DE102015012950A1 - Arrangement of magnetizable structures to maximize the contactless transferable power - Google Patents

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Abstract

Für die kontaktlos induktive Leistungsübertragung an eine Sekundärspule (10) mit hohem Wirkungsgrad wird das von einer Primärspule (9) erzeugte Magnetfeld aufwendig mit Hilfe von magnetisierbaren Bauteilen (z. B. Ferrite) fokussiert. Dadurch wird der Wirkungsgrad bei vorgegebenem Spulenabstand bzw. der Spulenabstand bei vorgegebenem Wirkungsgrad erhöht. Die Verwendung eines magnetisierbaren Betons (9) ermöglicht einen einfachen und kostengünstigen Einbau, der zudem in Baustrukturen aus Beton voll integrierbar ist. Die Anordnung ermöglicht den Einbau von Primärspulen mit magnetischem Beton über längere Strecken im Fahrbahnaufbau, um Elektrofahrzeugbatterien während der Fahrt dynamisch induktiv zu Laden.For contactless inductive power transmission to a secondary coil (10) with high efficiency, the magnetic field generated by a primary coil (9) is elaborately focused by means of magnetizable components (eg ferrites). As a result, the efficiency is increased at a given coil spacing or the coil spacing for a given efficiency. The use of a magnetizable concrete (9) allows a simple and inexpensive installation, which is also fully integrated in building structures made of concrete. The arrangement allows the installation of primary coils with magnetic concrete over long distances in the roadway structure to dynamically charge electric vehicle batteries while driving dynamically.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines magnetisierbaren Materials entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs I.The invention relates to the use of a magnetizable material according to the preamble of claim I.

Damit Leistung kontaktlos mit hohem Wirkungsgrad übertragen werden kann, muss das von Primärspule(n) (Quelle) erzeugte Magnetfeld möglichst Streufeld-arm an der/den Sekundärspule(n) (Senke) ankommen.So that power can be transmitted without contact with high efficiency, the magnetic field generated by the primary coil (s) (source) must arrive at the secondary coil (s) (sink) with as little stray field as possible.

Es ist bekannt, dass man mit Hilfe von magnetisierbaren Bauteilen (z. B. aus Ferrit) in unmittelbarer Nähe der Spulen das Magnetfeld fokussieren kann. Die Verwendung von feldfokussierenden Bauteilen, sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite des Übertragers, ist in vielen Fällen impraktikabel. Beispielsweise wird beim induktiven Laden von Elektrofahrzeugen, insbesondere beim dynamischen (in Bewegung) Laden, auf die Verwendung von Ferritbauteilen im Straßenaufbau über längere Strecken verzichtet.It is known that the magnetic field can be focused in the immediate vicinity of the coils by means of magnetizable components (eg of ferrite). The use of field-focusing components on both the primary and secondary sides of the transformer is in many cases impractical. For example, in inductive charging of electric vehicles, especially in dynamic (in motion) charging, the use of ferrite components in road construction over longer distances is dispensed with.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetisierbaren Werkstoff so in Baustrukturen zu integrieren, dass eine robuste und dauerhafte Verbindung mit der Fahrbahn und den Primärspulen entsteht. Darüber hinaus soll der Werkstoff in beliebigen Größen und Formen herstellbar sein, um die für eine vorgegebene Spulenanordnung optimale Feldfokussierung zu ermöglichen.The object of the invention is to integrate a magnetizable material in building structures so that a robust and durable connection with the road and the primary coils is formed. In addition, the material should be able to be produced in any desired sizes and shapes, in order to enable the optimum field focusing for a given coil arrangement.

Diese Aufgabe wird durch eine magnetisierbare Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a magnetizable structure with the features of claim 1.

Die Erfindung geht aus von der EP 1 097 463 B1 . Aus dieser geht ein magnetisierbares Erzeugnis, seine Verwendung sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung aus. Ausgehend von der dort genannten Korngrößenverteilung lassen sich Werkstoffe mit ausreichender Magnetisierbarkeit (Permeabilität) herstellen. Die zur maximalen Fokussierung ausreichende Magnetfeld-Bündelung im magnetisierbaren Bauteil hängt vom Abstand zwischen Primär- und Sekundärspulen ab. Je größer dieser Abstand wird, umso geringer wird die zur Bündelung notwendige Mindestpermeabilität des Werkstoffs. Bei einem typischen Verhältnis der lateralen Spulenabmessung zum Spulenabstand im Bereich von ca. 1 ... 10 reichen in aller Regel Permeabilitäten im Bereich zwischen ca. 100 und 30 aus.The invention is based on the EP 1 097 463 B1 , From this goes out a magnetizable product, its use and a method for its preparation. Based on the particle size distribution mentioned there, materials with sufficient magnetizability (permeability) can be produced. The sufficient for maximum focusing magnetic field bundling in the magnetizable component depends on the distance between primary and secondary coils. The larger this distance becomes, the lower the minimum permeability of the material required for bundling. With a typical ratio of the lateral coil dimension to the coil spacing in the range of approximately 1 to 10, permeabilities in the range between approximately 100 and 30 are generally sufficient.

