WO2020148320A1

WO2020148320A1 - Spulenanordnung mit einer mehrzahl von darauf in einer ebene angeordneten spulenpaaren und vorrichtung mit einer solchen spulenanordnung

Info

Publication number: WO2020148320A1
Application number: PCT/EP2020/050884
Authority: WO
Inventors: Christoph Haggenmiller
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-07-23
Anticipated expiration: 2021-07-16
Also published as: DE102019200436B4; DE102019200436A1

Abstract

Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von darauf in einer Ebene angeordneten Spulenpaaren und Vorrichtung mit einer solchen Spulenanordnung Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten Spulenpaaren (1; 10; 20a, 20b), deren Einzelspulen jeweils derart ausgebildet und miteinander verbunden sind, dass die in ihnen durch ein Magnetfeld induzierten Ströme (3, 4; 12, 13) entgegengesetzt gerichtet und gleich groß sind, wobei die Spulenpaare (1; 10; 20a, 20b) punktsymmetrisch ausgebildet und derart zueinander orientiert angeordnet sind, dass ein magnetisch wirksames Objekt (22), das sich an dem Symmetriepunkt (14) eines Spulenpaares (1; 10; 20a, 20b) befindet, die Gleichheit der Ströme (3, 4; 12, 13) zumindest eines benachbarten Spulenpaares (1; 10; 20a, 20b) aufhebt.

Description

Beschreibung

Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von darauf in einer Ebene angeordneten Spulenpaaren und Vorrichtung mit einer solchen Spulenanordnung

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten Spulenpaaren, deren Einzelspulen jeweils derart ausgebildet und miteinander verbunden sind, dass die in ihnen durch ein Magnetfeld induzierten Ströme entgegengesetzt gerichtet und gleich groß sind. Die Erfindung betrifft au ßerdem eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie mit einer Primär- und einer Sekundärspule, zwischen denen eine solche Spulenanordnung ange ordnet ist.

Eine solche Spulenanordnung und eine solche Vorrichtung sind aus der US 2013/0169062 A1 bekannt. Dort werden einerseits ein Spulenpaar aus zwei halb kreisförmigen, aus einem Draht hergestellten Einzelspulen beschrieben, bei dem die Einzelspulen gegeneinander verdreht sind, so dass die durch ein sie durch dringendes Magnetfeld hervorgerufenen Ströme entgegengesetzt und gleich groß sind, sich also gegenseitig aufheben. Damit erzeugt ein homogenes, störungsfrei es, durch eine Primärspule einer Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung erzeugtes Magnetfeld, das die Einzelspulen durchdringt, keine Spannung an deren Drahtenden.

Die US 2013/0169062 A1 offenbart andererseits eine kreisförmige Spulenanord nung mit Spulenpaaren, die mit aus Kreissegmenten gebildeten Einzelspulen, die ebenfalls mit nur einem Draht hergestellt sind, ausgeführt ist.

Problematisch bei diesen Anordnungen der Spulenpaare ist, dass es Symmetrie punkte und Symmetrielinien gibt, so dass magnetisch wirksame Objekte, die das Magnetfeld stören und prinzipiell durch die Spulenanordnung detektiert werden sollen, nicht erkannt werden, wenn sie auf oder über diesen Symmetriepunkten und Symmetrielinien liegen, da sich die Störung des Magnetfeldes in den Einzelspulen der Spulenpaare ebenfalls symmetrisch auswirkt und zu keiner induzierten Span nung oder keinem dadurch hervorgerufenen Strom führt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Spulenanordnung und eine Vorrich tung mit einer solchen Spulenanordnung anzugeben, bei denen es möglich ist, trotz partieller Symmetrien alle magnetisch wirksamen Objekte zu erkennen. Die Aufgabe wird durch eine Spulenanordnung nach Anspruch 1 und eine Vor richtung mit einer solchen Spulenanordnung nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach sind bei einer Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten Spulenpaaren, deren Einzelspulen jeweils derart ausgebildet und miteinander verbunden sind, dass die in ihnen durch ein Magnetfeld induzierten Ströme entgegengesetzt gerichtet und gleich groß sind, die Spulenpaare punkt symmetrisch ausgebildet und derart zueinander orientiert angeordnet sind, dass ein magnetisch wirksames Objekt, das sich an dem Symmetriepunkt eines Spulen paares befindet, die Gleichheit der Ströme zumindest eines benachbarten Spu lenpaares aufhebt.

