DE10393604T5

DE10393604T5 - Verbesserungen bei der berührungslosen Leistungsübertragung

Info

Publication number: DE10393604T5
Application number: DE10393604T
Authority: DE
Inventors: Lily Ka-Lai Cheng; James Westwood Hay; Pilgrim Giles William Beart
Original assignee: Splashpower Ltd
Current assignee: Splashpower Ltd
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2005-11-03
Also published as: WO2004038888A3; US8354821B2; US20060061323A1; AU2003282214A8; US7622891B2; US20090096414A1; WO2004038888A2; AU2003282214A1

Abstract

Einheit zum Übertragen von Leistung auf induktive Weise auf mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung, wobei die Einheit mit einer Anzahl elektrischer Spulen versehen ist, wobei die elektrischen Spulen nicht alle die gleiche Form aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine neue Vorrichtung zur Übertragung von Leistung auf berührungslose Art, bspw. durch elektromagnetische Induktion.
Die heutigen induktiv ladbaren tragbaren Vorrichtungen, bspw. die elektrische Zahnbürste "Braun Oral B Plak Control" müssen typischerweise genau mit ihrem Ladegerät ausgerichtet werden, um sie aufzuladen. Diese Genauigkeit ist notwendig, damit die Spule in der Vorrichtung korrekt mit der Spule des Ladegeräts ausgerichtet ist, wobei die Spulen tatsächlich die beiden Hälften eines herkömmlichen Leistungswandlers sind.
Einige Beispiele typischer Vorrichtungen des Standes der Technik sind in 1 gezeigt. In 1a ist die Primärspule des Ladegeräts mit der Sekundärspule der Vorrichtung ausgerichtet. In 1b ist ein Hufeisen-Elektromagnet auf dem Ladegerät mit einem ähnlichen Elektromagnet auf der Vorrichtung ausgerichtet. Die Vorrichtung von 1c wirkt auf ähnliche Weise wie diejenige von 1b: Das Feld wird von zwei Spulen erzeugt, welche gegenphasig arbeiten (wobei die untere Rückleitung ein Luftspalt ist), und die Sekundärspule ist eine flachgewickelte Spule. Im Stand der Technik, bspw. gemäß der US 4873677 , wird auf diese Weise gearbeitet. Bemerkenswert ist in allen Fällen die präzise Ausrichtung, die erforderlich ist, um eine gute Kopplung zwischen der primären und der sekundären Spule zu erhalten.
Nun wird auf 2 Bezug genommen, welche die in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Terminologie erläutert: 2a zeigt ein Ladegerät 201 mit einer Oberfläche 203, wobei das Ladegerät 201 ein Feld emittiert, und eine Vorrichtung 202, die durch das Ladegerät 201 aufgeladen wird (wobei anzumerken ist, dass in dieser Figur die Formen beider Vorrichtungen irrelevant sind). 2b zeigt, dass die Vorrichtung 202 sich auf der Oberfläche 203 des Ladegeräts 201 in zwei Richtungen, die als X und Y bezeichnet sind und rechtwinklig zueinander liegen, bewegen kann ("relativ zur Oberfläche 203 verschoben werden kann"). Die Vorrichtung 202 kann sich auch in Z-Richtung auf das Ladegerät 201 zu und von ihm weg bewegen; da dies es jedoch gegebenenfalls aus dem Ladefeld bringt, wird diese Möglichkeit hier nicht weiter beachtet.
2c zeigt, dass, zusätzlich zu den vorstehenden Verschiebungen, die Vorrichtung 202 um die X-Achse (rX), die Y-Achse (rY) und die Z-Achse (rZ) gedreht werden kann. In der vorliegenden Anmeldung sollen nur Rotationen um rZ und nicht diejenigen um rX oder rY betrachtet werden. Jede dieser sechs Translationen und Rotationen ist unabhängig von den anderen (auch als "orthogonal zu den anderen" bekannt) und wird "Freiheitsgrad" genannt.
2d zeigt ein alternatives Translationskoordinatensystem. Anstelle der orthogonalen (X, Y) Bewegung wird die Position der Vorrichtung 202 durch den Radius (r) und den Winkel (θ) von einem Zentrumspunkt aus bestimmt. Obwohl θ eine Rotation beinhaltet, stellt sie dennoch einen Translationsfreiheitsgrad dar, da die Vorrichtung 202 selbst nicht um ihre eigene Achse rotieren muss.
Um eine maximale Bequemlichkeit für den Benutzer zu gewährleisten, sollte ein System bis zu fünf Freiheitsgrade erlauben – die Translation entlang der Z-Achse ist praktisch nicht notwendig – so dass eine Vorrichtung 202 ungeachtet ihrer Position oder Ausrichtung im Ladegerät 201 positioniert werden kann.
Die Ladegeräte für Zahnbürsten und dergleichen von heute weisen jedoch im Wesentlichen mehr Beschränkungen auf. Systeme, welche die in 1a gezeigte Transformatorkonfiguration aufweisen, bieten einen Freiheitsgrad (Rotation in der Ebene der Spulen), und bei den in 1d und 1c gezeigten werden zwei Freiheitsgrade angeboten, da, wenn die Vorrichtung fortgesetzt eine adäquate Leistung aufnehmen soll, sie relativ zum Ladegerät weder verdreht noch verschoben werden darf. Wenn null oder nur wenige Freiheitsgrade vorhanden sind, ist eine präzise Ausrichtung erforderlich, die für den Benutzer unangenehm sein kann, da sie beim Anordnen der Vorrichtung 202 auf dem Ladegerät 201 viel Sorgfalt und manuelle Geschicklichkeit erfordert.
Darüber hinaus können Systeme, denen die X-Y-Translationsfreiheitsgrade fehlen, nicht mehrere Vorrichtungen gleichzeitig laden, da natürlich nicht mehr als eine Vorrichtung gleichzeitig die erforderliche X-Y-Position einnehmen kann.
Zusätzlich sind solche Systeme, welche eine präzise Primär-Sekundär-Ausrichtung erfordern, keine universelle induktive Ladelösung (d.h. es können nicht Vorrichtungen mit sehr verschiedenen Anfordernissen bezüglich der Leistung aufgeladen werden), da die unterschiedlichen Spulengrößen, welche durch den Leistungsbedarf verschiedener Arten von Vorrichtungen erforderlich sind, nicht gut für eine Ladegerätspule mit nur einer Größe passen, siehe 3.
Es wurden verschiedene Mittel vorgeschlagen, um die Zahl der Freiheitsgrade zu erhöhen.
Ein einfaches Verfahren besteht darin, im Ladegerät eine große Spule einzusetzen, welche ein großes Feld emittiert, wodurch es ermöglicht wird, dass die Vorrichtung ausreichend Leistung aufnimmt, selbst wenn sie nicht vollkommen ausgerichtet ist. 4 zeigt bspw. eine solche Ladegerätspule 401 und eine Vorrichtungsspule 402. Dies ist das Verfahren, das bei verschiedenen RFID-Vorrichtungen eingesetzt wird. Jedoch ist die Kopplung zwischen den Spulen 401 und 402 gering und hängt stark von der Position ab, weswegen diese Lösung ineffizient ist und die übertragbare Leistung begrenzt, die trotz der Einhaltung der Emissionsvorschriften abgegeben werden kann. Deshalb ist diese Lösung weit davon entfernt, ideal für Ladegerätanwendungen zu sein, bei denen die Effizienz typischerweise ein wichtiges Kriterium ist.
Eine Lösung, welche bezüglich der Effizienz solchen "Großspulensystemen" überlegen ist, obwohl mehrere Freiheitsgrade gewährleistet werden, besteht darin, im Ladegerät mehrere Spulen zu verwenden, welche je nach Bedarf aktiviert werden, wodurch gewährleistet wird, dass die Ladegerätspulen und die Vorrichtungsspule ein vernünftiges Verhältnis zueinander aufweisen. Diesbezüglich wird auf 5 verwiesen, welche mehrere Ladegerätspulen 501 und eine einzelne Vorrichtungsspule 502 zeigt. Der Stand der Technik umfasst folgendes:

