-
Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung und eine induktive Energieübertragungsvorrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung.
-
Stand der Technik
-
Elektrofahrzeuge, die alleine mittels eines Elektromotors angetrieben werden, sind bekannt. Darüber hinaus sind auch Plugin-Hybridfahrzeuge bekannt, deren Antrieb durch eine Kombination eines Elektromotors und einer weiteren Antriebsmaschine erfolgt. Dabei wird die elektrische Energie zum Antrieb des Elektromotors von einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Traktionsbatterie, bereitgestellt. Nachdem der Energiespeicher ganz oder teilweise entladen ist, ist es erforderlich, den Energiespeicher erneut aufzuladen. Für das Aufladen des Energiespeichers existieren verschiedene Ansätze.
-
Zum einen ist es möglich, das Elektrofahrzeug mittels eines geeigneten Ladekabels galvanisch mit einer Ladestation zu verbinden. Hierzu muss der Benutzer eine elektrische Verbindung zwischen Elektrofahrzeug und Ladestation herstellen. Dies kann insbesondere bei schlechten Witterungsverhältnissen, wie zum Beispiel Regen, als unangenehm empfunden werden. Aufgrund der sehr eingeschränkten elektrischen Reichweite von Elektro- und Plugin-Hybridfahrzeugen muss diese Kabelverbindung durch den Benutzer zudem sehr oft hergestellt werden, was von vielen Nutzern als großer Nachteil von Elektrofahrzeugen gegenüber konventionellen Fahrzeugen empfunden wird.
-
Daher existieren andererseits auch drahtlose Lösungen zur Energieübertragung von einer Ladestation zu einem Elektrofahrzeug. Hierbei wird die Energie von der Ladestation über ein magnetisches Wechselfeld von einer Primärspule zu einer Sekundärspule in dem Elektrofahrzeug induktiv übertragen und der Traktionsbatterie in dem Fahrzeug zugeführt.
-
Zur Ausbildung der Primärspule wird mitunter eine Hochfrequenzlitze (auch HF-Litze) verwendet, welche aus einer größeren Anzahl feiner, gegenseitig isolierter Drähte besteht, die derart verflochten sind, dass im statistischen Mittel jeder Einzeldraht möglichst jede Stelle im Gesamtquerschnitt der Litze gleich oft einnimmt.
-
Die
DE 10 2013 010 695 A1 beschreibt eine Primärwicklungsanordnung, welche eine Wicklungsanordnung mit einem Wicklungsdraht aufweist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird als Wicklungsdraht eine HF-Litze verwendet, wobei die Litze als Bündel von gegeneinander elektrisch isolierten Einzeldrähten ausgeführt ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung schafft eine Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, und eine induktive Energieübertragungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9, und ein Verfahren zum Herstellen einer Spulenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
-
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung, mit einem elektrisch nichtleitenden Substrat, welches eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; mit einer Vielzahl von Leiterbahnen, welche auf der ersten Seite und auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet sind, und welche eine Spule zur induktiven Energieübertragung bilden; mit einer Vielzahl von Durchkontaktierungen in dem Substrat zur Durchführung der Leiterbahnen durch das Substrat; wobei zumindest zwei der Vielzahl von Leiterbahnen in dem Substrat verseilt zueinander angeordnet sind.
-
Ferner ist eine induktive Energieübertragungsvorrichtung mit zumindest einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung vorgesehen.
-
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen einer Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung mit folgenden Verfahrensschritten zur Verfügung gestellt:
Bereitstellen eines elektrisch nichtleitenden Substrats, welches eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; Ausbilden einer Vielzahl von Leiterbahnen auf der ersten Seite und auf der zweiten Seite des Substrats zur Bildung einer Spule zur induktiven Energieübertragung, wobei zumindest zwei der Vielzahl von Leiterbahnen in dem Substrat verseilt zueinander ausgebildet werden.
-
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, statt einer gewickelten HF-Litze ein Substrat mit darauf ausgebildeten und zueinander verseilten Leiterbahnen als Spule zur induktiven Energieübertragung zu verwenden.
