DE10147992A1 - Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung mit einer ersten Spule, der ein Strom zugeführt wird und die in einem ersten Gehäuse montiert ist, und einer zweiten Spule, zu der Energie von der ersten Spule übertragen wird und die in einem zweiten Gehäuse montiert ist. Die zweite Spule umfaßt eine Luftkernspule, wobei der Innendurchmesser der Wicklung der Luftkernspule größer als der Innendurchmesser der Wicklung der ersten Spule ist und die erste Spule und die zweite Spule so angeordnet sind, daß sich ihre Wirkungsaußenflächen gegenüberstehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterievorrichtung zum Laden einer kontakt- bzw. berührungslo­ sen, tragbaren Einrichtung, die in tragbaren Einrichtungen genutzt wird, beispielsweise schnurlosen Telefonen, Mobiltelefonen und PHS.

Eine Batterievorrichtung zum Laden einer kontakt- bzw. berührungslosen, tragbaren Einrich­ tung umfaßt eine primäre Schaltung auf der Ladungsseite und eine sekundäre Schaltung auf der geladenen Seite, wobei diese innerhalb von Gehäusen voneinander vollständig isoliert montiert sind. Ein Strom, welcher von einer Energie- bzw. Spannungsquelle zur Verfügung gestellt wird, erzeugt einen magnetischen Fluß in der Spule in der primären Schaltung. Der magnetische Fluß der Spule der primären Schaltung bzw. Primärseitenschaltung erzeugt eine induzierte, elektromotorische Kraft in der Spule der sekundären Schaltung bzw. Sekundärsei­ tenschaltung auf der geladenen Seite. Die induzierte, elektromotorische Kraft wird gleichge­ richtet und genutzt, um eine sekundäre Batterie (Batterie zum Laden) in einem Mobiltelefon oder dergleichen nachzuladen. Bei dieser Art von Batterievorrichtung zum Laden einer berüh­ rungslosen, tragbaren Einrichtung ist es zum effizienten Übertragen der Energie bzw. Span­ nung von der Ladungsseite zu der geladenen Seite von Bedeutung, daß die Spule der primären Schaltung und die Spule der sekundären Schaltung eng gekoppelt sind, so daß der Magnetfluß nicht verloren geht bzw. leckt. Ein herkömmliches Verfahren zum Vermindern eines Verlu­ stes des magnetischen Flusses bezieht sich auf das Anordnen der Spulen der primären und der sekundären Schaltung mit ihren Windungen bzw. Wicklungen, derart, daß diese in ihren Ker­ nachsen einander gegenüberstehen, und das sehr dünne Ausbilden ihrer Gehäuse, so daß die Größe der Lücke zwischen ihnen vermindert ist.

Ein Beispiel für eine bekannte Batterievorrichtung zum Laden von berührungslosen, tragbaren Einrichtungen, welche klein, dünn und leicht ist und für Ladungen genutzt wird, die eine ver­ gleichsweise kleine Kapazität aufweisen, wird auf der Basis der Fig. 4A erklärt. Das Be­ zugszeichen 50 repräsentiert ein Harz- bzw. Kunstharzgehäuse, welches eine primäre Schal­ tung einer Ladungsseite aufnimmt. Das Bezugszeichen 55 repräsentiert ein Harz- bzw. Kunst­ harzgehäuse, welches eine sekundäre Schaltung aufnimmt, die den Hauptkörper einer tragba­ ren Einrichtung umfaßt.

Die Spule L11 der primären Schaltung umfaßt eine Windung bzw. Wicklung 53, die um eine Spulenform gewickelt ist, welche einen Harz- bzw. Kunstharz-Spulenkörper 52 aufweist, durch den ein T-förmiger, magnetischer Kern 51 eingeführt ist. Der Anschlußdraht der Wicklung 53 ist mit einem Anschluß 54 verbunden, welcher an der Bodenaußenfläche des Spulenkörpers 52 vorgesehen und mit einer äußeren Schaltung verbunden ist.

Die Spule L12 der sekundären Schaltung umfaßt eine Windung bzw. Wicklung 57, die um eine Spulenform gewickelt ist, welche einen Harz- bzw. Kunstharz-Spulenkörper 56 aufweist.

Die Außenseiten bzw. -flächen der gewickelten Spulenformen des Spulenkörpers 52 der Spule L11 der primären Schaltung und des Spulenkörpers 56 der Spule L12 der sekundären Schaltung weisen die selbe Größe auf. Die Wicklungsaußenflächen der zwei Spulen stehen einander gegenüber, wobei dazwischen die Gehäuse angeordnet sind.

