12/03/2021
Door Ad Spijkers
Een team onderzoekers heeft een spoel van supergeleidende draden vervaardigd die contactloos en zonder grote verliezen een vermogen van meer dan 5 kW kan overbrengen. Interessant voor industriële robots.
In kleine toestellen zoals mobiele telefoons of elektrische tandenborstels is contactloze energietransmissie al standaard voor het opladen van batterijen. Gebruikers zouden die mogelijkheid ook graag zien voor grote elektrische machines zoals industriële robots. Als ze niet in gebruik zijn, kunnen ze bij een oplaadstation worden geplaatst. Ook korte onderbrekingen kunnen effectief worden gebruikt om de batterijen op te laden. Toepassing wordt onder meer voorzien in autonome industriële robots.
De thans beschikbare transmissiesystemen voor vermogens in het kilowattbereik zijn gebaseerd op koperen spoelen en groot en zwaar. Een team onderzoekers van de Technische Universität München (TUM), Würth Elektronik eiSos en Theva Dünnschichttechnik heeft een spoel met supergeleidende draden ontwikkeld die contactloos en zonder grote verliezen een vermogen van meer dan 5 kW kan overbrengen.
Lagere wisselstroomverliezen
Om dit te doen, moesten de onderzoekers een serieus probleem overwinnen: in supergeleidende transmissiespoelen treden ook kleine wisselstroomverliezen op. Ze nemen toe met toenemend zendvermogen en hebben een fataal gevolg. De oppervlaktetemperatuur in de supergeleidende draden neemt toe en de supergeleiding valt uit.
De onderzoekers maakten een speciaal spoelontwerp waarbij de afzonderlijke windingen van de spoel van elkaar gescheiden zijn door afstandhouders. Dit vermindert de wisselstroomverliezen in de spoel aanzienlijk, waardoor transmissievermogens tot in het kilowattbereik haalbaar zijn.
Simulaties
Het team koos de spoeldiameter van hun prototype zodanig, dat ze een hogere vermogensdichtheid bereikten dan met in de handel verkrijgbare systemen. Het basisidee met supergeleidende spoelen is om de laagst mogelijke wisselstroomweerstand te bereiken in de kleinst mogelijke wikkelruimte en zo de verminderde geometrische koppeling te compenseren.
Hiertoe moesten de onderzoekers een principieel conflict overwinnen. Als ze de afstand tussen de windingen van de supergeleidende spoel klein maken, wordt de spoel compact. Maar de onderzoekers riskeerden daarmee onderbreking van de supergeleiding tijdens bedrijf. Grotere afstanden daarentegen leiden tot een lagere vermogensdichtheid.
De onderzoekers hebben analytische en numerieke simulaties gebruikt om de afstand tussen de afzonderlijke bochten te optimaliseren. Die komt ongeveer overeen met de helft van de breedte van de geleiders. Ze willen nu aan een verdere verhoging van het zendvermogen werken.
Toepassingen
Mocht dit lukken, dan zijn er tal van uiterst interessante toepassingsgebieden denkbaar, bijvoorbeeld in industriële robots, autonome voertuigen of medische apparatuur. De onderzoekers denken zelfs aan elektrische racevoertuigen die op de baan dynamisch worden opgeladen en aan autonome elektrische vliegtuigen.
Voor een bredere toepasbaarheid van het systeem moet nog één detail worden opgelost. De spoelen moeten permanent worden gekoeld met vloeibare stikstof en de gebruikte koelvaten mogen niet van metaal zijn. De wanden zouden namelijk sterk opwarmen in het magnetische veld van de spoelen. Op maat gemaakte koelsystemen zijn momenteel nog niet in de handel verkrijgbaar. Dit vergt nog grote ontwikkelingsinspanningen. Het werk betekent nidettemin een belangrijke stap voorwaarts voor contactloze energieoverdracht van grote vermogens.
Foto: Christoph Utschick, Würth Elektronik eiSos