-
Durch die Verwendung eines Substrats zur Realisierung der Litze können mehrere Vorteile zugleich behoben werden und mehr Funktionen abgedeckt werden als die reine Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes. Weiterhin bietet sich die einfache Möglichkeit der teilweisen Blindleistungskompensation einzelner Windungen, wodurch sich die maximal auftretende Resonanzspannung begrenzen lässt.
-
Ein weiterer Vorteil der hier vorgestellten Spulenanordnung ist die sehr einfache Fertigung mit bekannten Technologien. Beispielsweise kann die Spulenanordnung z. B. als Multilagen-Platine (PCB) oder z. B. als LTCC-Platine (Keramik) gefertigt sein. Hierbei werden z. B. einfach Substrat-Segmente in herkömmlicher Technik gefertigt, bestückt und anschließend zusammengesetzt oder es wird, z. B. bei kleineren Spulensystemen, das gesamte Spulensystem auf einem einzigen Substrat gefertigt.
-
Durch die Ausbildung einer HF-Litze aus verseilten Leiterbahnen auf einem Substrat können die elektromagnetischen Eigenschaften der Spule sehr exakt eingestellt und auch vorausberechnet werden, z. B. ist es nun möglich, durch eine Verseilung mit geringem Füllfaktor die gegenseitige Beeinflussung der Einzelandern sowie Einzelwindungen gegenüber einer herkömmlichen Litze zu reduzieren.
-
Verseilt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zumindest zwei Leiterbahnen abwechselnd über die Durchführungen von der ersten Seite des Substrats auf die zweite Seite des Substrats und wieder auf die erste Seite des Substrats verlaufen. Die Leiterbahnen sind auf diese Weise gegeneinander verwunden und schraubenförmig umeinander gewickelt.
-
Die durch die Leiterbahnen gebildete Spule zur induktiven Energieübertragung kann auf verschiedene Arten auf dem Substrat angeordnet sein. Beispielsweise kann die aus den Leiterbahnen gebildete Spule eine Wabenspule, eine Korbbodenspule, eine Kreuzwickelspule oder eine anders gewickelte Spule sein. Auf diese Weise kann die Spule an die jeweiligen Anforderungen gut angepasst werden.
-
Die Leiterbahnen tauschen entweder in ihrem gesamten Verlauf und/oder an bestimmten Punkten ihren Platz zueinander. Der Verseilungsfaktor ist dabei zwischen 1,001 und 2,0, insbesondere zwischen 1,02 und 1,04.
-
Selbstverständlich ist die Verseilung nicht auf lediglich zwei Leiterbahnen beschränkt, sondern es ist möglich, dass eine beliebige Anzahl von Leiterbahnen verseilt zueinander verlaufen. Beispielsweise können auch drei Leiterbahnen, vier Leiterbahnen, fünf Leiterbahnen, zehn Leiterbahnen oder alle Leiterbahnen verseilt zueinander angeordnet sein.