Selbst wenn also ein Spulenpaar keine Veränderung des durch seinen Leiter flie ßenden Stromes erfährt, da die Veränderung des Magnetfeldes durch das magne tisch wirksame Objekt sich in beiden Einzelspulen des Spulenpaares betragsmäßig gleich jedoch in entgegengesetzter Richtung auswirkt, wird die Gegenwart dieses Objektes bei einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung trotzdem detektiert, weil ein benachbartes Spulenpaar derart orientiert ist, dass in dessen Einzelspulen durch das Objekt unterschiedliche Magnetfeldänderungen und damit unterschied liche Ströme auftreten, die sich nicht mehr gegenseitig aufheben. Wenn immer ein Objekt bei einer solchen Spulenanordnung auf einem Symmetriepunkt eines Spu lenpaares zu liegen kommt, wird es immer zumindest ein weiteres benachbartes Spulenpaar geben, durch das das Objekt detektiert wird.

Bei einem räumlich homogenen, die Spulen der Spulenanordnung durchdringenden Magnetfeld ist es von Vorteil, wenn in einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Spulenanordnung die Einzelspulen alle die gleiche Form und Größe haben. Damit ist sichergestellt, dass im Fall, dass kein Objekt im Bereich der Spulenanordnung ist, keine induzierte Spannung an den Anschlüssen der Spulenpaare entsteht.

In einer vorteilhaften Ausbildung der Spulenanordnung sind die Leitungen der Einzelspulen eines Spulenpaares in der Form einer Acht geführt.

Damit ist nur die grundsätzliche Relation der beiden Einzelspulen eines Spulen paares zueinander gemeint und nicht deren Form. Diese kann zwar annähernd kreisförmig sein, hat vorzugsweise jedoch die Form eines Quadrats oder einer Raute oder jede andere Form, bei der Spulenpaare so nebeneinander angeordnet werden können, ohne dass zu viele Zwischenräume entstehen, in denen ein Magnetfeld nicht detektiert wird.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Spu lenanordnung stehen die durch die Schleifen und den Schleifenverbindungspunkt einer Acht gehenden Achsen von zwei benachbarten Spulenpaaren, deren

Schleifenverbindungspunkte durch eine Achtschleife voneinander entfernt sind, senkrecht aufeinander.

Damit sind immer die am nächsten benachbarten Spulenpaare, dies sich fast be rühren, ohne sich zu überlappen, derart zueinander ausgerichtet, dass ihre Achsen im rechten Winkel zueinanderstehen. Die betroffene Achse ist dabei diejenige, die durch die beiden Achtschleifen und den Schleifenverbindungspunkt, also übli cherweise den Symmetriepunkt, verläuft. Diese Achse ist üblicherweise auch eine Symmetrieachse eines Spulenpaars.

Durch diese Orientierung zueinander wird erreicht, dass ein Objekt, das auf dem Symmetriepunkt oder der Symmetrieachse des einen Spulenpaars liegt und daher von diesem Spulenpaar nicht detektiert wird, auf jeden Fall von diesem am nächsten benachbarten Spulenpaar erkannt wird.

In einer vorteilhaften Ausbildung ist die Spulenanordnung auf einem Spulenträger ausgebildet. Dies kann beispielsweise eine Folie oder eine Leiterplatte sein.

In einer Weiterbildung können die Spulenpaar auf den Spulenträger gedruckt sein.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie mit einer Primär- und einer Sekundärspule, ist eine erfindungsgemäße Spulenan ordnung zwischen der Primär- und der Sekundärspule angeordnet.

