DE19726840C2

DE19726840C2 - Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE19726840C2
Application number: DE19726840A
Authority: DE
Inventors: Hideki Tamura; Mikihiro Yamashita; Yoshinori Katsura
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 2001-11-08
Anticipated expiration: 2017-06-25
Also published as: DE19726840A1; HK1005818A1; CN1171646A; US5949155A; JP3456093B2; JPH1012467A; CN1080921C

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie mit einer bei einem spei senden Teil (Einspeisungsteil) angeordneten Induktionsspule, der elektrische Energie zugeführt wird, und einer bei einem gespeisten Teil angeordnete und in einem durch die Indukti onsspule erzeugten Magnetfeld angeordneten induzierten Spule (Sekundärspule).

Wie in Fig. 7 gezeigt, ist bei einer Vorrichtung zur berüh rungslosen Übertragung elektrischer Energie eine bei einem gespeisten Teil 3 mit einer Gleichrichterschaltung 30 und ei ner Last 31 angeordnete induzierte Spule 4 in einem Magnet feld positioniert, das durch eine bei einem speisenden Teil 1 mit einer Gleichrichterglättungsschaltung 10 und einer Oszil latorschaltung 11 angeordneten Induktionsspule 2 erzeugt wird, wodurch elektrische Energie mittels elektromagnetischer Induktion übertragen wird. Da elektrische Energie von dem speisenden Teil 1 zu dem gespeisten Teil 3 übertragen werden kann, ohne daß ein Ladungsabschnitt (Anschlußabschnitt) der äußeren Umgebung ausgesetzt wird, wird die Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie häufig bei Vorrichtungen verwendet, bei denen ein wasserdichter Aufbau erforderlich ist.

Bisher sind Vorrichtungen zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie derart entworfen worden, daß sowohl der Schaltungsabschnitt mit der Induktionsspule 2 des speisenden Teils 1 als auch der Schaltungsabschnitt mit der induzierten Spule 4 des gespeisten Teils 3 auf die Last 31 des gespeisten Teils 3 angepasst werden.

In diesem Fall wird, falls die Last 31 unterschiedlich ist, sowohl die Schaltung des speisenden Teils 1 als auch die des gespeisten Teils 3 verändert. Somit erstreckt sich die Ent- Entwurfszeitdauer zum Entwurf einer Vielzahl von Bauarten von Vorrichtungen zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie über einen sehr langen Zeitraum.

Die Druckschrift DE 41 00 272 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie, wie sie jeweils im Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche 1 bis 6 definiert ist. Bei dieser Vorrichtung wird bei einer Abstandsänderung zwischen einem speisenden und gespeisten Teil automatisch die Ausgangsleistung des speisenden Teils erhöht.

Damit wird Änderungen im normalen Betrieb der Vorrichtung Rechnung getragen. Wird jedoch das speisende Teil und/oder das Lastteil wie vorstehend beschrieben nur während der Entwicklung verändert, so ist eine wie in der obigen Druckschrift beschriebene Regelung zu kostspielig, da im normalen Betrieb der Abstand konstant bleibt.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie bereitzustellen, bei der eine kostengünstige Anpassung möglich ist, ohne daß eine besondere Regelungsschaltung erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen 1 bis 6 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in dem abhängigen Patentanspruch 7 beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Veranschaulichung gemäß einem ersten Ausführungs beispiel,

Fig. 2(a) und (b) ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei Fig. 2(a) eine schematische Schnittansicht und Fig. 2(b) eine Ver anschaulichung darstellen,

Fig. 3(a) bis 3(c) ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfin dung, wobei Fig. 3(a) und 3(b) schematische Schnittansichten und Fig. 3(c) eine Veranschaulichung darstellen,

Fig. 4 eine Veranschaulichung gemäß einem vierten Ausfüh rungsbeispiel,

Fig. 5 eine Veranschaulichung gemäß einem fünften Ausfüh rungsbeispiel,

Fig. 6(a) bis 6(c) ein sechstes Ausführungsbeispiel, wobei Fig. 6(a) und 6(b) schematische Schnittansichten und Fig. 6(c) eine Veranschaulichung darstellen,

Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines grundsätzli chen Aufbaus,

Fig. 8 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines grundsätzli chen Aufbaus,

Fig. 9 eine erläuternde Veranschaulichung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel,

Fig. 10(a) bis (d) Veranschaulichungen von Energiesignalver läufen an Punkten B und C gemäß Fig. 8,

Fig. 11 eine Veranschaulichung gemäß einem Ausführungsbei spiel gemäß einer Kombination des ersten und des zweiten Aus führungsbeispiels und

Fig. 12 eine seitliche Schnittansicht eines wiederaufladbaren Rasierers und einer Batterieaufladevorrichtung davon, bei dem eine Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie gemäß den Ausführungsbeispielen angewandt ist.

