aluminum or copper, but also silver, gold or nickel, optionally also in the form of alloys in question.
  • metals in particular aluminum or copper, but also silver, gold or nickel, optionally also in the form of alloys in question.
  • copper or silver have proven useful, for example for conductive inks, while etching is often used in aluminum.
  • aluminum is often preferred.
  • this information is not intended to be limiting; In some cases, it may also be expedient, for example, to use conductive tracks based on conductive polymers.
  • the conductor tracks are advantageously applied to the carrier foil in such a way that they are located on the periphery of the coil antenna elements in their respectively provided surface form, while the central region of the elements is kept free of conductor tracks. This not only has the advantage of saving material but has also been found to be beneficial for reducing and shielding stray fields. Basically, however, too
  • Embodiments are not excluded in which the traces utilize the entire available surface area of the coil antenna elements. It has continued to prove itself in the
  • the surface shape of the coil antenna elements is suitably chosen so that a
  • the number of individual elements should be at least 4, so that the shielding effect of the metamaterials comes into play. However, it may in many cases be significantly higher, for example, when shielding surfaces that are significantly larger than the area of a single coil antenna element by the layer of metamaterial. In general, one will also select the surface shape and area extent of the coil antenna elements to the effect that they on the one hand, the conductor tracks in the required length and the
  • Capacitor can record, and on the other hand allow the fullest possible use of the film width.
  • the distance of the individual elements from each other can be kept low and can often be reduced to up to 1.5 mm.
  • the film thickness of the carrier film is suitably in the range of 10 to 300 ⁇ , advantageously 20 to 250 ⁇ , in particular 25 to 125 ⁇ .
  • a film material usually used in RFID technology polymers are used, such as those based on polyethylene, polypropylene, polyimide or preferably polyethylene terephthalate.
  • a metallized polymer film for example an aluminum-coated polyethylene terephthalate film.
  • the inductance of the coil formed can be adjusted. It usually depends on the given
  • the number of turns is suitably between 2 and 20, favorably chosen between 2 and 12. Often, for reasons of space, the
  • capacitors are selected to, if they are integrated to form the coil antenna elements in the interconnects to keep the supernatant on the film surface and thus their unevenness as low as possible.
  • ceramic capacitors in particular ceramic multilayer capacitors (MLLC) or polymer capacitors, have proven to be useful, since they are available on the one hand in a small size and, on the other hand, also have a high degree of robustness against high current intensities which sometimes occur.
  • the capacitors are usually integrated in such a way that their supply lines with the endpoints of the in
  • Coil form applied conductor tracks are connected.
  • the respective required capacity can be estimated, for example, with the help of simulation calculations and, if necessary, optimized in connection with preliminary tests.
  • capacitance range can be used within which, in conjunction with the present inductance, a behavior of the resonators results, which causes an effective permeability of Ueff ' ⁇ 1 at the operating frequency of the alternating magnetic field.
  • the specified capacitances are subject to the lowest possible fluctuations in the selected capacitors and are kept within close tolerances as accurately as possible.
  • fluctuations of about ⁇ _5% are still acceptable; however, it is advantageous if the fluctuations amount to only ⁇ 2%, in particular only + 1%.
  • the shielding effect of the metamaterial is reduced when the capacitances of the individual capacitors within the plurality are + 10% or more apart.
  • the protective films can be glued or laminated, for example. Although for them basically the same polymer material as for the Carrier film can be used, this is not mandatory.
  • protective films not only those based on polyethylene, polypropylene, polyimide or
  • Polyethylene terephthalate are used, but also those based on, for example, organosilicon polymers. It is also possible to apply one or more protective lacquer layers instead of or in addition to protective films. This can be useful, for example, if the film surface is also to be rendered hydrophobic or color-coded.
  • the method according to the invention can also be used under conditions in which the material can be exposed to high mechanical, thermal or climatic stresses, as for example in some applications in the field of electromobility.
  • Transformer arrangement can be used on a receiver assembly.
  • metamaterial e.g. in IEEE TRANSACTIONS ON MICRO W AVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 64, NO.5, MAY 2016, p. 1644-1654.
  • the article refers in particular to the fact that the high space requirement of the previously known metamaterial cells precludes their widespread use, and presents as a solution to the problem a comparatively compact arrangement in which metamaterial with
  • Thickness dimensions in the centimeter range in the manner of a magnetic lens in the space between the transformer and receiver coil is introduced, thus causing an improvement in the inductive energy transfer.
  • a further object of the invention was therefore to specify a metamaterial which, with a small space requirement, focusses the magnetic field provided by the transformer arrangement
  • a receiver facing the array has a magnetic alternating field focusing layer of metamaterial, which is formed by a plurality of identically constructed coil antenna elements, which are applied in a flat, regular arrangement on a polymer film and each comprise a coil-forming conductor tracks with integrated capacitor whose inductance and capacitance are matched to one another such that the layer has the magnetic field focusing effect at the operating frequency of the alternating magnetic field. This effect can be achieved if the operating frequency of the alternating magnetic field for the layer
  • Metamaterial results in an effective permeability of Ueff ' ⁇ 0.
  • Magnetic metamaterial may be constructed analogous to the metamaterial described above for use in shielding the stray fields.
  • Coil antenna elements advantageously determined by simulation calculations and optimized on the basis of preliminary tests.
  • the invention further includes a transducer assembly suitable for use in the method of the invention.
  • transformer arrangements essentially have a transformer coil, which consists of a molded body of a magnetizable material is surrounded, wherein the transmitter coil is embedded in the receiving position of the Empfangeran für open recesses of the shaped body and the molded body is provided in its receiving position of the receiver assembly remote area at least partially with at least one shielding layer of the metamaterial.
  • the transmitter arrangement can be provided with a magnetic material-focusing layer of the metamaterial in the region facing the receiver position of the receiver arrangement.
  • the flat, periodic arrangement of a multiplicity of identically constructed coil antenna elements described therein is used as the metamaterial, which are respectively constructed of conductor tracks applied to a polymer film, forming a coil, and a capacitor integrated therein , whose inductance and capacity are coordinated so that in the
  • Operating frequency of the alternating magnetic field for the layer of metamaterial results in a stray field shielding effect (ie an effective permeability of Ucfr ' ⁇ 1, preferably between 1 and 0, in particular between 0.2 and 0), and for the according to said embodiment optionally present layer from metamaterial a magnetic field focusing effect (ie an effective permeability of Ueff ' ⁇ 0, preferably between -0.5 and -1, in particular between -0.8 and -1).
  • Magnetisable concrete is preferably used as the magnetizable material for the shaped body. This usually contains particles of one or more soft magnetic materials, which are preferably selected from the group of soft ferrites, the nanocrystalline metals, the amorphous metals and the metallic powder.
  • the particles are usually incorporated into a matrix of a binder which can be used for concretes, for which advantageously solidified hydraulic cement, white cement, Portland cement or bitumen is selected.
  • a binder which can be used for concretes, for which advantageously solidified hydraulic cement, white cement, Portland cement or bitumen is selected.
  • the proportion by weight of each selected soft magnetic material is favorably at least 80 weight percent, preferably 85 to 95
  • Grain size distributions are selected to a dense packing of the
  • a soft magnetic material for example a soft magnetic ferrite
  • Grain diameter from 2 to 10 mm with a particle size distribution between 0.5 and 20 mm and a second fraction with a mean grain diameter of 0.1 to 0.5 mm are combined with a particle size distribution of 0.01 to 5 mm.
  • fractions are presented in approximately equal proportions by weight, with deviations of up to about 20 weight percent up or down can be accepted.
  • Such combinations of different fractions of soft magnetic ferrites are
  • Manufacture of magnetizable products are inter alia embedded in a matrix of hydraulic cement, which is shaped and finally solidified.
  • the shaped body has its surface
  • the recesses can, for example, in the
  • Receptor arrangement remote area at least partially, but preferably is completely provided with a shielding layer of the invention to be used metamaterial.
  • a shielding layer of the invention to be used metamaterial For example, in the case of a rectangular shaped body, a particularly effective reduction of the stray fields is achieved if all side surfaces and the base surface are covered with the metamaterial and only the surface facing the receiving position remains free of shielding metamaterial.
  • Advantageous embodiments of the transformer arrangement according to the invention can be provided which are difficult or impossible to implement with conventional metamaterials and, moreover, are often associated with high costs.
  • the transformer arrangement is provided with a second shielding layer of the metamaterial, in which conductor tracks and capacitors of the coil antenna elements are matched in their inductance and capacitance to each other so that at a further, second operating frequency of the alternating magnetic field for this second layer from metamaterial gives an effective permeability Ueff ' ⁇ 1.
  • Transformer arrangement not excluded which are provided with further layers of the invention to be used metamaterials, which are adapted in their resonance behavior, for example, to other possible operating frequencies of the alternating magnetic field.
  • Such developments are particularly advantageous when the transformer assemblies are permanently installed, for example, by being integrated into a roadway structure, and can be dispensed with costly and costly expansion and installation measures when changing the operating frequency.
  • the transmitter arrangement is provided with a magnetic material-focusing layer of metamaterial in the area in the reception position of the receiver arrangement.
  • the coil antenna elements are each made of a polymer film
  • a coil-forming conductor tracks and a capacitor integrated therein whose inductance and capacitance are coordinated so that at the operating frequency of the alternating magnetic field for the focusing layer
  • a transformer assembly is integrated into the road and a minimum distance to the in-vehicle
  • Said second advantageous embodiment can also be modified such that a second focusing layer of metamaterial is provided, in which the conductor tracks and capacitors of the coil antenna elements are cut to a second possible operating frequency of the alternating magnetic field.
  • transmitter arrangements installed in the vicinity of magnetic field sensitive devices may be required to further enhance the shielding effect by providing one or more metallic shielding layers, if any. This is especially true when the
  • the receiver arrangements customary for the respective purpose are suitable.
  • a receiver coil is provided in these for interaction with the magnetic alternating field provided by the transformer arrangement, by means of which, for example, an inductively transmitted charging current for a battery or an accumulator can be generated.
  • an inductively transmitted charging current for a battery or an accumulator can be generated.
  • such a receiver coil is not mandatory for all applications; for inductive heating or inductive heating, for example, flat metal parts may be provided for receiving the inductively transmitted power.
  • the receiver arrangement may comprise a molded body of magnetizable material, in particular magnetizable concrete, which is provided with recesses open towards the receiving position, in which the receiver coil is embedded.
  • the receiver arrangement has a stray field shielding layer of metamaterial in its region remote from the receiving position.
  • the layer is, as already described above in the method according to the invention and also suitable for carrying it out
  • Transformer arrangement for the metamaterial used formed by a plurality of identically constructed coil antenna elements, which are applied in a flat, regular arrangement on a polymer film and each forming a coil
  • coil elements which are applied in a planar, regular arrangement on a polymer film and each comprise a coil-forming conductor tracks with integrated capacitor, as a metamaterial in the inductive energy transfer by means of magnetic alternating fields having a substantially constant operating frequency.
  • Transformer arrangement and / or receiver arrangement can be used with particular advantage for inductive energy transfer for the purpose of static, stationary or dynamic charging of batteries in electric and / or hybrid vehicles, or for the direct drive such vehicles, or for the purpose of inductive heat generation.
  • FIG. 1 a schematically shows a method for inductive energy transmission in which a transformer arrangement is used which does not use metamaterial.
  • FIG. 1b schematically shows the otherwise identical method, in which, however, in the case of FIG
  • Figure 2 shows schematically the structure of a single one of the coil antenna elements, which arranged in plurality form the metamaterial used in the invention.
  • a transformer assembly 1 is shown, which may be integrated, for example, in a roadway structure 2 and which has a molded body 3 made of magnetizable material, such as a magnetizable concrete.
  • the molded body is provided with recesses 4, in which a transformer coil 5 is embedded with their turns. If these are flowed through by current, an alternating magnetic field 6 is formed whose course is schematically indicated by field lines.
  • a receiver arrangement 7, which has, for example, a receiver coil 8 and can be provided in an electrically operated vehicle not shown here, is brought into a receiving position in the region of the alternating field, the alternating field 6 enters into magnetic interaction with the receiver arrangement 7, for example by excitation the receiver coil 8, thereby causing the inductive transmission of energy.
  • the efficiency of the energy transfer is affected by the fact that facing away from the receiving position Surfaces of the molding, ie its side surfaces 9 and possibly also the base 10, stray fields 11 occur.
  • FIG. 1b shows how, with an otherwise identical structure in the manner according to the invention, the side surfaces 9 and the base surface 10 of the molded body 3 are provided with shielding metamaterial 12, for example by gluing.
  • the thickness of the used metamaterial 12 is greatly increased for the sake of clarity; in practice, the metamaterial used according to the invention leads only to minimally increased space requirements because of its small thickness. If the metamaterial 12 has an effective permeability of Ueff ' ⁇ 1 at the operating frequency of the alternating magnetic field 6, then it has
  • Receiver arrangement 7 and the interaction with the receiver coil 8 are available.
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of FIG. 1
  • FIG. 2 schematically shows the construction of one of the coil antenna elements which can be used as a meta material according to the invention as a multiplicity in a planar, periodic arrangement.
  • the coil antenna element 14 shown here as, for example, rectangular individual element comprises a thin polymer film 15, running parallel in its outer region in the form of a rectangle with rounded corners
  • Printed conductors 16 applied, for example, are printed.
  • Aluminum or copper tracks can be designed are connected to each other at its two end points 17 via a preferably low-volume capacitor 18.
  • This arrangement corresponds to a resonator which can be designed in terms of its properties such that an effective permeability, which is smaller than 1 or even has a negative sign, results in a certain frequency range.
  • This has the advantage that the desired resonance behavior of the coil antenna elements and thus of the metamaterial can be tailored precisely to the operating frequency of the alternating magnetic field.
  • the following embodiment serves to illustrate the invention and is not to be construed as a limitation.
