WO2013149781A2 - Drahtlose energieübertragung - Google Patents

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WO2013149781A2
WO2013149781A2 PCT/EP2013/054425 EP2013054425W WO2013149781A2 WO 2013149781 A2 WO2013149781 A2 WO 2013149781A2 EP 2013054425 W EP2013054425 W EP 2013054425W WO 2013149781 A2 WO2013149781 A2 WO 2013149781A2
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WO
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coil
reactive power
power compensation
receiving coil
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Juergen Mack
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Robert Bosch GmbH
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1821—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/30—Reactive power compensation

Definitions

  • the invention relates to a receiver and a system for wireless energy transmission.
  • the invention relates to wireless power transmission between a power supply and a small electrical appliance.
  • An electrical appliance includes an accumulator and a consumer, wherein the consumer may include, for example, a lamp or an electric motor.
  • a common small electrical appliance of this type is formed by a cordless screwdriver or electric flashlight.
  • a wireless energy transmission can be used.
  • a wireless charger comprises a transmitter coil and a drive circuit in order to generate an electromagnetic alternating field in the region of the transmitter coil.
  • the small electrical appliance comprises a receiver coil, through which a current flows when it is arranged in the region of the transmitter coil of the charger. The current flowing through the receiving coil can be passed through the accumulator by means of a suitable circuit in order to charge it.
  • the transmitter coil and the receiver coil are in electromagnetic interaction with each other and form a transformer.
  • a distance between the transmitter coil and the receiver coil is usually in the range of a few millimeters to a few centimeters. If there is a conductive object in the area of influence of the two coils during the energy transmission, then the influence of the electromagnetic selfelds an eddy current are generated in the object so that it heats up. If the object can be magnetized, then remagnetization or hysteresis losses can lead to heating. Depending on the size and geometry of the object, the heating may go so far as to jeopardize the charger, the small electrical appliance or an operator. In addition, the usable power in the small appliance can be reduced by the object.
  • the invention has for its object to reduce heating of an object in the sphere of influence of the electromagnetic field.
  • the invention achieves this object by means of a receiver and a system having the features of the independent claims. Subclaims relate to preferred embodiments.
  • a receiver according to the invention for wireless energy transmission comprises a receiver coil for generating an electrical current when the receiver coil is exposed to an alternating electromagnetic field and a load for receiving the generated electrical current.
  • a reactive power compensation is provided in order to control the course of the electrical
  • the current flowing through the receiving coil corresponds to an electromagnetic field caused by the receiving coil.
  • the more strongly the current differs from a sinusoid the stronger are the high-frequency components in the electromagnetic field by which an object in the region of the transmitting coil can be heated by magnetic reversal losses or Wrlow currents. If the current is approximated to a sinusoidal shape, the high-frequency components are degraded or disappear, so that the object is heated less strongly.
  • a higher proportion of the energy transmitted between the receiver coil and the electromagnetic field can be used in the load by the sinusoidal shape of the current.
  • a reactive power can be minimized, representing an energy that is periodically exchanged between the receiving coil and the electromagnetic alternating field, without receiver side to be removed.
  • a current available to the consumer in the receiver can be increased by the reactive power compensation, without having to change the receiving coil or the external electromagnetic field.
  • the reactive power compensation comprises an inductance, which is connected in series with the receiving coil.
  • a voltage applied to the receiver coil usually has a sinusoidal profile, wherein only a current flows through the receiver coil when the voltage of the receiver coil is greater than the voltage of the consumer. If the consumer is, for example, an accumulator, then the voltage of the receiving coil can periodically exceed the accumulator voltage only within a short time window. The current flows through the receiver coil almost exclusively within this time window.
  • the inductance for reactive power compensation can the temporal course of the current in its form the temporal
  • the reactive power compensation comprises a capacitor which is connected in parallel with the receiving coil.
  • the capacitance can absorb a capacitive reactive current, which is directed against an inductive reactive current of the consumer.
