DE102023200929A1 - Coil structure for inductive energy transfer - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Spulenaufbau für die drahtlose Energieübertragung angegeben, der
eine Bodenplatte umfasst, die eine Anordnung mit einem flächigen Magnetkernmaterial trägt, und der weiterhin eine auf der Anordnung mit Magnetkernmaterial angeordnete ebene Wicklung eines elektrischen Leiters umfasst, der eine oder mehrere Adern umfasst, wobei der elektrische Leiter ein die Adern umgebendes Material aufweist, das bei Raumtemperatur starr und bei einer oberhalb der Raumtemperatur liegenden zweiten Temperatur erweicht ist, wobei der Spulenaufbau ferner eine die ebene Wicklung umgebende Vergussmasse aufweist.
A coil structure for wireless energy transmission is specified, which
a base plate which supports an arrangement with a flat magnetic core material, and which further comprises a flat winding of an electrical conductor which comprises one or more wires and is arranged on the arrangement with magnetic core material, the electrical conductor comprising a material surrounding the wires which is rigid at room temperature and softened at a second temperature above room temperature, the coil structure further comprising a potting compound surrounding the flat winding.
Description
Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten Begriffes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder anderer Geschlechteridentität mit umfasst.Regardless of the grammatical gender of a particular term, persons with male, female or other gender identity are included.
Die Erfindung betrifft einen Spulenaufbau für die induktive Energieübertragung, der eine ebene Spule aus einem elektrischen Leiter umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Spulenaufbaus.The invention relates to a coil structure for inductive energy transmission, which comprises a flat coil made of an electrical conductor. The invention further relates to a method for producing such a coil structure.
Für die Wiederaufladung der Akkumulatoren von elektrisch betriebenen Fahrzeugen, allgemein als Batterien bezeichnet, gibt es zwei konträre Systeme: kabelgebundene Aufladung und drahtlose Aufladung.There are two opposing systems for recharging the accumulators of electric vehicles, commonly referred to as batteries: wired charging and wireless charging.
Bei der kabelgebundenen Aufladung wird ein Ladekabel in eine entsprechende Buchse am Fahrzeug eingesteckt und die elektrische Energie kabelgebunden übertragen. Bei der drahtlosen Aufladung, auch als WPT für „wireless power transfer“ bekannt, wird die elektrische Energie induktiv, also über magnetische Felder übertragen. Es ist noch nicht absehbar, welches Ladesystem sich durchsetzen wird oder ob langfristig beide Ladesysteme nebeneinander existieren werden.With wired charging, a charging cable is plugged into a corresponding socket on the vehicle and the electrical energy is transferred via cable. With wireless charging, also known as WPT for "wireless power transfer", the electrical energy is transferred inductively, i.e. via magnetic fields. It is not yet clear which charging system will prevail or whether both charging systems will exist side by side in the long term.
Systeme für das drahtlose Laden haben üblicherweise ein Spulensystem, das zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds verwendet wird. Das Spulensystem wird dafür von einem Wechselrichter gespeist. Es ist in etwa zentral im oder am Boden eines Ladestellplatzes angeordnet, so dass ein zu ladendes Fahrzeug in normaler Weise auf dem Ladestellplatz parken kann. Das Fahrzeug weist eine passende Empfangs-Spulenanordnung in seinem Unterboden auf, mit dem die elektrische Energie aus dem Magnetfeld aufgenommen werden kann.Wireless charging systems typically have a coil system that is used to generate an alternating magnetic field. The coil system is powered by an inverter. It is located roughly centrally in or on the floor of a charging bay so that a vehicle to be charged can park in the charging bay in the normal way. The vehicle has a suitable receiving coil arrangement in its underbody with which the electrical energy from the magnetic field can be absorbed.
In Bodenspulen-Einheiten für die induktive Energieübertragung werden typischerweise planare Spulen eingesetzt. Auf einer Bodenplatte wird dabei beispielsweise ein Magnetkernmaterial wie Ferrit angeordnet. Auf dieses wiederum wird eine Halterung (Litzenhalter) angeordnet. Die Halterung wird aufgrund der magnetischen Felder typischerweise aus nicht elektrisch leitfähigen Kunststoffen aufgebaut. Diese wiederum weisen eine geringe thermische Leitfähigkeit auf, wodurch die Entwärmung des Spulenaufbaus nachteilig erschwert wird.Planar coils are typically used in base coil units for inductive energy transmission. A magnetic core material such as ferrite is arranged on a base plate. A holder (strand holder) is then arranged on top of this. Due to the magnetic fields, the holder is typically made of non-electrically conductive plastics. These in turn have a low thermal conductivity, which makes it difficult to dissipate heat from the coil structure.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Spulenaufbau anzugeben, der die eingangs genannten Nachteile vermindert. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Spulenaufbaus anzugeben.It is the object of the invention to provide a coil structure which reduces the disadvantages mentioned at the outset. A further object is to provide a method for producing such a coil structure.
