Die Erfindung betrifft eine Übertragereinheit für ein eine Übertragereinheit und eine Empfängereinheit umfassendes System zur induktiven Energieübertragung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs E Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Empfängereinheit für ein solches System, sowie ein derartiges System, das eine erfindungsgemäße Übertragereinheit und/oder eine erfindungsgemäße Empfängereinheit umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Übertrager- bzw. Empfängereinheit.

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 Al 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.

Aus der EIS 2019/0245393 Al ist ein System bekannt, bei dem für die Übertragerspulen massiver Draht oder Litze verwendet wird, wobei zum Schutz der Spule vor korrosiver Wechselwirkung mit dem umgebenden Beton, insbesondere während der Aushärtphase, ggf. eine Isolierung oder Beschichtung vorgesehen werden kann.

Beim Betrieb solcher Anordnungen für die induktive Energieversorgung kommt es aufgrund des elektrischen Widerstandes unvermeidlich zur Wärmeentwicklung in den vom elektrischen Strom durchflossenen Spulen und damit zu unerwünschten Leistungsverlusten. Dies gilt insbesondere in den Fällen, wo hohe Stromstärken oder hochfrequente Ströme erforderlich sind, wie beispielsweise bei der induktiven Energieversorgung von elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen, ebenso wie bei autonomen Transportsystemen oder beim induktiven Kochen. Die Leistungsverluste werden noch dadurch verstärkt, dass der elektrische Widerstand der Spulen mit steigender Temperatur weiter zunimmt. Auch Wirbelströme, die insbesondere bei Spulen aus massivem Material auftreten, sind als Ursache für Leistungsverluste nicht zu vernachlässigen. Bei Spulen auf Basis von Litze lassen sich Leistungsverluste durch Wirbelströme zwar reduzieren, dafür erhöhen sich die Leistungsverluste aufgrund der mit der Temperaturerhöhung der Spule einhergehenden Widerstandserhöhung. Eine erhöhte oder schwankende Spulentemperatur führt darüber hinaus zu einer thermischen Belastung des die Spulen umgebenden Materials, was beispielsweise durch die Bildung von Mikrorissen eine Verschlechterung von dessen mechanischer Stabilität verursachen kann. Dies kann so weit gehen, dass eine solche Anordnung den mechanischen Beanspruchungen während des Betriebs nicht mehr standzuhalten vermag. Ein weiteres Problem ergibt sich insbesondere im Fall von in eine Baustruktur integrierten Einheiten daraus, dass die Endfertigung vielfach erst am Einsatzort stattfindet. Dabei ist es zumeist schwierig, die Herstellungsbedingungen zu kontrollieren und/oder reproduzierbar zu gestalten, so dass gerade beim Einbau der Spulen die an sich wünschenswerte Präzision kaum gewährleistet werden kann. Die Folge sind unerwünschte lokale Schwankungen des magnetischen Wechselfeldes.

Die Aufgabe der Erfindung lag davon ausgehend darin, eine Übertragereinheit bzw. eine Empfängereinheit der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchen sich Leistungsverluste und thermische Belastungen auch beim Einsatz hoher Stromstärken und/oder hochfrequenter Ströme gering halten lassen, bei welchen die magnetischen Wechselfelder sich mit geringen lokalen Schwankungen bereitstellen lassen und welche sich mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit fertigen lassen, so dass sie ggf. in standardisierter Form zur Verfügung gestellt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Übertragereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Empfängereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 2.

