Titel

Induktives Energieübertragungssvstem

Die Erfindung betrifft ein induktives Energieübertragungssystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines induktiven

Energieübertragungssystems.

Stand der Technik

Bei der induktiven Energieübertragung ist prinzipiell bedingt eine räumliche Trennung zwischen einer Primär- und einer Sekundärspule vorgesehen. Diese räumliche Trennung ist vorwiegend einer Positionierfreiheit des kontaktlosen induktiven Energieübertragungsprozesses bzw. Ladens geschuldet. Jedoch können sich durch die genannte räumliche Trennung Nachteile vor allem für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ergeben. Dies ist im Wesentlichen auf die offene Bauart des Transformators mit der Primär- und der Sekundärspule zurückzuführen. Dies ist im Gegensatz zu einem konventionellen Transformator zu sehen, der gut gekapselt ist und dessen Primär- und Sekundärspule möglichst dicht aneinander angeordnet sind.

Durch diese offene Bauart ergibt sich das im Folgenden anhand von Fig. 1 erläuterte Problem. Fig. 1 zeigt ein prinzipielles, situatives Ersatzschaltbild der genannten konventionellen„offenen Bauart" während eines EMV-Prüfszenarios. Erkennbar ist ein primärseitiger Resonanzkreis, der durch eine Primärspule 10, deren Wicklung eine Resonanzinduktivität realisiert und einen ersten

Kondensator 15, der eine Resonanzkapazität realisiert, geformt wird. Der erste Kondensator 15 ist an ein lokales Massepotential 16 des induktiven

Energieübertragungssystems 100 angeschlossen. Der primärseitige

Resonanzkreis wird durch eine anregende elektrische Nutzspannungsquelle U _Ex gespeist. Die anregende Nutzspannungsquelle U _Ex stellt für das induktive Energieüber-tragungs-system 100 ein elektrisches Nutzsignal bereit. Die Nutzspannungsquelle U _Ex ist von einer elektrischen Störspannungsquelle U _s überlagert, die sämtliche Störsignale des induktiven

Energieübertragungssystems 100 repräsentiert. Unter einem Störsignal im Sinne der vorliegenden Erfindung sind vor allem Gleichtaktstörungen (engl. Common Mode Noise) zu verstehen. Im Allgemeinen werden unter Störsignalen sowohl Gleichtakt- als auch Gegentaktstörungen (engl. Differential Mode Noise) verstanden.

Die beiden Spulen 10 und 20 bilden schaltungstechnisch jeweils auch eine Elektrode. Dadurch stehen sich durch die Primär- und die Sekundärspule 10, 20 zwei Elektroden gegenüber, zwischen denen eine parasitäre Koppelkapazität 1 1 angeordnet ist. Die parasitäre Koppelkapazität 1 1 ist vor allem durch die

Wandstärken der beiden Gehäuse der Spulen 10, 20 gering, wobei gängige Werte der Koppelkapazität 1 1 zwischen ca. 5pF bis ca. 25pF liegen. Die beiden Elektroden der Spulen 10, 20 bilden jeweils zur Erde eine parasitäre Erdkapazität 12, 13. Übliche Werte für die Erdkapazitäten 12, 13 liegen im Bereich zwischen ca. 20pF bis ca. 40pF.

Die Sekundärseite des induktiven Energieübertragungssystems 100 weist eine elektronische Last auf, die durch einen Widerstand 60, der parallel zur

Sekundärspule 20 geschaltet ist, repräsentiert wird. Die Last kann beispielsweise ein ohmscher Verbraucher (z.B. eine Glühlampe) oder, wie bei induktiven Ladegeräten üblich, ein Akkumulator sein. Des Weiteren weist die gesamte Sekundäranordnung eine weitere Erdkapazität 14 auf, die mit der Last 60 und mit dem Erdpotential verschaltet ist.

Erkennbar ist in Fig. 1 ferner ein Messwiderstand 40 eines

Funkmessempfängers, der für die EMV-Messung benötigt wird. Der

Messwiderstand 40 ist dabei vorzugsweise als ein 50 Ohm Abschlusswiderstand ausgebildet. Die am Messwiderstand 40 abfallende elektrische Spannung ist mit LI _M bezeichnet und repräsentiert die elektromagnetischen Störungen am

Funkmessempfänger.

Aus der Schaltungsanordnung von Fig. 1 ist somit erkennbar, dass die oben genannte Gleichtaktstörung elektrische Verschiebungsströme verursachen kann, die über die Erdkapazitäten 12, 13, 14 zur Erde abfließen. Dies ist mittels dreier geschlossener, gestrichelt dargestellter Kreisläufe über die Erdkapazitäten 12, 13, 14 angedeutet. Auf der Erde fließen die Verschiebungsströme über den Funkmessempfänger wieder zurück zur Störspannungsquelle U _s . Das

Ersatzschaltbild von Fig. 1 veranschaulicht somit auf anschauliche Weise einen Koppelpfad der Störung über die Erdkapazitäten 12, 13, 14.