-
Durch die Aufteilung in einzelne Leitbahnen wird der Füllfaktor insgesamt zwar niedriger, allerdings kann ein niedriger Füllfaktor dazu genutzt werden, durch geschicktes magnetisches Design z.B. Proximity- und/oder Skineffekte zu minimieren. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Substrat aus mehreren Substrat-Segmenten ausgebildet. Zum Beispiel kann das Substrat aus mehreren Substrat-Segmenten ausgebildet sein, die mit bekannten Technologien gefertigt worden sind, bestückt und anschließend zusammengesetzt werden. Auf diese Weise kann die Spulenanordnung auf sehr einfache Weise an das jeweilige Anwendungsgebiet angepasst werden. Ferner können durch diese Ausbildung Kosten gespart werden, da bereits bestehende Fertigungsanlagen für die Fertigung der Spulenanordnung verwendet werden können.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Substrat-Segmente formsymmetrisch ausgebildet. Durch diese Ausbildung der Spulenanordnung können weitere Kosten gespart werden, da die Ausbildung formsymmetrischer Substrat-Segmente insbesondere bei hohen Stückzahlen fertigungstechnische Vorteile bringt.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Substrat aus mehreren kreisringsegmentförmigen Substrat-Segmenten ausgebildet. Beispielsweise ist das Substrat aus 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehreren einzelnen Substrat-Segmenten ausgebildet. Die Substrat-Segmente können dann zu einem Kreis, oder einer anderen Form, z. B. einem Viereck, zusammengesetzten werden und bilden so ein einzelnes Substrat. Durch diese Ausbildung können die Fertigungskosten und die gesamten Herstellungskosten gesenkt werden, da die Fertigung von gleichartig ausgebildeten Substrat-Segmenten automatisiert und in großer Stückzahl erfolgen kann.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Substrat oder ein Substrat-Segment einen Leiterbahnabschnitt auf, welcher zur variablen Verschaltung der Leiterbahnen ausbildet ist. Beispielsweise weist ein Substrat-Segment einen Leiterbahnabschnitt auf, welcher zwei, drei oder mehrere Leiterbahnen oder Leiterbahnabschnitte elektrisch miteinander koppelt. Durch diese Ausbildung kann die Windungszahl und/oder der Windungsquerschnitt der Spule auf einfache Weise an die jeweilige Anwendung angepasst werden, ohne dass alle Substrat-Segmente oder das gesamte Substrat verändert werden müssen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Leiterbahnabschnitt zur variablen Verschaltung aktive Schalter zur Anpassung der Windungszahl und/oder des Windungsquerschnittes der Spule auf. Die Schalter können beispielsweise als Halbleiterschalter oder als Relais ausgebildet sein, und über eine Steuereinrichtung ansteuerbar sein. Auf diese Weise lassen sich auch während des Betriebs der Spule die Windungszahl und/oder der Windungsquerschnitt der Spule anpassen.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind zwischen benachbarten Substrat-Segmenten Kondensatoren zur Verschaltung der Leiterbahnen der Substrat-Segmente angeordnet. Beispielsweise können zur Verschaltung der einzelnen Substrat-Segmente Keramikkondensatoren verwendet werden. Keramikkondensatoren können auf einfache Weise in der gewünschten Form aufgrund der leichten Formbarkeit der keramischen Grundmasse erzeugt werden. Ferner sind Keramikkondensatoren nur schwer entflammbar. Ferner können Keramikkondensatoren in Form von SMD-Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCC) technisch und preislich günstig als oberflächenmontierbare Bauelemente hergestellt werden. Die Kondensatoren können jedoch auch z. B. als Folienkondensatoren ausgebildet sein.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Substrat mehrere Substratlagen auf, wobei die Leiterbahnen auf beiden Seiten der einzelnen Substratlagen ausgebildet sind. Durch die Ausbildung des Substrats mit mehreren Substratlagen kann eine Mehrlagenplatine gebildet werden, welche eine größere Anzahl an Leiterbahnen und somit Spulenwindungen und/oder Windungsquerschnitt aufweist. Beispielsweise weist ein Substrat 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder beliebig viele Substratlagen auf. Auf diese Weise lässt sich die Spulenanordnung auf einfache Weise an das jeweilige Anwendungsgebiet anpassen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind Kondensatoren auf dem Substrat angeordnet, welche zur Blindleistungskompensation der Spule ausgebildet sind. Durch die Ausbildung der Spule auf einem Substrat können mehrere Kondensatoren verwendet werden, da durch diese Ausbildung genügend Platz zur Verfügung steht. Ferner kann durch diese Ausbildung die Abwärme der Kondensatoren auf besonders effektive Weise über das Substrat abgeführt werden. Weiterhin wird eine abschnittsweise Kompensation möglich, wodurch die maximal auftretenden Resonanzspannungen reduziert werden können mit Vorteilen bezüglich elektromagnetischer Verträglichkeit und Isolationsanforderungen.
