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Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung mit verringerten Verlusten und stabilisiertem Kopplungsfaktor, wie sie beispielsweise in Systemen zur drahtlosen Energieübertragung verwendet werden können und entsprechende Systeme zur drahtlosen Energieübertragung.
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Systeme zur drahtlosen Übertragung von Energie, zum Beispiel elektrischer Energie, haben üblicherweise eine Primärspulenanordnung und eine Sekundärspulenanordnung. Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld wird von der Primärspulenanordnung emittiert und von der Sekundärspulenanordnung empfangen. Die Primärspulenanordnung und die Sekundärspulenanordnung brauchen dabei nicht elektrisch verschaltet zu sein und können voneinander beabstandet sein.
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Dabei ist es möglich, dass eine oder mehrere der Spulenanordnungen eine oder mehrere Wicklungen um einen Spulenkern haben. Typische Materialien von Spulenkernen bestehen aus oder umfassen Ferrit. In dem Spulenkern wird dabei im Allgemeinen ein bestimmtes Maß an übertragener Leistung dissipiert, das heißt in Wärme umgewandelt. Ferner bewirkt eine nicht optimale Ausrichtung zwischen Primär- und Sekundärspulenanordnung einen veränderlichen Kopplungsfaktor.
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Aus der Druckschrift
US 2018 / 0 331 578 A1 sind magnetische Strukturen für induktive Energieübertragung bekannt, bei denen um einen Kern mehrere Spulenabschnitte gewickelt sind.
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Aus der Druckschrift
US 2009 / 0 072 628 A1 sind Antennen für drahtlose Energieübertragung bekannt, die insbesondere für Mobilgerate geeignet sind.
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Aus der Druckschrift
WO 2015 / 087 138 A2 ist ein Leistungsübertragungssystem bekannt, bei dem eine Konfiguration von Sendespulen an verschiedene Primärspulen anpassbar ist.
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Die Druckschrift
US 5 917 307 A beschreibt ein Gerät zur Ladung eines elektrischen Fahrzeugs über eine magnetische Kopplung.
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Aus der Druckschrift
WO 2011 / 112 795 A1 ist ein System zur drahtlosen Energieübertragung über magnetische Felder bekannt.
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Eine Möglichkeit zur Verringerung der Verlustleistung besteht darin, das Volumen des Ferritkerns zu vergrößern. Eine Möglichkeit zur Verringerung der Veränderlichkeit des Kopplungsfaktors ist die Verwendung von Spulen mit generell geringem Kopplungsfaktor wie z.B. DD (Doppel-D) Spulen oder Ringspulen, deren Windungen im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind.
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Allerdings führt einerseits ein vergrößertes Volumen des Spulenkerns zur Verteuerung entsprechender Systeme, da mehr Ferritmaterial benötigt wird. Ferner vergrößert sich die Bauform, was dem Trend zur Miniaturisierung von Bauelementen zuwiderläuft. Im Übrigen erschwert ein erhöhtes Volumen das Abführen der durch die Verlustleistung entstandenen Wärme.
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Andererseits führt die Verwendung von Spulen mit geringem Kopplungsfaktor zu Übertragungssystemen mit geringer magnetischer Kopplung.
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Es besteht deshalb der Wunsch nach Spulenanordnungen mit verringerten Verlusten und relativ hohem aber stabilem Kopplungsfaktor. Speziell sind Spulenanordnungen gefragt, die weniger Ferrit im Spulenkern benötigen, die dabei eine gute Wärmeabfuhr gewährleisten können, die eine verringerte Masse aufweisen und die einfach in Systeme integrierbar sind, mit verringerten Kosten bereitstellbar sind und die auch bei veränderlichen Ausrichtungen zwischen Primärspulenanordnung und Sekundärspulenanordnung mit stabilem und hohem Kopplungsfaktor betreibbar sind.
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Dazu wird eine Spulenanordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch angegeben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
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Die Spulenanordnung hat einen Spulenkern und eine erste Wicklung. Die Windungen der ersten Wicklung sind um eine Achse gewickelt. Die Windungen der ersten Wicklung sind dabei auf mehrere Abschnitte verteilt und die Abschnitte der ersten Wicklung sind voneinander beabstandet.