Ein wesentliches Merkmal einer erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit besteht darin, dass die Primär- bzw. Sekundärspule jeweils als Hohlleiter ausgebildet ist. Überraschend wurde nämlich gefunden, dass sich durch das Einbetten einer durch einen Hohlleiter gebildeten Primär- bzw. Sekundärspule in einen Formkörper aus magnetisierbarem Beton ein besonders wirksamer Wärmeübergang zwischen der Spule und dem umgebenden Material und damit besonders eine effiziente Abführung der beim Stromfluss entstehenden Wärme erreichen lässt. Außerdem fällt insbesondere bei hohen Stromstärken die durch den Stromfluss erzeugte Wärme im wesentlichen im äußeren Bereich der Spule bzw. an der äußeren Spulenoberfläche und damit im Kontaktbereich zu dem umgebenden Material an. Da sich der bei der erfindungsgemäßen Übertragereinheit verwendete magnetisierbare Beton durch ein verhältnismäßig hohes Wärmeleitvermögen auszeichnet, kann die anfallende Wärme wirksam abgeführt und an die Umgebung abgegeben werden, so dass sich eine gegenüber massiven Spulen oder Litze niedrigere Betriebstemperatur einhalten lässt. Auf diese Weise können die sich aus dem thermischen Verhalten der bekannten Anordnungen ergebenden Nachteile verringert oder vermieden werden. Zudem vermindern sich durch die Verwendung eines Hohlleiters die bei herkömmlichem massivem Spulenmaterial im Spuleninneren auftretenden Wirbelströme deutlich, wodurch eine merkliche Reduzierung der dadurch bedingten Leistungsverluste erreicht werden kann. Insgesamt ermöglichen die genannten vorteilhaften Wirkungen gegenüber herkömmlichen Spulen höhere Ströme und damit eine Verringerung der Windungszahl bzw. eine Erhöhung der übertragbaren Leistung. Daneben erhöht sich auch die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit, da die Spulen auf Hohlleiterbasis eine hohe Festigkeit gegenüber Biege- oder Torsionskräften aufweisen und daher im Sinne einer Bewehrung des Betonmaterials, in das sie eingebettet sind, zu wirken vermögen.

Erfindungsgemäß ist die äußere Spulenoberfläche der als Hohlleiter ausgebildeten Primär- bzw. Sekundärspule mit einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben. Dadurch wird eine möglichst formschlüssige Einbettung der Spulen in den Formkörper aus magnetisierbarem Beton ermöglicht und gleichzeitig verhindert, dass die Spannung über den relativ gut elektrisch leitfähigen magnetisierbaren Beton abfließt oder sogar Überschläge entstehen. Gut geeignet ist beispielsweise die Isolierung mittels einer elektrisch isolierenden Polymerschicht, etwa auf Basis von Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylchlorid, oder Polymeren auf Silikonbasis, die beispielsweise in Form eines Schrumpfschlauches auf die Spulenoberfläche aufgezogen werden kann. In vielen Fällen können elektrisch isolierende Beschichtungen auf Basis anorganischer isolierender Materialien verwendet werden, die sich z.B. durch Pulverbeschichtung, Sputtern, Sprühen oder Lackieren auf die Spulenoberfläche aufbringen lassen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die elektrisch isolierende Schicht auf elektrochemischem Wege bereitzustellen. Diese Vorgehensweise hat sich beispielsweise bewährt, wenn Spulen aus Aluminium eingesetzt werden, die durch Eloxieren mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen werden können. Allgemein hat es sich zumeist als ausreichend erwiesen, wenn die Isolierschichten für Spannungen von bis zu ca. 1 kV ausgelegt sind. Dieser Wert ist jedoch nur als Richtwert, nicht aber im Sinne einer Beschränkung zu verstehen.

Eine genaue und reproduzierbare Positionierung der Spulen wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Spulen in den Formkörper aus magnetisierbarem Beton in der Weise eingebettet werden, dass nicht die gesamte äußere Spulenoberfläche von letzterem umschlossen ist, sondern dass eine von magnetisierbarem Beton freie Teiloberfläche verbleibt. Diese freie Teiloberfläche der Spulen ist in der Regel diejenige, die in der vorgesehenen Arbeitsposition, beispielsweise der Ladeposition, der jeweils in Wechselwirkung tretenden Übertrager- bzw. Empfängereinheit zugewandt ist. Somit ergibt sich für die äußere Oberfläche der Primär- bzw. Sekundärspule, die insgesamt von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben ist, über die in den Formkörper eingebettete Länge ein erster Teilbereich, der sich in mechanischem Kontakt mit dem Formkörper aus magnetisierbarem Beton befindet. Dieser erste Teilbereich umfasst 10 bis 90 %, vorteilhaft 25 bis 75 %, insbesondere 40 bis 60 % der äußeren Oberfläche der jeweiligen Spule. Ein zweiter, freier Teilbereich der äußeren Oberfläche der Primär- bzw. Sekundärspule hat keinen mechanischen Kontakt zum Formkörper aus magnetisierbarem Beton. Dieser zweite Teilbereich befindet sich außerhalb des Bereichs, in dem mechanischer Kontakt zwischen dem Formkörper aus magnetisierbarem Beton und jeweils der Primär- bzw. Sekundärspule besteht, d.h. in diesem zweiten, freien Teilbereich besteht keinerlei mechanischer Kontakt zwischen der äußeren Spulenoberfläche und dem Formkörper aus magnetisierbarem Beton. Dementsprechend umfasst der zweite, freie Teilbereich der jeweiligen äußeren Spulenoberfläche komplementär zum ersten Teilbereich 90 bis 10 %, vorteilhaft 75 bis 25 %, insbesondere 60 bis 40 % der gesamten äußeren Spulenoberfläche.

