Gute Figur beim induktiven Laden

3. Mai 2016
Fachmedium für industrielle Anwender und Entwickler
Vitrolam schützt vor elektromagnetischer Strahlung:
Gute Figur beim induktiven Laden
Eine Folie auf Basis von weichmagnetischem Vitroperm 800 R liefert den
Ferriten vergleichbare Leistungen
bei halber Dicke.
(Bild: Samsung Electronics)
09
Am 20. März 1900 erhielt Nikola Tesla
sein erstes Patent über die drahtlose
Energieübertragung und legte damit
die technische Grundlage für das induktive Laden. Das Prinzip der kabellosen
Energieübertagung ist also seit mehr
als 100 Jahren bekannt. Eine Vielzahl
nicht kompatibler Ladegeräte von unterschiedlichen Herstellern und der
damit einhergehende Verdruss bei den
Handynutzern haben in den letzten
Jahren dafür gesorgt, dass das induktive Laden ein wahres Revival erlebt –
und das nicht nur im Bereich der mobilen Telefonie. Auch die Notwendigkeit,
das E-Auto bei möglichst jedem Parkvorgang einfach und unkompliziert
aufladen zu können, hat das Thema auf
der Prioritätenliste weiter nach oben
gehievt.
Doch zurück zum fast schon unverzichtbaren Alltagshelfer Mobiltelefon. Hier
erobert die kabellose Energieübertragung alle möglichen Lebensbereiche:
Ikea beispielsweise bietet Möbel mit
integrierter Ladestation an. Zudem
erobert das Prinzip die Fahrgasträume
von Autos und wird an Flughäfen angeboten. Die höchst komfortable Art,
seine elektronischen Geräte wieder
aufzuladen, setzt sich in vielen Bereichen des Alltagslebens Stück für Stück
durch.
Dafür sprechen auch Schätzungen, die
im Bereich der kabellosen Energieübertragung bis zum Jahr 2018 ein Marktvolumen von 8,5 Milliarden Dollar sehen.
Der Löwenanteil dieser enormen Wachstumsraten wurde dabei für 2015 und
2016 prognostiziert.
Das Prinzip des induktiven Ladens ist
im Grunde bestechend einfach: Zur
induktiven Energieübertragung wird im
Transmitter (Sender, Generator) ein
magnetisches Wechselfeld erzeugt, und
zwar mit einer von Wechselstrom durchflossenen Spule (Bild 1). Auch auf der
Empfängerseite ist eine Spule vorhanden, die von einem Teil des magneti-
US
Strom- Oszillator L1
versorgung
B
Last
L2
Gleichrichter
Bild 1. Prinzip der drahtlosen Energieübertragung zwischen Sender (links) und Verbraucher (rechts).
Passive Bauelemente
25
Effizienz [r. E.]
20
15
10
5
0
„Composite
type“, Dicke:
0,5 mm
Vitrolam
Dicke: 0,3 mm
(6-lagig)
Vitrolam
Vitrolam „Composite type“
Dicke: 0,2 mm Dicke: 0,1 mm Dicke: 0,1 mm
(4-lagig)
(2-lagig)
Bild 2. Relativer Vergleich verschiedener Ferritlösungen und Vitrolam-Folien hinsichtlich der Energie(Bild: Vacuumschmelze)
übertragungseffizienz.
Besser nicht ohne Schirm
Das breit gestreute Magnetfeld der
Transmitterspule beim induktiven Laden ist allerdings für viele moderne
elektronische Geräte – Stichwort „elektromagnetische Verträglichkeit“ – nicht
unproblematisch. Damit ist der üblicherweise erwünschte Zustand gemeint,
dass technische Geräte einander nicht
durch ungewollte elektrische oder
elektromagnetische Effekte störend
beeinflussen. Dazu gibt es auch eine für
die Hersteller bindende Richtlinie der
EU „ zur Harmonisierung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die
elektromagnetische Verträglichkeit“ –
kurz: EMV-Richtlinie (EMC) 2014/30/EU.