  • the reactive currents can be reversed by approx. 95% in this way.
  • the reactive power compensation is passive and uses only passive devices.
  • a power to be transmitted of less than 100 watts, more preferably less than 50 watts can be created by an arrangement of passive components, a simple robust and cost-effective way to compensate for the reactive power of the receiver.
  • the passive reactive power compensation comprises a bridge rectifier, which is connected in parallel with the receiver coil, wherein the reactive power compensation is electrically connected between the receiver and the receiver. Fangsspule and the bridge rectifier is arranged.
  • a circuit can be particularly simple and, in the extreme case, only comprise an inductance.
  • the reactive power compensation comprises an active circuit having at least one active device. As a result, the reactive power can be controlled more accurately, and a lower capacitance or inductance can be used, which can lead to a saving of installation space and weight, in particular for a larger power to be transmitted.
  • several active components can be designed to be integrated with each other, for example as an integrated circuit, so that the active reactive power compensation can be constructed even more space-saving and cost-effective.
  • the reactive power compensation comprises a bridge rectifier connected in parallel with the receiving coil, wherein the reactive power compensation is arranged electrically between the bridge rectifier and the load.
  • the active reactive power compensation can be supplied by the already rectified voltage of the receiving coil, so that no further voltage source may be required.
  • An inventive system for wireless energy transmission comprises the receiver described above and a transmitter for generating an alternating electromagnetic field.
  • the receiver is adapted to be located in the area of the transmitter to allow wireless energy transfer from the transmitter to the receiver.
  • the transmitter comprises a resonant transformer.
  • the transmitter can be constructed in a simple manner, wherein the electromagnetic alternating field provided by the transmitter is sinusoidal with only slight distortions. Due to the small distortions harmonics of the alternating electromagnetic field, which can lead to increased heating of an object located between the transmitter and the receiver, can be reduced.
  • the transmitter comprises a transmitting coil, which can be electromagnetically coupled to the receiving coil within a coupling region.
  • the transmitting coil and the receiving coil are arranged so as to prevent the presence of a magnetizable or conductive object above a predetermined size therebetween. In this case, heating of a small object can be minimized by the above-described receiver-side reactive power compensation.
  • Figure 2 shows an alternative receiver for the system of Figure 1
  • Figure 3 illustrates coupled coils of the transmitter and the receiver of Figure 1.
  • FIG. 1 shows a system 100 for wireless energy transmission with a transmitter 105 and a receiver 110.
  • the transmitter 105 comprises a resonance transformer 1 15, which comprises a transmitting coil 120 and a resonance capacitor 125.
  • a controller 130 with two power switches 135 is configured to cause the resonant transformer 115 to oscillate and supply it with the electrical energy required therefor.
  • the control device 130 is adapted to excite the resonant transformer 1 15 in its natural frequency, for which a feedback with the resonant transformer 1 15 may be provided.
  • the controller 130 and the transistors 135 are provided with an optional DC link capacitor 140 and connected to terminals 145, which can be connected to a DC voltage source.
  • the receiver 110 comprises a receiving coil 150, which can be arranged in an electromagnetic field of influence of the transmitting coil 120 of the transmitter 105.
  • the transmitter 105 and the receiver 1 10 are mechanically arranged to be arranged together so that the transmitting coil 120 and the receiving coil 150 occupy predetermined relative positions.
  • the transmitting coil 120 and the receiving coil 150 are preferably aligned parallel in their field directions and are close to each other.
  • the transmitting coil 120 and receiving coil 150 define a coupling region 155 in which an object 160 can be arranged.
  • the object 160 is electrically conductive or magnetizable. It is not necessary for the function of the system 100, on the contrary, the object 160 represents a foreign body, the energy of an electromagnetic alternating field of the transmitting coil 120 in the coupling region 155 to heat and thereby the wireless energy transfer between the transmitting coil 120 and the receiving coil 150th can disturb.