– ein System, das im Journal der Magnetics Society of Japan beschrieben ist, mit dem Titel "Coil Shape in a Desk-type Contactless Power Station System" (29. Nov. 2001).

Eine alternative Lösung stellt die UK-Anmeldung 0210886.8 vom 13. Mai 2002 dar, welche ein System offenbart, das ein horizontales Feld über der Oberfläche des Ladegeräts erzeugt, im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen, welche ein vertikales Feld aus der Oberfläche des Ladegeräts heraus erzeugen. Eine Kopie der äquivalenten internationalen Patentanmeldung PCT/GB2003/002030 wird zusammen mit der vorliegenden Anmel dung eingereicht, um Teil der Akte zu bilden, und der vollständige Inhalt der genannten Anmeldung sei hierin durch Bezugnahme aufgenommen. Dies ermöglicht dieselben beiden Translationsfreiheitsgrade (X und Y) wie der obige Ansatz mit mehreren Spulen, jedoch mit einer besseren Einheitlichkeit des Feldes und deshalb erhöhter Effizienz im schlechtesten Fall. Optional kann das horizontale Feld in der Ebene des Ladegeräts gedreht werden, wodurch ein zusätzlicher Rotationsfreiheitsgrad (rZ) ermöglicht wird. Diesbezüglich wird auf 6 verwiesen, welche ein laminares Ladegerät 601 zeigt, das ein Magnetfeld in der Ebene des Ladegeräts 602 und eine Vorrichtung 610 zeigt, welche letztere Leistung aus einem solchen Feld aufnehmen kann, wenn sie sich in einer bestimmten Ausrichtung 611 befindet. Wenn das durch das Ladegerät erzeugte Feld zur Rotation gebracht wird, wie gezeigt, dann besteht kein Erfordernis, die Vorrichtung in einer speziellen Ausrichtung zu positionieren.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Einheit zum Übertragen von Leistung auf induktive Art auf mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung angegeben, wobei die Einheit mit mindestens einer elektrischen Spule versehen ist und die leistungsaufnehmende Vorrichtung Leistung aufnehmen kann, wenn sie in mehr als einer Position oder Rotation der Einheit angeordnet ist.
Die Einheit kann eine Lage umfassen, in welcher die Spulen angeordnet sind, wobei die Lage als Oberfläche dient, auf der die leistungsaufnehmenden Vorrichtungen angeordnet sein können, um die Leistungsübertragung auszuführen. Die Einheit kann eine Energieversorgung enthalten oder mit einer solchen verbindbar sein. Die Lage ist vorzugsweise eine laminare Lage, d.h. sie hat die Konfiguration einer Platte. Mit anderen Worten ist die Lage vorzugsweise im Wesentlichen flach, und sie kann im Wesentlichen planar sein, wobei anzumerken ist, dass die Lage auch gekrümmt sein kann oder an eine gekrümmte Oberfläche angepasst, bspw. der Innenseite eines Handschuhfachs in einem Kraftfahrzeug. Dies gilt auch für die weiteren Aspekte der Erfindung, welche nachstehend angeführt sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Einheit zum Übertragen von Leistung auf induktive Art auf mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung angegeben, wobei die Einheit mit einer Anzahl an elektrischen Spulen versehen ist, wobei die elektrischen Spulen nicht alle dieselbe Form aufweisen.
Die Spulen können einfache leitende Schleifen sein oder eine komplexere Anordnung von Leitern umfassen. Wenn eine komplexere Anordnung von Leitern vorhanden ist, wie sie bspw. in den UK-Anmeldungen 0210886.8 vom 13. Mai 2002 und 0213024.3 vom 7. Juni 2002 offenbart sind (wobei deren vollständige Offenbarungen hierin durch Bezugnahme enthalten sein sollen) ist der Ausdruck "Spule" im Kontext der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass er jede separate Anordnung von Leitern bezeichnet, welche einen gegebenen Ladebereich oder aktiven Bereich auf der Primäreinheit definiert und auf dem eine Sekundärvorrichtung angeordnet ist, um das Aufladen zu bewirken.
Es ist in dieser Hinsicht auch nicht notwendig, dass alle elektrischen Spulen dieselbe Größe aufweisen und/oder die gleiche räumliche Ausdehnung.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Einheit zum Übertragen von Leistung auf induktive Art an mindestens eine leistungsempfangende Vorrichtung angegeben, wobei die Einheit mit einer Anzahl elektrischer Spulen versehen ist, wobei die elektrischen Spulen nicht alle dieselbe Größe aufweisen und/oder nicht alle dieselbe räumliche Ausdehnung umfassen.
In einigen Ausführungsformen können alle Spulen voneinander verschiedene Formen und/oder Größe und/oder räumliche Ausdehnungen aufweisen. In anderen Ausführungsformen können zwei oder mehrere der Spulen die gleiche Form und/oder Größe und/oder die gleiche räumliche Ausdehnung aufweisen, wobei die verbleibenden Spulen eine oder mehrere unterschiedliche Formen und/oder Größen und/oder räumliche Ausdehnungen aufweisen oder alle die gleiche unterschiedliche Form und/oder Größe und/oder räumliche Ausdehnung aufweisen.
Die Spulen können räumlich voneinander getrennt sein, so dass keine Spule in eine andere eingeschlossen ist oder sich mit dieser überlappt. Alternativ dazu können eine oder mehrere kleinere Spulen innerhalb eines Grenzbereichs einer oder mehrerer größerer Spulen enthalten sein. Wenn eine oder mehrere kleinere Spulen innerhalb der Grenzen einer größeren Spule enthalten sind, können die Spulen im Wesentlichen konzentrisch sein, oder sie können eine andere Anordnung aufweisen. Bspw. kann eine Anzahl an kleineren Spulen innerhalb einer Begrenzung einer größeren Spule enthalten sein, so dass die kleineren Spulen nicht ineinander enthalten sind oder sich überlappen. Einige kleinere Spulen können innerhalb der Grenzen einer größeren Spule ineinander verschachtelt sein, wobei einige andere kleinere Spulen nicht innerhalb derselben äußeren Grenze ineinander verschachtelt sind.
Die Spulen können verschiedene Formen aufweisen, einschließlich der kreisförmigen, elliptischen, allgemein ovalen, dreieckigen, rechteckigen, derjenigen eines Parallelogramms, Trapezoids, eines Sterns, eines regelmäßigen Polygons, eines irregelmäßigen Polygons oder eine amorphe Form.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird eine Einheit zum Übertragen von Leistung auf induktive Art an mindestens eine leistungsempfangende Vorrichtung angegeben, wobei die Einheit mit mindestens einer Anzahl an verschachtelten elektrischen Spulen versehen ist, sowie mit Mitteln zum selektiven Aktivieren einer oder mehrerer der verschachtelten elektrischen Spulen, um so einstellbar zu sein, dass eine effiziente Leistungsübertragung an leistungsaufnehmende Vorrichtungen unterschiedliche Größen und/oder Leistungsanforderungen und/oder Positionen/Drehwinkel gewährleistet wird.
Die Mittel zum selektiven Aktivieren einer oder mehrerer der verschachtelten Spulen können so eingestellt werden, dass sie automatisch eine geeignete Größe und/oder Leistungsanforderung und/oder Position/Drehstellung, welche für die leistungsaufnehmende Einheit bestimmend sind, erfassen (bspw. die Größe oder Größen von leistungsaufnehmenden Sekundärspulen in der leistungsempfangenden Vorrichtung).
