Dezember 2012

Spulen zur drahtlosen Energieübertragung

Smart Charging für unterwegs

Das hat uns allen noch gefehlt: Drahtloses Laden soll die mobile Elektronik nun endlich von Kabeln unabhängig machen. Dafür hat TDK extrem flache Übertragerspulen entwickelt, die selbst anspruchsvollste Qi-Spezifikationen des Wireless Power Consortiums erfüllen.

Die Übertragung von elektrischer Energie ohne Kabel und Steckverbinder ist bereits weit verbreitet und hat sich bei vielen Produkten wie elektrischen Zahnbürsten, LED-Kerzen, Fernbedienungen, medizinischen Geräten oder Induktionskochfeldern bewährt. Die kabellose Technologie hat bei diesen Anwendungen längst bewiesen, dass sie zuverlässig und komfortabel ist. Allerdings waren die drahtlosen Ladesysteme bisher auf bestimmte Produkte beschränkt und konnten nicht universell für eine breite Palette von Geräten unterschiedlicher Größen und Formen verwendet werden. Heute jedoch erwarten die Nutzer von Ladestationen jedoch, dass sie sich für sämtliche Produkte aller Hersteller gleichermaßen eignen und auch noch bei Modellen der nächsten Gerätegeneration funktionieren.
Künftig werden Nutzer ihre mobilen Geräte verwenden können, ohne sich groß Gedanken über deren Ladezustand machen zu müssen. Fast überall sollen in absehbarer Zeit universelle drahtlose Ladestationen zur Verfügung stehen. Gegenwärtig engagieren sich mehr als 120 Unternehmen auf der ganzen Welt im Wireless Power Consortium (WPC), um die Standardisierung der drahtlosen Energieübertragung zu ermöglichen und zu fördern. TDK hat auf Grundlage der anspruchsvollen Qi-Spezifikation des WPC neue, extrem flache Spulen zur drahtlosen Energieübertragung entwickelt, die das standardisierte drahtlose Laden von mobiler Elektronik ermöglichen. Nach den Vorstellungen von TDK wird jedes Gerät, das die WPC-Spezifikationen einhält, auf einer extrem flachen Platte geladen werden können. Damit könnte so gut wie überall eine einfach zu nutzende Ladeplattform zur Verfügung stehen.

Grundlagen der drahtlosen Energieübertragung
Die elektromagnetische Induktion ist die am weitesten verbreitete Methode zur drahtlosen Übertragung elektrischer Energie. Sie basiert auf dem Prinzip der Übertragung und Umwandlung des magnetischen Flusses (Abbildung 1). Dabei wird die magnetische Energie von einer Primärspule (Tx-Spule) durch elektromagnetische Induktion zu einer Sekundärspule (Rx-Spule) übertragen.

Abbildung 1: Prinzip des drahtlosen Ladens von mobilen Geräten


Die Übertragung von Energie mit Hilfe der elektromagnetischen Induktion ermöglicht das drahtlose Aufladen von Geräten unterschiedlicher Größen und Formen. Ein universelles System erfordert Sende- (Tx) und Empfangsspulen (Rx), die im Hinblick auf die Anzahl ihrer Windungen und ihrer Gesamtgeometrie kompatibel sind.


Die technische Herausforderung für eine möglichst effiziente Energieübertragung besteht beim drahtlosen Aufladen in der optimalen Ausrichtung der Tx- und Rx-Spulen. Mechanische Positionierhilfen, wie Gerätehalter oder ähnliche Konstruktionen, mussten vermieden werden, um die Entwicklung universeller Ladeplattformen für Geräte mit unterschiedlichen Abmessungen und Formen zu ermöglichen.
Das WPC-Konsortium hat für eine optimale Ausrichtung der Ladespulen drei Positioniermethoden vorgeschlagen und spezifiziert:

  • Die geführte Positionierung mit einem Magneten in der Mitte der Tx-Spule und einem magnetischen Material in der Mitte der Rx-Spule (Abbildung 2).
  • Die freie Positionierung mit einer beweglichen Tx-Spule, welche die Position der Rx-Spule erkennt.
  • Die freie Positionierung mit selektiver Aktivierung einer einzelnen Tx-Spule aus einer Matrix von vielen Tx-Spulen: dabei wird nur diejenige Tx-Spule aktiviert, die sich in unmittelbarer Nähe der Rx-Spule befindet.


Abbildung 2: Geführte Positionierung mit einem Magneten


Die exakte Ausrichtung der Tx- und Rx-Spule ist Voraussetzung, um eine effiziente Übertragung der magnetischen Energie zu erzielen. Die geführte Positionierung nutzt einen Magneten in der Tx-Spule, um die Rx-Spule in die richtige Position zu ziehen.



Das WPC hat ein Zertifizierungssystem verabschiedet, das das Zusammenwirken der Rx- und Tx-Spulen bei den genannten Positionierungsmethoden prüft. Da die Rx-Spule nur zertifiziert werden kann, wenn sie bei allen Typen von Tx-Spulen ordnungsgemäß funktioniert, hat TDK eine Rx-Spuleneinheit entwickelt, die dem Entwickler eine größtmögliche Flexibilität und Einfachheit in der Anwendung zur Verfügung stellt. Dieses Ziel hat TDK erreicht, indem ein Magnet in der Mitte der Tx-Spule sowie ein magnetisches Material in der Mitte der Rx-Spule integriert wurde.