  • an object 160 may include, for example, a small screw, a paper clip, or a coin.
  • the receiver 110 further comprises a rectifier 156, which is exemplified here as a bridge rectifier, and a load 170, which is connected to the rectifier 165 and, for example, comprises an accumulator.
  • a charge controller 175 is also provided in order to control an energy intake by the consumer 170, in particular a charging process of the accumulator.
  • a reactive power compensation 180 is provided, which in the illustrated example comprises only passive components.
  • the reactive power compensation 180 comprises an inductance 185, which connects a terminal of the receiving coil 150 to a terminal of the rectifier 165; the second terminal of the receiving coil 150 is directly connected to the rectifier 165.
  • the reactive power compensation 180 may comprise further components, for example the heat resistor 190 and the two capacitors 195, which are also known under the designations X and Y capacitor.
  • FIG. 2 shows an alternative receiver 110 for the system 100 for the system 100 of FIG. 1.
  • the receiver 110 shown here includes a reactive power compensation 180 which, in contrast to the variant illustrated in FIG. 1, is active by having one or more active ones Includes components.
  • An active device unlike a passive device, has some form of amplifier effect on a signal or allows control of the signal.
  • An active component is usually dependent on a power supply.
  • the reactive power compensation 180 is typically arranged between the rectifier 165 and the load 170, with the rectifier 165 being directly connected to the receiving coil 150.
  • the reactive power compensation 180 comprises an inductance 185, which is electrically arranged between the rectifier 165 and the load 170. Furthermore, the illustrated reactive power compensation comprises a control device 205, a transistor 210, diodes 215 and 220 and a capacitor 225.
  • the control device 205 is connected to the DC voltage connections of the rectifier 165.
  • the controller is configured to drive the transistor 210 to connect the end of the inductor 185 remote from the rectifier 165 to ground.
  • the diode 215 protects the transistor 210 against overvoltage from the inductance 185 upon opening of the transistor 210.
  • the diode 220 and the capacitor 225 serve to further smooth the voltage applied across the transistor 210 and the current flowing through the inductance 185, respectively.
  • Both the passive reactive power compensation 180 in FIG. 1 and the active reactive power compensation 180 in FIG. 2 have the task of approximating a current flowing through the receiving coil 150 as closely as possible to a sinusoidal shape.
  • a reactive power which is periodically transported back and forth between the transmitting coil 120 and the receiving coil 150, but can not be received by the consumer 170, can be minimized.
  • an alternating electromagnetic field generated by the receiving coil 150 may be in the number and amplitude of its harmonics be reduced, so that a total harmonic distortion (THD) of the current or the electromagnetic alternating field of the receiving coil 150 is minimized.
  • TDD total harmonic distortion
  • FIG. 3 shows electromagnetically coupled coils 120 and 150 of the system 100 of FIG. 1. Shown is a longitudinal section through the coils 120 and 150 in the coupling region 155. Field lines 305 surround the transmitting coil 120 and the receiving coil 150 and provide an electromagnetic coupling between the two ,
  • the object 160 is arranged close to the reception coil 150.
  • the current flowing through wires of the receiving coil 150 generates a magnetic field represented by further field lines 310.
  • the further field lines 310 run through the object 160.
  • the object 160 is subjected to a periodic remagnetization by the electromagnetic alternating field of the receiving coil 150, so that it absorbs energy from the alternating field.
  • the absorbed energy can be converted into heat in the form of eddy currents and / or remagnetization or hysteresis losses in the object. In this case, the energy absorbed depends on how many harmonics of which strength the alternating field of the receiving coil 150 has.

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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
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  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Description

Beschreibung
Titel
[Drahtlose Energieübertragung! Die Erfindung betrifft einen Empfänger und ein System zur drahtlosen Energieübertragung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine drahtlose Energieübertragung zwischen einem Netzteil und einem elektrischen Kleingerät.