Die verschachtelten Spulen können im Wesentlichen kreisförmig sein oder eine andere geeignete Form annehmen, wie vorstehend angegeben.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind vier verschachtelte Sätze elektrischer Spulen vorhanden, von denen jede eine im Wesentlichen rechtwinklige Dreiecksform aufweist und die so angeordnet sind, dass die rechten Winkel der vier Sätze Spulen gegen einen einzelnen Ursprungspunkt deuten, so dass die vier Sätze verschachtelter Spulen als Gesamtheit im Wesentlichen Quadrat- oder Rechteckform aufweisen. Vorzugsweise werden benachbarte Spulensätze gegenphasig betrieben, um eine Rotation des resultierenden elektromagnetischen Feldes um den Ursprungspunkt zu bewirken, wobei ein Grad an Rotationsfreiheit im Positionieren einer leistungsaufnehmenden Vorrichtung auf der Lage geschaffen wird.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird eine Einheit zum Übertragen von Leistung auf induktive Art an mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung angegeben, wobei die Einheit mit einer geraden Anzahl elektrischer Spulen versehen ist, wobei jede einen Eckabschnitt aufweist, wobei die Spulen so angeordnet sind, dass die Eckabschnitte jeweils gegen einen Ursprungspunkt gerichtet sind und wobei beim Betrieb benachbarte Spulen gegenphasig betrieben werden, so dass eine Rotation des resultierenden elektromagnetischen Feldes um den Ursprungspunkt bewirkt wird.
Vorzugsweise sind vier Spulen vorhanden, welche jeweils eine rechtwinklige Dreiecksform aufweisen, eine Viertelkreisform oder eine andere geeignete Form. Wenn mehr als vier Spulen vorhanden sind, können sie jeweils allgemein dreieckig sein oder die Form eines Kreissektors annehmen.
Jeder der ersten bis vierten Aspekte der Erfindung kann mit mindestens einer leistungsaufnehmenden Einheit kombiniert werden, um ein System zur kontaktlosen Leistungsübertragung auszubilden.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung wird ein System zur kontaktlosen Leistungsübertragung angegeben, wobei das System eine leistungsübertragende Vorrichtung aufweist, welche mit einer Primärspule und mindestens einer leistungsaufnehmenden Vorrichtung, die eine Sekundärspule aufweist, versehen ist, wobei die Primärspule im Wesentlichen entlang der x-Achse in Bezug auf die orthogonale y-Achse langgezogen ist, und wobei die Sekundärspule so dimensioniert ist, dass sie hinsichtlich der Größe in Bezug auf die y-Achse der Primärspule ausreichend ähnlich ist, damit eine effiziente Leistungsübertragung gewährleistet wird, wobei sie jedoch in Bezug auf die x-Achse kleiner ist, um einen Translationsfreiheitsgrad der Bewegung entlang der x-Achse zu schaffen.
Auf diese Weise können mehrere leistungsaufnehmende Vorrichtungen gleichzeitig durch die Primärspule mit Leistung versorgt werden, indem die Vorrichtungen einander benachbart entlang der x-Achse angeordnet werden.
Die Primärspule kann im Wesentlichen rechteckig sein oder eine andere geeignete Form annehmen, einschließlich der elliptischen oder im Wesentlichen ovalen Form. Die Sekundärspule weist vorzugsweise eine entsprechende rechteckige (gegebenenfalls quadratische) oder elliptische oder ovale oder andere Konfiguration auf, und zwar in Abhängigkeit von der Zusatzbedingung, dass die Ausdehnung der Primärspule entlang der y-Achse im Wesentlichen derjenigen der Sekundärspule entlang der y-Achse ähnlich ist und dass die Ausdehnung der Primärspule entlang der x-Achse größer ist als diejenige der Sekundärspule entlang der x-Achse. Vorzugsweise ist die Ausdehnung der Primärspule entlang der x-Achse mindestens doppelt so groß wie diejenige der Sekundärspule entlang der x-Achse, wobei sie vorzugsweise mindestens das Drei- oder Vierfache beträgt.
Gemäß einem siebten Aspekt der Erfindung wird ein System zur kontaktlosen Leistungsübertragung angegeben, wobei das System eine leistungsübertragende Einheit aufweist, die mit mindestens einer Primärspule versehen ist, welche einen Grenzbereich aufweist, und mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung, welche eine Sekundärspule beinhaltet, wobei die Leistungsübertragung mittels der Kopplung des Nahfeldflusses erfolgt, welcher über den Bereich der Grenze der mindestens einen Primärspule mit Wicklungen der Sekundärspule stattfindet.
Es kann lediglich eine einzelne Primärspule geeigneter Konfiguration vorhanden sein oder eine Anzahl benachbarter Primärspulen, welche es ermöglichen, dass eine Anzahl an leistungsaufnehmenden Vorrichtungen gleichzeitig Leistung empfängt.
Die mindestens eine Primärspule kann im Wesentlichen rechteckig sein, in welchem Fall ein linearer Bewegungsfreiheitsgrad der Sekundärspule existiert.
Alternativ dazu kann die mindestens eine Primärspule im Wesentlichen kreisförmig oder elliptisch oder dergleichen sein, in welchem Fall ein Rotationsfreiheitsgrad vorhanden ist.
Gemäß einem achten Aspekt der Erfindung wird ein System zur kontaktlosen Leistungsübertragung angegeben, wobei das System eine leistungsübertragende Einheit aufweist, welche mit ersten und zweiten im Wesentlichen konzentrischen Primärspulen versehen ist, wobei die erste größer ist als die zweite, sowie mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung, welche mindestens eine Sekundärspule aufweist, die so dimensioniert ist, dass sie dem Abstand zwischen der ersten und der zweiten Primärspule entspricht, wobei die Leistungsübertragung mittels Kopplung des Nahfeldflusses, welcher über die Grenzen der ersten und zweiten Primärspulen hinaus fließt, mit im Wesentlichen gegenüberliegenden Kanten der Sekundärspule entsteht.
Unter diesem Aspekt werden der ersten und der zweiten Primärspule Ströme zugeführt, welche in entgegengesetzte Richtungen fließen. Die Spulen können im Wesentlichen kreisförmig sein oder jede andere geeignete Form annehmen, wie hierin beschrieben.
Um das vorstehend Ausgedrückte zusammenzufassen, sind in der nachstehenden Tabelle Eigenschaften eines beliebigen induktiven Ladesystems aufgeführt, und es wird veranschaulicht, wie das erfindungsgemäße Ladesystem im Vergleich zum Stand der Technik abschneidet:
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können deshalb zu einer größeren Einfachheit (und somit verringerten Kosten) führen, indem eine Anzahl an Freiheitsgraden ermöglicht wird, die geringer ist als diejenige der GB 0210886.8, aber größer als diejenige der heutigen "Zahnbürsten"-Ladegeräte, wobei gleichzeitig viele der Vorteile der GB 0210886.8 (Einfachheit, Effizienz, Gleichzeitigkeit und Universalität) beibehalten werden.
Zusätzlich kann dies wahlweise erzielt werden, während gleichzeitig die Kompatibilität mit Vorrichtungen und Ladegeräten der in der GB 0210886.8 beschriebenen Art beibehalten wird.
Nun werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, weiche in die folgenden drei Kategorien fallen:

