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Die
Erfindung geht aus von einer Energieübertragungseinheit nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es
ist eine Energieübertragungseinheit
bekannt, die zur schnurlosen Versorgung von Elektrogeräten mit
elektrischer Energie dient. Diese kann beispielsweise im Küchenbereich
unterhalb einer Arbeitsplatte integriert werden und mittels eines
induktiven Übertragens
ein auf der Arbeitsplatte aufgelegtes Elektrogerät versorgen. Hierzu weist die
Energieübertragungseinheit
eine Primärwicklung
auf, mittels der eine Spannung in einer geräteseitigen Sekundärwicklung
induziert wird. Diese Spannung wird als Betriebsspannung des Geräts genutzt.
Außerdem
wird die Betriebsspannung geräteseitig
erfasst und an ein Empfangselement der Energieübertragungseinheit übertragen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, die gattungsgemäßen Energieübertragungseinheiten
weiterzuentwickeln, und zwar insbesondere hinsichtlich einer Reduzierung
von Herstellungskosten.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
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Die
Erfindung geht aus von einer Energieübertragungseinheit umfassend
eine Primäreinheit, die
ein Felderzeugungsmittel aufweist, das zur Übertragung einer Energie an
ein Feldempfangsmittel einer Sekundäreinheit mittels eines Übertragungsfeldflusses
vorgesehen ist, und ein Erfassungsmittel zur Erfassung einer Sekundärspannungskenngröße.
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Es
wird vorgeschlagen, dass das Erfassungsmittel zur Erfassung der
Sekundärspannungskenngröße mittels
eines mit zumindest dem Erfassungsmittel und dem Feldempfangsmittel
verketteten Erfassungsfeldflusses vorgesehen ist. Dadurch können besonders
kostengünstige,
gängige
Erfassungsmittel zur Erfassung der Sekundärspannungskenngröße eingesetzt
werden. Das Felderzeugungsmittel weist vorzugsweise einen Übertra gungsbereich
auf. Dabei kann die Sekundäreinheit
zu einem Zusammenwirken mit der Primäreinheit in dem Übertragungsbereich
angeordnet werden. Außerdem
ist die Sekundäreinheit
vorteilhafterweise vom Übertragungsbereich
trennbar. Die Sekundäreinheit
kann als Spannungsversorgungseinheit zur Versorgung eines elektrischen
Verbrauchers, wie z.B. eines Elektrogeräts, ausgebildet sein. Dabei
kann die Sekundäreinheit
in einem elektrischen Verbraucher integriert werden. Der elektrische
Verbraucher kann als ein Elektrogerät, insbesondere im Haushaltsbereich,
ausgebildet sein. Außerdem
kann die Sekundäreinheit selbst
als elektrischer Verbraucher ausgebildet sein. Die Energieübertragungseinheit
kann vorzugsweise unterhalb einer Fläche montiert werden, wie z.B.
einer Arbeitsplatte im Küchenbereich
oder einer Arbeitsfläche
in einem Werk, wobei die Sekundäreinheit
zu einem Zusammenwirken mit der Primäreinheit an die Fläche angeordnet
werden kann. Die Energieübertragungseinheit
kann außerdem
in einen Induktionsherd integriert werden, wobei die Sekundäreinheit
z.B. als Kochgeschirr ausgebildet ist. Ferner kann die Energieübertragungseinheit
zu einer Anwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Unter
einer "Sekundärspannungskenngröße" soll insbesondere
eine Kenngröße verstanden
werden, die dazu dient, eine durch den Übertragungsfeldfluss in der
Sekundäreinheit
erzeugte Sekundärspannung zumindest
zu berücksichtigen.