Als Material für die in der erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit eingesetzten Primär- bzw. Sekundär spulen eignen sich Hohlleiter aus den bekannten und fachüblichen Metallen, wobei bevorzugt Hohlleiter aus Kupfer oder Kupferlegierungen, beispielsweise Messing, wie auch solche aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen oder Edelstahl eingesetzt werden. Grundsätzlich kommen auch Hohlleiter aus Silber, Silberlegierungen, Gold, Goldlegierungen, Platin, Platinlegierungen oder anderen Edelmetallen oder deren Legierungen in Frage. Deren Einsatz ist allerdings in der Regel schon aus Kostengründen Spezialanwendungen Vorbehalten. Die Formgebung und Dimensionierung der verwendeten Hohlleiter kann innerhalb weiter Grenzen variiert werden und richtet sich im Grunde nach dem jeweils vorgesehenen Einsatzbereich und den dabei erforderlichen Feldstärken und den zu deren Erzeugung erforderlichen Stromstärken sowie gegebenenfalls auch der erforderlichen mechanischen Stabilität. Für die Wandstärken haben sich Werte im Bereich von 0,1 bis 6 mm, insbesondere 0,25 bis 4 mm bewährt. In der Regel lassen sich beispielsweise bei einer Übertragereinheit für den Einsatz bei der induktiven Energieversorgung von elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen Spulen aus Kupferrohr mit einem Rohraußendurchmesser von ca. 8 mm und einer Wandstärke von ca. 2 mm verwenden. Bei Ausführungsformen der Übertragereinheit für das induktive Kochen mittels Induktionsherd werden üblicherweise Primärspulen aus Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von 2 mm und einer Wandstärke von 0.5 mm eingesetzt. Diese Werte sind jedoch nur als Anhaltspunkte und nicht im Sinne einer Beschränkung zu sehen.

In den meisten Fällen werden, schon aus Gründen der leichten Verfügbarkeit und der hohen mechanischen Stabilität, Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt verwendet. Grundsätzlich ist aber der Einsatz von Hohlleitern mit beispielsweise nicht ideal kreisförmigem, teilweise abgeplattetem oder ovalem, elliptischem oder polygonalem, wie etwa quadratischem, tetragonalem, trigonalem, hexagonalem oder oktogonalem Querschnitt nicht ausgeschlossen. Derartige von ebenen Flächen begrenzte Spulen werden mit besonderem Vorteil bei Ausgestaltungen der Übertrager- bzw. Empfängereinheit eingesetzt, bei denen der zweite Teilbereich in einer Ebene mit der Oberfläche des Formkörpers aus magnetisierbarem Beton liegen soll. Allgemein ist es nicht zwingend vorgeschrieben, dass der Außenquerschnitt der Spulen mit ihrem Innenquerschnitt übereinstimmt. So kann man bei Bedarf auch auf Spulen zurückgreifen, die beispielsweise einen quadratischen Außen- und einen kreisförmigen Innenquerschnitt aufweisen.

Die Anforderungen bezüglich der elektrischen und/oder mechanischen Kenngrößen, die an die durch einen Hohlleiter gebildeten Primär- bzw. Sekundär spulen gestellt werden, entsprechen in der Regel denen, die im jeweils vorgesehenen Einsatzbereich an die dort üblicherweise eingesetzten, massive Leiter oder Litze verwendenden Spulen gestellt würden. Beispielsweise können im Einsatzbereich der induktiven Energieversorgung von elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen nach Art der in den üblichen induktiven Ladesystemen für Elektrofahrzeuge gebräuchlichen massiven Primärspulen erfindungsgemäß Hohlleiterspulen verwendet werden, die sich von ihrer mechanischen Festigkeit her für die Einbettung in eine befahrbare Struktur wie etwa eine Zementbeton- oder Asphaltstraße eignen. Die Spulen sollten ferner für die Bereitstellung eines magnetischen Wechselfeldes geeignet sein, wobei in die üblicherweise zum Einsatz kommenden Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis 500 kHz, insbesondere 18 kHz bis 100 kHz zum Einsatz kommen. Die benötigten Wechsel Spannungen und Ströme werden in an sich bekannter Weise von Wechselrichtern geliefert, die über vorteilhaft möglichst kurze Zuleitungen mit den Primärspulen verbunden sind.