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Ein solches räumliches Aufteilen von Windungen der Wicklung einer Spulenanordnung führt zu einer Verteilung des zugehörigen Magnetischen Flusses auf ein größeres Volumen. Die Magnetische Flussdichte ist somit verringert. Die Verlustleistung in Spulenkernen von Spulenanordnungen wird durch die Steinmetzgleichung bestimmt. Die Verlustleistung ist dabei proportional zu Bm y, wobei Bm die magnetische Flussdichte und y eine Materialkonstante des Spulenkerns ist.
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Für ein typisches Ferritmaterial, zum Beispiel PC95, ist y etwa 2,84. Das heißt, die Verlustleistung ist überproportional zur Magnetischen Flussdichte und eine Verteilung eines Magnetischen Flusses eines gewissen Betrags auf ein größeres Volumen führt durch die Verringerung der maximalen Flussdichte zu einer verringerten Verlustleistung.
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Die Aufteilung der Windungen der ersten Wicklung in voneinander beabstandete Abschnitte hat ferner die Wirkung, dass entsprechende Kopplungsfaktoren reduziert sind. Dabei ist die Reduktion bei hohen Kopplungsfaktoren größer als bei geringeren Kopplungsfaktoren. Die Spanne der - je nach Ausrichtung zu einer Primärspulenanordnung eines WPT-Systems - Kopplungsfaktoren ist somit reduziert. Gleichzeitig kann ein Spulentyp mit generell höherem Kopplungsfaktor, z.B. eine Solenoid-Spule, verwendet werden.
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Insgesamt wird somit eine Spulenanordnung mit geringen Verlusten und geringerer Schwankung des Kopplungsfaktors bei dennoch hohem Wert der Kopplung erhalten.
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Jeder Abschnitt der ersten Wicklung kann dabei eine schraubenförmige erste Wicklung mit einer oder mehreren Lagen aufweisen.
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Es ist möglich, dass die Spule quasi nur aus den beabstandeten Abschnitten besteht zwischen denen keine weitere vollständige Windung - aber gegebenenfalls elektrische Verbindungen - angeordnet sind.
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Die Achse verläuft durch den Spulenkern.
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Die Abschnitte der ersten Wicklung ragen entlang der Achse über gegenüberliegenden Enden des Spulenkerns hinaus.
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Entsprechend ist es auch möglich, dass der Spulenkern ein Ferritmaterial umfasst oder aus einem Ferritmaterial besteht. Das Ferritmaterial kann aus folgenden Materialien ausgewählt sein: Ferrit N87 der TDK-Corporation ®, Ferrit N95 der TDK- Corporation ® Ferrit N97 der TDK-Corporation ®, Ferrit PC47 der TDK-Corporation ® TDK-Corporation ®, Ferrit PC95 der TDK-Corporation ®.
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Es ist möglich, dass der Spulenkern ausgewählt ist aus einem nicht beanspruchten zylinderförmigen Spulenkern, einem beanspruchten plattenförmigen Spulenkern, einem plattenförmigen Spulenkern mit einem Rechteck als Grundfläche.
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Plattenförmige Spulenkerne mit einem Rechteck als Grundfläche stellen quasi Quader mit einer Länge, einer Breite und einer Dicke dar.
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Der Spulenkern weist eine rechteckige Grundfläche mit einer Breite b und einer Länge l in Richtung der Achse auf. Der Spulenkern weist ferner eine Dicke d auf. Die Breite kann 200 mm oder mehr und 300 mm oder weniger betragen. Die Länge kann 350 mm oder mehr und 450 mm oder weniger betragen. Die Dicke kann 9 mm oder mehr und 15 mm oder weniger betragen.
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Insbesondere kann die Breite 250 mm betragen, die Länge 400 mm betragen und die Dicke 12 mm betragen.
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Die Zahl der Abschnitte kann zwei, drei, vier, fünf oder sechs oder mehr betragen.
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Insbesondere ist es möglich, dass die Zahl der Abschnitte genau zwei beträgt.