-
Vorzugsweise ist die Blindleistungskompensation auf mindestens zwei Kondensatoren verteilt, welche auf zwei unterschiedlichen Leiterbahnen und/oder Leiterbahnschnitte und/oder Substrat-Segmenten angeordnet sind. Auf diese Weise wird es möglich, die Blindleistungskompensation abschnittsweise und/oder segementweise durchzuführen. Durch eine verteilte Blindleistungskompensation ergeben sich Vorteile in Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und die Isolationsanforderungen, da die maximal auftretende Resonanzspannung auch abschnittsweise reduziert werden kann.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Leiterbahnen im Bereich der Durchführungen verjüngt ausgebildet. Auf diese Weise kann eine höhere Packdichte der Leiterbahnen in dem Substrat erreicht werden. Ferner kann der Verseilungsgrad der einzelnen Leiterbahnen auf diese Weise gesteigert werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Draufsicht einer Spulenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine schematische Draufsicht einer Spulenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
3 ein schematisches Schnittbild einer Spulenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
4 ein schematisches Schnittbild einer Spulenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
5 ein schematisches Schnittbild einer Spulenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
6 ein schematisches Schnittbild einer Spulenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
7 eine schematische Draufsicht einer Spulenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
-
8 eine schematische Draufsicht eines Ausschnittes einer Spulenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
9 eine schematische Draufsicht einer Spulenanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
10 eine schematische Darstellung von verseilten Leiterbahnen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
11 eine schematische Darstellung von verseilten Leiterbahnen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
12 eine schematische Darstellung einer Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
-
13 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung.
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
-
1 zeigt eine schematische Draufsicht einer Spulenanordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Spulenanordnung 1 zur induktiven Energieübertragung beinhaltet ein elektrisch nichtleitendes Substrat 2, welches eine erste Seite 10 und eine zweite Seite 11 (nicht dargestellt) aufweist. Auf der ersten Seite 10 und auf der zweiten Seite 11 des Substrats 2 ist eine Vielzahl von Leiterbahnen 30 angeordnet, welche eine Spule 50 zur induktiven Energieübertragung bilden. Des Weiteren weist die Spulenanordnung 1 eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 4 auf, welche in dem Substrat 2 zur Durchführung der Leiterbahnen 30 durch das Substrat 2 vorgesehen sind. Von der Vielzahl von Leiterbahnen 30 in dem Substrat 2 sind zumindest zwei Leiterbahnen 30 verseilt zueinander angeordnet. Ferner ist auf der ersten Seite des Substrats 2 ein Leiterbahnabschnitt 31 ausgebildet, der zur Verschaltung der einzelnen Spulenwicklungen ausgebildet ist.
-
2 zeigt eine schematische Draufsicht einer Spulenanordnung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der dargestellten Ausführungsform ist das Substrat 2 aus drei Substrat-Segmenten 20, 21, und 22 ausgebildet. Insbesondere sind die einzelnen Substrat-Segmente 20, 21 und 22 formsymmetrisch ausgebildet, wodurch diese auf einfache Weise in großer Stückzahl herstellbar sind. In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die Substrat-Segmente 20, 21, und 22 kreissegmentförmig ausgebildet sind. Die Substrat-Segmente 20, 21, und 22 können jedoch auch in einer anderen Form ausgebildet sein. Beispielsweise können die Substrat-Segmente 20, 21, und 22 auch quadratisch, rechteckförmig oder vieleckig ausgebildet sein. Ferner sind zwischen den Substrat-Segmenten Kondensatoren 8 angeordnet, welche zur Blindleistungskompensation und zur Verschaltung der Substrat-Segmente dienen. Auf dem Substrat-Segment 22 ist zudem ein Leiterbahnabschnitt 31 ausgebildet, welcher der Verschaltung der einzelnen Leiterbahnen 30 dient. In der dargestellten Ausführungsform weist der Leiterbahnabschnitt 31 zur variablen Verschaltung aktive Schalter 35 zur Anpassung der Windungszahl und/oder des Windungsquerschnittes der Spule auf. Die Schalter 35 können beispielsweise als Halbleiterschalter und/oder als Relais ausgebildet sein, und über eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) ansteuerbar sein. Auf diese Weise lassen sich auch während des Betriebs der Spule die Windungszahl und/oder der Windungsquerschnitt der Spule anpassen.