Stand der Technik
Ein elektrisches Kleingerät umfasst einen Akkumulator und einen Verbraucher, wobei der Verbraucher beispielsweise eine Lampe oder einen elektrischen Motor umfassen kann. Ein übliches elektrisches Kleingerät dieser Art ist durch einen Akkuschrauber oder eine elektrische Taschenlampe gebildet. Um den Akkumula- tor des elektrischen Kleingeräts aufzuladen, ohne eine drahtgebundene Schnittstelle verwenden zu müssen, kann eine drahtlose Energieübertragung eingesetzt werden. Ein drahtloses Ladegerät umfasst hierzu eine Senderspule und eine Ansteuerschaltung, um im Bereich der Senderspule ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Das elektrische Kleingerät umfasst eine Empfängerspule, durch die ein Strom fließt, wenn sie im Bereich der Senderspule des Ladegeräts angeordnet ist. Der durch die Empfangsspule fließenden Strom kann mittels einer geeigneten Schaltung durch den Akkumulator geleitet werden, um diesen aufzuladen. Die Senderspule und die Empfangsspule stehen miteinander in elektromagnetischer Wechselwirkung und bilden eine Transformator. Um eine ausreichende elektrische Leistung vom Ladegerät zum elektrischen Kleingerät transportieren zu können, liegt ein Abstand zwischen der Sender- und der Empfangsspule üblicherweise im Bereich von einigen Millimetern bis wenigen Zentimetern. Befindet sich während der Energieübertragung ein leitfähiges Objekt im Einflussbereich der beiden Spulen, so kann durch den Einfluss des elektromagnetischen Wech- selfelds ein Wirbelstrom in dem Objekt generiert werden, sodass es sich erwärmt. Ist das Objekt magnetisierbar, so können auch Ummagnetisierungs- oder Hystereseverluste zu einer Erwärmung führen. Je nach Größe und Geometrie des Objekts kann die Erwärmung so weit gehen, dass eine Gefahr für das Lade- gerät, das elektrische Kleingerät oder eine Bedienperson besteht. Außerdem kann die im Kleingerät nutzbare Leistung durch das Objekt verringert sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Erwärmung eines Objekts im Einflussbereich des elektromagnetischen Feldes zu reduzieren. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Empfängers und eines Systems mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen.
Offenbarung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßer Empfänger für eine drahtlose Energieübertragung um- fasst eine Empfangsspule zur Erzeugung eines elektrischen Stroms, wenn die Empfangsspule einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, und einen Verbraucher zur Aufnahme des erzeugten elektrischen Stroms. Dabei ist ei- ne Blindleistungskompensation vorgesehen, um den Verlauf des elektrischen
Stroms durch die Empfangsspule einer Sinusform anzunähern.
Der durch die Empfangsspule fließende Strom korrespondiert zu einem elektromagnetischen Feld, das durch die Empfangsspule hervorgerufen ist. Je stärker sich der Strom von einer Sinusform unterscheidet, desto stärker sind hochfrequente Anteile im elektromagnetischen Feld vorhanden, durch die ein Objekt im Bereich der Sendespule durch Ummagnetisierungsverluste oder Wrbelströme erwärmt werden kann. Wird der Strom einer Sinusform angenähert, so werden die hochfrequenten Anteile abgebaut bzw. verschwinden, sodass das Objekt we- niger stark erwärmt wird. Außerdem kann durch die Sinusform des Stroms ein höherer Anteil der zwischen der Empfangsspule und dem elektromagnetischen Feld übertragenen Energie im Verbraucher genutzt werden.
Durch die Blindleistungskompensation kann eine Blindleistung minimiert sein, die eine Energie repräsentiert, die zwischen der Empfangsspule und dem elektromagnetischen Wechselfeld periodisch ausgetauscht wird, ohne empfängerseitig entnommen werden zu können. Anders ausgedrückt kann ein im Empfänger für den Verbraucher zur Verfügung stehender Strom durch die Blindleistungskompensation gesteigert werden, ohne die Empfangsspule oder das externe elektromagnetische Feld verändern zu müssen.