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Es ist möglich, dass zwei Abschnitte der ersten Wicklung an gegenüberliegenden Seiten des Spulenkerns angeordnet sind.
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Insbesondere ist es dabei möglich, dass zwei Abschnitte an gegenüberliegenden Seiten des Spulenkerns angeordnet sind und die beiden gegenüberliegenden Seiten mit dem größten Abstand von Seiten eines quaderförmigen Spulenkerns sind.
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Es ist möglich, dass der Abstand zwischen Abschnitten der ersten Wicklung in Einheiten der Länge l des Spulenkerns größer als 0 und kleiner als 0,9 ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Abstand in Einheiten von l 0,2 oder größer und 0,9 oder kleiner ist. Ferner ist es möglich, dass der Abstand in Einheiten von l 0,4 oder größer und 0,9 oder kleiner ist. Ferner ist es möglich, dass der Abstand in Einheiten von l 0,6 oder größer und 0,9 oder kleiner ist. Ferner ist es möglich, dass der Abstand in Einheiten von l 0,8 oder größer und 0,9 oder kleiner ist.
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Ein bevorzugter Abstand in Einheiten von l ist 0,6.
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Es ist möglich, dass ein Abschnitt eine räumliche Ausdehnung in Richtung der Wicklungsachse von 0,15 oder mehr und 0,25 oder weniger in Einheiten von l hat. Eine Ausdehnung in Richtung der Wicklungsachse kann dabei 0,2 l betragen.
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Es ist möglich, dass die Spulenanordnung ferner eine Wärmebrücke umfasst. Die Wärmebrücke kann in axialer Richtung, das heißt in einer Richtung entlang der ersten Wicklungsachse, zwischen zwei Abschnitten der ersten Wicklung und am Spulenkern angeordnet sein. Insbesondere ist es möglich, dass die Wärmebrücke zum Abführen von Wärme vom Spulenkern an eine externe Umgebung vorgesehen und geeignet ist.
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Die externe Umgebung der Spulenanordnung kann dabei eine die Spulenanordnung umgebende Atmosphäre, zum Beispiel Luft, sein.
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Ferner ist es möglich, dass die Spulenanordnung an einer Vorrichtung befestigt ist. Dann kann die Wärmebrücke dazu vorgesehen und geeignet sein, Wärme vom Spulenkern an die Vorrichtung und an die Atmosphäre abzugeben. Die Wärmebrücke kann dabei Kühlrippen aufweisen.
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Die Vorrichtung, an der die Spulenanordnung befestigt sein kann, kann dabei der Empfänger der elektrischen Energie sein, die die Spulenanordnung in Form magnetischer Energie empfängt. So kann beispielsweise ein wieder aufladbarer Energiespeicher eines Fahrzeugs oder eines anderen beweglichen Gegenstands aufgeladen werden.
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Die Spulenanordnung umfasst eine zweite Wicklung mit einem oder mehreren Abschnitten.
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Es ist möglich, dass die zweite Wicklung zwei oder mehr Abschnitte umfasst.
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Es ist möglich, dass die Abschnitte der zweite Wicklung voneinander beabstandet sind.
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Es ist möglich, dass die Abschnitte der zweite Wicklung von Abschnitten der ersten Wicklung beabstandet sind.
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Die Windungen der Abschnitte der zweiten Wicklung sind auch um die Achse der ersten Wicklung gewickelt.
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Der Spulenkern ist auch Kern für die Windungen der Abschnitte der zweiten Wicklung.
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Die Spulenanordnung umfasst ferner einen Schalter.
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Mit dem Schalter sind die Abschnitte der ersten Wicklung oder die Abschnitte der zweiten Wicklung aktivierbar.
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Alternativ sind die Abschnitte der zweiten Wicklung mit dem Schalter zwischen die Abschnitte der ersten Wicklung hinzuschaltbar.
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Das Vorhandensein der zweiten Wicklung ermöglicht es, abhängig von der Ausrichtung der Spulenanordnung - als Sekundärspulenanordnung - zu einer Primärspulenanordnung eine Auswahl der aktiven Abschnitte zu treffen, so dass Abschnitte der Spulenanordnung aktiv sind, damit der Kopplungsfaktor in einem noch engeren Bereich gehalten werden kann.