  • Mass% soft magnetic ferrite with a grain size with average grain diameter of about 5 mm about 40 mass% soft magnetic ferrite with a grain size with average grain diameter of about 0.25 mm (determination of the mean grain diameter in each case by sieve analysis), about 5 mass - Portland cement, about 0.5 mass% of liquefier and about 4.5% by mass of water by pouring into a mold and then curing a cuboid shaped body with 75 cm in length, 55 cm wide and 2.5 cm in height
  • the molding was provided on its upper outer surface with recesses into which a transformer coil was inserted. This was connected via leads to an inverter, via which the current for the provision of the alternating magnetic field was fed.
  • the operating frequency of the alternating field was set to a value of 85 kHz. This value is currently envisaged in the field of electromobility as a standard based on SAE standard J 2954.
  • a receiver coil having the identical dimensions as the transmitter coil has now been placed in the receiving position as a receiver arrangement, i. It was positioned as close as possible to the transmitter coil at a distance of 30 cm. Using a standard vector network analyzer, it was then measured at the receiver coil what percentage of the power provided by the transmitter coil was inductively transmitted to the receiver array. This percentage was about 88%.
  • the metamaterial to be used according to the invention was glued to the base surface as well as all side surfaces of the shaped body so that only the surface provided with the recesses remained free.
  • 50 successively arranged rows of 10 each were arranged side by side on a 200 .mu.m thick polyethylene terephthalate film by etching according to a method customary for the production of passive RFID labels
  • Coil antenna elements have been generated.
  • the individual elements each consisted of a quadrangular section of the film, on its periphery parallel to its Outside edges four parallel aluminum conductors (width about 1mm, spacing about 1.5 mm) were formed with rounded corners.
  • the tracks ended in two round endpoints, which were connected by a flat capacitor. From the operating frequency of the alternating magnetic field of 85 kHz was determined by resonant circuit calculation, that a suitable effective permeability Ueff ' ⁇ 1 can be achieved with a resonator whose inductance about 5 ⁇ and whose rated capacity is about 10 ⁇ ⁇ . As for the provision of this capacity suitable capacitors conventional flat ceramic capacitors corresponding specification could be used. In order to provide the appropriate adjusted inductance, the tracks were designed so that each individual element gave a total length of 1.2 m.
  • the transformer coil was inserted into the recesses of the molding and connected to the inverter.
  • the receiver coil with the identical dimensions as the transmitter coil was brought into the receiving position as a receiver arrangement, i. It was positioned as close as possible to the transmitter coil at a distance of 30 cm.
  • alternating magnetic field was operated as in the comparison arrangement with an operating frequency of 85 kHz.
  • Polymer film applied, a coil-forming conductor tracks and a capacitor integrated therein are constructed as a metamaterial thus allows for a small space requirement and low production costs a significant improvement in the efficiency of the inductive energy transfer.

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Abstract

The invention relates to a method for inductive energy transmission, wherein an alternating magnetic field (6) provided by a transmitting assembly (1) magnetically interacts with a receiving assembly (7). In order to reduce stray fields, the transmitting assembly (1) is at least partially provided with stray-field-shielding layer (12) of metamaterial in the region of the transmitting assembly that faces away from the receiving position of the receiving assembly. Said layer is formed from a plurality of identically constructed coil antenna elements (14), which are applied to a polymer film in planar, regular arrangement and which each comprise conducting tracks (16) forming a coil, having an integrated capacitor (18). By adjustment of the inductance and capacitance, the permeability of the layer (12) can be set in such a way that, at the operating frequency of the alternating magnetic field, a shielding effect and thus an effective reduction in the transmission losses due to stray fields are achieved. The coil antenna elements can be favorably designed in the manner of modified RFID elements.

Description

Verfahren zur Verringerung von Streufeldern bei der induktiven Energieübertragung.  Method for reducing stray fields during inductive energy transmission.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von Streufeldern bei der induktiven Energieübertragung, bei welchem ein durch eine eine Übertragerspule enthaltende The invention relates to a method for reducing stray fields in the inductive energy transmission, in which a by a transformer coil containing
Übertrageranordnung bereitgestelltes, eine im wesentlichen konstante Betriebsfrequenz aufweisendes magnetisches Wechselfeld in magnetische Wechselwirkung mit einer in eine Empfangsposition gebrachten, bevorzugt eine Empfängerspule enthaltenden Transmitter arrangement provided, having a substantially constant operating frequency having alternating magnetic field in magnetic interaction with a brought into a receiving position, preferably a receiver coil containing
Empfängeranordnung tritt, wobei die Übertrageranordnung in ihrem der Empfangsposition der Empfängeranordnung abgewandten Bereich eine Streufelder abschirmende Schicht aus Metamaterial aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Übertrageranordnung sowie eine Empfängeranordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, die Verwendung des Metamaterials in einem solchen Verfahren bzw. der in Übertrageranordnung oder der Empfängeranordnung, sowie die Verwendung des Metamaterials bei der induktiven Receiver arrangement occurs, wherein the Übertrageranordnung in its the receiving position of the receiver assembly remote area has a stray field shielding layer of metamaterial. The invention further relates to a transformer arrangement and a receiver arrangement for carrying out such a method, the use of the metamaterials in such a method or in Übertrageranordnung or the receiver assembly, and the use of the metamaterials in the inductive
Energieübertragung mittels magnetischer Wechselfelder, die eine im wesentlichen konstante Betriebsfrequenz aufweisen. Energy transfer by means of magnetic alternating fields, which have a substantially constant operating frequency.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der US 2013/0088090 bekannt. Dabei wird ein System eingesetzt, das im Grunde aus drei Hauptkomponenten, nämlich einer A method of the type mentioned is known from US 2013/0088090. In this case, a system is used, which basically consists of three main components, namely a
Energiequelle, einer magnetischen Übertrageranordnung und einer Empfängeranordnung, aufgebaut ist. Die beschriebene Übertrageranordnung umfasst eine ferrimagnetische Power source, a magnetic transformer assembly and a receiver assembly is constructed. The described transformer arrangement comprises a ferrimagnetic
Komponente, eine Spule und eine Abschirmung. Letztere hat die Aufgabe, unerwünschte Streufelder zu blockieren und dadurch eine verbesserte Energieübertragung zu ermöglichen. Als abschirmende Materialien können gemäß dieser Anmeldung Materialien mit  Component, a coil and a shield. The latter has the task of blocking unwanted stray fields and thereby enabling improved energy transfer. As shielding materials according to this application materials with
diamagnetischem Verhalten verwendet werden, wobei supraleitendes Material, Metamaterial, supraleitendes Metamaterial, ein aktiv angeregter Schaltkreis oder anderes diamagnetisches Material vorgeschlagen werden. Das Metamaterial kann unter anderem als sog. Split-ring- Resonator gestaltet sein, beispielsweise als Ringspulenstruktur auf einer Leiterplatte. Bei hohen Frequenzen kann dabei die Resonanz der Induktivität des Ringes mit seiner eigenen parasitären Kapazität ausreichen, um die gewünschte Resonanzfrequenz zu erreichen. Bei niedrigen Feldfrequenzen kann es erforderlich sein, das Material durch Hinzufügen eines externen Kondensators mit einer induktiven Spule in die für die Wirkung als Metamaterial erforderliche Resonanzstruktur zu bringen. Die beschriebenen Systeme sind für den Einsatz beim statischen oder dynamischen Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen vorgesehen. Die in der genannten Anmeldung vorgeschlagenen Supraleiter stellen zwar grundsätzlich ein verlustarmes diamagnetisches Material dar, zeigen das gewünschte Verhalten aber nur bei tiefen Temperaturen und kommen daher in der Praxis für einen Einsatz schon wegen des Aufwands für die benötigte Kühlung nicht in Frage. Weniger Aufwand für Kühlung würde die Verwendung von Metallabschirmungen erfordern, die aufgrund der induzierten diamagnetic behavior, superconducting material, metamaterial, superconducting metamaterial, an actively excited circuit or other diamagnetic material are proposed. The metamaterial can be designed inter alia as a so-called split-ring resonator, for example as a ring coil structure on a printed circuit board. At high frequencies, the resonance of the inductance of the ring with its own parasitic capacitance may be sufficient to achieve the desired resonant frequency. At low field frequencies it may be necessary to bring the material into the resonant structure required for the action as a metamaterial by adding an external capacitor with an inductive coil. The described systems are intended for use in static or dynamic charging of electrically powered vehicles. Although the superconductors proposed in the cited application fundamentally represent a low-loss diamagnetic material, they show the desired behavior only at low temperatures and are therefore out of the question in practice for use because of the expense for the cooling required. Less expense for cooling would require the use of metal shields due to the induced
Wirbelströme bei hohen Frequenzen ebenfalls effektiv diamagnetisches Verhalten aufweisen können. Die Wirbelströme führen jedoch unvermeidlich zu einer für den Wirkungsgrad nachteiligen Verminderung der Spulengüte. Das in der genannten Anmeldung ebenfalls als mögliches Abschirmmaterial genannte Eddy currents at high frequencies may also have effective diamagnetic behavior. However, the eddy currents inevitably lead to a disadvantageous for the efficiency reduction of the coil quality. The mentioned in the said application also as a possible shielding
Metamaterial erfordert, insbesondere wenn es um die Abschirmung größerer Flächen geht, den Einsatz einer Vielzahl von in ihrer Induktivität und Kapazität genau an die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes angepassten Einzelelementen. Es ist dabei schwierig und bei der Herstellung mit entsprechend großem Aufwand verbunden, für jedes der Einzelelemente einer solchen Vielzahl diese Parameter mit der erforderlichen Genauigkeit einzuhalten. Dies gilt insbesondere, wenn das Metamaterial, wie in der genannten Anmeldung vorgeschlagen, als sog. split-ring-Resonator gestaltet ist, beispielsweise als Leiterplatte mit leitfähiger Spule mit Spalt und mit den Spulenenden verbundenem Kondensator. Derartige Anordnungen weisen auch eine nicht zu vernachlässigende Dicke auf, was bei manchen Anwendungen, bei denen es auf geringen Platzbedarf ankommt, nachteilig ist. Metamaterial requires, especially when it comes to the shielding of larger areas, the use of a variety of in their inductance and capacitance exactly to the frequency of the alternating magnetic field matched individual elements. It is difficult and associated with the production of correspondingly great effort to comply with these parameters with the required accuracy for each of the individual elements of such a variety. This applies in particular if the metamaterial, as proposed in the cited application, is designed as a so-called split-ring resonator, for example as a printed circuit board with a conductive coil with a gap and a capacitor connected to the coil ends. Such arrangements also have a non-negligible thickness, which is disadvantageous in some applications where space is limited.
Die Aufgabe der Erfindung lag ausgehend von diesem Stand der Technik darin, ein The object of the invention was based on this prior art, a
Metamaterial für die Verwendung in dem Verfahren und in einer Übertrageranordnung sowie einer Empfangeranordnung anzugeben, welches bei geringem Platzbedarf eine effektive Abschirmung von Streufeldern ermöglicht, mit geringem Aufwand hergestellt werden kann und eine präzise Einhaltung der Parameter Induktivität und Kapazität ermöglicht. Specify metamaterial for use in the process and in a transformer assembly and a receiver assembly, which allows effective shielding of stray fields in a small footprint, can be produced with little effort and allows precise compliance with the parameters inductance and capacity.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dem Verfahren wird erfindungsgemäß die Schicht aus Metamaterial durch eine Vielzahl von identisch aufgebauten Spulenantennenelementen gebildet, welche in flächiger, regelmäßiger Anordnung auf eine Polymerfolie aufgebracht sind und jeweils eine Spule bildende This object is achieved by a method having the features of claim 1. In the method according to the invention the layer of metamaterial is formed by a plurality of identically constructed coil antenna elements, which are applied in a planar, regular arrangement on a polymer film and each forming a coil
Leiterbahnen mit integriertem Kondensator umfassen, deren Induktivität und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass die Schicht bei der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes Streufelder abschirmende Wirkung besitzt. Bevorzugte Ausfuhrungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt. Include interconnects with integrated capacitor whose inductance and capacitance are coordinated so that the layer at the operating frequency of the alternating magnetic field stray field has shielding effect. Preferred embodiments of the method according to the invention are shown in the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich zur Bildung der abschirmenden Schicht aus Metamaterial vorteilhaft Spulenantennenelemente verwenden, die im Prinzip ähnlich wie die in der RFID-Technologie (RFID = radio-frequency Identification, Identifizierung mittels elektromagnetischer Wellen) als Transponder (häufig auch als Funketikett bezeichnet) gebräuchlichen passiven Spulenantennenelemente gestaltet sind. Solche passiven In the method according to the invention can be used to form the shielding layer of metamaterial advantageous coil antenna elements, which in principle similar to those in RFID technology (RFID = radio-frequency identification, by means of electromagnetic waves) as a transponder (often referred to as radio tag) conventional passive coil antenna elements are designed. Such passive
Spulenantennenelemente haben den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu aktiven Coil antenna elements have the advantage of being in contrast to active ones
Spulenantennenelementen für ihre Funktion nicht auf eigene Energiequellen wie z.B. Coil antenna elements for their function not on their own energy sources such.
Batterien oder Akkus angewiesen sind, die zeitlich nicht unbeschränkt funktionsfähig bleiben. Als wesentliche Bestandteile umfassen die erfindungsgemäß verwendeten  Batteries or batteries are dependent, which do not remain unlimited in time. The essential constituents include those used according to the invention
Spulenantennenelemente in der Regel eine dünne, vorteilhaft flexible Trägerfolie aus Coil antenna elements usually a thin, advantageously flexible carrier film
Polymermaterial mit auf die Folie in Form einer Flachspule aufgebrachten Leiterbahnen mit integriertem Kondensator. Eine wesentliche Abwandlung gegenüber den meisten üblichen passiven RFID-Spulenantennenelementen liegt darin, dass in diese zum Speichern, Polymer material with printed conductors in the form of a flat coil with integrated capacitor. An essential modification to most common passive RFID coil antenna elements is that they can be stored in
Übertragen oder Auslesen von Informationen Transistorchips integriert sind, während die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Spulenantennenelemente keine solchen Transistorchips enthalten müssen, da diese für die erfindungsgemäß gewünschte Funktion, nämlich die weitgehende oder vollständige Abschirmung von Streufeldern, nicht benötigt werden. Transmission or readout of information transistor chips are integrated, while the coil antenna elements used in the method according to the invention need not contain such transistor chips, as these are not required for the present invention desired function, namely the extensive or complete shielding of stray fields.
