Kurzfassung:

Die Erfindung betrifft die Ausbildung eines elektrischen Resonanzelementes, das von einem Wechselstrom gespeist wird und damit ein sich räumlich ausbreitendes magnetisches Wechselfeld erzeugt, um elektrische Leistung berührungsfrei zwischen einem Erzeugersystem und einem Verbrauchersystem bidirektional auszutauschen.

Kennzeichnende Eigenschaft des Resonanzelementes ist, dass keine externen Kondensatoren erforderlich sind und dass die zugeführte elektrische

Erzeugerleistung und die abgenommene elektrische Verbraucherleistung hauptsächlich aus der übertragenen Wirkleistung bestehen. Blindleistungen sind nur innerhalb des Resonanzelementes vorhanden.

Beschreibung der Erfindung

Anordnungen und Verfahren zur berührungsfreien induktiven Übertragung elektrischer Leistung sind bekannt. Anwendungen für die berührungsfreie induktive Übertragung elektrischer Leistung sind Transport- oder

Verkehrssysteme, bei denen eine Stromzuführung über Kabel oder

Stromschienen nicht möglich ist. Allen bislang bekannten Anordnungen ist gemein, dass auf der Erzeugerseite eine Leiteranordnung von einem Wechselstrom gespeist wird und hierdurch ein räumlich ausgebreitetes magnetisches Wechselfeld entsteht.

Das magnetische Wechselfeld induziert eine Spannung in eine auf der

Verbraucherseite vorgesehene zweite Leiteranordnung, welche zur

Leistungsübertragung genutzt wird. Die auf der Erzeugerseite und auf der Verbraucherseite vorgesehenen Leiteranordnungen bilden ein System schwach magnetisch gekoppelter Spulen, welche zu einem großen Teil mit Blindleistung beansprucht werden. Je nach räumlichem Abstand zwischen den beiden Leitersystemen, kann die Blindleistung sogar ein Vielfaches der Wirkleistung betragen.

Allen verwendeten Anordnungen ist weiterhin gemein, dass die auftretenden Blindleistungen durch diskrete Kondensatoren kompensiert werden, welche in Reihenschaltung oder Parallelschaltung zu den Leiteranordnungen angeordnet sind .

Je nach Größe der Blindleistung und der damit auftretenden Spannung an den zur Kompensation dienenden Kondensatoren, ist es erforderlich einen oder mehrere Kondensatoren einzusetzen. Jeder Kondensator ist dabei elektrisch mit der zur Leistungsübertragung genutzten Leiteranordnung zu verbinden.

Sofern zur Blindleistungskompensation zusätzliche Kondensatoren verwendet werden, so weisen diese Systeme die nachfolgend aufgeführten Nachteile auf:

• Notwendigkeit elektrischer Zuleitungen von den Leiteranordnungen zur Leistungsübertragung zu diskreten Kondensatoren welche zur

Kompensation von Blindleistung dienen,

• Ausbildung zusätzlicher Magnetfelder durch die Kondensator-Zuleitungen, wobei diese Zusatz-Magnetfelder keinen Beitrag zur eigentlichen

Leistungsübertragung liefern, sich aber störend auf die

Magnetfeldbelastung des Umfeldes auswirken können,

• erhöhte Anforderungen an Gewicht und Volumen der Gesamtanordnung zur berührungsfreien induktiven Übertragung elektrischer Leistung, • erhöhte Material- und Herstellkosten durch den Verbau von Kondensatoren.

Aus DE 102004009896 AI ist ein System zur berührungslosen

Energieübertragung bekannt, bei dem die langgestreckte Primärleiterschleife durch eine koaxiale Leiteranordnung gebildet ist, bei der der Innen- und der Außenleiter von einem gleichgerichteten Strom durchflössen ist. Mittels des zwischen dem Innen- und der Außenleiter angeordneten Dielektrikums bilden die Innen- und der Außenleiter Kapazitäten, die zur Kompensation der

Blindleistung dienen.

