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Spulen für die drahtlose Energieübertragung

Effizienzwerte steigern

2. März 2016, 11:47 Uhr | Raghu Narayanan

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Vorgebrochenes Material erreicht bessere Effizienzwerte

Die Ergebnisse der Effizienzkurven bei dem Vergleich der Sender und Empfänger aus festem Material machen deutlich, dass diese Versionen ab dem ersten Messpunkt bei 25 mA bessere Leistungswerte aufweisen. Die Effizienz ist im Vergleich zu den dargestellten Ergebnissen der Sender/Empfänger aus vorgebrochenem Material ca. 10 % höher. Dieser Vorsprung hält sich bis etwa 315 mA; dann beginnt die Effizienzkurve im Mittellastbereich abzufallen.

Demgegenüber erreichen die Sender-/Empfängerspulen aus vorgebrochenem Material zwar geringere Effizienzwerte, behalten dafür ab der maximalen Effizienz im mittleren Lastbereich dieselbe Effizienz bis zur vollen Last bei. Die Effizienzkurve mit festem Material indes erfährt einen deutlichen Abfall von 79 % bei einer Stromlast von 275 mA auf 72 % bei 325 mA. Der Grund für den starken Abfall der Effizienz mit festen Ferritspulen sind die erhöhten Wirbelstromverluste bei höheren Lasten. Der AC-Strom in den Spulen erhöht sich mit dem Laststrom, und dies erhöht die AC-Verluste im festen Ferritmantel, was einen hohen Abfall der Effizienz zur Folge hat.

Neben den zuvor betrachteten Parametern werden noch weitere Parameter zur Beurteilung berücksichtigt. Dabei handelt es sich nicht um elektrische Parameter und doch spielen sie eine entscheidende Rolle, welches Material letztlich für die Anwendung eingesetzt wird – siehe Tabelle.

Für und Wider der beiden Ferritmaterialien

Die Studie hat ergeben, dass die Effizienz bei Verwendung von Spulen auf der Basis von festem Ferritmaterial bis etwa 90 % der Strombelastung wesentlich besser ist, jedoch danach aufgrund des Wirbelstromverlustes im Ferritmantel zum Absinken neigt. Die höhere Effizienz im festen Ferritmaterial ist auf einen hohen Q-Wert und eine höhere Permeabilität zurückzuführen. Dem stehen jedoch auch die Nachteile einer relativ hohen Feldaussendung, Zerbrechlichkeit, hohe Kosten für Werkzeuginvestitionen und ein relativ höheres Gewicht entgegen.

Spulen, die mit vorgebrochenen Ferritmaterialien aufgebaut werden, weisen aufgrund der geringeren Permeabilität und dem niedrigeren Q-Wert eine geringere Systemeffizienz auf. Die Effizienz bleibt dann aber bis zur maximalen Last bei der maximalen Effizienz, da der Wirbelstromverlust zu vernachlässigen ist. Ebenso besitzen die Spulen mit vorgebrochenem Ferritmaterial eine bessere Sendeleistung, sind nicht zerbrechlich, relativ leicht, einfach zu versenden und einfach zu handhaben.

Somit sind beide Materialien für drahtlose Ladespulen für unterschiedliche Anwendungen geeignet. Es wird empfohlen, das feste Ferritmaterial für Spulen zu verwenden, bei denen die Effizienz von Bedeutung ist, die Größe und das Gewicht dagegen keine Rolle spielen – z.B. bei mobilen Ladestationen. Demgegebüber sind die vorgebrochenen Materialien für Spulen in tragbaren Geräten und Wearables besser geeignet – beispielsweise bei Mobiltelefonen, Tablets, Armbanduhren und Geräten zur Gesundheitskontrolle.