ENGINEERINGNET.BE - Contactloos opladen is een sleuteltechnologie voor smartphones, elektrische tandenborstels, ...
Grotere elektrische machines, zoals industriële robots, medische apparatuur en elektrische voertuigen contactloos opladen blijft een uitdaging. De systemen hebben koperen spoelen, zijn groot en zwaar en kennen ook stevige wisselstroomverliezen.
De ‘partners in research’ (de bedrijven Würth Elektronik eiSos en supergeleidercoatingspecialist Theva Dünnschichttechnik en een team natuurkundigen, onder leiding van Christoph Utschick en Rudolf Gross) ontwikkelden een supergeleidende spoel die contactloos meer dan vijf kilowatt (kW) overbrengt en dat zonder significant krachtverlies.
Zelfs supergeleidende transmissiespoelen kennen kleine wisselstroomverliezen. Die verliezen worden groter met de transmissieprestaties. Maar ze doen de oppervlaktetemperatuur van de supergeleidende draden stijgen, wat uiteindelijk de supergeleiding teniet doet.
De onderzoekers ontwierpen een spoel waarvan de individuele wikkelingen door afstandhouders van elkaar gescheiden zijn. "Deze truc vermindert het wisselstroomverlies in de spoel aanzienlijk", zegt Christoph Utschick.
Voor zijn prototype koos het team een spoeldiameter die een hogere vermogensdichtheid oplevert dan systemen in de handel. Het gaat er om binnen de kleinst mogelijke wikkelruimte de laagst mogelijke wisselstroomweerstand te halen en zo de verminderde geometrische koppeling te compenseren.
Maar dan wordt het kiezen. De spoel kan heel compact gebouwd worden als de afstand tussen de wikkelingen zeer klein blijft, maar dan bestaat het gevaar dat de supergeleiding onderuit gaat. Meet afstand resulteert echter een lagere vermogensdichtheid.
“Met de hulp van analytische en digitale simulaties hebben we de afstand tussen de afzonderlijke wikkelingen geoptimaliseerd", zegt Utschick. "De scheiding is ongeveer gelijk aan de halve breedte van de bandgeleider."
De onderzoekers willen nu het overdraagbaar vermogen verder opdrijven. Daarmee komen toepassingen in de industriële robotica, autonome transportvoertuigen, elektrische vliegtuigen en hoogtechnologische medische apparatuur in beeld.
De supergeleiding blijft echter een moeilijke. De spoelen moeten immers constant gekoeld worden met vloeibare stikstof. En de koelvaten zelf mogen niet van metaal zijn want in het magnetische veld zou hun wand opwarmen, net als een pan op een inductiekookplaat.
"Een cryostaat zoals deze is nog niet commercieel verkrijgbaar. Dat vergt nog heel veel ontwikkelingsinspanningen", stelt Rudolf Gross, hoogleraar technische fysica aan de Technische Universiteit van München en directeur van het Walther-Meißner-Instituut voor lagetemperaturenonderzoek.
Maar deze resultaten zijn een belangrijke stap vooruit voor contactloze krachtoverbrenging bij hoge vermogens.
(Beeld: © Christoph Utschick / Wuerth Elektronik eiSos)