Die flächige, regelmäßige Anordnung der Spulenantennenelemente auf einer Polymerfolie stellt letztlich ein Feld von Resonatoren dar, deren Resonanzfrequenz durch Abstimmung der zur Verfügung stehenden Induktivität und Kapazität, d.h. im wesentlichen über die Gestaltung der Leiterbahnen und Dimensionierung der Kondensatoren, in bestimmte gewünschte The planar, regular arrangement of the coil antenna elements on a polymer film is ultimately an array of resonators whose resonant frequency is tuned by tuning the available inductance and capacitance, i. essentially on the design of the tracks and dimensioning of the capacitors, in certain desired
Bereiche gebracht werden kann. Dementsprechend lassen sich bei vorgegebener Areas can be brought. Accordingly, can be at given
Betriebsfrequenz eines magnetischen Wechselfeldes die Induktivität und Kapazität der Leiterbahnen und Kondensatoren der jeweils identisch aufgebauten Spulenantennenelemente so aufeinander abstimmen, dass sie Resonatoren in einem Frequenzbereich darstellen, in dem keine oder nur geringe Durchlässigkeit für die notwendigerweise die Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes aufweisenden Streufelder zu erwarten ist. In diesem Operating frequency of an alternating magnetic field, the inductance and capacitance of the tracks and capacitors of each identically constructed coil antenna elements so coordinated that they represent resonators in a frequency range in which no or only low permeability for the necessarily the operating frequency of the alternating magnetic field having stray fields is to be expected. In this
Frequenzbereich, der in der Regel deutlich unterhalb der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes und typischerweise auch oberhalb der Resonanzfrequenz der einzelnen Spulenantennenelemente liegt, kann daher das jeweils vorliegende Kollektiv der Spulenantennenelemente als Metamaterial wirken, welches die Streufelder effektiv abzuschirmen vermag. Die dafür geeigneten Frequenzbereiche lassen sich beispielsweise mit Hilfe der Kurven abschätzen, die für das jeweilige Metamaterial die Frequenzabhängigkeit der Permeabilität
Figure imgf000006_0001
Ueff' ') darstellen. Solche Kurven können beispielsweise durch
Frequency range, which is usually well below the operating frequency of the alternating magnetic field and typically also above the resonant frequency of the individual Coil antenna elements is, therefore, the respective present collective of the coil antenna elements can act as a metamaterial, which is able to effectively shield the stray fields. The frequency ranges suitable for this purpose can be estimated, for example, with the aid of the curves which determine the frequency dependence of the permeability for the respective metamaterial
Figure imgf000006_0001
Ueff ''). Such curves can, for example, by
Messungen, oftmals aber auch mit Hilfe von Simulationsrechnungen erstellt werden. Unter Uef ' ist dabei die reale Komponente, unter Uefr" die imaginäre Komponente der effektiven Permeabilität zu verstehen. Der Begriff„effektive Permeabilität" soll im Rahmen der vorliegenden Anmeldung im Sinne derjenigen Bedeutung verwendet werden, die von  Measurements, but often also be created with the help of simulation calculations. Under Uef 'is the real component, under Uefr "to understand the imaginary component of the effective permeability.The term" effective permeability "is to be used in the context of the present application in the sense of those meaning of
J.B.Pendry für Metamaterialstrukturen entwickelt wurde und beispielsweise in dem Artikel J.B.Pendry et al., IEEE TRANSACTIONS ON MICRO WAVE THEORY AND J.B. Pendry was developed for metamaterial structures and, for example, in J.B. Pendry et al., IEEE TRANSACTIONS ON MICRO WAVE THEORY AND
TECHNIQUES, VOL. 47, NO. 11, NOVEMBER 1999, Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena dargelegt ist. Für die Erzielung einer Streufelder abschirmenden Wirkung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Induktivität und Kapazität so aufeinander abzustimmen, dass sich bei der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes eine effektive Permeabilität von Ueff'< 1, vorzugsweise zwischen 1 und 0, insbesondere zwischen 0,2 und 0 ergibt. Mit besonderem Vorteil werden Induktivität und Kapazität so abgestimmt, dass bei dem Metamaterial die Frequenz, bei welcher der Schnittpunkt des Kurvenverlaufs von Ueff' und Ueff" liegt, in etwa der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes entspricht. Dabei ist es nicht erforderlich, dass diese Frequenzen genau übereinstimmen; in den meisten Fällen ist ein Toleranzbereich von + 20%, vorteilhaft + 10% ausreichend, um eine geringe Durchlässigkeit des Metamaterials für das vorliegende Magnetfeld und damit auch eine effektive TECHNIQUES, VOL. 47, NO. 11, NOVEMBER 1999, Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena. For the achievement of a stray field shielding effect, it has proved to be advantageous to match the inductance and capacitance to each other so that at the operating frequency of the alternating magnetic field an effective permeability of Ueff '<1, preferably between 1 and 0, in particular between 0.2 and 0. With particular advantage inductance and capacitance are tuned so that metamaterial in the frequency at which the intersection of the curve of Ueff 'and Ueff "is approximately equal to the operating frequency of the alternating magnetic field.However, it is not necessary that these frequencies exactly In most cases, a tolerance range of + 20%, advantageously + 10%, is sufficient to ensure a low permeability of the metamaterial for the present magnetic field and thus also an effective
Abschirmung von Streufeldern zu erzielen. Shielding of stray fields to achieve.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann über ein breites Frequenzspektrum eingesetzt werden und wird besonders günstig in Bereichen verwendet, wo Magnetfelder mit standardisierten Betriebsfrequenzen bereitgestellt werden. Beispiele für solche Anwendungsbereiche sind die induktive Energieübertragung im Bereich der Elektromobilität, wo sich Betriebsfrequenzen der Magnetfelder zwischen 10 kHz bis 100 kHz bewährt haben, wobei durch Übereinkunft als Standard-Betriebsfrequenz 85 kHz festgelegt wurde. Auf dem Gebiet der Wärmeerzeugung sind hingegen als im wesentlichen konstante Betriebsfrequenzen solche gebräuchlich, die zumeist aus dem Bereich von 10 kHz bis 50 MHz ausgewählt werden. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, die Untergrenze bis ca. 50 Hz abzusenken. Allgemein hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes möglichst geringen Schwankungen unterworfen ist. So sollte zweckmäßig die jeweils vorgesehene Betriebsfrequenz mit einer Genauigkeit von mindestens + 5%, bevorzugt mindestens + 2%, besonders bevorzugt + 1% eingehalten werden. Die Vorteile der Erfindung kommen zumeist dann besonders zum Tragen, wenn hohe Energiemengen übertragen werden, so dass durch Streufelder verursachte Energieverluste und/oder Risiken bezüglich der elektromagnetischen Umweltverträglichkeit nicht vernachlässigbar sind. Dies gilt in hohem Maße beispielsweise für die induktive Energieübertragung im Bereich der Elektromobilität. The method according to the invention can be used over a wide frequency spectrum and is used particularly favorably in areas where magnetic fields with standardized operating frequencies are provided. Examples of such applications are the inductive energy transfer in the field of electromobility, where operating frequencies of the magnetic fields have proven between 10 kHz to 100 kHz, which was determined by convention as the standard operating frequency 85 kHz. In the field of heat generation, on the other hand, as essentially constant operating frequencies, those which are mostly selected from the range of 10 kHz to 50 MHz are used. It is not excluded to lower the lower limit to about 50 Hz. In general, it has proved to be advantageous if the operating frequency of the alternating magnetic field is subjected to the smallest possible fluctuations. Thus, the respectively intended operating frequency should expediently be maintained with an accuracy of at least + 5%, preferably at least + 2%, particularly preferably + 1%. The advantages of the invention are usually particularly noticeable when high amounts of energy are transferred, so that energy losses caused by stray fields and / or risks with regard to electromagnetic environmental compatibility are not negligible. This applies to a large extent, for example, for the inductive energy transfer in the field of electromobility.
Ein Vorteil bei der Verwendung von Spulenantennenelementen, die in der Art von An advantage of using coil antenna elements which are in the nature of
modifizierten RFID-Spulenantennenelementen gestaltet sind, liegt darin, dass man für ihre Herstellung auf die in der RFID-Technologie zur Verfügung stehenden und bewährten Verfahren zurückgreifen kann. Diese Herstellungsverfahren sind dem Fachmann bekannt; als Beispiel sei auf die in der US 2006/0043199 AI beschriebenen Verfahren verwiesen. In der Regel werden bei der Herstellung die jeweils gewählten Spulenmuster in an sich bekannter Weise in Form von Leiterbahnen auf eine Polymerträgerfolie aufgebracht, und zwar zumeist mittels Druck- oder Ätzverfahren. Dies kann beispielsweise mit besonderem Vorteil durch Druckverfahren unter Verwendung leitfähiger Tinten, beispielsweise Stempeldruck oder Tintenstrahldruck, aber auch durch Ätzen, beispielsweise Trockenätzen von metallisierten Trägerfolien, oder durch galvanische Abscheidung, Sputtern oder photolithographische Verfahren geschehen. modified RFID coil antenna elements, is that you can rely on the available and proven in RFID technology for their production process. These production methods are known to the person skilled in the art; as an example, reference is made to the methods described in US 2006/0043199 A1. As a rule, during production, the respectively selected coil patterns are applied in a manner known per se in the form of printed conductors to a polymer carrier film, to be precise by means of printing or etching processes. This can be done for example with particular advantage by printing processes using conductive inks, such as stamp printing or inkjet printing, but also by etching, for example dry etching of metallized carrier films, or by electrodeposition, sputtering or photolithographic processes.
Als Materialien, welche die elektrische Leitfähigkeit der Leiterbahnen gewährleisten, kommen vorzugsweise Metalle, insbesondere Aluminium oder Kupfer, aber auch Silber, Gold oder Nickel, gegebenenfalls auch in Form von Legierungen, in Frage. Erfahrungsgemäß haben sich bei Druck- oder galvanischen Abscheidungsverfahren Kupfer oder Silber bewährt, beispielsweise für leitfähige Tinten, während für Ätzverfahren in oftmals auf Aluminium zurückgegriffen wird. Auch aus Kostengründen wird vielfach Aluminium bevorzugt. Diese Angaben sind jedoch nicht im Sinne einer Beschränkung zu verstehen; in manchen Fällen kann es auch zweckmäßig sein, beispielsweise Leiterbahnen auf der Basis von leitfähigen Polymeren zu verwenden. Die Leiterbahnen werden vorteilhaft so auf die Trägerfolie aufgebracht, dass sie sich an der Peripherie der Spulenantennenelemente in ihrer jeweils vorgesehenen Flächenform befinden, während der Zentralbereich der Elemente von Leiterbahnen freigehalten wird. Dies hat nicht nur den Vorteil der Materialersparnis, sondern hat sich auch als günstig für die Verringerung und Abschirmung von Streufeldern erwiesen. Grundsätzlich sind allerdings auch As materials, which ensure the electrical conductivity of the conductor tracks, are preferably metals, in particular aluminum or copper, but also silver, gold or nickel, optionally also in the form of alloys in question. Experience has shown that in printing or electrodeposition processes copper or silver have proven useful, for example for conductive inks, while etching is often used in aluminum. For cost reasons, aluminum is often preferred. However, this information is not intended to be limiting; In some cases, it may also be expedient, for example, to use conductive tracks based on conductive polymers. The conductor tracks are advantageously applied to the carrier foil in such a way that they are located on the periphery of the coil antenna elements in their respectively provided surface form, while the central region of the elements is kept free of conductor tracks. This not only has the advantage of saving material but has also been found to be beneficial for reducing and shielding stray fields. Basically, however, too
Ausführungsformen nicht ausgeschlossen, bei denen die Leiterbahnen die gesamte verfügbare Oberfläche der Spulenantennenelemente benützen. Bewährt hat es sich weiterhin, im  Embodiments are not excluded in which the traces utilize the entire available surface area of the coil antenna elements. It has continued to prove itself in the
Eckenbereich die Leiterbahnen kurvig verlaufen zu lassen und Spitzen zu vermeiden. Die Flächenform der Spulenantennenelemente wird zweckmäßig so gewählt, dass eineCorner area to run the tracks curvy and tips to avoid. The surface shape of the coil antenna elements is suitably chosen so that a
Vielzahl von ihnen in eine möglichst dichte flächige Anordnung zueinander gebracht werden kann. Günstig sind daher rechteckige oder quadratische ebenso wie trigonale oder hexagonale Formen, mit denen sich eine annähernd vollständige Flächenbedeckung erzielen lässt, wenn die Elemente flächig in Reihen und diese Reihen neben- bzw. über- oder untereinander angeordnet sind. In den Fällen, in denen eine solche vollständige Flächenbedeckung nicht zwingend erforderlich ist, können auch kreisförmige, ovale oder polygonale, z.B. oktogonale Spulenantennenelemente zum Einsatz kommen. Allgemein hat es sich als günstig erwiesen, jeweils eine Vielzahl von Spulenantennenelementen auf eine Trägerfolienbahn aufzubringen. Während zur Erzeugung von RFID-Funketiketten noch ein Vereinzelungsschritt Variety of them can be brought into a dense planar arrangement to each other. Favorable are therefore rectangular or square as well as trigonal or hexagonal shapes, with which an approximately complete area coverage can be achieved if the elements are arranged in rows in rows and these rows next to or above or below each other. In cases where such full area coverage is not mandatory, circular, oval or polygonal, e.g. octagonal coil antenna elements are used. In general, it has proved to be advantageous to apply a plurality of coil antenna elements in each case to a carrier film web. While for the production of RFID tags still a singulation step
vorgenommen werden muss, kann auf eine solche Vereinzelung der Elemente in der Regel verzichtet werden, wenn es um die Verwendung als Metamaterial geht. Diese erfordert nämlich eine regelmäßige, beispielsweise periodische Anordnung der Spulenantennenelemente. Besonders günstig ist es daher, die Vielzahl der Einzelelemente bereits in der Anordnung zueinander auf die Trägerfolienbahn aufzubringen, wie sie für die Verwendung als Metamaterial vorgesehen und erforderlich ist. Erfahrungsgemäß sollte die Anzahl der Einzelelemente mindestens 4 betragen, damit die abschirmende Wirkung des Metamaterials zum Tragen kommt. Sie kann jedoch in vielen Fällen deutlich höher sein, beispielsweise wenn durch die Schicht aus Metamaterial Flächen abgeschirmt werden sollen, die erheblich größer als die Fläche eines einzelnen Spulenantennenelements sind. In der Regel wird man auch die Flächenform und Flächenausdehnung der Spulenantennenelemente dahingehend auswählen, dass sie einerseits die Leiterbahnen in der erforderlichen Länge und den can be made, such a separation of the elements is usually waived when it comes to use as a metamaterial. This requires a regular, for example, periodic arrangement of the coil antenna elements. It is therefore particularly advantageous to apply the plurality of individual elements already in the arrangement to one another on the carrier film web, as provided and required for use as a metamaterial. Experience has shown that the number of individual elements should be at least 4, so that the shielding effect of the metamaterials comes into play. However, it may in many cases be significantly higher, for example, when shielding surfaces that are significantly larger than the area of a single coil antenna element by the layer of metamaterial. In general, one will also select the surface shape and area extent of the coil antenna elements to the effect that they on the one hand, the conductor tracks in the required length and the
Kondensator aufnehmen können, und andererseits eine möglichst vollständige Ausnutzung der Folienbreite gestatten. Dabei kann der Abstand der Einzelelemente voneinander gering gehalten werden und lässt sich oft auf bis zu 1,5 mm reduzieren. In vielen Fällen ist es möglich, für den Verlauf der Leiterbahnen bei RFID-Elementen gebräuchliche Muster beizubehalten, während lediglich der Kondensator angepasst wird, um ein für die Anwendung als Metamaterial geeignetes Resonatorverhalten zu erzielen, das bei den für die induktive Energieübertragung verwendeten Frequenzen des magnetischen Wechselfeldes wirksam werden kann. In manchen Fällen kann es auch erforderlich sein, jeweils zwei oder mehr benachbarte Einzelelemente elektrisch zu verbinden, beispielsweise durch Parallelschaltung, um den resultierenden Widerstand zu verringern. Es kann es auch zweckmäßig sein, eine beidseitig mit Spulenantennenelementen versehene Trägerfolienbahn zu verwenden, deren Leiterbahnen z. B. durch leitfähige Durchgangslöcher (Vias) miteinander verbunden sind. Capacitor can record, and on the other hand allow the fullest possible use of the film width. In this case, the distance of the individual elements from each other can be kept low and can often be reduced to up to 1.5 mm. In many cases it is it is possible to maintain conventional patterns for the course of the interconnects in RFID elements, while only the capacitor is adapted to achieve a resonator behavior suitable for use as a metamaterial, which can be effective at the frequencies of the alternating magnetic field used for inductive energy transmission. In some cases, it may also be necessary to electrically connect each two or more adjacent individual elements, for example by parallel connection, in order to reduce the resulting resistance. It may also be appropriate to use a bilaterally provided with coil antenna elements carrier film web, the conductor tracks z. B. interconnected by conductive through holes (vias).
