DE102012000906B4 - Coil arrangement for a system for inductive energy transmission - Google Patents
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Abstract
Spulenanordnung für ein System zur induktiven Energieübertragung,
wobei die Spulenanordnung eine Wicklung und einen Stapel aufweist, wobei die Wicklungsachse parallel zur Stapelrichtung ausgerichtet ist,
wobei die Wicklung eine Ringwicklung ist,
wobei der Stapel Schichten aus magnetisierbarem Material aufweist,
wobei als magnetisierbares Material eine amorphe Eisenlegierung verwendet ist, welche eine nanokristalline Struktur aufweist,
wobei die relative magnetische Permeabilität des Materials den Wert von 30 000 übersteigt,
wobei zwischen den Schichten jeweils eine Folie aus Polyethylen, Polypropylen oder Polyimid angeordnet ist,
wobei der Stapel Klebeschichten aufweist, so dass die jeweilige Folie mit den Schichten jeweils beidseitig klebeverbunden ist,
wobei das von der Wicklung erzeugte oder das die Wicklung durchdringende Magnetfeld durch eine Spulenkernanordnung zumindest teilweise geleitet wird, welche den Stapel als Joch und mittig in der Wicklung einen Ferritkern eingesetzt und an der Außenseite Ferritmaterial aufweist, wobei der Ferritkern und das weitere Ferritmaterial jeweils einen Schenkel bilden,
wobei der Ferritkern und das weitere Ferritmaterial den Stapel berühren und/oder mit diesem klebeverbunden oder mit Vergussmasse vergossen sind,
wobei der Stapel klebeverbunden auf einer Trägerplatte aus Stahl angeordnet ist.
wherein the coil arrangement comprises a winding and a stack, wherein the winding axis is aligned parallel to the stack direction,
where the winding is a ring winding,
wherein the stack comprises layers of magnetizable material,
wherein an amorphous iron alloy having a nanocrystalline structure is used as the magnetizable material,
where the relative magnetic permeability of the material exceeds 30 000,
wherein a film made of polyethylene, polypropylene or polyimide is arranged between the layers,
wherein the stack has adhesive layers so that the respective film is adhesively bonded to the layers on both sides,
wherein the magnetic field generated by the winding or penetrating the winding is at least partially guided by a coil core arrangement which uses the stack as a yoke and a ferrite core in the middle of the winding and has ferrite material on the outside, wherein the ferrite core and the further ferrite material each form a leg,
wherein the ferrite core and the further ferrite material touch the stack and/or are adhesively bonded to it or encapsulated with potting compound,
wherein the stack is adhesively bonded to a steel carrier plate.
Description
Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung für ein System zur induktiven Energieübertragung.The invention relates to a coil arrangement for a system for inductive energy transmission.
Es ist allgemein bekannt, eine Spulenwicklung um einen Spulenkern herumgewickelt vorzusehen. Hierbei wird als Material des Spulenkerns Ferrit verwendet.It is well known to provide a coil winding wound around a coil core. Ferrite is used as the material of the coil core.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Spulenanordnung für ein System zur induktiven Energieübertragung weiterzubilden, wobei eine verbesserte Effektivität bei Herstellung und Betrieb erreichbar sein soll.The invention is therefore based on the object of developing a coil arrangement for a system for inductive energy transmission, whereby improved effectiveness in production and operation can be achieved.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.According to the invention, the object is achieved according to the features specified in claim 1.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Spulenanordnung sind, dass sie für ein System zur induktiven Energieübertragung vorgesehen sind, wobei die Spulenanordnung eine Wicklung und einen Stapel aufweist, wobei die Wicklungsachse parallel zur Stapelrichtung ausgerichtet ist,
insbesondere wobei die Wicklung eine Flachwicklung und/oder konzentrische Wicklung, insbesondere Ringwicklung, ist.Important features of the invention in the coil arrangement are that they are intended for a system for inductive energy transmission, wherein the coil arrangement has a winding and a stack, wherein the winding axis is aligned parallel to the stack direction,
in particular wherein the winding is a flat winding and/or concentric winding, in particular a ring winding.