In einer Variante umfasst die Blindleistungskompensation eine Induktivität, die mit der Empfangsspule in Serie geschaltet ist. Eine an der Empfangsspule anliegende Spannung hat üblicherweise einen sinusförmigen Verlauf, wobei durch die Empfangsspule nur dann ein Strom fließt, wenn die Spannung der Empfangsspu- le größer als die Spannung des Verbrauchers ist. Handelt es sich beim Verbraucher beispielsweise um einen Akkumulator, so kann die Spannung der Empfangsspule die Akkumulatorspannung nur innerhalb eines kurzen Zeitfensters periodisch übersteigen. Dabei fließt der Strom durch die Empfangsspule fast ausschließlich innerhalb dieses Zeitfensters. Die Induktivität zur Blindleistungskom- pensation kann den zeitlichen Verlauf des Stroms in seiner Form dem zeitlichen
Verlauf der Spannung anpassen und so für eine gleichmäßige Energieentnahme durch die Empfangsspule aus dem externen elektromagnetischen Wechselfeld sorgen. In einer weiteren Variante, die mit der vorgenannten Ausführungsform kombinierbar ist, umfasst die Blindleistungskompensation eine Kapazität, die mit der Empfangsspule parallel geschaltet ist. Die Kapazität kann einen kapazitiven Blindstrom aufnehmen, der einem induktiven Blindstrom des Verbrauchers entgegen gerichtet ist. Die Blindströme können auf diese Weise um ca. 95 % ge- genseitig aufgehoben werden.
In einer Ausführungsform ist die Blindleistungskompensation passiv und verwendet ausschließlich passive Bauelemente. Insbesondere bei einer zu übertragenden Leistung von kleiner als 100 Watt, besonders bevorzugt kleiner als 50 Watt, kann durch eine Anordnung passiver Bauelemente eine einfache robuste und kostengünstige Möglichkeit geschaffen sein, die Blindleistung des Empfängers zu kompensieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die passive Blindleistungskompensation einen Brückengleichrichter, der mit der Empfangsspule parallel geschaltet ist, wobei die Blindleistungskompensation elektrisch zwischen der Emp- fangsspule und dem Brückengleichrichter angeordnet ist. Eine derartige Schaltung kann besonders einfach sein und im Extremfall lediglich eine Induktivität umfassen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Blindleistungskompensation eine aktive Schaltung mit wenigstens einem aktiven Bauelement. Dadurch kann die Blindleistung genauer gesteuert werden und es kann eine geringere Kapazität bzw. Induktivität verwendet werden, was insbesondere bei einer größeren zu übertragenden Leistung zu einer Einsparung von Bauraum und Ge- wicht führen kann. Zudem können mehrere aktive Bauelemente miteinander integriert ausgeführt sein, etwa als Integrierter Schaltkreis, sodass die aktive Blindleistungskompensation noch raumsparender und kostengünstiger aufgebaut sein kann.
In einer Ausführungsform umfasst die Blindleistungskompensation einen Brückengleichrichter, der mit der Empfangsspule parallel geschaltet ist, wobei die Blindleistungskompensation elektrisch zwischen dem Brückengleichrichter und dem Verbraucher angeordnet ist. Dadurch kann die aktive Blindleistungskompensation durch die bereits gleichgerichtete Spannung der Empfangsspule versorgt werden, sodass keine weitere Spannungsquelle erforderlich sein kann.
Ein erfindungsgemäßes System zur drahtlosen Energieübertragung umfasst den oben beschriebenen Empfänger und einen Sender zu Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfelds. Der Empfänger ist dazu eingerichtet, im Bereich des Senders angeordnet zu werden, um eine drahtlose Energieübertragung vom Sender zum Empfänger zu ermöglichen.