Erfahrungsgemäß sollte dann die Anzahl der solcherart erzeugten Verbundelemente mindestens vier betragen, um die abschirmende Wirkung des Metamaterials zu gewährleisten. Experience has shown that the number of composite elements produced in this way should then be at least four in order to ensure the shielding effect of the metamaterial.
Die Foliendicke der Trägerfolie liegt zweckmäßig im Bereich von 10 bis 300 μηι, vorteilhaft 20 bis 250 μπι, inbesondere 25 bis 125 μιη. Als Folienmaterial werden in der Regel die in der RFID-Technologie üblichen Polymere verwendet, wie beispielsweise solche auf Basis von Polyethylen, Polypropylen, Polyimid oder vorzugsweise Polyethylenterephthalat. Bei der Erzeugung des Leiterbahnenmusters durch Ätzverfahren kann es zweckmäßig sein, als Ausgangsmaterial eine metallisierte Polymerfolie, beispielsweise eine mit Aluminium beschichtete Polyethylenterephthalatfolie, zu verwenden. The film thickness of the carrier film is suitably in the range of 10 to 300 μηι, advantageously 20 to 250 μπι, in particular 25 to 125 μιη. As a film material usually used in RFID technology polymers are used, such as those based on polyethylene, polypropylene, polyimide or preferably polyethylene terephthalate. In the case of the production of the printed conductor pattern by etching processes, it may be expedient to use as starting material a metallized polymer film, for example an aluminum-coated polyethylene terephthalate film.
Durch die Dimensionierung der Leiterbahnen im Hinblick auf Länge, Querschnitt und Abstand voneinander sowie die Anzahl der Windungen kann die Induktivität der gebildeten Spule eingestellt werden. Sie richtet sich in der Regel nach der vorgegebenen By dimensioning the tracks in terms of length, cross-section and distance from each other and the number of turns, the inductance of the coil formed can be adjusted. It usually depends on the given
Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes, den sich daraus ergebenden Operating frequency of the alternating magnetic field, the resulting
Resonanzbedingungen, und den dabei zu erwartenden Strömen und Spannungen. Resonance conditions, and the expected currents and voltages.
Beispielsweise haben sich für Magnetfelder, deren Betriebsfrequenz im für Anwendungen auf dem Gebiet der Elektromobilität interessanten Bereich von 10 kHz bis 100 kHz liegt, For example, for magnetic fields whose operating frequency is in the range of 10 kHz to 100 kHz of interest for applications in the field of electromobility,
Leiterbahnen mit einer Breite von 0,5 bis 5 mm und einer Länge von 0,1 bis 10 m, Printed conductors with a width of 0.5 to 5 mm and a length of 0.1 to 10 m,
vorzugsweise 0,5 bis 5 m bewährt, wobei die Anzahl der Windungen zweckmäßig zwischen 2 und 20, günstig zwischen 2 und 12 gewählt wird. Oftmals kann aus Platzgründen die preferably 0.5 to 5 m proven, the number of turns is suitably between 2 and 20, favorably chosen between 2 and 12. Often, for reasons of space, the
Obergrenze von 12 Windungen nicht überschritten werden. Allgemein lässt sich die optimale Dimensionierung beispielsweise durch Simulationsrechnungen, gegebenenfalls in Verbindung mit Vorversuchen ermitteln. Die Kapazität, die bei den einzelnen Spulenantennenelementen für die Erzeugung des zu der gewünschten abschirmenden Wirkung des Metamaterials führenden Frequenzverhaltens erforderlich ist, kann zweckmäßig durch übliche Kondensatoren bereitgestellt werden. Upper limit of 12 turns should not be exceeded. In general, the optimum dimensioning can be determined, for example, by simulation calculations, possibly in conjunction with preliminary tests. The capacitance required by the individual coil antenna elements for generating the frequency response leading to the desired shielding effect of the metamaterial can be conveniently provided by conventional capacitors.
Günstig werden dafür möglichst flache oder kleinvolumige Kondensatoren ausgewählt, um, wenn diese zur Ausbildung der Spulenantennenelemente in die Leiterbahnen integriert werden, den Überstand über die Folienoberfläche und damit deren Unebenheit möglichst gering zu halten. Bewährt haben sich beispielsweise Keramikkondensatoren, insbesondere keramische Vielschichtkondensatoren (MLLC) oder Polymerkondensatoren, da sie einerseits in geringer Größe zur Verfügung stehen und andererseits auch eine hohe Robustheit gegenüber bisweilen auftretenden hohen Stromstärken aufweisen. Die Kondensatoren werden in der Regel in der Weise integriert, dass ihre Zuleitungen mit den Endpunkten der in Conveniently, as flat as possible or small-volume capacitors are selected to, if they are integrated to form the coil antenna elements in the interconnects to keep the supernatant on the film surface and thus their unevenness as low as possible. For example, ceramic capacitors, in particular ceramic multilayer capacitors (MLLC) or polymer capacitors, have proven to be useful, since they are available on the one hand in a small size and, on the other hand, also have a high degree of robustness against high current intensities which sometimes occur. The capacitors are usually integrated in such a way that their supply lines with the endpoints of the in
Spulenform aufgebrachten Leiterbahnen verbunden sind. Die jeweils erforderliche Kapazität lässt sich beispielsweise mit Hilfe von Simulationsrechnungen abschätzen und gegebenenfalls in Verbindung mit Vorversuchen optimieren. Als Richtwert kann dabei z.B. derjenige Kapazitätsbereich verwendet werden, innerhalb dessen sich in Verbindung mit der vorliegenden Induktivität ein Verhalten der Resonatoren ergibt, das bei der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes eine effektive Permeabilität von Ueff'< 1 bewirkt. Um ein definiertes, reproduzierbares und einheitliches Verhalten der einzelnen Coil form applied conductor tracks are connected. The respective required capacity can be estimated, for example, with the help of simulation calculations and, if necessary, optimized in connection with preliminary tests. As a guide, e.g. that capacitance range can be used within which, in conjunction with the present inductance, a behavior of the resonators results, which causes an effective permeability of Ueff '<1 at the operating frequency of the alternating magnetic field. To a defined, reproducible and uniform behavior of the individual
Spulenantennenelemente als Resonatoren innerhalb der Vielzahl und damit des Metamaterials insgesamt zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, bei den jeweils gewählten Kondensatoren darauf zu achten, dass die angegebenen Kapazitäten möglichst geringen Schwankungen unterliegen und innerhalb enger Toleranzen möglichst genau eingehalten werden. In der Regel sind dabei Schwankungen um etwa ±_5% noch akzeptabel; vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Schwankungen nur ±2%, insbesondere nur + 1% betragen. In den meisten Fällen reduziert sich die abschirmende Wirkung des Metamaterials, wenn die Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren innerhalb der Vielzahl um + 10% oder mehr auseinanderliegen. Es hat sich bewährt, die Spulenantennenelemente mit einer oder mehreren Schutzschichten zu versehen, beispielsweise indem die Ober- und/oder Unterseite mit einer oder mehreren weiteren Folienschichten überzogen wird. Günstig wird dabei auch der Kondensator durch die Schutzfolie eingeschlossen. Die Schutzfolien können beispielsweise aufgeklebt oder auflaminiert werden. Obwohl für sie grundsätzlich dasselbe Polymermaterial wie für die Trägerfolie verwendet werden kann, ist dies nicht zwingend vorgeschrieben. So können als Schutzfolien nicht nur solche auf Basis Polyethylen, Polypropylen, Polyimid oder To ensure coil antenna elements as resonators within the plurality and thus of the metamaterials overall, it is advantageous to make sure that the specified capacitances are subject to the lowest possible fluctuations in the selected capacitors and are kept within close tolerances as accurately as possible. As a rule, fluctuations of about ± _5% are still acceptable; however, it is advantageous if the fluctuations amount to only ± 2%, in particular only + 1%. In most cases, the shielding effect of the metamaterial is reduced when the capacitances of the individual capacitors within the plurality are + 10% or more apart. It has proven useful to provide the coil antenna elements with one or more protective layers, for example, by covering the top and / or bottom with one or more further film layers. Conveniently, the capacitor is enclosed by the protective film. The protective films can be glued or laminated, for example. Although for them basically the same polymer material as for the Carrier film can be used, this is not mandatory. Thus, as protective films not only those based on polyethylene, polypropylene, polyimide or
Polyethylenterephthalat eingesetzt werden, sondern auch solche auf Basis von beispielsweise siliciumorganischen Polymeren. Es ist gleichfalls möglich, anstelle von oder zusätzlich zu Schutzfolien eine oder mehrere Schutzlackschichten aufzubringen. Dies kann beispielsweise dann zweckmäßig sein, wenn die Folienoberfläche zusätzlich hydrophobiert oder farblich gekennzeichnet werden soll. Durch die Verwendung von solchermaßen mit Schutzfolien und/oder Schutzlack versehenen Spulenantennenelementen als Metamaterial kann das erfindungsgemäße Verfahren auch unter Bedingungen eingesetzt werden, bei denen das Material hohen mechanischen, thermischen oder klimatischen Belastungen ausgesetzt sein kann, wie beispielsweise bei manchen Anwendungen im Bereich der Elektromobilität. Polyethylene terephthalate are used, but also those based on, for example, organosilicon polymers. It is also possible to apply one or more protective lacquer layers instead of or in addition to protective films. This can be useful, for example, if the film surface is also to be rendered hydrophobic or color-coded. By using coil antenna elements provided as such with protective films and / or protective lacquer as the metamaterial, the method according to the invention can also be used under conditions in which the material can be exposed to high mechanical, thermal or climatic stresses, as for example in some applications in the field of electromobility.
Es ist bekannt, dass bei der induktiven Energieübertragung durch die Verwendung von Metamaterial neben der vorstehend beschriebenen abschirmenden Wirkung auch eine Fokussierung des jeweils bereitgestellten Magnetfeldes erzielt werden kann. Diese Wirkung, welche manchmal auch als„magnetische Linse" bezeichnet wird, kann ebenfalls zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades bei der induktiven Energieübertragung von einer It is known that in inductive energy transmission by the use of metamaterial in addition to the shielding effect described above, a focus of the respective provided magnetic field can be achieved. This effect, which is sometimes referred to as "magnetic lens" can also improve the efficiency of the inductive energy transfer of a
Übertrageranordnung auf eine Empfängeranordnung verwendet werden. Eine solche Transformer arrangement can be used on a receiver assembly. Such
Einsatzmöglichkeit ist für Metamaterial z.B. in IEEE TRANSACTIONS ON MICRO W AVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 64, NO.5, MAY 2016, p. 1644 - 1654 beschrieben. Der Artikel verweist insbesondere darauf, dass der hohe Raumbedarf der bisher bekannten Metamaterialzellen ihrer breiten Anwendung entgegensteht, und stellt als Lösung des Problems eine vergleichsweise kompakte Anordnung vor, bei der Metamaterial mit Use is possible for metamaterial e.g. in IEEE TRANSACTIONS ON MICRO W AVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 64, NO.5, MAY 2016, p. 1644-1654. The article refers in particular to the fact that the high space requirement of the previously known metamaterial cells precludes their widespread use, and presents as a solution to the problem a comparatively compact arrangement in which metamaterial with
Dickenabmessungen im Zentimeterbereich in der Art einer magnetischen Linse in den Zwischenraum zwischen Übertrager- und Empfängerspule eingebracht wird und so eine Verbesserung der induktiven Energieübertragung bewirkt. Thickness dimensions in the centimeter range in the manner of a magnetic lens in the space between the transformer and receiver coil is introduced, thus causing an improvement in the inductive energy transfer.