Der grundsätzliche Aufbau gemäß den Ausführungsbeispielen ist derselbe wie der in Fig. 7 gezeigte. Eine Vielzahl von Bauar ten gespeister Teile 3 mit jeweils unterschiedlicher Last 31 empfängt elektrische Energie im Ansprechen auf die jeweils enthaltene Last 31 durch Anpassung der nachstehend beschrie benen Punkte an ein speisendes Teil (Einspeisungsteil) 1 in einer einzigen Ausführung. Nachstehend sind verschiedene Aus führungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.

Erstes Ausführungsbeispiel

Falls die Windungsanzahl einer induzierten Spule (Sekundär spule) 4 des gespeisten Teils 3 für das speisende Teil 1 mit einer vorbestimmten Glättungsschaltung 10, einer vorbestimm ten Oszillatorschaltung 11 und einer vorbestimmten Indukti onsspule 2 verändert wird, ist ein in Fig. 1 gezeigtes Ver hältnis zwischen der Windungsanzahl und dem aus der induzier ten Spule 4 entnehmbaren Ausgangsstrom vorhanden. Wenn die Windungsanzahl A beträgt, wird der Ausgangsstrom maximal. Normalerweise ist die Windungsanzahl A derart eingestellt, daß der maximale Ausgangsstrom erzeugt wird, jedoch wird zur Verringerung des Ausgangsstroms in Abhängigkeit von der Last 31 die Windungsanzahl von A verschoben.

Zweites Ausführungsbeispiel

Alternativ dazu wird ein in Fig. 2(a) gezeigter Zwischenraum (eine Lücke, ein Abstand) G zwischen der Berührungsoberfläche der äußeren Oberfläche des gespeisten Teils 3 mit dem spei senden Teil 1 und der enthaltenen induzierten Spule 4 vergrö ßert, wodurch wie in Fig. 2(b) gezeigt der erzeugte Aus gangsstrom verringert wird. Der Zwischenraum G wird nicht nur durch Veränderung der Dicke der äußeren Wand des gespeisten Teils 3, sondern ebenfalls durch Veränderung der Position der in dem gespeisten Teil enthaltenen induzierten Spule 4 verän dert.

Drittes Ausführungsbeispiel

Alternativ dazu wird die Induktivität in Abhängigkeit davon verändert, ob wie in Fig. 3(a) und 3(b) gezeigt ein Kern 40 in die induzierte Spule 4 eingefügt ist, wodurch wie in Fig. 3(c) gezeigt der Ausgangsstrom verändert wird.

Viertes Ausführungsbeispiel

Zusätzlich wird die Kapazität eines Ausgangskondensators bei der Schaltung des gespeisten Teils 3 zur Veränderung der Re sonanzfrequenz verändert, wodurch der entnehmbare Ausgangs strom wie in Fig. 4 gezeigt verändert werden kann. Diese Wir kung ist nachstehend ausführlich unter Bezug auf Fig. 8 bis 10(d) beschrieben. Gemäß Fig. 8 bezeichnet die Bezugszahl 41 eine Gleichrichterglättungsschaltung bei dem gespeisten Teil 3, 42 ein Sekundärseitenkondensator (Sekundärkondensator) und 43 ein Primärseitenkondensator. Das heißt, daß das speisende Teil 1 einen Resonanzumrichter (resonance-type inverter) auf weist, bei dem die Induktionsspule 2 und der Primärseitenkon densator 43 parallel zueinander verschaltet sind. Die indu zierte Spule 4 und der Sekundärseitenkondensator 42 bilden einen Schwingkreis. Durch Veränderung der Kapazität des Sekundärseitenkondensators 42 wird der Übereinstimmungspunkt mit der Schwingfrequenz des speisenden Teils 1 verändert. Das heißt, daß, falls die Kapazität des Sekundärseitenkondensa tors 42 wie in Fig. 9 gezeigt von C1 auf C2 verändert wird, die der Last 31 zuführbare Energie wie in Fig. 10(b) und 10(d) gezeigt verändert wird. Fig. 10(a) und 10(b) zeigen je weils Energiesignalverläufe an den Punkten B und C gemäß Fig. 8, wenn die Kapazität des Sekundärseitenkondensators 42 C1 beträgt. Fig. 10(c) und 10(d) zeigen jeweils Energiesignal verläufe an den Punkten B und C, wenn die Kapazität des Se kundärseitenkondensators 42 C2 beträgt. Die Amplitude des Energieverlaufs an dem Punkt C im Fall der Kondensatorkapazi tät C2 (Fig. 10(d)) ist kleiner als die in dem Fall von C1 (Fig. 10(b)) an dem Punkt C. Auf diese Weise wird die der Last 31 zuführbare Energie (schraffierter Bereich bei Fig. 10(b) und 10(d)) verändert. Zur Verwendung dieser Wirkung, kann der aus der induzierten Spule 4 entnehmbarer Ausgangs strom (= die der Last 31 zuführbare Energie) verändert wer den.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Weiterhin wird wie in Fig. 5 gezeigt der Leitungsdurchmesser bzw. Drahtdurchmesser der induzierten Spule 4 zur Veränderung des Ausgangsstroms verändert.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Weiterhin wird als induzierte Spule 4 eine Spule mit einer breiten Windungsbreite wie in Fig. 6(a) gezeigt oder einer schmalen Windungsbreite wie in Fig. 6(b) gezeigt zur Verände rung der Ausgangsstroms verwendet. Wenn die Windungsbreite verbreitert wird, verringert sich der entnehmbare Ausgangs strom wie in Fig. 6(c) gezeigt.