Damit kann eine erfindungsgemäße Spulenanordnung in vorteilhafter weise bei einer solchen Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie zur Detektion von magnetisch wirksamen Objekten, beispielsweise Metallen wie z.B. Münzen eingesetzt werden, da diese zu einem Abschalten der Energieübertragung wegen Erhitzung aufgrund von Wirbelströmen und damit erhöhter Brandgefahr führen sollten. Dabei kann die Spulenanordnung in einfacher Weise auf der Primärspule ange ordnet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführung eines Spulenpaars nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine zweite vorteilhafte Ausführung eines Spulenpaars,

Fig. 3 eine erste erfindungsgemäße Spulenanordnung mit Spulenpaaren gemäß Fig. 2

Fig. 4 eine zweite erfindungsgemäße Spulenanordnung mit Spulenpaaren gemäß Fig. 2 und

Fig. 5 eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie mit einer

Primär- und einer Sekundärspule, zwischen denen eine erfindungs gemäße Spulenanordnung angeordnet ist.

Die Fig. 1 zeigt ein Spulenpaar 1 , das aus einem Leiter 2 gefertigt ist. Der Leiter 2 kann dabei ein Draht sein oder eine auf eine Folie oder eine Leiterplatte gedruckte oder auf anderer Weise aufgebrachte Leiterbahn.

Eine erste Einzelspule wird hergestellt, indem der Leiter 2 zunächst in einem ersten Abschnitt a gerade geführt wird. Danach wird er im Gegenuhrzeigersinn in einem zweiten Abschnitt b in einem Halbkreis geführt, um anschließend nahezu parallel zum Abschnitt a, jedoch diesen überkreuzend in einem dritten Abschnitt c wieder etwa gerade geführt zu werden. Abschießend wird er in einem vierten Abschnitt d in einem Halbkreis im Uhrzeigersinn geführt. Es entsteht also eine etwa elliptische oder kreisförmige Doppelspule die zwei Schleifen a, b und c, d aufweist, die wie ein Acht gewickelt sind und in einer Ebene nebeneinander liegen.

Wenn ein homogenes Magnetfeld in die Spulenebene der Fig. 1 hinein gerichtet ist, wird in den Einzelspulen jeweils eine Spannung induziert, die zu einem Stromfluss entsprechend der Pfeile 3, 4 führt, die also in demselben Leiter 2 entgegengesetzt gerichtet fließen und sich aufgrund der Symmetrie der Einzelspulen aufheben. Dies hat den Vorteil, dass bei einem homogenen Magnetfeld ohne Störung an den Drahtenden keine Spannung anliegt und damit keine Wärme erzeugenden Ströme fließen können.

Eine andere Ausführungsform eines Spulenpaares mit den beschriebenen Eigen schaften ist in Fig. 2 gezeigt. Das dortige Spulenpaar 10 ist mit einem Leiter 1 1 gebildet, der hier zunächst in einem ersten Zuleitungsabschnitt a gerade geführt wird, um dann nach rechts in einem Winkel von etwa 45° nach unten abzuknicken und dann im Gegenuhrzeigersinn in einem Quadrat b zurück zum ersten Knickpunkt geführt zu werden und eine erste Einzelspule zu bilden. Im Knickpunkt wird der Leiter 1 1 dann gerade weitergeführt, um dann im Uhrzeigersinn in einem weiteren Quadrat c wieder zurück zum Knickpunkt zu führen und daraus parallel zum ersten Zuleitungsabschnitt a in einem zweiten Zuleitungsabschnitt d geführt zu werden.

Auch hier wird ein planares Spulenpaar 10 gebildet, bei dem sich bei einem ho mogenen Magnetfeld, das die Einzelspulen durchdringt, Ströme entsprechend der Pfeile 12 und 13 ausbilden, die sich gegenseitig aufheben. Bei der Ausführungsform der Fig. 2 können viele Spulenpaare 10 nebeneinander ausgebildet werden, ohne dass größere Flächen verbleiben, die nicht von einer Spule abgedeckt sind.