1. Keine Freiheitsgrade – das Ladegerät weist unterschiedliche Positionen für unterschiedliche Arten von Vorrichtungen auf (7);
2. Lediglich ein Rotationsfreiheitsgrad in rZ-Richtung, weswegen die Vorrichtung in korrekter Position auf dem Ladegerät angeordnet werden muss. Das Ladegerät weist eine einzelne Stelle mit effektiver Spulengröße auf, welche sich mit den Anforderungen der Vorrichtung ändert (8 und 9);
3. Nur ein Translationsfreiheitsgrad (10), und zwar entweder: a. linearer Translationsfreiheitsgrad; b. zirkularer Translationsfreiheitsgrad und Rotationsfreiheitsgrad.

Nachstehend wird jede dieser Kategorien abwechselnd behandelt:
1. Kein Freiheitsgrad
Die 7a, 7b, 7c zeigen drei verschiedene Arten von Ladegerätkonfigurationen 701, welche jeweils unterschiedliche Größen oder Formen der Spule 702, 703, 704 aufweisen. Jede Spule könnte bspw. eine mehrfach gewickelte Spule eines Typs ähnlich demjenigen von 1a sein. Die Spulen können alle gleichzeitig angeregt werden oder nur dann, wenn eine Vorrichtung erfasst wird.
Die Lage und/oder Rotation und/oder Art jeder Spule wird durch eine Anzeige verdeutlicht, welche es dem Benutzer ermöglicht, seine Vorrichtung auf diejenige Spule zu setzen, an die sie am besten ankoppeln kann, und zwar in korrekter Ausrichtung, wenn eine solche notwendig ist.
In 7a sind die Spulen räumlich getrennt (wodurch es ermöglicht wird, dass mehrere Vorrichtungen gleichzeitig geladen werden); in 7b sind sie konzentrisch, und in 7c sind sie eine Mischung aus beidem.
Die Spulen können natürlich eine beliebige Form aufweisen, um zur Vorrichtung zu passen, und einige Beispiele sind in 7d gezeigt.
2. Nur ein Rotationsfreiheitsgrad rZ
Die 1a und 8a zeigen ein System des Standes der Technik mit einem einzelnen Rotationsfreiheitsgrad – eine Spule auf der primären 800 koppelt an eine entsprechende Spule auf der Vorrichtung 801 in der Art eines einfachen Transformators.
8b zeigt ein alternatives Verfahren zum Erreichen des gleichen Rotationsfreiheitsgrades für eine Vorrichtung 811, welche ein Feld in der Art von 1c erwartet. Ein Gegenphasenfeld wird in die Sätze an Spulen 810A und 810B induziert, so dass das Feld von der Ausrichtung in der 810A-Achse zur Ausrichtung in der 810B-Achse und zurück zur Achse 810A gedreht wird. Somit empfängt die Vorrichtung mit der Zeit eine signifikante Menge an Leistung, und zwar unabhängig von ihrer Ausrichtung.
9 erweitert diese beiden Mittel zum Erzeugen eines Rotationsfreiheitsgrades durch Hinzufügen von Universalität. Ein Ladegerät 901 besteht aus einer Anzahl derartiger Spulen, welche konzentrisch angeordnet sind, wobei jede von ihnen unabhängig angetrieben werden kann. Das Ladegerät verhält sich, je nachdem, welche Art von Vorrichtung vorhanden 902 ist, unterschiedlich:

– in 9a ist keine Vorrichtung vorhanden, weswegen keine Lagespulen angetrieben werden;
– in 9b ist eine physisch kleine Vorrichtung mit entsprechend geringen Leistungsanforderungen vorhanden, und deshalb werden nur einige der Innenspulen angetrieben;
– in 9c ist eine physisch große Vorrichtung mit entsprechend großem Leistungsbedarf vorhanden, und deshalb werden viele der Spulen angetrieben.