Offenbarung der Erfindung

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes

induktives Energieübertragungssystem bereitzustellen.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem induktiven

Energieübertragungssystem, aufweisend:

eine mit einer elektrischen Nutzspannungsquelle verbindbare

Primärspule, wobei die Primärspule mit einem ersten Kondensator verschaltet ist, wobei der erste Kondensator mit einem lokalen

Massepotential des Energieübertragungssystems verschaltet ist; und eine mit der Primärspule induktiv gekoppelte Sekundärspule; dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Primärspule und dem lokalen

Massepotential des Energieübertragungssystems ein zweiter

Kondensator ausgebildet ist.

Auf diese Weise wird schaltungstechnisch ein Bypasskondensator realisiert, durch den die vorgenannte Störung kaum noch messbar ist, weil für die Störung ein alternativer Weg geschaffen wird. Im Ergebnis wird dadurch eine sehr effektive Störunterdrückungsmethode geschaffen, die vorteilhaft eine

normkonforme Ausgestaltung des induktiven Energieübertragungssystems ermöglicht.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines induktiven Energieübertragungssystems, aufweisend die

Schritte:

Bereitstellen einer Primärspule;

Verschalten der Primärspule mit einem ersten Kondensator;

Verschalten des ersten Kondensators mit einem lokalen Massepotential des

Energieübertragungssystems;

Bereitstellen einer Sekundärspule; und Bereitstellen einer zweiten Elektrode eines zweiten Kondensators, wobei die zweite Elektrode des zweiten Kondensators mit dem lokalen

Massepotential verschaltet wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des induktiven Energieübertragungssystems und des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des induktiven Energieübertragungs-systems zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste Elektrode des zweiten Kondensators durch die Primärspule gebildet und dass eine zweite Elektrode des zweiten Kondensators mit dem Massepotential verschaltet wird. Dadurch ist auf einfache Weise eine technische Realisierung des Störungsunterdrückenden

Bypasskondensators möglich.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des induktiven

Energieübertragungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite

Elektrode des zweiten Kondensators geschichtet ausgebildet ist, wobei eine leitende Schicht an gegenüberliegenden Oberflächen von jeweils einer

Isolierschicht bedeckt ist. Dadurch kann auf vorteilhafte Weise eine elektrische Durchschlagsfestigkeit der zweiten Elektrode erhöht werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des induktiven

Energieübertragungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht des zweiten Kondensators aus einem Kohlenstoffmaterial vliesartig ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine leitende Schicht mit guter

Entstörungswirkung bereitgestellt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des induktiven

Energieübertragungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass die leitende Schicht gewoben oder gepresst ausgebildet ist. Dadurch werden alternative Möglichkeiten für die technische Ausführung der leitenden Schicht bereitgestellt. Eine vielfältige Designfreiheit ist für den Bypasskondensator dadurch unterstützt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des induktiven

Energieübertragungssystems sieht vor, dass die leitende Schicht mittels leitender Verstärkungselemente mit dem lokalen Massepotential verschaltet ist. Dadurch können vorteilhaft eine mechanische Verstärkung für die leitende Schicht und eine Möglichkeit einer elektrischen Kontaktierung der leitenden Schicht mit dem lokalen Massepotential realisiert werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des induktiven

Energieübertragungssystems sieht vor, dass der zweite Kondensator einen wenigstens ca. zweimal, bevorzugt ca. drei- bis ca. fünfmal, noch mehr bevorzugt ca. sechs- bis ca. zehnmal so großen Kapazitätswert wie eine parasitäre

Erdkapazität des induktiven Energieübertragungssystems aufweist. Auf diese Weise werden günstige technische Kapazitätswerte für den Bypasskondensator realisiert.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Vorteilen und Merkmalen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren bzw. unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen.

In den Figuren zeigt:

Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild eines herkömmlichen induktiven

Energieübertragungssystems;

Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiven

Energieübertragungssystems;

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung einer Realisierungsmöglichkeit einer zweite Elektrode des Bypasskondensators; und

Fig. 4 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung von Ausführungsformen

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass als eine effektive

Störunterdrückungsmaßnahme ein Bypasskondensator in Form eines zweiten Kondensators 50 in den Primärkreis eingefügt wird, um auf diese Weise die Störungen innerhalb des Primärkreises zu halten. Der zweite Kondensator 50 leitet die Störungen direkt an die Störspannungsquelle U _s zurück und verhindert somit effektiv einen ungewollten, mittelbaren Koppelpfad der Störungen. Um mittels des zweiten Kondensators 50 eine nennenswerte Bypasswirkung zu erzielen, sollte dessen Kapazität vorzugsweise ca. doppelt, mehr bevorzugt ca. drei bis ca. fünfmal, besonders bevorzugt ca. sechs- bis ca. zehnmal mal so groß sein wie eine aus parasitären Erdkapazitäten 12, 13, 14 gebildete

Erdkapazität der gesamten Anordnung.

