DE202020002937U1

DE202020002937U1 - Übertragereinheit zum induktiven Laden von Elektrorollern

Info

Publication number: DE202020002937U1
Application number: DE202020002937.8U
Authority: DE
Original assignee: Magment GmbH
Current assignee: Magment GmbH
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2030-07-10
Also published as: WO2021093995A1

Abstract

Übertragereinheit (1) für ein eine Übertragereinheit und eine Empfängereinheit umfassendes System zur induktiven Energieübertragung, bei welchem ein von der mit einer Primärspule (2) ausgestatteten Übertragereinheit bereitgestelltes magnetisches Wechselfeld in Wechselwirkung mit der Empfängereinheit tritt, wobei die Übertragereinheit (1) einen Formkörper (3) aus magnetisierbarem Beton enthält, in welchem die Primärspule (2) in der Weise eingebettet ist, dass das durch sie bereitgestellte Magnetfeld auf die für die Wechselwirkung vorgesehene Position der Empfängereinheit hin gebündelt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:- die Primärspule (2) ist als Litze oder als Hohlleiter ausgebildet- die äußere Oberfläche der Primärspule ist von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben- die Primärspule wird von einem nicht magnetisierbaren Beton, Asphalt oder Polymerwerkstoff abgedeckt

Description

Das Gebrauchsmuster betrifft eine Übertragereinheit zur induktiven Energieübertragung auf einen durch die Form der Übertragereinheit in geeigneter Weise positionierten Elektroroller. Die hierzu notwendige Empfängereinheit muss in geeigneter Weise am Elektroroller angeordnet sein und ist nicht Gegenstand des Gebrauchsmusters.
Ein System der genannten Art, welches eine Übertragereinheit und eine Empfängereinheit umfasst, ist beispielsweise für den Einsatz bei der induktiven Energieversorgung von elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen aus der WO 2017 060387 A1 bekannt. Dabei erfolgt die induktive Energieversorgung durch Leistungsübertragung von der ein Magnetfeld bereitstellenden, in eine befahrbare Baustruktur integrierten, mit einer Primärspule ausgestatteten Übertragereinheit auf die in dem zu versorgenden Fahrzeug befindliche, zur Wechselwirkung mit dem bereitgestellten Magnetfeld geeignete, mit einer Sekundärspule ausgestattete Empfängereinheit. Die Übertragereinheit umfasst einen Formkörper aus magnetisierbarem Beton, in welchen die Primärspule in der Weise eingebettet ist, dass das durch sie bereitgestellte Magnetfeld auf die vorgesehene Ladeposition der Sekundärspule in der Empfängereinheit hin gebündelt wird.
Bei kleineren elektrisch betriebenen Fahrzeugen, insbesondere bei Elektrorollern, ist oft ein regelloses Abstellen durch deren Nutzer zu beobachten, welches das stationäre induktive Laden der eingebauten Akkumulatoren verhindert. Die zur effizienten Übertragung der Ladeenergie notwendige gegenseitige räumliche Nähe kann durch eine vorgegebene Gestalt der Übertragereinheit und durch die relativ dazu definierte Anordnung der Empfängereinheit am Fahrzeug sichergestellt werden.
Die Übertragereinheit ist oberflächlich so gestaltet, dass das Fahrzeug an einer bevorzugten Position abgestellt werden muss, um den Ladevorgang auszulösen. Hierzu eignen sich Vertiefungen oder Aussparungen in der Oberfläche, die die Positionierung des Fahrzeuges ermöglichen und gleichzeitig einen Schaltkontakt zur Inbetriebsetzung des Ladevorganges enthalten. Insbesondere für zweirädrige Fahrzeuge wird hierdurch zusätzlich die Ladeposition vorgegeben.
Die mechanische Stabilität und Unempfindlichkeit gegenüber Witterungseinflüssen kann zusätzlich durch Kombination mit einem konventionellen Beton erhöht werden. Dies gelingt insbesondere durch die separate Herstellung der teilweise in magnetisierbaren Beton eingebetteten Primärspule und deren Einbau in einen geeigneten Hohlraum im konventionellen Betonkörper. Die zur Übertragereinheit gehörende Elektronik kann ebenfalls in einem Hohlraum des konventionellen Betonkörpers angeordnet werden. Damit ist die Übertragereinheit eine vollständig lastgesteuerte Baugruppe zur induktiven Energieübertragung mit hoher Verfügbarkeit und hoher mechanischer Robustheit. Die Übertragereinheit ist üblicherweise fest installiert und mit dem Niederspannungsnetz verbunden.