Die Matrix besteht aus einem für Betone verwendeten Bindemittel, wie z. B. einem verfestigten hydraulischen Zement oder Bitumen.The matrix consists of a binder used for concretes, such. As a solidified hydraulic cement or bitumen.

Zur Herstellung der Bauteile können demnach kompatible zu im Bauwesen gängigen Verfahren verwendet werden. Damit wird sichergestellt, dass z. B. die nachträgliche Integration einer Spule samt magnetischen Bauteil in eine Straße rissfrei und dauerhaft angepasst werden kann.For the manufacture of the components, therefore, it is possible to use compatible methods common in the construction industry. This ensures that z. B. the subsequent integration of a coil together with magnetic component in a road crack-free and durable can be adjusted.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigenEmbodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail below. Show it

1: Querschnitt einer Übertragerstrecke zur dynamischen induktiven Ladung von Elektrofahrzeugen 1 : Cross section of a transformer section for the dynamic inductive charging of electric vehicles

2: Querschnitt einer Primär-/Sekundärspulen-Anordnung inkl. Werkstoffauswahl 2 : Cross section of a primary / secondary coil arrangement including material selection

1 zeigt beispielhaft den Querschnitt einer Übertragerstrecke zur dynamischen oder auch statischen induktiven Ladung von Elektrofahrzeugen. Dabei sind in den Fahrbahnaufbau 1 Bereiche aus magnetisierbarem Beton 2 so angeordnet, dass sie eine Bündelung des von den Primärspulen 9 (2) erzeugten Magnetfeldes ermöglichen. Der Verlauf der Feldlinien 4 ist geeignet, um eine Sekundärspule 10 (2) mit dem erzeugten Magnetfeld zu durchdringen. Da es sich um ein magnetisches Wechselfeld mit Frequenzen im Bereich 10 kHz bis 500 kHz handelt, wird eine Wechselspannung in der Sekundärspule 10 induziert, die zur Spannungsversorgung des elektrisch betriebenen Fahrzeuges 3 dient. Die induzierte Wechselspannung muss zur Speicherung in Akkumulatoren gleichgerichtet und begrenzt werden. Mit einem geeigneten Steuerungsmodul 5 kann die übertragene Elektroenergie auch direkt zum Antrieb 7 des Fahrzeuges 3 dienen. Eine hohe Effizienz von 95% bei der Energieübertragung kann bei einem Abstand der Sekundärspule 6 zur Primärspule 9 (2) von 25 cm erreicht werden, indem der Verlauf des magnetischen Feldes 4 durch die Einbettung der Primärspule 9 in einen magnetisierbaren Beton 2 mit einer Permeabilität von

Figure DE102015012950A1_0002
= 40 optimiert wird. Der magnetisierbare Beton 2 kann auch als Asphaltbeton ausgeführt sein. Die Wahl der Matrix ist dem Fahrbahnaufbau 1 angepasst, um die Funktionsfähigkeit der Wechselspannungs-Speisung der Primärspulen 9 infolge von Temperaturwechseln nicht zu gefährden. Die Wechselspannung mit den zur Energieübertragung notwendigen Strömen wird von Wechselrichtern 8 erzeugt, die über kurze Zuleitungen mit den Primärspulen 9 verbunden sind. Unterschiedliche thermische Dehnungen von Fahrbahnaufbau 1 und magnetisierbarem Beton 2 würden zur mechanischen Zerrüttung und damit zu verstärkten Verschleiß bis hin zum Funktionsverlust führen. 1 shows an example of the cross section of a transformer section for dynamic or static inductive charging of electric vehicles. Here are in the roadway construction 1 Areas of magnetizable concrete 2 arranged so that they bundle of the primary coils 9 ( 2 ) allow magnetic field generated. The course of the field lines 4 is suitable to a secondary coil 10 ( 2 ) with the generated magnetic field. Since it is an alternating magnetic field with frequencies in the range 10 kHz to 500 kHz, an alternating voltage in the secondary coil 10 induced, which is used to power the electrically powered vehicle 3 serves. The induced AC voltage must be rectified and limited for storage in accumulators. With a suitable control module 5 The transmitted electrical energy can also drive directly to the drive 7 of the vehicle 3 serve. A high efficiency of 95% in energy transfer can be achieved at a distance of the secondary coil 6 to the primary coil 9 ( 2 ) of 25 cm can be achieved by the course of the magnetic field 4 by embedding the primary coil 9 in a magnetizable concrete 2 with a permeability of
Figure DE102015012950A1_0002
= 40 is optimized. The magnetizable concrete 2 can also be designed as asphalt concrete. The choice of the matrix is the road construction 1 adapted to the operability of the AC supply of the primary coils 9 not to endanger due to temperature changes. The AC voltage with the necessary for energy transfer streams is from inverters 8th generated by short leads with the primary coils 9 are connected. Different thermal expansions of roadway construction 1 and magnetizable concrete 2 would lead to mechanical disruption and thus to increased wear and loss of function.