Um den Hauptkörper der tragbaren Einrichtung leichter auszubilden und die Kosten zu redu­ zieren, weist die oben beschriebene Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrich­ tung keinen Magnetkern in der Spule L12 der sekundären Schaltung auf. Um den Abstand zwischen der Spule L11 der primären Schaltung und der Spule L12 der sekundären Schaltung zu vermindern, kontaktieren die Wicklungsaußenflächen direkt die Außenseiten bzw. -flächen der Gehäuse. Weil die Spulenkörper als die Spulenformen genutzt werden, sind die Wicklungsdurchmesser der beiden Spulen üblicherweise etwa gleich.

Wie in Fig. 4B mittels der gestrichelten Linien gezeigt ist, ist die Verteilung des Magnet­ flusses, der mit Hilfe der Spule L11 der primären Schaltung ausgestrahlt wird, jedoch nicht linear, bildet aber eine Schleife von dem hervorstehenden Abschnitt des magnetischen Kerns 51, um die Wicklung 53 und zu der Bodenaußenflächenkante des magnetischen Kerns 51. In dem Bereich (Lücke G), wo die Spule L12 der sekundären Schaltung zwischen dem Gehäuse 50 der primären Schaltung und dem Gehäuse 55 der sekundären Schaltung in dem von der Spule L11 der primären Schaltung ausgestrahlten Magnetfluß positioniert ist, ist es wegen der Tatsache, daß der Wicklungsinnendurchmesser X der Spule L11 der primären Schaltung etwa gleich dem Wicklungsinnendurchmesser Y der Spule L12 der sekundären Schaltung ist, für die Spule L12 der sekundären Schaltung schwierig, den von der Spule L11 der primären Schaltung emittierten Magnetfluß effizient zu sammeln. Folglich müssen Vorkehrungen bzw. Maßnahmen getroffen werden, um die notwendige Energie auf die Spule L12 der sekundären Schaltung effizient zu übertragen, beispielsweise ein Vergrößern der Anzahl der Wicklungen in den Spulen der primären und der sekundären Schaltung oder ein Vergrößern der Fläche ihrer gegenüberstehenden Abschnitte. Diese Vorkehrungen haben den Nachteil, daß die Schaltungen größer werden.

Die Erfindung wurde realisiert, um insbesondere die oben erwähnten Probleme zu lösen. Nach dem Betrachten der Beziehung zwischen dem Abstand zwischen den gegenüberliegen­ den Spulen und den inneren Durchmessern der Spulen haben die Erfinder festgestellt, daß mittels des Festhaltens einer vorbestimmten Beziehung der von der Spule der primären Schaltung erzeugte Magnetfluß auf die Spule der sekundären Schaltung effizient übertragen werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine dünne, leichte und kostengünstige Batterie­ vorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung zu schaffen, welche diese Erkenntnis wirksam nutzt.

Zum Lösen dieser Aufgabe umfaßt die erfindungsgemäße Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung eine erste Spule, der ein Strom zugeführt wird und die in einem ersten Gehäuse montiert ist, und eine zweite Spule, auf welche Energie von der ersten Spule übertragen wird und die in einem zweiten Gehäuse montiert ist. Die zweite Spule umfaßt eine Luftkernspule, wobei der innere Durchmesser der Wicklung der Luftkernspule größer als der innere Durchmesser der Wicklung der ersten Spule ist. Die erste Spule und die zweite Spule sind so angeordnet, daß ihre Wicklungsaußenflächen einander gegenüberstehen.

Darüber hinaus umfassen die erste und die zweite Spule Luftkernspulen, die mittels Selbst- Bondens ausgebildet sind, beispielsweise mittels Kitt- bzw. Klebedraht ("cement wire" - Handelsmarke). Dieses ermöglicht es, die Vorrichtung dünn und leicht auszubilden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1A und 1B eine Querschnittsdarstellung und eine magnetische Flußverteilung einer Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung gemäß ei­ ner ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2A und 2B eine Querschnittsdarstellung und eine magnetische Flußverteilung einer Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung gemäß ei­ ner zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Grafik, die die Ausgangseigenschaften der Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung und einer herkömmlichen Batte­ rievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung darstellt, und

Fig. 4A und 4B eine Querschnittsdarstellung und eine magnetische Flußverteilung eines Beispiels für eine herkömmliche Batterievorrichtung zum Laden einer berührungslosen, tragbaren Einrichtung.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung werden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 erläutert.