Diese Aufgabe wird durch einen Spulenaufbau mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Eine weitere Lösung besteht in dem Verfahren zur Herstellung des Spulenaufbaus mit den Merkmalen von Anspruch 10.This object is achieved by a coil structure having the features specified in claim 1. A further solution consists in the method for producing the coil structure having the features of
Der erfindungsgemäße Spulenaufbau für die drahtlose Energieübertragung umfasst eine Bodenplatte, die eine Anordnung mit einem Magnetkernmaterial trägt. Er umfasst weiterhin eine auf der Anordnung mit Magnetkernmaterial angeordnete ebene Wicklung eines elektrischen Leiters, der eine oder mehrere Adern umfasst.The coil structure according to the invention for wireless energy transmission comprises a base plate which carries an arrangement with a magnetic core material. It further comprises a flat winding of an electrical conductor which comprises one or more wires and is arranged on the arrangement with magnetic core material.
Der elektrische Leiter umfasst ein die Adern umgebendes Material, das bei einer oberhalb der Raumtemperatur und unterhalb von 200 °C liegenden zweiten Temperatur erweicht ist. Schließlich umfasst der Spulenaufbau eine die ebene Wicklung umgebenden Vergussmasse.The electrical conductor comprises a material surrounding the wires that is softened at a second temperature above room temperature and below 200 °C. Finally, the coil structure comprises a potting compound surrounding the flat winding.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Spulenaufbaus für die drahtlose Energieübertragung wird ein Gehäuse mit einer Bodenplatte bereitgestellt,
ein Magnetkernmaterial in das Gehäuse eingebracht und ein elektrischer Leiter bereitgestellt.In the method according to the invention for producing a coil structure for wireless energy transmission, a housing with a base plate is provided,
a magnetic core material is introduced into the housing and an electrical conductor is provided.
Weiterhin wird der elektrische Leiter erwärmt, wodurch ein die Adern umgebendes Material erweicht wird, der Leiter zu einer ebenen Spule geformt und der Leiter abgekühlt, wodurch das Material erstarrt, sodass die ebene Spule selbsttragend wird.Furthermore, the electrical conductor is heated, which softens a material surrounding the wires, the conductor is formed into a flat coil, and the conductor is cooled, which solidifies the material so that the flat coil becomes self-supporting.
Schließlich wird die ebene Spule in das Gehäuse eingebracht und ein Vergussmaterial in das Gehäuse eingebracht und gehärtet.Finally, the flat coil is inserted into the housing and a potting material is inserted into the housing and hardened.
Das Material ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass es nach einer Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur, insbesondere zwischen 100 °C und 200 °C und einer nachfolgenden Abkühlung zurück auf Raumtemperatur erstarrt und formstabil wird. Bei dem Material handelt es sich insbesondere um einen Backlack.The material is preferably designed in such a way that after heating to a temperature above room temperature, in particular between 100 °C and 200 °C and subsequent cooling back to room temperature, it solidifies and becomes dimensionally stable. The material is in particular a baking varnish.
Vorteilhaft entfällt bei der erfindungsgemäßen Lösung ein Träger, der den elektrischen Leiter, beispielsweise eine Hochfrequenzlitze, trägt, in Form hält und mechanisch schützt. Dadurch wird der Aufbau einfacher und kostengünstiger. Weiterhin ist die thermische Anbindung einer Vergussmasse an den elektrischen Leiter besser als die thermische Anbindung eines Trägers bekannter Art, da die Vergussmasse den elektrischen Leiter zu allen Seiten gleichartig materialschlüssig umgibt. Dadurch wird die Entwärmung des elektrischen Leiters verbessert.The solution according to the invention advantageously eliminates the need for a carrier that carries the electrical conductor, for example a high-frequency strand, keeps it in shape and protects it mechanically. This makes the structure simpler and more cost-effective. Furthermore, the thermal connection of a casting compound to the electrical conductor is better than the thermal connection of a carrier of a known type, since the casting compound surrounds the electrical conductor on all sides in a materially bonded manner. This improves the heat dissipation of the electrical conductor.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Spulenaufbaus gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform der unabhängigen Ansprüche mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wicklungsdraht eine Litze. Die Litze ist insbesondere als Bündel von gegeneinander elektrisch isolierten Einzeldrähten ausgeführt. Die Litze kann Rundlitze sein, bei der das Bündel einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweist. Diese Litze ist vorteilhaft eine einfache und kostengünstige Form von Wicklungsdraht.