In Fig. 2 ist ein Strompfad der Störung nach der Einführung des

Bypasskondensators prinzipiell als gestrichelt dargestellter, geschlossener Kreislauf dargestellt. Der Strompfad bildet im Ergebnis einen geschlossenen Pfad über die Nutzspannungsquelle U _Ex , die Störspannungsquelle U _s , die Primärspule 10 und den zweiten Kondensator 50. Der Strompfad verläuft somit im Wesentlichen nicht mehr über den Messwiderstand 40, wodurch die messbare Störung bedeutend reduziert sein kann.

Um den Bypasskondensator zu realisieren, ist eine technische Realisierung einer zweiten Elektrode 50a erforderlich, nachdem die erste Elektrode des

Bypasskondensators durch die Wicklung der Primärspule 10 gebildet wird.

Hierzu ist vorgesehen, eine leitende Schicht 90 in unmittelbarer Nähe der Primärwicklung 10 anzubringen. Es ist ferner wichtig, die Kapazität des

Bypasskondensators größtmöglich auszubilden, wobei zwei wesentliche

Faktoren, die die genannte Kapazität beeinflussen können, eine Maximierung der Elektrodenfläche und eine Minimierung des Abstands der beiden Elektroden zueinander darstellen.

Fig. 3 zeigt stark vereinfacht eine prinzipielle technische Ausführungsform einer zweiten Elektrode 50a des zweiten Kondensators 50. Vorzugweise ist vorgesehen, zwei Schichten von Isolierfolien aufeinander anzuordnen, zwischen denen eine leitende Graphit- bzw. Kohlenstoffschicht angeordnet wird. Die derart geschichtete Anordnung bildet somit die zweite Elektrode 50a, die mit dem lokalen Masseanschluss des ersten Kondensators 15 leitend verbunden wird. In Kombination mit der primären Elektrode der Primärspule 10 wird auf diese Weise der entstörende Bypasskondensator realisiert. Prinzipiell kann für die leitende Schicht 90 der Elektrode 50a jegliches leitfähige Material mit Ausnahme von metallischem, insbesondere ferromagnetischem Material verwendet werden, weil dieses Material ungewollte Wirbelstrom- und Hystereseverluste erzeugen würde.

In Versuchsreihen hat sich herausgestellt, dass für eine optimierte

Entstörungswirkung des zweiten Kondensators 50 als leitende Schicht 90 eine leitfähige Lage bzw. Elektrode in Form einer Graphit- bzw. Kohlenstoffschicht die besten Resultate liefert. Dabei kann die Graphitschicht vorteilhaft durch einen Lack ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist die Graphitschicht als ein Kohlefasergewebe oder ein filzähnliches Fasergewebe ausgeführt, wobei die leitende Schicht 90 als ein vliesartiges Kohlenstoffmaterial gewoben oder filzartig gepresst ausgebildet sein kann. Die auf diese Weise gebildete zweite Elektrode 50a des Bypasskondensators wird mit einem festen Bezugspunkt, in der Regel dem lokalen Massepotential 16 des ersten Kondensators 15 des induktiven Energieübertragungssystems 100 elektrisch leitend verbunden.

Zu einer mechanischen Verstärkung der leitenden Schicht 90 können elektrisch leitende Verstärkungsringe 91 verwendet werden, die aus Aluminium oder Kupfer ausgebildet sind und zu einer mechanischen Verstärkung der leitenden Schicht 90 bzw. einer verbesserten elektrischen Kontaktierung der Elektrode 50a an das Massepotential 16 vorgesehen ist.

Fig. 4 zeigt prinzipiell einen Ablauf einer Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Verfahrens.

In einem ersten Schritt 200 wird eine Primärspule 10 bereitgestellt.

In einem zweiten Schritt 210 wird die Primärspule 10 mit einem ersten

Kondensator 15 verschaltet.

In einem dritten Schritt 220 wird der erste Kondensator 15 mit einem lokalen Massepotential 16 des Energieübertragungssystems 100 verschaltet.

In einem vierten Schritt 230 wird eine Sekundärspule 20 bereitgestellt. Schließlich wird in einem fünften Schritt 240 eine zweite Elektrode 50a eines zweiten Kondensators 50 bereitgestellt, wobei die zweite Elektrode 50a des zweiten Kondensators 50 mit dem lokalen Massepotential 16 verschaltet wird.

Vorteilhaft kann das induktive Energieübertragungssystem 100 in jeglichen technischen Systemen verwendet werden, in denen eine kontaktlose, induktive Ladung durchgeführt wird, beispielsweise in einer elektrischen Zahnbürste, einem Elektroauto usw.

Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein verbessertes induktives Energieübertragungssystem bereitgestellt, welches in vorteilhafter Weise elektromagnetische Störungen im Wesentlichen wieder zu Störungsquelle zurückführt und dadurch den Wirkungsgrad des induktiven

Energieübertragungssystems optimiert.

Der Fachmann wird vorgehend nicht oder auch nur teilweise beschriebene Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.