Supraleitende Spulen

Kontaktlose Energieübertragung im kW-Bereich

11. März 2021, 15:35 Uhr   |  Heinz Arnold

Kontaktlose Energieübertragung im kW-Bereich
© Christoph Utschick / Würth Elektronik eiSos

Supraleitende Spule zur kontatlosen Stromübertragung von bis zu 5 kW.

Einer neue Spule aus supraleitenden Drähten kann Leistungen von mehr als 5 kW kontaktlos übertragen. Vielfältige Anwendungen in Industrierobotern, Medizingeräten, Fahrzeugen und Flugzeugen sind denkbar.

Diese Spule, die die hohe Leistung ohne große Verluste überträgt, hat ein Team um die Physiker Christoph Utschick und Prof. Rudolf Gross von der Technischen Universität München entwickelt.
 
Das ist ein wichtiger Schritt, denn auch für große elektrische Maschinen wie Industrieroboter, Medizingeräte oder Elektrofahrzeuge wünschen sich Anwender Möglichkeiten zur kontaktlosen Aufladung, wie sie sie für kleine Geräten wie Mobiltelefonen und elektrischen Zahnbürsten schon lange kennen.

Dann könnten die Maschinen auf einer Ladestation platziert werden, wenn sie gerade nicht im Einsatz sind. Auch kurze Stillstandzeiten ließen sich so effektiv zum Nachladen der Akkus nutzen. Allerdings sind derzeit verfügbare Übertragungssysteme bei hohen Leistungen ab dem Kilowatt-Bereich bislang groß und schwer, denn sie basieren auf Kupferspulen.

Doch auch für die supraleitenden Übertragungsspulen galt es, eine hohe Hürde zu nehmen: Auch hier gibt es geringe Wechselstromverluste, die mit zunehmender Übertragungsleistung steigen – was fatale Folgen nach sich zieht: Die Oberflächentemperatur in den supraleitenden Drähten nimmt zu, und die Supraleitung bricht zusammen.

Im Rahmen einer Forschungskooperation mit den Unternehmen Würth Elektronik eiSos und Theva Dünnschichttechnik hat das Team um Christoph Utschick und Rudolf Gross dieses Problem gelöst, indem sie ein besonderes Spulendesign entwickelten, bei dem die einzelnen Windungen der Spule durch Abstandshalter voneinander getrennt sind. »Durch diesen Trick werden die Wechselstromverluste in der Spule signifikant reduziert«, sagt Christoph Utschick. »Damit sind Übertragungsleistungen bis in den Kilowatt-Bereich erreichbar.«

Optimierung durch analytische und numerische Simulationen

Den Spulendurchmesser des Prototypen wählte das Team dabei so, dass sie eine höhere Leistungsdichte erzielten als bei kommerziell erhältlichen Systemen. »Die Grundidee bei den supraleitenden Spulen ist es, auf möglichst kleinem Wickelraum einen möglichst niedrigen Wechselstromwiderstand zu erzielen und somit die reduzierte geometrische Kopplung zu kompensieren«, sagt Utschick.

Hier mussten die Forscher einen prinzipiellen Konflikt überwinden: Machten sie den Abstand zwischen den Windungen der supraleitenden Spule klein, wurde die Spule zwar sehr kompakt, die Forscher riskierten aber einen Zusammenbruch der Supraleitung im Betrieb. Größere Abstände dagegen führen zu einer geringeren Leistungsdichte.

»Den Abstand zwischen den einzelnen Windungen haben wir mithilfe analytischer und numerischer Simulationen optimiert«, sagt Utschick. »Er entspricht in etwa der halben Breite des Bandleiters.« Die Forscher wollen nun daran arbeiten, die übertragbare Leistung weiter zu erhöhen.

Interessante Anwendungsgebiete

Sollte dies gelingen, sind zahlreiche, überaus interessante Einsatzgebiete denkbar, etwa in Industrierobotern, autonomen Transportfahrzeugen und medizinischen Hightech-Geräten. Sogar elektrische Rennfahrzeuge, die dynamisch auf der Strecke geladen werden, oder autonome elektrische Fluggeräte hält Utschick für denkbar.

Ein Problem für eine breitere Anwendbarkeit des Systems muss allerdings noch gelöst werden: Die Spulen müssen dauerhaft mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Die verwendeten Kühlgefäße dürfen dabei nicht aus Metall sein. Ansonsten würden sich die Wände der Gefäße im Magnetfeld der Spulen wie bei einem Induktionsherd stark erwärmen.

»Maßgeschneiderte Kühlsysteme sind aktuell kommerziell noch nicht erhältlich. Dies erfordert noch umfassende Entwicklungsanstrengungen«, sagt Rudolf Gross, Professor für technische Physik an der TU München und Direktor des Walther-Meißner-Instituts der Bayerischen Akademie der Wissenschaften. »Die Arbeit stellt jedoch einen großen Fortschritt für die kontaktlose Energieübertragung großer Leistungen dar.«

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