Jedoch ist der Raumbedarf solcher Metamaterialien mit Dickenabmessungen im However, the space requirements of such metamaterials with thickness dimensions in the
Zentimeterbereich für manche Anwendungen immer noch zu hoch. Eine weitere Aufgabe der Erfindung lag also darin, ein Metamaterial anzugeben, das bei geringem Raumbedarf eine Fokussierung des durch die Übertrageranordnung bereitgestellten magnetischen Centimeter range still too high for some applications. A further object of the invention was therefore to specify a metamaterial which, with a small space requirement, focusses the magnetic field provided by the transformer arrangement
Wechselfeldes ermöglicht und auf diese Weise die induktive Energieübertragung auf die Empfangeranordnung weiter verbessert. Diese Aufgabe wird durch eine Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, bei welcher die Übertrageranordnung in ihrem der Empfangsposition der Alternating field allows and in this way further improves the inductive energy transfer to the receiver. This object is achieved by an embodiment of the method according to the invention, in which the Übertrageranordnung in their the receiving position of
Empfangeranordnung zugewandten Bereich eine das magnetische Wechselfeld fokussierende Schicht aus Metamaterial aufweist, die durch eine Vielzahl von identisch aufgebauten Spulenantennenelementen gebildet wird, welche in flächiger, regelmäßiger Anordnung auf eine Polymerfolie aufgebracht sind und jeweils eine Spule bildende Leiterbahnen mit integriertem Kondensator umfassen, deren Induktivität und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass die Schicht bei der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes das Magnetfeld fokussierende Wirkung hat. Diese Wirkung kann dann erreicht werden, wenn sich bei der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes für die Schicht aus A receiver facing the array has a magnetic alternating field focusing layer of metamaterial, which is formed by a plurality of identically constructed coil antenna elements, which are applied in a flat, regular arrangement on a polymer film and each comprise a coil-forming conductor tracks with integrated capacitor whose inductance and capacitance are matched to one another such that the layer has the magnetic field focusing effect at the operating frequency of the alternating magnetic field. This effect can be achieved if the operating frequency of the alternating magnetic field for the layer
Metamaterial eine effektive Permeabilität von Ueff '< 0 ergibt. Metamaterial results in an effective permeability of Ueff '<0.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass das für die Fokussierung des An advantage of this embodiment is that it is necessary for the focusing of the
Magnetfeldes verwendete Metamaterial analog dem Metamaterial aufgebaut sein kann, das vorstehend für die Verwendung zur Abschirmung der Streufelder beschrieben ist. Magnetic metamaterial may be constructed analogous to the metamaterial described above for use in shielding the stray fields.
Grundsätzlich lassen sich daher die eingangs für das abschirmende Metamaterial erläuterten Merkmale, z.B. bezüglich Herstellung, Struktur, Materialien und dergl., analog auch auf das mit fokussierender Wirkung eingesetzte Metamaterial übertragen. Diese vorstehend gemachten Angaben gelten sinngemäß auch für die vorliegende Ausführungsform, so dass auf eine erneute Erläuterung verzichtet werden kann.  In principle, therefore, the features explained in the introduction for the screening metamaterial, e.g. in terms of production, structure, materials and the like., Analogously transferred to the metamaterial used with focusing effect. These statements made above apply mutatis mutandis to the present embodiment, so that can be dispensed with a new explanation.
Als wesentlicher Unterschied gegenüber dem abschirmenden Metamaterial ist jedoch zu beachten, dass bei dem mit fokussierender Wirkung verwendeten Metamaterial die However, as an essential difference from the shielding metamaterial, it should be noted that the metamaterial used with the focusing effect has the
Leiterbahnen und der Kondensator bezüglich Induktivität und Kapazität so zu gestalten sind, dass sich bei der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes eine effektive Conductors and the capacitor with respect to inductance and capacitance are to be designed so that at the operating frequency of the alternating magnetic field an effective
Permeabilität mit negativem Vorzeichen, d.h. Ueff '< 0, vorzugsweise zwischen -0,5 und -1, insbesondere zwischen -0,8 und -1 ergibt. Auch in diesen Fällen wird die geeignete  Permeability with negative sign, i. Ueff '<0, preferably between -0.5 and -1, in particular between -0.8 and -1. Even in these cases, the appropriate
Gestaltung und Dimensionierung der Leiterbahnen und Kondensatoren der Design and dimensioning of the tracks and capacitors of the
Spulenantennenelemente vorteilhaft durch Simulationsrechnungen ermittelt und an Hand von Vorversuchen optimiert. Coil antenna elements advantageously determined by simulation calculations and optimized on the basis of preliminary tests.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Übertrageranordnung. Derartige Übertrageranordnungen weisen im wesentlichen eine Übertragerspule auf, die von einem Formkörper aus einem magnetisierbaren Werkstoff umgeben ist, wobei die Übertragerspule in zur Empfangsposition der Empfangeranordnung hin offene Ausnehmungen des Formkörpers eingebettet ist und der Formkörper in seinem der Empfangsposition der Empfängeranordnung abgewandten Bereich zumindest teilweise mit zumindest einer abschirmenden Schicht aus dem Metamaterial versehen ist. In einer The invention further includes a transducer assembly suitable for use in the method of the invention. Such transformer arrangements essentially have a transformer coil, which consists of a molded body of a magnetizable material is surrounded, wherein the transmitter coil is embedded in the receiving position of the Empfangeranordnung open recesses of the shaped body and the molded body is provided in its receiving position of the receiver assembly remote area at least partially with at least one shielding layer of the metamaterial. In a
Ausführungsform der Erfindung kann die Übertrageranordnung im der Empfangsposition der Empfangeranordnung zugewandten Bereich mit einer das Magnetfeld fokussierenden Schicht aus dem Metamaterial versehen sein. Wie bereits vorstehend bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für das verwendete Metamaterial erläutert, wird die dort beschriebene flächige, periodische Anordnung einer Vielzahl von identisch aufgebauten Spulenantennenelementen als Metamaterial verwendet, welche jeweils aus auf eine Polymerfolie aufgebrachten, eine Spule bildenden Leiterbahnen und einem darin integrierten Kondensator aufgebaut sind, deren Induktivität und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass sich bei der According to an embodiment of the invention, the transmitter arrangement can be provided with a magnetic material-focusing layer of the metamaterial in the region facing the receiver position of the receiver arrangement. As already explained above in the method according to the invention for the metamaterial used, the flat, periodic arrangement of a multiplicity of identically constructed coil antenna elements described therein is used as the metamaterial, which are respectively constructed of conductor tracks applied to a polymer film, forming a coil, and a capacitor integrated therein , whose inductance and capacity are coordinated so that in the
Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes für die Schicht aus Metamaterial eine Streufelder abschirmende Wirkung ergibt (d.h. eine effektive Permeabilität von Ucfr '< 1, vorzugsweise zwischen 1 und 0, insbesondere zwischen 0,2 und 0), und für die gemäß der genannten Ausfuhrungsform gegebenenfalls vorhandene Schicht aus Metamaterial eine das Magnetfeld fokussierende Wirkung (d.h. eine effektive Permeabilität von Ueff '< 0, vorzugsweise zwischen -0,5 und -1, insbesondere zwischen -0,8 und -1). Als magnetisierbarer Werkstoff für den Formkörper wird vorzugsweise magnetisierbarer Beton verwendet. Dieser enthält zumeist Partikel eines oder mehrerer weichmagnetischer Werkstoffe, die vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe der Weichferrite, der nanokristallinen Metalle, der amorphen Metalle und der metallischen Pulver. Die Partikel sind in der Regel in eine Matrix eines für Betone verwendbaren Bindemittels eingearbeitet, für welches vorteilhaft verfestigter hydraulischer Zement, Weißzement, Portlandzement oder Bitumen ausgewählt wird. Der Gewichtsanteil des jeweils ausgewählten weichmagnetischen Werkstoffes liegt günstig bei mindestens 80 Gewichtsprozent, bevorzugt 85 bis 95 Operating frequency of the alternating magnetic field for the layer of metamaterial results in a stray field shielding effect (ie an effective permeability of Ucfr '<1, preferably between 1 and 0, in particular between 0.2 and 0), and for the according to said embodiment optionally present layer from metamaterial a magnetic field focusing effect (ie an effective permeability of Ueff '<0, preferably between -0.5 and -1, in particular between -0.8 and -1). Magnetisable concrete is preferably used as the magnetizable material for the shaped body. This usually contains particles of one or more soft magnetic materials, which are preferably selected from the group of soft ferrites, the nanocrystalline metals, the amorphous metals and the metallic powder. The particles are usually incorporated into a matrix of a binder which can be used for concretes, for which advantageously solidified hydraulic cement, white cement, Portland cement or bitumen is selected. The proportion by weight of each selected soft magnetic material is favorably at least 80 weight percent, preferably 85 to 95
Gewichtsprozent. In manchen Fällen können jedoch die Gewichtsanteile bis zu einer Weight. In some cases, however, the weight fractions up to one
Untergrenze von etwa 60 Gewichtsprozent abgesenkt bzw. bis zu einer Obergrenze von etwa 98 Gewichtsprozent erhöht werden. Zweckmäßig werden die für die jeweilige Anwendung geeigneten Gewichtsanteile mit Hilfe von Vorversuchen ermittelt. In der Regel wird man, schon aus Kostengründen, als Obergrenze denjenigen Wert nicht überschreiten, bei dem die magnetische Sättigung eintritt, während man als Untergrenze den Wert annehmen kann, bei dem noch eine ausreichende Magnetisierung erzielt wird. In den meisten Fällen wird ein möglichst hoher Füllungsgrad des weichmagnetischen Werkstoffes im magnetisierbaren Beton angestrebt. Dies lässt sich günstig beispielsweise dadurch erreichen, dass weichmagnetische Werkstoffe mit bestimmten Lower limit of about 60 weight percent lowered or increased to an upper limit of about 98 weight percent. The weight proportions suitable for the respective application are expediently determined with the aid of preliminary tests. As a rule, for reasons of cost, the upper limit will not exceed the value at which the magnetic saturation occurs, while the lower limit can be the value at which sufficient magnetization is still achieved. In most cases, the highest possible degree of filling of the soft magnetic material in the magnetizable concrete is desired. This can be achieved, for example, favorably, that soft magnetic materials with certain
Korngrößenverteilungen ausgewählt werden, um eine möglichst dichte Packung der Grain size distributions are selected to a dense packing of the
Werkstoffpartikel zu erzielen. Es hat sich bewährt, einen weichmagnetischen Werkstoff, beispielsweise einen weichmagnetischen Ferrit, in zwei oder mehreren Korngrößenfraktionen vorzulegen. Dabei können insbesondere eine erste Fraktion mit einem mittleren To achieve material particles. It has proven useful to present a soft magnetic material, for example a soft magnetic ferrite, in two or more particle size fractions. In particular, a first fraction with a middle
Korndurchmesser von 2 bis 10 mm bei einer Korngrößenverteilung zwischen 0,5 und 20 mm und eine zweite Fraktion mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,1 bis 0,5 mm bei einer Korngrößenverteilung von 0,01 bis 5 mm kombiniert werden. Üblicherweise werden solche Fraktionen in annähernd gleichen Gewichtsanteilen vorgelegt, wobei Abweichungen von bis zu etwa 20 Gewichtsprozent nach oben oder unten akzeptiert werden können. Derartige Kombinationen von unterschiedlichen Fraktionen weichmagnetischer Ferrite sind Grain diameter from 2 to 10 mm with a particle size distribution between 0.5 and 20 mm and a second fraction with a mean grain diameter of 0.1 to 0.5 mm are combined with a particle size distribution of 0.01 to 5 mm. Usually, such fractions are presented in approximately equal proportions by weight, with deviations of up to about 20 weight percent up or down can be accepted. Such combinations of different fractions of soft magnetic ferrites are
beispielsweise aus der EP 1 097 463 bekannt und können gemäß diesem Dokument zurFor example, from EP 1 097 463 and can according to this document for
Herstellung magnetisierbarer Erzeugnisse unter anderem in eine Matrix aus hydraulischem Zement eingebettet werden, welche geformt und schließlich verfestigt wird. Manufacture of magnetizable products are inter alia embedded in a matrix of hydraulic cement, which is shaped and finally solidified.
In der erfmdungsgemäßen Übertrageranordnung weist der Formkörper an seiner der In the transformer arrangement according to the invention, the shaped body has its surface
Empfangsposition der Empfängeranordnung zugewandten Seite Ausnehmungen auf, die zur Aufnahme der Übertragerspule dienen. Die Ausnehmungen können beispielsweise im Reception position of the receiver assembly side facing recesses, which serve to receive the transmitter coil. The recesses can, for example, in the
Rahmen eines Gießprozesses oder durch abtragende Bearbeitung, z.B. Fräsen, Schleifen oder Schneiden, wie auch durch Zusammenfügen entsprechend geformter Module erzeugt werden. Die Übertragerspule als solche wird nach Maßgabe des jeweils bereitzustellenden Frame of a casting process or by machining, e.g. Milling, grinding or cutting, as well as by joining correspondingly shaped modules are generated. The transformer coil as such will be provided in accordance with the respective one to be provided
magnetischen Wechselfeldes nach den üblichen und dem Fachmann bekannten Kriterien und entsprechend den vorgegebenen Randbedingungen ausgewählt. Werden die in den alternating magnetic field according to the usual and known to those skilled criteria and selected according to the predetermined boundary conditions. Will the in the
Ausnehmungen befindlichen Windungen der Übertragerspule von einem Wechselstrom durchflössen, so bildet sich entsprechend ein magnetisches Wechselfeld mit einer bestimmten Betriebsfrequenz aus. Dieses kann mit einer in Empfangsposition gebrachten Empfängerspule in magnetische Wechselwirkung treten und bewirkt so eine induktive Energieübertragung. Traversed by windings of the transformer coil flows through an alternating current, so forms a corresponding magnetic alternating field with a certain operating frequency. This can interact magnetically with a receiver coil brought into the reception position and thus effects an inductive energy transmission.