Zur Bündelung des durch die Primärspule bereitgestellten Magnetfeldes auf die Sekundärspule hin umfasst die erfindungsgemäße Übertrager- bzw. Empfängereinheit einen Formkörper aus magnetisierbarem Beton, in den die als Hohlleiter ausgebildete Primär- bzw. Sekundärspule unter Ausbildung der oben erläuterten ersten und zweiten Teilbereiche eingebettet ist. Zur Einbettung von Primärspulen geeignete magnetisierbare Betone sind z.B. in der eingangs genannten WO 2017060387 Al beschrieben und können in analoger Weise auch für die Primär- und/oder Sekundärspulen in der erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit eingesetzt werden. Als Kenngröße für die Auswahl eines sowohl zur Einbettung der Spulen 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 62044-2 bestimmen. Die Anfangspermeabilität geeigneter magnetisierbarer Betone kann innerhalb weiter Grenzen variieren. In den meisten Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Primärspulen 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.

Die Anfangspermeabilität wird im wesentlichen dadurch beeinflusst, wie bei dem jeweils ausgewählten weichmagnetischen Werkstoff das Verhältnis zwischen der Korngröße und dem Durchmesser der magnetischen Domänen ist, wobei als Domäne vorliegend ein Bereich mit homogener magnetischer Polarisation angesehen wird, wie er beispielsweise in Ferromagneten auftritt. Erfahrungsgemäß lässt sich eine hohe Anfangspermeabilität mit weichmagnetischen Materialien erzielen, deren Korndurchmesser relativ groß im Vergleich zum Domänendurchmesser ist. Beispielsweise liegen bei den mit Vorteil als weichmagnetischer Werkstoff verwendeten Ferriten die typischen Domänendurchmesser im Bereich von etwa 0,5 bis 2 pm, während sich für ihren mittleren Korndurchmesser oftmals ein Bereich von 0,1 bis 10 mm als geeignet erwiesen hat. Die optimalen mittleren Korndurchmesser sowie die den jeweiligen mittleren Korndurchmessem entsprechende optimale Korngrößenverteilung werden zweckmäßig nach Maßgabe der gewünschten Permeabilität in Vorversuchen ermittelt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die zu einer ausreichenden Fokussierung erforderliche Magnetfeldbündelung durch den magnetisierbaren Beton letztlich vom Abstand zwischen der eingebetteten Primärspule und der Arbeitsposition der Empfängereinheit, die beispielsweise mit einer Sekundärspule ausgestattet sein kann, abhängt. Je größer dieser Abstand wird, um so geringer wird die zur Bündelung notwendige Mindestpermeabilität des magnetisierbaren Betons. Bei einem typischen Verhältnis der lateralen Spulenabmessung, d.h. der Spulenbreite, zum Spulenabstand zwischen Primär- und Sekundärspule im Bereich von bis zu ca.10 reichen in der Regel Permeabilitäten im Bereich von mindestens ca. 30 aus.

Der magnetisierbare Beton enthält in der Regel als Hauptbestandteile einen oder mehrere weichmagnetische Werkstoffe sowie ein Bindemittel oder Bindemittelgemisch. Im fertigen weichmagnetischen Beton sind diese Komponenten möglichst homogen miteinander vermischt, wobei gegebenenfalls in geringen Anteilen Hilfsstoffe beigemischt werden können, beispielsweise um das Mischungs- oder Fließverhalten zu verbessern oder die gewünschten Gieß- und Verfestigungseigenschaften sicherzustellen.