Von Vorteil ist dabei, dass der Stapel ein geringes spezifisches Gewicht aufweist. Somit sind also massereiche Ferritmaterialien einsparbar oder zumindest reduzierbar. Außerdem ist ein Stapel elastischer oder flexibler als ein einstückig aufgebautes Vollmaterial. Des Weiteren ist durch den Schichtaufbau eine hohe Magnetisierung des Materials erreichbar. Denn die Wechselwirkung der flachen Schichten untereinander ist reduziert infolge der Beabstandung. Insbesondere ist auch die quasi-ebene Anordnung der Weißschen Bezirke vorteilig, da bei einer räumlichen Anordnung Magnetfeldlinien um einige der Bezirke herum erfolgen, solange noch keine vollständige Sättigung erreicht ist.The advantage here is that the stack has a low specific weight. This means that high-mass ferrite materials can be saved or at least reduced. A stack is also more elastic or flexible than a solid material constructed in one piece. Furthermore, the layered structure enables a high level of magnetization of the material. This is because the interaction between the flat layers is reduced due to the spacing. In particular, the quasi-planar arrangement of the Weiss domains is advantageous because, in a spatial arrangement, magnetic field lines occur around some of the domains as long as complete saturation has not yet been reached.
Vorteiligerweise ist die erfindungsgemäße Spulenanordnung bei einem System zur induktiven Energieübertragung anwendbar.Advantageously, the coil arrangement according to the invention can be used in a system for inductive energy transmission.
Vorteil der Erfindung ist also auch, dass eine verbesserte Effektivität bei der Fertigung erreichbar ist, indem der erfindungsgemäße Folienstapel aufwendig zu fertigende Ferritteile ersetzt. Außerdem ist der Stapel insgesamt weniger spröde als das Ferritmaterial und ist sogar aufschwingende Oberflächen aufbringbar und/oder auf diesen betreibbar.The advantage of the invention is also that improved efficiency can be achieved in production by replacing the foil stack according to the invention with ferrite parts that are difficult to manufacture. In addition, the stack is overall less brittle than the ferrite material and can even be applied to and/or operated on vibrating surfaces.
Außerdem ist Herstellung vereinfacht, weil einfache Klebeverfahrensschritte ausreichen zum Herstellen der Verbindungen. Zur Erreichung höherer Steifigkeit ist das Aufkleben auf ein Trägerteil ausführbar.In addition, production is simplified because simple bonding steps are sufficient to create the connections. To achieve greater rigidity, the parts can be bonded to a carrier part.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wicklung mittels Leiterbahnen einer mehrlagigen Leiterplatte ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Fertigung, insbesondere Massen-Fertigung, ermöglicht ist.In an advantageous embodiment, the winding is carried out using conductor tracks of a multilayer printed circuit board. The advantage here is that simple production, especially mass production, is possible.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wicklung rechteckförmig, quadratförmig oder kreisförmig ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Wicklungsform an die jeweiligen begrenzenden Teile anpassbar ist. Außerdem ist eine optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche erreichbar.In an advantageous embodiment, the winding is rectangular, square or circular. The advantage here is that the winding shape can be adapted to the respective limiting parts. In addition, optimal use of the available area can be achieved.