Sie behandelt die elektromagnetische
Verträglichkeit von Betriebsmitteln und
gibt vor, auf welche Weise die elektromagnetische Verträglichkeit von elektrisch betriebenen Geräten im europäischen Binnenmarkt beschaffen sein soll.
Es ist also nicht nur vorgeschrieben,
sondern auch dringend notwendig, die
empfindlichen elektronischen Geräte
gegen das beim induktiven Laden entstehende Magnetfeld abzuschirmen.
Hierzu eignet sich bei weitem nicht jedes Material. In Aluminiumhüllen, die
aus Elektronik 9/2016
zur Trennung des Akkus von der Elektronik bei Handys dienen könnten,
würde sich der Strom beispielsweise
ebenfalls einkoppeln. Der so entstandene Stromfluss könnte zu einer Erwärmung und auf lange Sicht zu einer
schädlichen Überhitzung der umgebenden Komponenten führen.
Dünn und flexibel –
nicht um jeden Preis
Stand der Technik sind heute Ferrite für
Ladestationen, in deren Sendern Ferritplatten von durchschnittlich etwa
2,5 mm Dicke verbaut werden. Der
Vorteil dieses keramischen Werkstoffs
liegt im Preis, denn in der beschriebenen Standardausführung sind diese
Ferritplatten durchaus günstig. Allerdings hat dieses Material auch einen
entscheidenden Nachteil: Je dünner es
ist, desto empfindlicher reagiert es auf
Gleiche Leistung bei halber Dicke
Vitroperm ist nach der Rascherstarrung
zunächst einmal amorph. Zum Ausbil-
0
Schirmwirkung [Differenz von 100 %]
schen Wechselfelds durchdrungen wird.
Dadurch wird in der Empfängerspule
eine Spannung induziert. Wenn an der
Spule nun eine elektrische Last angeschlossen wird, kommt es aufgrund der
induzierten Spannung zum Stromfluss
durch die Last und es wird Leistung
übertragen. Das Wirkprinzip entspricht
dem eines Transformators mit schwacher Kopplung der Spulen.
Belastung und ist in der Folge zerbrechlicher.
Andererseits geht der Trend ganz eindeutig zum immer schlankeren Design.
Gadgets für den täglichen Gebrauch,
beispielsweise Notebooks oder Mobiltelefone, zeichnen sich bereits seit
Jahren dadurch aus, dass sie immer
dünner werden. Auch lassen sich in
Bezug auf das Design mit möglichst
dünnen Ausgangsmaterialien viel mehr
Möglichkeiten realisieren als mit vergleichsweise dicken Ferritplatten.
Durch den Trend zum Dünn-Design
jedoch wird der Kostenvorteil der Ferrite gegenüber anderen Materialien
schnell obsolet. Denn um die werkstoffimmanente Zerbrechlichkeit auch bei
der Herstellung extrem dünner Ferritplatten zu kompensieren, sind die Hersteller dazu übergegangen, Folien auf
die Platten aufzulaminieren. Dieser
zusätzliche Produktionsschritt bedeutet
eine aufwändigere Herstellung und
führt natürlich auch zu größeren Ausschussmengen bei der Produktion – und
das manifestiert sich in höheren Kosten.
Eine interessane Alternative zu den
Ferriten kommt nun aus Hanau: Hier hat
die Vacuumschmelze (VAC) mit Vitrolam
eine flexible Folie entwickelt, die beim
Handling in der Produktion oder durch
das Herunterfallen beim Endkunden
nicht kaputt zu kriegen ist. Diese neue
Folie besteht aus mehreren Schichten
des weichmagnetischen Werkstoffs
Vitroperm 800 R.