Die 9d, 9e, 9f zeigen ein Ladegerät mit einer Spulenkonfiguration 903 der in 8b gezeigten Art, welche jedoch, wie oben, konzentrisch angeordnet sind, bei ähnlichen Vorteilen.
3a. Ein linearer Translationsfreiheitsgrad
10 zeigt verschiedene Konfigurationen, in denen die primäre Ladespule größer ist als die Sekundärvorrichtungsspule, die aber bezüglich ihrer Abmessungen beschränkt ist, so dass sie einen vernünftigen Wirkungsgrad mit einem einzelnen Translationsfreiheitsgrad in der X-Achse bietet, und damit die Option des gleichzeitigen Ladens mehrerer Vorrichtungen.
In 10a treibt eine rechteckige Ladespule 1001 eine kleinere Vorrichtungsspule 1002 an, indem sie ein Feld in der Z-Achse erzeugt. Dadurch, dass sie bezüglich der Größe ähnlich der Vorrichtungsspule in Y-Abmessung ist, wird eine vernünftige Effizienz erzielt. Dadurch, dass sie signifikant größer ist als die Vorrichtungsspule in X-Abmessung, wird ein Translationsfreiheitsgrad erreicht.
Natürlich können die Spulen eine beliebige Form aufweisen (bspw. ellipsoidal) und nicht nur Rechteckform, wie gezeigt, wobei ein wichtiger Gesichtspunkt das Längenverhältnis ist.
Die 10b und 10c erreichen ein ähnliches Ergebnis für Vorrichtungen des Typs von 1c, 1003. In 10b wird eine Ladespule identisch derjenigen von 10a eingesetzt. In 10a sollte sie einen Nettofluss aus dem Zentrum der Spule in Z-Abmessung erzeugen, aber sie kann auch "oben nahe" an der Kante der Spule als einen Fluss erzeugend angesehen werden, welcher um den Draht/die Drähte rotiert, wie in 10b gezeigt. Wenn deshalb eine Vorrichtung von 1c her zu einer Kante der Spule angeordnet wird, empfängt sie der Fluss.
In 10c ist eine zweite Spule unterhalb der ersten 1004 angeordnet. Wenn sie entlang der Grenze zwischen den beiden, wie gezeigt, angeordnet ist, empfängt die Vorrichtungsspule Leistung von jeder Spule. Natürlich kann dieses Konzept unbestimmt in Y-Abmessung ausgeweitet werden, wie durch die gepunktete Linie gezeigt, um eine belie bige Anzahl an Linien zu erzeugen, entlang derer eine Vorrichtung Leistung aufnehmen kann.
3b. Ein kreisförmiger Translationsfreiheitsgrad
11a zeigt eine große Spule 1101 mit einer kleinen Spule 1102 darin. Die Spulen führen Strom in entgegengesetzte Richtungen und erzeugen so einen Nettofluss, der entlang der Z-Achse fließt (aus der Seite heraus). Wenn eine Vorrichtung mit einer Spule 1103 irgendwo innerhalb des Ringes, der zwischen den Spulen ausgebildet ist, angeordnet wird, empfängt sie diesen Fluss mit vernünftiger Effizienz. Somit weist die Vorrichtung einen kreisförmigen Translationsfreiheitsgrad auf, und mehrere Vorrichtungen können auf dem Ladegerät angeordnet werden.
11b zeigt ein ähnliches Schema, das mit einer Vorrichtung des Typs von 1c arbeitet. Die Vorrichtung überspannt die äußere Spule 1101, um an die zu koppeln. Dies kann als Variante von 10b gesehen werden.
Es ist anzumerken, dass die Spulen nicht kreisförmig sein müssen.
In jedem der obigen Fälle kann das Ladegerät erfassen, ob eine Vorrichtung auf einer bestimmten Spule vorhanden ist, und wenn dies der Fall ist, welche Leistung sie benötigt. Mögliche Mittel, um dies auszuführen, umfassen folgendes (ohne darauf beschränkt zu sein):

– Erfassen der Resonanz ("Q") oder anderer Eigenschaften der angetriebenen Spulen;
– Kommunikation durch Modulation von Datensignalen auf das Magnetfeld (bspw. "Rückstreuung", wie bei RFID-Vorrichtungen eingesetzt).

In allen Ausführungsformen dieser Erfindung verfügt der Benutzer über beschränkte Freiheitsgrade, wenn er die Vorrichtungen einsetzt. Deshalb kann es vorteilhaft sein, diese Zwangsbedingungen dem Benutzer anzuzeigen.
Derartige Anzeigen können auf verschiedene Weisen erfolgen, bspw.:

– für Ladegeräte mit Beschränkungen der Anordnung kann die korrekte Vorrichtungsposition angezeigt werden durch: ⌾ Umranden des Spulenbereiches; ⌾ Füllen des aktiven Spulenbereiches oder Versehen desselben mit einem Muster;
– für Ladegeräte mit Rotationsbeschränkungen kann die korrekte Vorrichtungsrotation wie folgt angezeigt werden: ⌾ eine Linie oder einen Pfeil oder einen Satz derselben.

Die Anzeigen können in einer beliebigen Anzahl von Medien angegeben werden, bspw.:

– Drucktinte, vielleicht von einer besonderen Farbe;
– Erhöhen oder Absenken der Ladegerätoberfläche;
– Gesamtform des Ladegeräts oder eines Teils desselben.

Die Vorrichtung kann entsprechende Anzeigen umfassen.
Einige Beispiele möglicher Anzeigen sind in 12 gezeigt, wobei:

– 12a einen gedruckten oder erhöhten Umriss zweier Vorrichtungen für Ladegeräte zeigt, welche keinen Freiheitsgrad aufweisen;
– 12b einen gedruckten oder erhöhten Pfeil sowohl auf dem Ladegerät als auch auf den Vorrichtungen für Ladegeräte mit zwei Translationsfreiheitsgraden, aber ohne Rotationsfreiheitsgrad, zeigt;
– 12c ähnlich 12b ist, wobei anstelle der Pfeile Streifen vorhanden sind;
– 12d ein "Ziel" aus konzentrischen Kreisen sowohl auf dem Ladegerät als auch auf der Vorrichtung für Ladegeräte mit nur einem Rotationsfreiheitsgrad zeigt;
– 12e ein Ladegerät mit einem kreisförmigen Translationsfreiheitsgrad zeigt, welcher so ausgebildet ist, dass der aktive Bereich des Ladegeräts durch seine Form offensichtlich ist.

Der Stand der Technik wie US 5952814 (Philips Telefonladegerät mit Arretierung) beschreibt, wie das Gehäuse eines Ladegeräts ausgeführt werden kann, um der inneren Form des Ladegeräts zu entsprechen, wodurch eine genaue Ausrichtung der Primär- und Sekundärspulen ermöglicht wird.
Es ist anzumerken, dass im Fall einer Vorrichtungsspule, die ausgerichtet ist, um Leistung durch Aufnahme eines Flusses zu empfangen, welcher im Wesentlichen in der Ebene des Ladegeräts fließt, und nicht senkrecht zu diesem, zahlreiche mögliche Konstruktionen des Kerns möglich sind, darunter folgende Beispiele (ohne jedoch darauf beschränkt zu sein):

– ein Stab aus permeablem Material mit einem herumgewickelten Draht (13a) oder
– ein flaches Teil aus permeablem Material mit einem flach herumgewickelten Draht (13b), wie in 1c.