Die dabei auftretenden magnetischen Streufelder lassen sich erfindungsgemäß dadurch erheblich verringern, dass der Formkörper in seinem der Empfangsposition der The occurring magnetic stray fields can be inventively significantly reduced by the fact that the molding in its receiving position of
Empfangeranordnung abgewandten Bereich zumindest teilweise, vorzugsweise aber vollständig mit einer abschirmenden Schicht aus dem erfindungsgemäß zu verwendenden Metamaterial versehen wird. Beispielsweise wird bei einem quaderförmigen Formkörper eine besonders effektive Verringerung der Streufelder erzielt, wenn alle Seitenflächen und die Grundfläche mit dem Metamaterial abgedeckt werden und nur die der Empfangsposition zugewandte Oberfläche von abschirmendem Metamaterial frei bleibt. Eine solche Receptor arrangement remote area at least partially, but preferably is completely provided with a shielding layer of the invention to be used metamaterial. For example, in the case of a rectangular shaped body, a particularly effective reduction of the stray fields is achieved if all side surfaces and the base surface are covered with the metamaterial and only the surface facing the receiving position remains free of shielding metamaterial. Such
vollständige Abdeckung ist jedoch nicht zwingend vorgeschrieben; bisweilen kann auch eine teilweise Abdeckung ausreichend sein. Erfahrungsgemäß lässt sich durch Vorversuche ermitteln, welche Grund- und Seitenflächen mit dem Metamaterial zu versehen sind, um die gewünschte Reduzierung der Streufelder zu erreichen. however, full coverage is not mandatory; sometimes a partial cover may be sufficient. Experience has shown that it is possible to determine through preliminary tests which base and side surfaces are to be provided with the metamaterial in order to achieve the desired reduction of stray fields.
Wegen der geringen Dicke und des dementsprechend geringen Raumbedarfs des Because of the small thickness and the correspondingly small space requirement of the
erfindungsgemäß zu verwendenden Metamaterials können vorteilhafte Ausführungsformen der Übertrageranordnung bereitgestellt werden, die mit herkömmlichem Metamaterial nicht oder nur schwierig zu verwirklichen sind und überdies häufig mit hohen Kosten verbunden wären. Advantageous embodiments of the transformer arrangement according to the invention can be provided which are difficult or impossible to implement with conventional metamaterials and, moreover, are often associated with high costs.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform wird die Übertrageranordnung mit einer zweiten abschirmenden Schicht aus dem Metamaterial versehen, bei welcher Leiterbahnen und Kondensatoren der Spulenantennenelemente in ihrer Induktivität und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass sich bei einer weiteren, zweiten Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes für diese zweite Schicht aus Metamaterial eine effektive Permeabilität Ueff '< 1 ergibt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise auch dann eine According to a first advantageous embodiment, the transformer arrangement is provided with a second shielding layer of the metamaterial, in which conductor tracks and capacitors of the coil antenna elements are matched in their inductance and capacitance to each other so that at a further, second operating frequency of the alternating magnetic field for this second layer from metamaterial gives an effective permeability Ueff '<1. This can be a simple way even then
Verringerung der Streufelder erreichen, wenn ein Betrieb der Übertrageranordnung bei einer zweiten Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes vorgesehen ist, auf welche das Metamaterial der zweiten Schicht zugeschnitten ist. Insbesondere ist dadurch auch einReduce the stray fields, when an operation of the transformer arrangement is provided at a second operating frequency of the alternating magnetic field, to which the metamaterial of the second layer is cut. In particular, this is also a
Wechsel zwischen zwei Betriebsfrequenzen möglich, ohne dass es zu Energieverlusten durch Streufelder kommt. Es sind in diesem Zusammenhang auch Weiterbildungen der Switching between two operating frequencies possible without loss of energy due to stray fields. There are in this context, further developments of
Übertrageranordnung nicht ausgeschlossen, die mit weiteren Schichten des erfindungsgemäß zu verwendenden Metamaterials versehen sind, die in ihrem Resonanzverhalten z.B. an weitere mögliche Betriebsfrequenzen des magnetischen Wechselfeldes angepasst sind. Solche Weiterbildungen sind besonders dann vorteilhaft, wenn die Übertrageranordnungen fest installiert sind, beispielsweise indem sie in einen Fahrbahnaufbau integriert sind, und bei Wechsel der Betriebsfrequenz auf kostspielige und aufwendige Aus- und Einbaumaßnahmen verzichtet werden kann. In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform wird die Übertrageranordnung im der Empfangsposition der Empfängeranordnung zugewandten Bereich mit einer das Magnetfeld fokussierenden Schicht aus Metamaterial versehen. Bei einer solchen Schicht sind, wie eingangs erläutert, die Spulenantennenelemente jeweils aus auf eine Polymerfolie Transformer arrangement not excluded, which are provided with further layers of the invention to be used metamaterials, which are adapted in their resonance behavior, for example, to other possible operating frequencies of the alternating magnetic field. Such developments are particularly advantageous when the transformer assemblies are permanently installed, for example, by being integrated into a roadway structure, and can be dispensed with costly and costly expansion and installation measures when changing the operating frequency. In a second advantageous embodiment, the transmitter arrangement is provided with a magnetic material-focusing layer of metamaterial in the area in the reception position of the receiver arrangement. In such a layer, as explained above, the coil antenna elements are each made of a polymer film
aufgebrachten, eine Spule bildenden Leiterbahnen und einem darin integrierten Kondensator aufgebaut, deren Induktivität und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass sich bei der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes für die fokussierende Schicht aus applied, a coil-forming conductor tracks and a capacitor integrated therein, whose inductance and capacitance are coordinated so that at the operating frequency of the alternating magnetic field for the focusing layer
Metamaterial eine effektive Permeabilität mit negativem Vorzeichen, d.h. Ueff '< 0 ergibt. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass sich durch die Fokussierung des Feldes die Energieübertragung weiter verbessern lässt, ohne den zwischen Übertrager- und Metamaterial an effective permeability with a negative sign, i. Ueff '<0 returns. Such an arrangement has the advantage that the focusing of the field, the energy transfer can be further improved without the between transformer and
Empfängeranordnung zur Verfügung stehenden freien Zwischenraum wesentlich Receiver arrangement available free space significantly
einzuschränken. Dieser Vorteil kommt insbesondere beim induktiven Laden von limit. This advantage comes especially in inductive charging of
Elektrofahrzeugen zum Tragen, wo bei manchen Varianten eine Übertrageranordnung in die Fahrbahn integriert ist und ein Mindestabstand zu der im Fahrzeug befindlichen Electric vehicles to bear, where in some variants, a transformer assembly is integrated into the road and a minimum distance to the in-vehicle
Empfängeranordnung einzuhalten ist. Receiver arrangement is to be observed.
Die genannte zweite vorteilhafte Ausfuhrungsform kann auch dahingehend abgewandelt werden, dass eine zweite fokussierende Schicht aus Metamaterial vorgesehen wird, bei der die Leiterbahnen und Kondensatoren der Spulenantennenelemente auf eine zweite mögliche Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes zugeschnitten sind. Analog der im Said second advantageous embodiment can also be modified such that a second focusing layer of metamaterial is provided, in which the conductor tracks and capacitors of the coil antenna elements are cut to a second possible operating frequency of the alternating magnetic field. Analogous to the
Zusammenhang mit der ersten vorteilhaften Ausführungsform beschriebenen Ausgestaltung können auch noch weitere Schichten des Metamaterials vorgesehen werden, die jeweils bei weiteren Betriebsfrequenzen zur Fokussierung des magnetischen Wechselfeldes wirksam werden. In connection with the embodiment described above, further layers of the metamaterial can also be provided, which in each case become effective at further operating frequencies for focusing the alternating magnetic field.
Bisweilen kann es bei Übertrageranordnungen, die in der Nähe von gegenüber Magnetfeldern empfindlichen Einrichtungen installiert sind, erforderlich sein, die Abschirmungswirkung dadurch noch weiter zu verstärken, dass eine oder gegebenenfalls mehrere metallische Abschirmschichten vorgesehen werden. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn das At times transmitter arrangements installed in the vicinity of magnetic field sensitive devices may be required to further enhance the shielding effect by providing one or more metallic shielding layers, if any. This is especially true when the
Verfahren in Bereichen betrieben wird, in denen hohe Anforderungen an die Method is operated in areas where high demands on the
elektromagnetische Verträglichkeit und/oder die elektromagnetische Umweltverträglichkeit gestellt werden. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich grundsätzlich die für den jeweiligen Zweck fachüblichen Empfängeranordnungen. In vielen Fällen ist bei diesen zur Wechselwirkung mit dem von der Übertrageranordnung bereitgestellten magnetischen Wechselfeld eine Empfängerspule vorgesehen, mittels derer beispielsweise ein induktiv übertragener Ladestrom für eine Batterie oder einen Akkumulator erzeugt werden kann. Eine solche Empfängerspule ist jedoch nicht für alle Anwendungen zwingend vorgeschrieben; für die induktive Erwärmung bzw. induktives Heizen können beispielsweise flächige Metallteile für die Aufnahme der induktiv übertragenen Leistung vorgesehen sein. Analog der vorstehend für die Übertrageranordnung beschriebenen Ausgestaltung kann die Empfängeranordnung einen Formkörper aus magnetisierbarem Werkstoff, insbesondere magnetisierbarem Beton umfassen, der mit zur Empfangsposition hin offenen Ausnehmungen versehen ist, in welche die Empfängerspule eingebettet ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Empfängeranordnung in ihrem der Empfangsposition abgewandten Bereich eine Streufelder abschirmende Schicht aus Metamaterial auf. Erfindungsgemäß wird die Schicht, wie bereits vorstehend bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und auch bei der zu dessen Durchführung geeigneten electromagnetic compatibility and / or the electromagnetic environmental compatibility are made. For the implementation of the method according to the invention, in principle, the receiver arrangements customary for the respective purpose are suitable. In many cases, a receiver coil is provided in these for interaction with the magnetic alternating field provided by the transformer arrangement, by means of which, for example, an inductively transmitted charging current for a battery or an accumulator can be generated. However, such a receiver coil is not mandatory for all applications; for inductive heating or inductive heating, for example, flat metal parts may be provided for receiving the inductively transmitted power. Analogous to the embodiment described above for the transformer arrangement, the receiver arrangement may comprise a molded body of magnetizable material, in particular magnetizable concrete, which is provided with recesses open towards the receiving position, in which the receiver coil is embedded. According to a further embodiment of the invention, the receiver arrangement has a stray field shielding layer of metamaterial in its region remote from the receiving position. According to the invention, the layer is, as already described above in the method according to the invention and also suitable for carrying it out
Übertrageranordnung für das verwendete Metamaterial erläutert, durch eine Vielzahl von identisch aufgebauten Spulenantennenelementen gebildet, welche in flächiger, regelmäßiger Anordnung auf eine Polymerfolie aufgebracht sind und jeweils eine Spule bildende Transformer arrangement for the metamaterial used, formed by a plurality of identically constructed coil antenna elements, which are applied in a flat, regular arrangement on a polymer film and each forming a coil
Leiterbahnen mit integriertem Kondensator umfassen, deren Induktivität und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass die Schicht bei der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes eine Streufelder abschirmende Wirkung besitzt (d.h. eine effektive Including interconnects with integrated capacitor whose inductance and capacitance are coordinated so that the layer at the operating frequency of the alternating magnetic field has a stray field shielding effect (i.e., an effective
Permeabilität von Ueff '< 1, vorzugsweise zwischen 1 und 0, insbesondere zwischen 0,2 und 0). Die praktische Bereitstellung des Metamaterials erfolgt in der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Übertrageranordnung beschriebenen Art und Weise und soll aus Gründen der knappen Darstellung nicht noch einmal wiederholt werden. Durch die erfindungsgemäße Verwendung des Metamaterials auf Basis von Spulenelementen, welche in flächiger, regelmäßiger Anordnung auf eine Polymerfolie aufgebracht sind und jeweils eine Spule bildende Leiterbahnen mit integriertem Kondensator umfassen, lässt sich sowohl bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren, als auch bei der Übertrageranordnung und/oder der Empfängeranordnung eine verbesserte Effizienz der induktiven Energieübertragung erreichen. Dies gilt gleichermaßen für die Verwendung von Spulenelementen, welche in flächiger, regelmäßiger Anordnung auf eine Polymerfolie aufgebracht sind und jeweils eine Spule bildende Leiterbahnen mit integriertem Kondensator umfassen, als Metamaterial bei der induktiven Energieübertragung mittels magnetischer Wechselfelder, die eine im wesentlichen konstante Betriebsfrequenz aufweisen. Permeability of Ueff '<1, preferably between 1 and 0, in particular between 0.2 and 0). The practical provision of the metamaterial takes place in the manner described in connection with the method according to the invention and the transformer arrangement and should not be repeated again for reasons of concise presentation. The inventive use of the metamaterial based on coil elements, which are applied in a flat, regular arrangement on a polymer film and each comprise a coil-forming printed conductors with integrated capacitor, can be both in the method described above, as well as in the transformer assembly and / or the receiver arrangement an improved efficiency of the inductive Achieve energy transfer. This applies equally to the use of coil elements, which are applied in a planar, regular arrangement on a polymer film and each comprise a coil-forming conductor tracks with integrated capacitor, as a metamaterial in the inductive energy transfer by means of magnetic alternating fields having a substantially constant operating frequency.