Das Spulenpaar 10 der Fig. 2 hat einen Symmetriepunkt 14, der mit dem Knickpunkt des Leiters 1 1 übereinstimmt und es gibt eine Achse 15, die durch die Achtschleifen und den Symmetriepunkt 14 verläuft und eine Symmetrieachse bildet.

Wenn ein magnetisch wirksamer Gegenstand auf dem Symmetriepunkt 14 oder entlang der Achse 15 zu liegen kommt, so wird das Magnetfeld in beiden Einzel spulen in gleicher Weise beeinflusst, zum Beispiel verstärkt, wodurch sich jedoch die Ströme in beiden Einzelspulen des Spulenpaars 10 in gleicher Weise ändern und daher keine Spannungs- oder Stromänderung an den Spulenanschlüssen detektiert werden kann.

In den Fig. 1 und 2 sind symmetrische Spulenpaare 1 , 10 darstellt, da von einem homogenen Magnetfeld ausgegangen wird. Die Spulenpaare können jedoch durch verändern der Größe einer der Einzelspulen an ein nicht gleichmäßiges Magnetfeld angepasst werden, indem bei einem schwächeren Magnetfeld in der einen Ein zelspule diese entsprechend größer gemacht wird, um den gleichen Gesamtfluss zu erzielen. Statt einer quadratischen Form, wie in der Fig. 2 für eine Einzelspule dargestellt, kann auch eine Raute gewählt werden, wodurch ebenfalls eine gute Flächenab deckung bei einer Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von Spulenpaaren erzielt werden kann.

In der Fig. 3 ist nun eine erfindungsgemäße Spulenanordnung am Beispiel von Spulenpaaren 20a, 20b entsprechend der Form der Fig. 2, also einer Acht mit quadratischen Schleifen, dargestellt. Dabei sind eine Vielzahl von solchen Spu lenpaaren 20a, 20b ineinander verschachtelt vorzugsweise auf einem Spulenträger 21 ausgebildet. Der Spulenträger 21 kann z.B. eine Folie sein oder eine Leiterplatte. Die Spulenpaare können als Drahtspulen darauf befestigt, z.B. geklebt oder z.B. als Paste aufgedruckt sein.

In der Spulenanordnung der Fig. 3 sind eine erste Anzahl von Spulenpaaren 20a derart auf dem Spulenträger 21 angeordnet, dass ihre Achsen um 45° gegen den Uhrzeigersinn aus der Senkrechten geneigt ist und parallele Reihen mit diesen Spulenpaaren 20a gebildet sind, wobei in einer Reihe liegende Spulenpaare 20a mit den auf einer Achse liegenden Spulenscheiteln 23, 24 aneinander grenzen und die Spulenpaare 20a der dazu benachbarten Reihe um eine Einzelspule versetzt sind und mit ihren am weitesten von ihren Achse entfernten Spulenscheiteln 25, 26 aneinander grenzen.

Hierdurch ergibt sich ein Feld von Einzelspulen der ersten Anzahl von Spulen paaren 20a, zwischen deren Einzelspulen jeweils etwa die Fläche einer Einzelspule freibleibt.

Diese Freiflächen sind mit Einzelspulen der Spulenpaare der zweiten Anzahl von Spulenpaaren 20b belegt, wobei die Achsen dieser Spulenpaare 20b der zweiten Anzahl von Spulenpaaren um 45° im Uhrzeigersinn aus der Senkrechten also um 90° gegenüber der Achsen der Spulenpaare 20a der ersten Anzahl von Spulen paaren geneigt ist. Die Achsen der Spulenpaare 20a stehen also senkrecht auf den Achsen der Spulenpaare 20b.

Zusätzlich ist ein Symmetriepunkt 14 eines Spulenpaars 20a der ersten Anzahl von Spulenpaaren von einem Symmetriepunkt 14 eines Spulenpaars 20b der zweiten Anzahl von Spulenpaaren um eine Einzelspule beabstandet und umgekehrt. Es fallen also nie die Symmetriepunkte der Spulenpaare 20a der ersten Anzahl von Spulenpaaren mit denen der Spulenpaare 20b der zweiten Anzahl von Spulen paaren zusammen.