Als Kenngröße für die Auswahl eines sowohl zur Einbettung der Primärspule als auch zur Bündelung des Magnetfeldes geeigneten magnetisierbaren Betons kann in der Regel seine Anfangspermeabilität verwendet werden. Unter der Anfangspermeabilität ist dabei diejenige Permeabilität zu verstehen, die das Material unter dem Einfluss eines nahezu verschwindenden magnetischen Feldes zeigt. Sie lässt sich beispielsweise gemäß der Norm IEC 620 44-2 bestimmen. Die Anfangspermeabilität geeigneter magnetisierbarer Betone kann innerhalb weiter Grenzen variieren. In den meisten Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Primärspule in einen magnetisierbaren Beton einzubetten, dessen Anfangspermeabilität mindestens 10, vorteilhaft mindestens 20, insbesondere mindestens 30 beträgt, wobei man aus Zweckmäßigkeitsgründen nur in besonderen Fällen auf eine Anfangspermeabilität von 100 oder mehr zurückgreifen wird. In der Regel kann man die Anfangspermeabilität um so höher wählen, je mehr es auf die Vermeidung von Streufeldern ankommt.
Als im magnetisierbaren Beton enthaltene weichmagnetische Werkstoffe kommen beispielsweise Weichferrite, nanokristalline Metalle, amorphe Metalle oder metallische Pulver in Frage. Die weichmagnetischen Werkstoffe können einzeln oder als Gemisch eingesetzt werden. Im folgenden wird aus Gründen der Einfachheit nur auf jeweils einen weichmagnetischen Werkstoff Bezug genommen; die Angaben gelten jedoch sinngemäß ebenso für Gemische mehrerer weichmagnetischer Werkstoffe. Die Verwendung von Ferriten hat den Vorteil, dass sich auch Ferritmaterial, wie es als Schrott bei der großtechnischen Herstellung herkömmlicher Bauteile aus Ferrit oder beim Recycling elektromagnetischer Geräte anfällt, verwerten lässt.
Der Gewichtsanteil des jeweils ausgewählten weichmagnetischen Werkstoffes liegt günstig bei mindestens 80 Gewichtsprozent, bevorzugt 85 bis 95 Gewichtsprozent. Dieser Anteil hat sich insbesondere bei Verwendung von Weichferriten bewährt, da sich einerseits eine gute Magnetisierbarkeit des Betons und andererseits eine gute Formbarkeit und mechanische Stabilität erzielen lässt. Grundsätzlich sind aber in manchen Fällen Gewichtsanteile des weichmagnetischen Werkstoffes bis zu einer Untergrenze von etwa 60 Gewichtsprozent und einer Obergrenze von etwa 98 Gewichtsprozent nicht ausgeschlossen. Zweckmäßig werden die für die jeweilige Anwendung geeigneten Gewichtsanteile mit Hilfe von Vorversuchen ermittelt. In der Regel wird man, schon aus Kostengründen, als Obergrenze denjenigen Wert nicht überschreiten, bei dem die magnetische Sättigung eintritt, während man als Untergrenze den Wert annehmen kann, bei dem noch eine ausreichende Magnetisierung erzielt wird.
In den meisten Fällen wird ein möglichst hoher Füllungsgrad des weichmagnetischen Werkstoffes im magnetisierbaren Beton angestrebt. Dies lässt sich günstig beispielsweise dadurch erreichen, dass weichmagnetische Werkstoffe mit bestimmten Korngrößenverteilungen ausgewählt werden, um eine möglichst dichte Packung der Werkstoffpartikel zu erzielen. Es hat sich bewährt, einen weichmagnetischen Werkstoff, beispielsweise einen weichmagnetischen Ferrit, in zwei oder mehreren Korngrößenfraktionen vorzulegen. Dabei können insbesondere eine erste Fraktion mit einem mittleren Korndurchmesser von 2 bis 10 mm bei einer Korngrößenverteilung zwischen 0,5 und 20 mm und eine zweite Fraktion mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,1 bis 0,5 mm bei einer Korngrößenverteilung von 0,01 bis 5 mm kombiniert werden. Üblicherweise werden solche Fraktionen in annähernd gleichen Gewichtsanteilen vorgelegt, wobei Abweichungen von bis zu etwa 20 Gewichtsprozent nach oben oder unten akzeptiert werden können. Derartige Kombinationen von unterschiedlichen Fraktionen weichmagnetischer Ferrite sind beispielsweise aus der EP 1 097 463 bekannt und können gemäß diesem Dokument zur Herstellung magnetisierbarer Erzeugnisse unter anderem in eine Matrix aus hydraulischem Zement eingebettet werden, welche geformt und schließlich verfestigt wird. Der weichmagnetische Werkstoff ist dabei mit einem Gewichtsanteil von mehr als 80 Prozent in dem jeweiligen magnetisierbaren Erzeugnis enthalten. Die formbare Masse wird in dem genannten Dokument neben anderen Anwendungen auch als besonders geeignet zum Umhüllen eines elektrischen Bauelements wie einer Spule zum Zwecke der Abschirmung beschrieben.