Als im magnetisierbaren Beton enthaltene weichmagnetische Werkstoffe kommen beispielsweise Weichferrite, nanokri stalline 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 Komgrößenfraktionen 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 097463 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. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit in einer Anordnung zur induktiven Energieversorgung von elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen liegt ein besonderer Vorteil darin, dass für das im magnetisierbaren Beton enthaltene Bindemittel oder Bindemittelgemisch solche Materialien ausgewählt werden können, die mit den für die jeweils vorgesehene befahrbare Baustruktur verwendeten Materialien kompatibel sind. So eignen sich als Bindemittel beispielsweise aus dem Straßenbau geläufige Materialien wie hydraulischer Zement, z.B. Weißzement, Portlandzement oder Bitumen, z.B. Straßenbaubitumen, Naturbitumen oder polymermodifizierte Bitumentypen. Obwohl auch der Einsatz von Bindemittelgemischen in manchen Fällen grundsätzlich nicht ausgeschlossen ist, hat es sich zumeist bewährt, nur auf ein bestimmtes Bindemittel zurückzugreifen. Beispielsweise lässt sich Weißzement mit Vorteil dann einsetzen, wenn es auf besondere Druckfestigkeit des magnetisierbaren Betons ankommt. Vorteilhaft ist es auch, durch entsprechende Auswahl des Bindemittels das thermische Dehnungs- und Erweichungsverhalten des magnetisierbaren Betons an dasjenige der jeweiligen befahrbaren Baustruktur, beispielsweise einer Zementbetonstraße oder einer Asphaltstraße, anzupassen. Dadurch entsteht eine dauerhafte und robuste Verbindung zwischen der befahrbaren Baustruktur und der darin integrierten, die Primärspule enthaltenden Übertragereinheit. Insbesondere kann dadurch auch sichergestellt werden, dass sich nachträglich eine Übertragereinheit, welche eine Primärspule mit dem sie umgebenden magnetisierbaren Beton umfasst, in eine bereits vorhandene Straße oder Fahrbahn rissfrei und dauerhaft integrieren lässt. Bei der Auswahl des Bindemittels ist auch zu beachten, dass der Einsatz von manchen grundsätzlich zwar geeigneten Stoffen wie etwa Steinkohlenteer aufgrund gesetzlicher Vorgaben nur eingeschränkt oder nicht zulässig sein kann.

Der magnetisierbare Beton kann neben dem weichmagnetischen Werkstoff und dem Bindemittel oder Bindemittelgemisch auch weitere Hilfsstoffe, z.B. Fließmittel, Füllstoffe, Gips und dergleichen enthalten, durch welche sich Eigenschaften wie Fließverhalten, Vergießbarkeit, Verfestigung und/oder Aushärtung steuern lassen.

Der magnetisierbare Beton wird für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit beispielsweise zunächst als vorteilhaft möglichst homogene gießfähige Mischung der nach Maßgabe des vorgesehenen Einsatzbereiches ausgewählten Hauptkomponenten sowie gegebenenfalls der Hilfsstoffe bereitgestellt. Dafür eignen sich die im jeweiligen Fachgebiet üblichen Mischverfahren. Beispielsweise kann man für die Herstellung einer Übertragereinheit für befahrbare Baustrukturen auf Mischverfahren zurückgreifen, wie sie dem Fachmann beispielsweise aus dem Straßenbau bekannt sind. So wird man bei einem magnetisierbaren Beton, bei dem ein Bindemittel auf Zementbasis vorgesehen ist, in der Regel beim Mischvorgang Wasser sowie gegebenenfalls einen Verflüssiger hinzufügen. Als Mischer können übliche Betonmischer eingesetzt werden. Bei einem magnetisierbaren Beton, bei dem ein Bindemittel auf Bitumenbasis vorgesehen ist, können in der fachüblichen Weise für den Mischvorgang Heizmischer verwendet werden, die die erforderliche Misch- und Verarbeitungstemperatur zur Verfügung stellen, um die Gießfähigkeit der Mischung zu gewährleisten.

Grundsätzlich kann beim Mischvorgang so vorgegangen werden, dass der weichmagnetische Werkstoff vorgelegt und dann mit dem Bindemittel vermischt wird. Ebenso ist es möglich, das Bindemittel vorzulegen und den weichmagnetischen Werkstoff darin einzutragen. In vielen Fällen werden jedoch die Komponenten zusammen vorgelegt und vermischen sich nach und nach beim anschließenden Mischvorgang. Wenn der weichmagnetische Werkstoff in verschiedenen Korngrößenfraktionen eingesetzt wird, kann es auch zweckmäßig sein, zunächst separate Mischungen jeweils einer Korngrößenfraktion mit dem Bindemittel herzustellen und dann diese Mischungen zu vermischen und ggf. weiter zu homogenisieren.