Abbildung 3: Magnetischer Fluss zwischen Tx- und Rx-Spule


Um bei der geführten Positionierung einen hochfrequenten magnetischen Fluss zu vermeiden, wird eine magnetische Abschirmung für die Rx-Spule benötigt. Das Material und die Dicke des Magnetblechs auf der Rx-Seite müssen so ausgelegt sein, dass der Punkt der magnetischen Sättigung nicht erreicht wird.


Anforderungen an das Magnetblech
Jede Positioniermethode hat Vor- und Nachteile. Während die geführte Positionierung beispielsweise das Design auf der Tx-Seite vereinfacht, muss eine magnetische Abschirmung berücksichtigt werden. Bei einer Rx-Spule für die geführte Positionierung ist eine magnetische Schirmung unverzichtbar, damit ein hochfrequenter magnetischer Fluss von mehr als 100 kHz verhindert wird, welchen die Tx-Spule beim Erreichen des Aluminiumgehäuses des Akkus generiert und der unerwünschte Wirbelströme erzeugt, die in Wärme umgewandelt werden.

Material und Dicke des Magnetblechs auf der Rx-Seite müssen daher so ausgelegt werden, dass keine magnetische Sättigung eintritt. In dem Fall fließt der magnetische Fluss vom Magneten durch das Magnetblech auf der Rx-Seite (Abbildung 3). Daraus ergibt sich die Vormagnetisierungskomponente. Wenn das Magnetblech zu dünn ist, erfolgt eine sättigende Magnetisierung, die bewirkt, dass sich die Induktivität der Spule wesentlich verringert – in diesem Fall ist keine normale drahtlose Energieübertragung möglich. Dieses sehr komplexe Design-Problem hat TDK auf Grundlage seiner umfangreichen Erfahrungen auf diesem Gebiet gelöst. Die Lösung basiert auf Magnetmaterial- und Verfahrenstechnologien sowie auf einem anspruchsvollen Design des Magnetkreises. Zudem ist die umfassende Kompetenz von TDK in der Wicklungsmuster-Technologie und die Erfahrung durch die Fertigung einer breiten Palette von Spulen Basis für diese Entwicklung.


TDK Spulendesign
Die von TDK entwickelten extrem flachen Spulen (Abbildung 4) zum drahtlosen Aufladen erfüllen selbst anspruchsvollste WPC-Vorgaben und halten die beschriebenen Kriterien und Designs ein. Die TDK Rx-Spuleneinheit für Smartphones, die installiert wird, um den magnetischen Fluss zum Aufladen zu empfangen, besitzt ein patentiertes flexibles, dünnes Magnetblech mit einer äußerst geringen Dicke von nur 0,57 mm. Der Ausgangsstrom liegt bei 0,5 A bis 0,6 A. Ein noch dünneres Blech von 0,50 mm Dicke mit einem identischen oder besseren Ausgangsstrom befindet sich bereits in Entwicklung. Das Design für noch flachere Ladestationen von Smartphones rückt damit in greifbare Nähe. Die Serienproduktion solcher Bleche soll im Jahr 2013 beginnen.
Diese Entwicklung belegt die umfassende Kompetenz von TDK auf den Gebieten der magnetischen Materialien und der Verfahrenstechnologie – insbesondere für die Fertigung eines einzigartigen, äußerst dünnen und flexiblen Magnetbleches. Damit ist die Spule nicht nur extrem dünn und leicht, sondern auch äußerst stoßfest, und garantiert somit eine herausragende Zuverlässigkeit. TDK wird auch künftig preiswerte, leistungsstarke und hoch zuverlässige Produkte sowie umfassende Lösungen anbieten, die alle genannten Anforderungen erfüllen und so zur Entwicklung sowie zum breiten Einsatz der drahtlosen Energieübertragung zum Aufladen beitragen.

Abbildung 4: Extrem flache TDK Ladespulen


Die von TDK entwickelten, extrem flachen Spulen zur drahtlosen Energieübertragung erfüllen die anspruchsvollen Spezifikationen des WPC. Die TDK Rx-Spuleneinheit für Smartphones, die installiert wird, um den magnetischen Fluss zum Aufladen zu empfangen, besitzt ein patentiertes flexibles, dünnes Magnetblech mit einer branchenführenden Dicke von nur 0,57 mm.

Künftige Vorteile für Entwickler
Bei der drahtlosen Energieübertragung geht es nicht nur darum, lästige Kabel loszuwerden und mehr Komfort zu erreichen. Sie verändert auch die Art und Weise, wie Hersteller von Mobilgeräten ihre Produkte designen können. Der Wegfall der zum Aufladen benötigten Ladebuchse ist ein großer Schritt in Richtung noch dünnerer Smartphones, die sogar wasser- und staubdicht sein könnten. Solche Geräte dürften dann noch zuverlässiger und robuster sein und würden auch keine gerade Fläche zur Montage der Ladebuchse mehr benötigen.
Darüber hinaus ermöglichen drahtlose Ladeplattformen den Entwicklern, bei ihren Designs noch kleinere Batterien zu verwenden. Die Anwender können das Smartphone ja fortan jederzeit und überall aufladen.

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