WO2021093995A1 - Übertrager- und/oder empfängereinheit für ein system zur induktiven energieübertragung - Google Patents

Übertrager- und/oder empfängereinheit für ein system zur induktiven energieübertragung Download PDF

Info

Publication number
WO2021093995A1
WO2021093995A1 PCT/EP2020/025514 EP2020025514W WO2021093995A1 WO 2021093995 A1 WO2021093995 A1 WO 2021093995A1 EP 2020025514 W EP2020025514 W EP 2020025514W WO 2021093995 A1 WO2021093995 A1 WO 2021093995A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
concrete
receiver unit
secondary coil
primary
unit according
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/025514
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mauricio Esguerra
Original Assignee
Magment Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Magment Gmbh filed Critical Magment Gmbh
Publication of WO2021093995A1 publication Critical patent/WO2021093995A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/30—Constructional details of charging stations
    • B60L53/35—Means for automatic or assisted adjustment of the relative position of charging devices and vehicles
    • B60L53/38—Means for automatic or assisted adjustment of the relative position of charging devices and vehicles specially adapted for charging by inductive energy transfer
    • B60L53/39—Means for automatic or assisted adjustment of the relative position of charging devices and vehicles specially adapted for charging by inductive energy transfer with position-responsive activation of primary coils
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/12—Inductive energy transfer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/34—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials non-metallic substances, e.g. ferrites
    • H01F1/36—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials non-metallic substances, e.g. ferrites in the form of particles
    • H01F1/37—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials non-metallic substances, e.g. ferrites in the form of particles in a bonding agent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/02—Casings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H01F27/255—Magnetic cores made from particles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2823—Wires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/324—Insulation between coil and core, between different winding sections, around the coil; Other insulation structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
    • H01F27/366—Electric or magnetic shields or screens made of ferromagnetic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/005—Mechanical details of housing or structure aiming to accommodate the power transfer means, e.g. mechanical integration of coils, antennas or transducers into emitting or receiving devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/12—Bikes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12—Electric charging stations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • Transmitter and / or receiver unit for a system for inductive energy transmission are known in the art.
  • Transmitter and / or receiver unit for a system for inductive energy transmission are known in the art.
  • the invention relates to a transmitter unit for a system comprising a transmitter unit and a receiver unit for inductive energy transmission according to the preamble of claim E.
  • the invention also relates to a receiver unit for such a system, as well as such a system which includes a transmitter unit according to the invention and / or a receiver unit according to the invention .
  • the invention also relates to a method for producing such a transmitter or receiver unit.
  • a system of the type mentioned which comprises a transmitter unit and a receiver unit, is known from WO 2017 060387 A1, for example, for use in the inductive energy supply of electric and / or hybrid vehicles.
  • the inductive energy supply takes place by power transmission from the transmitter unit, which provides a magnetic field and is integrated into a drivable building structure, equipped with a primary coil, to the receiver unit, which is located in the vehicle to be supplied and is suitable for interaction with the provided magnetic field and equipped with a secondary coil.
  • the transmitter unit comprises a molded body made of magnetizable concrete, in which the primary coil is embedded in such a way that the magnetic field provided by it is focused on the intended charging position of the secondary coil in the receiver unit.
  • a system is known from EIS 2019/0245393 A1 in which solid wire or stranded wire is used for the transmitter coils, with insulation or a coating possibly being provided to protect the coil from corrosive interaction with the surrounding concrete, especially during the hardening phase can.
  • the object of the invention was to provide a transmitter unit or a receiver unit of the type mentioned at the outset, in which power losses and thermal loads can be kept low even when high currents and / or high-frequency currents are used, in which the alternating magnetic fields are low local fluctuations can be provided and which can be manufactured with high precision and reproducibility, so that they can be made available in standardized form if necessary.
  • the primary or secondary coil is designed as a waveguide.
  • a particularly effective heat transfer between the coil and the surrounding material and thus particularly efficient dissipation of the heat generated during the flow of current can be achieved .
  • the through the Current flow generated heat essentially in the outer area of the coil or on the outer coil surface and thus in the contact area with the surrounding material.
  • the magnetizable concrete used in the transmitter unit according to the invention is characterized by a relatively high thermal conductivity, the resulting heat can be effectively dissipated and given off to the environment, so that a lower operating temperature than solid coils or braids can be maintained. In this way, the disadvantages resulting from the thermal behavior of the known arrangements can be reduced or avoided.
  • the use of a waveguide significantly reduces the eddy currents that occur in the interior of the coil with conventional solid coil material, whereby a noticeable reduction in the resulting power losses can be achieved. Overall, the aforementioned advantageous effects enable higher currents compared to conventional coils and thus a reduction in the number of turns or an increase in the power that can be transmitted.
  • the mechanical stability of the transmitter or receiver unit according to the invention increases, since the waveguide-based coils have high strength against bending or torsional forces and are therefore able to act as reinforcement of the concrete material in which they are embedded.
  • the outer coil surface of the primary or secondary coil embodied as a waveguide is surrounded by an electrically insulating layer.
  • an electrically insulating layer for example based on polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl chloride, or silicone-based polymers, which can be drawn onto the coil surface in the form of a shrink tube, is particularly suitable.
  • electrically insulating coatings based on inorganic insulating materials can be used, which can be applied to the coil surface, for example, by powder coating, sputtering, spraying or painting.
  • Another possibility is to provide the electrically insulating layer in an electrochemical way. This procedure has proven itself, for example, when coils made of aluminum are used, which can be provided with an electrically insulating layer by anodizing. In general, it has mostly proven to be sufficient if the insulating layers for Voltages of up to approx. 1 kV are designed. However, this value is only to be understood as a guideline, not in the sense of a restriction.
  • the coils are embedded in the molded body made of magnetizable concrete in such a way that not the entire outer coil surface is enclosed by the latter, but that a part surface remains free of magnetizable concrete.
  • This free partial surface of the coils is generally that which, in the intended working position, for example the loading position, faces the respective interacting transmitter or receiver unit.
  • the outer surface of the primary or secondary coil which is entirely surrounded by an electrically insulating layer, over the length embedded in the molded body, there is a first partial area which is in mechanical contact with the molded body made of magnetizable concrete.
  • This first sub-area comprises 10 to 90%, advantageously 25 to 75%, in particular 40 to 60% of the outer surface of the respective coil.
  • a second, free partial area of the outer surface of the primary or secondary coil has no mechanical contact with the molded body made of magnetizable concrete.
  • This second sub-area is outside the area in which there is mechanical contact between the shaped body made of magnetizable concrete and the primary or secondary coil, i.e. in this second, free sub-area there is no mechanical contact between the outer coil surface and the shaped body made of magnetizable concrete .
  • the second, free sub-area of the respective outer coil surface complementary to the first sub-area, comprises 90 to 10%, advantageously 75 to 25%, in particular 60 to 40% of the total outer coil surface.
  • Suitable materials for the primary or secondary coils used in the transmitter or receiver unit according to the invention are waveguides made of known and customary metals, with waveguides made of copper or copper alloys, for example brass, as well as those made of aluminum or aluminum alloys or stainless steel being preferred become.