Eine erste mögliche Variante eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit umfasst die folgenden Schritte:

Bereitstellen einer Gießform

Bereitstellen einer aus einem Hohlleiter gebildeten, an ihrer äußeren Oberfläche von einer elektrisch isolierenden Schicht umgebenen Primär- oder Sekundär spule

- Bereitstellen einer gießfähigen Mischung eines magnetisierbaren Betons

- Einbringen der Primär- oder Sekundärspule in die Gießform und anschließendes Befüllen mit der gießfähigen Mischung des magnetisierbaren Betons oder Befüllen der Gießform mit der gießfähigen Mischung des magnetisierbaren Betons und anschließendes Einbetten der Primär- oder Sekundärspule in den Beton

Verfestigen des magnetisierbaren Betons sowie gegebenenfalls Aufbringen einer Deckschicht aus nicht magnetisierbarem Material, insbesondere nicht magnetisierbarem Beton. Eine zweite mögliche Variante eines Verfahrens zur Herstellung einer erfmdungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit umfasst die folgenden Schritte:

Bereitstellen einer Gießform

Bereitstellen einer aus einem Hohlleiter gebildeten, an ihrer äußeren Oberfläche von einer elektrisch isolierenden Schicht umgebenen Primär- oder Sekundär spule

- Bereitstellen einer gießfähigen Mischung eines nicht magnetisierbaren Betons

- Bereitstellen einer gießfähigen Mischung eines magnetisierbaren Betons Teilweises Einbetten der Primär- oder Sekundärspule in nicht magnetisierbaren Beton durch Einbringen in die Gießform und anschließendes teilweises Befüllen mit der gießfähigen Mischung des nicht magnetisierbaren Betons oder teilweises Befüllen der Gießform mit der gießfähigen Mischung des nicht magnetisierbaren Betons und anschließendes teilweises Einbetten der Primär oder Sekundärspule in den Beton

Vollständiges Einbetten der Primär- oder Sekundärspule durch Aufbringen einer Schicht aus magnetisierbarem Beton.

Gemäß einer möglichen Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer erfmdungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheit wird aus der wie weiter oben bereits beschrieben bereitgestellten gießfähigen Mischung des magnetisierbaren Betons ein Formkörper hergestellt, in den die Primärspule insbesondere durch einen Gießvorgang eingebettet ist. Gemäß einer ersten Vorgehensweise wird zu diesem Zweck eine vorgefertigte Gießform vorgelegt, auf deren Boden eine vorgefertigte Spule beispielsweise aus mit einem elektrisch isolierenden Polymer-Schrumpfschlauch überzogenem Kupferrohr eingelegt wird. Vorteilhaft ist der Boden der Gießform durch entsprechende Vertiefungen so strukturiert, dass beim Gießvorgang zur Erzeugung des vorgesehenen ersten und zweiten Teilbereiches die Spule nicht vollständig, sondern nur zum Teil, zweckmäßig zu ca. 10 bis ca. 90 %, vorteilhaft ca. 25 bis 75 %, insbesondere zu ca. 40 bis 60 % der äußeren Oberfläche, günstig etwa zur Hälfte von dem magnetisierbaren Beton umgossen wird, während bei dem in den Vertiefungen befindlichen Teilvolumen der Spule die äußere Oberfläche - d.h. dem zweiten Teilbereich - von magnetisierbarem Beton freigehalten wird. Gemäß einer zweiten möglichen Vorgehensweise wird eine offene Gießform vorgelegt, deren Boden nicht strukturiert zu sein braucht, und mit der gießfähigen Mischung des magnetisierbaren Betons gefüllt. Auf die freie Oberfläche des noch fließfähigen Betons wird eine vorgefertigte, mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogene Spule aufgelegt und bis zur vorgesehenen Tiefe in die Mischung eingetaucht. Die Eintauchtiefe wird so gewählt, dass in einem ersten Teilbereich ca. 10 bis 90 &, vorteilhaft ca. 25 bis 75 %, insbesondere ca. 40 bis 60 %, günstig etwa die Hälfte der äußeren Spulenoberfläche in die Mischung eingetaucht. Bei Bedarf kann dann je nach der gewählten ersten oder zweiten Vorgehensweise direkt oder nach dem weitgehenden oder vollständigen Aushärten des magnetisierbaren Betons eine Deckschicht aus magnetisch inertem Beton aufgebracht werden, die den zweiten, von magnetisierbarem Beton freien Teilbereich der Spulenoberfläche umgibt.