Beispielsweise kann die Sekundärspannungskenngröße zu einer
Steuerung der Primäreinheit
und/oder zu einer Ausgabe der Sekundärspannung an einen Bediener
oder an eine Recheneinheit ausgewertet werden. Ferner soll unter
einem "Übertragungsfeldfluss" insbesondere ein
Fluss eines vom Felderzeugungsmittel erzeugten magnetischen und/oder
elektrischen Übertragungsfelds
verstanden werden. Unter einem "Übertragungsbereich" des Felderzeugungsmittels
kann eine Reichweite der vom Felderzeugungsmittel durch eine Felderzeugung
getriebenen Energieübertragung
verstanden werden. Insbesondere kann darunter ein Bereich verstanden
werden, innerhalb dessen die Sekundäreinheit vorzugsweise mindestens
70%, vorteilhaft wenigstens 90% und besonders vorteilhaft zumindest
95% der durch das Felderzeugungsmittel zur Verfügung gestellten Energie empfangen
kann.
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Eine
konstruktiv einfache Ausgestaltung der Energieübertragungseinheit kann außerdem erreicht werden,
wenn der Erfassungsfeldfluss der Übertragungsfeldfluss ist.
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Vorteilhafterweise
ist das Erfassungsmittel in der Primäreinheit angeordnet. Es kann
dadurch auf ein Erfassungsmittel zur Erfassung der Sekundärspannungskenngröße in der Sekundäreinheit
sowie auf ein Übertragungselement
zum Rückkoppeln
der Sekundärspannungskenngröße an die
Energieübertragungseinheit
verzichtet werden, wodurch weitere Kosten eingespart werden können. Ist
das Erfassungsmittel von der Primäreinheit getrennt ausgeführt, kann
zum Erreichen einer hohen Empfindlichkeit das Erfassungsmittel in
einem Übertragungsbereich
des Felderzeugungsmittels angeordnet sein.
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Vorzugsweise
ist das Felderzeugungsmittel zur induktiven Übertragung der Energie an das
Feldempfangsmittel vorgesehen. Dadurch kann ein bestehendes, gängiges Felderzeugungsmittel,
z.B. eine Wicklung, zur Energieübertragung
eingesetzt werden. Das Felderzeugungsmittel der Primäreinheit und
das Feldempfangsmittel der Sekundäreinheit können dabei vorteilhafterweise
einen trennbaren Transformator bilden. Es kann bei der Energieübertragung
eine Spannung der Primäreinheit
in eine Sekundärspannung
der Sekundäreinheit
unterschiedlichen Werts transformiert werden, wodurch ein zusätzlicher
Transformator für
die Sekundäreinheit
oder einen an die Sekundäreinheit
angeschlossenen elektrischen Verbraucher eingespart werden kann.
Alternativ kann eine Spannung der Primäreinheit ohne Transformation
in der Sekundäreinheit
induziert werden. Dabei kann diese Spannung eine Netzspannung (z.B.
220 V oder 230 V) sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Erfassungsmittel zur
induktiven Erfassung der Sekundärspannungskenngröße vorgesehen
ist. Dadurch kann ein besonders kostengünstiges, gängiges Erfassungsmittel eingesetzt
werden. Dies ist ferner besonders vorteilhaft, wenn die Energieübertragungseinheit
zur induktiven Übertragung
der Energie an die Sekundäreinheit
vorgesehen ist. Die Sekundärspannungskenngröße ist vorzugsweise
als eine Spannung ausgebildet, die im Erfassungsmittel durch den
Erfassungsfeldfluss induziert wird. Ist der Erfassungsfeldfluss
vom Übertragungsfeldfluss
gebildet, kann einfach, mit einer kompakten Bauweise eine Verkettung des Übertragungsfeldflusses
mit dem Erfassungsmittel erreicht werden, wenn dem Erfassungsmittel
und dem Felderzeugungsmittel ein gemeinsamer ferromagnetischer Kern,
wie z.B. ein Eisenkern, zugeordnet ist. In einer alternativen Ausführungsvariante kann
das Erfassungsmittel vorteilhaft zur kapazitiven Erfassung der Sekundärspannungskenngröße vorgesehen
sein, wobei der Erfassungsfeldfluss vorzugsweise der Fluss eines
elektrischen Felds ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die
Energieübertragungseinheit
zur kapazitiven Übertragung
der Energie vorgesehen ist, wobei der Übertragungsfeldfluss als elektrischer
Feldfluss ausgebildet ist. Hierbei kann die Energieübertragungseinheit
zur Energieübertragung
an eine als Ladegerät
ausgebildete Sekundäreinheit
dienen.