2 zeigt die Anordnung der Primärspule 9 und der Sekundärspule 10 beim Überfahren eines Elektrofahrzeuges über eine Übertragerstrecke zur dynamischen oder statischen induktiven Ladung. Der erfindungsgemäß im Fahrbahnaufbau 1 integrierte magnetisierbare Beton 2 kann beispielsweise gemäß üblicher Betontechnologie durch Mischen von weichmagnetischem Ferrit, bestehend aus 50 Masse-% einer Körnung mit mittlerem Korndurchmesser von 5 mm und 40 Masse-% einer Körnung mit mittlerem Korndurchmesser von 0,25 mm sowie der Zugabe von 5 Masse-% eines Portlandzementes, 0,5 Masse-% eines Verflüssigers sowie 4,5 Masse-% Wasser hergestellt werden. Ein solcher magnetisierbarer Beton 2 wird in vorgefertigte Formen auf den Untergrund des Fahrbahnaufbaus 1 gegossen, so dass eine geeignete Gestalt für die Aufnahme der Primärspule 9 entsteht. Nach dem Erhärten des Betons 2 wird die Gießform entfernt, die elektrischen Leitungen der Primärspule 9 werden verlegt und die Deckschicht gemäß üblichem Fahrbahnaufbau 1 aufgebracht. 2 shows the arrangement of the primary coil 9 and the secondary coil 10 when driving over an electric vehicle via a transformer section for dynamic or static inductive charging. The invention in the roadway construction 1 integrated magnetizable concrete 2 can, for example, according to conventional concrete technology by mixing soft magnetic ferrite, consisting of 50% by mass of a grain size with average grain diameter of 5 mm and 40% by mass of grain size with average grain diameter of 0.25 mm and the addition of 5% by mass of a Portland cement , 0.5% by mass of a condenser and 4.5% by mass of water. Such a magnetizable concrete 2 is placed in prefabricated forms on the ground of the roadway construction 1 cast, leaving a suitable shape for receiving the primary coil 9 arises. After hardening of the concrete 2 the mold is removed, the electrical wires of the primary coil 9 are laid and the top layer according to usual roadway construction 1 applied.

Die Integration eines magnetisierbaren Betons in einen Straßenaufbau 1 aus Asphalt erfolgt analog zu vorherigem Beispiel. Der magnetisierbare Beton 2 wird beispielsweise durch Mischen von weichmagnetischem Ferrit, bestehend aus 45 Masse-% einer Körnung mit mittlerem Korndurchmesser von 5 mm, 45 Masse-% einer Körnung mit mittlerem Korndurchmesser von 0,25 mm sowie 10 Masse-% eines Bitumens hergestellt werden. Die in einem Heizmischer bei ca. 210°C hergestellt Mischung wird in vorgefertigte Formen auf den Untergrund des Fahrbahnaufbaus 1 gegossen und verdichtet, so dass nach dem Erkalten eine geeignete Gestalt für die Aufnahme der Primärspule 9 entsteht. Nach Entfernen der Gießform werden die elektrischen Leitungen der Primärspule 9 verlegt und die Deckschicht aus Asphalt gemäß üblichem Fahrbahnaufbau 1 aufgebracht.The integration of a magnetizable concrete in a road construction 1 Asphalt is analogous to the previous example. The magnetizable concrete 2 is prepared, for example, by mixing soft magnetic ferrite consisting of 45% by weight of a grain having an average grain diameter of 5 mm, 45% by weight of a grain having an average grain diameter of 0.25 mm and 10% by weight of a bitumen. The mixture produced in a heating mixer at approx. 210 ° C is placed in prefabricated forms on the ground of the roadway structure 1 cast and compacted, so that after cooling, a suitable shape for receiving the primary coil 9 arises. After removal of the mold, the electrical wires of the primary coil 9 laid and the top layer of asphalt according to usual road construction 1 applied.