Nachteilig bei dem aus DE 102004009896 AI bekannten Primärleiterkabel ist, dass es aufgrund der koaxialen Anordnung nicht für kleine lokale

Energieübertragungsstationen geeignet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Element für ein

berührungsloses Energieübertragungssystem bereitzustellen, welches kleiner baut und sich auch für kleine lokale Energieübertragungsstationen eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem elektrischen Resonanzelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte

Ausführungsformen des Resonanzelementes nach Anspruch 1 ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.

Der beschriebenen Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die

Leiteranordnungen zur Leistungsübertragung spiralförmig und mittels elektrisch leitender Flachbänder auszuführen, welche durch ein Dielektrikum zueinander beabstandet sind, so dass sie wenig Platz benötigen und inhärent auch die Kapazitäten zur Kompensation der Blindleistung aufweisen und damit weitere Kondensatoren zur Blindleistungskompensation entweder gar nicht oder nur in sehr geringem Umfang zur Justage der Resonanzfrequenz des Resonanzelementes erforderlich sind .

Durch die vorteilhafte Verwendung von Flachbändern, kann das

erfindungsgemäße Resonanzelement einfach hergestellt werden. So ist es möglich, dass zwischen die elektrisch leitenden Flachbänder als Leiter

Flachbänder aus dielektrischem Material gelegt werden, wobei dann alle Flachbänder spiralförmig aufgewickelt werden. Ebenso ist es möglich, einseitig und/oder beidseitig mit dielektrischem Material beschichtete elektrische Flachbänder zu verwenden, so dass beim spiralförmigen Aufwicklungsprozess weniger Flachbänder verarbeitet werden müssen.

Nach dem Aufwicklungsprozess kann es notwendig sein, die Resonanzfrequenz des Resonanzelementes einzustellen. Dies kann durch zusätzliche Beschaltung mittels Kondensatoren oder durch nachträgliches Verringern der Breite des spiralförmig aufgewickelten Resonanzelementes erfolgen. Das Verringern der Breite des Resonanzelementes kann durch Abschneiden mittels einer

Schneidvorrichtung oder durch einen Abschleifprozess erfolgen. Sofern es dabei zu elektrischen Kurzschlüssen kommt, so können diese durch einen durch das Resonanzelement fließenden hohen Strom weggebrannt werden.

Das aufgewickelte und justierte Resonanzelement kann danach vorteilhaft in eine Vergussmasse eingegossen und/oder in einem Gehäuse angeordnet werden, wobei in der Vergussmasse oder dem Gehäuse noch weitere

Komponenten des Energieübertragungssystems mit angeordnet werden können.

Das von außen elektrisch gespeiste Resonanzelement bildet somit eine in sich geschlossene Funktionskomponente mit der Eigenschaft ein räumliches Magnetfeld aufzubauen und die für das Magnetfeld erforderliche Blindleistung in sich zu kompensieren. Hierdurch ist es möglich, die elektrische Speisung des Resonanzelements im Idealfall für die reine zu übertragene Wirkleistung auszulegen.

Aus dieser Eigenschaft ergeben sich für die beschriebene Erfindung folgende vorteilhafte Merkmale :

• Entfall von elektrische Zuleitungen von den Leiteranordnungen zur

Leistungsübertragung zu diskreten Kondensatoren, welche zur

Kompensation von Blindleistung dienen; • keine Ausbildung zusätzlicher Magnetfelder durch die Kondensator- Zuleitungen und damit keine zusätzliche Magnetfeldbelastung des

Umfeldes;

• verringerte Anforderungen an Gewicht und Volumen der Gesamtanordnung zur berührungsfreien induktiven Übertragung elektrischer Leistung;

• verringerte Material- und Herstellkosten durch den Entfall zusätzlicher Kondensatoren.