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand der 1 näher erläutert.
1 zeigt schematisch die Übertragereinheit (1), bestehend aus magnetisch inertem, konventionellem Beton, in die die Primärspule (2), eingebettet in magnetisierbaren Beton (3), integriert ist. Des weiteren ist die Elektronik zur Ansteuerung der Primärspule in einem Hohlraum (4) des konventionellen Betonkörpers angeordnet.
Die Übertragereinheit ist oberflächlich mit einer Vertiefung (5) versehen, in welcher beispielsweise das Hinterrad eines Elektrorollers hinein gestellt und somit eine für den induktiven Ladevorgang vorteilhafte Positionierung des Elektrorollers sichergestellt werden kann. Gleichzeitig löst der Elektroroller mit dem korrekt positionierten Hinterrad einen Schaltkontakt (6) zur Inbetriebsetzung des induktiven Ladevorganges aus.
Das folgende Ausführungsbeispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung und ist nicht im Sinne einer Beschränkung zu interpretieren.
Beispiel:
Als magnetisierbarer Beton wurde eine Mischung aus ca. 50 Masse-% weichmagnetischem Ferrit mir einer Körnung mit mittlerem Komdurchmesser von etwa 5 mm, ca. 40 Masse-% weichmagnetischem Ferrit mit einer Körnung mit mittlerem Korndurchmesser von etwa 0,25 mm (Ermittlung der mittleren Korndurchmesser jeweils durch Siebanalyse), ca. 5 Masse-% Portlandzement, 0,5 Masse-% eines üblichen Verflüssigers und ca. 4,5 Masse-% Wasser in einem üblichen Mischer so lange gemischt, bis eine homogene gießfähige Masse gebildet war. Eine Probe dieser Mischung zeigte nach dem Aushärten eine Anfangspermeabilität von 35, gemessen an einem Ringkern.
Für die Herstellung einer Übertragereinheit wurde ein Formkörper aus ebendiesem magnetisierbaren Beton mit einer trogförmigen, zur Ladeposition der Sekundärspule hin offenen, spiralförmigen Ausnehmung gegossen. Nach dem Aushärten des magnetisierbaren Betons wird in diese Ausnehmung eine Litze (99,95 % Cu-Anteil) eingelegt, die von der Ansteuerelektronik mit elektrischer Energie in Form einer sinusförmigen Wechselspannung mit 18 kHz versorgt wird. Der Querschnitt der Litze beträgt 2,5 mm² und diese ist mit einer bis zu 300 V isolierenden Polymerschicht überzogen.
Inzwischen wurde als nicht magnetisierbarer Beton eine weitere Mischung aus den oben verwendeten Komponenten 18 Masse-% Portlandzement, 0,9 Masse-% Verflüssiger und 8,1 Masse-% Wasser mit 73 Masse-% feinkörnigem Kies als Zuschlagsstoff, aber ohne die weichmagnetischen Komponenten, ebenfalls in einem üblichen Mischer so lange gemischt, bis eine homogene gießfähige Masse gebildet war. Mit dieser Mischung wurde die Übertragereinheit (1) unter Freilassung der Räume zur Anordnung der in den magnetisierbaren Beton (3) eingebetteten Primärspule (2) sowie der Ansteuerelektronik gegossen. Nach dem Aushärten des konventionellen Betons wurden die in den magnetisierbaren Beton eingebettete Primärspule sowie die Ansteuerelektronik mittels Zweikomponentenklebers befestigt. Dabei betrug die Schichtdicke des konventionellen Betons über der Primärspule lediglich 8 mm, um einen geringen Abstand zur Empfängerspule des Elektrorollers zu gewährleisten.
In einem mehrstündigen Testbetrieb wurde von dieser Übertragereinheit mit einer Wechselspannung von 30 V und einer Frequenz von 18 kHz der Akkumulator eines Elektrorollers durch induktive Energieübertragung vollständig geladen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2017060387 A1 [0001]
EP 1097463 [0004]