- In an advantageous embodiment, the winding wire is a stranded wire. The stranded wire is designed in particular as a bundle of individual wires that are electrically insulated from one another. The stranded wire can be a round stranded wire, in which the bundle has a substantially round cross-section. This stranded wire is advantageously a simple and cost-effective form of winding wire.
Der Wicklungsdraht besteht dabei besonders bevorzugt aus einem Bündel elektrisch gegeneinander isolierter Einzeldrähte, ist also eine Hochfrequenz-Litze. Die Hochfrequenz-Litze kann dabei wenigstens 500 Einzeladern umfassen, insbesondere wenigstens 2000 oder wenigstens 4000 Einzeladern. Die Einzeldrahtdurchmesser der Hochfrequenz-Litze können dabei höchstens 0.1 mm, insbesondere höchstens 0.05 mm betragen. Die im Bereich des Ladens von elektrischen Fahrzeugen vorliegenden und entstehenden industriellen Normen sehen einen Betrieb bei Frequenzen im Bereich zwischen 50 kHz und 100 kHz vor. Bei solchen Frequenzen ist die Verwendung von Hochfrequenzlitze besonders vorteilhaft, da diese dünne Einzelleiter aufweist, mit denen geringere Leitungsverluste erreichbar sind als mit anderen Leitertypen.The winding wire particularly preferably consists of a bundle of individual wires that are electrically insulated from one another, i.e. it is a high-frequency stranded wire. The high-frequency stranded wire can comprise at least 500 individual wires, in particular at least 2000 or at least 4000 individual wires. The individual wire diameters of the high-frequency stranded wire can be at most 0.1 mm, in particular at most 0.05 mm. The existing and emerging industrial standards in the field of charging electric vehicles provide for operation at frequencies in the range between 50 kHz and 100 kHz. At such frequencies, the use of high-frequency stranded wire is particularly advantageous because it has thin individual conductors with which lower line losses can be achieved than with other conductor types.
Die Vergussmasse kann ein Epoxidharz sein. Diese sind einfach zu verarbeiten und weithin verfügbar. Die Eigenschaften sind dabei durch die Wahl des Materials vorteilhaft einstellbar.The casting compound can be an epoxy resin. These are easy to process and widely available. The properties can be advantageously adjusted by choosing the material.
Die Vergussmasse kann beispielsweise so gewählt werden, dass sie eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 1 W/mK aufweist. Diese thermische Leitfähigkeit ist deutlich höher als die etwa 0,3 W/mK eines typischen Kunststoffs wie POM (Polyoxymethylene), aus dem der Litzenträger gefertigt wird. Dadurch wird die Entwärmung der Spule deutlich verbessert gegenüber Lösungen, bei denen die Spule in einem Litzenträger angeordnet ist.The potting compound can, for example, be selected so that it has a thermal conductivity of at least 1 W/mK. This thermal conductivity is significantly higher than the approximately 0.3 W/mK of a typical plastic such as POM (polyoxymethylene), from which the strand carrier is made. This significantly improves the heat dissipation of the coil compared to solutions in which the coil is arranged in a strand carrier.
Die Vergussmasse kann zusätzlich zum elektrischen Leiter auch das Magnetkernmaterial umschließen. Mit anderen Worten sind in diesem Fall der elektrische Leiter und das Magnetkernmaterial gemeinsam vergossen. Dadurch wird auch die Entwärmung des Magnetkernmaterials verbessert, da dieses ebenfalls materialschlüssig von der Vergussmasse umgeben ist. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Vergussmasse im flüssigen Zustand eine ausreichend geringe Viskosität von weniger als 1000 mPas, insbesondere weniger als 100 mPas aufweist, um das Magnetkernmaterial ausreichend gut umfließen zu können.In addition to the electrical conductor, the potting compound can also enclose the magnetic core material. In other words, in this case the electrical conductor and the magnetic core material are potted together. This also improves the cooling of the magnetic core material, as it is also surrounded by the potting compound in a material-locking manner. It is useful if the potting compound has a sufficiently low viscosity of less than 1000 mPas, in particular less than 100 mPas, in the liquid state in order to be able to flow around the magnetic core material sufficiently well.