  • waveguides made of silver, silver alloys, gold, gold alloys, platinum, platinum alloys or other precious metals or their alloys are also possible. However, their use is usually reserved for special applications for reasons of cost.
  • the shape and dimensioning of the waveguides used can be varied within wide limits and is basically based on the intended area of use and the field strengths required and the current strengths required for their generation, and possibly also the required mechanical stability.
  • coils made of copper pipe with an outer pipe diameter of approx. 8 mm and a wall thickness of approx. 2 mm can be used.
  • primary coils made of copper pipe with an outside diameter of 2 mm and a wall thickness of 0.5 mm are usually used.
  • these values are only intended as a guide and not in the sense of a limitation.
  • waveguides with a circular cross-section are used.
  • waveguides with, for example, not ideally circular, partially flattened or oval, elliptical or polygonal, such as square, tetragonal, trigonal, hexagonal or octagonal cross-sections is not excluded.
  • Such coils delimited by flat surfaces are used with particular advantage in configurations of the transmitter or receiver unit in which the second sub-area is to lie in a plane with the surface of the molded body made of magnetizable concrete.
  • waveguide coils can be used in the manner of the solid primary coils customary in the usual inductive charging systems for electric vehicles
  • a drivable structure such as a cement-concrete or asphalt road are suitable.
  • the coils should also be suitable for providing an alternating magnetic field, the frequencies usually used in the range from 10 kHz to 500 kHz, in particular 18 kHz to 100 kHz, being used.
  • the required alternating voltages and currents are supplied in a manner known per se from inverters which are advantageously connected to the primary coils via supply lines that are advantageously as short as possible.
  • the transmitter or receiver unit according to the invention comprises a molded body made of magnetizable concrete, in which the primary or secondary coil designed as a waveguide is embedded, forming the first and second subregions explained above.
  • Magnetizable concretes suitable for embedding primary coils are described, for example, in WO 2017060387 A1 mentioned at the beginning and can also be used in an analogous manner for the primary and / or secondary coils in the transmitter or receiver unit according to the invention.
  • its initial permeability can be used as a parameter for the selection of a magnetizable concrete that is suitable both for embedding the coils and for bundling the magnetic field.
  • the initial permeability is to be understood as the permeability that the material exhibits under the influence of an almost vanishing magnetic field. It can be determined, for example, according to the IEC 62044-2 standard.
  • the initial permeability of suitable magnetizable concretes can vary within wide limits. In most cases it has proven to be advantageous to embed the primary coils in a magnetizable concrete, the initial permeability of which is at least 10, advantageously at least 20, in particular at least 30, with an initial permeability of 100 or more only being used in special cases for reasons of expediency . As a rule, the higher the initial permeability, the more important it is to avoid stray fields.
  • the initial permeability is essentially influenced by the relationship between the grain size and the diameter of the magnetic domains in the selected soft magnetic material, a domain with homogeneous magnetic polarization, such as occurs in ferromagnets, for example.
  • a high initial permeability can be achieved with soft magnetic materials whose grain diameter is relatively large in comparison is to the domain diameter.
  • the typical domain diameters are in the range from about 0.5 to 2 ⁇ m, while a range of 0.1 to 10 mm has often proven to be suitable for their mean grain diameter.
  • the optimal mean grain diameters and the optimal grain size distribution corresponding to the respective mean grain diameters are expediently determined in preliminary tests in accordance with the desired permeability.
  • the magnetic field bundling required for sufficient focusing by the magnetizable concrete ultimately depends on the distance between the embedded primary coil and the working position of the receiver unit, which can be equipped with a secondary coil, for example.
  • the greater this distance the lower the minimum permeability of the magnetizable concrete required for bundling.
  • a typical ratio of the lateral coil dimensions, ie the coil width, to the coil spacing between the primary and secondary coil in the range of up to approximately 10 are generally sufficient.
  • the magnetizable concrete usually contains one or more soft magnetic materials and a binding agent or mixture of binding agents as main components.
  • these components are mixed with one another as homogeneously as possible, it being possible, if necessary, to add small amounts of auxiliaries, for example to improve the mixing or flow behavior or to ensure the desired pouring and solidifying properties.
  • Soft ferrites nanocrystalline metals, amorphous metals or metallic powders, for example, are possible as soft magnetic materials contained in the magnetizable concrete.
  • the soft magnetic materials can be used individually or as a mixture. In the following, for the sake of simplicity, reference is made to only one soft magnetic material; However, the information also applies accordingly to mixtures of several soft magnetic materials.
  • the use of ferrites has the advantage that ferrite material, such as that obtained as scrap in the large-scale production of conventional components made of ferrite or in the recycling of electromagnetic devices, can be recycled.
  • the proportion by weight of the soft magnetic material selected in each case is favorably at least 80 percent by weight, preferably 85 to 95 percent by weight.
  • the highest possible degree of filling of the soft magnetic material in the magnetizable concrete is aimed for. This can be achieved in a favorable manner, for example, by selecting soft magnetic materials with certain grain size distributions in order to achieve the closest possible packing of the material particles. It has proven useful to present a soft magnetic material, for example a soft magnetic ferrite, in two or more grain size fractions. In particular, a first fraction with an average grain diameter of 2 to 10 mm with a grain size distribution between 0.5 and 20 mm and a second fraction with an average grain diameter of 0.1 to 0.5 mm with a grain size distribution of 0.01 to 5 mm can be combined.
  • Such fractions are presented in approximately equal proportions by weight, with deviations of up to about 20 percent by weight up or down can be accepted.
  • Such combinations of different fractions of soft magnetic ferrites are known, for example, from EP 1 097463 and, according to this document, can be embedded, among other things, in a matrix of hydraulic cement for the production of magnetizable products, which is shaped and finally solidified.
  • the soft magnetic material is contained in the respective magnetizable product with a weight proportion of more than 80 percent.
  • the mouldable mass is described in the cited document, in addition to other applications, as being particularly suitable for encasing an electrical component such as a coil for the purpose of shielding.
  • a particular advantage is that for the binder or binder mixture contained in the magnetizable concrete, those materials can be selected that are compatible with the The materials used are compatible with each intended passable building structure.
  • materials known from road construction such as hydraulic cement, for example white cement, Portland cement or bitumen, for example road construction bitumen, natural bitumen or polymer-modified bitumen types, are suitable as binders.
  • binder mixtures is not ruled out in principle in some cases, it has mostly proven useful to use only one specific binder.
  • white cement can be used to advantage when the special compressive strength of the magnetizable concrete is important.
  • the thermal expansion and softening behavior of the magnetizable concrete is also advantageous to adapt the thermal expansion and softening behavior of the magnetizable concrete to that of the respective drivable building structure, for example a cement-concrete road or an asphalt road, by appropriate selection of the binder.
  • This creates a permanent and robust connection between the drivable building structure and the transmitter unit integrated therein and containing the primary coil.
  • a transformer unit which comprises a primary coil with the surrounding magnetizable concrete, can subsequently be integrated into an already existing road or roadway without cracks and permanently.
  • the binding agent it should also be noted that the use of some substances that are generally suitable, such as coal tar, may only be restricted or not permitted due to legal requirements.
  • the magnetizable concrete can also contain other auxiliaries, e.g. flow agents, fillers, plaster of paris and the like, through which properties such as flow behavior, castability, solidification and / or hardening can be controlled.
  • auxiliaries e.g. flow agents, fillers, plaster of paris and the like, through which properties such as flow behavior, castability, solidification and / or hardening can be controlled.
  • the magnetizable concrete is initially provided, for example, as an advantageously as homogeneous as possible pourable mixture of the main components selected according to the intended area of use and, if necessary, the auxiliary materials.
  • the mixing processes customary in the respective specialist field are suitable for this.
