Ett team ledd av Christoph Utschick och Prof. Rudolf Gross, fysiker vid Münchens tekniska universitet (TUM), har utvecklat en spole med supraledande ledningar som kan överföra effekt i intervallet mer än fem kilowatt kontaktlöst och med endast små förluster. Det breda fältet av tänkbara applikationer inkluderar autonoma industrirobotar, medicinsk utrustning, fordon och till och med flygplan.

Kontaktlös kraftöverföring har redan etablerat sig som en nyckelteknologi när det kommer till laddning av små enheter som mobiltelefoner och eltandborstar. Användare skulle också vilja se att kontaktlös laddning görs tillgänglig för större elektriska maskiner som industrirobotar, medicinsk utrustning och elfordon.

Sådana enheter kan placeras på en laddstation när de inte används. Detta skulle göra det möjligt att effektivt utnyttja även korta vilotider för att ladda sina batterier. Dock, de för närvarande tillgängliga transmissionssystemen för högpresterande laddning i kilowattområdet och över är stora och tunga, eftersom de är baserade på kopparspolar.

Arbetar i ett forskningssamarbete med företagen Würth Elektronik eiSos och superledarbeläggningsspecialisten Theva Dünnschichttechnik, ett team av fysiker ledda av Christoph Utschick och Rudolf Gross har lyckats skapa en spole med supraledande ledningar som klarar av kontaktlös kraftöverföring i storleksordningen mer än fem kilowatt (kW) och utan betydande förluster.

Minskad växelströmsförlust i supraledare

Detta innebar att forskarna var tvungna att övervinna en utmaning. Mindre växelströmsförluster förekommer även i supraledande transmissionsspolar. Dessa förluster ökar när överföringsprestanda ökar, med en avgörande påverkan:Yttemperaturen på de supraledande trådarna stiger och supraledningen kollapsar.

Forskarna utvecklade en speciell spolkonstruktion där spolens individuella lindningar är separerade från varandra med distanser. "Detta trick minskar avsevärt växelströmsförlusten i spolen, " säger Christoph Utschick. "Som ett resultat, kraftöverföring så hög som kilowattområdet är möjligt."

Optimering med analytiska och numeriska simuleringar

Teamet valde en spolediameter för sin prototyp som resulterade i en högre effekttäthet än vad som är möjligt i kommersiellt tillgängliga system. "Grundtanken med supraledande spolar är att uppnå lägsta möjliga växelströmsresistans inom minsta möjliga lindningsutrymme och därmed kompensera för den minskade geometriska kopplingen, säger Utschick.

Detta uppmanade forskarna att lösa en grundläggande konflikt. Om de gjorde avståndet mellan lindningarna på den supraledande spolen litet, spolen skulle vara mycket kompakt, men det skulle finnas en risk för supraledningskollaps under drift. Större separationer skulle å andra sidan resultera i lägre effekttäthet.

"Vi optimerade avståndet mellan de individuella lindningarna med hjälp av analytiska och numeriska simuleringar, ", säger Utschick. "Separationen är ungefär lika med halva bredden på bandledaren." Forskarna vill nu arbeta med att ytterligare öka mängden sändbar effekt.

Spännande applikationsområden

Om de lyckas, dörren kommer att öppnas för ett stort antal mycket intressanta applikationsområden, till exempel användning inom industriell robotik, autonoma transportfordon och högteknologisk medicinsk utrustning. Utschick tänker sig till och med elektriska racingfordon som kan laddas dynamiskt på racerbanan, samt autonoma elektriska flygplan.

Storskalig tillämpning av systemet står fortfarande inför ett hinder, dock. Spolarna kräver konstant kylning med flytande kväve, och kylkärlen som används kan inte vara gjorda av metall. Väggarna i metallkärl skulle annars värmas upp avsevärt i magnetfältet, ungefär som en gryta gör på en induktionsspis.

"Det finns ännu ingen kryostat som denna som är kommersiellt tillgänglig. Detta kommer att innebära en omfattande mängd ytterligare utvecklingsinsatser, säger Rudolf Gross, Professor i teknisk fysik vid Münchens tekniska universitet och chef för Walther-Meissner-institutet vid Bayerska akademin för vetenskaper och humaniora. "Men resultaten fram till nu representerar stora framsteg för kontaktlös kraftöverföring vid höga effektnivåer."