3 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des magnetisierbaren Betons 2, wobei die Matrix 22 beispielsweise aus einem Portlandzement besteht, der weichmagnetische Partikeln 21, beispielsweise aus Weichferrit, miteinander verbindet. Es sind aber auch alle anderen Werkstoffkombinationen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 denkbar. 3 shows an enlarged partial view of the magnetizable concrete 2 , where the matrix 22 For example, consists of a Portland cement, the soft magnetic particles 21 , For example, made of soft ferrite, with each other. But there are also all other material combinations according to claims 1 and 2 conceivable.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1097463 B1 [0006] EP 1097463 B1 [0006]

Claims (10)

Magnetisierbare Struktur, bestehend aus einem weichmagnetischen Werkstoff, eingebettet in einem für Betone verwendeten Bindemittel, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisierbare Beton (2) eine Anfangspermeabilität von mindestens 30 aufweist und deshalb das von einer Primärspule (9) erzeugte Magnetfeld so bündelt, dass die an eine Sekundärspule (10) übertragbare Leistung in einer Entfernung von bis zu zehnmal die Spulenbreite (91) mindestens 80% der primärseitig erzeugten Leistung beträgtMagnetisable structure consisting of a soft magnetic material embedded in a binder used for concretes, characterized in that the magnetisable concrete ( 2 ) has an initial permeability of at least 30 and therefore that of a primary coil ( 9 ) magnetic field so that the connected to a secondary coil ( 10 ) transmissible power at a distance of up to ten times the coil width (91) is at least 80% of the power generated on the primary side Struktur nach Anspruch 1, die aus einem weichmagnetischen Werkstoff bestehend sein kann aus der Gruppe der Weichferrite, der nanokristallinen Metalle, der amorphen Metalle und der metallischen Pulver.Structure according to claim 1, which may be composed of a soft magnetic material from the group of soft ferrite, the nanocrystalline metals, the amorphous metals and the metallic powder. Struktur nach Anspruch 1 und 2, welche voll integrierbar in Baustrukturen ist.Structure according to claim 1 and 2, which is fully integrable in building structures. Struktur nach Anspruch 1, 2 und 3, welche die nachträgliche Integration eines magnetisierbaren Betons in vorhandenen Baustrukturen rissfrei ermöglicht, insbesondere durch zusammensetzungsmäßige Anpassung des thermischen Dehnungs- und Erweichungsverhaltens.Structure according to claim 1, 2 and 3, which enables the subsequent integration of a magnetizable concrete in existing building structures free of cracks, in particular by compositionally adjusting the thermal expansion and softening behavior. Struktur nach Ansprüchen 1, 2 und 3, welche in Zementbetonstraßen verwendet wird.Structure according to claims 1, 2 and 3, which is used in cement concrete roads. Struktur nach Ansprüchen 1, 2 und 3, welche in Asphaltstraßen verwendet wird.Structure according to claims 1, 2 and 3, which is used in asphalt roads. Struktur nach Ansprüchen 1, 2 und 3, welche zur Magnetfeldbündelung für das statische Batterieladen von elektrischen und hybriden Fahrzeugen verwendet wird.Structure according to claims 1, 2 and 3, which is used for magnetic field focusing for the static battery charging of electric and hybrid vehicles. Struktur nach Ansprüchen 1, 2 und 3, welche zur Magnetfeldbündelung für das dynamische Batterieladen von elektrischen und hybriden Fahrzeugen verwendet wird.Structure according to claims 1, 2 and 3, which is used for magnetic field bundling for the dynamic battery charging of electric and hybrid vehicles. Struktur nach Ansprüchen 1, 2 und 3, welche zur Magnetfeldbündelung für die direkte Energieversorgung von elektrischen Fahrzeugen und hybriden verwendet wird.Structure according to claims 1, 2 and 3, which is used for magnetic field focusing for the direct power supply of electric vehicles and hybrids. Struktur nach Ansprüchen 1, 2 und 3, welche zur Magnetfeldbündelung für die Einhaltung vorgeschriebener Magnetfeld-Obergrenzen im Innenraum und in der Nähe von elektrischen oder hybriden Fahrzeugen verwendet wird.Structure according to claims 1, 2 and 3, which is used for magnetic field bundling for compliance with prescribed magnetic field upper limits in the interior and in the vicinity of electric or hybrid vehicles.
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