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EP1745527B1 - Antennenanordnung zur induktiven energieübertragung und verwendung der antennenanordnung - Google Patents

Antennenanordnung zur induktiven energieübertragung und verwendung der antennenanordnung Download PDF

Info

Publication number
EP1745527B1
EP1745527B1 EP05741826.1A EP05741826A EP1745527B1 EP 1745527 B1 EP1745527 B1 EP 1745527B1 EP 05741826 A EP05741826 A EP 05741826A EP 1745527 B1 EP1745527 B1 EP 1745527B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna arrangement
arrangement according
magnetic
magnetic core
windings
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP05741826.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1745527A1 (de
Inventor
Wulf Guenther
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Original Assignee
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vacuumschmelze GmbH and Co KG filed Critical Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Publication of EP1745527A1 publication Critical patent/EP1745527A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1745527B1 publication Critical patent/EP1745527B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
    • H01Q7/06—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop with core of ferromagnetic material

Definitions

  • the invention relates to an antenna arrangement with an open magnetic core and a winding.
  • the invention is in the field of magnetic field antennas used for inductive energy transmission.
  • it is possible to transmit energy and information by means of electric or magnetic dipoles.
  • electromagnetic waves or only predominantly electrical or magnetic fields are generated. It may be desirable not to emit electromagnetic waves but to confine itself to the generation of magnetic fields, for example to avoid exposure to organic tissue around the antenna.
  • relatively high energies can be transmitted without a galvanic coupling. The effect of such coupling is limited to a narrow spatial area less than about 1 meter. Nevertheless, there are many possible applications for such a transmission.
  • soft magnetic powder composite materials can be used as pressed magnetic cores.
  • these may consist of iron powder.
  • effective permeabilities between about 10 and 30 can be achieved.
  • saturation inductions are approximately 1.0 to 1.4 T.
  • powder composite materials of soft magnetic crystalline Iron-aluminum-silicon alloys and iron-nickel alloys are known, with which application frequencies can be achieved to over 100 kHz.
  • Magnetic cores are known, which are produced by injection molding of an injection-moldable plastic and a nanocrystalline alloy.
  • Corresponding nanocrystalline alloys are for example from EP 0271657 A2 and the EP 0455113 A2 known.
  • Such alloys are produced, for example, by means of rapid solidification technology in the form of thin alloy strips which are initially amorphous and which are subjected to a heat treatment to form a nanocrystalline structure.
  • Such alloys can be ground to alloy powders having particle sizes less than 2mm.
  • so-called flakes with thicknesses between 0.01 and 0.04 mm and widths or lengths of 0.04 to 1 mm per particle arise.
  • These flakes can be processed into composite materials using synthetic resins, in which saturation magnetizations greater than 0.5 Tesla and permeabilities between 10 and 200 can be realized.
  • a manufacturing method for such magnetic cores is for example in the WO 0191141 A1 shown.
  • transponders which also consist of soft magnetic powder composite materials, such as amorphous alloys. Such antennas are used there for the exchange of information.
  • the present invention is based on the object of providing an antenna arrangement for use in the inductive transmission of energy, regardless of a precise positioning of the antenna arrangement relative to a receiver.
  • the present invention aims at the effective transmission of energy in the near field region and the reliable functioning independently of a precise positioning of the antenna arrangement relative to a receiver, to which the energy is to be transmitted by inductive means.
  • the setting of very specific magnetic properties, in particular a sufficient flow with a suitable radiation characteristic in the antenna arrangement is necessary.
  • antennas as used in the present antenna arrangement, usually represent the inductive part of a resonant circuit, a high antenna quality of at least 50, preferably even 100 in the range of the operating frequency is desirable for optimizing the energy dissipation.
  • a temperature-independent permeability is required, which is for optimal flow control between 30 and 200. With higher permeability, the flux bundling in the core is so good that laterally too low a flow component emerges from the core and the field strength along the core, ie in the receiver region, becomes highly inhomogeneous.