Fig. 1A ist eine Querschnittsdarstellung einer Batterievorrichtung zum Laden einer tragba­ ren Einrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 1B zeigt eine mag­ netische Flußverteilung derselben.

Das Bezugszeichen L1 repräsentiert eine Spule der primären Schaltung bzw. Primärseiten­ schaltung, und L2 repräsentiert eine Spule der sekundären Schaltung bzw. Sekundärseiten­ schaltung. Die Primärschaltungsspule L1 umfaßt einen T-förmigen, magnetischen Kern 12, eine Wicklung 13 und einen Harz- bzw. Kunstharz-Spulenkörper 11. Der Spulenkörper 11 umfaßt eine Bodenkante an einem hohlen, zylindrischen Abschnitt bzw. Teil, welcher eine Wicklungsrille bereitstellt. Der Bodenabschnitt des zylindrischen Abschnitts des Spulenkör­ pers 11 ist größer als der obere Abschnitt, wobei die Bodenkante die Grenze bildet. Die Wicklung 13 ist in die Wicklungsrille des Spulenkörpers 11 gewickelt. Der T-förmige, ma­ gnetische Kern 12 umfaßt Ferrit oder dergleichen und weist ein hervorstehendes Teil an der oberen Mitte eines plattenähnlichen Abschnitts auf, wodurch er im Querschnitt T-förmig ist. Mit dem hervorstehenden Teil oben angeordnet wird der T-förmige, magnetische Kern 12 in den zylindrischen Abschnitt des Spulenkörpers 11 von der Bodenseite eingeführt. Der plat­ tenähnliche Abschnitt wird an der Bodenaußenfläche der Bodenkante so gesichert, daß die Wicklung 13 um das hervorstehenden Teil angeordnet ist. Der Spulenkörper 11 wird direkt an einer Schaltungsplatine (nicht dargestellt) angebracht.

Die Spule L2 der sekundären Schaltung umfaßt eine Luftkernspule 17, um welche ein Kitt- bzw. Klebedraht oder dergleichen gewickelt und hieran befestigt ist. Die Luftkernspule 17 ist mit Hilfe eines Klebe- bzw. Haftmittels oder dergleichen in einer vorbestimmten Position auf einem Substrat 16 angeordnet.

Der Innendurchmesser Y1 der Luftkernspule 17 ist größer, als der Durchmesser X1 der Wicklungsrille des Spulenkörpers 11 der Spule L1 der primären Schaltung, wobei der Wert von Y1 im voraus in Übereinstimmung mit dem Abstand zwischen den Wicklungsaußenflä­ chen der Spule L1 der primären Schaltung und der Spule L2 der sekundären Schaltung be­ stimmt wird.

Die Spule L1 der primären Schaltung und die Spule L2 der sekundären Schaltung sind inner­ halb des Gehäuses eines Ladegerätes bzw. des Gehäuses des Hauptkörpers einer tragbaren Einrichtung derart montiert, daß die Wicklungsaußenfläche der Spule 13, welche das hervor­ stehende Teil des T-förmigen, magnetischen Kerns 11 umfaßt, der Wicklungsaußenfläche der Luftkernspule 17 gegenübersteht.

In Fig. 1B ist mittels gestrichelter Linien der magnetische Fluß dargestellt, der mit Hilfe der Spule L1 der primären Schaltung erzeugt wird. Das Bezugszeichen X1 repräsentiert die äuße­ re Größe der Spulenkörper-Spulenform (d. h. den Innendurchmesser der Wicklung 13), wobei die Wicklung 13 um den Spulenkörper 11 der Spule L1 der primären Schaltung gewickelt ist. Y1 repräsentiert den Innendurchmesser der Luftkernspule 17 der Spule L2 der sekundären Schaltung. G1 repräsentiert die Lücke zwischen der Spule L1 der primären Schaltung und der Spule L2 der sekundären Schaltung nach dem Einbeziehen der Dicke des Gehäuses der Lade­ seite und der Dicke des Gehäuses auf der geladenen Seite. Wenn die Wicklungsaußenfläche der Spule L2 der sekundären Schaltung gegenüber der Wicklungsaußenfläche der Spule L1 der primären Schaltung angeordnet wird, kann mittels des Ausbildens, derart, daß der innere Durchmesser Y1 der Luftkernspule 17 größer als der innere Durchmesser X1 der Windung 13 ist, die Spule L2 der sekundären Schaltung in der Verteilung des magnetischen Flusses, der mittels der Spule L1 der primären Schaltung über der Lücke G1 erzeugt wird, mit mehr ma­ gnetischem Fluß überlappen bzw. verketten, als wenn die Innendurchmesser gleich sind, so daß im Vergleich zu der herkömmlichen Vorrichtung die Energie effizienter übertragen wer­ den kann.