−2
−4
−6
−8
−10
−12
−14
−16
„Composite type“ Vitrolam
Vitrolam
Vitrolam „Composite type“
Dicke: 0,5 mm Dicke: 0,3 mm Dicke: 0,2 mm Dicke: 0,1 mm Dicke: 0,1 mm
(6-lagig)
(4-lagig)
(2-lagig)
Bild 3. Relativer Vergleich verschiedener Ferritlösungen und Vitrolam-Folien hinsichtlich der Schirm(Bild: Vacuumschmelze)
wirkung – und zwar abweichend vom Idealfall.
Passive Bauelemente
Bild 4. Beispiel für eine Vitrolam-Folie mit mehreren Vitroperm-Werkstofflagen.
den der nanokristallinen Zweiphasenstruktur werden die aus dem amorphen
Band gewickelten Ringbandkerne bei
etwa 550 °C getempert. Die Zweiphasenstruktur ist dadurch gekennzeichnet,
dass ein feinkristallines Korn (mittlerer
Durchmesser 10 bis 20 nm) in eine
amorphe Restphase eingebettet ist.
Dieses strukturelle Merkmal ist für das
Erreichen höchster Permeabilitäten und
kleinster Koerzitivfeldstärken verantwortlich. Daneben sorgen geringe
Banddicke (ca. 20 µm) sowie elektrischer
Widerstand von 1,1 bis 1,2 µΩm für
niedrigste Wirbelstromverluste und
einen ausgezeichneten Frequenzgang
der Permeabilität.
Die Kombination dieser Eigenschaften
verknüpft mit einer Sättigungsinduktion von 1,2 T sowie günstige thermische
Eigenschaften sorgen dafür, dass dieser
Werkstoff konkurrierenden Permalloys,
Ferriten und amorphen Werkstoffen auf
Kobalt-Basis mindestens ebenbürtig –
wenn nicht sogar überlegen – ist
(Bild 2). Dies zeigt sich unter anderem
daran, dass man diesen Werkstoff – im
Gegensatz zu den spröden keramischen
Ferriten – im Verarbeitungsprozess
stanzen kann. Vergleichsmessungen
belegen zudem, dass Vitrolam-Folien
bereits bei Schichtdicken jene Schirmwirkung erzielen, für die man bei Ferritplatten noch die doppelte Schichtdicke
benötigt (Bild 3).
Sehr temperaturstabil im Kfz
Auch in Einsatzgebieten abseits der
mobilen Telefonie erweist sich Vitrolam
(Bild: Vacuumschmelze)
als gut geeigneter Werkstoff: In industriellen Automobil-Anwendungen beispielsweise ist die Beständigkeit der
magnetischen Eigenschaften bei sich
ändernden Temperaturen von großer
Bedeutung.
Im Gegensatz zu Konsum- oder Telekommunikationsprodukten, wo die
Spanne der Betriebstemperaturen
allgemein bei 0 bis 50 °C liegt, geht es
bei den zuvor genannten AutomobilAnwendungen um Temperaturbereiche von –40 bis zu +85 °C. In diesem
Bereich variieren die magnetischen
Eigenschaften von Ferriten sehr stark,
während die Eigenschaften des – im
Vitrolam enthaltenen – Vitroperm
800 R kaum schwanken. Seit Ende 2014
ist die Folie mit dem weichmagnetischen Werkstoff (Bild 4) entsprechend
den Vorgaben des Qi-Standards des
Wireless Power Consortium zertifiziert.
Von den Überlegungen nach einer
Zertifizierung der Schirmmaterialien
für die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten seiner Entdeckung war
Tesla noch weit entfernt. Er konnte sich
vermutlich weder die schiere Vielzahl
an Einsatzmöglichkeiten noch die
Probleme mit den Auswirkungen der
magnetischen Strahlung – auch nicht
ansatzweise – vorstellen. Zuviel ist seit
seiner Entdeckung vor über hundert
Jahren passiert. Und die prognostizierten Wachstumsraten für kabellose
Energieübertragung lassen vermuten,
dass hier noch lange nicht alle vorstellbaren Einsatzfelder ausgelotet sind.
Matthias Schmidt (Vacuumschmelze) /
go
aus Elektronik 9/2016
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