  • the object underlying the present invention can not be solved satisfactorily with the known magnet arrangements, magnetic cores and materials.
  • the magnetic core contains as a composite material a soft magnetic component of finely divided particles and a plastic component, wherein the magnetic core has an initial permeability between 20 and 200 and a saturation induction> 0.6 T.
  • the soft magnetic component advantageously consists of the already mentioned flakes of a nanocrystalline material. This has a saturation magnetization of about 1 to 1.6T and permeabilities> 30,000.
  • a plastic component of the magnetic circuit By mixing with a plastic component of the magnetic circuit is through the microscopic gaps between the flakes are interrupted and it is possible to set lower effective permeabilities of 30 to 100 with high quality and temperature stability. Nevertheless, a high achievable flux density greater than 0.6 T, typically greater than 0.9 T.
  • the soft magnetic component of the magnetic core also has the advantageous advantage that the particles are each electrically isolated by a surface layer. This can be realized for example by surface oxidation or plastic coating.
  • the particle size may advantageously be less than 2 mm, wherein the particle thicknesses may be smaller than 0.5 mm. As a result of this configuration of the particles, particularly low loss of magnetization losses and thus a particularly high quality of the antenna are achieved.
  • the mechanical properties can be adjusted with regard to the type and proportion of the plastic used with regard to fracture toughness and flexibility
  • thermosets or thermosets such as polyamide, polyacrylate, polyacetate, polyimide or epoxy resin depending on the desired mechanical and thermal properties.
  • the antenna arrangement as a magnetic core on a rod or a plate, which are provided with a winding. Certain core cross-sections are necessary to make the arrangement usable for the effective transmission of energy. If an average flux of at least 20 ⁇ Wb is to be achieved in the core, this results in an induction of 400 mT with a cross section of 0.5 cm 2 . This corresponds to about half of the cross section, which would be necessary when using a soft ferrite.
  • the coil length of the winding should be greater than its diameter, preferably large compared to the diameter.
  • An essential feature of the material used according to the invention is the mechanical insensitivity to shock or vibration and the free shaping during the production or a subsequent flexibility.
  • the inventively used material also allows because of its magnetic properties also a small size, as it is desirable for cost, space and design reasons in many applications.
  • a plurality of windings may be arranged on the same magnetic core, wherein the longitudinal axes of the windings are at an angle> 0 °, for example 90 ° to each other.
  • the windings may be driven simultaneously, out of phase or alternately to reach inductive energy transfer receivers in different positions. This makes the transmission of energy more reliable and less sensitive to the relative positioning of transmitter and receiver.
  • the invention also relates to various operating methods of the antenna arrangement according to the invention with intermittent operation of the various windings or the mentioned phase-shifted simultaneous driving of the different windings.
  • the antenna arrangement according to the invention is also designed to save space, it may additionally be useful to provide a recess within a magnetic core in which electronic components, for example the drive circuit of the antenna arrangement, can be accommodated.
  • the flow guidance within the magnetic core is hardly negatively influenced by such recesses, if they are not too large.
  • the antenna arrangement can advantageously be prefabricated with the drive circuit and simply used as an integral unit in a device.
  • FIG. 1 shows a flat magnetic core 1 with a winding 2, wherein the dimensions of the magnetic core may be, for example 20 x 10 x 0.2 cm.
  • the base area of the core is preferably as large as the target area of a receiver to be covered. Due to the design of the winding, for example, a compression of the windings to the winding ends, a strong as possible homogeneous flux density over the core surface is generated.
  • the special design of the flow orientation and the radiation characteristic shows the FIG. 2 a combination of two mutually perpendicular windings 3,4 on a running almost as a square plate magnetic core 5. The two windings can be alternately sequentially or simultaneously out of phase controlled against each other.
  • the entire arrangement according to FIG. 1 or 2 be flexible. In any case, however, it is more resistant to breakage than, for example, an antenna with a ferrite core or a core made of another conventional material.