  • a transmitter unit for drivable building structures can be based on mixing methods as they are known to the person skilled in the art, for example from road construction.
  • magnetizable concrete in which a cement-based binding agent water and, if necessary, a liquefier will usually be added during the mixing process.
  • Conventional concrete mixers can be used as mixers.
  • heating mixers can be used for the mixing process in the customary manner, which provide the necessary mixing and processing temperature to ensure the pourability of the mixture.
  • the mixing process can be carried out in such a way that the soft magnetic material is presented and then mixed with the binding agent. It is also possible to submit the binder and enter the soft magnetic material in it. In many cases, however, the components are presented together and gradually mix during the subsequent mixing process. If the soft magnetic material is used in different grain size fractions, it can also be expedient to first produce separate mixtures of one grain size fraction with the binder and then to mix these mixtures and, if necessary, to homogenize them further.
  • a first possible variant of a method for producing a transmitter or receiver unit according to the invention comprises the following steps:
  • a second possible variant of a method for producing a transmitter or receiver unit according to the invention comprises the following steps:
  • a molded body is produced from the castable mixture of magnetizable concrete provided as already described above, in which the primary coil is embedded, in particular by a casting process.
  • a prefabricated casting mold is presented for this purpose, on the bottom of which a prefabricated coil, for example made of a copper tube coated with an electrically insulating polymer shrink tube, is placed.
  • the bottom of the casting mold is structured by corresponding depressions in such a way that, during the casting process for generating the intended first and second partial area, the coil is not completely, but only partially, expediently about 10 to about 90%, advantageously about 25 to 75% %, in particular about 40 to 60% of the outer surface, favorably about half of the magnetizable concrete is poured around, while in the part of the volume of the coil located in the depressions, the outer surface - ie the second part - is kept free of magnetizable concrete.
  • an open casting mold is presented, the bottom of which is not structured needs, and filled with the pourable mixture of magnetizable concrete.
  • a prefabricated coil covered with an electrically insulating layer is placed on the free surface of the still flowable concrete and dipped into the mixture to the intended depth.
  • the immersion depth is chosen so that in a first sub-area approximately 10 to 90%, advantageously approximately 25 to 75%, in particular approximately 40 to 60%, favorably approximately half of the outer coil surface is immersed in the mixture.
  • a cover layer of magnetically inert concrete can be applied which surrounds the second part of the coil surface that is free of magnetizable concrete.
  • the coil is inserted into the depressions in the bottom of the casting mold, but then poured with a prepared mixture of magnetically inert concrete and, if necessary, compacted so that after the mixture has solidified, usually through Hardening or cooling, the formed precursor shaped body surrounds the intended second, free partial area of the coil surface in a fitting manner, while the first partial area of the coil surface is still free of concrete.
  • the shaped precursor body is then rotated and, if necessary in a further casting mold, poured over with magnetizable concrete to the desired thickness, so that now the first part of the coil surface is positively surrounded by magnetizable concrete.
  • an open casting mold is filled with magnetically inert concrete up to the intended layer thickness.
  • a prefabricated coil is placed on the free surface of the still flowable concrete and dipped into it to a depth corresponding to the intended second partial area of the outer coil surface.
  • magnetizable concrete is now poured up to the intended layer thickness, and thus the first sub-area of the coil surface is positively surrounded by magnetizable concrete.
  • the above-mentioned first to fourth possible procedures have the advantage that they make the production of the transmitter or receiver units according to the invention locally Allow separately from the subsequent place of use, for example at a production facility where defined production conditions can be set.
  • these units can be made available in a standardized form, as is often the case.
  • the transmitter or receiver units according to the invention can be used with particular advantage in the inductive energy supply of electrical or hybrid means of transport, e.g. road or rail-bound vehicles, small vehicles such as bicycles, electric scooters, wheelchairs or feeder vehicles used in buildings. It is not mandatory to use the transmitter or receiver units according to the invention in combination with one another. It is also possible to inductively charge vehicles equipped with a conventional receiver device, for example, by means of a transmitter device according to the invention. It is also possible, for example, to inductively charge a vehicle equipped with a receiver device according to the invention by means of a conventional transmitter device. In the case of inductive heat generation, e.g. in cooking appliances, only one transmitter device according to the invention is used. In this case, the bottom of the cooking vessel acts as the receiving device.
  • inductive heat generation e.g. in cooking appliances
  • only one transmitter device according to the invention is used. In this case, the bottom of the cooking vessel acts as the receiving device.
  • FIG. 1 shows schematically in cross section a shaped body 1 made of magnetizable concrete as well as windings of a coil 3 formed as a waveguide 2 with a circular cross section and provided with an electrically insulating layer 4 on its outer surface.
  • a first partial area 5 the outer surface of the coil is in mechanical contact with the molded body 1 made of magnetizable concrete.
  • a second, free partial area 6 of the outer surface lies outside the area in which there is mechanical contact between the molded body 1 made of magnetizable concrete and the coil surface.
  • the outer coil surface can be surrounded by a cover layer 7 made of non-magnetizable material, in particular magnetically inert concrete.
  • Embodiments are shown by way of example from left to right in which the first partial area 5 corresponds to the value of 30%, 50% or 70% of the outer surface of the coil.
  • FIG. 2 shows schematically in cross section a shaped body 1 made of magnetizable concrete.
  • a coil 3 is embedded, which is made of a waveguide 2 with a square cross-section.
  • the waveguide 2 is coated on its outer surface with an electrically insulating layer 4.
  • 75% of the outer surface of the coil is in mechanical contact with the molded body made of magnetizable concrete.
  • the second, free partial area 6, which is not in mechanical contact with the molded body made of magnetizable concrete, comprises 25% of the outer surface of the coil.
  • the outer surface of the molded body 1 and the second, free partial area of the coil form a plane.
  • the cover layer 7 can, however, also be applied, for example, by pouring a layer of non-magnetizable concrete onto the molded body 1 with an embedded coil 3.
  • Figure 3 shows schematically in cross section the structure of a transmitter unit 8 according to the invention.
  • the turns of a coil 3 made of a waveguide and having a circular cross section are introduced into a molded body 1 made of magnetizable concrete in such a way that 50% of the outer surface of the coil is in mechanical contact are with the molded body.
  • the coil is surrounded on its outer surface with an electrically insulating layer.
  • a cover layer 7 of non-magnetizable concrete is applied to the molded body 1, which surrounds the remaining 50% of the outer surface of the coil, so that half of it is surrounded by magnetizable concrete and half by non-magnetizable concrete.
  • a spiral coil was used to manufacture a transmitter unit, which was made from a copper tube (99.95% Cu content) with an outer diameter of 8 mm and a wall thickness of 1 mm, which was insulated with a shrink tube made of up to 1 kV Polymer was coated.
  • the coil was placed in the bottom of a concrete casting mold, which was structured with well-fitting recesses, in such a way that the upper half of the outer coil surface protruded into the interior of the casting mold, while the lower half was positively enveloped by the recesses and fixed in it .
  • the casting mold was then filled with the magnetizable concrete to the intended height (approx. 20 mm), subjecting it to slight vibrations by means of a vibrating plate in order to facilitate the compaction of the concrete and to enclose the upper half of the coil as pore-free as possible and thus as completely as possible mechanically Ensure contact between the concrete and half the coil surface.
  • the concrete was then allowed to harden and the resulting molded body with the coil half embedded in it was removed.
  • the molded body was then provided on the coil side with an approx. 15 mm thick cover layer of non-magnetizable concrete and this was also allowed to harden.
  • the transmitter unit obtained was subjected to an alternating voltage of 300 V and a frequency of 85 kHz.
  • the temperature the waveguide coil always remained below the limit value of 70 ° C, which is generally still valid.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Current-Collector Devices For Electrically Propelled Vehicles (AREA)

