Spulen für die drahtlose Energieübertragung
Effizienzwerte steigern
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Vorgebrochenes oder festes Ferritmaterial?
Bei dem Versuch, die Effizienz der erwähnten Ladespulen zu steigern, gab es in jüngster Vergangenheit nennenswerte Fortschritte sowohl bei Spulen mit vorgebrochenem Ferrit als auch bei Spulen mit festem Ferrit als Grundplatte. Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten wurden zudem zahlreiche Experimente und Messungen durchgeführt, um herauszufinden, welcher Ferritmantel als Basis für die Spulen für das kabellose Laden in Zukunft verwendet werden sollte.
Betrachtete Parameter
Um zu bestimmen, welches Ferritmantelmaterial das bessere ist, wurden verschiedene Parameter berücksichtigt, die Rückschlüsse auf die Leistung in Bezug auf Gütefaktor (Q), Durchlässigkeit (µ), Aussendung und Effizienz (η) zulassen. Für die Experimente wurden dabei Sender und Empfänger mit jeweils vorgebrochenen oder festen Ferritmaterialien verwendet. Die Prüfung erfolgte auf dem Demo-Board von Linear Technology Nummer DC1969A, das den LTC4120 (drahtloser Energieempfänger mit Ladefunktion) verwendet. Einige der wichtigen berücksichtigten elektrischen Parameter sind im Folgenden beschrieben.
Gütefaktor: Der Gütefaktor ist das Verhältnis der reaktiven Impedanz zum AC-Widerstand bzw. das Verhältnis der Scheinleistung zu den ohmschen Verlusten. Es gilt Q = (ω · L)/R. Da hier der Widerstand reziprok zu Q ist, ist es schwierig, bei kontaktlosen Ladespulen mit niedriger Leistung einen sehr niedrigen DC-Widerstand zu erhalten. Dies ist auf die Forderung nach einem dünnen Profil und manchmal hoher Induktivität zurückzuführen. Die zur Prüfung verwendeten Q-Werte des Senders sind 100 für die Spule mit festem Material WE-WPCC 760 308 101 302 bzw. 80 für die Spule auf Basis des vorgebrochenen Materials, das der Wettbewerb verwendet. Der Q-Wert für die Empfängerspulen mit festem bzw. vorgebrochenem Material wiederum beträgt 16 bzw. 25.
Permeabilität und spezifischer Widerstand: Die Permeabilität des Materials hat einen erheblichen Effekt auf das Verhalten der Spule, da sie die Induktivität der Spule beeinträchtigt. Das vorgebrochene Material verfügt aufgrund seiner Eigenschaft und Konstruktionsmethode im Vergleich zum festen Ferritmaterial über eine geringere Permeabilität. Darüber hinaus wurde die Sendeleistung bei einer Spule mit vorgebrochenem Material (WE-WPCC 760 308 103 202) und einer Spule mit festem Material (WE-WPCC 760 308 201) getestet: Die Permeabilität von vorgebrochenen und festen Ferritmaterialien betrug dabei 2000 ±25 % bzw. 2400 ±25 %, während der spezifische Widerstand dieser Materialien bei >6,5 mΩ bzw. 4 mΩ lag.
Störaussendung: Es ist wichtig, dass die verwendeten Ferritmaterialien als Grundplatte der Spule die elektromagnetische Strahlung abschirmen. Aufgrund ihrer hohen Permeabilität und niedrigen Reluktanz (magnetischer Widerstand) begrenzen sie den magnetischen Fluss innerhalb des gegebenen Volumens. Ein weiterer Grund für die Verwendung von magnetischer Abschirmung durch Ferrit besteht im Schutz anderer, nahegelegener Objekte (wie Akkus) vor Erwärmung und um Wirbelströme in metallischen Teilen zu vermeiden. Bei der Prüfung dieser Spulen auf Aussendung wies die Spule mit dem vorgebrochenem Material ein deutlich besseres Ergebnis auf als die Spule mit festem Ferrit – siehe Bild 6.
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Effizienz: Die Testbedingungen hinsichtlich der Effizienzmessungen lauteten: Eine der Spulen (Sender oder Empfänger) hat ein festes Material als Grundplatte, bei der anderen Spule (Sender oder Empfänger) ist die Grundplatte entweder aus festem oder vorgebrochenem Material hergestellt.
Als erster Schritt wurden die Empfängerspulen mit festem und vorgebrochenem Material mit Hilfe eines Senders aus festem Ferritmaterial verglichen. Das Verhalten ist in dem als Bild 7 dargestellten Diagramm durch die Kurven A und C dargestellt. Des Weiteren wurden beide Empfängerspulen ebenfalls mit Hilfe eines Senders aus vorgebrochenem Material verglichen, wobei die Ergebnisse im Diagramm als Kurven B und D dargestellt sind.
In einem zweiten Schritt wurden die Senderspulen aus festem bzw. vorgebrochenem Material mit Hilfe eines Empfängers aus solidem Ferritmaterial verglichen. Deren Verhalten entspricht im bereits erwähnten Diagramm den Kurven A und B. Und natürlich wurden auch beide Senderspulen mit Hilfe eines Empfängers aus vorgebrochenem Material verglichen, wobei die ermittelten Ergebnisse im Diagramm den Kurven C und D folgten.
- Effizienzwerte steigern
- Spulen zur maximalen Energieübertragung
- Vorgebrochenes oder festes Ferritmaterial?
- Vorgebrochenes Material erreicht bessere Effizienzwerte
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