Erfindungsgemäß weist der Stapel Schichten aus magnetisierbarem Material auf. Von Vorteil ist dabei, dass die Schichten dünn ausführbar sind und somit der Stapel eine geringe Masse aufweist. Zwischen den Schichten ist Material mit geringem spezifischem Gewicht einsetzbar, insbesondere Kunststoff, so dass der Stapel flexibel adaptierbar ist an ein Trägerteil oder an jeweils verschiedene andere Anbauteile. Insbesondere ist der Stapel sogar an eine zeitlich veränderliche Oberfläche verbindbar, beispielsweise eine Oberfläche eines Teils, welches Biegeschwingungen ausgesetzt ist. Der Stapel ist an das Teil, insbesondere Trägerteil, klebeverbindbar.According to the invention, the stack has layers of magnetizable material. The advantage here is that the layers can be made thin and thus the stack has a low mass. Material with a low specific weight can be used between the layers, in particular plastic, so that the stack can be flexibly adapted to a carrier part or to various other attachments. In particular, the stack can even be connected to a surface that changes over time, for example a surface of a part that is subject to bending vibrations. The stack can be adhesively connected to the part, in particular the carrier part.
Erfindungsgemäß ist als magnetisierbares Material eine amorphe Eisenlegierung verwendet ist, insbesondere welche eine nanokristalline Struktur aufweist,
insbesondere wobei die relative magnetische Permeabilität des Materials den Wert von 30 000 übersteigt, insbesondere einen Wert zwischen 50 000 und 200 000 aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass eine hohe Permeabilität zur Verfügung steht bei gleichzeitig geringer Masse des Materials. Die Sättigungsfeldstärke des Materials übersteigt 1 T, also ein Tesla. Vorzugsweise übersteigt sie sogar 1,1 T. Auf diese Weise sind starke Magnetfelder bei dem induktiven Übertrager einsetzbar.According to the invention, an amorphous iron alloy is used as the magnetizable material, in particular which has a nanocrystalline structure,
in particular, the relative magnetic permeability of the material exceeds the value of 30,000, in particular has a value between 50,000 and 200,000. The advantage here is that a high permeability is available while the mass of the material is low. The saturation field strength of the material exceeds 1 T, i.e. one Tesla. Preferably, it even exceeds 1.1 T. In this way, strong magnetic fields can be used in the inductive transformer.
Erfindungsgemäß ist zwischen den Schichten jeweils eine Folie aus Polyethylen, Polypropylen oder Polyimid angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass kostengünstige einfach herstellbare Folien verwendbar sind und somit die das magnetisierbare Material, insbesondere also ferromagnetisches Material, vor Umwelteinflüssen schützbar ist. Insbesondere ist somit auch die Korrosion vermindert oder verhindert.According to the invention, a film made of polyethylene, polypropylene or polyimide is arranged between the layers. The advantage here is that inexpensive, easy-to-produce films can be used and thus the magnetizable material, in particular ferromagnetic material, can be protected from environmental influences. In particular, corrosion is thus reduced or prevented.
Erfindungsgemäß weist der Stapel Klebeschichten auf, so dass die Folie mit den Schichten jeweils klebeverbunden ist, insbesondere beidseitig klebeverbunden. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Fertigung des Stapels in einer Maschine ausführbar ist, bei der die Folien von einer Rolle abgerollt und somit der Schichtaufbau mit den Schichten in einfacher Weise ausführbar ist.According to the invention, the stack has adhesive layers so that the film is adhesively bonded to the layers, in particular adhesively bonded on both sides. The advantage here is that the stack can be easily manufactured in a machine in which the films are unrolled from a roll and the layer structure with the layers can thus be carried out in a simple manner.