Abstract

Es werden eine Übertragereinheit und/oder eine Empfängereinheit für ein eine Übertragereinheit und eine Empfängereinheit umfassendes System zur induktiven Energieübertragung angegeben. Die Übertragereinheit umfasst einen Formkörper aus magnetisierbarem Beton, der eine Primärspule teilweise umgibt. Diese stellt beim Betrieb ein magnetisches Wechselfeld bereit das mit der Empfängereinheit in Wechselwirkung tritt. Die Empfängereinheit umfasst ebenfalls einen Formkörper aus magnetisierbarem Beton, der eine Sekundär spule teilweise umgibt, welche mit dem bereitgestellten magnetischen Wechselfeld in Wechselwirkung treten kann. Die Primärspule und/oder die Sekundär spule sind durch einen Hohlleiter gebildet und von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben. Dadurch lassen sich durch Wärme und/oder Wirbelströme bedingte Leistungsverluste beim Betrieb der Anordnung reduzieren.

Description

Übertrager- und/oder Empfängereinheit für ein System zur induktiven Energieübertragung.
Die Erfindung betrifft eine Übertragereinheit für ein eine Übertragereinheit und eine Empfängereinheit umfassendes System zur induktiven Energieübertragung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs E Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Empfängereinheit für ein solches System, sowie ein derartiges System, das eine erfindungsgemäße Übertragereinheit und/oder eine erfindungsgemäße Empfängereinheit umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Übertrager- bzw. Empfängereinheit.
Ein System der genannten Art, welches eine Übertragereinheit und eine Empfängereinheit umfasst, ist beispielsweise für den Einsatz bei der induktiven Energieversorgung von elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen aus der WO 2017 060387 Al bekannt. Dabei erfolgt die induktive Energieversorgung durch Leistungsübertragung von der ein Magnetfeld bereitstellenden, in eine befahrbare Baustruktur integrierten, mit einer Primärspule ausgestatteten Übertragereinheit auf die in dem zu versorgenden Fahrzeug befindliche, zur Wechselwirkung mit dem bereitgestellten Magnetfeld geeignete, mit einer Sekundärspule ausgestattete Empfängereinheit. Die Übertragereinheit umfasst einen Formkörper aus magnetisierbarem Beton, in welchen die Primärspule in der Weise eingebettet ist, dass das durch sie bereitgestellte Magnetfeld auf die vorgesehene Ladeposition der Sekundärspule in der Empfängereinheit hin gebündelt wird.
Aus der EIS 2019/0245393 Al ist ein System bekannt, bei dem für die Übertragerspulen massiver Draht oder Litze verwendet wird, wobei zum Schutz der Spule vor korrosiver Wechselwirkung mit dem umgebenden Beton, insbesondere während der Aushärtphase, ggf. eine Isolierung oder Beschichtung vorgesehen werden kann.
Beim Betrieb solcher Anordnungen für die induktive Energieversorgung kommt es aufgrund des elektrischen Widerstandes unvermeidlich zur Wärmeentwicklung in den vom elektrischen Strom durchflossenen Spulen und damit zu unerwünschten Leistungsverlusten. Dies gilt insbesondere in den Fällen, wo hohe Stromstärken oder hochfrequente Ströme erforderlich sind, wie beispielsweise bei der induktiven Energieversorgung von elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen, ebenso wie bei autonomen Transportsystemen oder beim induktiven Kochen. Die Leistungsverluste werden noch dadurch verstärkt, dass der elektrische Widerstand der Spulen mit steigender Temperatur weiter zunimmt. Auch Wirbelströme, die insbesondere bei Spulen aus massivem Material auftreten, sind als Ursache für Leistungsverluste nicht zu vernachlässigen. Bei Spulen auf Basis von Litze lassen sich Leistungsverluste durch Wirbelströme zwar reduzieren, dafür erhöhen sich die Leistungsverluste aufgrund der mit der Temperaturerhöhung der Spule einhergehenden Widerstandserhöhung. Eine erhöhte oder schwankende Spulentemperatur führt darüber hinaus zu einer thermischen Belastung des die Spulen umgebenden Materials, was beispielsweise durch die Bildung von Mikrorissen eine Verschlechterung von dessen mechanischer Stabilität verursachen kann. Dies kann so weit gehen, dass eine solche Anordnung den mechanischen Beanspruchungen während des Betriebs nicht mehr standzuhalten vermag. Ein weiteres Problem ergibt sich insbesondere im Fall von in eine Baustruktur integrierten Einheiten daraus, dass die Endfertigung vielfach erst am Einsatzort stattfindet. Dabei ist es zumeist schwierig, die Herstellungsbedingungen zu kontrollieren und/oder reproduzierbar zu gestalten, so dass gerade beim Einbau der Spulen die an sich wünschenswerte Präzision kaum gewährleistet werden kann. Die Folge sind unerwünschte lokale Schwankungen des magnetischen Wechselfeldes.
Die Aufgabe der Erfindung lag davon ausgehend darin, eine Übertragereinheit bzw. eine Empfängereinheit der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchen sich Leistungsverluste und thermische Belastungen auch beim Einsatz hoher Stromstärken und/oder hochfrequenter Ströme gering halten lassen, bei welchen die magnetischen Wechselfelder sich mit geringen lokalen Schwankungen bereitstellen lassen und welche sich mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit fertigen lassen, so dass sie ggf. in standardisierter Form zur Verfügung gestellt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Übertragereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Empfängereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 2.
Ein wesentliches Merkmal einer erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit besteht darin, dass die Primär- bzw. Sekundärspule jeweils als Hohlleiter ausgebildet ist. Überraschend wurde nämlich gefunden, dass sich durch das Einbetten einer durch einen Hohlleiter gebildeten Primär- bzw. Sekundärspule in einen Formkörper aus magnetisierbarem Beton ein besonders wirksamer Wärmeübergang zwischen der Spule und dem umgebenden Material und damit besonders eine effiziente Abführung der beim Stromfluss entstehenden Wärme erreichen lässt. Außerdem fällt insbesondere bei hohen Stromstärken die durch den Stromfluss erzeugte Wärme im wesentlichen im äußeren Bereich der Spule bzw. an der äußeren Spulenoberfläche und damit im Kontaktbereich zu dem umgebenden Material an. Da sich der bei der erfindungsgemäßen Übertragereinheit verwendete magnetisierbare Beton durch ein verhältnismäßig hohes Wärmeleitvermögen auszeichnet, kann die anfallende Wärme wirksam abgeführt und an die Umgebung abgegeben werden, so dass sich eine gegenüber massiven Spulen oder Litze niedrigere Betriebstemperatur einhalten lässt. Auf diese Weise können die sich aus dem thermischen Verhalten der bekannten Anordnungen ergebenden Nachteile verringert oder vermieden werden. Zudem vermindern sich durch die Verwendung eines Hohlleiters die bei herkömmlichem massivem Spulenmaterial im Spuleninneren auftretenden Wirbelströme deutlich, wodurch eine merkliche Reduzierung der dadurch bedingten Leistungsverluste erreicht werden kann. Insgesamt ermöglichen die genannten vorteilhaften Wirkungen gegenüber herkömmlichen Spulen höhere Ströme und damit eine Verringerung der Windungszahl bzw. eine Erhöhung der übertragbaren Leistung. Daneben erhöht sich auch die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit, da die Spulen auf Hohlleiterbasis eine hohe Festigkeit gegenüber Biege- oder Torsionskräften aufweisen und daher im Sinne einer Bewehrung des Betonmaterials, in das sie eingebettet sind, zu wirken vermögen.
Erfindungsgemäß ist die äußere Spulenoberfläche der als Hohlleiter ausgebildeten Primär- bzw. Sekundärspule mit einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben. Dadurch wird eine möglichst formschlüssige Einbettung der Spulen in den Formkörper aus magnetisierbarem Beton ermöglicht und gleichzeitig verhindert, dass die Spannung über den relativ gut elektrisch leitfähigen magnetisierbaren Beton abfließt oder sogar Überschläge entstehen. Gut geeignet ist beispielsweise die Isolierung mittels einer elektrisch isolierenden Polymerschicht, etwa auf Basis von Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylchlorid, oder Polymeren auf Silikonbasis, die beispielsweise in Form eines Schrumpfschlauches auf die Spulenoberfläche aufgezogen werden kann. In vielen Fällen können elektrisch isolierende Beschichtungen auf Basis anorganischer isolierender Materialien verwendet werden, die sich z.B. durch Pulverbeschichtung, Sputtern, Sprühen oder Lackieren auf die Spulenoberfläche aufbringen lassen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die elektrisch isolierende Schicht auf elektrochemischem Wege bereitzustellen. Diese Vorgehensweise hat sich beispielsweise bewährt, wenn Spulen aus Aluminium eingesetzt werden, die durch Eloxieren mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen werden können. Allgemein hat es sich zumeist als ausreichend erwiesen, wenn die Isolierschichten für Spannungen von bis zu ca. 1 kV ausgelegt sind. Dieser Wert ist jedoch nur als Richtwert, nicht aber im Sinne einer Beschränkung zu verstehen.