  • FIG. 3 Particularly suitable for the transmission of energy to a moving receiver is the in FIG. 3 shown arrangement with a rod-shaped magnetic core, wherein the direction of movement, as well as the antenna of the receiver is directed parallel to the longitudinal axis 6 of the winding 7.
  • FIG. 6 are two different magnetic cores 8, 9 shown, each having a separate winding and the longitudinal axes are perpendicular to each other to allow different flux densities and radiation characteristics.
  • This is an alternative embodiment to that in the FIG. 2 shown with multiple windings on a single magnetic core.
  • FIG. 4 shows an arrangement in which the winding 10 is integrated into a magnetic body 11 in so far as it passes through the magnetic core 11 itself, so that a lower part of the magnetic core 11 in the FIG. 4 forms a yoke that shorts the magnetic flux on the bottom.
  • a shielding effect in one direction (down) is achieved with good radiation upwards.
  • FIG. 5 shows in the magnetic core 14 has a recess 15, which allows there components of an electronic circuit, for example, to drive the winding 16 to accommodate.
  • FIG. 6 shows an application example of the invention- ⁇ en antenna arrangement with a mobile communication terminal, such as a mobile phone or a cordless telephone 17, which has a non-illustrated receiving device for inductive coupling with the antenna assembly 18.
  • the antenna arrangement 18 has in a housing 19, the two magnetic cores 8, 9, which are each provided with a winding and inductively can transmit energy to the receiver in the terminal 17.
  • a capacitor or battery for storing the transmitted energy is provided in addition to the receiver.
  • the same arrangement can also be used for retransmission of information, or a signal which is either also transmitted inductively, which would have to be switched between sending and receiving, or by evaluating the energy extraction of the receiver.

Landscapes

  • Soft Magnetic Materials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung mit einem offenen Magnetkern und einer Wicklung.
  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der zur induktiven Energieübertragung genutzten Magnetfeldantennen. Grundsätzlich ist es möglich, Energie und Information mittels elektrischer oder magnetischer Dipole zu übertragen. Dabei werden je nach Ansteuerschaltung elektromagnetische Wellen oder auch nur überwiegend elektrische oder magnetische Felder erzeugt. Es kann wünschenswert sein, keine elektromagnetischen Wellen abzustrahlen, sondern sich auf die Erzeugung von magnetischen Feldern zu beschränken, um beispielsweise die Einwirkung auf organisches Gewebe im Umfeld der Antenne zu vermeiden. Insbesondere können durch die Abstrahlung von magnetischen Feldern beziehungsweise die induktive Kopplung an eine Magnetantenne verhältnismäßig hohe Energien ohne eine galvanische Kopplung übertragen werden. Die Wirkung einer solchen Kopplung ist auf einen engen räumlichen Bereich kleiner als etwa 1m begrenzt. Dennoch ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für eine derartige Übertragung.
  • Im Prinzip können dabei neben gebräuchlichen Weichferriten die meisten bekannten weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffe als gepresste Magnetkerne verwendet werden. Beispielsweise können diese aus Eisenpulver bestehen. Mit derartigen Magnetkernen lassen sich effektive Permeabilitäten zwischen ca. 10 und 30 erreichen. Entsprechend erreichbare Sättigungsinduktionen liegen bei ca. 1,0 bis 1,4 T. Es sind außerdem Pulververbundwerkstoffe aus weichmagnetischen kristallinen Eisen-Aluminium-Siliziumlegierungen und Eisen-Nickellegierungen bekannt, mit denen Anwendungsfrequenzen bis über 100 kHz erreicht werden können.
  • Der Nachteil von derartigen Verbundwerkstoffen und Ferriten besteht darin, dass die Presstechnologien nur einfache geometrische Formen zulassen und dass die entstehenden Magnetkerne relativ spröde und bruchgefährdet sind. Außerdem sind die entsprechenden Magneteigenschaften stark temperaturabhängig, was den Einsatz von Resonanzschwingkreisen erschwert.