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Dadurch ist - bei dennoch relativ hohem Kopplungsfaktor - die Schwankungsbreite der Kopplung reduziert.
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Dadurch ist der Stress auf Wicklungen und Anpassnetzwerke in WPT-Systemen verringert. So kann mit einem einfach aufgebauten und einfach zu steuernden Anpassnetzwerk eine gute Übertragungseffizient erhalten werden.
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Entsprechend ist es möglich, dass die Spulenanordnung eine Sekundärspulenanordnung eines Systems zum drahtlosen Übertragen elektrischer Energie ist.
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Entsprechend kann ein System zum drahtlosen Übertragen elektrischer Energie eine Spulenanordnung wie oben beschrieben als Sekundärspulenanordnung und zusätzlich eine Primärspulenanordnung aufweisen.
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Es ist dabei möglich, dass die Primärspulenanordnung eine Doppel-D-Spulenanordnung, eine Solenoid-Spule, eine Spiral-Spule oder Zirkular-Spule, die zwei Spulenabschnitte hat, die im Gegensatz zur oben beschriebenen Sekundärspulenanordnung nicht koaxial gewickelt sind, sondern deren zwei Wicklungen nebeneinander in der gleichen Ebene angeordnet sind, umfasst.
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Zentrale Aspekte der Spulenanordnung und Details bevorzugter Ausführungsformen werden anhand der schematischen Figuren näher erläutert.
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Es zeigen dabei:
- 1 die relative Anordnung von Spulenkern und den Abschnitten in einer Draufsicht,
- 2 die Anordnung im Querschnitt,
- 3 die Verwendung einer Wärmebrücke,
- 4 die Abhängigkeit der Induktivität und der Verluste einer Spulenanordnung von der Ausdehnung eines Abschnitts in axialer Richtung,
- 5 Die Abhängigkeit der Schwankungsbreite des Kopplungsfaktors von der Breite eines Wicklungsabschnitts,
- 6 eine Spulenanordnung mit zwei Wicklungen in der Draufsicht,
- 7 eine Spulenanordnung mit zwei Wicklungen im Querschnitt,
- 8 eine mögliche Verschaltung der Abschnitte zweier Wicklungen,
- 9 eine weitere mögliche Verschaltung der Abschnitte zweier Wicklungen,
- 10 und 11 die Veränderbare Ausrichtung der Spulenanordnung relativ zu einer Primärspulenanordnung,
- 12 die resultierende, verringerte Schwankungsbreite des magnetischen Kopplungsfaktors einer Spulenanordnung mit zwei Wicklungen.
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1 zeigt die Anordnung der zwei Abschnitte A1, A2 einer Spule, deren ersten Wicklung auf zwei Abschnitte aufgeteilt ist, in Relation zum zugehörigen Spulenkern K in einer Draufsicht. Der Spulenkern K hat eine rechteckige Grundfläche mit einer Länge - in axialer Richtung x - l und einer Breite - in lateraler Richtung y - b. An den Enden des Spulenkerns K, die voneinander den größten Abstand haben, sind die beiden Abschnitte A1, A2 der ersten Wicklung angeordnet. Die Abschnitte haben dabei den Abstand d. Dabei zeigt 1 eine Form der Spulenanordnung mit genau zwei Abschnitten.
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Gestrichelt dargestellt sind die zwei Abschnitte DDC1, DDC2 einer Primärspulenanordnung in Doppel-D-Konfiguration. Die Spulenabschnitte DDC1, DDC2 der Primärspulenanordnung bilden zusammen mit den zwei Abschnitten A1, A2 und dem Spulenkern K der Spulenanordnung als Sekundärspulenanordnung die magnetisch aktiven Komponenten eines Systems zum drahtlosen Übertragen elektrischer Energie WPTS (Wireless Power Transfer System).