Im übrigen ist es möglich, die vorstehend beschriebenen Aus führungsbeispiele zum wirksamen Erhalt der Wirkung gemäß den Ausführungsbeispielen zu kombinieren. Beispielsweise kann wie in Fig. 11 gezeigt die Windungsanzahl der induzierten Spule 4 und der Zwischenraum G gleichzeitig zur Anwendung des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels zusammen verändert wer den. Zwischen A und D wird eine extrem große Ausgangsstrom differenz erhalten, wobei in diesem Fall der Zwischenraum G bei A klein und bei D groß ist. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, eine große Ausgangsstromdifferenz durch die Kombination des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels oder die Kombination des zweiten und des vierten Ausführungsbeispiels zu erhal ten.

Auf jeden Fall wird die Schaltung des gespeisten Teils 3 der Sekundärseite im Entwurf im Ansprechen auf die Last des ge speisten Teils 3 derart geändert, daß das speisende Teil 1 der Primärseite unverändert verwendet werden kann. In diesem Fall können unterschiedliche Arten von gespeisten Teilen 3 ein einzelnes speisendes Teil 1 gemeinsam nutzen, oder können die Schaltungsteile des speisenden Teil 1 dieselben sein, ob wohl die gespeisten Teile 3 aufgrund der Gehäuseform usw. das speisende Teil nicht gemeinsam nutzen können. Falls unter schiedliche Bauarten gespeister Teile ein einziges speisendes Teil 1 gemeinsam nutzen, wird die Form der Oberfläche jedes gespeisten Teils 3, das das speisende Teil 1 berührt, mit der Form der das gespeiste Teil 3 berührenden Oberfläche, des speisenden Teils 1 in Übereinstimmung gebracht.

Fig. 12 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines wiederauf ladbaren Rasierers und eine Batterieaufladevorrichtung davon, bei denen die Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie gemäß den Ausführungsbeispielen ange wandt ist. Die Batterieaufladevorrichtung (das speisende Teil) kann einen einzelnen Aufbau aufweisen, das heißt, daß es gemeinsam für verschiedene Arten von Rasierern (gespeiste Teile) verwendet werden kann, bei denen Batterien (Ni-Cd- Bauart, Ni-Mn-Bauart), Eigenschaften und Bauarten (Gleichstrommotor, Linearmotor) unterschiedlich sind.

Außerdem kann die Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie gemäß den Ausführungsbeispielen bei je der andern Art elektrischer Produkte angewendet werden und ist nicht auf wiederaufladbare elektrische Rasierer be schränkt. Beispielsweise kann die Vorrichtung bei einer elek trischen Zahnbürste, einem Mobiltelefon (schnurloses Telefon im Haus, Automobiltelefon oder einer tragbaren audiovisuellen Ausrüstung (Videokamera, Minidiskspieler, Kompaktdiskspieler) angewandt werden.

Wie vorstehend beschrieben wird gemäß den Ausführungsbeispie len eine Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektri scher Energie mit einem speisenden Teil, das eine Indukti onsspule aufweist, der elektrische Energie zugeführt wird, und eine Vielzahl von gespeisten Teilen geschaffen, die je weils eine in einem durch die Induktionsspule erzeugen Ma gnetfeld angeordnete induzierte Spule aufweisen. Die gespei sten Teile unterscheiden sich in bezug auf das Lastteil, wo bei jeder der gespeisten Teile mit verschiedenen Lastteilen einen Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie entspre chend dem einzelnen speisenden Teil zum Empfang elektrischer Energie im Ansprechen auf das Lastteil durch das speisende Teil aufweisen. Somit wird, falls Lasten unterschiedlich sind, lediglich das gespeiste Teil im Entwurf geändert, um die Lastdifferenz zu berücksichtigen, und das speisende Teil nicht im Entwurf geändert.