  • Aus der DE 19846781 A1 sind Magnetkerne bekannt, die im Spritzgussverfahren aus einem spritzgießfähigen Kunststoff und einer nanokristallinen Legierung hergestellt werden.
  • Entsprechende nanokristalline Legierungen sind beispielsweise aus der EP 0271657 A2 und der EP 0455113 A2 bekannt. Derartige Legierungen werden beispielsweise mittels der Rascherstarrungstechnologie in Form von dünnen Legierungsbändern hergestellt, die anfänglich amorph sind und die einer Wärmebehandlung zur Entstehung einer nanokristallinen Struktur unterworfen werden. Derartige Legierungen können zu Legierungspulvern mit Partikelgrößen kleiner als 2mm vermahlen werden. Vorzugsweise entstehen sogenannte Flakes mit Dicken zwischen 0,01 und 0,04 mm und Breiten beziehungsweise Längen von 0,04 bis 1mm pro Partikel. Diese Flakes können mit Hilfe von Kunstharzen zu Verbundwerkstoffen verarbeitet werden, in denen Sättigungsmagnetisierungen größer als 0,5 Tesla und Permeabilitäten zwischen 10 und 200 verwirklicht werden können. Ein Herstellungsverfahren für derartige Magnetkerne ist beispielsweise in der WO 0191141 A1 dargestellt.
  • Aus der EP 0762535 A1 sind Antennen für Transponder bekannt, die ebenfalls aus weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffen, beispielsweise amorphen Legierungen bestehen. Derartige Antennen werden dort zum Austausch von Informationen verwendet.
  • Dabei kommt es auf das ausfallsichere Funktionieren des Informationsaustausches in einem räumlichen Bereich von einigen Metern sowie die geringe Störanfälligkeit gegenüber metallischen Gegenständen im Umfeld der Antenne an.
  • In US 2003/0210106 A1 ist eine Antennenanordnung zur induktiven Übertragung elektrischer Leistung beschrieben. Parallel zu einer von zwei sich gegenüberliegenden ebenen Oberflächen eines Magnetkerns eines Senders ist ein mit einem Leiter umwickelter langgestreckter Magnetkern eines Empfängers angeordnet ist. Eine berührungslose elektrische Kopplung des Senders mit dem Empfänger im Nahfeld des Senders bei beliebiger Positionierung des Empfängers ist mit der in US 2003/0210106 A1 beschriebenen Anordnung nicht möglich.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung zur Verwendung bei der induktiven Übertragung von Energie unabhängig von einer genauen Positionierung der Antennenanordnung gegenüber einem Empfänger bereitzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung zielt dabei auf die effektive Energieübertragung im Nahfeldbereich und das verlässliche Funktionieren unabhängig von einer genauen Positionierung der Antennenanordnung gegenüber einem Empfänger, zu dem hin die Energie auf induktivem Wege übertragen werden soll. Hierzu ist die Einstellung ganz bestimmter magnetischer Eigenschaften, insbesondere eines ausreichenden Flusses mit geeigneter Abstrahlungscharakteristik bei der Antennenanordnung notwendig.
  • Es sollen mit Hilfe einer gattungsgemäßen Antennenanordnung Leistungen zwischen ca. 1 W und 100 W von einem Sender zu einem Empfänger über eine Entfernung zwischen etwa 0,5 und 50 cm übertragen werden. Anwendungsbeispiele hierzu sind alle Geräte, die drahtlos zeitweise oder dauernd mit Energie versorgt werden müssen. Dabei ist wegen der ausschließlich induktiven Kopplung ein Frequenzbereich von 10 khz bis 150 khz wegen der Verfügbarkeit dieses Frequenzbandes und den Dimensionierungsrandbedingungen besonders geeignet. Außerdem ist ein magnetischer Fluss von mindestens 20 Wb im Magnetkern zu verwirklichen.