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Ist
das Erfassungsmittel als Wicklung ausgebildet, können vorteilhaft ein geringer
Herstellungsaufwand und niedrige Herstellungskosten erzielt werden.
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Es
wird außerdem
vorgeschlagen, dass das Erfassungsmittel das Felderzeugungsmittel
umgibt. Dadurch kann eine hohe Empfindlichkeit des Erfassungsmittels
erreicht werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Felderzeugungsmittel
als Primärwicklung
ausgebildet ist, welche in einer Wicklungsebene gewickelt ist, und
dass das Erfassungsmittel die Primärwicklung in der Wicklungsebene
umschließt.
Dadurch kann eine besonders kompakte, Platz sparende Ausgestaltung
der Energieübertragungseinheit
erreicht werden. Beispielsweise ist die Primärwicklung in der Wicklungsebene als
Spiralwicklung ausgebildet. Dadurch kann insbesondere eine hohe
Induktivität
der Primärwicklung Platz
sparend erzielt werden.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Sekundärspannungskenngröße eine
Kleinspannung ist, wodurch eine einfache Auswertung der Sekundärspannungskenngröße mittels
kostengünstiger,
gängiger
Auswertemittel erreicht werden kann. Ist das Feldempfangsmittel
als Sekundärwicklung
ausgebildet, weist hierzu die Wicklung eine Anzahl von Windungen
auf, die kleiner als die Windungszahl der Sekundärwicklung ist. Besonders vorteilhaft
kann die Wicklung von einer einzigen Windung gebildet sein, wodurch
eine besonders kleine, zu einer einfachen Auswertung angepasste
Spannung erzeugt werden kann. Unter einer "Kleinspannung" kann in diesem Zusammenhang insbesondere
eine Spannung verstanden werden, die höchstens 50 V beträgt.
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Vorteilhafterweise
dient die Sekundärspannungskenngröße als Regelgröße zum Regeln
einer durch den Übertragungsfeldfluss
erzeugten Sekundärspannung
der Sekundäreinheit.
Dadurch kann eine besonders effektive, an einer Anwendung der Sekundäreinheit
angepasste Energieübertragung durch
die Energieübertragungseinheit
erreicht werden. Hierzu ist das Erfassungsmittel vorzugsweise mit
einer Steuereinheit der Primäreinheit
zum Steuern des Felderzeugungsmittels verbunden. Beispielsweise
ist die Steuereinheit als Stromerzeugungseinheit, wie z.B. als Wechselrichter,
ausgebildet, die zur Versorgung des Felderzeugungsmittels mit einem
Strom dient.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird
die Merkmale zweckmäßigerweise auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 eine
in einer Arbeitsplatte integrierte Energieübertragungseinheit mit einer
Primäreinheit und
einen auf der Arbeitsplatte angeordneten elektrischen Topf mit einer
Sekundäreinheit,
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2 eine
schematische Darstellung der Primäreinheit, der Sekundäreinheit
und eines Erfassungsmittels und
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3 eine
Schnittdarstellung der Primäreinheit
und der Sekundäreinheit
mit Wicklungen und einem Eisenkern.
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1 zeigt
einen als elektrischen Topf ausgebildeten elektrischen Verbraucher 10.
Dieser weist einen Grundkörper 12 mit
einem Deckel und Griffen sowie eine als Antriebseinheit ausgebildete
Sekundäreinheit 14 mit
einem Bedienelement 16 zur Einstellung einer Heiztemperatur
auf. Der elektrische Verbraucher 10 ist auf einer Arbeitsfläche 18 einer Arbeitsplatte 20 angeordnet.
