Grundlagen der kontaktlosen Energieübertragung - HIT
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Grundlagen der kontaktlosen Energieübertragung 0. Vorwort Die nachfolgenden Grundlagen orientieren sich an den Ergebnissen der Studienarbeit: „Kontaktlose Energieübertragung mittels kapazitiver und induktiver Kopplung“ von Dino Pepelyashev TU Chemnitz 2003 1. Motivation Die Notwendigkeit zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie hat ihren Ursprung in der Tatsache, dass in vielen elektrischen Systemen eine physikalische Trennung zwischen Energiequelle und Energieverbraucher erwünscht bzw. unvermeidbar ist. Bemerkung: Unter physikalischer Trennung in diesem Sinne versteht man die Abwesenheit einer mechanischen Verbindung jeglicher Art zwischen den beiden Modulen. 2. Grundaufbau Das vereinfachte Modell der kontaktlosen Energieübertragung besteht aus den Modulen: „Sender“, „Übertragungsmedium“ und „Empfänger“. Der Sender stellt hierbei die Energie zur Verfügung und ermöglicht eine Überführung ins Übertragungsmedium. Ein Übertragungsmedium erlaubt es durch seine materiellen Eigenschaften einen Übertragungskanales herzustellen. Der Empfänger entnimmt dem Übertragungsmedium die bereitgestellte Energie. Übertragunsmedium Sender Empfänger Verbraucher Grundaufbau eines kontaktlosen Energieübertragungssystems 3. Technologieüberblick Zur Realisierung, der im Kapitel „Systemüberblick“ vorgeschlagenen Modellierung stehen aus physikalisch-technischer Sicht mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Folgende Übertragungs- bzw. Kopplungsmethoden werden unterschieden: • Kapazitive Kopplung: Grundlage für die Anwendung von kapazitiver Kopplung ist eine gegenseitig kapazitive Wirkung zwischen zwei Stromkreisen. Eine Potentialdifferenz zwischen den Stromkreisen führt zum Aufbau eines elektrischen Feldes und ermöglicht die Übertragung. • Induktive Kopplung: Das Prinzip der induktiven Kopplung o.a. Gegeninduktion ist die gegenseitige magnetische Beeinflussung zweier oder mehrerer räumlich benachbarter elektrischer Stromkreise durch einen magnetischen Fluss. Eine der geläufigsten Beispiele für die Anwendung dieser Technologie ist der Transformator. • Radiative Kopplung: Radiative Felder spielen in der Praxis eine Rolle für die kontaktlose Energieübertragung bei höheren Frequenzen. Das Fernfeld, in dem sich die Empfängerantenne befinden soll, ist bei niedrigen Frequenzen sehr weit vom Sender entfernt. Niederfrequenten Antennen sind jedoch in Bezug auf ihre enormen konstruktiven Ausmaße von geringer technischer Bedeutung. • Galvanische Kopplung: Galvanische Kopplung tritt dann ein, wenn zwei Stromkreise miteinander leitend verbunden sind und so der Stromfluss über eine gemeinsame Impedanz ermöglicht wird. Induktive und kapazitive Kopplungen werden ausschließlich bei Übertragungen mit kleinen Abständen genutzt. Das Erzeugen eines elektrischen bzw. magnetischen Feldes mit größerer Reichweite erfordert hohe Spannungen und Ströme und bietet somit keine wirtschaftlich sinnvolle Alternative. Für den Gebrauch bei geringen Abständen gehören diese Technologien zum Standard in der kontaktlosen Energieübertragung. Will man Energie mit Hilfe der radiativen Kopplung, d.h. mittels elektromagnetischer Wellen übertragen, dann muss der Empfänger außerhalb des Nahfeldes positioniert werden, damit eine induktive Einkopplung vermieden wird. Für viele Anwendungen hat diese Besonderheit einen starken Einfluss auf den Kostenfaktor und auf die Realisierungsaufwand. Zusammen mit den, im Gesetz definierten Begrenzungen für die radiative Leistungsabstrahlung bei bestimmten Frequenzen, ist das der Grund für die begrenzten Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie. Da die galvanische Kopplung schließt sich aufgrund der Grundbedingung eines gemeinsamen Potentials zwischen Sender und Empfänger als kontaktlose Energieübertragungstechnologie aus. Die induktive Kopplung soll bezugnehmend für die Anwendungsgebiete GMP-IT-System und EDraisine als Transmissionstechnologie im weiteren Verlauf der Grundlagenrecherche näher vorgestellt werden. 4. Grundlagen der induktiven Kopplung • Nomenklatur: ሬԦ ܤ magnetische Flussdichte ሬܪԦ magnetische Feldstärke ሬԦ ܧ elektrisches Wirbelfeld Ԧ ܣ durchflutete Fläche ߶ magnetischer Fluss ሬሬሬሬԦ ݀ݏ infinitesimales, orientiertes Teilstück einer geschlossenen Kurve S innerhalb des magnetischen Feldes ݅ innerhalb der geschlossenen Kurve S fließender Strom ܷௗ induzierte Spannung • Theoretische Grundlagen: „In der Umgebung stromdurchflossener Leiter und Spulen existieren magnetische Felder.“ Diese Grundaussage wird anhand des Durchflutungsgesetztes (4.1) beschrieben. ሬԦ ݀ݏറ = ܫ රܪ 4.1 ௌ Durch Anwendung des Durchflutungsgesetzes, auf den speziellen Fall einer Spule, stellt man fest, dass der Strom, der durch die Spule fließt, einen magnetischen Fluss durch die Fläche der Leiterschleife verursacht, der proportional zu ihm selbst ist. ሬԦ ሺݏറሻ ∝ ݅ ܤ 4.2 Die Flussdichtelinien des Feldes sind in sich geschlossen und das Feld ist ein magnetisches Wirbelfeld, dessen Wirbelstärke durch Gleichung 4.1 beschrieben wird. Durch umgekehrte Betrachtung des Prozesses ergibt sich die Erkenntnis, dass sich ein zeitlich ändernder magnetischer Fluss, in einer ihn umgebenden Leiterschleife eine Spannung induziert. Grund dafür ist das elektrische Wirbelfeld, das den zeitlich sich ändernden magnetischen Fluss umgibt. Es wird mit Hilfe des Faradayschen induktionsgesetztes (2.Maxwell-Gleichung) 4.3 beschrieben. ܷௗ = ර ܧሬԦ ݀ݏറ = − ௌ ݀ ሬԦ ݀ܣԦ නනܤ ݀ݐ 4.3 Aus den Prinzipien von Durchflutungs- und Induktionsgesetz ergeben sich die notwendigen technischen Grundlagen, elektrische Energie kontaktlos zu übertragen. Zur Realisierung benötigt man ein geeignetes Übertragungsmedium und einen zeitlich sich ändernden magnetischen Fluss. Die Eigenschaft, die ein Medium als geeignet bezeichnet, ist seine magnetische Leitfähigkeit, bzw. magnetische Permeabilität. Luft beispielsweise besitzt eine relative magnetische Permeabilität von 1,0000004. Sie ist ein nicht ideales aber trotzdem geeignetes Medium.
