DE102019127001B9 - Magnetspule mit verringerten Verlusten und System zur drahtlosen Energieübertragung - Google Patents

Abstract

Magnetspule mit verringerten Verlusten, umfassend
- einen Spulenkern (K),
- eine Wicklung, deren Windungen um eine durch den Spulenkern (K) verlaufende Achse (x) gewickelt sind, wobei
- die Windungen auf mehrere Abschnitte (A1, A2) verteilt sind,
- die Abschnitte (A1, A2) voneinander beabstandet sind,
- der Spulenkern (K) plattenförmig ist,
- der Spulenkern (K) eine rechteckige Grundfläche mit einer Breite b mit 200 mm ≤ b ≤ 300 mm, einer Länge l in Richtung der Achse (x) mit 350 mm ≤ l ≤ 450 mm und einer Dicke d mit 9 mm ≤ d ≤ 15 mm aufweist,
- für einen Abstand d zwischen Abschnitten (A1, A2) der Wicklung gilt: 0,6 l ≤ d ≤ 0,9 l,
- jeder der Abschnitte (A1, A2) eine räumliche Ausdehnung in Richtung der Achse (x) zwischen 0,15 l und 0,25 l aufweist, und
- die Abschnitte (A1, A2) über entlang der Achse (x) gegenüberliegende Enden des Spulenkerns (K) hinausragen.