Das erfindungsgemäße Verfahren wie auch die zu seiner Durchführung geeignete The inventive method as well as suitable for its implementation
Übertrageranordnung und/oder Empfängeranordnung lassen sich mit besonderem Vorteil zur induktiven Energieübertragung zum Zwecke des statischen, stationären oder dynamischen Ladens von Batterien in elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen, oder für den direkten Antrieb solche Fahrzeuge, oder zum Zwecke der induktiven Wärmeerzeugung verwenden. Transformer arrangement and / or receiver arrangement can be used with particular advantage for inductive energy transfer for the purpose of static, stationary or dynamic charging of batteries in electric and / or hybrid vehicles, or for the direct drive such vehicles, or for the purpose of inductive heat generation.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to the figures.
Figur la zeigt schematisch ein Verfahren zur induktiven Energieübertragung, bei dem eine Übertrageranordnung eingesetzt wird, die kein Metamaterial verwendet. FIG. 1 a schematically shows a method for inductive energy transmission in which a transformer arrangement is used which does not use metamaterial.
Figur lb zeigt schematisch das ansonsten gleiche Verfahren, bei dem jedoch bei der  FIG. 1b schematically shows the otherwise identical method, in which, however, in the case of FIG
Übertrageranordnung in der erfindungsgemäßen Weise abschirmendes Metamaterial verwendet wird. Transformer assembly in the manner according to the invention shielding metamaterial is used.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau eines einzelnen der Spulenantennenelemente, welche in Vielzahl angeordnet das erfindungsgemäß verwendete Metamaterial bilden.  Figure 2 shows schematically the structure of a single one of the coil antenna elements, which arranged in plurality form the metamaterial used in the invention.
Figuren la und lb: Figures la and lb:
In Figur la ist eine Übertrageranordnung 1 dargestellt, welche beispielsweise in einen Fahrbahnaufbau 2 integriert sein kann und welche einen Formkörper 3 aus magnetisierbarem Material, beispielsweise einem magnetisierbaren Beton, aufweist. Der Formkörper ist mit Ausnehmungen 4 versehen, in die eine Übertragerspule 5 mit ihren Windungen eingebettet ist. Werden diese von Strom durchflössen, bildet sich ein magnetisches Wechselfeld 6 aus, dessen Verlauf durch Feldlinien schematisch angedeutet ist. Wenn eine Empfängeranordnung 7, die beispielsweise über eine Empfängerspule 8 verfügt und in einem hier nicht dargestellten elektrisch betriebenen Fahrzeug vorgesehen sein kann, in eine Empfangsposition im Bereich des Wechselfeldes gebracht wird, tritt das Wechselfeld 6 in magnetische Wechselwirkung mit der Empfängeranordnung 7, beispielsweise durch Anregung der Empfängerspule 8, und bewirkt dadurch die induktive Übertragung von Energie. Allerdings wird die Effizienz der Energieübertragung dadurch beeinträchtigt, dass an den der Empfangsposition abgewandten Flächen des Formkörpers, d.h. seinen Seitenflächen 9 und gegebenenfalls auch der Grundfläche 10, Streufelder 11 auftreten. In Figure la, a transformer assembly 1 is shown, which may be integrated, for example, in a roadway structure 2 and which has a molded body 3 made of magnetizable material, such as a magnetizable concrete. The molded body is provided with recesses 4, in which a transformer coil 5 is embedded with their turns. If these are flowed through by current, an alternating magnetic field 6 is formed whose course is schematically indicated by field lines. If a receiver arrangement 7, which has, for example, a receiver coil 8 and can be provided in an electrically operated vehicle not shown here, is brought into a receiving position in the region of the alternating field, the alternating field 6 enters into magnetic interaction with the receiver arrangement 7, for example by excitation the receiver coil 8, thereby causing the inductive transmission of energy. However, the efficiency of the energy transfer is affected by the fact that facing away from the receiving position Surfaces of the molding, ie its side surfaces 9 and possibly also the base 10, stray fields 11 occur.
Figur lb zeigt, wie bei ansonsten gleichem Aufbau in der erfindungsgemäßen Weise die Seitenflächen 9 und die Grundfläche 10 des Formkörpers 3 mit abschirmendem Metamaterial 12 versehen, beispielsweise beklebt sind. In der vorliegenden Darstellung ist die Dicke des verwendeten Metamaterials 12 aus Gründen der Übersichtlichkeit stark vergrößert; in der Praxis führt das erfindungsgemäß verwendete Metamaterial wegen seiner geringen Dicke nur zu minimal vergrößertem Raumbedarf. Hat das Metamaterial 12 bei der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes 6 eine effektive Permeabilität von Ueff '< 1, so hat es FIG. 1b shows how, with an otherwise identical structure in the manner according to the invention, the side surfaces 9 and the base surface 10 of the molded body 3 are provided with shielding metamaterial 12, for example by gluing. In the present illustration, the thickness of the used metamaterial 12 is greatly increased for the sake of clarity; in practice, the metamaterial used according to the invention leads only to minimally increased space requirements because of its small thickness. If the metamaterial 12 has an effective permeability of Ueff '<1 at the operating frequency of the alternating magnetic field 6, then it has
abschirmende Wirkung und bewirkt damit, dass das Austreten von Streufeldern 11 an Seiten- und Grundfläche des Formkörpers 3 deutlich verringert oder ganz verhindert wird. Somit werden auch die durch die Streufelder auftretenden Energieverluste minimiert, und ein im Vergleich zur Figur la größerer Anteil des durch die erfindungsgemäße Übertrageranordnung 1 bereitgestellten magnetischen Wechselfeldes 6 steht für die Übertragung an die shielding effect and thus causes the leakage of stray fields 11 on side and bottom surface of the molded body 3 is significantly reduced or completely prevented. Thus, the energy losses occurring by the stray fields are also minimized, and a larger proportion of the magnetic alternating field 6 provided by the transformer arrangement 1 according to the invention compared to FIG
Empfangeranordnung 7 und die Wechselwirkung mit der Empfangerspule 8 zur Verfügung.  Receiver arrangement 7 and the interaction with the receiver coil 8 are available.
Figur 2: FIG. 2:
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau eines der Spulenantennenelemente, welche als Vielzahl in flächiger, periodischer Anordnung vorliegend, erfindungsgemäß als Metamaterial verwendet werden können. Das hier als beispielsweise rechteckiges Einzelelement dargestellte Spulenantennenelement 14 umfasst eine dünne Polymerfolie 15, auf die in ihrem äußeren Bereich parallel in Form eines Rechtecks mit gerundeten Ecken verlaufende  FIG. 2 schematically shows the construction of one of the coil antenna elements which can be used as a meta material according to the invention as a multiplicity in a planar, periodic arrangement. The coil antenna element 14 shown here as, for example, rectangular individual element comprises a thin polymer film 15, running parallel in its outer region in the form of a rectangle with rounded corners
Leiterbahnen 16 aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt sind. Die Leiterbahnen 16, welche beispielsweise als 1-2 mm breite, im Abstand von 1-2 mm zueinander verlaufende Printed conductors 16 applied, for example, are printed. The conductor tracks 16, which, for example, as 1-2 mm wide, at a distance of 1-2 mm from each other
Aluminium- oder Kupferbahnen gestaltet sein können, sind an ihren beiden Endpunkten 17 über einen günstig möglichst kleinvolumigen Kondensator 18 miteinander verbunden. Diese Anordnung entspricht einem Resonator, der in seinen Eigenschaften so gestaltet werden kann, dass sich in einem bestimmten Frequenzbereich eine effektive Permeabilität ergibt, die kleiner als 1 ist oder sogar ein negatives Vorzeichen aufweist. Dies hat den Vorteil, dass das gewünschte Resonanzverhalten der Spulenantennenelemente und damit des Metamaterials genau auf die Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes zugeschnitten werden können. Das nachstehende Ausführungsbeispiel dient zur näheren Erläuterung der Erfindung und ist nicht im Sinne einer Beschränkung zu verstehen. Aluminum or copper tracks can be designed are connected to each other at its two end points 17 via a preferably low-volume capacitor 18. This arrangement corresponds to a resonator which can be designed in terms of its properties such that an effective permeability, which is smaller than 1 or even has a negative sign, results in a certain frequency range. This has the advantage that the desired resonance behavior of the coil antenna elements and thus of the metamaterial can be tailored precisely to the operating frequency of the alternating magnetic field. The following embodiment serves to illustrate the invention and is not to be construed as a limitation.
Ausführungsbeispiel : Exemplary embodiment:
Für die Bereitstellung einer Übertrageranordnung wurde aus einer Mischung von ca. 50For the provision of a transformer arrangement was made of a mixture of about 50
Masse-% weichmagnetischem Ferrit mit einer Körnung mit mittlerem Korndurchmesser von etwa 5 mm, ca. 40 Masse-% weichmagnetischem Ferrit mit einer Körnung mit mittlerem Korndurchmesser von etwa 0,25 mm (Ermittlung der mittleren Korndurchmesser jeweils durch Siebanalyse), ca. 5 Masse-% Portlandzement, ca. 0,5 Masse-% Verflüssiger und ca. 4,5 Masse-% Wasser durch Vergießen in eine Form und anschließendes Aushärten ein quaderförmiger Formkörper mit 75 cm Länge, 55 cm Breite und 2,5 cm Höhe aus Mass% soft magnetic ferrite with a grain size with average grain diameter of about 5 mm, about 40 mass% soft magnetic ferrite with a grain size with average grain diameter of about 0.25 mm (determination of the mean grain diameter in each case by sieve analysis), about 5 mass - Portland cement, about 0.5 mass% of liquefier and about 4.5% by mass of water by pouring into a mold and then curing a cuboid shaped body with 75 cm in length, 55 cm wide and 2.5 cm in height
magnetisierbarem Beton hergestellt. Der Formkörper war an seiner oberen Außenfläche mit Ausnehmungen versehen, in welche eine Übertragerspule eingelegt wurde. Diese war über Zuleitungen mit einem Wechselrichter verbunden, über den der Strom für die Bereitstellung des magnetischen Wechselfeldes eingespeist wurde. Die Betriebsfrequenz des Wechselfeldes wurde auf einen Wert von 85 kHz eingestellt. Dieser Wert ist im Bereich der Elektromobilität derzeit auf Grundlage der SAE-Norm J 2954 als Standard vorgesehen. made of magnetizable concrete. The molding was provided on its upper outer surface with recesses into which a transformer coil was inserted. This was connected via leads to an inverter, via which the current for the provision of the alternating magnetic field was fed. The operating frequency of the alternating field was set to a value of 85 kHz. This value is currently envisaged in the field of electromobility as a standard based on SAE standard J 2954.
Zu Vergleichszwecken wurde nunmehr als Empfängeranordnung eine Empfängerspule mit den identischen Maßen wie die Übertragerspule in Empfangsposition gebracht, d.h. sie wurde in 30 cm Entfernung möglichst deckungsgleich über der Übertragerspule positioniert. Mit Hilfe eines üblichen Vektor-Netzwerkanalysators wurde nun an der Empfängerspule gemessen, welcher Prozentsatz der von der Übertragerspule bereitgestellten Leistung induktiv auf die Empfängeranordnung übertragen wurde. Dieser Prozentsatz lag bei ca. 88 %. For comparison purposes, a receiver coil having the identical dimensions as the transmitter coil has now been placed in the receiving position as a receiver arrangement, i. It was positioned as close as possible to the transmitter coil at a distance of 30 cm. Using a standard vector network analyzer, it was then measured at the receiver coil what percentage of the power provided by the transmitter coil was inductively transmitted to the receiver array. This percentage was about 88%.
Anschließend wurde für das eigentliche Ausführungsbeispiel auf die Grundfläche wie auch alle Seitenflächen des Formkörpers das erfindungsgemäß zu verwendende Metamaterial aufgeklebt, so dass nur noch die mit den Ausnehmungen versehene Oberfläche frei blieb. Für das Metamaterial waren nach einem für die Herstellung von passiven RFID-Etiketten gebräuchlichen Verfahren auf einer 200 μιη dicke Polyethylenterephthalat-Folie durch Ätzen 50 nacheinander angeordneten Reihen von jeweils 10 nebeneinander angeordneten Subsequently, for the actual exemplary embodiment, the metamaterial to be used according to the invention was glued to the base surface as well as all side surfaces of the shaped body so that only the surface provided with the recesses remained free. For the metamaterial, 50 successively arranged rows of 10 each were arranged side by side on a 200 .mu.m thick polyethylene terephthalate film by etching according to a method customary for the production of passive RFID labels
Spulenantennenelementen erzeugt worden. Die einzelnen Elemente bestanden jeweils aus einem viereckigen Ausschnitt aus der Folie, an dessen Peripherie parallel zu seinen Außenkanten vier parallele Aluminiumleiterbahnen (Breite ca. 1mm, Abstand ca. 1,5 mm) mit gerundeten Ecken gebildet waren. Die Leiterbahnen endeten in zwei runden Endpunkten, welche über einen flachen Kondensator miteinander verbunden waren. Aus der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes von 85 kHz ergab sich durch Schwingkreisberechnung, dass eine geeignete effektive Permeabilität Ueff '< 1 mit einem Resonator zu erzielen ist, dessen Induktivität etwa 5 μΗ und dessen Nennkapazität etwa 10 μ¥ betragen. Als für die Bereitstellung dieser Kapazität geeignete Kondensatoren konnten übliche flache Keramikkondensatoren entsprechender Spezifikation verwendet werden. Um die entsprechend angepasste Induktivität bereitzustellen, wurden die Leiterbahnen so gestaltet, dass sich je Einzelelement eine Gesamtlänge von 1,2 m ergab. Coil antenna elements have been generated. The individual elements each consisted of a quadrangular section of the film, on its periphery parallel to its Outside edges four parallel aluminum conductors (width about 1mm, spacing about 1.5 mm) were formed with rounded corners. The tracks ended in two round endpoints, which were connected by a flat capacitor. From the operating frequency of the alternating magnetic field of 85 kHz was determined by resonant circuit calculation, that a suitable effective permeability Ueff '<1 can be achieved with a resonator whose inductance about 5 μΗ and whose rated capacity is about 10 μ ¥. As for the provision of this capacity suitable capacitors conventional flat ceramic capacitors corresponding specification could be used. In order to provide the appropriate adjusted inductance, the tracks were designed so that each individual element gave a total length of 1.2 m.