Es ist auch anzumerken, dass bei allen vorstehenden Ausführungsformen die genaue Form von Spulen in der Vorrichtung und/oder dem Ladegerät einen Effekt auf die Effizienz und andere Eigenschaften ausüben. Bspw. kann das Ersetzen einer quadratischen Spule durch eine kreisförmige die Effizienz etwas reduzieren, wobei es jedoch der Vorrichtung dank der Rotationssymmetrie eines Kreises ermöglicht wird, einen Rotationsfreiheitsgrad aufzuweisen.
Die bevorzugten Merkmale der Erfindung sind auf alle Aspekte der Erfindung anwendbar und können in einer beliebigen möglichen Kombination verwendet werden.
In der Beschreibung und den Ansprüchen bedeuten die Wörter "aufweisen" und "enthalten" und Variationen dieser Wörter, bspw. "aufweisend" und "weist auf", "einschließend, jedoch nicht darauf beschränkt" und sind nicht dazu gedacht, andere Komponenten, Zahlen, Teile, Zubehörteile oder Schritte auszuschließen (und tun dies auch nicht).
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Leistung auf berührungslose Art, zum Beispiel auf induktive Weise, auf mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung, wobei die Vorrichtung mit einer Anzahl elektrischer Spulen versehen ist, welche nicht alle die gleiche Form aufweisen.

