Dimensionierung eines induktiven Übertragungssystems in CFK-Umgebung

Kurzfassung

Aufgabe dieser Studienarbeit war es, ein induktives Energieübertragungssystem in CFK-Umgebung zu dimensionieren. Dazu wurden als Vorbetrachtung für den Betrieb ohne CFK Simulationsversuche angestellt. Mit den Ergebnissen und Erkenntnissen dieser Vorversuche konnten rechnerisch Richtwerte für den ersten experimentellen Aufbau ermittelt werden. Während der experimentellen Versuche bestätigten sich die aus den Simulationen gewonnen Werte und Erkenntnisse hinsichtlich der Induktivitäten und des Kopplungsverhaltens der Spulen. Allerdings konnte die letztendlich verwendete Sekundärspule nicht simuliert werden, da es in Fasthenry nicht möglich ist, kreisförmige Strukturen zu erstellen und zusätzlich die Geometrie der in der Leiterplatte befindlichen zu ermitteln. Anhand der Simulation bzw. rechnerischen Vorbetrachtung wurde entschieden, die Größenordnung der Sendespule bei 1:10 im Vergleich zu Empfangspule anzusetzen und experimentell zu testen, wie sich dieses System verhält. Dafür wurden mögliche Primär- und Sekundärspulen untersucht. Anhand der Ergebnisse sollte entschieden werden, welche der Spulen letztendlich zu verwenden waren. Dabei fiel die Entscheidung für die Primärspule zunächst zu Gunsten eines gut isolierten Litzenmaterials auf Grund der elektrischen Kennwerte aus. Anhand der Ergebnisse der Sekundärspulen ließ sich nachweisen, dass, von den vorhandenen Spulen nur die Leiterplatte mit der kreisförmigen Spule, bedingt durch den Durchmesser der Sendespule, geeignet war, überhaupt Energie zu empfangen. Außerdem zeigte sich während des Resonanzabgleichs, wie wichtig es ist, das System mit seinen unterschiedlichen Eigenfrequenzen auf eine Frequenz abzugleichen. Als dann ein funktionsfähiges System zu Verfügung stand, wurden Anstrengungen unternommen, dieses hinsichtlich der Integration zu optimieren. Dafür wurde eine neue Spule aus Kupferabschirmband entworfen und getestet. Es zeigte sich, dass diese Spule nur unwesentlich schlechter in ihren Übertragungswerten war als die vorhergehende. Der Vorteil für die Integration führte letztendlich zu der Entscheidung, die Sendespule aus dem neuen Material zu fertigen. Als letzter Versuch wurde das Betriebsverhalten des Systems auf einer CFK-Platte untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Einfluss des CFK größer als ist als zunächst vermutet. Es konnten im Vorfeld auch keine konkreten Erfahrungswerte hinsichtlich des Betriebs mit CFK ermittelt werde, da die Software Fasthenry keine Möglichkeit besitzt, die CFK-Struktur in der Umgebung zu berücksichtigen. Somit war es relativ überraschend, wie groß der Einfluss der CFK-Struktur auf das Übertragungsverhalten ist. Ein experimenteller Versuch zur Redzuzierung der Sendespulengröße brachte schließlich den Erfolg, dass das System trotz CFK-Umgebung betreiben zu können. Dafür war es notwendig, die Abmessungen der Sendespule zu halbieren. Trotzdem musste das System mit mehr Einspeisungsleitung betrieben werden, um die gleiche Leistung abnehmen zu können. Das bedeutet, dass das System mit CFK hat einen wesentlich kleineren Übertragungsweg hat und besitzt trotzdem einen geringeren Wirkungsgrad als das System ohne CFK erreicht.