  • Da derartige Antennen, wie sie in der vorliegenden Antennenanordnung eingesetzt werden, meistens den induktiven Teil eines Resonanzkreises darstellen, ist zur Optimierung der Energieabstrahlung eine hohe Antennengüte von mindestens 50, bevorzugt sogar 100 im Bereich der Arbeitsfrequenz wünschenswert. Außerdem ist eine temperaturunabhängige Permeabilität erforderlich, die zur optimalen Flussführung zwischen 30 und 200 liegt. Bei höherer Permeabilität ist die Flussbündelung im Kern so gut, dass seitlich ein zu geringer Flussanteil aus dem Kern austritt und die Feldstärke entlang des Kerns, das heisst im Empfängerbereich stark inhomogen wird.
  • Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegt, kann mit den bekannten Magnetanordnungen, Magnetkernen und Werkstoffen nicht befriedigend gelöst werden.
  • Sie wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung gemäß Anspruch ein Verfahrenzum Betrieb 1 sowie einer solchen Anordnung gemäß Anspruch 11 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankene sind Gegenstand von Unteransprtichen.
  • Erfindungsgemäß enthält der Magnetkern als Verbundwerkstoff eine weichmagnetische Komponente aus feinverteilten Partikeln und eine Kunststoffkomponente, wobei der Magnetkern eine Anfangspermeabilität zwischen 20 und 200 sowie eine Sättigungsinduktion > 0,6 T aufweist.
  • Die weichmagnetische Komponente besteht vorteilhaft aus den bereits erwähnten Flakes aus einem nanokristallinen Material. Dieses weist eine Sättigungsmagnetisierung von ca. 1 bis 1,6T und Permeabilitäten > 30.000 auf. Durch die Vermischung mit einer Kunststoffkomponente wird der magnetische Kreis durch die mikroskopischen Lücken zwischen den Flakes unterbrochen und es lassen sich niedrigere effektive Permeabilitäten von 30 bis 100 bei hoher Güte und Temperaturkonstanz einstellen. Dennoch ergibt sich eine hohe erreichbare Flussdichte größer als 0,6 T, typisch auch größer als 0,9 T. Die weichmagnetische Komponente des Magnetkernes hat außerdem vorteilhaft die Eigenschaft, dass die Partikel jeweils einzeln durch eine Oberflächenschicht elektrisch isoliert sind. Diese kann beispielsweise durch Oberflächenoxidation oder Kunststoffbeschichtung realisiert sein. Die Partikelgröße kann vorteilhaft weniger als 2mm betragen, wobei die Partikeldicken kleiner als 0,5mm sein können. Durch diese Ausgestaltung der Partikel werden besonders geringe Ummagnetisierungsverluste und damit eine besonders hohe Güte der Antenne erreicht.Die mechanischen Eigenschaften sind je nach der Art und Anteil des eingesetzten Kunststoffes bezüglich der Bruchzähigkeit und Biegsamkeit sowie deren Temperaturabhängigkeit einstellbar.
  • Als Kunststoffkomponente können generell alle im Rahmen der Gießharztechnologie verarbeitbaren Thermo- oder Duroplaste wie Polyamid, Polyacrylat, Polyacetat, Polyimid oder Epoxidharz je nach den gewünschten mechanischen und thermischen Eigenschaften gewählt werden.
  • Im einfachsten Fall weist die Antennenanordnung als Magnetkern einen Stab oder eine Platte auf, die mit einer Bewicklung versehen sind. Es sind bestimmte Kernquerschnitte notwendig, um die Anordnung für die effektive Übertragung von Energie einsetzbar zu machen. Soll im Kern ein mittlerer Fluss von mindestens 20 µWb erreicht werden, so ergibt sich eine Induktion von 400 mT bei einem Querschnitt von 0,5 cm2. Dies entspricht etwa der Hälfte des Querschnittes, der bei Einsatz eines Weichferrites notwendig wäre.