Claims

Einheit zum Übertragen von Leistung auf induktive Weise auf mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung, wobei die Einheit mit einer Anzahl elektrischer Spulen versehen ist, wobei die elektrischen Spulen nicht alle die gleiche Form aufweisen.
Einheit nach Anspruch 1, wobei die elektrischen Spulen nicht alle die gleiche Größe aufweisen und/oder nicht alle den gleichen Abmessungsbereich einschließen.
Einheit zum Übertragen von Leistung auf induktive Weise auf mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung, wobei die Einheit mit einer Anzahl an elektrischen Spulen versehen ist, wobei die elektrischen Spulen nicht alle die gleiche Größe aufweisen und/oder nicht alle den gleichen Abmessungsbereich einschließen.
Einheit nach Anspruch 3, wobei die elektrischen Spulen nicht alle die gleiche Form aufweisen.
Einheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der elektrischen Spulen eine einfache Leiterschleife umfasst.
Einheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der elektrischen Spulen eine komplexe Anordnung von Leitern umfasst, welche einen Ladebereich definieren, auf welchem eine leistungsaufnehmende Vorrichtung angeordnet werden kann.
Einheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei alle elektrischen Spulen voneinander verschiedene Formen und/oder Größen aufweisen und/oder voneinander verschiedene Abmessungsbereiche umschließen.
Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwei oder mehre der elektrischen Spulen die gleiche Größe und/oder Form aufweisen und/oder den gleichen Abmessungsbereich umschließen.
Einheit nach Anspruch 8, wobei eine oder mehrere der übrigen Spulen eine oder mehrere unterschiedliche Formen und/oder Größen und/oder unterschiedliche Abmessungsbereiche im Vergleich zu den zwei oder mehreren der elektrischen Spulen aufweisen.
Einheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Spulen räumlich voneinander getrennt sind, so dass keine Spule innerhalb einer Anbringungsspule eingeschlossen ist oder diese überlappt.
Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine oder mehrere kleine Spulen innerhalb einer Begrenzung einer oder mehrerer größerer Spulen enthalten sind.
Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und 11, wobei sich eine oder mehrere Spulen mit einer oder mehreren anderen Spulen überlappen.
Einheit nach Anspruch 11, wobei die kleineren Spulen, die innerhalb einer Begrenzung mindestens einer größeren Spule vorhanden sind, in einer im Wesentlichen konzentrischen oder verschachtelten Konfiguration vorhanden sind.
Einheit nach Anspruch 11, wobei die kleineren Spulen, die innerhalb des Grenzbereichs der mindestens einen größeren Spule enthalten sind, so angeordnet sind, dass die kleineren Spulen einander nicht überlappen und nicht ineinander enthalten sind.
Einheit nach Anspruch 11, wobei einige der kleineren Spulen, die innerhalb des Grenzbereichs der mindestens einen größeren Spule enthalten sind, eine verschachtelte Konfiguration aufweisen, und wobei einige andere der kleineren Spulen keine verschachtelte Konfiguration innerhalb desselben Grenzbereichs aufweisen.
Einheit nach einer der vorstehenden Ansprüche, wobei die Einheit mit Mitteln zum selektiven Aktivieren einer oder mehrerer der elektrischen Spulen ausgestattet ist, um eine effiziente Leistungsübertragung auf leistungsaufnehmende Vorrichtungen unterschiedlicher Größen und/oder Leistungsanforderungen und/oder Positionen oder Rotationen zu ermöglichen.
Einheit zum Übertragen von Leistung auf induktive Weise auf mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung, wobei die Einheit mit mindestens einer Anzahl verschachtelter elektrischer Spulen und mit Mitteln zum selektiven Aktivieren einer oder mehrerer der verschachtelten elektrischen Spulen versehen ist, so dass sie anpassbar ist, um eine effiziente Leistungsübertragung auf leistungsaufnehmende Vorrichtungen unterschiedlicher Größen und/oder Leistungsanforderungen und/oder Positionen/Rotationen zu ermöglichen.
Einheit nach Anspruch 17, wobei mindestens eine der elektrischen Spulen eine einfache Leiterschleife aufweist.
Einheit nach Anspruch 17 oder 18, wobei mindestens eine der elektrischen Spulen eine komplexe Anordnung von Leitern aufweist, welche einen Ladebereich definieren, auf dem eine leistungsaufnehmende Vorrichtung angeordnet werden kann.
Einheit nach Anspruch 17, wobei vier verschachtelte Sätze elektrischer Spulen vorhanden sind, wobei jede eine im Wesentlichen rechtwinklige Dreiecksform aufweist, und die Spulen so angeordnet sind, dass die rechten Winkel der vier Spulensätze alle gegen einen einzelnen Ursprungspunkt gerichtet sind, so dass die vier Sätze verschachtelter Spulen insgesamt im Wesentlichen eine Quadrat- oder Rechteckkonfiguration aufweisen.
Einheit nach Anspruch 20, wobei beim Betrieb benachbarte Spulensätze gegenphasig betrieben werden, um eine Rotation des resultierenden elektromagnetischen Feldes um den Ursprungspunkt zu bewirken.