Eine genaue und reproduzierbare Positionierung der Spulen wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Spulen in den Formkörper aus magnetisierbarem Beton in der Weise eingebettet werden, dass nicht die gesamte äußere Spulenoberfläche von letzterem umschlossen ist, sondern dass eine von magnetisierbarem Beton freie Teiloberfläche verbleibt. Diese freie Teiloberfläche der Spulen ist in der Regel diejenige, die in der vorgesehenen Arbeitsposition, beispielsweise der Ladeposition, der jeweils in Wechselwirkung tretenden Übertrager- bzw. Empfängereinheit zugewandt ist. Somit ergibt sich für die äußere Oberfläche der Primär- bzw. Sekundärspule, die insgesamt von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben ist, über die in den Formkörper eingebettete Länge ein erster Teilbereich, der sich in mechanischem Kontakt mit dem Formkörper aus magnetisierbarem Beton befindet. Dieser erste Teilbereich umfasst 10 bis 90 %, vorteilhaft 25 bis 75 %, insbesondere 40 bis 60 % der äußeren Oberfläche der jeweiligen Spule. Ein zweiter, freier Teilbereich der äußeren Oberfläche der Primär- bzw. Sekundärspule hat keinen mechanischen Kontakt zum Formkörper aus magnetisierbarem Beton. Dieser zweite Teilbereich befindet sich außerhalb des Bereichs, in dem mechanischer Kontakt zwischen dem Formkörper aus magnetisierbarem Beton und jeweils der Primär- bzw. Sekundärspule besteht, d.h. in diesem zweiten, freien Teilbereich besteht keinerlei mechanischer Kontakt zwischen der äußeren Spulenoberfläche und dem Formkörper aus magnetisierbarem Beton. Dementsprechend umfasst der zweite, freie Teilbereich der jeweiligen äußeren Spulenoberfläche komplementär zum ersten Teilbereich 90 bis 10 %, vorteilhaft 75 bis 25 %, insbesondere 60 bis 40 % der gesamten äußeren Spulenoberfläche.
Als Material für die in der erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit eingesetzten Primär- bzw. Sekundär spulen eignen sich Hohlleiter aus den bekannten und fachüblichen Metallen, wobei bevorzugt Hohlleiter aus Kupfer oder Kupferlegierungen, beispielsweise Messing, wie auch solche aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen oder Edelstahl eingesetzt werden. Grundsätzlich kommen auch Hohlleiter aus Silber, Silberlegierungen, Gold, Goldlegierungen, Platin, Platinlegierungen oder anderen Edelmetallen oder deren Legierungen in Frage. Deren Einsatz ist allerdings in der Regel schon aus Kostengründen Spezialanwendungen Vorbehalten. Die Formgebung und Dimensionierung der verwendeten Hohlleiter kann innerhalb weiter Grenzen variiert werden und richtet sich im Grunde nach dem jeweils vorgesehenen Einsatzbereich und den dabei erforderlichen Feldstärken und den zu deren Erzeugung erforderlichen Stromstärken sowie gegebenenfalls auch der erforderlichen mechanischen Stabilität. Für die Wandstärken haben sich Werte im Bereich von 0,1 bis 6 mm, insbesondere 0,25 bis 4 mm bewährt. In der Regel lassen sich beispielsweise bei einer Übertragereinheit für den Einsatz bei der induktiven Energieversorgung von elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen Spulen aus Kupferrohr mit einem Rohraußendurchmesser von ca. 8 mm und einer Wandstärke von ca. 2 mm verwenden. Bei Ausführungsformen der Übertragereinheit für das induktive Kochen mittels Induktionsherd werden üblicherweise Primärspulen aus Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von 2 mm und einer Wandstärke von 0.5 mm eingesetzt. Diese Werte sind jedoch nur als Anhaltspunkte und nicht im Sinne einer Beschränkung zu sehen.
In den meisten Fällen werden, schon aus Gründen der leichten Verfügbarkeit und der hohen mechanischen Stabilität, Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt verwendet. Grundsätzlich ist aber der Einsatz von Hohlleitern mit beispielsweise nicht ideal kreisförmigem, teilweise abgeplattetem oder ovalem, elliptischem oder polygonalem, wie etwa quadratischem, tetragonalem, trigonalem, hexagonalem oder oktogonalem Querschnitt nicht ausgeschlossen. Derartige von ebenen Flächen begrenzte Spulen werden mit besonderem Vorteil bei Ausgestaltungen der Übertrager- bzw. Empfängereinheit eingesetzt, bei denen der zweite Teilbereich in einer Ebene mit der Oberfläche des Formkörpers aus magnetisierbarem Beton liegen soll. Allgemein ist es nicht zwingend vorgeschrieben, dass der Außenquerschnitt der Spulen mit ihrem Innenquerschnitt übereinstimmt. So kann man bei Bedarf auch auf Spulen zurückgreifen, die beispielsweise einen quadratischen Außen- und einen kreisförmigen Innenquerschnitt aufweisen.
Die Anforderungen bezüglich der elektrischen und/oder mechanischen Kenngrößen, die an die durch einen Hohlleiter gebildeten Primär- bzw. Sekundär spulen gestellt werden, entsprechen in der Regel denen, die im jeweils vorgesehenen Einsatzbereich an die dort üblicherweise eingesetzten, massive Leiter oder Litze verwendenden Spulen gestellt würden. Beispielsweise können im Einsatzbereich der induktiven Energieversorgung von elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen nach Art der in den üblichen induktiven Ladesystemen für Elektrofahrzeuge gebräuchlichen massiven Primärspulen erfindungsgemäß Hohlleiterspulen verwendet werden, die sich von ihrer mechanischen Festigkeit her für die Einbettung in eine befahrbare Struktur wie etwa eine Zementbeton- oder Asphaltstraße eignen. Die Spulen sollten ferner für die Bereitstellung eines magnetischen Wechselfeldes geeignet sein, wobei in die üblicherweise zum Einsatz kommenden Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis 500 kHz, insbesondere 18 kHz bis 100 kHz zum Einsatz kommen. Die benötigten Wechsel Spannungen und Ströme werden in an sich bekannter Weise von Wechselrichtern geliefert, die über vorteilhaft möglichst kurze Zuleitungen mit den Primärspulen verbunden sind.
Zur Bündelung des durch die Primärspule bereitgestellten Magnetfeldes auf die Sekundärspule hin umfasst die erfindungsgemäße Übertrager- bzw. Empfängereinheit einen Formkörper aus magnetisierbarem Beton, in den die als Hohlleiter ausgebildete Primär- bzw. Sekundärspule unter Ausbildung der oben erläuterten ersten und zweiten Teilbereiche eingebettet ist. Zur Einbettung von Primärspulen geeignete magnetisierbare Betone sind z.B. in der eingangs genannten WO 2017060387 Al beschrieben und können in analoger Weise auch für die Primär- und/oder Sekundärspulen in der erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit eingesetzt werden. Als Kenngröße für die Auswahl eines sowohl zur Einbettung der Spulen als auch zur Bündelung des Magnetfeldes geeigneten magnetisierbaren Betons kann in der Regel seine Anfangspermeabilität verwendet werden. Unter der Anfangspermeabilität ist dabei diejenige Permeabilität zu verstehen, die das Material unter dem Einfluss eines nahezu verschwindenden magnetischen Feldes zeigt. Sie lässt sich beispielsweise gemäß der Norm IEC 62044-2 bestimmen. Die Anfangspermeabilität geeigneter magnetisierbarer Betone kann innerhalb weiter Grenzen variieren. In den meisten Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Primärspulen in einen magnetisierbaren Beton einzubetten, dessen Anfangspermeabilität mindestens 10, vorteilhaft mindestens 20, insbesondere mindestens 30 beträgt, wobei man aus Zweckmäßigkeitsgründen nur in besonderen Fällen auf eine Anfangspermeabilität von 100 oder mehr zurückgreifen wird. In der Regel kann man die Anfangspermeabilität um so höher wählen, je mehr es auf die Vermeidung von Streufeldern ankommt.
Die Anfangspermeabilität wird im wesentlichen dadurch beeinflusst, wie bei dem jeweils ausgewählten weichmagnetischen Werkstoff das Verhältnis zwischen der Korngröße und dem Durchmesser der magnetischen Domänen ist, wobei als Domäne vorliegend ein Bereich mit homogener magnetischer Polarisation angesehen wird, wie er beispielsweise in Ferromagneten auftritt. Erfahrungsgemäß lässt sich eine hohe Anfangspermeabilität mit weichmagnetischen Materialien erzielen, deren Korndurchmesser relativ groß im Vergleich zum Domänendurchmesser ist. Beispielsweise liegen bei den mit Vorteil als weichmagnetischer Werkstoff verwendeten Ferriten die typischen Domänendurchmesser im Bereich von etwa 0,5 bis 2 pm, während sich für ihren mittleren Korndurchmesser oftmals ein Bereich von 0,1 bis 10 mm als geeignet erwiesen hat. Die optimalen mittleren Korndurchmesser sowie die den jeweiligen mittleren Korndurchmessem entsprechende optimale Korngrößenverteilung werden zweckmäßig nach Maßgabe der gewünschten Permeabilität in Vorversuchen ermittelt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die zu einer ausreichenden Fokussierung erforderliche Magnetfeldbündelung durch den magnetisierbaren Beton letztlich vom Abstand zwischen der eingebetteten Primärspule und der Arbeitsposition der Empfängereinheit, die beispielsweise mit einer Sekundärspule ausgestattet sein kann, abhängt. Je größer dieser Abstand wird, um so geringer wird die zur Bündelung notwendige Mindestpermeabilität des magnetisierbaren Betons. Bei einem typischen Verhältnis der lateralen Spulenabmessung, d.h. der Spulenbreite, zum Spulenabstand zwischen Primär- und Sekundärspule im Bereich von bis zu ca.10 reichen in der Regel Permeabilitäten im Bereich von mindestens ca. 30 aus.
Der magnetisierbare Beton enthält in der Regel als Hauptbestandteile einen oder mehrere weichmagnetische Werkstoffe sowie ein Bindemittel oder Bindemittelgemisch. Im fertigen weichmagnetischen Beton sind diese Komponenten möglichst homogen miteinander vermischt, wobei gegebenenfalls in geringen Anteilen Hilfsstoffe beigemischt werden können, beispielsweise um das Mischungs- oder Fließverhalten zu verbessern oder die gewünschten Gieß- und Verfestigungseigenschaften sicherzustellen.