  • Dabei sollte, um den Magnetkern zur Erhöhung des Flusses effektiv nutzen zu können, die Spulenlänge der Wicklung größer sein als ihr Durchmesser, vorzugsweise groß gegenüber dem Durchmesser. Eine wesentliche Eigenschaft des erfindungsgemäß eingesetzten Materials ist die mechanische Unempfindlichkeit gegen Stoß oder Vibrationen und die freie Formgebung im Rahmen der Herstellung beziehungsweise eine nachträgliche Biegsamkeit. Das erfindungsgemäß eingesetzte Material erlaubt wegen seiner magnetischen Eigenschaften außerdem eine kleine Baugröße, wie sie aus Kosten-, Platz- und Designgründen in vielen Anwendungsbereichen wünschenswert ist.
  • Zur Realisierung der gewünschten Abstrahlcharakteristik beziehungsweise Flussführung der Antennenanordnung kann es vorteilhaft sein, dass mehrere Wicklungen auf demselben Magnetkern angeordnet sind, wobei die Längsachsen der Wicklungen in einem Winkel > 0°, beispielsweise 90° zueinander stehen. Die Wicklungen können gleichzeitig, phasenversetzt oder abwechselnd angesteuert werden, um Empfänger der induktiven Energieübertragung in verschiedenen Positionen zu erreichen. Dadurch wird die Energieübertragung zuverlässiger und bezüglich der relativen Positionierung von Sender und Empfänger unempfindlicher. Die Erfindung bezieht sich dabei auch auf verschiedene Betriebsverfahren der erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit intermittierendem Betrieb der verschiedenen Wicklungen beziehungsweise dem erwähnten phasenverschobenen gleichzeitigen Ansteuern der unterschiedlichen Wicklungen.
  • Zur Erreichung einer derartigen vergrößerten Akzeptanz bei der Positionierung von Sender und Empfänger ist es auch denkbar, dass mehrere Wicklungen auf verschiedenen Magnetkernen der genannten Art vorgesehen werden, wobei die Abstrahlcharakteristik der einzelnen Magnetkerne unterschiedlich geformt oder ausgerichtet ist. Auch durch diese Maßnahme wird der optimale Positionierbereich eines Empfängers der ausgesandten Energie vergrößert.
  • Da die erfindungsgemäße Antennenanordnung auch darauf ausgerichtet ist, platzsparend zu sein, kann es zusätzlich sinnvoll sein, eine Ausnehmung innerhalb eines Magnetkerns vorzusehen, in der elektronische Komponenten, beispielsweise der Ansteuerschaltung der Antennenanordnung, untergebracht werden können. Die Flussführung innerhalb des Magnetkerns wird durch derartige Ausnehmungen, wenn sie nicht zu groß sind, kaum negativ beeinflusst. Außerdem kann die Antennenanordnung mit der Ansteuerschaltung vorteilhaft vorgefertigt und als integrale Baueinheit einfach in ein Gerät eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
    • Figur 1
    eine plattenförmige rechteckige Gestaltung eines Magnetkerns mit einer Wicklung,
    Figur 2
    einen entsprechenden Magnetkern mit zwei Wicklungen,
    Figur 3
    einen stabförmigen Magnetkern mit einer Wicklung,
    Figur 4
    einen stabförmigen Magnetkern mit einer integrierten Wicklung und Polschuhen,
    Figur 5
    einen Magnetkern mit einer Ausnehmung und
    Figur 6
    eine Anwendung der Antennenanordnung mit zwei Magnetkernen.