Claims

Übertragereinheit (1) für ein eine Übertragereinheit und eine Empfängereinheit umfassendes System zur induktiven Energieübertragung, bei welchem ein von der mit einer Primärspule (2) ausgestatteten Übertragereinheit bereitgestelltes magnetisches Wechselfeld in Wechselwirkung mit der Empfängereinheit tritt, wobei die Übertragereinheit (1) einen Formkörper (3) aus magnetisierbarem Beton enthält, in welchem die Primärspule (2) in der Weise eingebettet ist, dass das durch sie bereitgestellte Magnetfeld auf die für die Wechselwirkung vorgesehene Position der Empfängereinheit hin gebündelt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - die Primärspule (2) ist als Litze oder als Hohlleiter ausgebildet - die äußere Oberfläche der Primärspule ist von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben - die Primärspule wird von einem nicht magnetisierbaren Beton, Asphalt oder Polymerwerkstoff abgedeckt
Formkörper (3), integriert in die Übertragereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisierbare Beton eine Anfangspermeabilität von mindestens 10, vorteilhaft mindestens 20, insbesondere mindestens 30 aufweist.
Übertragereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (2) aus Material auf Basis von Kupfer, Messing, Kupferlegierung, Aluminium, Aluminiumlegierung, Silber, Silberlegierung oder Edelstahl besteht.
Übertragereinheit zur induktiven Energieversorgung von Elektrorollern durch Leistungsübertragung von einer ein Magnetfeld bereitstellenden in eine befahrbare Baustruktur integrierten, mit einer Primärspule ausgestatteten Übertragereinheit auf eine in dem zu versorgenden Fahrzeug befindliche, zur Wechselwirkung mit dem bereitgestellten Magnetfeld geeignete, mit einer Sekundärspule ausgestatteten Empfängereinheit, wobei die Übertragereinheit einen Formkörper aus magnetisierbarem Beton umfasst, in welchen die Primärspule in der Weise eingebettet ist, dass das durch sie bereitgestellte Magnetfeld auf die vorgesehene Ladeposition der Sekundärspule in der Empfängereinheit hin gebündelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung des Elektrorollers und seiner Empfängerspule durch eine oder mehrere Vertiefungen in der Baustruktur (5) vorgegeben ist.
Übertragereinheit nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Primärspule (2) ist als Litze oder als Hohlleiter ausgebildet - die äußere Oberfläche der Primärspule ist von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben - die Primärspule wird von einem nicht magnetisierbaren Beton, Asphalt oder Polymerwerkstoff abgedeckt
Übertragereinheit nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetisierbare Beton eine Anfangspermeabilität von mindestens 10, vorteilhaft mindestens 20, insbesondere mindestens 30 aufweist.
Übertragereinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (2) aus Material auf Basis von Kupfer, Messing, Kupferlegierung, Aluminium, Aluminiumlegierung, Silber, Silberlegierung oder Edelstahl besteht.