Als im magnetisierbaren Beton enthaltene weichmagnetische Werkstoffe kommen beispielsweise Weichferrite, nanokri stalline Metalle, amorphe Metalle oder metallische Pulver in Frage. Die weichmagnetischen Werkstoffe können einzeln oder als Gemisch eingesetzt werden. Im folgenden wird aus Gründen der Einfachheit nur auf jeweils einen weichmagnetischen Werkstoff Bezug genommen; die Angaben gelten jedoch sinngemäß ebenso für Gemische mehrerer weichmagnetischer Werkstoffe. Die Verwendung von Ferriten hat den Vorteil, dass sich auch Ferritmaterial, wie es als Schrott bei der großtechnischen Herstellung herkömmlicher Bauteile aus Ferrit oder beim Recycling elektromagnetischer Geräte anfällt, verwerten lässt. Der Gewichtsanteil des jeweils ausgewählten weichmagnetischen Werkstoffes liegt günstig bei mindestens 80 Gewichtsprozent, bevorzugt 85 bis 95 Gewichtsprozent. Dieser Anteil hat sich insbesondere bei Verwendung von Weichferriten bewährt, da sich einerseits eine gute Magnetisierbarkeit des Betons und andererseits eine gute Formbarkeit und mechanische Stabilität erzielen lässt. Grundsätzlich sind aber in manchen Fällen Gewichtsanteile des weichmagnetischen Werkstoffes bis zu einer Untergrenze von etwa 60 Gewichtsprozent und einer Obergrenze von etwa 98 Gewichtsprozent nicht ausgeschlossen. 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 Korngrößenverteilungen ausgewählt werden, um eine möglichst dichte Packung der Werkstoffpartikel zu erzielen. Es hat sich bewährt, einen weichmagnetischen Werkstoff, beispielsweise einen weichmagnetischen Ferrit, in zwei oder mehreren Komgrößenfraktionen vorzulegen. Dabei können insbesondere eine erste Fraktion mit einem mittleren 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 beispielsweise aus der EP 1 097463 bekannt und können gemäß diesem Dokument zur Herstellung magnetisierbarer Erzeugnisse unter anderem in eine Matrix aus hydraulischem Zement eingebettet werden, welche geformt und schließlich verfestigt wird. Der weichmagnetische Werkstoff ist dabei mit einem Gewichtsanteil von mehr als 80 Prozent in dem jeweiligen magnetisierbaren Erzeugnis enthalten. Die formbare Masse wird in dem genannten Dokument neben anderen Anwendungen auch als besonders geeignet zum Umhüllen eines elektrischen Bauelements wie einer Spule zum Zwecke der Abschirmung beschrieben. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit in einer Anordnung zur induktiven Energieversorgung von elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen liegt ein besonderer Vorteil darin, dass für das im magnetisierbaren Beton enthaltene Bindemittel oder Bindemittelgemisch solche Materialien ausgewählt werden können, die mit den für die jeweils vorgesehene befahrbare Baustruktur verwendeten Materialien kompatibel sind. So eignen sich als Bindemittel beispielsweise aus dem Straßenbau geläufige Materialien wie hydraulischer Zement, z.B. Weißzement, Portlandzement oder Bitumen, z.B. Straßenbaubitumen, Naturbitumen oder polymermodifizierte Bitumentypen. Obwohl auch der Einsatz von Bindemittelgemischen in manchen Fällen grundsätzlich nicht ausgeschlossen ist, hat es sich zumeist bewährt, nur auf ein bestimmtes Bindemittel zurückzugreifen. Beispielsweise lässt sich Weißzement mit Vorteil dann einsetzen, wenn es auf besondere Druckfestigkeit des magnetisierbaren Betons ankommt. Vorteilhaft ist es auch, durch entsprechende Auswahl des Bindemittels das thermische Dehnungs- und Erweichungsverhalten des magnetisierbaren Betons an dasjenige der jeweiligen befahrbaren Baustruktur, beispielsweise einer Zementbetonstraße oder einer Asphaltstraße, anzupassen. Dadurch entsteht eine dauerhafte und robuste Verbindung zwischen der befahrbaren Baustruktur und der darin integrierten, die Primärspule enthaltenden Übertragereinheit. Insbesondere kann dadurch auch sichergestellt werden, dass sich nachträglich eine Übertragereinheit, welche eine Primärspule mit dem sie umgebenden magnetisierbaren Beton umfasst, in eine bereits vorhandene Straße oder Fahrbahn rissfrei und dauerhaft integrieren lässt. Bei der Auswahl des Bindemittels ist auch zu beachten, dass der Einsatz von manchen grundsätzlich zwar geeigneten Stoffen wie etwa Steinkohlenteer aufgrund gesetzlicher Vorgaben nur eingeschränkt oder nicht zulässig sein kann.
Der magnetisierbare Beton kann neben dem weichmagnetischen Werkstoff und dem Bindemittel oder Bindemittelgemisch auch weitere Hilfsstoffe, z.B. Fließmittel, Füllstoffe, Gips und dergleichen enthalten, durch welche sich Eigenschaften wie Fließverhalten, Vergießbarkeit, Verfestigung und/oder Aushärtung steuern lassen.
Der magnetisierbare Beton wird für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit beispielsweise zunächst als vorteilhaft möglichst homogene gießfähige Mischung der nach Maßgabe des vorgesehenen Einsatzbereiches ausgewählten Hauptkomponenten sowie gegebenenfalls der Hilfsstoffe bereitgestellt. Dafür eignen sich die im jeweiligen Fachgebiet üblichen Mischverfahren. Beispielsweise kann man für die Herstellung einer Übertragereinheit für befahrbare Baustrukturen auf Mischverfahren zurückgreifen, wie sie dem Fachmann beispielsweise aus dem Straßenbau bekannt sind. So wird man bei einem magnetisierbaren Beton, bei dem ein Bindemittel auf Zementbasis vorgesehen ist, in der Regel beim Mischvorgang Wasser sowie gegebenenfalls einen Verflüssiger hinzufügen. Als Mischer können übliche Betonmischer eingesetzt werden. Bei einem magnetisierbaren Beton, bei dem ein Bindemittel auf Bitumenbasis vorgesehen ist, können in der fachüblichen Weise für den Mischvorgang Heizmischer verwendet werden, die die erforderliche Misch- und Verarbeitungstemperatur zur Verfügung stellen, um die Gießfähigkeit der Mischung zu gewährleisten.
Grundsätzlich kann beim Mischvorgang so vorgegangen werden, dass der weichmagnetische Werkstoff vorgelegt und dann mit dem Bindemittel vermischt wird. Ebenso ist es möglich, das Bindemittel vorzulegen und den weichmagnetischen Werkstoff darin einzutragen. In vielen Fällen werden jedoch die Komponenten zusammen vorgelegt und vermischen sich nach und nach beim anschließenden Mischvorgang. Wenn der weichmagnetische Werkstoff in verschiedenen Korngrößenfraktionen eingesetzt wird, kann es auch zweckmäßig sein, zunächst separate Mischungen jeweils einer Korngrößenfraktion mit dem Bindemittel herzustellen und dann diese Mischungen zu vermischen und ggf. weiter zu homogenisieren.
Eine erste mögliche Variante eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer Gießform
Bereitstellen einer aus einem Hohlleiter gebildeten, an ihrer äußeren Oberfläche von einer elektrisch isolierenden Schicht umgebenen Primär- oder Sekundär spule
- Bereitstellen einer gießfähigen Mischung eines magnetisierbaren Betons
- Einbringen der Primär- oder Sekundärspule in die Gießform und anschließendes Befüllen mit der gießfähigen Mischung des magnetisierbaren Betons oder Befüllen der Gießform mit der gießfähigen Mischung des magnetisierbaren Betons und anschließendes Einbetten der Primär- oder Sekundärspule in den Beton
Verfestigen des magnetisierbaren Betons sowie gegebenenfalls Aufbringen einer Deckschicht aus nicht magnetisierbarem Material, insbesondere nicht magnetisierbarem Beton. Eine zweite mögliche Variante eines Verfahrens zur Herstellung einer erfmdungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer Gießform
Bereitstellen einer aus einem Hohlleiter gebildeten, an ihrer äußeren Oberfläche von einer elektrisch isolierenden Schicht umgebenen Primär- oder Sekundär spule
- Bereitstellen einer gießfähigen Mischung eines nicht magnetisierbaren Betons
- Bereitstellen einer gießfähigen Mischung eines magnetisierbaren Betons Teilweises Einbetten der Primär- oder Sekundärspule in nicht magnetisierbaren Beton durch Einbringen in die Gießform und anschließendes teilweises Befüllen mit der gießfähigen Mischung des nicht magnetisierbaren Betons oder teilweises Befüllen der Gießform mit der gießfähigen Mischung des nicht magnetisierbaren Betons und anschließendes teilweises Einbetten der Primär oder Sekundärspule in den Beton
Vollständiges Einbetten der Primär- oder Sekundärspule durch Aufbringen einer Schicht aus magnetisierbarem Beton.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer erfmdungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit wird aus der wie weiter oben bereits beschrieben bereitgestellten gießfähigen Mischung des magnetisierbaren Betons ein Formkörper hergestellt, in den die Primärspule insbesondere durch einen Gießvorgang eingebettet ist. Gemäß einer ersten Vorgehensweise wird zu diesem Zweck eine vorgefertigte Gießform vorgelegt, auf deren Boden eine vorgefertigte Spule beispielsweise aus mit einem elektrisch isolierenden Polymer-Schrumpfschlauch überzogenem Kupferrohr eingelegt wird. Vorteilhaft ist der Boden der Gießform durch entsprechende Vertiefungen so strukturiert, dass beim Gießvorgang zur Erzeugung des vorgesehenen ersten und zweiten Teilbereiches die Spule nicht vollständig, sondern nur zum Teil, zweckmäßig zu ca. 10 bis ca. 90 %, vorteilhaft ca. 25 bis 75 %, insbesondere zu ca. 40 bis 60 % der äußeren Oberfläche, günstig etwa zur Hälfte von dem magnetisierbaren Beton umgossen wird, während bei dem in den Vertiefungen befindlichen Teilvolumen der Spule die äußere Oberfläche - d.h. dem zweiten Teilbereich - von magnetisierbarem Beton freigehalten wird. Gemäß einer zweiten möglichen Vorgehensweise wird eine offene Gießform vorgelegt, deren Boden nicht strukturiert zu sein braucht, und mit der gießfähigen Mischung des magnetisierbaren Betons gefüllt. Auf die freie Oberfläche des noch fließfähigen Betons wird eine vorgefertigte, mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogene Spule aufgelegt und bis zur vorgesehenen Tiefe in die Mischung eingetaucht. Die Eintauchtiefe wird so gewählt, dass in einem ersten Teilbereich ca. 10 bis 90 &, vorteilhaft ca. 25 bis 75 %, insbesondere ca. 40 bis 60 %, günstig etwa die Hälfte der äußeren Spulenoberfläche in die Mischung eingetaucht. Bei Bedarf kann dann je nach der gewählten ersten oder zweiten Vorgehensweise direkt oder nach dem weitgehenden oder vollständigen Aushärten des magnetisierbaren Betons eine Deckschicht aus magnetisch inertem Beton aufgebracht werden, die den zweiten, von magnetisierbarem Beton freien Teilbereich der Spulenoberfläche umgibt.