Erfindungsgemäß wird die Kompensation der Blindleistung innerhalb des Resonanzelementes dadurch erreicht, dass die geometrische Anordnung der von einem Wechselstrom durchflossenen Leiter des Resonanzelementes zur Ausbildung eines räumlich verteilten Magnetfeldes führt. Jeder Leiter besteht aus mindestens zwei benachbarten Einzelleitern, die parallel miteinander verlaufen, zueinander aber isoliert sind . Beide Einzelleiter führen einen Strom in gleicher Richtung, so dass sich die von den Einzelleitern erzeugten räumlichen Magnetfelder in gleicher Weise addieren. Die zwischen den benachbarten Einzelleitern wirksame Kapazität ist in Reihenschaltung zu der von beiden Einzelleitern gebildeten Induktivität zu verstehen und dient zur Kompensation der Blindleistung . Das erfindungsgemäße Resonanzelement kann bei der induktiven Leistungsübertragung vorzugsweise sowohl für das Erzeugersystem, als auch für das Verbrauchersystem, z. B. in einer Pickup, Anwendung finden. Das Erzeugersystem kann z. B. in einem Gehäuse angeordnet sein, welches auf eine Fahrbahn oder auf den Boden eines

Parkplatzes oder einer Garage gelegt bzw. montiert wird .

Nachfolgend werden verschiedene mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Resonanzelementes anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen :

Fig. 1 : eine erste mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Resonanzelementes mit zwei parallel zueinander und spiralförmig aufgewickelten Einzelleitern, welche durch ein Dielektrikum zueinander beabstandet sind; Fig. la : Querschnittsdarstellung durch das Resonanzelement gemäß Figur 1;

Fig. 2 : Ersatzschaltbild des Resonanzelementes gemäß Figur 1;

Fig. 3 : zweite mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Resonanzelementes mit jeweils zwei parallelen Doppelleitern die verzahnt ineinander greifen;

Fig. 4: dritte mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Resonanzelementes mit jeweils unterbrochenen Einzelleitern;

Fig. 5 : Darstellung eines möglichen Kalibrierungsvorganges zur Einstellung einer vorgegebenen Resonanzfrequenz, wobei die die Anschlüsse bildenden Enden der Einzelleiter aufgerollt bzw. gekürzt werden;

Fig. 6: Darstellung eines möglichen Kalibrierungsvorganges zur Einstellung einer vorgegebenen Resonanzfrequenz mittels zusätzlicher diskreter Kapazitäten;

Fig. 7 : kurzgeschlossenes erfindungsgemäßes Resonanzelement, welches als Parallelschwingkreis wirkt, und das mit einer Koppelwicklung induktiv zu Aus- bzw. Einkopplung von Wirkstrom gekoppelt ist;

Fig. 8a-d : Querschnittsdarstellungen möglicher Ausbildungen der Teilleiter und des daraus entstehenden Resonanzelementes;

Fig. 9 : alternative Ausbildung des Resonanzelementes, das durch elektrisch leitende Flachbänder und Flachbänder aus dielektrischem Material gebildet ist;

Fig. 10 : in eine Vergussmasse eingegossenes Resonanzelement.

Die Figur 1 zeigt ein Resonanzelement 1 bestehend aus zwei voneinander isolierten Leitern la, lb, welche räumlich parallel verlaufen und magnetisch sowie elektrisch miteinander gekoppelt sind.

Grundsätzlich sind beliebige geometrische Querschnitte für die Leiter la, lb möglich, vorzugsweise sind jedoch elektrisch leitfähige Bänder der Dicke d und der Breite b vorzusehen. Die Dicke d und die Breite b der Leiter la, lb kann entsprechend der erforderlichen Stromtragfähigkeit gewählt werden. Die Breite der Leiter la, lb hat zudem einen Einfluss auf die zwischen den Leitern la, lb wirksame Kapazität.