Bevorzugter Weise umfasst der Sender einen Resonanztransformator. Dadurch kann der Sender auf einfache Weise aufgebaut sein, wobei das durch den Sender bereitgestellte elektromagnetische Wechselfeld mit nur geringen Verzerrungen sinusförmig ist. Durch die geringen Verzerrungen können Oberwellen des elektromagnetischen Wechselfeldes, die zu einer verstärkten Erwärmung eines zwischen dem Sender und dem Empfänger befindlichen Objekts führen können, reduziert sein. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst der Sender eine Sendespule, die innerhalb eines Koppelbereichs elektromagnetisch mit der Empfangsspule gekoppelt werden kann. Vorzugsweise sind die Sendespule und die Empfangsspule so angeordnet, dass sie das Vorhandensein eines magnetisierbaren bzw. leitfähigen Objekts oberhalb einer vorbestimmten Größe zwischen sich verhindern. Dabei kann eine Erwärmung eines kleinen Objekts durch die oben beschriebene empfängerseitige Blindleistungskompensation minimiert sein.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, wobei:
Figur 1 ein System zur drahtlosen Energieübertragung mit einem Sender und einem Empfänger;
Figur 2 einen alternativen Empfänger für das System aus Figur 1 , und
Figur 3 gekoppelte Spulen des Senders und des Empfängers von Figur 1 darstellt.
Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Figur 1 zeigt ein System 100 zur drahtlosen Energieübertragung mit einem Sender 105 und einem Empfänger 110. Der Sender 105 umfasst einen Resonanztransformator 1 15, der eine Sendespule 120 und einen Resonanzkondensator 125 umfasst. Eine Steuereinrichtung 130 mit zwei Leistungsschaltern 135 ist dazu eingerichtet, den Resonanztransformator 115 zum Schwingen anzuregen und ihn mit der hierfür erforderlichen elektrischen Energie zur versorgen. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 130 dazu eingerichtet, den Resonanztransformator 1 15 in dessen Eigenfrequenz anzuregen, wozu eine Rückkopplung mit dem Resonanztransformator 1 15 vorgesehen sein kann. Die Steuereinrichtung 130 und die Transistoren 135 sind mit einem optionalen Zwischenkreiskondensator 140 sowie mit Anschlüssen 145 verbunden, die mit einer Gleichspannungsquelle verbunden werden können.
Der Empfänger 110 umfasst eine Empfangsspule 150, die in einem elektromag- netischen Einflussbereich der Sendespule 120 des Senders 105 angeordnet werden kann. Bevorzugter Weise sind der Sender 105 und der Empfänger 1 10 mechanisch dazu eingerichtet, so aneinander angeordnet zu werden, dass die Sendespule 120 und die Empfangsspule 150 vorbestimmte relative Lagen einnehmen. Die Sendespule 120 und die Empfangsspule 150 sind dabei vorzugs- weise in ihren Feldrichtungen parallel ausgerichtet und liegen nahe aneinander.
Dabei definieren die Sendespule 120 und Empfangsspule 150 einen Koppelbereich 155, in dem ein Objekt 160 angeordnet sein kann. Das Objekt 160 ist elektrisch leitfähig oder magnetisierbar. Es ist für die Funktion des Systems 100 nicht erforderlich, im Gegenteil stellt das Objekt 160 einen Fremdkörper dar, der Ener- gie eines elektromagnetischen Wechselfelds der Sendespule 120 im Koppelbereich 155 in Wärme umwandeln und dabei die drahtlose Energieübertragung zwischen der Sendespule 120 und der Empfangsspule 150 stören kann. Ein solches Objekt 160 kann beispielsweise eine kleine Schraube, eine Büroklammer oder eine Münze umfassen.
Der Empfänger 110 umfasst ferner einen Gleichrichter 156, der hier exemplarisch als Brückengleichrichter ausgeführt ist, und einen Verbraucher 170, der mit dem Gleichrichter 165 verbunden ist und beispielsweise einen Akkumulator umfasst. Optional ist auch ein Laderegler 175 vorgesehen, um eine Energieaufnah- me durch den Verbraucher 170, insbesondere einen Aufladevorgang des Akkumulators, zu steuern.