-
3 zeigt ein schematisches Schnittbild einer Spulenanordnung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Substrat 2 weist eine erste Seite 10 und eine zweite Seite 11 auf. Auf der ersten Seite 10 und auf der zweiten Seite 11 sind Leiterbahnen 30 angeordnet, welche durch die Leiterbahnabschnitte 33 und 34 gebildet sind.
-
Wie man erkennt, sind die Leiterbahnabschnitte 33 und 34 verseilt zueinander angeordnet. Das bedeutet, dass die Leiterbahnabschnitte 33 und 34 abwechselnd über die Durchführungen 4 von der ersten Seite 10 auf die zweite Seite 11 und wieder auf die erste Seite 10 verlaufen. Auf diese Weise sind die Leiterbahnen 30 verseilt zueinander ausgebildet.
-
4 zeigt ein schematisches Schnittbild einer Spulenanordnung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Substrat 2 aus zwei Substratlagen 25 und 26 ausgebildet ist. Auf den Substratlagen 25 und 26 sind Leiterbahnabschnitte 33, 34 und 35 ausgebildet. Auch die Leiterbahnabschnitte 33, 34 und 35 sind in dem Substrat 2 mittels den Durchführungen 4 verseilt zueinander angeordnet. Selbstverständlich ist es möglich, dass die Spulenanordnung 1 mehr als zwei Substratlagen 25 und 26 aufweist.
-
Beispielsweise kann die Spulenanordnung auch 3, 4, 5, 6 oder beliebig viele Substratlagen mit zueinander verseilten Leiterbahnen 30 aufweisen.
-
5 zeigt ein schematisches Schnittbild einer Spulenanordnung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform sind Kondensatoren 8 auf dem Substrat 2 zwischen den Leiterbahnen 30 angeordnet. Beispielsweise sind die Kondensatoren 8 zur Blindleistungskompensation der Spule 50 vorgesehen. Durch die Kondensatoren 8 kann die Spulenanordnung 1 auf einfache Weise an das jeweilige Anwendungsgebiet und die jeweiligen Randbedingungen optimal angepasst werden. Durch die Anordnung der Kondensatoren 8 auf dem Substrat 2 kann die Abwärme der Kondensatoren 8 besonders effektiv über das Substrat 2 abgeführt werden.
-
6 zeigt ein schematisches Schnittbild einer Spulenanordnung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist das Substrat 2 aus zwei Substrat-Segmenten 20 und 21 gebildet. Zwischen den Substrats-Segmenten 20 und 21 sind Kondensatoren 8 zur Verschaltung der Leiterbahnen 30 vorgesehen. Auf diese Weise können die Kondensatoren 8 zur Blindleistungskompensation und zur Verschaltung der Substrat-Segmente 20 und 21 verwendet werden.
-
7 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Spulenanordnung 1. Die in 7 dargestellten Leiterbahnen 30 bestehen in der Realisierung wiederum aus mehreren, in Multilagentechnik verseilten Leiterbahnen 30. Es ergibt sich der Vorteil, dass die Verseilungsgüte genauestens eingestellt und vorausberechnet werden kann, was bei einer herkömmlichen Litze nicht möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, eine „sehr lockere“ Verseilung mit vergrößertem Abstand zwischen den Leiterbahnen 30 zu realisieren. Da eine hohe Packdichte hier nicht erforderlich ist, können die Proximity-Verluste verringert werden, da die Leiterbahnen nicht eng aneinanderlegen und einen ausreichenden Abstand zueinander aufweisen. Ebenfalls ein Vorteil ist die bessere Kühlbarkeit der einzelnen Spulen-Wicklung, da keine Luft in der Spule 50 vorhanden ist, und eine ebene Kühlschnittstelle zu den Kondensatoren 8 und den Leiterbahnen 30 vorhanden ist. Ferner kann durch diese Ausbildung auf eine die Spule 50 umschließende Vergussmasse verzichtet werden.