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jede Schicht eine in Stapelrichtung gemessene Schichtdicke zwischen 1 µm und 150 µm auf, insbesondere eine Schichtdicke zwischen 15µm und 50µm. Von Vorteil ist dabei, dass im Wesentlichen die Weißschen Bezirke nebeneinander in einer ebenen Anordnung anordenbar sind. Weiter vorteilig ist, dass der Eintritt und Austritt der Feldlinien senkrecht zur Oberfläche erfolgen kann und Abweichungen vom Idealverlauf verhinderbar sind, also Volumeneffekte reduzierbar sind. Denn im Gegensatz zur Erfindung treten die Feldlinien bei Verwendung eines Ferritmaterials hoher Wandstärke nicht ideal geradlinig hindurch. Bei den erfindungsgemäß dünnen Schichten sowie der hohen Permeabilität treten die Magnetfeldlinien im Wesentlichen geradlinig parallel zur Stapelrichtung durch die Schichten hindurch. Außerdem tritt bei hoher Magnetfeldstärke die Sättigung wohldefiniert ein. Im Gegensatz hierzu tritt die Sättigung bei einem massiven Vollkörper in unvorhersehbarer Weise ein.In an advantageous embodiment, each layer has a layer thickness measured in the stacking direction of between 1 µm and 150 µm, in particular a layer thickness of between 15 µm and 50 µm. The advantage here is that the Weiss domains can essentially be arranged next to one another in a flat arrangement. Another advantage is that the field lines can enter and exit perpendicular to the surface and deviations from the ideal course can be prevented, i.e. volume effects can be reduced. In contrast to the invention, the field lines do not pass through in an ideal straight line when using a ferrite material with a high wall thickness. With the thin layers according to the invention and the high permeability, the magnetic field lines pass through the layers essentially in a straight line parallel to the stacking direction. In addition, saturation occurs in a well-defined manner at high magnetic field strength. In contrast, saturation occurs in an unpredictable manner with a solid body.
Erfindungsgemäß wird das von der Wicklung erzeugte oder das die Wicklung durchdringende Magnetfeld durch eine Spulenkernanordnung zumindest teilweise geleitet, welche den Stapel, insbesondere als Joch, und ein oder mehrere Ferritteile, insbesondere als inneren beziehungsweise äußeren Schenkel der Spulenkernanordnung, aufweist, insbesondere wobei, dass oder die Ferritteile den Stapel berühren und/oder mit diesem klebeverbunden oder mit Vergussmasse vergossen sind. Von Vorteil ist dabei, dass senkrecht zum Stapel, also in Stapelrichtung, Ferritteile zusätzlich zur Feldlenkung verwendbar sind, welche in Wirkverbindung treten mit dem Stapel. Nicht erfindungsgemäß sind statt der Ferritteile zum erstgenannten Stapel gleichartig aufgebaute Stapel verwendbar, die geometrisch derart begrenzt sind, dass sie als Joch oder Schenkel verwendbar sind.According to the invention, the magnetic field generated by the winding or penetrating the winding is at least partially guided by a coil core arrangement which has the stack, in particular as a yoke, and one or more ferrite parts, in particular as inner or outer legs of the coil core arrangement, in particular wherein the ferrite part or parts touch the stack and/or are adhesively bonded to it or cast with casting compound. The advantage here is that ferrite parts can be used perpendicular to the stack, i.e. in the stacking direction, in addition to directing the field, which come into operative connection with the stack. Not according to the invention, instead of the ferrite parts, stacks constructed in a similar way to the first-mentioned stack can be used, which are geometrically limited in such a way that they can be used as a yoke or leg.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wicklung mittels Vergussmasse vergossen, insbesondere wobei der Stapel stoffschlüssig mit der Vergussmasse verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine mechanische Stabilisierung erreichbar ist, wobei gleichzeitig eine verbesserte Wärmeableitung erreichbar ist, indem gut wärmeleitende Vergussmasse verwendet wird.In an advantageous embodiment, the winding is cast using a casting compound, in particular the stack is firmly bonded to the casting compound. The advantage here is that mechanical stabilization can be achieved, while at the same time improved heat dissipation can be achieved by using a casting compound that conducts heat well.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.Further advantages arise from the subclaims. The invention is not limited to the combination of features in the claims. The person skilled in the art will recognize further useful combination options of claims and/or individual claim features and/or features of the description and/or the figures, in particular from the task and/or the task arising from comparison with the prior art.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der
1 ist ein schematischer Aufbau eines Ausführungsbeispiels gezeigt.
- In the
1 a schematic structure of an embodiment is shown.