Unterhalb der Arbeitsfläche 18 ist
eine Energieübertragungseinheit 22 in der
Arbeitsplatte 20 montiert. Diese weist ein Gehäuse 24 mit
einem Betätigungselement 26 zum
Ein- und Ausschalten der Energieübertragungseinheit 22 auf. Ferner
umfasst die Energieübertragungseinheit 22 eine
Primäreinheit 28,
welche ein als Primärwicklung ausgebildetes
Felderzeugungsmittel 30 und eine Stromerzeugungseinheit 32 zur
Versorgung des Felderzeugungsmittels 30 mit einem Wechselstrom 34 aufweist
(2). Die Stromerzeugungseinheit 32 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
als Wechselrichter ausgebildet. Das als Primärwicklung ausgebildete Felderzeugungsmittel 30 ist
in Form einer Spiralwicklung gewickelt. Im Betrieb der Energieübertragungseinheit 22 und
des elektrischen Verbrauchers 10 wird das Felderzeugungsmittel 30 mit
dem Wechselstrom 34 gespeist und erzeugt ein als magnetisches
Wechselfeld ausgebildetes Übertragungsfeld.
Mittels eines Übertragungsfeldflusses 36 dieses Übertragungsfelds
(siehe 2) überträgt das Felderzeugungsmittel 30 durch
Induktion Energie an ein in einem auf der Arbeitsfläche 18 gezeichneten Übertragungsbereich 38 angeordnetes
Feldempfangsmittel 40, welches Bestandteil der als Antriebseinheit
ausgebildeten Sekundäreinheit 14 ist.
Das Feldempfangsmittel 40 ist als Sekundärwicklung
ausgebildet, die in Form einer Spiralwicklung gewickelt ist. Der Übertragungsbereich 38 ist
mittels einer Linie 42 auf der Arbeitsfläche 18 gezeichnet.
Im Feldempfangsmittel 40 wird durch den Übertragungsfeldfluss 36 eine
Sekundärspannung
VB induziert (2), die
als Betriebsspannung für
einen Betrieb des elektrischen Verbrauchers 10 genutzt
wird. Der elektrische Verbraucher 10 kann nach einer Anwendung
vom Übertragungsbereich 38 entfernt
und abgestellt werden, wodurch die Sekundäreinheit 14 mit dem
Feldempfangsmittel 40 vom Übertragungsbereich 38 getrennt
wird. In den Übertragungsbereich 38 können dann
weitere elektrische Verbraucher gebracht werden, wie z.B. eine Kaffeemaschine,
ein Mixer, ein Ladegerät,
eine Friteuse, ein Toaster, ein Wasserkocher usw., die jeweils eine
Sekundäreinheit
mit einem Feldempfangsmittel aufweisen und von einem drahtlosem
Zusammenwirken des jeweiligen Feldempfangsmittels mit der Primäreinheit 28 eine
Betriebsenergie beziehen.
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In 2 ist
eine schematische Darstellung der Primäreinheit 28 und der
Sekundäreinheit 14 zu sehen.
Zu erkennen sind die als Wechselrichter ausgebildete Stromerzeugungseinheit 32,
das Felderzeugungsmittel 30 der Primäreinheit 28 und das Feldempfangsmittel 40 der
Sekundäreinheit 14.
Der Übertragungsbereich 38 des
Felderzeugungsmittels 30 ist durch eine gestrichelte Linie
dargestellt. Das Felderzeugungsmittel 30 wird im Betrieb
mit dem Wechselstrom 34 durch die Stromerzeugungseinheit 32 gespeist
und erzeugt dabei den Übertragungsfeldfluss 36,
welcher induktiv die Sekundärspannung
VB im als Sekundärwicklung ausgebildeten Feldempfangsmittel 40 erzeugt.
