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Methode der elektromagnetischen Induktion bei der drahtlosen Energieübertragung

 

Ein Verfahren zum Übertragen elektrischer Energie auf eine Entfernung ohne Verwendung eines leitenden Mediums wird als drahtlose Übertragung von Elektrizität bezeichnet. Bis 2011 wurden mehrere erfolgreiche Experimente im Mikrowellenbereich mit einer Leistung von mehreren zehn Kilowatt durchgeführt, während der Wirkungsgrad bei etwa 40% lag.

Dies geschah zum ersten Mal 1975 in Kalifornien und zum zweiten Mal 1997 auf Reunion Island. Die längste Entfernung betrug etwa einen Kilometer. Es wurde ein Experiment durchgeführt, um die Energiesparmöglichkeiten eines Dorfes ohne Verwendung eines herkömmlichen Kabels zu untersuchen.

Technologisch gesehen umfassen die Prinzipien der elektrischen Energieübertragung über eine Entfernung in Abhängigkeit von der Übertragungsentfernung Folgendes. Bei kurzen Entfernungen bei geringen Leistungen - Induktions- und Resonanzmethoden, wie z in RFID-Tags und Smartcards. Bei großen Entfernungen und hohen Leistungen - die Methode der gerichteten elektromagnetischen Strahlung im Bereich von UV bis Mikrowelle.

Schauen wir uns die Induktionsmethode genauer an. Die drahtlose Energieübertragung durch elektromagnetische Induktion impliziert die Verwendung des nahen elektromagnetischen Feldes in Abständen, die 17% der Wellenlänge entsprechen. Die Quintessenz ist, dass die Energie des Nahfeldes nicht in sich selbst strahlt, es gibt nur geringe Strahlung und Widerstandsverluste.

Methode der elektromagnetischen Induktion bei der drahtlosen Energieübertragung

Die elektrodynamische Induktion funktioniert so. Wenn ein elektrischer Wechselstrom durch die Primärwicklung fließt, umgibt sie ein magnetisches Wechselfeld, das gleichzeitig auf die Sekundärwicklung einwirkt und eine variable EMK und dementsprechend Wechselstrom induziert.

Um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, sollte die relative Position der Primär- und Sekundärwicklung nahe genug sein. Wenn sich die Sekundärwicklung unter experimentellen Bedingungen von der Primärwicklung wegbewegt, wird der Teil des Magnetfelds, der die Sekundärwicklung erreicht und ihre Windungen kreuzt, kleiner.

Wenn die Sekundärwicklung selbst in geringem Abstand entfernt wird, wird die Induktionskopplung zwischen den Wicklungen schließlich so klein, dass der größte Teil der vom Magnetfeld übertragenen Energie äußerst ineffizient und im Allgemeinen vergeblich verbraucht wird.

Ein ähnliches System wird in seiner einfachsten Form dargestellt. in einem klassischen elektrischen Transformator. Schließlich ist ein Transformator das einfachste Gerät für die drahtlose Energieübertragung, da seine Primär- und Sekundärwicklung nicht galvanisch miteinander verbunden sind. Die Energieübertragung von der Primär- zur Sekundärseite erfolgt darin durch einen Prozess, der als gegenseitige Induktion bezeichnet wird. Die Hauptfunktion des Transformators besteht darin, die an die Primärwicklung gelieferte Spannung zu erhöhen oder zu verringern.

In kontaktlosen Ladegeräten für mobile Geräte, für elektrische Zahnbürsten und in Induktionskochfeldern sind nur Methoden der elektrodynamischen Induktion implementiert. Der Nachteil bei der Energieübertragung auf diese Weise besteht darin, dass die effektive Wirkung sehr gering ist. Um eine ordnungsgemäße Effizienz zu erreichen, müssen Sender und Empfänger sehr, sehr nahe beieinander platziert werden, fast nahe an dem Prinzip, dass sie effektiv miteinander interagieren können.