Einheit zum Übertragen von Leistung auf induktive Weise auf mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung, wobei die Einheit mit einer geraden Zahl an elektrischen Spulen ausgestattet ist, von denen jede einen Eckbereich aufweist, wobei die Spulen so angeordnet sind, dass die Eckbereiche alle gegen einen Ursprungspunkt gerichtet sind, und wobei beim Betrieb benachbarte Spulen gegenphasig betrieben werden, um eine Rotation eines resultierenden elektromagnetischen Feldes um den Ursprungspunkt herum zu bewirken.
Einheit nach Anspruch 22, wobei die Einheit mit vier Spulen ausgestattet ist.
Einheit nach Anspruch 22 oder 23, wobei jede Spule eine im Wesentlichen rechtwinklige Dreiecksform oder eine Viertelkreisform aufweist.
System zur kontaktlosen Leistungsübertragung, aufweisend eine Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 24 und eine diskrete leistungsaufnehmende Vorrichtung einschließlich einer Sekundärspule zum induktiven Koppeln mit mindestens einer Spule der Einheit.
System zur kontaktlosen Leistungsübertragung, wobei das System eine leistungsübertragende Einheit aufweist, die mit einer Primärspule ausgestattet ist, und mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung mit einer Sekundärspule, wobei die Primärspule im Wesentlichen entlang der x-Achse in Bezug auf eine orthogonale y-Achse langgestreckt ist und wobei die Sekundärspule so dimensioniert ist, dass sie bezüglich der Größe in Bezug auf die y-Achse der Primärspule ausreichend ähnlich ist, um eine effiziente Leistungsübertragung zu gewährleisten, jedoch bezüglich der Größe in Richtung der x-Achse kleiner ist, um einen Translationsfreiheitsgrad der Bewegung entlang der x-Achse zu ermöglichen.
System nach Anspruch 26, wobei die Ausdehnung der Primärspule entlang der x-Achse mindestens das Doppelte, vorzugsweise das Drei- oder Vierfache, derjenigen der Sekundärspule entlang der x-Achse beträgt.
System zur kontaktlosen Leistungsübertragung, wobei das System eine leistungsübertragende Einheit aufweist, welche mit mindestens einer Primärspule ausgestattet ist, die einen Grenzbereich aufweist, und mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung, die eine Sekundärspule enthält, wobei die Leistungsübertragung mittels Kopplung des Nahfeldflusses über den Grenzbereich der mindestens einen Primärspule mit Wicklungen der Sekundärspule erfolgt.
System nach Anspruch 28, aufweisend eine Anzahl benachbarter Primärspulen, welche es ermöglichen, dass eine Anzahl leistungsempfangender Vorrichtungen gleichzeitig Leistung aufnimmt.
System nach Anspruch 28 oder 29, wobei die mindestens eine Primärspule eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweist um einen linearen Freiheitsgrad der Bewegung der Sekundärspule zu gewährleisten.
System nach Anspruch 28 oder 29, wobei die mindestens eine Primärspule im Wesentlichen kreisförmig oder elliptisch oder dergleichen ist, um einen Rotationsfreiheitsgrad der Bewegung der Sekundärspule zu gewährleisten.
System zur kontaktlosen Leistungsübertragung, wobei das System eine leistungsübertragende Einheit aufweist, die mit ersten und zweiten im Wesentlichen konzentrischen Primärspulen ausgestattet ist, wobei die erste größer ist als die zweite, und mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung, welche mindestens eine Sekundärspule enthält, die so dimensioniert ist, dass sie dem Abstand zwischen der ersten und der zweiten Primärspule entspricht, wobei die Leistungsübertragung mittels Kopplung des Nahfeldflusses, der über die Grenzen der ersten und zweiten Primärspulen fließt, mit im Wesentlichen gegenüberliegenden Kanten der Sekundärspule erfolgt.
System nach Anspruch 32, wobei die ersten und zweiten Primärspulen beim Betrieb mit Strömen versorgt werden, die in entgegengesetzte Richtungen fließen.
System nach Anspruch 32 oder 33, wobei die Primärspulen im Wesentlichen kreisförmig oder elliptisch oder dergleichen sind.
Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die mindestens eine Spule in einem laminaren Aufladeblock enthalten ist, über dem eine leistungsaufnehmende Vorrichtung angeordnet werden kann.
Einheit nach Anspruch 35, wobei der Ladeblock im Wesentlichen planar ist.
System nach einem der Ansprüche 25 bis 34, wobei die mindestens eine Spule in einem laminaren Ladeblock enthalten ist, auf welchem die leistungsaufnehmende Vorrichtung angeordnet werden kann.
System nach Anspruch 37, wobei der Ladeblock im Wesentlichen planar ist.
Einheit zum Übertragen von Leistung auf induktive Weise auf mindestens eine leistungsaufnehmende Vorrichtung, im Wesentlichen wie vorstehend beschrieben oder in den 7 bis 13 der beigefügten Zeichnungen gezeigt.
System zur kontaktlosen Leistungsübertragung, im Wesentlichen wie vorstehend mit Bezug auf die 7 bis 13 der beigefügten Zeichnungen beschrieben oder dort gezeigt.