Fig. 2A zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Batterievorrichtung zum Laden einer trag­ baren Einrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die für niedrige Energien angepaßt ist und dünn, leichtgewichtig und kostengünstig ausgebildet werden kann.

Fig. 2B zeigt eine magnetische Flußverteilung der Batterievorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform.

Das Bezugszeichen L3 repräsentiert eine Spule der primären Schaltung. L4 repräsentiert eine Spule der sekundären Schaltung. Die Spule L3 der primären Schaltung umfaßt eine Luftkern­ spule 22, um welche ein Kitt- bzw. Klebedraht mit einer vorbestimmten Anzahl von Wick­ lungen gewickelt und hieran gesichert ist. Die Luftkernspule 22 ist mittels eines Klebe- bzw. Haftmittels oder dergleichen an einem Schaltungssubstrat 21 angebracht. Die Spule L4 der sekundären Schaltung umfaßt eine Luftkemspule 27, um welche ein Kitt- bzw. Kleberdraht oder dergleichen mit einer vorbestimmten Anzahl von Wicklungen gewickelt ist, der hieran befestigt ist. Die Luftkernspule 27 ist mittels eines Klebe- bzw. Haftmittels oder dergleichen an einem Schaltungssubstrat 26 angebracht.

Der Innendurchmesser Y2 der Luftkernspule 27 ist größer, als der Windungsrillendurchmesser X2 der Luftkernspule 22 in der primären Schaltung. Der Wert von Y2 ist gemäß dem Abstand zwischen den Wicklungsaußenflächen der Luftkernspule 22 der primären Schaltung und der Luftkernspule 27 der sekundären Schaltung festgesetzt.

Die Spule L3 der primären Schaltung und die Spule L4 der sekundären Schaltung sind inner­ halb des Gehäuses eines Ladegerätes bzw. des Gehäuses des Hauptkörpers einer kleinen, tragbaren Einrichtungen derart montiert, daß die Wicklungsaußenflächen der Luftkernspulen 22 und 27 einander gegenüberstehen.

In Fig. 2B ist mittels gestrichelter Linien die Verteilung des magnetischen Flusses gezeigt, der mit Hilfe der Spule L3 der primären Schaltung erzeugt wird. Das Bezugszeichen X2 re­ präsentiert den Innendurchmesser der Luftkernspule 22 der Spule L3 der primären Schaltung. Y2 repräsentiert den Innendurchmesser der Luftkernspule 27 der Spule L4 der sekundären Schaltung. G2 repräsentiert die Lücke zwischen der Spule L3 der primären Schaltung und der Spule L4 der sekundären Schaltung nach der Berücksichtigung der Dicke des Gehäuses der Ladungsseite und der Dicke des Gehäuses auf der geladenen Seite. Wenn die Wicklungsau­ ßenfläche der Spule L4 der sekundären Schaltung gegenüber der Wicklungsaußenfläche der Spule L3 der primären Schaltung angeordnet wird, kann die Spule L4 der sekundären Schal­ tung mit Hilfe des Ausbildens, derart, daß der innere Durchmesser Y2 der Luftkernspule 27 größer als der innere Durchmesser X2 der Luftkernspule 22 der primären Schaltung ist, mit mehr magnetischem Fluß überlappen bzw. verketten, als wenn die inneren Durchmesser gleich sind, so daß die Energie im Vergleich zu der herkömmlichen Vorrichtung effizienter übertragen werden kann. Weil der Abstand (Lücke G2) zwischen der Spule L3 der primären Schaltung und der Spule L4 der sekundären Schaltung zunimmt, kann der magnetische Fluß, welcher mit Hilfe der Spule L3 der primären Schaltung erzeugt wird, aufgrund der Vergröße­ rung des inneren Durchmessers der Luftkernspule 22 der sekundären Schaltung (vgl. Yg) effi­ zienter empfangen werden, wodurch die Effizienz gesteigert ist.

Übrigens ist der äußere Durchmesser der Wicklung der Spule in der sekundären Schaltung bei der oben beschriebenen Ausführungsform infolge der Größe der geladenen Einrichtungen im wesentlichen gleich dem äußeren Durchmesser der Wicklung der Spule in der primären Schaltung.

Im folgenden werden die Ausgangsmerkmale der Batterievorrichtung zum Laden einer trag­ baren Einrichtung auf der Basis der Fig. 3 beschrieben, welche die Luftkernspule der zwei­ ten Ausführungsform nutzt.