Hierbei ist eine als Flachwicklung ausgeführte Wicklung 2 auf einem Stapel 1, insbesondere Folienstapel, angeordnet. Die Stapelrichtung des Stapels 1 ist parallel zur Wicklungsachse der Wicklung 2 ausgebildet.Here, a winding 2 designed as a flat winding is arranged on a stack 1, in particular a foil stack. The stacking direction of the stack 1 is parallel to the winding axis of the winding 2.
Der Stapel weist in Stapelrichtung hintereinander angeordnete Schichten auf. Hierbei sind die Schichten aus magnetisierbarem Material, insbesondere ferromagnetischem Material, eingesetzt. Jede Schicht weist eine in Stapelrichtung gemessene Schichtdicke zwischen 1 µm und 150 µm auf, insbesondere zwischen 15µm und 50µm. Als Material ist eine amorphe Eisenlegierung verwendet, welches nanokristallin ist. Die relative magnetische Permeabilität übersteigt den Wert von 30 000 und liegt vorzugsweise zwischen 50 000 und 200 000.The stack has layers arranged one behind the other in the stacking direction. The layers are made of magnetizable material, in particular ferromagnetic material. Each layer has a layer thickness measured in the stacking direction of between 1 µm and 150 µm, in particular between 15 µm and 50 µm. The material used is an amorphous iron alloy, which is nanocrystalline. The relative magnetic permeability exceeds the value of 30,000 and is preferably between 50,000 and 200,000.
In Stapelrichtung ist vor und hinter jeder dieser Schichten jeweils eine Polyethylen-Folie angeordnet. Zwischen der jeweiligen Schicht und einer jeweiligen Polyethylen-Folie ist jeweils eine Kleber-Schicht angeordnet. Somit sind die Schichten miteinander jeweils klebeverbunden.In the stacking direction, a polyethylene film is arranged in front of and behind each of these layers. An adhesive layer is arranged between each layer and each polyethylene film. The layers are thus adhesively bonded to one another.
Der Stapel weist insgesamt eine in Stapelrichtung gemessene Dicke zwischen 1 mm und 50 mm auf. Die Anzahl der parallel angeordneten Schichten hängt dabei von der Dicke des gesamten Stapels ab. Vorzugsweise sind die Schichtdicken aller Schichten aus magnetisierbarem Material gleich. Auch die Klebeschichten und Folien sind jeweils mit gleicher Dicke in Stapelrichtung ausgeführt.The stack has a total thickness of between 1 mm and 50 mm measured in the stacking direction. The number of parallel layers depends on the thickness of the entire stack. Preferably, the layer thicknesses of all layers made of magnetizable material are the same. The adhesive layers and films are also each made with the same thickness in the stacking direction.
Das von der Wicklung 2 erzeugte Magnetfeld dringt in Stapelrichtung in den Stapel ein und wird dort entlang der Schichten geleitet bis zum Austritt aus dem Stapel entgegen der Stapelrichtung außerhalb der Wicklung 2.The magnetic field generated by winding 2 penetrates into the stack in the stacking direction and is guided along the layers until it exits the stack against the stacking direction outside winding 2.
Zwar weist die Wicklung 2 keinen Spulenkern auf, jedoch wird zumindest im Bereich des Stapels der magnetische Widerstand reduziert. Ferritmaterial ist in diesem Bereich somit verzichtbar.Although winding 2 does not have a coil core, the magnetic resistance is reduced at least in the area of the stack. Ferrite material is therefore not required in this area.
Statt Polyethylen ist in weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen auch Polyimid oder Polypropylen verwendbar.Instead of polyethylene, polyimide or polypropylene can also be used in further embodiments according to the invention.