Die Bodenplatte kann einen Rahmen umfassen, in den das Magnetkernmaterial und der elektrische Leiter eingelegt wird und der so gestaltet ist, dass die Vergussmasse den elektrischen Leiter umschließend eingefüllt werden kann. Ein solcher Rahmen als fester Bestandteil der Bodenplatte vereinfacht die Herstellung des Spulenaufbaus.The base plate can comprise a frame into which the magnetic core material and the electrical conductor are placed and which is designed in such a way that the potting compound can be filled in so as to enclose the electrical conductor. Such a frame as an integral part of the base plate simplifies the manufacture of the coil structure.
Das Material, insbesondere der Backlack, kann durch äußere Erwärmung, insbesondere in einem Autoklav, erwärmt werden. In diesem Fall ist die Erwärmung gleichmäßig. Alternativ kann das Material durch Bestromung des elektrischen Leiters erwärmt werden.The material, especially the baking varnish, can be heated by external heating, especially in an autoclave. In this case, the heating is uniform. Alternatively, the material can be heated by applying current to the electrical conductor.
Wird eine Bodenplatte mit einem Rahmen verwendet, kann die Vergussmasse eingegossen werden und wird beim Einfüllen vom Rahmen begrenzt. Alternativ kann die Vergussmasse durch den Rahmen, also von der Seite, injiziert werden.If a base plate with a frame is used, the casting compound can be poured in and is limited by the frame when it is filled in. Alternatively, the casting compound can be injected through the frame, i.e. from the side.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Bodenspulen-Einheit mit einer flachen Spule als Explosionsgrafik -
2 ein Herstellungsverfahren für die Bodenspulen-Einheit
-
1 a ground coil unit with a flat coil as exploded view -
2 a manufacturing process for the ground coil unit
Die drahtlose Übertragung passiert dabei induktiv mittels eines Magnetfelds, das durch eine Spule 11 erzeugt wird. Die Spule 11 ist aus einer Hochfrequenzlitze geformt. Die Hochfrequenzlitze weist in diesem Beispiel 2000 Einzeladern mit einem Einzeldrahtdurchmesser von 0.05 mm auf.The wireless transmission occurs inductively by means of a magnetic field that is generated by a coil 11. The coil 11 is formed from a high-frequency strand. In this example, the high-frequency strand has 2000 individual wires with an individual wire diameter of 0.05 mm.
Die Spule 11 ist, wie in
Als Basis und Träger für den Aufbau der Bodenspulen-Einheit 10 dient eine Bodenplatte 12. Die Bodenplatte 12 ist in diesem Beispiel aus Plexiglas und umfasst einen Rahmen, der die weiteren Elemente umschließt, die auf die Bodenplatte 12 aufgebracht werden. Auf die Bodenplatte 12 in den Rahmen wird eine Ferritschicht 13 eingelegt. Die Ferritschicht 13 kann einzelne Ferritplatten aufweisen, also mit anderen Worten unterteilt sein.A
Auf der Ferritschicht 13 wird die Spule 11 angeordnet. Während in bekannten Anordnungen dieses Typs ein Litzenträger aus Kunststoff verwendet wird, um die empfindliche Litze zu tragen und in ihrer Form zu halten, wird in diesem Ausführungsbeispiel eine Hochfrequenz-Litze verwendet, bei der die Einzeldrähte mit einem Backlack ummantelt sind.The coil 11 is arranged on the
Die beispielhaften Schritte, die zur Herstellung der Bodenspulen-Einheit 10 dienen, sind in
In einem ersten Schritt 21 wird die Bodenplatte 12 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 22 wird die Ferritschicht 13 in die Bodenplatte 12 eingelegt.In a
In einem dritten Schritt 23 wird die Hochfrequenz-Litze mit dem Backlack bereitgestellt. Diese wird in einem vierten Schritt 24 in einen Formkörper eingelegt, damit sie die Form der Spule annimmt.In a
In einem fünften Schritt 25 findet eine Erwärmung auf beispielsweise 150 °C statt, durch die der Backlack weich wird. Das Erhitzen kann beispielsweise in einem Autoklav erfolgen oder anderweitig durch externes Erhitzen.In a