Der Übertragungsfeldfluss 36 ist
durch eine gestrichelte Linie schematisch dargestellt. Dieser Übertragungsfeldfluss 36 ist
ein mit dem Felderzeugungsmittel 30 und dem Feldempfangsmittel 40 verketteter
magnetischer Hauptfluss. Neben diesem Hauptfluss kann vom Felderzeugungsmittel 30 und/oder
vom Feldempfangsmittel 40 ein Streufluss erzeugt werden,
welcher nur mit dem Felderzeugungsmittel 30 bzw. mit dem
Feldempfangsmittel 40 verkettet ist und daher zur Energieübertragung
zwischen der Primäreinheit 28 und
der Sekundäreinheit 14 nicht
beiträgt.
Die Sekundärspannung
VB dient als Betriebsspannung zur Versorgung
einer durch einen ohmschen Widerstand schematisch dargestellten
Last 44, die in diesem Ausführungsbeispiel als Heizkörper zum
Heizen einer im elektrischen Topf angeordneten Speise ausgebildet ist.
Das Felderzeugungsmittel 30 der Primäreinheit 28 und das
Feldempfangsmittel 40 der Sekundäreinheit 14 bilden
jeweils eine Transformatorhälfte
eines schematisch dargestellten Transformators 46. Ferner weist
die Primäreinheit 28 eine
Regelungsvorrichtung 48 auf, die mit der Stromerzeugungseinheit 32 verbunden
ist. Diese Regelungsvorrichtung 48 dient dazu, die in der
Sekundäreinheit 14 induzierte
Sekundär spannung
VB zu regeln. Hierzu wird eine Sekundärspannungskenngröße VR, welche von der Sekundärspannung VB abhängt, durch
ein Erfassungsmittel 50 der Primäreinheit 28 erfasst.
Das Erfassungsmittel 50 ist als Wicklung ausgebildet. Der Übertragungsfeldfluss 36 ist
zusätzlich
als Erfassungsfeldfluss ausgebildet, welcher zur Erfassung der Sekundärspannungskenngröße VR dient und hierzu mit dem Erfassungsmittel 50 und
dem Feldempfangsmittel 40 verkettet ist. Zur Erfassung
der Sekundärspannungskenngröße VR nutzt nämlich
das Erfassungsmittel 50 den mit dem Felderzeugungsmittel 30 und
dem Feldempfangsmittel 40 verketteten Übertragungsfeldfluss 36 aus.
Der Übertragungsfeldfluss 36 ist
hierbei zusätzlich
mit dem Erfassungsmittel 50 verkettet. Die als Spannung
ausgeführte
Sekundärspannungskenngröße VR ist nach dem bekannten und hier nicht weiter
betrachteten Faraday'schen
Induktionsgesetz proportional zur Abnahmegeschwindigkeit des Übertragungsfeldflusses 36. Wie
in der Figur schematisch dargestellt ist, kann das Erfassungsmittel 50 als
eine Transformatorhälfte
betrachtet werden, die mit dem Feldempfangsmittel 40 einen
Transformator 54 bildet. Die als Spannung ausgebildete
Sekundärspannungskenngröße VR weist einen kleineren Spannungswert als
die Sekundärspannung
VB auf. Die Sekundärspannungskenngröße VR ist eine Kleinspannung, die vorzugsweise
einen Wert unter 50 V annimmt.
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In 3 sind
in einer Schnittdarstellung die Primäreinheit 28, welche
die Stromerzeugungseinheit 32, die Regelungsvorrichtung 48 und
das als Primärwicklung
ausgebildete Felderzeugungsmittel 30 aufweist, die Sekundäreinheit 14 mit
dem als Sekundärwicklung
ausgeführten
Feldempfangsmittel 40 und die Last 44 gezeigt.
Das Felderzeugungsmittel 30 ist in einer kreisförmigen Ausnehmung 56 eines Eisenkerns 58 der
Primäreinheit 28 angeordnet,
welcher dazu dient, eine vom Felderzeugungsmittel 30 erzeugte
Feldstärke
zu verstärken.