Die Figur 1 zeigt mit einer Querschnittsdarstellung durch das Resonanzelement gemäß Figur 1 dessen Schichtaufbau, bestehend aus den Leitern la, lb und den jeweils dazwischen angeordneten dielektrischen Schichten 10. Die

Schichtdicke des Dielektrikums sowie dessen Dielektrizitätskonstante ε _Γ ist abhängig von der vorgegebenen Resonanzfrequenz, der Breite b sowie der Länge der elektrischen Leiter la und lb und entsprechend zu wählen.

Die herausgeführten Enden der Leiter la, lb bilden die Anschlüsse AI und A2 des Resonanzelementes.

Die geometrische Form des Resonanzelementes kann beliebige

zweidimensionale oder dreidimensionale Formen annehmen. In Figur 1 und in den folgenden Figuren ist beispielhaft eine runde planare Anordnung

dargestellt.

Ein elektrischer Wechselstrom 3 fließt in den Leiter la hinein und fließt aus dem Leiter lb heraus. Das elektrische Feld zwischen den Leitern la, lb bildet eine Kapazität. Die Summe der Teilströme in dem Leiter la und in dem Leiter lb ist an jeder Stelle der Doppelleiteranordnung von Abb. 1 konstant und bildet stets den Gesamtstrom 3 (siehe Figur 2). Das durch die in den Leitern la, lb fließenden Teilströmeft entstehende räumliche Magnetfeld wird für die berührungsfreie induktive Energieübertragung von dem dargestellten

Erzeugersystem auf ein nicht dargestelltes Verbrauchersystem genutzt. Das Leitersystem la, lb bildet aufgrund des durch den Strom 3 entstehenden räumlichen Magnetfeldes eine Induktivität. Erzeugersystem und

Verbrauchersystem befinden sich in einem gewissen vertikalen und/oder horizontalen Abstand zueinander und sind magnetisch miteinander gekoppelt. Elektrisch handelt es sich bei dem Resonanzelement um eine Reihenschaltung aus Kapazität und Induktivität, welche ein Resonanzverhalten aufweist. Werden die Anschlüsse für die Stromzuführung in Leiter la und für den Stromaustritt aus Leiter lb miteinander elektrisch verbunden, zeigt das Resonanzelement 1 das Verhalten eines Parallelschwingkreises. Sofern der gebildete Parallelschwingkreis mit anderen Bauteilen diskret verschaltet werden soll, so ist ein weiterer Mittenabgriffsanschluss notwendig, welcher z. B. durch Einlegen einer Anschlussfahne in die aufgerollten Leiter la, lb gebildet werden kann .

Die Figur 2 zeigt die prinzipielle Aufteilung des dem Leiter la zugeführten Stromes 3 auf die beiden Leiter la, lb. Längs jedes Leiterelements mit der Teillänge dx ist die Teilkapazität 4a wirksam. Sie führt den Teilstrom 3a von Leiter la an Leiter lb. Innerhalb der Länge dx verringert sich in Leiter la der Strom um jeweils den Teilstrom 3a (beispielsweise von I-dl auf I-2dI), der Strom in Leiter lb erhöht sich seinerseits innerhalb jedes Streckenabschnitts dx um den entsprechenden Wert 3a - beispielsweise von dl auf 2dl. Die Summe der Ströme in den beiden Leitern la, lb, dies sind die Ströme 3a + 3b bzw. 3c + 3d, ist damit längs der gesamten Leiterlänge an jeder Stelle konstant.

Die Figur 3 zeigt eine Variante des Resonanzelementes bei der der Einzelleiter la aus zwei elektrisch miteinander verbundenen Subteilleitern I Ia, 12a und der Einzelleiter l b aus zwei elektrisch miteinander verbundenen Subteilleitern I Ib, 12b besteht. Durch diese Verschaltung kann sowohl die

Stromtragfähigkeit der Einzelleiter la, lb als auch die Kapazität zwischen den Einzelleitern la, lb variiert werden . Prinzipiell können die beiden Teilleiter la und lb aus jeweils beliebig vielen parallelen Subteilleitern aufgebaut werden .