  • Figur 1 zeigt einen flächigen Magnetkern 1 mit einer Bewicklung 2, wobei die Abmessungen des Magnetkerns beispielsweise 20 x 10 x 0,2 cm betragen können. Die Grundfläche des Kerns ist vorzugsweise so groß wie der abzudeckende Zielraum eines Empfängers. Durch die Ausgestaltung der Wicklung, zum Beispiel eine Verdichtung der Windungen zu den Wicklungsenden hin, wird eine über die Kernfläche möglichst homogene starke Flussdichte erzeugt. Zur speziellen Gestaltung der Flussausrichtung und der Abstrahlcharakteristik zeigt die Figur 2 eine Kombination aus zwei senkrecht zueinander stehenden Wicklungen 3,4 auf einem nahezu als quadratische Platte ausgeführten Magnetkern 5. Die beiden Wicklungen können abwechselnd nacheinander oder gleichzeitig phasenverschoben gegeneinander angesteuert werden.
  • Bei geeigneter Wahl der Kunststoffkomponente kann die gesamte Anordnung gemäß Figur 1 oder 2 biegsam sein. In jedem Fall ist sie aber bruchunempfindlicher als beispielsweise eine Antenne mit Ferritkern oder einem Kern aus einem anderen üblichen Material.
  • Besonders geeignet für die Übermittlung von Energie zu einem bewegten Empfänger ist die in Figur 3 gezeigte Anordnung mit einem stabförmigen Magnetkern, wobei die Bewegungsrichtung, wie auch die Antenne des Empfängers parallel zu der Längsachse 6 der Wicklung 7 gerichtet ist.
  • In der Figur 6 sind zwei verschiedene Magnetkerne 8, 9 dargestellt, die jeweils eine separate Wicklung aufweisen und deren Längsachsen senkrecht aufeinander stehen um verschiedene Flussdichten und Abstrahlungscharakteristiken zu ermöglichen. Dies ist eine alternative Ausgestaltungsform zu der in der Figur 2 dargestellten mit mehreren Wicklungen auf einem einzigen Magnetkern.
  • Die Figur 4 zeigt eine Anordnung, bei der die Wicklung 10 in einen Magnetkörper 11 insofern integriert ist, als sie den Magnetkern 11 selbst durchsetzt, so dass ein unterer Teil des Magnetkerns 11 in der Figur 4 ein Joch bildet, das den magnetischen Fluss auf der Unterseite kurzschließt. Dadurch und durch die Polschuhe 12, 13 wird eine Abschirmwirkung in eine Richtung (nach unten) bei dennoch guter Abstrahlung nach oben erreicht.
  • Zur Herstellung einer derartigen Anordnung ist das in der WO 0191141 A1 dargestellte Gießverfahren besonders geeignet, bei dem die Wicklung bei der Herstellung des Magnetkerns mit eingegossen werden kann.
  • Die Figur 5 zeigt in dem Magnetkern 14 eine Ausnehmung 15, die es erlaubt dort Komponenten einer elektronischen Schaltung, beispielsweise zur Ansteuerung der Wicklung 16, unterzubringen.
  • Die Figur 6 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemä-βen Antennenanordnung mit einem mobilen Kommunikationsendgerät, beispielsweise einem Mobiltelefon oder einem Schnurlostelefon 17, das über eine nicht näher dargestellte Empfangseinrichtung zur induktiven Kopplung mit der Antennenanordnung 18 verfügt. Die Antennenanordnung 18 weist in einem Gehäuse 19 die beiden Magnetkerne 8, 9 auf, die jeweils mit einer Bewicklung versehen sind und induktiv Energie an den Empfänger im Endgerät 17 übertragen können. In dem Endgerät 17 ist außer dem Empfänger ein Kondensator oder Akku zur Speicherung der übertragenen Energie vorgesehen.
  • Trotz der Spezialisierung der beschriebenen Antennenanordnung auf die Energieübertragung, kann die selbe Anordnung auch zur Rückübertragung einer Information, beziehungsweise eines Signals dienen, das entweder ebenfalls induktiv übermittelt wird, wobei zwischen Senden und Empfangen umgeschaltet werden müsste, oder durch Auswertung der Energieentnahme des Empfängers.