Auf die mit den solcherart gestalteten Leiterbahnen versehene und mit den Kondensatoren bestückte Oberfläche der Polymerfolie wurde abschließend eine Schutzfolie aus On the provided with the thus designed conductor tracks and equipped with the capacitors surface of the polymer film was finally a protective film
Polyethylenterephthalat aufgebracht. Das erhaltene Metamaterial wurde entsprechend zugeschnitten und auf die Seitenflächen und die Grundfläche des Formkörpers aufgeklebt. Polyethylene terephthalate applied. The resulting metamaterial was cut to size and adhered to the side surfaces and the base of the molded article.
Nun wurde erneut die Übertragerspule in die Ausnehmungen des Formkörpers eingelegt und an den Wechselrichter angeschlossen. Analog dem eingangs beschriebenen Vorgehen zu Vergleichszwecken wurde als Empfängeranordnung die Empfangerspule mit den identischen Maßen wie die Übertragerspule in Empfangsposition gebracht, d.h. sie wurde in 30 cm Entfernung möglichst deckungsgleich über der Übertragerspule positioniert. Das Now again the transformer coil was inserted into the recesses of the molding and connected to the inverter. Analogously to the procedure described above for comparison purposes, the receiver coil with the identical dimensions as the transmitter coil was brought into the receiving position as a receiver arrangement, i. It was positioned as close as possible to the transmitter coil at a distance of 30 cm. The
bereitgestellte magnetische Wechselfeld wurde wie bei der Vergleichsanordnung mit einer Betriebsfrequenz von 85 kHz betrieben. provided alternating magnetic field was operated as in the comparison arrangement with an operating frequency of 85 kHz.
Mit Hilfe des Vektor-Netzwerkanalysators wurde nun erneut an der Empfängerspule gemessen, welcher Prozentsatz der von der Übertragerspule bereitgestellten Leistung induktiv auf die Empfängeranordnung übertragen wurde. Dieser Prozentsatz lag bei ca. 93 %. Die erfindungsgemäße Verwendung von Spulenantennenelementen, welche aus auf eineWith the aid of the vector network analyzer, it was again measured at the receiver coil which percentage of the power provided by the transmitter coil was inductively transmitted to the receiver arrangement. This percentage was about 93%. The inventive use of coil antenna elements, which consists of a
Polymerfolie aufgebrachten, eine Spule bildenden Leiterbahnen und einem darin integrierten Kondensator aufgebaut sind, als Metamaterial ermöglicht also bei geringem Raumbedarf und geringem Herstellungsaufwand eine deutliche Verbesserung der Effizienz der induktiven Energieübertagung. Polymer film applied, a coil-forming conductor tracks and a capacitor integrated therein are constructed as a metamaterial thus allows for a small space requirement and low production costs a significant improvement in the efficiency of the inductive energy transfer.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Verfahren zur Verringerung von Streufeldern bei der induktiven Energieübertragung, bei welchem ein durch eine eine Übertragerspule (5) enthaltende 1. A method for reducing stray fields in inductive energy transmission, in which a by a transformer coil (5) containing
Übertrageranordnung (1) bereitgestelltes, eine im wesentlichen konstante  Transformer assembly (1) provided, a substantially constant
Betriebsfrequenz aufweisendes magnetisches Wechselfeld (6) in magnetische  Operating frequency having alternating magnetic field (6) in magnetic
Wechselwirkung mit einer in eine Empfangsposition gebrachten, vorzugsweise eine Empfängerspule (8) enthaltenden Empfängeranordnung (7) tritt, wobei die  Interaction with a brought into a receiving position, preferably a receiver coil (8) containing receiver assembly (7) occurs, wherein the
Übertrageranordnung (1) in ihrem der Empfangsposition der Empfängeranordnung (7) abgewandten Bereich eine Streufelder abschirmende Schicht (12) aus Metamaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12) aus Metamaterial durch eine Vielzahl von identisch aufgebauten Spulenantennenelementen (14) gebildet wird, welche in flächiger, regelmäßiger Anordnung auf eine Polymerfolie (15) aufgebracht sind und jeweils eine Spule bildende Leiterbahnen (16) mit integriertem Kondensator (18) umfassen, deren Induktivität und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass die Schicht (12) bei der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes (6) Streufelder abschirmende Wirkung besitzt.  Transducer assembly (1) in its the receiving position of the receiver assembly (7) facing away from a stray field shielding layer (12) of metamaterial, characterized in that the layer (12) of metamaterial is formed by a plurality of identically constructed coil antenna elements (14), which are applied in planar, regular arrangement on a polymer film (15) and each comprise a coil forming conductor tracks (16) with integrated capacitor (18) whose inductance and capacitance are coordinated so that the layer (12) at the operating frequency of magnetic alternating field (6) stray field has shielding effect.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertrageranordnung in ihrem der Empfangsposition der Empfängeranordnung zugewandten Bereich eine das Magnetfeld (6) fokussierenden Schicht aus Metamaterial aufweist, die durch eine Vielzahl von identisch aufgebauten Spulenantennenelementen (14) gebildet wird, welche in flächiger, regelmäßiger Anordnung auf eine Polymerfolie (15) aufgebracht sind und jeweils eine Spule bildende Leiterbahnen (16) mit integriertem Kondensator (18) umfassen, deren Induktivität und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass die Schicht bei der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes (6) das 2. The method according to claim 1, characterized in that the Übertrageranordnung in its the receiving position of the receiver array facing a magnetic field (6) focusing layer of metamaterial, which is formed by a plurality of identically constructed coil antenna elements (14), which in area , Regular arrangement are applied to a polymer film (15) and each comprise a coil forming printed conductors (16) with integrated capacitor (18) whose inductance and capacitance are coordinated so that the layer at the operating frequency of the alternating magnetic field (6)
Magnetfeld fokussierende Wirkung besitzt.  Has magnetic field focusing effect.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfolie eine Dicke von 10 μιη bis 300 μπι hat und vorzugsweise aus Polymer auf Basis von Polyethylen, Polypropylen, Polyimid oder Polyethylenterephthalat besteht, und/oder 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the polymer film has a thickness of 10 μιη to 300 μπι and preferably consists of polymer based on polyethylene, polypropylene, polyimide or polyethylene terephthalate, and / or
dass die Leiterbahnen aus leitfähigem Material auf Basis von Aluminium, Kupfer, Silber oder leitfähigen Polymeren bestehen, und/oder that the conductor tracks are made of conductive material based on aluminum, copper, silver or conductive polymers, and or
dass die Spulenantennenelemente als Rechteck, Trapez, Quadrat, Sechseck oder Kreis gestaltet sind und ihre Anzahl mindestens 4 beträgt.  that the coil antenna elements are designed as a rectangle, trapezoid, square, hexagon or circle and their number is at least 4.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes mit einer Genauigkeit von mindestens + 5%, bevorzugt mindestens ±2%, besonders bevorzugt +1% eingehalten wird. 4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the operating frequency of the alternating magnetic field with an accuracy of at least + 5%, preferably at least ± 2%, more preferably + 1% is maintained.
5. Übertrageranordnung (1 ) zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, welche eine Übertragerspule (5) enthält, die von einem 5. transformer assembly (1) for carrying out the method according to one or more of claims 1 to 4, which contains a transformer coil (5), of a
Formkörper (3) aus einem magnetisierbaren Werkstoff umgeben ist, wobei die Übertragerspule (5) in zur Empfangsposition der Empfängeranordnung (7) hin offene Ausnehmungen (4) des Formkörpers (3) eingebettet ist und der Formkörper (3) in seinem der Empfangsposition der Empfängeranordnung (7) abgewandten Bereich zumindest teilweise mit zumindest einer Streufelder abschirmenden Schicht (12) aus dem Metamaterial versehen ist sowie gegebenenfalls im der Empfangsposition der Empfangeranordnung (7) zugewandten Bereich mit einer das Magnetfeld (6) fokussierenden Schicht aus Metamaterial versehen ist, wobei jede Schicht aus Metamaterial durch eine Vielzahl von identisch aufgebauten Spulenantennen- elementen (14) gebildet wird, welche in flächiger, regelmäßiger Anordnung auf eine Polymerfolie (15) aufgebracht sind und jeweils eine Spule bildende Leiterbahnen (16) mit integriertem Kondensator (18) umfassen, deren Induktivität und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass die Schicht (12) aus Metamaterial bei der  Mold body (3) is surrounded by a magnetizable material, wherein the transformer coil (5) in the receiving position of the receiver assembly (7) open towards recesses (4) of the molded body (3) is embedded and the shaped body (3) in its receiving position of the receiver assembly (7) is provided at least partially with at least one stray field shielding layer (12) of the metamaterial and optionally in the receiving position of the receiver assembly (7) facing region with a magnetic field (6) focusing layer of metamaterial is provided, each layer from metamaterial by a plurality of identically constructed Spulenantennen- elements (14) is formed, which are applied in a flat, regular arrangement on a polymer film (15) and each comprise a coil-forming conductor tracks (16) with integrated capacitor (18) whose inductance and capacity are coordinated so that the Schich t (12) from metamaterial at the
Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes (6) Streufelder abschirmende Wirkung besitzt und die gegebenenfalls vorhandene Schicht aus Metamaterial das Magnetfeld fokussierende Wirkung besitzt.  Operating frequency of the alternating magnetic field (6) stray field has shielding effect and optionally present layer of metamaterial has the magnetic field focusing effect.
6. Übertrageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (3) aus magnetisierbarem Beton besteht, wobei der magnetisierbare Beton Partikel eines oder mehrerer weichmagnetischer Werkstoffe enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe der Weichferrite, der nanokristallinen Metalle, der amorphen Metalle und der metallische Pulver, und diese eingearbeitet sind in eine Matrix eines für Betone verwendbaren Bindemittels, ausgewählt aus der Gruppe verfestigter hydraulischer Zement, Weißzement, Portlandzement oder Bitumen. 6. transformer assembly according to claim 5, characterized in that the shaped body (3) consists of magnetizable concrete, wherein the magnetizable concrete contains particles of one or more soft magnetic materials which are selected from the group of soft ferrites, the nanocrystalline metals, the amorphous metals and the metallic powder, and these are incorporated into a matrix of one for concretes usable binder selected from the group of solidified hydraulic cement, white cement, Portland cement or bitumen.
7. Übertrageranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Streufelder abschirmende sowie gegebenenfalls eine zweite das Magnetfeld fokussierende Schicht aus dem Metamaterial vorgesehen sind, bei welchen die Leiterbahnen und der Kondensator der jeweiligen Spulenantennenelemente in ihrer Induktivität und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass ihre Streufelder abschirmende sowie gegebenenfalls das Magnetfeld fokussierende Wirkung bei einer zweiten Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes eintritt. 7. transformer arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that a second stray fields shielding and optionally a second magnetic field focusing layer are provided from the metamaterial, in which the conductor tracks and the capacitor of the respective coil antenna elements are matched in their inductance and capacitance to each other in that its stray fields shielding and optionally the magnetic field focusing effect occurs at a second operating frequency of the alternating magnetic field.
8. Empfängeranordnung (7) zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, welche in ihrem der Empfangsposition abgewandten Bereich eine Streufelder abschirmende Schicht aus Metamaterial aufweist, die durch eine Vielzahl von identisch aufgebauten Spulenantennenelementen (14) gebildet wird, welche in flächiger, regelmäßiger Anordnung auf eine Polymerfolie (15) aufgebracht sind und jeweils eine Spule bildende Leiterbahnen (16) mit integriertem Kondensator (18) umfassen, deren Induktivität und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass die Schicht (12) bei der Betriebsfrequenz des magnetischen Wechselfeldes (6) Streufelder abschirmende Wirkung besitzt. 8. receiver arrangement (7) for carrying out the method according to one or more of claims 1 to 4, which in its receiving position remote area has a stray field shielding layer of metamaterial, which is formed by a plurality of identically constructed coil antenna elements (14) are applied in a planar, regular arrangement on a polymer film (15) and each comprise a coil forming printed conductors (16) with integrated capacitor (18) whose inductance and capacitance are coordinated so that the layer (12) at the operating frequency of the magnetic Alternating field (6) stray field has shielding effect.
9. Verwendung von Spulenantennenelementen (14), welche in flächiger, regelmäßiger Anordnung auf eine Polymerfolie (15) aufgebracht sind und jeweils eine Spule bildende Leiterbahnen (16) mit integriertem Kondensator (18) umfassen, als 9. Use of coil antenna elements (14), which are applied in a flat, regular arrangement on a polymer film (15) and each comprise a coil-forming conductor tracks (16) with integrated capacitor (18), as
Metamaterial in einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, in einer Übertrageranordnung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7 oder in einer Empfängeranordnung nach Anspruch 8.  Metamaterial in a method according to one or more of claims 1 to 4, in a transformer arrangement (1) according to one or more of claims 5 to 7 or in a receiver arrangement according to claim 8.
10. Verwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, einer Übertrageranordnung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7 oder einer Empfängeranordnung nach Anspruch 8 zur induktiven Energieübertragung zum Zwecke des statischen, stationären oder dynamischen Ladens von Batterien in elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen, oder für den direkten Antrieb solcher Fahrzeuge, oder zum Zwecke der induktiven Wärmeerzeugung. 10. Use of the method according to one or more of claims 1 to 4, a transformer assembly (1) according to one or more of claims 5 to 7 or a receiver assembly according to claim 8 for inductive energy transfer for the purpose of static, stationary or dynamic charging of batteries in electric and / or hybrid vehicles, or for the direct drive of such vehicles, or for the purpose of inductive heat generation.
11. Verwendung von Spulenantennenelementen (14), welche in flächiger, regelmäßiger Anordnung auf eine Polymerfolie (15) aufgebracht sind und jeweils eine Spule bildende Leiterbahnen (16) mit integriertem Kondensator (18) umfassen, als Metamaterial bei der induktiven Energieübertragung mittels magnetischer 11. Use of coil antenna elements (14), which are applied in a flat, regular arrangement on a polymer film (15) and each comprise a coil forming printed conductors (16) with integrated capacitor (18), as a metamaterial in the inductive energy transmission by means of magnetic
Wechselfelder, die eine im wesentlichen konstante Betriebsfrequenz aufweisen.  Alternating fields having a substantially constant operating frequency.
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