Elektrische Induktion?
Hallo zusammen,
ich arbeite aktuell an einem kleinen Hobbyprojekt, bei dem ich versuche, über Induktion Energie von einer Sender- zu einer Empfängerspule zu übertragen. Leider bekomme ich aktuell nur sehr wenig Energie auf die Empfangsseite – gerade genug, um minimale Spannung zu messen, aber nicht genug, um einen Verbraucher (z. B. LED oder kleiner Motor) sinnvoll zu betreiben.
Hier ein paar Eckdaten zu meinem Aufbau:
- Die Spulen bestehen aus 0,4 mm lackiertem Kupferdraht
- Jede Spule hat 20 Wicklungen
- Die Spulen liegen einander gegenüber mit kleinem Abstand (wenige Zentimeter)
- Gespeist wird die Senderspule mit 12 V Gleichstrom, den ich mit einem Oszillator in Wechselstrom umwandle
- Der Verbraucher benötigt ebenfalls 12 V zum Betrieb
- Ich könnte ggf. mehrere Empfangsspulen parallel schalten, um die Leistung zu erhöhen
Mir ist klar, dass es viele Faktoren gibt (Resonanz, Frequenz, Spulengeometrie etc.), aber ich wäre dankbar für praxisnahe Tipps, wie ich bei meinem Setup möglichst viel Energie auf die Empfangsseite bekomme.
Danke schon mal im Voraus!
4 Antworten
Viel Energie übertragen, geht deutlich besser mit einem "geschlossenen Eisenkern", der einen magnetischen Kreis (ohne Luftspalt) bildet. Denn Eisen im Vergleich zu Luft hat einen sehr deutlich geringeren "magnetischen Widerstand", dieser mag. Widerstand ist um den Faktor 1/300 bis 1/10000 kleiner.
In anderen Worten die Luftspule ist um Faktor 300 bis 10000 schlechter im Vergleich zum geschlossenen magnetischen Kreis.
Der geschlossenen magnetische Kreis ist typischerweise ein herkömmlicher Transformator. Energieversorger nutzen große Transformatoren mit geschlossenen magnetischen Kreis häufig in Umspannwerken verwendet.
Hier mehr Information dazu:
https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetische_Permeabilit%C3%A4t
Viel Erfolg!
Die Frage war:
... wie ich bei meinem Setup möglichst viel Energie auf die Empfangsseite bekomme.
somit mein Vorschlag, anstatt Luft einen magnetischen Kreis (ohne Luftspalt) zu bilden, und den magnetischen Widerstand zu reduzieren. Dann wird deutlich mehr Energie übertragen, da die Verluste deutlich geringer sind.
Die Einschränkung, dass es weiterhin Luft sein soll, steht nicht deutlich genug in der Frage. Wenn es weiterhin Luft sein sollte, würde ich mich mal in das Prinzip der induktiven Ladung (von Smartphones) einlesen.
Hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Drahtlose_Energie%C3%BCbertragung
Viel Erfolg!
Du hast hier nicht viel gesagt:
- Welche Abmessungen haben deine Spulen?
- wie sind sie angeordnet?
- welche Frequenz verwendest du?
- wieviel Strom kann dein Generator liefern?
- Welche Spannung legst du an?
ich schätze mal aus dem Bauch, dass deine Spulen etwa 10μH und einen Kopplungsfaktor von 0.25 haben werden.
Wenn du das mit 1kHz 10V speist, bekommst du an einer Sekundärlast von 1 Ohm eine Leistung von etwa 3.5W heraus.
Allerdings: hier fließen primärseitung bereits etwa 100A und ich bezweifle sehr, dass deine Quelle dies hergibt. Wenn deine Quelle nur 1A liefern kann, wird die Sekundärleistung nur etwa 0.1mW betragen.
Das Problem ist: aufgrund der geringen Kopplungsimpedanz geht nahezu der gesamte verfügbare Primärstrom als Magnetisierungsstrom in den Aufbau des Magnetfeldes und kann nicht zur Energieübertragung dienen. Das ist der Grund, warum man Übertrager mit Eisenkernen herstellt. Für Luftspulen solltest du höhere Frequenzen verwenden: bei 100kHz statt 1kHz würdest du bei 1A Primärstrom schon auf immerhin auf etwa 10mW kommen...
Mach dir klar, wie gekoppelte Spulen funktionieren - so ganz trivial ist das nicht: Die Primärseite ist aufgrund der geringen Spulenimpedanzen sehr niederohmig und deshalb wird die Spannung der Quelle vermutlich zusammenbrechen. Hast du Messungen gemacht?
es erinnert mich übrigens sehr an meine Bastelversuche in meiner Jugend, wo ich solche Überlegungen nicht kannte und mich sehr oft wunderte, dass etwas nicht funktioniert. Ich habe da einiges an Lehrgeld in Punkto gescheiterter "Projekte" gezahlt. Heute lache ich über das nur mehr. Es ist aber dennoch gut, wenn du sowas machst, denn da lernst du!
Das ist der Grund, warum man Eisenkerne in Transformatoren verwendet. Luft an sich ist nicht schlimm, die Magnetfelder breiten sich auch in Luft aus. Aber die Magnetfelder verstreuen sich, die Zielspule wird dadurch viel weniger von einem Magnetischen Fluss getroffen.
Die Leistung die man übertragen kann verringert sich im Quadrat zur Entfernung. Gleichzeitig steigen natürlich auch Verluste.
Steigert man die Frequenz, steigt auch die Menge an Leistung die man übertragen kann. Deswegen sind klassiche 50Hz Trafos "gigantisch groß" verglichen mit den Trafos in Schaltnetzteilen die typisch mit 17kHz oder mehr arbeiten.
Du kannst also den Leistungsverlust der Übertragung durch Steigerung der Frequenz zum Teil ausgleichen. Verhindern kannst Du den Verlust aber nicht.
Die Leistung die man übertragen kann verringert sich im Quadrat zur Entfernung.
Na, ich denke, das trifft so bei der Nähe nicht ganz zu, die Magnetfeldstärken sind so nahe nicht linear.
Da gibt es Formeln für. Aber "schlimm" ist jeder Abstand. Das kennt man ja vom Drahtlosen Aufladen von Handys. Schon eine dickere Schutzhülle lässt das Handy beim laden heiß werden und es dauert etwa 4× so lange.
Hier muss man sich also zwischen Drahtlos laden und sicherer Schutzhülle entscheiden.
Je höher die Frequenz, desto mehr Energie kann übertragen werden. Vielleicht macht es Sinn, statt reine Luftspulen jeweils E-Ferritkerne zu nutzen, so, dass die offenen Seiten einander zugewandt sind. Zudem könnte gleiche Resonanzfrequenz beider Spulen mit Hilfe eines Kondensators, so dass sich zwei abgestimmte Schwingkreise ergeben, die Übertragung erheblich verbessern. Es müssten Serienschwingkreise sein.
Habe sowas aber noch nicht selber probiert, daher alles "ohne Garantie" ;-)
Hier ist doch aber "Luft" zwischen den beiden Spulen Voraussetzung, wenn ich das richtig lese. Soll ja eben kein "üblicher Trafo" sein.