Grundlagen der kontaktlosen Energieübertragung - HIT

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.