-
Ebenfalls wird es durch die Ausbildung der Spule 50 auf dem Substrat 2 möglich, praktisch beliebig viele Kondensatoren 8 zu platzieren, die zur Blindleistungskompensation bei der induktiven Energieübertragung benötigt werden. Anstatt der heutzutage üblichen Folienkondensatoren kann man durch eine derartige Ausgestaltung z. B. SMD-Keramikkondensatoren zur abschnittsweisen Blindleistungskompensation einsetzen. Auch bei der Kühlung der Kondensatoren 8 ergeben sich Vorteile, wenn diese auf eine größere Fläche verteilt werden können. Weitere Vorteile bestehen in Hinblick auf elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Isolationsanforderungen durch eine verteilte Blindleistungskompensation, da die maximal auftretende Resonanzspannung reduziert werden kann. Die in 7 dargestellte Spulenanordnung 1 für die induktive Energieübertragung ist eine serienkompensierte Spule 50. Natürlich ist die hier gezeigte Fertigungstechnik auch auf parallelkompensierte Spulen oder jede andere Kompensationsart anwendbar. Auch die in 7 dargestellte Spulenanordnung 1 ist aus mehreren keissegmentförmigen Substrat-Segmenten 20, 21, 22, und 23 ausgebildet. Auf dem Substrat-Segment 23 ist zudem ein Leiterbahnabschnitt 31 ausgebildet, welcher der Verschaltung der einzelnen Leiterbahnen 30 dient.
-
8 zeigt eine schematische Draufsicht eines Ausschnittes einer Spulenanordnung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Substrat 2 aus mehreren Substrat-Segmenten ausgebildet, wobei in 8 ein Substrat-Segment 25 dargestellt ist, welches einen Leiterbahnabschnitt 31 aufweist, der zur Verschaltung der Leiterbahnen 30 ausgebildet ist. Mittels des Leiterbahnabschnittes 31 ist es möglich, mit ein und derselben Substrat 2 verschiedene Windungszahlen und/oder Leiterbahnquerschnitte zu realisieren. Der Leiterbahnabschnitt 31 ist in dieser Ausführungsform ausgebildet, zwei benachbarte Leiterbahnen 30 miteinander elektrisch zu verbinden. Durch diese Ausbildung lässt sich die Induktivität der Spule 50 auf einfach Weise an die jeweilige Applikation anpassen bei gleichzeitig optimaler Stromverteilung und Ausnutzung des gesamten Kupfers zur Stromführung.
-
9 zeigt eine schematische Draufsicht einer Spulenanordnung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist das Substrat 2 aus zwei Substrat-Segmenten 20 und 21 ausgebildet, welche eine rechteckige Form aufweisen. Die Leiterbahnen 30 verlaufen hier nicht kreisförmig, sondern rechteckförmig. Auf dem Substrat-Segment 20 ist zudem ein Leiterbahnabschnitt 31 ausgebildet, welcher zur Verschaltung der einzelnen Leiterbahnen 30 dient. Die Verschaltung kann z.B. in einfacher Form durch die Platzierung der Resonanzkondensatoren an dieser Stelle erfolgen.
-
10 zeigt eine schematische Darstellung von verseilten Leiterbahnen 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 10 sind vier Leiterbahnen 301, 302, 303, und 304 dargestellt, welche auf der ersten Seite des Substrats verlaufen. Ferner sind Leiterbahnen 301‘, 302‘, 303‘ und 304‘ dargestellt, welche auf der zweiten Seite des Substrats verlaufen. Die Leiterbahnen 301, 302, 303, und 304 sind jeweils mit den Leiterbahnen 301‘, 302‘, 303‘, und 304‘ elektrisch verbunden. Die Leiterbahnen 301, 302, 303, und 304‘ verlaufen jeweils stufenförmig von links nach rechts absteigend. Die Leiterbahnen 301‘, 302‘, 303‘, und 304‘ verlaufen jeweils stufenförmig von links nach rechts aufsteigend. Die Leiterbahnen 301, 302, 303 und 304 verlaufen von der ersten Seite des Substrats zu der zweiten Seite des Substrats über Durchführungen 4. Durch diese Ausgestaltung sind die Leiterbahnen 301, 302, 303, 304, 301‘, 302‘, 303‘ und 304‘ verseilt zueinander angeordnet, wodurch sich die Verluste bei höheren Frequenzen reduzieren lassen, die durch den Effekt der Stromverdrängung (Skin-Effekt) auftreten.