Zwischen der Empfangsspule 150 und dem Gleichrichter 165 ist eine Blindleistungskompensation 180 vorgesehen, die im dargestellten Beispiel ausschließlich passive Bauelemente umfasst. Die Blindleistungskompensation 180 umfasst insbesondere eine Induktivität 185, welche einen Anschluss der Empfangsspule 150 mit einem Anschluss des Gleichrichters 165 verbindet; der zweite Anschluss der Empfangsspule 150 ist unmittelbar mit dem Gleichrichter 165 verbunden. Optional kann die Blindleistungskompensation 180 noch weitere Bauelemente umfas- sen, beispielsweise den Wderstand 190 und die beiden Kondensatoren 195, die auch unter den Bezeichnungen X- und Y-Kondensator bekannt sind. Es sind noch verschieden andere Schaltungen zur passiven Blindleistungskompensation möglich, die dem Fachmann bekannt sind und im Empfänger 110 eingesetzt werden können. Figur 2 zeigt einen alternativen Empfänger 1 10 für das System 100 für das System 100 aus Figur 1. Der hier dargestellte Empfänger 1 10 umfasst eine Blindleistungskompensation 180, die im Gegensatz zu der in Figur 1 dargestellten Variante aktiv ist, indem sie eines oder mehrere aktive Bauelemente umfasst. Ein aktives Bauelement zeigt im Gegensatz zu einem passiven Bauelement eine Form von Verstärkerwirkung für ein Signal oder erlaubt eine Steuerung des Signals.
Dabei ist ein aktives Bauelement üblicherweise auf eine Energieversorgung angewiesen. Die aktive Blindleistungskompensation 180 ist typischerweise zwischen dem Gleichrichter 165 und dem Verbraucher 170 angeordnet, wobei der Gleichrichter 165 unmittelbar mit der Empfangsspule 150 verbunden ist.
Die Blindleistungskompensation 180 umfasst eine Induktivität 185, die elektrisch zwischen dem Gleichrichter 165 und dem Verbraucher 170 angeordnet ist. Ferner umfasst die dargestellte Blindleistungskompensation eine Steuereinrichtung 205, einen Transistor 210, Dioden 215 und 220 sowie einen Kondensator 225. Die Steuereinrichtung 205 ist mit den Gleichspannungsanschlüssen des Gleichrichters 165 verbunden. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, den Transistor 210 dazu anzusteuern, das vom Gleichrichter 165 entfernt liegende Ende der Induktivität 185 mit Masse zu verbinden. Die Diode 215 schützt den Transistor 210 gegen Überspannung aus der Induktivität 185 beim Öffnen des Transistors 210. Die Diode 220 und der Kondensator 225 dienen einer weiteren Glättung der über dem Transistor 210 anliegenden Spannung bzw. des durch die Induktivität 185 fließenden Stroms.
Sowohl die passive Blindleistungskompensation 180 in Figur 1 als auch die akti- ve Blindleistungskompensation 180 in Figur 2 haben zur Aufgabe, einen durch die Empfangsspule 150 fließenden Strom möglichst nahe an eine Sinusform anzunähern. Dadurch kann einerseits eine Blindleistung, die zwischen der Sendespule 120 und der Empfangsspule 150 periodisch hin- und her transportiert, aber nicht durch den Verbraucher 170 aufgenommen werden kann, minimiert werden. Andererseits kann ein elektromagnetisches Wechselfeld, das durch die Empfangsspule 150 generiert wird, in der Anzahl und Amplitude seiner Oberwellen reduziert sein, sodass eine gesamte harmonische Verzerrung (total harmonic distortion, THD) des Stroms oder des elektromagnetischen Wechselfeldes der Empfangsspule 150 minimiert ist.