Gemäß einer dritten möglichen Vorgehensweise wird analog der ersten möglichen Vorgehensweise die Spule in die Vertiefungen des Bodens der Gießform eingelegt, dann aber mit einer bereitgestellten Mischung eines magnetisch inerten Betons vergossen, und gegebenenfalls verdichtet, so dass nach dem Festwerden der Mischung, in der Regel durch Erhärten oder Erkalten, der gebildete Vorläuferformkörper den vorgesehenen zweiten, freien Teilbereich der Spulenoberfläche passgerecht umgibt, während der erste Teilbereich der Spulenoberfläche noch frei von Beton ist. Anschließend wird der Vorläuferformkörper gedreht und, ggf. in einer weiteren Gießform, bis zur gewünschten Dicke mit magnetisierbarem Beton übergossen, so dass nunmehr der erste Teilbereich der Spulenoberfläche formschlüssig von magnetisierbarem Beton umgeben ist.

Gemäß einer vierten möglichen Vorgehensweise wird analog der zweiten möglichen Vorgehensweise eine offene Gießform bis zur vorgesehenen Schichtdicke mit magnetisch inertem Beton gefüllt. Auf die freie Oberfläche des noch fließfähigen Betons wird eine vorgefertigte Spule aufgelegt und bis zu einer dem vorgesehenen zweiten Teilbereich der äußeren Spulenoberfläche entsprechenden Tiefe in diesen eingetaucht. Einmittelbar anschließend oder nach dem weitgehenden oder vollständigen Aushärten wird nunmehr bis zur vorgesehenen Schichtdicke magnetisierbarer Beton aufgegossen, und somit der erste Teilbereich der Spulenoberfläche formschlüssig von magnetisierbarem Beton umgeben.

Die vorstehend genannten ersten bis vierten möglichen Vorgehensweisen haben den Vorteil, dass sie die Herstellung der erfindungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheiten lokal getrennt vom späteren Einsatzort gestatten, beispielsweise an einer Fertigungsstätte, an der sich definierte Herstellungsbedingungen einstellen lassen. Somit wird es gegenüber einer Fertigung vor Ort möglich, diese Einheiten mit erhöhter Präzision und Reproduzierbarkeit bereitzustellen. Dadurch lassen sich diese Einheiten wie vielfach angestrebt in standardisierter Form bereitstellen.

Die erfmdungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheiten lassen sich mit besonderem Vorteil bei der induktiven Energieversorgung von elektrischen oder hybriden Transportmitteln, z.B. Straßen- oder schienengebundenen Fahrzeugen, Kleinfahrzeugen wie Fahrrädern, Elektrorollern, Rollstühlen oder in Gebäuden eingesetzten Zubringerfahrzeugen verwenden. Dabei ist es nicht zwingend vorgeschrieben, die erfmdungsgemäßen Übertrager- bzw. Empfängereinheiten in Kombination miteinander einzusetzen. Es ist auch möglich, mittels einer erfmdungsgemäßen Übertragereinrichtung beispielsweise mit einer herkömmlichen Empfängereinrichtung bestückte Fahrzeuge induktiv zu laden. Gleichermaßen ist es beispielsweise möglich, ein z.B. mit einer erfmdungsgemäßen Empfängereinrichtung bestücktes Fahrzeug mittels einer konventionellen Übertragereinrichtung induktiv zu laden. Bei der induktiven Wärmeerzeugung, z.B. bei Kochvorrichtungen, kommt nur eine erfindungsgemäße Übertragereinrichtung zum Einsatz. Als Empfängereinrichtung wirkt in diesem Fall der Boden des Kochgefäßes.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch im Querschnitt einen Formkörper 1 aus magnetisierbarem Beton sowie als Hohlleiter 2 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildete Windungen einer Spule 3, die an ihrer äußeren Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht 4 versehen ist. In einem ersten Teilbereich 5 befindet sich die äußere Oberfläche der Spule in mechanischem Kontakt mit dem Formkörper 1 aus magnetisierbarem Beton. Ein zweiter, freier Teilbereich 6 der äußeren Oberfläche liegt außerhalb des Bereichs, in dem mechanischer Kontakt zwischen dem Formkörper 1 aus magnetisierbarem Beton und der Spulenoberfläche besteht. In diesem Bereich kann die äußere Spulenoberfläche von einer Deckschicht 7 aus nicht magnetisierbarem Material, insbesondere magnetisch inertem Beton, umgeben sein. Beispielhaft sind von links nach rechts Ausführungsformen gezeigt, bei denen der erste Teilbereich 5 dem Wert von 30%, 50% oder 70% der äußeren Oberfläche der Spule entspricht. Figur 2 zeigt analog der in Figur 1 dargestellten Anordnung schematisch im Querschnitt einen Formkörper 1 aus magnetisierbarem Beton. In diesen ist eine Spule 3 eingebettet, die aus einem Hohlleiter 2 mit quadratischem Querschnitt gefertigt ist. Der Hohlleiter 2 ist an seiner äußeren Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht 4 überzogen. In einem ersten Teilbereich 5 sind 75 % der äußeren Oberfläche der Spule in mechanischem Kontakt mit dem Formkörper aus magnetisierbarem Beton. Der zweite, freie Teilbereich 6, der sich nicht in mechanischem Kontakt mit dem Formkörper aus magnetisierbarem Beton befindet, umfasst 25 % der äußeren Oberfläche der Spule. Bei dieser beispielhaft gezeigten Anordnung bilden die äußere Oberfläche des Formkörpers 1 und der zweite, freie Teilbereich der Spule eine Ebene. Dies ermöglicht es, die Deckschicht 7 beispielsweise in Form einer separat gefertigten Deckplatte aus nicht magnetisierbarem Beton aufzubringen. Die Deckschicht 7 kann aber z.B. auch durch Aufgießen einer Schicht aus nicht magnetisierbarem Beton auf den Formkörper 1 mit eingebetteter Spule 3 aufgebracht werden.