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird mittig in der Wicklung ein Ferritkern eingesetzt und auch an der Außenseite Ferritmaterial angebracht. Auf diese Weise ist zusammen mit dem Stapel ein E-förmiger Spulenkern bildbar. Dabei bildet also der Stapel, das Joch und der Ferritkern und das weitere Ferritmaterial jeweils einen Schenkel. Bei rotationssymmetrischer Ausführung umgibt, dass Ferritmaterial die Wicklung an ihrer Außenseite als Hohlzylinder.In an embodiment according to the invention, a ferrite core is inserted in the middle of the winding and ferrite material is also attached to the outside. In this way, an E-shaped coil core can be formed together with the stack. The stack, the yoke and the ferrite core and the additional ferrite material each form a leg. In a rotationally symmetrical design, the ferrite material surrounds the winding on its outside as a hollow cylinder.
Der Stapel weist wegen seiner großen magnetischen relativen Permeabilität auch eine gute Abschirmwirkung auf. Dies bedeutet, dass auf der von der Wicklung 2 abgewandten Seite des Stapels im Wesentlichen kein Magnetfeld feststellbar ist.The stack also has a good shielding effect due to its high relative magnetic permeability. This means that essentially no magnetic field can be detected on the side of the stack facing away from winding 2.
Zur Erhöhung der Steifigkeit ist der Stapel auf einem Trägerteil, insbesondere Trägerplatte angeordnet, insbesondere klebeverbunden. Dieses Trägerteil ist vorzugsweise aus Metall, so dass eine hohe Festigkeit und gute Wärmeleitfähigkeit erreichbar ist und der Stapel somit effektiv entwärmbar ist. Als Metall eignet sich besonders Aluminium oder auch Stahl.To increase rigidity, the stack is arranged on a carrier part, in particular a carrier plate, in particular adhesively bonded. This carrier part is preferably made of metal so that high strength and good thermal conductivity can be achieved and the stack can thus be effectively cooled. Aluminum or steel are particularly suitable metals.
Die Wicklung 2 ist mit Vergussmasse vergossen, wobei die Vergussmasse auch den Stapel stoffschlüssig anbindet.Winding 2 is cast with potting compound, whereby the potting compound also bonds the stack in a material-tight manner.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden statt der Polyethylen-Folien Folien aus PET verwendet.In another embodiment, PET films are used instead of polyethylene films.
Die Wicklung 2 ist beispielhaft als Wicklung eines induktiven Übertragers verwendbar, insbesondere als Sekundärwicklung. Der Primärleiter ist als langgestreckter Leiter ausführbar, wobei die Sekundärwicklung samt Trägerteil an einer entlang dem Primärleiter bewegbaren Vorrichtung, insbesondere Schienen-geführtes Fahrzeug befestigt ist.The winding 2 can be used, for example, as a winding of an inductive transformer, in particular as a secondary winding. The primary conductor can be designed as an elongated conductor, wherein the secondary winding together with the carrier part is attached to a device that can be moved along the primary conductor, in particular a rail-guided vehicle.
Alternativ ist der Primärleiter als Ringwicklung oder andere Flachwicklung ausführbar. In jedem Fall ist die Wicklung 2 als Sekundärwicklung induktiv gekoppelt an den Primärleiter.Alternatively, the primary conductor can be designed as a ring winding or other flat winding. In any case, winding 2 is inductively coupled to the primary conductor as a secondary winding.
Vorzugsweise weist der Primärleiter bei Ausführung als Ringwicklung oder Flachwicklung auf der von der Wicklung 2 und dem Stapel 1 abgewandten Seite ebenfalls einen Stapel auf, der in gleicher Weise aufgebaut ist wie der der Wicklung 2 zugeordnete Stapel 1.Preferably, when designed as a ring winding or flat winding, the primary conductor also has a stack on the side facing away from the winding 2 and the stack 1, which is constructed in the same way as the stack 1 associated with the winding 2.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist statt der in
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- 22
- Wicklungwinding
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| WO2013107620A1 (en) | 2013-07-25 |
| DE102012000906A1 (en) | 2013-07-25 |
| EP2805341A1 (en) | 2014-11-26 |
| EP2805341B1 (en) | 2020-09-02 |
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