DE102014116901A1

DE102014116901A1 - Wicklungsanordnung für ein induktives Energieübertragungssystem

Info

Publication number: DE102014116901A1
Application number: DE102014116901.8A
Authority: DE
Inventors: Faical Turki
Original assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Current assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2016-06-02
Also published as: WO2016078814A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung (1) für die Primär- und/oder Sekundärseite eines induktiven Energieübertragungssystems, wobei die Wicklungsanordnung (1) zwei Wicklungen (A, B) aufweist, welche jeweils mäanderförmig ausgebildet sind oder mäanderförmig ausgebildete Wicklungsbereiche (A1, B1) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (A, B) bzw. deren Wicklungsbereiche (A1, B1) um 90° zueinander verdreht und sich überlappend angeordnet sind, wobei durch die zwei Wicklungen (A, B) elektrische Ströme (iA, iB) fließen, die zueinander um 90° elektrisch phasenverschoben sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für die Primär- und/oder Sekundärseite eines induktiven Energieübertragungssystems, mit zwei Wicklungen, welche jeweils mäanderförmig ausgebildet sind oder mäanderförmig ausgebildete Wicklungsbereiche aufweisen.
Wicklungsanordnungen für induktive Energieübertragungssysteme sind in verschiedensten Formen bekannt. So ist z.B. aus WO 2011/145953 eine Wicklungsanordnung mit zwei mäanderförmig in Richtung X verlegten Primärwicklungen bekannt, wobei, wie aus 1 ersichtlich, die mäanderförmig verlegten Primärwicklungen 14, 15 in Richtung X um die Distanz P zueinander verschoben angeordnet sind und durch getrennte Quellen 16, 17 gespeist werden. Aufgrund der Mäanderform kann die induktiv zu speisende Sekundärseite an vielen Stellen oberhalb der Primärwicklungen zur Energieübertragung angeordnet werden. Der Ort, an dem die induktive Energieübertragung stattfinden kann, ist somit allein durch die Länge und Breite der mäanderförmig verlegten Primärwicklungen 14, 15 begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wicklungsanordnung für eine flächendeckende induktive Energieübertragung bereitzustellen, bei der die primärseitige Wicklungsanordnung sich über einen flächigen Bereich erstreckt und die kleinere sekundärseitige Wicklungsanordnung innerhalb dieses Bereiches an verschiedenen Stellen zur induktiven Energieübertragung anordbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mäanderförmigen Wicklungen bzw. Wicklungsbereiche um 90° zueinander mechanisch verdreht und sich überlappend angeordnet sind, wobei durch die zwei Wicklungen elektrische Ströme fließen, die zueinander um 90° elektrisch phasenverschoben sind.
Durch die mechanisch um 90° zueinander verdreht angeordneten mäanderförmigen Wicklungen bzw. Wicklungsbereiche und die um 90° zueinander elektrisch phasenverschobenen Ströme wird vorteilhaft eine hohe Leistungsdichte erzielt, wobei keine Kopplung zwischen den beiden mäanderförmigen Wicklungen erfolgt. Die elektrischen Ströme weisen eine Frequenz zwischen 10 und 200 kHz, vorteilhaft 10–150 kHz auf.
Dabei weist jede mäanderförmig ausgebildete Wicklung bzw. jeder mäanderförmig ausgebildete Wicklungsbereich zueinander parallele gerade Leiterabschnitte auf, deren Enden jeweils mittels eines, insbesondere gebogenen oder halbkreisförmigen, Verbindungsleiters mit dem Ende eines benachbarten parallelen geraden Leiterabschnitts derselben Wicklung verbunden sind. Die Verbindungsleiter können dabei so angeordnet werden, dass sie sich außerhalb des Energieübertragungsbereiches befinden, welcher durch die sich kreuzenden geraden Leiterabschnitte gebildet wird.
Die Länge der geraden Leiterabschnitte ist dabei mindestens doppelt so groß wie der Abstand zweier benachbarter paralleler Leiterabschnitte, so dass die von den Verbindungsleitern erzeugten magnetischen Felder gegenüber dem von den geraden Leiterabschnitten erzeugten magnetischen Feld vernachlässigbar sind.
Durch die um 90° verdrehte Anordnung der beiden mäanderförmigen Wicklungen sind deren gerade Leiterabschnitte zueinander orthogonal angeordnet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die geraden Leiterabschnitte jeder Wicklung in äquidistanten Abständen parallel zueinander angeordnet sind. Sofern die äquidistanten Abstände der geraden Leiter beider mäanderförmigen Wicklungen bzw. Wicklungsbereiche gleich groß oder unterschiedlich groß sind, ergeben sich entweder quadratische oder rechteckige Spulenbereiche, die jeweils von Teilbereichen der sich kreuzenden geraden Leiterabschnitte gebildet werden. Jeder dieser Spulenbereiche erzeugt bei um 90° phasenverschobenen Strömen ein rotierendes Magnetfeld.