Superledende spoler til kontaktløs kraftoverførsel i kilowattområdet

Et team ledet af Christoph Utschick og prof. Rudolf Gross, fysikere ved det tekniske universitet i München (TUM), har udviklet en spole med superledende ledninger, der er i stand til at overføre strøm i området mere end fem kilowatt kontaktløs og med kun små tab. Det brede felt af tænkelige anvendelser omfatter autonome industrirobotter, medicinsk udstyr, køretøjer og endda fly.

Kontaktløs kraftoverførsel har allerede etableret sig som en nøgleteknologi, når det kommer til opladning af små enheder som mobiltelefoner og elektriske tandbørster. Brugere vil også gerne se, at kontaktløs opladning stilles til rådighed for større elektriske maskiner som f.eks. Industrirobotter, medicinsk udstyr og elektriske køretøjer.

Sådanne enheder kan placeres på en ladestation, når de ikke er i brug. Dette ville gøre det muligt effektivt at udnytte selv korte tomgangstider til at genoplade deres batterier. Imidlertid, de aktuelt tilgængelige transmissionssystemer til højtydende genopladning i kilowattområdet og derover er store og tunge, da de er baseret på kobberspiraler.

Arbejder i et forskningspartnerskab med virksomhederne Würth Elektronik eiSos og superlederbelægningsspecialist Theva Dünnschichttechnik, et team af fysikere under ledelse af Christoph Utschick og Rudolf Gross er lykkedes med at skabe en spole med superledende ledninger, der er i stand til kontaktløs kraftoverførsel i størrelsesordenen mere end fem kilowatt (kW) og uden væsentligt tab.

Reduceret vekselstrømstab i superledere

Dette betød, at forskerne skulle overvinde en udfordring. Mindre vekselstrømstab forekommer også i superledende transmissionsspoler. Disse tab vokser, efterhånden som transmissionens ydeevne stiger, med en afgørende indvirkning:Overledningstemperaturen på de superledende ledninger stiger, og superledningen falder sammen.

Forskerne udviklede et specielt spoledesign, hvor spolens individuelle viklinger adskilles fra hinanden med afstandsstykker. "Dette trick reducerer betydeligt vekselstrømstab i spolen, "siger Christoph Utschick." Som et resultat, kraftoverførsel så højt som kilowattområdet er muligt. "

Optimering med analytiske og numeriske simuleringer

Holdet valgte en spolediameter til deres prototype, der resulterede i en højere effekttæthed, end det er muligt i kommercielt tilgængelige systemer. "Grundidéen med superledende spoler er at opnå den lavest mulige vekselstrømsmodstand inden for det mindst mulige viklingsrum og dermed kompensere for den reducerede geometriske kobling, "siger Utschick.

Dette opfordrede forskerne til at løse en grundlæggende konflikt. Hvis de gjorde afstanden mellem viklingerne på den superledende spole lille, spolen ville være meget kompakt, men der ville være fare for, at superledningen kollapser under drift. Større adskillelser ville på den anden side resultere i lavere effekttæthed.

"Vi optimerede afstanden mellem de enkelte viklinger ved hjælp af analytiske og numeriske simuleringer, "siger Utschick." Separationen er omtrent lig med halvdelen af ​​båndlederens bredde. "Forskerne vil nu arbejde på at øge mængden af ​​transmitterbar effekt yderligere.

Spændende anvendelsesområder

Hvis de lykkes, døren åbner til et stort antal meget interessante anvendelsesområder, for eksempel anvendelser inden for industriel robotik, autonome transportkøretøjer og højteknologisk medicinsk udstyr. Utschick forestiller sig endda elektriske racerkøretøjer, der kan oplades dynamisk, mens de er på racerbanen, samt autonome elektriske fly.

Systemets anvendelighed i stor skala står stadig over for en hindring, imidlertid. Spolerne kræver konstant afkøling med flydende nitrogen, og de anvendte kølebeholdere kan ikke være lavet af metal. Væggene i metalbeholdere ville ellers varme op betydeligt i magnetfeltet, meget som en gryde gør på en induktionsovn.

"Der er endnu ingen kryostat som denne, der er kommercielt tilgængelig. Dette vil betyde en omfattende mængde yderligere udviklingsindsats, "siger Rudolf Gross, Professor for teknisk fysik ved det tekniske universitet i München og direktør for Walther-Meissner-instituttet ved det bayerske akademi for videnskab og humaniora. "Men resultaterne frem til nu repræsenterer store fremskridt for kontaktløs kraftoverførsel ved høje effektniveauer."