Gemäß einer dritten möglichen Vorgehensweise wird analog der ersten möglichen Vorgehensweise die Spule in die Vertiefungen des Bodens der Gießform eingelegt, dann aber mit einer bereitgestellten Mischung eines magnetisch inerten Betons vergossen, und gegebenenfalls verdichtet, so dass nach dem Festwerden der Mischung, in der Regel durch Erhärten oder Erkalten, der gebildete Vorläuferformkörper den vorgesehenen zweiten, freien Teilbereich der Spulenoberfläche passgerecht umgibt, während der erste Teilbereich der Spulenoberfläche noch frei von Beton ist. Anschließend wird der Vorläuferformkörper gedreht und, ggf. in einer weiteren Gießform, bis zur gewünschten Dicke mit magnetisierbarem Beton übergossen, so dass nunmehr der erste Teilbereich der Spulenoberfläche formschlüssig von magnetisierbarem Beton umgeben ist.
Gemäß einer vierten möglichen Vorgehensweise wird analog der zweiten möglichen Vorgehensweise eine offene Gießform bis zur vorgesehenen Schichtdicke mit magnetisch inertem Beton gefüllt. Auf die freie Oberfläche des noch fließfähigen Betons wird eine vorgefertigte Spule aufgelegt und bis zu einer dem vorgesehenen zweiten Teilbereich der äußeren Spulenoberfläche entsprechenden Tiefe in diesen eingetaucht. Einmittelbar anschließend oder nach dem weitgehenden oder vollständigen Aushärten wird nunmehr bis zur vorgesehenen Schichtdicke magnetisierbarer Beton aufgegossen, und somit der erste Teilbereich der Spulenoberfläche formschlüssig von magnetisierbarem Beton umgeben.
Die vorstehend genannten ersten bis vierten möglichen Vorgehensweisen haben den Vorteil, dass sie die Herstellung der erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheiten lokal getrennt vom späteren Einsatzort gestatten, beispielsweise an einer Fertigungsstätte, an der sich definierte Herstellungsbedingungen einstellen lassen. Somit wird es gegenüber einer Fertigung vor Ort möglich, diese Einheiten mit erhöhter Präzision und Reproduzierbarkeit bereitzustellen. Dadurch lassen sich diese Einheiten wie vielfach angestrebt in standardisierter Form bereitstellen.
Die erfmdungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheiten lassen sich mit besonderem Vorteil bei der induktiven Energieversorgung von elektrischen oder hybriden Transportmitteln, z.B. Straßen- oder schienengebundenen Fahrzeugen, Kleinfahrzeugen wie Fahrrädern, Elektrorollern, Rollstühlen oder in Gebäuden eingesetzten Zubringerfahrzeugen verwenden. Dabei ist es nicht zwingend vorgeschrieben, die erfmdungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheiten in Kombination miteinander einzusetzen. Es ist auch möglich, mittels einer erfmdungsgemäßen Übertragereinrichtung beispielsweise mit einer herkömmlichen Empfängereinrichtung bestückte Fahrzeuge induktiv zu laden. Gleichermaßen ist es beispielsweise möglich, ein z.B. mit einer erfmdungsgemäßen Empfängereinrichtung bestücktes Fahrzeug mittels einer konventionellen Übertragereinrichtung induktiv zu laden. Bei der induktiven Wärmeerzeugung, z.B. bei Kochvorrichtungen, kommt nur eine erfindungsgemäße Übertragereinrichtung zum Einsatz. Als Empfängereinrichtung wirkt in diesem Fall der Boden des Kochgefäßes.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch im Querschnitt einen Formkörper 1 aus magnetisierbarem Beton sowie als Hohlleiter 2 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildete Windungen einer Spule 3, die an ihrer äußeren Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht 4 versehen ist. In einem ersten Teilbereich 5 befindet sich die äußere Oberfläche der Spule in mechanischem Kontakt mit dem Formkörper 1 aus magnetisierbarem Beton. Ein zweiter, freier Teilbereich 6 der äußeren Oberfläche liegt außerhalb des Bereichs, in dem mechanischer Kontakt zwischen dem Formkörper 1 aus magnetisierbarem Beton und der Spulenoberfläche besteht. In diesem Bereich kann die äußere Spulenoberfläche von einer Deckschicht 7 aus nicht magnetisierbarem Material, insbesondere magnetisch inertem Beton, umgeben sein. Beispielhaft sind von links nach rechts Ausführungsformen gezeigt, bei denen der erste Teilbereich 5 dem Wert von 30%, 50% oder 70% der äußeren Oberfläche der Spule entspricht. Figur 2 zeigt analog der in Figur 1 dargestellten Anordnung schematisch im Querschnitt einen Formkörper 1 aus magnetisierbarem Beton. In diesen ist eine Spule 3 eingebettet, die aus einem Hohlleiter 2 mit quadratischem Querschnitt gefertigt ist. Der Hohlleiter 2 ist an seiner äußeren Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht 4 überzogen. In einem ersten Teilbereich 5 sind 75 % der äußeren Oberfläche der Spule in mechanischem Kontakt mit dem Formkörper aus magnetisierbarem Beton. Der zweite, freie Teilbereich 6, der sich nicht in mechanischem Kontakt mit dem Formkörper aus magnetisierbarem Beton befindet, umfasst 25 % der äußeren Oberfläche der Spule. Bei dieser beispielhaft gezeigten Anordnung bilden die äußere Oberfläche des Formkörpers 1 und der zweite, freie Teilbereich der Spule eine Ebene. Dies ermöglicht es, die Deckschicht 7 beispielsweise in Form einer separat gefertigten Deckplatte aus nicht magnetisierbarem Beton aufzubringen. Die Deckschicht 7 kann aber z.B. auch durch Aufgießen einer Schicht aus nicht magnetisierbarem Beton auf den Formkörper 1 mit eingebetteter Spule 3 aufgebracht werden.
Figur 3 zeigt schematisch im Querschnitt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Übertragereinheit 8. In einen Formkörper 1 aus magnetisierbarem Beton sind die Windungen einer aus einem Hohlleiter gefertigten, kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Spule 3 in der Weise eingebracht, dass 50 % der äußeren Oberfläche der Spule in mechanischem Kontakt mit dem Formkörper sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nicht explizit dargestellt, dass die Spule an ihrer äußeren Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben ist. Auf den Formkörper 1 ist eine Deckschicht 7 aus nicht magnetisierbarem Beton aufgebracht, die die restlichen 50% der äußeren Oberfläche der Spule umgibt, so dass diese zur Hälfte von magnetisierbarem Beton, zur Hälfte von nicht magnetisierbarem Beton umgeben ist.
Die folgenden Ausführungsbeispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung und sind nicht im Sinne einer Beschränkung zu interpretieren.
Beispiel 1:
Für die Herstellung einer Übertragereinheit wurde eine spiralförmige Spule verwendet, die aus einem Kupferrohr (99,95 % Cu- Anteil) mit einem Außendurchmesser von 8 mm und einer Wandstärke von 1 mm gefertigt war, das mit einem Schrumpfschlauch aus elektrisch bis zu 1 kV isolierendem Polymer überzogen war. Als magnetisierbarer Beton wurde eine Mischung aus ca. 50 Masse-% weichmagnetischem Ferrit mir 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, 0,5 Masse-% eines üblichen Verflüssigers und ca. 4,5 Masse-% Wasser in einem üblichen Mischer so lange gemischt, bis eine homogene gießfähige Masse gebildet war. Eine Probe dieser Mischung zeigte nach dem Aushärten eine Anfangspermeabilität von 35, gemessen an einem Ringkem; die Wärmeleitfähigkeit lag bei ca. 3 W/(m K), gemessen nach der Heizdrahtmethode.
Nun wurde die Spule in den mit passgerechten Vertiefungen strukturierten Boden einer Beton-Gießform eingelegt, und zwar derart, dass die äußere Spulenoberfläche mit ihrer oberen Hälfte in das Innere der Gießform hineinragte, während die untere Hälfte von den Vertiefungen formschlüssig umhüllt und in diesen fixiert war. Anschließend wurde die Gießform bis zur vorgesehenen Höhe (ca. 20 mm) mit dem magnetisierbaren Beton gefüllt, wobei sie leichten Vibrationen mittels Rüttelplatte unterworfen wurde, um die Verdichtung des Betons zu erleichtern und eine möglichst porenfreie Umhüllung der oberen Spulenhälfte und damit einen möglichst vollständigen mechanischen Kontakt zwischen Beton und halber Spulenoberfläche zu gewährleisten. Danach wurde der Beton aushärten gelassen und der entstandene Formkörper mit der darin zur Hälfte eingebetteten Spule entnommen.
Inzwischen wurde als nicht magnetisierbarer Beton eine weitere Mischung aus den oben verwendeten Komponenten 18 Masse-% Portlandzement, 0,9 Masse-% Verflüssiger und 8,1 Masse-% Wasser mit 73 Masse-% feinkörnigem Kies als Zuschlagsstoff, aber ohne die weichmagnetischen Komponenten ebenfalls in einem üblichen Mischer so lange gemischt, bis eine homogene gießfähige Masse gebildet war.
Mit dieser Mischung wurde abschließend der Formkörper spulenseitig mit einer ca. 15 mm dicken Deckschicht aus nicht magnetisierbarem Beton versehen und diese ebenfalls aushärten gelassen.
In einem mehrstündigen Testbetrieb wurde die erhaltene Übertragereinheit mit einer Wechsel Spannung von 300 V und einer Frequenz von 85 kHz beaufschlagt. Die Temperatur der Hohlleiterspule blieb dabei stets unterhalb des allgemein als noch zulässig geltenden Grenzwertes von 70 °C.

