Auslegung von Magnetspulen mit 3D FEM-Simulationen

Abbildung - Koppelfaktor einer Spulenkombination über einer XY-Parkfläche. X=0 und Y=0 bedeutet, dass die Spulen ideal übereinander positioniert sind

Ein zentraler Bestandteil einer WPT-Übertragungsstrecke sind die magnetisch gekoppelten Spulen, die Energie von der Primär- auf die Sekundärseite übertragen. Aufgrund des (bei Elektrofahrzeugen) anwendungsbedingten hohen Luftspalts ist die magnetische Kopplung gering und nimmt bei Parkversatz sogar noch weiter ab. Mittels 3D FEM-Simulationen forschen wir an der Auslegung solcher Magnetspulen, mit dem Ziel für unterschiedliche Sekundärseiten einen möglichst hohen Koppelfaktor zu ermöglichen. Ein weiteres Auslegungsziel ist ein unabhängig vom Parkversatz möglichst konstanter Koppelfaktor, da dadurch die Anforderungen an die Leistungselektronik und somit die Kosten des Gesamtsystems reduziert werden können.

Neben der magnetischen Kopplung ist die Sicherheit ein weiterer Aspekt unserer Forschungen in diesem Bereich. Durch die niedrige Kopplung ( ) entstehen hohe magnetische Streuflüsse, welche ein Sicherheitsrisiko für Menschen in der Umgebung einer induktiven Ladestation bzw. des Fahrzeugs darstellen können.

Abbildung – Streuflussdichte eines Spulenmodells für verschiedene Primärströme und Lastgüten zur Betriebspunktermittlung

Dabei gilt es, neben der Auslegung des Magnetkreises und der Ausbreitung des Magnetfelds den Einfluss leistungselektronischer Elemente zu berücksichtigen (siehe Link zur nächsten Seite). Die Kompensationstopologie beeinflusst maßgeblich die Lastgüte, welche wiederum, zusammen mit dem Strom durch die Primärspule, die Ausgangsleistung bestimmt. Werden die Kompensationsnetzwerke mit einer hohen Güte ausgelegt, kann dieselbe Ausgangsleistung mit weniger Primärstrom erreicht werden, wodurch sich auch das Streufeld, welches hauptsächlich durch den primären Spulenstrom verursacht wird, reduziert.

Die primärseitige Stromanforderung für eine bestimmte Leistung hängt somit von Luftspalt, Versatz und Sekundärseite ab. Für jeden Betriebspunkt müssen dabei die normativen Vorgaben beachtet erfüllt werden. Daher forschen wir schwerpunktmäßig auch an Maßnahmen zur Reduktion und Abschirmung solcher magnetischer Streufelder unter verschiedenen (normativen) Anforderungen, welche beispielsweise durch einen Kompromiss zwischen Primärstrom und Lastgüte realisiert werden können.

Abbildung - Simulierte Streuflüsse einer Spulenmodells in X- (rot) und Y-Richtung (blau) in einem Meter Abstand vom Spulenursprung für unterschiedliche Versatzpositionen und Luftspalte/Fahrzeuge

Ansprechpartner und Kontakt

Denis Kraus
Carina Damhuis