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TU München / Würth Elektronik eiSos

Kontaktlos laden mit Kilowatt

11. März 2021, 15:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Kontaktlos laden mit Kilowatt
© Christoph Utschick / Würth Elektronik eiSos

Supraleitende Spule zur kontatlosen Stromübertragung

Ein Team der TU München und Würth Elektronik eiSos hat eine Spule aus supraleitenden Drähten hergestellt, die Leistungen von mehr als 5 kW kontaktlos zu übertragen. Vielfältige Anwendungen in autonomen Industrierobotern, Medizingeräten, Fahrzeugen oder sogar Flugzeugen sind damit denkbar.

Bei kleinen Geräten wie Mobiltelefonen oder elektrischen Zahnbürsten hat sich die kontaktlose Energieübertragung bereits zur Schlüsseltechnologie für das Laden der Akkus entwickelt. Anwender wünschen sich diese Möglichkeiten immer öfter auch für große elektrische Maschinen wie Industrieroboter, Medizingeräte oder Elektrofahrzeuge. Damit ließen sich kurze Stillstandzeiten effektiv zum Nachladen der Akkus nutzen. Allerdings sind derzeit verfügbare Übertragungssysteme bei hohen Leistungen ab dem Kilowatt-Bereich bislang groß und schwer, denn sie basieren auf Kupferspulen.

Im Rahmen einer Forschungskooperation der Technischen Universität München (TUM) mit Würth Elektronik eiSos und Theva Dünnschichttechnik ist es nun einem Team von Physikern um Christoph Utschick und Rudolf Gross gelungen, eine Spule mit supraleitenden Drähten herzustellen, die Leistungen von mehr als 5 kW kontaktlos und ohne große Verluste übertragen kann.

Wechselstromverluste in den Supraleitern überwinden

Die Forscher mussten dazu ein Problem überwinden: Auch in supraleitenden Übertragungsspulen entstehen geringe Wechselstromverluste. Sie steigen mit zunehmender Übertragungsleistung und haben eine fatale Folge: Die Oberflächentemperatur in den supraleitenden Drähten nimmt zu, und die Supraleitung bricht zusammen.

Die Forscher entwarfen daher ein besonderes Spulendesign, bei dem die einzelnen Windungen der Spule durch Abstandshalter voneinander getrennt sind. »Durch diesen Trick werden die Wechselstromverluste in der Spule signifikant reduziert«, erklärt Christoph Utschick. »Damit lassen sich Übertragungsleistungen bis in den Kilowatt-Bereich erreichen.«

Den Spulendurchmesser ihres Prototyps wählte das Team dabei so, dass sie eine höhere Leistungsdichte erzielten als bei kommerziell erhältlichen Systemen. »Die Grundidee bei den supraleitenden Spulen ist es, auf möglichst kleinem Wickelraum einen möglichst niedrigen Wechselstromwiderstand zu erzielen und somit die reduzierte geometrische Kopplung zu kompensieren«, so Utschick weiter.

Hier mussten die Forscher einen prinzipiellen Konflikt überwinden: Machten sie den Abstand zwischen den Windungen der supraleitenden Spule klein, wurde die Spule zwar sehr kompakt, die Forscher riskierten aber einen Zusammenbruch der Supraleitung im Betrieb. Größere Abstände dagegen führen zu einer geringeren Leistungsdichte.

»Den Abstand zwischen den einzelnen Windungen haben wir mithilfe analytischer und numerischer Simulationen optimiert«, erläutert Utschick. »Er entspricht in etwa der halben Breite des Bandleiters.« Die Forscher wollen nun daran arbeiten, die übertragbare Leistung weiter zu erhöhen.

Spannende Anwendungsgebiete

Sollte dies gelingen, sind zahlreiche, überaus interessante Einsatzgebiete denkbar, etwa in Industrierobotern, autonomen Transportfahrzeugen oder medizinischen Hightech-Geräten. Sogar elektrische Rennfahrzeuge, die dynamisch auf der Strecke geladen werden, oder autonome elektrische Fluggeräte hält Utschick für denkbar.

Ein Problem für eine breitere Anwendbarkeit des Systems muss allerdings noch gelöst werden: Die Spulen müssen dauerhaft mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Die verwendeten Kühlgefäße dürfen dabei nicht aus Metall sein. Ansonsten würden sich die Wände der Gefäße im Magnetfeld der Spulen wie bei einem Induktionsherd stark erwärmen.

»Maßgeschneiderte Kühlsysteme sind aktuell kommerziell noch nicht erhältlich. Dies erfordert noch umfassende Entwicklungsanstrengungen«, sagt Rudolf Gross, Professor für technische Physik an der TU München und Direktor des Walther-Meißner-Instituts der Bayerischen Akademie der Wissenschaften. »Die Arbeit stellt jedoch einen großen Fortschritt für die kontaktlose Energieübertragung großer Leistungen dar.«

Die Themenstellung sowie die Finanzierung der dieser Publikation zugrundeliegenden Industriepromotion erfolgte durch Würth Elektronik eiSos. Wesentliche Arbeiten wurden im Walther-Meißner-Institut (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (BAdW) durchgeführt. Die verwendeten Hochtemperatur-Supraleiter wurden durch die Firma Theva Dünnschichttechnik bereitgestellt, einer Ausgründung aus der TU München.

Publikation

Ch. Utschick, et al., Superconducting Wireless Power Transfer Beyond 5 kW at High Power Density for Industrial Applications and Fast Battery Charging, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 31, no. 3, pp. 1-10, April 2021, Art no. 5500110, doi: 10.1109/TASC.2021.3056195.

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