Description

• Die Erfindung betrifft Magnetspulen mit verringerten Verlusten, wie sie beispielsweise in Systemen zur drahtlosen Energieübertragung verwendet werden können und entsprechende Systeme zur drahtlosen Energieübertragung.
• Systeme zur drahtlosen Übertragung von Energie, zum Beispiel elektrischer Energie, haben üblicherweise eine Primärspule und eine Sekundärspule. Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld wird von der Primärspule emittiert und von der Sekundärspule empfangen. Die Primärspule und die Sekundärspule brauchen dabei nicht elektrisch verschaltet zu sein und können voneinander beabstandet sein.
• Dabei ist es möglich, dass eine oder mehrere der Spulen 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.
• 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.
• Aus der Druckschrift US 2009 / 0 072 628 A1 sind Antennen für drahtlose Energieübertragung bekannt, die insbesondere für Mobilgerate geeignet sind.
• Aus der Druckschrift WO 2015 / 087 138 A2 ist ein Leistungsübertragungssystem bekannt, bei dem eine Konfiguration von Sendespulen an verschiedene Primärspulen anpassbar ist.
• Die Druckschrift US 5 917 307 A beschreibt ein Gerät zur Ladung eines elektrischen Fahrzeugs über eine magnetische Kopplung.
• Aus der Druckschrift WO 2011 / 112 795 A1 ist ein System zur drahtlosen Energieübertragung über magnetische Felder bekannt.
• Eine Möglichkeit zur Verringerung der Verlustleistung besteht darin, das Volumen des Ferritkerns zu vergrößern.
• Allerdings führt 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.
• Es besteht deshalb der Wunsch nach Magnetspulen mit verringerten Verlusten. Speziell sind Magnetspulen 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 und mit verringerten Kosten bereitstellbar sind.
• Dazu wird eine Magnetspule gemäß dem unabhängigen Anspruch angegeben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
• Die Magnetspule hat einen Spulenkern und eine Wicklung. Die Windungen der Wicklung sind um eine Achse gewickelt. Die Windungen der Wicklung sind dabei auf mehrere Abschnitte verteilt und die Abschnitte der Wicklung sind voneinander beabstandet.
• Ein solches räumliches Aufteilen von Windungen der Wicklung einer Magnetspule führt zu einer Verteilung des zugehörigen Magnetischen Flusses auf ein größeres Volumen. Die Magnetische Flussdichte ist somit verringert. Die Verlustleistung in Spulenkernen von Magnetspulen wird durch die Steinmetzgleichung bestimmt. Die Verlustleistung ist dabei proportional zu B_m ^y, wobei B_m die magnetische Flussdichte und y eine Materialkonstante des Spulenkerns ist. 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.
• Jeder Abschnitt der Wicklung kann dabei eine schraubenförmige Wicklung mit einer oder mehreren Lagen aufweisen.
• 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.
• Die Achse verläuft durch den Spulenkern.
• 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 ®, Ferrit PC95 der TDK-Corporation ®.
• Es ist möglich, dass der Spulenkern ausgewählt ist aus einem zylinderförmigen Spulenkern, einem plattenförmigen Spulenkern, einem plattenförmigen Spulenkern mit einem Rechteck als Grundfläche. Anspruchsgemäß ist der Spulenkern plattenförmig.
• Plattenförmige Spulenkerne mit einem Rechteck als Grundfläche stellen quasi Quader mit einer Länge, einer Breite und einer Dicke dar. Der Spulenkern hat eine rechteckige Grundfläche mit einer Breite b und einer Länge l in Richtung der Achse. Der Spulenkern weist ferner eine Dicke d auf. Die Breite beträgt 200 mm oder mehr und 300 mm oder weniger. Die Länge beträgt 350 mm oder mehr und 450 mm oder weniger. Die Dicke beträgt 9 mm oder mehr und 15 mm oder weniger.
• Insbesondere kann die Breite 250 mm betragen, die Länge 400 mm betragen und die Dicke 12 mm betragen.
• Die Zahl der Abschnitte kann zwei, drei, vier, fünf oder sechs oder mehr betragen.
• Insbesondere ist es möglich, dass die Zahl der Abschnitte genau zwei beträgt.
• Es ist möglich, dass zwei Abschnitte der Wicklung an gegenüberliegenden Seiten des Spulenkerns angeordnet sind.
• 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.
• Es ist möglich, dass der Abstand zwischen Abschnitten der 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 l oder kleiner ist. Ferner ist es möglich, dass der Abstand in Einheiten von l 0,8 oder größer und 0,9 oder kleiner ist. Anspruchsgemäß ist der Abstand zwischen Abschnitten der Wicklung in Einheiten der Länge l des Spulenkerns größer als 0,6 und kleiner als 0,9.
• Ein bevorzugter Abstand in Einheiten von l ist 0,6.
• Jeder der Abschnitte hat eine räumliche Ausdehnung in Richtung der Wicklungsachse von 0,15 oder mehr und 0,25 oder weniger in Einheiten von l. Eine Ausdehnung in Richtung der Wicklungsachse kann dabei 0,2 l betragen.
• Die Abschnitte ragen entlang der Achse über gegenüberliegende Enden des Spulenkerns hinaus.
• Es ist möglich, dass die Magnetspule ferner eine Wärmebrücke umfasst. Die Wärmebrücke kann in axialer Richtung, das heißt in einer Richtung entlang der Wicklungsachse, zwischen zwei Abschnitten der 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.
• Die externe Umgebung der Magnetspule kann dabei eine die Magnetspule umgebende Atmosphäre, zum Beispiel Luft, sein.
• Ferner ist es möglich, dass die Magnetspule 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.
• Die Vorrichtung, an der die Magnetspule befestigt sein kann, kann dabei der Empfänger der elektrischen Energie sein, die die Magnetspule in Form magnetischer Energie empfängt. So kann beispielsweise ein wieder aufladbarer Energiespeicher eines Fahrzeugs oder eines anderen beweglichen Gegenstands aufgeladen werden.
• Entsprechend ist es möglich, dass die Magnetspule eine Sekundärspule eines Systems zum drahtlosen Übertragen elektrischer Energie ist.
• Entsprechend kann ein System zum drahtlosen Übertragen elektrischer Energie eine Magnetspule wie oben beschrieben als Sekundärspule und zusätzlich eine Primärspule aufweisen.
• Es ist dabei möglich, dass die Primärspule eine Doppel-D-Spule ist, die zwei Spulenabschnitte umfasst, die im Gegensatz zur oben beschriebenen Sekundärspule nicht koaxial gewickelt sind, sondern deren zwei Wicklungen nebeneinander in der gleichen Ebene angeordnet sind.
• Es ist alternativ möglich, dass die Primärspule eine Solenoid-Spule oder eine Spiral-Spule bzw. Zirkular-Spule umfasst.
• Zentrale Aspekte der Magnetspule und Details bevorzugter Ausführungsformen werden anhand der schematischen Figuren näher erläutert.
• 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 Spule von der Ausdehnung eines Abschnitts in axialer Richtung.
• 1 zeigt die Anordnung der zwei Abschnitte A1, A2 einer Spule, deren 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 Wicklung angeordnet. Die Abschnitte haben dabei den Abstand d. Dabei zeigt 1 eine Form der Magnetspule mit genau zwei Abschnitten.
• Gestrichelt dargestellt sind die zwei Abschnitte DDC1, DDC2 einer Primärspule in Doppel-D-Konfiguration. Die Spulenabschnitte DDC1, DDC2 der Primärspule bilden zusammen mit den zwei Abschnitten A1, A2 und dem Spulenkern K der Magnetspule als Sekundärspule die magnetisch aktiven Komponenten eines Systems zum drahtlosen Übertagen elektrischer Energie WPTS (Wireless Power Transfer System).
• Das Aufteilen der Wicklung der Sekundärspule 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.
• 2 zeigt die Anordnung der Komponenten des Energieübertragungssystems im Querschnitt. Jeder der beiden Abschnitte A1, A2 der Wicklung der Magnetspule 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.
• In axialer Richtung (x) brauchen die Abschnitte dabei nicht bündig mit dem Magnetkern K abschließen. Es ist möglich, dass die Abschnitte der Wicklung, wie beansprucht, 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. Es ist, auch in nicht beanspruchter Weise möglich dass der Spulenkern K jeweils über die distalen Enden der Abschnitte A1, A2 hinausragt.
• Die Pfeile illustrieren im Wesentlichen den Verlauf der Magnetfeldlinien zu einem bestimmten Zeitpunkt.
• 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 Magnetspule elektrische Energie abgibt.
• 4 zeigt die Abhängigkeit der Induktivität I und der Leistungsverluste PL von der Breite b eines Wicklungsabschnitts einer Sekundärspule eines drahtlosen Energieübertragungssystems. Während die Induktivität im Wesentlichen konstant bleibt, sinkt der Leistungsverlust mit abnehmender Breite b. Das heißt ein Aufteilen einer Wicklung einer bestimmten Breite in zwei voneinander beabstandete Abschnitte mit jeweils geringerer Breite verringert die Leistungsverluste deutlich.
• Die Magnetspule ist nicht auf die in den Figuren gezeigten oder oben beschriebenen technischen Merkmale beschränkt. Die Spule kann weitere Leiterabschnitte, zum Beispiel zum elektrischen Verschalten der Abschnitte, Schalter, elektrische Anschlüsse zum Verschalten mit einer externen Schaltungsumgebung, weiteren Elementen zum Führen des magnetischen Flusses oder Befestigungsmöglichkeiten zur Kontaktierung aufweisen.
• Bezugszeichenliste