-
11 zeigt eine schematische Darstellung von verseilten Leiterbahnen 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist die Verseilung von Leiterbahnen 300 in drei Ebenen A, B, C dargestellt. Beispielsweise sind die drei Ebenen A, B, C in einem zweilagigen Substrat ausgebildet. Auf der ersten Ebene A sind links drei Leiterbahnen 301, 302 und 303. Die drei Leiterbahnen 301, 302, und 303 sind mittels Durchführungen 4 zu der Ebene B geführt, wobei in der Ebene B ein Leiterbahnabschnitt 31 ausgebildet ist, welcher der Verschaltung der Leiterbahnen 30 dient. Ferner sind auch auf der Ebene B Leiterbahnen 301‘, 302‘, 303‘ und auf der Ebene C Leiterbahnen 301‘‘, 302‘‘, 303‘‘ ausgebildet, welche mit den Leiterbahnen 301, 302, und 303 verschaltet sind. Im Bereich B1 sind die Leiterbahnen der Ebenen A und C zopfartig zueinander verseilt, und in der Ebene B befindet sich der Leiterbahnabschnitt 31 zur Verschaltung der Leiterbahnen 30. Im Bereich B2 sind die Leiterbahnen 30 der Ebenen B und C zopfartig zueinander verseilt, wobei in der Ebene A ein Leiterbahnabschnitt 31 ausgebildet ist, welcher der Verschaltung und/oder der verseilten Anordnung der Leiterbahnen 30 dient. Der Leiterbahnabschnitt 31 zur Verschaltung der Leiterbahnen 30 kann in regelmäßigen Abständen die Ebene wechseln. Selbstverständlich kann diese Art der Verseilung auch bei mehr als drei Ebenen durchgeführt werden.
-
12 zeigt eine schematische Darstellung einer Energieübertragungsvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Energieübertragungsvorrichtung 100 weist eine erfindungsgemäße Spulenanordnung 1 auf. Die Spulenanordnung 1 ist ausgebildet, ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, und induktiv Energie zu einer Empfängereinrichtung 200 zu übertragen. Die Empfängereinrichtung 200 kann beispielsweise eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges sein.
-
13 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Spulenanordnung zur induktiven Energieübertragung. Im Verfahrensschritt S1 wird ein elektrisch nichtleitendes Substrat, welches eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, bereitgestellt. Im Verfahrensschritt S2 wird eine Vielzahl von Leiterbahnen auf der ersten Seite und auf der zweiten Seite des Substrats zur Bildung einer Spule zur induktiven Energieübertragung ausgebildet, wobei zumindest zwei der Vielzahl von Leiterbahnen in dem Substrat verseilt zueinander ausgebildet werden. Weitere Verfahrensschritte können vorgeschaltet, zwischengeschaltet und/oder nachgeschaltet sein, insbesondere zur Fertigung von mehrlagigen Substraten
-
Die induktive Energieübertragungsvorrichtung und die erfindungsgemäße Spulenanordnung können beispielsweise auch zum berührungslosen Laden von Elektrowerkzeugen, E-Bikes, Haushaltsgeräten und Consumer-Elektronikgeräten verwendet werden.
-
Auch die Art der Verseilung und die Art der Wicklung können an das jeweilige Anwendungsgebiet und die jeweiligen Randbedingungen angepasst werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013010695 A1 [0006]