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beiden mäanderförmigen Wicklungen jeweils einen Hinleiter und einen Rückleiter aufweisen, die miteinander elektrisch verbunden sind, wobei der Hinleiter und der Rückleiter jeweils aus mehreren zueinander parallel angeordneten geraden Leiterabschnitten und Verbindungsleitern gebildet ist, und die geraden Leiterabschnitte der Hin- und Rückleiter in äquidistanten Abständen und parallel zueinander angeordnet sind, wobei jeweils ein gerader Leiterabschnitt des Hinleiters in unmittelbarer Nähe, insbesondere anliegend oder übereinanderliegend, zu einem geraden Leiterabschnitt des Rückleiters angeordnet ist. Der durch den Hinleiter fließende Strom fließt somit auch durch den Rückleiter. Beim Verlegen des Hin- und Rückleiters ist darauf zu achten, dass die in unmittelbarer Nähe zueinander angeordneten geraden Leiterabschnitte des Hinleiters und des Rückleiters so zueinander angeordnet sind, dass sich die durch sie fließenden Ströme gleichen Betrags und Phasenlage zur Bildung eines Magnetfeldes addieren.
Zur Ausbildung eines induktiven Energieübertragungssystems, bildet die Wicklungsanordnung die Spulenanordnung der Primärseite des Energieübertagungssystems, wobei die Wicklungen der Wicklungsanordnung zusammen mit Kapazitäten Schwingkreise, insbesondere Parallel- oder Reihenschwingkreise, bilden und Wechselrichter die Schwingkreise speisen.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung stationär, z.B. in oder auf der Fahrbahn oder dem Boden einer Garage oder aber auch mobil, d.h. an der Unterseite eines Fahrzeuges angeordnet werden.
Nachfolgend werden anhand von Figuren zwei mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung erläutert.
Es zeigen:
1: Wicklungsanordnung nach dem Stand der Technik;
2: erste mögliche Ausführungsform zweier um 90° zueinander mechanisch verdreht angeordneter mäanderförmiger Wicklungen, durch die zueinander um 90° phasenverschobene elektrische Ströme fließen;
3: zweite mögliche Ausführungsform, wobei jede mäanderförmige Wicklung einen Hinleiter und einen Rückleiter aufweist;
4: Stromdiagramm.
2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung, bestehend aus den beiden mäanderförmig ausgebildeten Wicklungen A und B. Sowohl die Wicklung A als auch die Wicklung B ist aus geraden Leiterabschnitten 2a bzw. 3a gebildet, welche parallel zueinander in äquidistanten Abständen d zueinander angeordnet sind und an ihren freien Enden 2b bzw. 3b mittels der Verbindungsleiter 2c bzw. 3c miteinander verbunden sind. Die Verbindungsleiter 2c bzw. 3c können, wie in 2 dargestellt, gebogen ausgebildet sein. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, dass die in den Figuren dargestellten gebogenen Verbindungsleiter 2c bzw. 3c durch gerade oder andersartig ausgebildete bzw. verlegte Leiter ersetzt werden. Die Wicklungen A und B sind mechanisch um 90° verdreht zueinander angeordnet, wodurch die geraden Leiterabschnitte 2a der Wicklung A senkrecht zu den geraden Leiterabschnitten 3a ausgerichtet sind. Damit die beiden Wicklungen A und B elektrisch und magnetisch voneinander entkoppelt sind, sind sie, wie in 4 dargestellt, von um 90° zueinander elektrisch phasenverschobenen Strömen i_A und i_B durchflossen. Die sich kreuzenden geraden Leiterabschnitte 2a und 3b umranden mit ihren Teilleiterabschnitten 2a´und 3a´ rechteckige Spulenbereiche SB. Sofern die Abstände d zwischen den geraden Leiterabschnitten 2a, 3a beider Wicklungen A, B gleich groß sind, sind die Spulenbereiche SB quadratisch. Über die Wicklungsanschlüsse A1, A2 und B1, B2 sind die Wicklungen A, B mit nicht dargestellten elektrischen Komponenten, insbesondere Kapazitäten und Wechselrichtern, verbunden.
Je nach Ausführungsform und Größe der sekundärseitigen Spulenanordnung überdeckt diese einen oder mehrere benachbarte Spulenbereiche SB und wird dementsprechend von dem durch die stromdurchflossenen Teilleiterabschnitte 2a´ und 3a´ des einen oder der mehreren Spulenbereiche SB erzeugten magnetischen Fluss durchflutet.
Die magnetische Durchflutung lässt sich erhöhen, indem jede Wicklung A, B einen mäanderförmigen Hin- und einen mäanderförmigen Rückleiter aufweist, wie dies in 3 dargestellt ist. Unter Hinleiter wird im Sinne der Erfindung der Leitungsabschnitt der Wicklung A, B verstanden, der sich ausgehend von der ersten Klemme A1, B1 bis hin zum von der Klemme ersten Klemme A1, B1 am weitesten entfernten Punkt erstreckt. Unter Rückleiter wird im Sinne der Erfindung der Leitungsabschnitt der Wicklung A, B verstanden, der sich ausgehend von dem am weitesten entfernten Punkt zurück bis zur zweiten Klemme A2, B2 erstreckt. Jeweils ein gerader Leiterabschnitt 2a _H des Hinleiters und ein gerader Leiterabschnitt 2a _R des Rückleiters liegen eng bzw. nah beieinander. Die durch die nah beieinander angeordneten Leiterabschnitte 2a _H und 2a _R fließenden Ströme i_A, i_B sind dabei gleichsinnig und phasengleich, wodurch sich eine gegenüber der in 2 beschriebenen ersten Ausführungsform doppelt so hohe magnetische Durchflutung, insbesondere in den Spulenbereichen SB, realisieren lässt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/145953 [0002]