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Das Aufteilen der ersten Wicklung der Sekundärspulenanordnung in zwei beabstandete Abschnitte bewirkt ein Verteilen des magnetischen Flusses auf ein größeres Volumen, speziell im Spulenkern K, sodass die magnetische Flussdichte im Spulenkern K verringert ist. Aufgrund der überproportionalen Abhängigkeit von Übertragungsverlusten von der magnetischen Flussdichte ergibt sich somit eine Verringerung von Energieverlusten beziehungsweise Leistungsverlusten beim Übertragen elektrischer Energie.
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2 zeigt die Anordnung der Komponenten des Energieübertragungssystems im Querschnitt. Jeder der beiden Abschnitte A1, A2 der ersten Wicklung der Spulenanordnung hat dabei Leiterabschnitte, die in vertikaler Richtung (Z) gesehen über dem Material des Magnetkerns K angeordnet sind, und Leiterabschnitte, die unterhalb des Magnetkerns K angeordnet sind.
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In axialer Richtung (x) brauchen die Abschnitte dabei nicht bündig mit dem Magnetkern K abschließen. Es ist möglich, dass, wie beansprucht, die Abschnitte der ersten Wicklung über die jeweiligen Enden des Spulenkerns hinausragen (wie in 2 gezeigt). Es ist allerdings auch in nicht beanspruchter Weise möglich, dass der Spulenkern an den jeweiligen Enden genau bündig mit den Abschnitten abschließt.
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Es ist auch in nicht beanspruchter Weise möglich, dass der Spulenkern K jeweils über die distalen Enden der Abschnitte A1, A2 hinausragt.
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Die Pfeile illustrieren im Wesentlichen den Verlauf der Magnetfeldlinien zu einem bestimmten Zeitpunkt.
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3 zeigt die Möglichkeit, eine Wärmebrücke WB zu verwenden, um dissipierte Energie, die sich in Form von Wärme im Spulenkern K ansammelt, an eine externe Umgebung abzuführen. Die externe Umgebung kann insbesondere eine Montagebasis B einer Vorrichtung sein, an die die Spulenanordnung elektrische Energie abgibt.
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4 zeigt die Abhängigkeit der Induktivität I und der Leistungsverluste PL von der Breite b eines Wicklungsabschnitts einer Sekundärspulenanordnung eines drahtlosen Energieübertragungssystems. Während die Induktivität im Wesentlichen konstant bleibt, sinkt der Leistungsverlust mit abnehmender Breite b. Das heißt ein Aufteilen einer ersten Wicklung einer bestimmten Breite in zwei voneinander beabstandete Abschnitte mit jeweils geringerer Breite verringert die Leistungsverluste deutlich.
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5 zeigt die Abhängigkeit der Breite des Schwankungsbreite KFSB des Kopplungsfaktors von der Breite bA (d.h. der Ausdehnung in x-Richtung) eines Abschnitts einer Wicklung. Eine Verringerung der Breite geht einher mit einer Verringerung der Veränderung der Kopplung bei variierter Ausrichtung zwischen Primär- und Sekundärspulenanordnung.
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Die 6 (in der Draufsicht) und 7 (im Querschnitt) zeigen eine Spulenanordnung, die neben der ersten Wicklung mit den Abschnitten A1 und A2 auch noch die Abschnitte A21 und A22 einer zweiten Wicklung aufweist. Die Möglichkeit, per Schalter unterschiedliche Abschnitte der Wicklungen zu aktivieren, erlaubt es, den Korridor der Kopplungsfaktoren noch weiter zu verschmälern, so dass der Betrieb weiter stabilisiert werden kann.
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8 zeigt eine mögliche Verschaltung der Abschnitte der Wicklungen bei Anwendung auf der Empfängerseite eines WPT-Systems. Mittels des Schalters SW ist entweder die erste Wicklung W1 mit den Abschnitten A1 und A2 oder die zweite Wicklung mit den Abschnitten A21 und A22 aktivierbar. Die Wahl zwischen der ersten und der zweiten Wicklung kann z. B. auf der Basis der räumlichen Anordnungen der Abschnitte zur Anordnung einer Primärspule getroffen werden.
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Ein kapazitives Element CE kann als Anpasselement oder als Teil eines Anpassnetzwerks dienen. Die vier Dioden in Gleichrichteranordnung stellen dann eine Gleichspannung zur Verfügung.