  • Es ist auch die Anwendung der Erfindung bei der Übertragung von Energie von einem mobilen Gerät zu einem stationären Gerät denkbar, beispielsweise in der Bahntechnik zur Übertragung von Signalen und/oder Energie von einem an einem Fahrzeug befestigten Gerät zu einem stationären Sensor einer Leitwarte/eines Stellwerkes zur Verkehrsüberwachung.

Claims (11)

  1. Antennenanordnung mit einem Magnetkern (1, 5, 14) und mindestens einer Wicklung (2, 3, 4, 7, 10, 16), mit der induktiv Energie von einem Sender zu einem Empfänger über eine Entfernung zwischen etwa 0,5 und 50 cm übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (1, 5, 14) Verbundwerkstoff enthält, der eine mit einer Kunststoffkomponente vermischte weichmagnetische Komponente aufweist, wobei die weichmagnetische Komponente feinverteilte Partikel aus nanokristallinem Material mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1 bis 1,6 Tesla sowie Permeabilitäten von größer 30000 aufweist derart, dass der Magnetkern (1, 5, 14) eine effektive Anfangspermeabilität zwischen 20 und 200 sowie eine Sättigungsinduktion größer 0,6 Tesla aufweist und der Magnetkern (1, 5, 14) bis zu einem magnetischen Fluss von mindestens 20 µWb belastbar ist.
  2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, bei der die weichmagnetische Komponente aus Partikeln besteht, die einzeln durch eine Oberflächenschicht elektrisch isoliert sind.
  3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Partikelgröße kleiner als 2 mm ist.
  4. Antennenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Partikeldicken kleiner 0,5 mm sind.
  5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Partikel oberflächenoxidiert oder kunststoffbeschichtet sind.
  6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Kunststoffkomponente einen im Rahmen der Gießharztechnologie verarbeitbaren Thermo- oder Duroplast enthält.
  7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die durch den Magnetkern (1,5, 14) und die Wicklung(en) (2, 3, 4, 7, 10, 16) gebildete Antenne eine Güte größer 50 im Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 150 kHz aufweist.
  8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mehreren Wicklungen (2, 3, 4, 7, 10, 16) auf demselben Magnetkern (1, 5, 14), wobei die Längsachsen (20,21) der Wicklungen in einem Winkel größer 0° zueinander angeordnet sind.
  9. Antennenanordnung nach Anspruch 8, bei der mehrere Magnetkerne (1,5, 14), die Wicklungen (2, 3, 4, 7, 10, 16) tragen.
  10. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der in wenigstens einem der Magnetkerne (1, 5, 14) eine Ausnehmung (15) zur Aufnahme elektronischer Komponenten vor- gesehen ist.
  11. Verfahren zum Betrieb einer Antennenanordnung nach Anspruch 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass bei der Antennenanordnung die verschiedenen Wicklungen (2, 3, 4, 7, 10, 16) gleichzeitig phasenversetzt oder zeitlich abwechselnd angesteuert werden.
EP05741826.1A 2004-05-13 2005-05-13 Antennenanordnung zur induktiven energieübertragung und verwendung der antennenanordnung Expired - Lifetime EP1745527B1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004023815A DE102004023815A1 (de) 2004-05-13 2004-05-13 Antennenanordnung und Verwendung der Antennenanordnung
PCT/EP2005/005271 WO2005112192A1 (de) 2004-05-13 2005-05-13 Antennenanordnung zur induktiven energieübertragung und verwendung der antennenanordnung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP1745527A1 EP1745527A1 (de) 2007-01-24
EP1745527B1 true EP1745527B1 (de) 2013-04-17

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP05741826.1A Expired - Lifetime EP1745527B1 (de) 2004-05-13 2005-05-13 Antennenanordnung zur induktiven energieübertragung und verwendung der antennenanordnung

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US (1) US7545337B2 (de)
EP (1) EP1745527B1 (de)
JP (1) JP2007537637A (de)
DE (1) DE102004023815A1 (de)
WO (1) WO2005112192A1 (de)

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