Claims

Wicklungsanordnung (1) für die Primär- und/oder Sekundärseite eines induktiven Energieübertragungssystems, wobei die Wicklungsanordnung (1) zwei Wicklungen (A, B) aufweist, welche jeweils mäanderförmig ausgebildet sind oder mäanderförmig ausgebildete Wicklungsbereiche (A₁, B₁) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (A, B) bzw. deren Wicklungsbereiche (A₁, B₁) um 90° zueinander verdreht und sich überlappend angeordnet sind, wobei durch die zwei Wicklungen (A, B) elektrische Ströme (i_A, i_B) fließen, die zueinander um 90° elektrisch phasenverschoben sind.
Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede mäanderförmig ausgebildete Wicklung (A, B) bzw. jeder mäanderförmig ausgebildete Wicklungsbereich (A₁, B₁) zueinander parallele gerade Leiterabschnitte (2a, 3a) aufweist, deren Enden (2b, 3b) jeweils mittels eines, insbesondere geraden, gebogenen oder halbkreisförmigen, Verbindungsleiters (2c, 3c) mit dem Ende eines benachbarten parallelen geraden Leiterabschnitts derselben Wicklung (A, B) verbunden sind.
Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge eines geraden Leiterabschnitts (2a, 3a) mindestens doppelt so groß ist wie der Abstand (d) zweier benachbarter paralleler gerader Leiterabschnitte (2a, 3a).
Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die geraden Leiterabschnitte (2a) der ersten Wicklung (A) senkrecht zu den geraden Leiterabschnitten (3a) der zweiten Wicklung (B) angeordnet sind.
Wicklungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geraden Leiterabschnitte (2a, 3a) jeder Wicklung (A, B) in äquidistanten Abständen parallel zueinander angeordnet sind.
Wicklungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (A, B) jeweils einen Hinleiter (A_H, B_H) und einen Rückleiter (A_R, B_R) aufweisen, wobei der Hinleiter (A_H, B_H) und der Rückleiter (A_R, B_R) jeweils aus mehreren zueinander parallel angeordneten geraden Leiterabschnitten (2a _H, 3a _H; 2a _R, 3a _R) und Verbindungsleitern (2b _H, 3b _H; 2b _R, 3b _R) besteht, wobei die geraden Leiterabschnitte (2a _H, 3a _H; 2b _R, 3b _R) der Hin- und Rückleiter (A_H, B_H; A_R, B_R) in äquidistanten Abständen und parallel zueinander angeordnet sind, wobei jeweils ein gerader Leiterabschnitt (2a _H, 3a _H) des Hinleiters in unmittelbarer Nähe, insbesondere anliegend oder übereinander, zu einem geraden Leiterabschnitt (2a _R, 3a _R) des Rückleiters angeordnet ist.
Wicklungsanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichtung der durch die jeweils in unmittelbarer Nähe zueinander angeordneten Leiterabschnitte (2a _H, 3a _H; 2a _R, 3a _R) fließenden Ströme (i_A, i_B) phasengleich und gleichsinnig sind.
Induktives Energieübertragungssystem mit einer Wicklungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsanordnung (1) die Spulenanordnung einer Primärseite bildet, wobei die Wicklungen (A, B) der Wicklungsanordnung (1) zusammen mit Kapazitäten Schwingkreise, insbesondere Parallel- oder Reihenschwingkreise, bilden und Wechselrichter die Schwingkreise speisen.