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9 zeigt eine mögliche Verschaltung der Abschnitte der Wicklungen bei Anwendung auf der Empfängerseite eines WPT-Systems. Mittels des Schalters SW ist entweder ausschließlich die erste Wicklung W1 mit den Abschnitten A1 und A2 aktiv. Oder die Abschnitte A21, A22 der zweiten Wicklung sind in Serie zwischen den Abschnitten A1, A2 der ersten Wicklung verschaltet. Die Wahl zwischen der Schalterstellung kann wiederum auf der Basis der räumlichen Anordnungen der Abschnitte zur Anordnung einer Primärspule getroffen werden.
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Ein kapazitives Element CE kann als Anpasselement oder als Teil eines Anpassnetzwerks dienen. Die vier Dioden in Gleichrichteranordnung stellen dann eine Gleichspannung zur Verfügung.
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Die 10 und 11 zeigen mögliche Ausrichtungen der Spulenanordnung als Sekundärspulenanordnung eines WPT-Systems relativ zur DD-Spule mit den Spulenabschnitten DDC1, DDC2 einer Primärspulenanordnung des WPT-Systems. Dabei können die Abschnitte A1 und A2 aktive sein, wenn die Höhendifferenz zwischen Sender (Primärspule) und Empfänger (Sekundärspule) relativ gering ist. Ferner können die Abschnitte A21 und A22 aktiv sein, wenn die Höhendifferenz relativ hoch ist.
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Alternativ ist es möglich - mit mehr Schaltern -, dass die beiden Abschnitte A1 und A21 zusammen verwendet werden können oder die Abschnitte A22 und A2 zusammen verwendet werden können, je nach Ausrichtung zum Sender.
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So ist es möglich trotz einer Vielzahl unterschiedlicher - da veränderlicher - Ausrichtungen der Sekundärspulenanordnung einen guten Kopplungsfaktor in einem engen Bereich zu erhalten.
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12 zeigt entsprechend die möglichen Kopplungsfaktoren für die erste Wicklung (1) und für die zweite Wicklung (2) für verschiedene Ausrichtungen der Spulenanordnung. So kann der Kopplungsfaktor für die erste Wicklung zwischen 47% und 100% variieren. Der Kopplungsfaktor für die zweite Wicklung kann zwischen 61% und 136% variieren. Durch die Möglichkeit zur Umschaltung von Abschnitten kann für jede mögliche Ausrichtung der Sekundärspulenanordnung eine Schalterstellung gefunden werden, so dass der Kopplungsfaktor zwischen 61% und 100% liegt.
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Die Spulenanordnung ist nicht auf die in den Figuren gezeigten oder oben beschriebenen technischen Merkmale beschränkt. Die Spulenanordnung kann weitere Windungen mit weiteren Abschnitten, Schalter, Leiterabschnitte, zum Beispiel zum elektrischen Verschalten der Abschnitte, elektrische Anschlüsse zum Verschalten mit einer externen Schaltungsumgebung, weiteren Elementen zum Führen des magnetischen Flusses oder Befestigungsmöglichkeiten zur Kontaktierung aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- A1, A2
- erster, zweiter Abschnitt der ersten Wicklung der Spulenanordnung
- A21, A22
- erste, zweiter Abschnitt der zweiten Wicklung
- b
- Breite des Spulenkerns
- bA
- Breite eines Abschnitts
- B
- Basis zum Abführen von Wärmeenergie
- CE
- kapazitives Element
- d
- Abstand der Abschnitte der Wicklung
- D
- Dicke des Spulenkerns
- DDC1, DDC2
- Spulenabschnitte einer Primärspulenanordnung
- I
- Induktivität
- K
- Spulenkern
- KFSB
- Schwankungsbreite des Kopplungsfaktors
- l
- Länge des Spulenkerns
- PL
- Leistungsverlust
- W1, W2
- erste, zweite Wicklung
- WB
- Wärmebrücke
- WPTS
- System zum drahtlosen Übertragen von Energie
- x
- axiale Richtung
- y
- Transversalrichtung
- z
- vertikale Richtung