Es ist außerdem in
der Sekundäreinheit 14 ein
weiterer Eisenkern 60 zu sehen, der ebenfalls eine kreisförmige Ausnehmung 62 aufweist,
in welcher das Feldempfangsmittel 40 angeordnet ist. Der
Eisenkern 60 mit dem Feldempfangsmittel 40 ist
vom Eisenkern 58 mit dem Felderzeugungsmittel 30 trennbar,
wie durch einen Pfeil 64 schematisch angedeutet wird. Die
Arbeitsfläche 18 der
Arbeitsplatte 20 ist durch eine gestrichelte Linie schematisch
dargestellt. Das als Primärwicklung
ausgebildete Felderzeugungsmittel 30 ist in Form einer
Spiralspule (siehe auch 1) in einer Wicklungsebene 66 gewickelt.
Das Feldempfangsmittel 40 ist ebenfalls in Form einer Spiralspule
in einer Wicklungsebene 68 gewickelt. Das Feldempfangsmittel 40 und
das Felderzeugungsmittel 30 weisen die gleiche Anzahl von
Wicklungen auf. Das Erfassungsmittel 50, welches als Wicklung
ausgebildet ist, ist in der Wicklungsebene 66 in der Ausnehmung 56 des
Eisen kerns 58 gewickelt. Das Erfassungsmittel 50 weist
eine Windung auf, die das Felderzeugungsmittel 30 umschließt. Im Erfassungsmittel 50 wird
im Betrieb der Energieübertragungseinheit 22 und
des elektrischen Verbrauchers 10, wie oben beschrieben,
durch den Übertragungsfeldfluss 36 die Sekundärspannungskenngröße VR erzeugt (2). Diese
Sekundärspannungskenngröße VR kann als eine vom Transformator 54,
welcher vom Erfassungsmittel 50 und vom Feldempfangsmittel 40 gebildet
ist (2), heruntertransformierte Spannung betrachtet
werden. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Sekundärspannung
VB um einen Faktor heruntertransformiert,
welcher durch die Anzahl der Windungen des Feldempfangsmittels 40 gegeben
ist. Die Sekundärspannungskenngröße VR wird auf die Regelungsvorrichtung 48 gegeben,
wo sie mit einem Sollwert 70 verglichen wird. Der Sollwert 70 stellt
einen vorgegebenen Spannungswert dar, der einem gewünschten
Wert der Sekundärspannung
VB entspricht. Weicht die Sekundärspannungskenngröße VR vom Sollwert 70 ab, so wird der
in das Felderzeugungsmittel 30 eingespeiste Wechselstrom 34 durch die
Stromerzeugungseinheit 32 variiert, bis die Sekundärspannungskenngröße VR den gewünschten Sollwert 70 annimmt.
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- 10
- Verbraucher
- 12
- Grundkörper
- 14
- Sekundäreinheit
- 16
- Bedienelement
- 18
- Arbeitsfläche
- 20
- Arbeitsplatte
- 22
- Energieübertragungseinheit
- 24
- Gehäuse
- 26
- Betätigungselement
- 28
- Primäreinheit
- 30
- Felderzeugungsmittel
- 32
- Stromerzeugungseinheit
- 34
- Wechselstrom
- 36
- Übertragungsfeldfluss
- 38
- Übertragungsbereich
- 40
- Feldempfangsmittel
- 42
- Linie
- 44
- Last
- 46
- Transformator
- 48
- Regelungsvorrichtung
- 50
- Erfassungsmittel
- 54
- Transformator
- 56
- Ausnehmung
- 58
- Eisenkern
- 60
- Eisenkern
- 62
- Ausnehmung
- 64
- Pfeil
- 66
- Wicklungsebene
- 68
- Wicklungsebene
- 70
- Sollwert
- VB
- Sekundärspannung
- VR
- Sekundärspannungskenngröße