Damit wird in erfindungsgemäßer weise erreicht, dass ein Objekt 22, das auf einem Symmetriepunkt 14 eines Spulenpaares der einen Anzahl von Spulenpaaren liegt und daher von diesem nicht detektiert werden kann, auf jeden Fall von dem direkt benachbarten Spulenpaar der anderen Anzahl von Spulenpaaren detektiert wird, da dessen Einzelspulen durch diese Anordnung einen unterschiedlichen Abstand zum Objekt 22 haben, wodurch sich unterschiedliche Änderungen des dessen Einzel spulen durchdringenden Magnetfeldes ergeben und daher eine Spannung oder ein Strom detektiert werden kann.

Die Fig. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung der Spulenpaare wie in der Fig. 3, wobei hier alle Spulenpaare um 45° gegenüber der Anordnung nach Fig. 3 gedreht sind. Die Spulenpaare sind nicht näher bezeichnet, da sie denen der Fig. 3 entsprechen.

In der Fig. 5 ist eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie mit einer Primärspule 31 auf einer Bodenplatte 30 und einer Sekundärspule 34 auf einer Fahrzeugplatte 33 gezeigt, bei der zwischen der Primär- und der Sekundärspule 31 m 34 eine erfindungsgemäße Spulenanordnung mit Spulenpaaren 20a, 20b auf einem Spulenträger 21 beispielsweise gemäß Fig. 3. oder Fig. 4 angeordnet ist. Die Spulenpaare 20a, 20b werden durch ein Magnetfeld 35 durchdrungen, das bei spielsweise von der Primärspule 31 erzeugt wird. Es wäre auch möglich, das Magnetfeld 35 mittels der Sekundärspule 34 zu erzeugen, um magnetisch wirk same, insbesondere metallische, Fremdobjekte zu erkennen.

Bei dieser Vorrichtung kann ein Objekt auch bei einer Positionierung auf einem Symmetriepunkt oder einer Symmetrielinie detektiert werden, obwohl Spulenpaare verwendet werden, bei denen bei einem homogenen durch die Primärspule er zeugten Magnetfeld ohne Störung durch ein Fremdobjekt keine Spannung an deren Anschlüssen detektierbar ist.

Claims

Patentansprüche

1 . Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von in einer Ebene angeordneten Spu lenpaaren (1 ; 10; 20a, 20b), deren Einzelspulen jeweils derart ausgebildet und miteinander verbunden sind, dass die in ihnen durch ein Magnetfeld induzierten Ströme (3, 4; 12, 13) entgegengesetzt gerichtet und gleich groß sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Spulenpaare (1 ; 10; 20a, 20b) punktsymmetrisch ausgebildet und derart zuei nander orientiert angeordnet sind, dass ein magnetisch wirksames Objekt (22), das sich an dem Symmetriepunkt (14) eines Spulenpaares (1 ; 10; 20a, 20b) befindet, die Gleichheit der Ströme (3, 4; 12, 13) zumindest eines benachbarten Spulen paares (1 ; 10; 20a, 20b) aufhebt.

2. Spulenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einzel spulen alle die gleiche Form und Größe haben.

3. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Leitungen (2) der Einzelspulen eines Spulenpaares (1 ; 10; 20a, 20b) in der Form einer Acht geführt sind.

4. Spulenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Schleifen und den Schleifenverbindungspunkt (14) der Acht gehenden Achsen (15) von zwei benachbarten Spulenpaaren (20a, 20b), deren Schleifenverbindungs punkte (14) durch eine Achtschleife voneinander entfernt sind, senkrecht aufei nander stehen.

5. Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass sie auf einem Spulenträger (21 ) ausgebildet ist.

6. Spulenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spu lenpaare (20a, 20b) auf den Spulenträger (21 ) gedruckt sind.

7. Vorrichtung zur induktiven Übertragung von Energie mit einer Primär- und einer Sekundärspule, zwischen denen eine Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dass die Spulenanordnung auf der Primärspule angeordnet ist.