DE202022001641U1

DE202022001641U1 - Sender für induktive Energieübertragung

Info

Publication number: DE202022001641U1
Application number: DE202022001641.7U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2032-07-22

Abstract

Sender für ein System zur induktiven Energieübertragung mit mindestens zwei parallel oder nahezu parallel auf gemeinsamer Achse oder mit geringem Versatz angeordneten Sendespulen, die phasengleich von einer Sendeelektronik mit Leistungsstufe mit Wechselstrom beschickt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein System für die drahtlose Übertragung von Energie mit Hilfe induktiver Kopplung.
Zur induktiven Energieübertragung benötigt es einen Sender und einen Empfänger. Im Sender wird mit einer geeigneten Schaltung (z.B. einem Oszillator mit nachgeschalteter Leistungsstufe) ein Wechselstrom erzeugt, der in einer Sendespule ein magnetisches Wechselfeld bewirkt. Die Übertragung erfolgt über Gegeninduktion zwischen der Sende- und einer Empfangsspulen. In der Empfangsspule wird durch das magnetische Wechselfeld eine Wechselspannung induziert, diese wird der Anwendungen zugeführt.
Ein grundlegendes System zur drahtlosen Übertragung von Energie mit Hilfe induktiver Kopplung wird zum Beispiel in (https://de.wikipedia.org/wiki/Drahtlose_Energie%C3%BCbertragung#Resonant_induktive_Kopplung (abgerufen 30.3.2022) beschrieben.
Vielfach werden derartige Systeme für kurze Entfernungen zwischen Sender und Empfänger eingesetzt. Überwiegende Anwendung dabei ist Stand 2022 das drahtlose Laden von mobilen Geräten.
Daneben ist es für bestimmte Einsatzzwecke sinnvoll, das Magnetfeld innerhalb eines definierten Volumens bereitzustellen, damit dort an beliebigen Positionen kleinere Empfänger betrieben werden können. Konkret kann das zum Beispiel eine Glasvitrine sein, in der Objekte durch kleine, drahtlos betriebene Elemente beleuchtet werden.
Aus zum Beispiel (https://de.wikipedia.org/wiki/Helmholtz-Spule, abgerufen 10.7.2022) ist die sogenannte Helmholtz-Spule bekannt. Hier werden zwei kurze kreisförmige Spulen mit großem Radius R im Abstand R auf derselben Achse parallel aufgestellt und gleichsinnig von Strom durchflossen. Durch die Überlagerung der Felder ergibt sich zwischen beiden Spulen nahe der Spulenachse ein Bereich mit weitgehend homogenem Magnetfeld.
Dies gilt näherungsweise auch für Spulen mit anderen Geometrien (zum Beispiel rechteckig) sowie mehrfach hintereinander oder dreidimensional angeordnete Spulen
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, den Sender eines Systems zur induktiven Energieübertragung so zu gestalten, dass ein möglichst homogenes, ausreichend starkes Magnetfeld innerhalb eines definierten Volumens erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Für ein System zur induktiven Energieübertragung wird demgemäß vorgeschlagen, mindestens zwei Sende-Spulen in der Art eines Helmholtz-Spulenpaars anzuordnen und gleichphasig mit einem Wechselstrom zu beaufschlagen.
Durch geeignete Maßnahmen - zum Beispiel durch eine Stromregelung - kann ein Empfänger in gewissem Rahmen unterschiedliche Feldstärken ausgleichen. Dies ermöglicht die Nutzung des erfindungsgemäßen Ansatzes auch für deutlich vom Kreis oder Quadrat abweichende Spulen-Geometrien, bei denen die Homogenität des Magnetfelds nicht optimal ist. Als Beispiel sei hier eine länglich rechteckige Geometrie (zum Beispiel ein Regalboden) genannt.
Gemäß einer weiteren Ausprägung sind die mindestens zwei Sendespulen von allgemeiner, untereinander gleicher Form.
Wird durch die Empfänger ein in gewissen Grenzen inhomogenes Magnetfeld toleriert, kann der Abstand zwischen den mindestens zwei Sendespulen in weitem Rahmen gewählt werden. Bei kleinem Abstand sind die überlagerten Felder höher, bei großem Abstand geringer als im optimalen Abstand. Daher kann zum Beispiel experimentell vorab ein minimaler Abstand, bei dem die Empfänger noch nicht überlastet sind, und ein maximaler Abstand, bei dem die Empfänger gerade noch ausreichend Energie erhalten, gefunden werden.
Gemäß einer weiter Ausprägung kann der Abstand zwischen den mindestens zwei Sendespulen zwischen einem zuvor festgestellten Minimum und einem zuvor festgestellten Maximum gewählt werden
Aus Gebrauchsmuster Nr. 20 2017 001 055 ist ein Beleuchtungssystem bekannt, bei dem kleine Leuchteinheiten innerhalb der von einer Sendespule aufgespannten Fläche bzw. in einem bestimmten Abstand darüber oder darunter frei positioniert werden können und dort drahtlos mit Energie versorgt werden.
Durch die hier beschriebene Erfindung können die Leuchteinheiten nun auch in einem größeren Volumen ohne Einbuße an Leistung betrieben werden.
In gleicher Weise können alle Anwendungen, die mit einer drahtlosen Energieübertragung betrieben werden und für die ein Volumen als Betriebs- oder Ladeort definiert werden kann, hiervon profitieren. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, seien hier genannt:

- Ladestationen für elektrische betriebene Einheiten
- Energieversorgung für Sensoren, zum Beispiel zur Prozessüberwachung
- Energieversorgung für autonome Einheiten, zum Beispiel Putzroboter in Aquarien
- Lademöglichkeit für elektrische/elektronische Implantate

Der Fachmann wird weitere Einsatzbereiche finden können.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
1 zeigt ein System zur induktiven Energieübertragung mit dem erfindungsgemäßen Sender. Die Sendespulen 2 und 3 sind dabei parallel in geeignetem Abstand angeordnet und werden phasengleich von der Leistungsstufe 1 mit Wechselstrom beschickt. Innerhalb des Volumens zwischen den Sendespulen bildet sich ein ausreichend homogenes magnetisches Wechselfeld, sodass ein geeigneter Empfänger 4 mit Last 5 an beliebigen Positionen betrieben werden.
Die Sendespulen können dabei zum Beispiel einen Tank, in dem ein chemischer Prozess stattfindet, umfassen und drahtlose Sensoren im Inneren mit Energie versorgen.
2 zeigt eine Anordnung mit drei länglichen Sendespulen 2, 3 und 4, die parallel an einer gemeinsamen Achse angeordnet sind. Alle drei Spulen werden phasengleich von der Leistungsstufe 1 mit Wechselstrom beschickt. Diese Konstellation kann zum Beispiel ein Regal mit drei Böden darstellen.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Claims

Sender für ein System zur induktiven Energieübertragung mit mindestens zwei parallel oder nahezu parallel auf gemeinsamer Achse oder mit geringem Versatz angeordneten Sendespulen, die phasengleich von einer Sendeelektronik mit Leistungsstufe mit Wechselstrom beschickt werden.
Sender nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sendespulen eine gleiche Form aufweisen.
Sender nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der mindestens zwei Sendespulen beliebig gewählt werden kann.
Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den mindestens zwei Sendespulen zwischen einem Minimum und einem Maximum gewählt wird, wobei der minimale Abstand und der maximale Abstand vorab durch Erfahrung oder Berechnung festgestellt werden.