Die Figur 4 zeigt eine Variante des Resonanzelementes, bei der die

voneinander isolierten Einzelleiter la, lb jeweils in Stromrichtung an den Trennstellen 13, 14 unterteilt sind . Die Teilabschnitte der Einzelleiter la, lb sind zueinander überlappend angeordnet, so dass sich zwischen den

Einzelleitern la, lb eine Reihenschaltung von Teilkapazitäten ergibt. Hierdurch erfolgt einerseits eine Aufteilung der an dem Resonanzelement insgesamt auftretenden Spannung auf mehrere Teilspannungen . Je Teilkapazität folgt hieraus eine entsprechend geringere Spannungsbelastung . Es können am Umfang verteilt beliebig viele l ....n elektrische Unterteilungen vorgesehen werden.

Die Figur 5 zeigt eine Variante zur Änderung der Resonanzfrequenz des

Resonanzelementes durch Veränderung der Teilkapazitäten durch

geometrisches Verkürzen 17, 18 der Teilleiter an einem und /oder beiden Enden der Teilwicklungen la, lb.

Die Figur 6 zeigt eine Variante zur Änderung der Resonanzfrequenz des

Resonanzelementes durch Hinzufügen von Teilkapazitäten 15, 16 an einem und /oder beiden Enden der Teilwicklungen la, lb. Die Teilkapazitäten können diskrete elektronische Bauelemente sein, oder aber aus ausgedehnten planen elektrisch leitenden und mittels eines Dielektrikums auf Abstand gehaltenen Folien bestehen.

Die Figur 7 zeigt eine Variante bei der durch elektrische Verbindung der Teilleiter la, lb das Verhalten des Resonanzelementes 1 dem eines

Parallelschwingkreises entspricht. Die Ein- bzw. Auskopplung erfolgt durch einen weiteren Leiter 2, der induktiv mit dem Resonanzelement 1 gekoppelt ist und mit dem Wirkstrom 3e beaufschlagt wird . In dem Erzeugersystem ist der Strom 3e der zugeführte Wirkstrom, in dem Verbrauchersystem ist 3e der entnommene Wirkstrom.

Die Figuren 8a und 8c zeigen mögliche Ausbildungen der verwendeten elektrisch leitenden Flachbänder, welche die Leiter la, lb bzw. die oben beschriebenen Subteilleiter bilden. Die Figur 8a zeigt eine Ausbildung, bei der das elektrisch leitende Flachband la bzw. lb an seiner einen flachen Seite mit einer Schicht 10a bzw. 10b aus dielektrischem Material beschichtet ist. Die Figur 8c zeigt eine Ausbildung, bei der das elektrisch leitende Flachband la bzw. lb auf beiden flachen Seite mit einer Schicht 10a bzw. 10b aus

dielektrischem Material beschichtet ist.

Die Figur 8b zeigt einen Schichtaufbau des erfindungsgemäßen

Resonanzelementes, welches sich bei Verwendung der in Figur 8a

dargestellten Flachbänder ergibt. Durch nachträgliches Verringern der Breite b auf die Breite b ^' kann die Resonanzfrequenz des Resonanzelementes verändert und damit kalibriert werden.

Die Figur 8d zeigt den Schichtaufbau, wie er sich bei Verwendung der in Figur 8c dargestellten Flachbänder ergibt.

Die Figur 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der die dielektrischen Schichten durch Flachbänder BD aus dielektrischem Material gebildet sind, welche zwischen den elektrisch leitenden und die Leiter la, lb bildenden Flachbänder gelegt sind.

Die Figur 10 zeigt eine Ausführungsform des Resonanzelements, welches in einer Vergussmasse G eingegossen ist, so dass die Flachbänder zueinander in Position gehalten sind .

Es ist selbstverständlich auch möglich, dass die einzelnen verwendeten Flachbänder, wie sie beispielhaft in den Figuren 8a-8c und Figur 9 dargestellt sind, miteinander verklebt werden.