In Fig. 3 repräsentiert die vertikale Achse die Spannung, welche einen Ausgang der Spule der sekundären Schaltung zu einer Last bildet. Die horizontale Achse repräsentiert einen Strom, welcher von der Spule der sekundären Schaltung an die Last geliefert wird. Das Be­ zugszeichen 31 repräsentiert Ausgangsmerkmale der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung, wobei der innere Durchmesser (18 mm bei dieser Ausführung) der Spule der sekundären Schaltung vergrößert wurde. Das Bezugszeichen 32 repräsentiert Ausgangsmerkmale einer herkömmlichen Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung, wobei der innere Durchmesser (16 mm in dieser Ausführungsform) der Spule der sekundären Schaltung gleich dem der Spule der primären Schaltung ist. In beiden Fällen betragen der innere Durchmesser der Spule der primären Schaltung 16 mm und die Lücke zwischen der Spule der primären Schaltung und der Spule der sekundären Schaltung 4 mm.

Messungen, bei denen ein Gleichrichter und eine Last mit der Spule der sekundären Seite ver­ bunden sind, bestätigen, daß die erfindungsgemäße Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung im Vergleich zu der herkömmlichen Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung einen größeren Laststrom und eine größere Ausgangsspannung von der Last der sekundären Seite erhält. Darüber hinaus wird der Übertragungswirkungsgrad um etwa 12% erhöht.

Die erfindungsgemäße Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Beispielsweise muß der magneti­ schen Kern, welcher in der Spule der primären Schaltung genutzt wird, im Querschnitt nicht T-förmig sein, sondern kann im Querschnitt I- oder E-förmig sein. Darüber hinaus muß die Form der Luftkernspule aus Sicht der Wicklungsoberfläche nicht rund sein, sondern kann mehrseitig sein oder irgend eine andere Form aufweisen.

Wie oben beschrieben, umfaßt die erfindungsgemäße Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung eine Luftkernspule als ihre zweite Spule, wobei der innere Wicklungs­ durchmesser der zweiten Spule größer als der einer ersten Spule ist, und wobei die erste und die zweite Spule so angeordnet sind, daß ihre Wicklungsoberflächen einander gegenüber ste­ hen. Deshalb überlappt bzw. verkettet der mit Hilfe der Wicklung der ersten Spule erzeugte, magnetische Fluß effizient mit der Wicklung der zweiten Spule.

Deshalb kann bei der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Ein­ richtung der mit Hilfe der Wicklung der ersten Spule in dem Raum zwischen den gegenüber­ stehenden ersten und zweiten Spulen erzeugte, magnetische Fluß effizient mit der zweiten Spule überlappen, wodurch der Wirkungsgrad der Energieübertragung von der primären Schaltung zu der zweiten Schaltung vergrößert werden kann.

Des weiteren ist es möglich, die Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung in einer kleinen, tragbaren Einrichtung leicht, dünn und kostengünstig herzustellen, weil die erste Spule und die zweite Spule der erfindungsgemäßen Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung Luftkernspulen aufweisen, welche keine Magnetkörper nutzen.

Claims (4)

1. Batterievorrichtung zum Laden einer tragbaren Einrichtung mit:
einer ersten Spule, der ein Strom zugeführt wird, wobei die erste Spule in einem ersten Gehäuse montiert ist, und
einer zweiten Spule, zu welcher Energie von der ersten Spule übertragen wird, wobei die zweite Spule in einem zweiten Gehäuse montiert ist, wobei die zweite Spule eine Luft­ kernspule aufweist, der Innendurchmesser der Wicklung der Luftkernspule größer als der Innendurchmesser der Wicklung der ersten Spule ist und die erste Spule und die zweite Spule so angeordnet sind, daß die Wicklungsaußenflächen hiervon einander gegenüber­ stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Innendurchmesser der Wicklung der zweiten Spule größer als der Innendurchmesser der Wicklung der ersten Spule ist und der Außen­ durchmesser der Wicklung der zweiten Spule im wesentlichen gleich dem Außendurch­ messer der Wicklung der ersten Spule ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Innendurchmesser der Wicklung der zweiten Spule unter Berücksichtigung der Dicken von Gehäusen auf der Ladungsseite und der geladenen Seite und einer Verteilung eines magnetischen Flusses bezüglich der ersten Spule bestimmt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Spule und die zweite Spule Luftkernspulen aus Selbst-Bond-Draht aufweisen.