Drahtlose Energieübertragung

Um die Effizienz des Induktionsverfahrens zu erhöhen, ist es nützlich, das Phänomen der elektrischen Resonanz in ein solches System einzuführen, wodurch die effektive Übertragungsentfernung vergrößert wird. Durch Hinzufügen eines Schwingkreises zum Resonanzkreis wird durch seine Wirkung die effektive Übertragungsentfernung in gewissem Maße erhöht. Damit Resonanz auftritt, müssen die Sender- und Empfängerschleifen auf dieselbe gemeinsame Frequenz abgestimmt sein.

Direktes drahtloses Stromversorgungsschema für Geräte

Die Leistung eines solchen Systems kann weiter verbessert werden, indem die Wellenform des Steuerstroms korrigiert und von einem sinusförmigen zu einem nicht sinusförmigen, gepulsten Übergangsstrom abweicht.

Die Impulsenergieübertragung wird dann in mehreren Zyklen durchgeführt, und unter solchen Bedingungen kann eine signifikante Leistung von einem LC-Kreis zu einem anderen und mit einem niedrigeren Kopplungskoeffizienten als ohne Verwendung von Resonanzkreisen übertragen werden. Die Formen der Spulen ändern sich nicht, und in jedem Fall handelt es sich um flache Spiralen oder einschichtige Magnetspulen mit angeschlossenen Kondensatoren, die erforderlich sind, um das Empfangselement auf die Resonanzfrequenz des Senders abzustimmen.

Traditionell wird die resonante elektrodynamische Induktion in drahtlosen Batterieladegeräten von Mobilgeräten wie Mobiltelefonen und medizinischen Implantaten sowie in Elektrofahrzeugen verwendet. Lokalisierte Ladegeräte verwenden die Auswahl einer bestimmten Sendespule aus einem Satz mehrschichtiger Wicklungen.

In diesem Fall wirkt das Resonanzphänomen sowohl in der Schaltung des Senderfelds des Ladegeräts als auch in der Empfängerschaltung des auf dem Ladegerät installierten Lademoduls, so dass die Effizienz des Sendens und Empfangens von Energie maximiert wird. Die Technologie dieser Konfiguration ist universell und kann zum drahtlosen Laden verschiedener Geräte verwendet werden, die mit geeigneten Resonanzempfängern ausgestattet sind.

Qi Wireless Charging Standard

Die Technik dieses Plans wird als Teil des Qi-Standards für drahtloses Laden übernommen. Diese Norm bietet zwei Optionen für die Energieübertragung: geringe Leistung - von 0 bis 5 Watt und mittlere Leistung - bis zu 10 Watt. Der Standard wurde nach 2008 vom Wireless Power Consortium (WPC) für die Induktionsübertragung von Energie bis zu 4 cm entwickelt.

Zu den Geräten mit Qi-Unterstützung gehören ein Sender mit einer Flachspule (die sich hinter der Platte befindet), die an eine stationäre Stromquelle angeschlossen ist, und ein kompatibler Empfänger, der im Ladegerät installiert ist (auch in Form einer Flachspule). P.Bei Verwendung des Ladegeräts wird das angeschlossene Gerät auf die Senderplatte gelegt. In diesem Fall gilt das Prinzip der elektromagnetischen Induktion zwischen diesen beiden Flachspulen wie bei einem Transformator.

Qi-fähiges Ladegerät

Qi wird heute in einigen Geräten verwendet: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony und Yota Devices. Ziel des Konsortiums ist es, einen einheitlichen Standard für die Induktionsladetechnologie zu schaffen, um drahtlose Ladegeräte zu einem vertrauten Merkmal öffentlicher Orte wie Cafés, Flughäfen, Sportarenen usw. zu machen.

Die elektrodynamische Induktion mit Resonanz wird auch für die direkte drahtlose Stromversorgung von Geräten verwendet, in denen sich keine Batterien befinden. Dazu gehören RFID-Tags und kontaktlose Smartcards. Ein ähnliches Prinzip für die Übertragung elektrischer Energie gilt. im Tesla-Transformator - vom Primärkreis - dem Induktor - zum darin befindlichen Resonator. Der Tesla-Transformator selbst dient wiederum auch als drahtloser Energiesender, nur elektrostatischer als elektromagnetischer.

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