Claims

Patentansprüche:
1. Übertragereinheit (8) für ein eine Übertragereinheit und eine Empfängereinheit umfassendes System zur induktiven Energieübertragung, bei welchem ein von der mit einer Primärspule (3) ausgestatteten Übertragereinheit bereitgestelltes magnetisches Wechselfeld in Wechselwirkung mit der Empfängereinheit tritt, wobei die Übertragereinheit (8) einen Formkörper (1) aus magnetisierbarem Beton umfasst, in welchen die Primärspule (3) in der Weise eingebettet ist, dass das durch sie bereitgestellte Magnetfeld auf die für die Wechselwirkung vorgesehene Position der Empfängereinheit hin gebündelt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: die Primärspule (3) ist als Hohlleiter (2) ausgebildet die äußere Oberfläche der Primärspule ist von einer elektrisch isolierenden
Schicht (4) umgeben ein erster Teilbereich (5) der äußeren Oberfläche der Primärspule befindet sich in mechanischem Kontakt mit dem Formkörper (1) aus magnetisierbarem Beton ein zweiter, freier Teilbereich (6) der äußeren Oberfläche der Primärspule befindet sich außerhalb des Bereichs, in dem mechanischer Kontakt zwischen dem Formkörper (1) aus magnetisierbarem Beton und der Primärspule besteht der erste Teilbereich (5) umfasst 10 bis 90 %, vorteilhaft 25 bis 75 %, insbesondere 40 bis 60 % der äußeren Oberfläche der Primärspule.
2. Empfängereinheit (8) für ein eine Übertragereinheit und eine Empfängereinheit umfassendes System zur induktiven Energieübertragung, bei welchem ein von der mit einer Primärspule ausgestatteten Übertragereinheit bereitgestelltes magnetisches Wechselfeld in Wechselwirkung mit der mit einer Sekundärspule (3) ausgestatteten Empfängereinheit tritt, wobei die Empfängereinheit einen Formkörper (1) aus magnetisierbarem Beton umfasst, in welchen die Sekundärspule (3) in der Weise eingebettet ist, dass das bereitgestellte Magnetfeld auf sie hin gebündelt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: die Sekundärspule (3) ist als Hohlleiter (2) ausgebildet die äußere Oberfläche der Sekundärspule (3) ist von einer elektrisch isolierenden Schicht (4) umgeben ein erster Teilbereich (5) der äußeren Oberfläche der Sekundärspule befindet sich in mechanischem Kontakt mit dem Formkörper (1) aus magnetisierbarem Beton ein zweiter, freier Teilbereich (6) der äußeren Oberfläche der Sekundärspule befindet sich außerhalb des Bereichs, in dem mechanischer Kontakt zwischen dem Formkörper (1) aus magnetisierbarem Beton und der Sekundärspule besteht der erste Teilbereich (5) umfasst 10 bis 90 %, vorteilhaft 30 bis 70%, insbesondere 40 bis 60 % der äußeren Oberfläche der Sekundärspule.
3. Übertragereinheit nach Anspruch 1 oder Empfängereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisierbare Beton eine Anfangspermeabilität von mindestens 10, vorteilhaft mindestens 20, insbesondere mindestens 30 aufweist und der Formkörper (1) den ersten Teilbereich (5) der äußeren Oberfläche der Primär- bzw. Sekundärspule (3) formschlüssig umgibt.
4. Übertragereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 3, oder Empfängereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite, freie Teilbereich (6) der äußeren Oberfläche der Primär- bzw. Sekundärspule (3) von einer Deckschicht (7) aus nicht magnetisierbarem Material, insbesondere nicht magnetisierbarem Beton umgeben ist.
5. Übertragereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 3 und 4, oder Empfängereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (2) einen kreisförmigen, ovalen, trigonalen, quadratischen, tetragonalen, hexagonalen, oktogonalen oder polygonalen Querschnitt aufweist.
6. Übertragereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 3 bis 5, oder Empfängereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (2) aus Material auf Basis von Kupfer, Messing, Kupferlegierung, Aluminium, Aluminiumlegierung, Silber, Silberlegierung oder Edelstahl besteht.
7. Übertragereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 3 bis 6, oder Empfängereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (4) eine elektrisch isolierende Polymerschicht oder eine elektrisch isolierende Pulverschicht ist.
8. Übertragereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 3 bis 7, oder Empfängereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (2) eine Wandstärke von 0.1 bis 10 mm, vorteilhaft 0.25 bis 4 mm besitzt.
9. System zur induktiven Energieversorgung von elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen durch Leistungsübertragung von einer ein Magnetfeld bereitstellenden in eine befahrbare Baustruktur integrierten, mit einer Primärspule ausgestatteten Übertragereinheit auf eine in dem zu versorgenden Fahrzeug befindliche, zur Wechselwirkung mit dem bereitgestellten Magnetfeld geeignete, mit einer Sekundärspule ausgestatteten Empfängereinheit, wobei die Übertragereinheit einen Formkörper aus magnetisierbarem Beton umfasst, in welchen die Primärspule in der Weise eingebettet ist, dass das durch sie bereitgestellte Magnetfeld auf die vorgesehene Ladeposition der Sekundärspule in der Empfängereinheit hin gebündelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übertragereinheit gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 3 bis 8 und/oder eine Empfängereinheit gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8 vorgesehen ist.
10. Verwendung einer Übertragereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 3 bis 8 und/oder einer Empfängereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8 in einem System zur induktiven Energieversorgung von elektrischen und/oder hybriden Transportmitteln, insbesondere Fahrzeugen.
11. Verwendung einer Übertragereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 3 bis 8 in einer Anordnung zur induktiven Wärmeerzeugung, insbesondere zum induktiven Kochen.
12. Verfahren zur Herstellung einer Übertragereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 3 bis 8 oder einer Empfängereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer Gießform
- Bereitstellen einer aus einem Hohlleiter (2) gebildeten, insbesondere spiralförmigen Primär- oder Sekundärspule (3)
- Bereitstellen einer gießfähigen Mischung eines magnetisierbaren Betons
- Einbringen der Primär- oder Sekundärspule (3) in die Gießform und anschließendes Befüllen mit der gießfähigen Mischung des magnetisierbaren Betons oder Befüllen der Gießform mit der gießfähigen Mischung des magnetisierbaren Betons und anschließendes Einbetten der Primär- oder Sekundärspule in den Beton
Verfestigen des magnetisierbaren Betons sowie gegebenenfalls Aufbringen einer Deckschicht (7) aus nicht magnetisierbarem Material.
13. Verfahren zur Herstellung einer Übertragereinheit oder einer Empfängereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer Gießform
- Bereitstellen einer aus einem Hohlleiter (2) gebildeten, an ihrer äußeren Oberfläche von einer elektrisch isolierenden Schicht umgebenen Primär- oder Sekundär spule (3)
- Bereitstellen einer gießfähigen Mischung eines nicht magnetisierbaren Betons
- Bereitstellen einer gießfähigen Mischung eines magnetisierbaren Betons Teilweises Einbetten der Primär- oder Sekundärspule (3) in den nicht magnetisierbaren Beton durch Einbringen in die Gießform und anschließendes teilweises Befüllen mit der gießfähigen Mischung des nicht magnetisierbaren Betons oder teilweises Befüllen der Gießform mit der gießfähigen Mischung des nicht magnetisierbaren Betons und anschließendes teilweises Einbetten der Primär- oder Sekundärspule in den Beton
- Vervollständigen des Einbettens der Primär- oder Sekundärspule durch Aufbringen und Verfestigen einer Schicht aus magnetisierbarem Beton.
PCT/EP2020/025514 2019-11-13 2020-11-13 Übertrager- und/oder empfängereinheit für ein system zur induktiven energieübertragung WO2021093995A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019007882.9 2019-11-13
DE102019007882 2019-11-13

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021093995A1 true WO2021093995A1 (de) 2021-05-20

Family

ID=72334013

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2020/025514 WO2021093995A1 (de) 2019-11-13 2020-11-13 Übertrager- und/oder empfängereinheit für ein system zur induktiven energieübertragung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE202020002937U1 (de)
WO (1) WO2021093995A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4276083A1 (de) 2022-05-13 2023-11-15 Holcim Technology Ltd Magnetisierbare betonzusammensetzung

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997020451A1 (en) * 1995-11-27 1997-06-05 Aktiebolaget Electrolux An induction heating hotplate
EP1097463A1 (de) 1998-07-10 2001-05-09 Epcos Ag Magnetisierbares erzeugnis, seine verwendung sowie ein verfahren zu seiner herstellung
JP2012119615A (ja) * 2010-12-03 2012-06-21 Fujitsu Ten Ltd 受電装置、送電装置、無線電力伝送システム、及びコイル用導電性線材
WO2017060387A1 (de) 2015-10-07 2017-04-13 Magment Ug (Haftungsbeschränkt) Anordnung zur induktiven energieversorgung von elektrischen oder hybriden fahrzeugen
US20190245393A1 (en) 2017-09-29 2019-08-08 Utah State University Magnetizable concrete composite for road-embedded wireless power transfer

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997020451A1 (en) * 1995-11-27 1997-06-05 Aktiebolaget Electrolux An induction heating hotplate
EP1097463A1 (de) 1998-07-10 2001-05-09 Epcos Ag Magnetisierbares erzeugnis, seine verwendung sowie ein verfahren zu seiner herstellung
JP2012119615A (ja) * 2010-12-03 2012-06-21 Fujitsu Ten Ltd 受電装置、送電装置、無線電力伝送システム、及びコイル用導電性線材
WO2017060387A1 (de) 2015-10-07 2017-04-13 Magment Ug (Haftungsbeschränkt) Anordnung zur induktiven energieversorgung von elektrischen oder hybriden fahrzeugen
US20190245393A1 (en) 2017-09-29 2019-08-08 Utah State University Magnetizable concrete composite for road-embedded wireless power transfer

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4276083A1 (de) 2022-05-13 2023-11-15 Holcim Technology Ltd Magnetisierbare betonzusammensetzung
WO2023218393A1 (en) 2022-05-13 2023-11-16 Holcim Technology Ltd Magnetizable concrete composition

Also Published As

Publication number Publication date
DE202020002937U1 (de) 2020-08-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3360143B1 (de) Anordnung zur induktiven energieversorgung von elektrischen oder hybriden fahrzeugen
DE602004005103T2 (de) Spulenbauteil und Verfahren zur Herstellung
DE69821278T2 (de) Magnetkern und Herstellungsverfahren
DE112009000919T5 (de) Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Verbundmaterials und magnetisches Verbundmaterial
DE112015003006B4 (de) Kernelement, Drossel und Verfahren zum Herstellen des Kernelements
DE102009053965B4 (de) Mit einer Vergussmasse vergossene Gradientenspule
DE112011102027T5 (de) Drossel und Verfahren zum Herstellen derselben
DE10121337A1 (de) Magnetischer Dünnfilm, diesen enthaltende magnetische Komponente, Verfahren zu ihrer Herstellung und Energiewandler (Umformer)
EP3353799B1 (de) Induktionsspuleneinheit mit einem faserverstärkten ferritkern
DE102004002919B4 (de) Gradientenspulensystem und Verfahren zum Herstellen des Gradientenspulensystems
EP1097463B1 (de) Magnetisierbares erzeugnis, seine verwendung sowie ein verfahren zu seiner herstellung
WO2021093995A1 (de) Übertrager- und/oder empfängereinheit für ein system zur induktiven energieübertragung
WO2001048897A1 (de) Verfahren zur herstellung einer hochwertigen isolierung elektrischer leiter oder leiterbündel rotierender elektrischer maschinen mittels wirbelsintern
WO2008017373A1 (de) Spulenträger für induktoren
DE102019135634A1 (de) Vorrichtungen und verfahren zum bilden von ausgerichteten magnetkernen
DE102013112325B4 (de) Ringspule und Herstellungsverfahren für eine Ringspule
EP1523748B1 (de) Induktives bauelement und verwendung des bauelements
WO2005013296A1 (de) Induktives bauelement mit kühlvorrichtung und verwendung des bauelements
EP2274754B1 (de) Trockentransformator
DE19854642C2 (de) Bauelement mit verbesserter Wärmesenke
WO2020207687A1 (de) Induktives Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements
EP0771239A1 (de) Verfahren zum induktiven aufheizen eines feuerfesten formteils sowie ein entsprechendes formteil hierfür
EP2663983A2 (de) Vorrichtung zur verbesserung der elektrischen eigenschaften einer beschichtung eines leiters oder dergleichen durch isolierstoffe, sowie ein verfahren zur anwendung einer derartigen vorrichtung
DE102010007270B3 (de) Formkern zum Formen und Temperieren einer Hohlstruktur
EP0107802A2 (de) Verfahren zur Herstellung einer in eine Vergussmasse eingebetteten Draht- oder Folien-Wicklung und für das Verfahren verwendbares Wicklungsmaterial

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20859678

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20859678

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1