Figur 3 zeigt schematisch im Querschnitt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Übertragereinheit 8. In einen Formkörper 1 aus magnetisierbarem Beton sind die Windungen einer aus einem Hohlleiter gefertigten, kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Spule 3 in der Weise eingebracht, dass 50 % der äußeren Oberfläche der Spule in mechanischem Kontakt mit dem Formkörper sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nicht explizit dargestellt, dass die Spule an ihrer äußeren Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben ist. Auf den Formkörper 1 ist eine Deckschicht 7 aus nicht magnetisierbarem Beton aufgebracht, die die restlichen 50% der äußeren Oberfläche der Spule umgibt, so dass diese zur Hälfte von magnetisierbarem Beton, zur Hälfte von nicht magnetisierbarem Beton umgeben ist.

Die folgenden Ausführungsbeispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung und sind nicht im Sinne einer Beschränkung zu interpretieren.

Beispiel 1:

Für die Herstellung einer Übertragereinheit wurde eine spiralförmige Spule verwendet, die aus einem Kupferrohr (99,95 % Cu- Anteil) mit einem Außendurchmesser von 8 mm und einer Wandstärke von 1 mm gefertigt war, das mit einem Schrumpfschlauch aus elektrisch bis zu 1 kV isolierendem Polymer überzogen war. Als magnetisierbarer Beton wurde eine Mischung aus ca. 50 Masse-% weichmagnetischem Ferrit mir einer Körnung mit mittlerem Korndurchmesser 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 Ringkem; die Wärmeleitfähigkeit lag bei ca. 3 W/(m K), gemessen nach der Heizdrahtmethode.

Nun wurde die Spule in den mit passgerechten Vertiefungen strukturierten Boden einer Beton-Gießform eingelegt, und zwar derart, dass die äußere Spulenoberfläche mit ihrer oberen Hälfte in das Innere der Gießform hineinragte, während die untere Hälfte von den Vertiefungen formschlüssig umhüllt und in diesen fixiert war. Anschließend wurde die Gießform bis zur vorgesehenen Höhe (ca. 20 mm) mit dem magnetisierbaren Beton gefüllt, wobei sie leichten Vibrationen mittels Rüttelplatte unterworfen wurde, um die Verdichtung des Betons zu erleichtern und eine möglichst porenfreie Umhüllung der oberen Spulenhälfte und damit einen möglichst vollständigen mechanischen Kontakt zwischen Beton und halber Spulenoberfläche zu gewährleisten. Danach wurde der Beton aushärten gelassen und der entstandene Formkörper mit der darin zur Hälfte eingebetteten Spule entnommen.

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 abschließend der Formkörper spulenseitig mit einer ca. 15 mm dicken Deckschicht aus nicht magnetisierbarem Beton versehen und diese ebenfalls aushärten gelassen.

In einem mehrstündigen Testbetrieb wurde die erhaltene Übertragereinheit mit einer Wechsel Spannung von 300 V und einer Frequenz von 85 kHz beaufschlagt. Die Temperatur der Hohlleiterspule blieb dabei stets unterhalb des allgemein als noch zulässig geltenden Grenzwertes von 70 °C.