In einem sechsten Schritt 26 findet eine kontrollierte und langsame Abkühlung statt, nach der die sich ergebende Spule 11 aus der Hochfrequenz-Litze selbsttragend und formstabil ist und aus dem Formkörper entnommen werden kann.In a
Es versteht sich, dass die Schritte 21, 22 einerseits und die Schritte 23 bis 26 andererseits parallel zueinander erfolgen können und zueinander keine Reihenfolge eingehalten werden muss.It is understood that
In einem siebten Schritt wird die Spule 11 in die Bodenplatte 12 auf die Ferritschicht 13 aufgelegt oder in den Rahmen eingesetzt. In einem achten Schritt 28 wird die Vergussmasse 14 in den Rahmen der Bodenplatte eingefüllt. Nach deren Aushärten ist das hier beschriebene Verfahren abgeschlossen. Die Bodenplatte 12 bildet dabei mit ihrem Rahmen ein Becken für die Vergussmasse 14, sodass die Vergussmasse 14, beispielsweise ein Epoxidharz, ohne Weiteres eingegossen werden kann. Alternativ kann die Vergussmasse 14 auch seitlich injiziert werden.In a seventh step, the coil 11 is placed on the
In diesem Beispiel wird die Vergussmasse 14 so eingefüllt, dass sie auch die Ferritschicht 13 mit umgibt. Dazu ist es zweckmäßig, wenn die Viskosität der Vergussmasse 14 im flüssigen Zustand ausreichend gering ist, um durch die Lücken in der Ferritschicht 13 dringen zu können.In this example, the potting
Durch die erstarrte Vergussmasse 14 wird die Spule 11 vor mechanischen Belastungen geschützt. Vorteilhaft ist die Wärmeableitung in diesem Aufbau, in dem die Spule 11 direkt von der Vergussmasse 14 umgeben ist, besser als bei einem Aufbau, in dem die Spule 11 auf einem Spulenträger aufliegt.The solidified casting
Der Backlack ist ein Material, das bei Raumtemperatur initial formbar ist und bei erhöhten Temperaturen im Bereich von 100 °C bis 200 °C erweicht. Nach dem Erhitzen und nachfolgenden Erkalten erstarrt der Backlack.The baking varnish is a material that is initially malleable at room temperature and softens at elevated temperatures in the range of 100 °C to 200 °C. After heating and subsequent cooling, the baking varnish solidifies.
Die beiden Teilwicklungen 111, 112 weisen jeweils zwei Kontakte 141...143 auf, wobei jeweils einer von den Kontakten 141, 142 vom innenliegenden Ende der Teilwicklung 111, 112 geradlinig nach außen geführt ist. Während die Teilwicklungen 111, 112 im Prinzip völlig eben sind, also eine im Wesentlichen zweidimensionale Form ausbilden, läuft dieser Kontakt 141, 142 außerhalb der Ebene, da er den Lauf der Teilwicklungen 111, 112 kreuzen muss.The two
Es ist möglich, für eine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften Kreuzungspunkte vorzusehen, an denen die beiden Leiter der Teilwicklungen ihre Position tauschen. Auch an diesen Kreuzungspunkten muss einer der Leiter oder beide Leiter die ansonsten eingehaltene Ebene verlassen.To improve the magnetic properties, it is possible to provide crossing points at which the two conductors of the partial windings swap positions. At these crossing points, one or both of the conductors must also leave the plane that would otherwise be maintained.
In anderen Ausgestaltungen kann auch nur eine einzige Wicklung verwendet werden. In diesem Fall gibt es auch nur zwei Kontakte.In other designs, only a single winding can be used. In this case, there are only two contacts.
BezugszeichenReference symbols
- 1010
- SpulenaufbauCoil construction
- 1111
- SpuleKitchen sink
- 1212
- BodenplatteBase plate
- 1313
- FerritschichtFerrite layer
- 1414
- VergussmasseCasting compound
- 111, 112111, 112
- TeilwicklungPartial winding
- 141...143141...143
- KontaktContact
- 21...2821...28
- erster bis achter Schrittfirst to eighth step
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