Drahtlose Energieübertragungssysteme (WPT) haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt, da sie die Art und Weise, wie wir Geräte aufladen und mit Strom versorgen, revolutionieren können. WPT-Systeme machen physische Verbindungen wie Kabel und Ladegeräte überflüssig, indem sie die Energie drahtlos zwischen einem Sender und einem Empfänger mithilfe von Magnetfeldern übertragen. Weichmagnetische Materialien (SMM) spielen eine entscheidende Rolle für die Effizienz und Leistung von WPT-Systemen, da sie für die Führung und Begrenzung der von der Sendespule erzeugten Magnetfelder auf die Empfängerspule verantwortlich sind. In diesem Artikel werden wir die Bedeutung von weichmagnetischen Materialien in drahtlosen Energieübertragungssystemen, ihre Eigenschaften, Typen und Anwendungen diskutieren.
Die Bedeutung weichmagnetischer Materialien für drahtlose Energieübertragungssysteme
Weichmagnetische Materialien sind wesentliche Komponenten in WPT-Systemen, da sie eine effiziente Leistungsübertragung ermöglichen, indem sie die Verluste minimieren und die magnetische Kopplung zwischen der Sender- und der Empfängerspule maximieren. Die Hauptfunktion von SMMs in WPT-Systemen besteht darin, die von der Sendespule erzeugten Magnetfelder zur Empfängerspule zu leiten und zu begrenzen, um sicherzustellen, dass der Großteil der übertragenen Leistung vom vorgesehenen Gerät empfangen wird.
In WPT-Systemen ist die Effizienz der Leistungsübertragung direkt proportional zum Grad der magnetischen Kopplung zwischen den Spulen von Sender und Empfänger. SMMs tragen dazu bei, ein hohes Maß an magnetischer Kopplung zu erreichen, indem sie die Magnetfelder auf den gewünschten Pfad beschränken und so Streuverluste und Verluste an umgebende Materialien reduzieren. Darüber hinaus minimieren SMMs mit geringen Verlusten die Verlustleistung in Form von Wärme, was für die Aufrechterhaltung einer hohen Systemeffizienz und Gerätesicherheit entscheidend ist.
Eigenschaften von weichmagnetischen Materialien
Die Leistung von weichmagnetischen Materialien in WPT-Systemen wird durch ihre magnetischen und elektrischen Eigenschaften bestimmt. Einige der wichtigsten Eigenschaften, die das Verhalten von SMMs in WPT-Anwendungen beeinflussen, sind:
1. Magnetische Permeabilität: Die Permeabilität ist die Fähigkeit eines Materials, die Bildung von Magnetfeldern zu unterstützen. Materialien mit höherer Permeabilität können stärkere Magnetfelder unterstützen, was zu einer besseren magnetischen Kopplung und einer effizienteren Energieübertragung in WPT-Systemen führt.
2. Magnetischer Verlusttangens: Der Verlusttangens (tan δ) ist ein Maß für die Verluste des Materials aufgrund von Hysterese und Wirbelströmen. Geringere Verlusttangenswerte bedeuten geringere Verluste und eine höhere Effizienz bei WPT-Anwendungen.
3. Sättigungsmagnetisierung: Die Sättigungsmagnetisierung (Ms) ist die maximale Magnetfeldstärke, die ein Material aushalten kann, bevor seine magnetischen Eigenschaften in die Sättigung gehen. Höhere Ms-Werte ermöglichen es SMMs, stärkere Magnetfelder zu unterstützen, was für WPT-Systeme, die mit hoher Leistung arbeiten, von Vorteil sein kann.
4. Elektrischer Widerstand: Der spezifische elektrische Widerstand (ρ) ist ein Maß für den Widerstand eines Materials gegen elektrischen Stromfluss. In WPT-Systemen sind höhere Widerstandswerte wünschenswert, um die Wirbelstromverluste im SMM zu minimieren.
Arten von weichmagnetischen Materialien
Es gibt verschiedene Arten von weichmagnetischen Werkstoffen, die in WPT-Systemen verwendet werden, jeder mit einzigartigen Eigenschaften, die sie für bestimmte Anwendungen geeignet machen. Zu den häufig in WPT-Systemen verwendeten SMMs gehören:
1. Ferrite: Ferrite sind keramische Werkstoffe, die eine hohe Permeabilität und niedrige Verlusttangentenwerte aufweisen, wodurch sie sich für Anwendungen eignen, die geringe Verluste und eine hohe magnetische Kopplung erfordern. Aufgrund ihrer Fähigkeit, starke Magnetfelder zu unterstützen, und ihrer relativ niedrigen Kosten werden Ferrite häufig in induktiven WPT-Systemen eingesetzt.
2. Amorphe Metalle: Amorphe Metalle oder metallische Gläser sind Legierungen mit ungeordneter atomarer Struktur. Sie weisen eine hohe Permeabilität, niedrige Verlusttangentenwerte und eine gute Hochfrequenzleistung auf, wodurch sie sich für hocheffiziente WPT-Systeme eignen, die bei höheren Frequenzen arbeiten. Allerdings sind sie in der Regel teurer als Ferrite und andere SMMs.
3. Weichmagnetisch