Figur 3 zeigt elektromagnetisch miteinander gekoppelte Spulen 120 und 150 des Systems 100 aus Figur 1. Gezeigt ist ein Längsschnitt durch die Spulen 120 und 150 im Koppelbereich 155. Feldlinien 305 umschließen die Sendespule 120 und die Empfangsspule 150 und sorgen für eine elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden.
Im Bereich der Empfangsspule 150 ist das Objekt 160 nahe an der Empfangsspule 150 angeordnet. Der durch Drähte der Empfangsspule 150 fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld, das durch weitere Feldlinien 310 dargestellt ist. Die weiteren Feldlinien 310 verlaufen durch das Objekt 160. Dadurch ist das Objekt 160 einer periodischen Ummagnetisierung durch das elektromagnetische Wechselfeld der Empfangsspule 150 ausgesetzt, so dass es Energie aus dem Wechselfeld aufnimmt. Die aufgenommene Energie kann in Form von Wirbelströmen und/oder Ummagnetisierungs- bzw. Hystereseverluste im Objekt in Wärme umgewandelt werden. Dabei ist die aufgenommene Energie davon abhängig, wie viele Oberwellen welcher Stärke das Wechselfeld der Empfangsspule 150 aufweist. Je größer die Anzahl und je höher die Amplitude der Oberwellen, desto stärker kann sich das Objekt 160 erwärmen. Umgekehrt kann eine Erwärmung des Objekts 160 minimiert sein, wenn ein durch die Empfangsspule 150 fließender Strom genaue Sinusform hat, sodass Oberwellen des Wechselfelds der Feldlinien 310 nur sehr schwach oder gar nicht ausgeprägt sind.

Claims

Ansprüche
1. Empfänger (1 10) für eine drahtlose Energieübertragung, umfassend:
- eine Empfangsspule (150) zur Erzeugung eines elektrischen Stroms, wenn die Empfangsspule (150) einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, und
- einen Verbraucher (170) zur Aufnahme des erzeugten elektrischen
Stroms;
gekennzeichnet durch
- eine Blindleistungskompensation (180), um den Verlauf des elektrischen Stroms durch die Empfangsspule (150) einer Sinusform anzunähern.
2. Empfänger (1 10) nach Anspruch 1 , wobei die Blindleistungskompensation (180) eine Induktivität (185) umfasst, die mit der Empfangsspule (150) in Serie geschaltet ist.
3. Empfänger (1 10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Blindleistungskompensation (180) eine Kapazität (195, 225) umfasst, die mit der Empfangsspule (150) parallel geschaltet ist.
4. Empfänger (1 10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Blindleistungskompensation (180) ausschließlich passive Bauelemente umfasst.
5. Empfänger (1 10) nach Anspruch 4, ferner umfassend einen Brückengleichrichter (160), der mit der Empfangsspule (150) parallel geschaltet ist, wobei die Blindleistungskompensation (180) elektrisch zwischen der Empfangsspule (150) und dem Brückengleichrichter (160) angeordnet ist.
6. Empfänger (1 10) nach einem der vorangehenden Ansprüchen, wobei die Blindleistungskompensation (180) eine aktive Schaltung umfasst.
7. Empfänger (1 10) nach Anspruch 6, ferner umfassend einen Brückengleichrichter (160), der mit der Empfangsspule (150) parallel geschaltet ist, wobei die Blindleistungskompensation (180) elektrisch zwischen dem Brückengleichrichter (160) und dem Verbraucher (170) angeordnet ist.
8. System (100) zur drahtlosen Energieübertragung, umfassend einen Empfänger (1 10) nach einem der vorangehenden Ansprüche und einen Sender (105) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfelds.
9. System (100) nach Anspruch 5, wobei der Sender (105) einen Resonanztransformator (115) umfasst.
10. System (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der Sender (105) eine Sendespule (120) umfasst, die innerhalb eines Koppelbereichs (155) elektromagnetisch mit der Empfangsspule (150) gekoppelt werden kann.
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