A1, A2

erster, zweiter Abschnitt der Wicklung der Magnetspule

b

Breite des Spulenkerns

B

Basis zum Abführen von Wärmeenergie

d

Abstand der Abschnitte der Wicklung

D

Dicke des Spulenkerns

DDC1, DDC2

Spulenabschnitte einer Primärspule

I

Induktivität

K

Spulenkern

l

Länge des Spulenkerns

PL

Leistungsverlust

WB

Wärmebrücke

WPTS

System zum drahtlosen Übertragen von Energie

x

axiale Richtung

y

Transversalrichtung

z

vertikale Richtung

Claims (8)

1. Magnetspule mit verringerten Verlusten, umfassend - einen Spulenkern (K), - eine Wicklung, deren Windungen um eine durch den Spulenkern (K) verlaufende Achse (x) gewickelt sind, wobei - die Windungen auf mehrere Abschnitte (A1, A2) verteilt sind, - die Abschnitte (A1, A2) voneinander beabstandet sind, - der Spulenkern (K) plattenförmig ist, - der Spulenkern (K) eine rechteckige Grundfläche mit einer Breite b mit 200 mm ≤ b ≤ 300 mm, einer Länge l in Richtung der Achse (x) mit 350 mm ≤ l ≤ 450 mm und einer Dicke d mit 9 mm ≤ d ≤ 15 mm aufweist, - für einen Abstand d zwischen Abschnitten (A1, A2) der Wicklung gilt: 0,6 l ≤ d ≤ 0,9 l, - jeder der Abschnitte (A1, A2) eine räumliche Ausdehnung in Richtung der Achse (x) zwischen 0,15 l und 0,25 l aufweist, und - die Abschnitte (A1, A2) über entlang der Achse (x) gegenüberliegende Enden des Spulenkerns (K) hinausragen.
2. Magnetspule nach dem vorherigen Anspruch, die nur aus den beabstandeten Abschnitten (A1, A2) und elektrischen Verbindungen ohne vollständige Windung besteht.
3. Magnetspule nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Spulenkern (K) ein Ferritmaterial umfasst oder daraus besteht.
4. Magnetspule nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zahl der Abschnitte (A1, A2) 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr beträgt.
5. Magnetspule nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Wärmebrücke (WB), die in axialer Richtung (X) zwischen zwei Abschnitten (A1, A2) der Wicklung und am Spulenkern (K) angeordnet und zum Abführen von Wärme an eine externe Umgebung vorgesehen und geeignet ist.
6. Magnetspule nach einem der vorherigen Ansprüche, die eine Sekundärspule eines Systems (WPTS) zum drahtlosen Übertragen elektrischer Energie ist.
7. System (WPTS) zum drahtlosen Übertragen elektrischer Energie, umfassend eine Magnetspule nach einem der vorherigen Ansprüche als Sekundärspule und eine Primärspule.
8. System nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Primärspule eine Doppel-D Spule, Solenoid-Spule, eine Spiral-Spule oder Zirkular-Spule umfasst.