Wie vorstehend beschrieben, wird eine Vorrichtung zur berüh rungslosen Übertragung elektrischer Energie geschaffen, die ein speisendes Teil 1 mit einer Induktionsspule 2, der elek trische Energie zugeführt wird, und eine Vielzahl von gespei sten Teilen 3 mit jeweils einer in einem durch die Indukti onsspule 2 erzeugten Magnetfeld angeordneten induzierten Spu le 4 aufweist. Die gespeisten Teile 3 unterscheiden sich im Lastteil 31, wobei jedes der gespeisten Teile 3 mit unter schiedlichen Lastteilen 31 einen Abschnitt zur Anpassung elektrischer Energie entsprechend dem einzelnen speisenden Teil 1 aufweist, um elektrische Energie im Ansprechen auf das Lastteil 31 von dem speisenden Teil 1 zu empfangen. Es wird das einzelne speisende Teil 1 verwendet, wobei lediglich die gespeisten Teile die Lastdifferenz berücksichtigen.

Claims

1. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie, mit
einem speisenden Teil (1) mit einer Induktionsspule (2), der elektrische Energie zugeführt wird, und
zumindest einem gespeisten Teil (3) mit einer induzierten Spule (4), die in einem durch die Induktionsspule erzeugten magnetischen Feld angeordnet ist, und einem Lastteil (31),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lastteil (31) variieren kann und das gespeiste Teil (3) an unterschiedliche Lastteile (31) angepasst werden kann, wobei
die Anpassung durch Veränderung der Windungsanzahl der induzierten Spule (4) erfolgt.

2. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie, mit
einem speisenden Teil (1) mit einer Induktionsspule (2), der elektrische Energie zugeführt wird, und
zumindest einem gespeisten Teil (3) mit einer induzierten Spule (4), die in einem durch die Induktionsspule erzeugten magnetischen Feld angeordnet ist, und einem Lastteil (31),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lastteil (31) variieren kann und das gespeiste Teil (3) an unterschiedliche Lastteile (31) angepasst werden kann, wobei
die Anpassung durch Veränderung eines Zwischenraums (G) zwischen einer Kontaktfläche einer äußeren Fläche des gespeisten Teils (3) mit dem speisenden Teil (1) und der induzierten Spule (4) erfolgt.

3. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie, mit
einem speisenden Teil (1) mit einer Induktionsspule (2), der elektrische Energie zugeführt wird, und
zumindest einem gespeisten Teil (3) mit einer induzierten Spule (4), die in einem durch die Induktionsspule erzeugten magnetischen Feld angeordnet ist, und einem Lastteil (31),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lastteil (31) variieren kann und das gespeiste Teil (3) an unterschiedliche Lastteile (31) angepasst werden kann, wobei
die Anpassung in Abhängigkeit von einem Vorhandensein oder einem Fehlen eines Kerns (40) der induzierten Spule (4) erfolgt.

4. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie, mit
einem speisenden Teil (1) mit einer Induktionsspule (2), der elektrische Energie zugeführt wird, und
zumindest einem gespeisten Teil (3) mit einer induzierten Spule (4), die in einem durch die Induktionsspule erzeugten magnetischen Feld angeordnet ist, und einem Lastteil (31),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lastteil (31) variieren kann und das gespeiste Teil (3) an unterschiedliche Lastteile (31) angepasst werden kann, wobei
das speisende Teil (1) einen Resonanzumrichter hat, bei dem die Induktionsspule (2) und ein Primärseitenkondensator (43) parallel zueinander verschaltet sind, und
die Anpassung durch Veränderung einer Kapazität eines zu der induzierten Spule (4) zur Bildung eines Schwingkreises parallel verschalteten Kondensators (42) erfolgt.

5. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie, mit
einem speisenden Teil (1) mit einer Induktionsspule (2), der elektrische Energie zugeführt wird, und
zumindest einem gespeisten Teil (3) mit einer induzierten Spule (4), die in einem durch die Induktionsspule erzeugten magnetischen Feld angeordnet ist, und einem Lastteil (31),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lastteil (31) variieren kann und das gespeiste Teil (3) an unterschiedliche Lastteile (31) angepasst werden kann, wobei
die Anpassung durch Veränderung der Windungsbreite der induzierten Spule (4) erfolgt.

6. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie, mit
einem speisenden Teil (1) mit einer Induktionsspule (2), der elektrische Energie zugeführt wird, und
zumindest einem gespeisten Teil (3) mit einer induzierten Spule (4), die in einem durch die Induktionsspule erzeugten magnetischen Feld angeordnet ist, und einem Lastteil (31),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lastteil (31) variieren kann und das gespeiste Teil (3) an unterschiedliche Lastteile (31) angepasst werden kann, wobei
die Anpassung durch Veränderung des Drahtdurchmessers der induzierten Spule (4) erfolgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Vielzahl gespeister Teile (3) vorgesehen ist, die zur Speicherung berührungslos übertragener elektrischer Energie dienen und denen konstante elektrische Energie zugeführt wird.