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Kapazitive Energie- und Datenübertragung

Neben den weit verbreiteten induktiven Energieübertragungssysteme, kann auch kapazitiv Enegie kontaklos übertragen werden.

Die kontaktlose kapazitive Energieübertragung, kurz kapazitive Energieübertragung, ist vom Funktionsprinzip her betrachtet eine technische Alternative zu der kontaktlosen induktiven Energieübertragung. Entgegen der Nutzung magnetisch gekoppelter Wicklungen für die Energieübertragung, wie bei der induktiven Energieübertragung wird hier das elektrische Feld zwischen mehreren flächigen Elektroden für die Energieübertragung verwendet. Im direkten Vergleich zu der besser etablierten kontaktlosen induktiven Energieübertragung ist die kapazitive Energieübertragung weniger gut geeignet, um Energie über große mechanische Abstände zu übertragen oder um hohe Übertragungsleistungen zu erreichen. Es gibt Anwendungen für eine kontaktlose Übertragung geringer Leistungen bei denen die prinzipbedingten Vorteile kapazitiver Energieübertragung bedeutender sind als die mit ihr verbundenen Einschränkungen, günstige Rahmenbedingungen für den Einsatz kapazitiver Energieübertragung vorausgesetzt.

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Abbildung 1a: Primärseite bzw. Stator im 1 mm PVC Isolierung mit innen eingeklebten Kupfer-Folien.

Diese prinzipbedingen Vorteile und Einschränkungen ergeben sich direkt aus den durch das Funktionsprinzip vorgegebenen Aufbau der eigentlich kapazitiven Übertragungsstrecke.
Allgemein sollte für eine kapazitive Energieübertragung der Abstand zwischen der primärseitigen Quelle und sekundärseitigen Senke bzw. Last sehr klein sein. Die Kapazität des Übertragungspfades verdoppelt sich mit jeder Halbierung des Abstandes zwischen beiden Seiten. Technisch sinnvoll nutzbare Kapazitäten für eine Energieübertragung im Bereich einiger Watt beginnen im Bereich zweistelliger Picofarad, was bei handtellergroßen Flächen für die Elektroden kaum Abstände größer als 1mm ermöglicht.

Bei einigen Anwendungen ist ein solcher geringer Abstand allerdings keine praktische Einschränkung. Beispielsweise wenn die zu versorgende Sekundärseite mechanisch auf der Primärseite aufliegt wie bei Ladeschalen für Mobiltelefone.
Die Vorteile einer kapazitiven Energieübertragung hingegen würden bei dem Beispiel der Mobiltelefon-Ladeeinrichtung zum Tragen kommen. Bei diesem Beispiel ist die praktisch vernachlässigbar geringe Dicke der eigentlichen Übertragungsstrecke aus der Sicht des Produktdesigns ein potenzieller Vorteil. Ein Kunststoffgehäuse vorausgesetzt kann die gesamte Übertragungsstrecke durch zwei Metallisierungen auf dem Gehäuse hergestellt werden. Zusammen mit einer Schutzschicht auf der Geräte-Außenseite ergeben sich typischerweise Schichtdicken von insgesamt einigen 10 μm. Eine vergleichbar dünne induktive Übertragungsstrecke währe technisch kaum realisierbar, beziehungsweise währe durch den mangelnden Kupferquerschnitt hinsichtlich Leistung und Wirkungsgrad deutlich limitiert.

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Abbildung 1b: Sekundärseite bzw. Rotor mit 1 mm PVC Isolierung auf geklebten Kupfer- Folien.

Eine am iew im Rahmen des Forschungsvorhabens FVA 602-I näher untersuchte Anwendung adressiert die kapazitive Energieversorgung von Sensoren zusammen mit einer Datenübertragung, kurz kapazitive Nahfeldtelemetrie. Das hier betrachtete Umfeld in Wälzlagern und Getrieben ist konstruktionsbedingt oft mit dünnen und flächigen Einbauräumen verbunden. Eine Notwendigkeit zur Überbrückung von Abständen größer als ca. 0.5 mm existiert hier in der Regel nicht.
Für den Einsatz von Nahfeldtelemetrie in derartigen Versuchsanordnungen sind eine einfache Fertigung und eine hohe mechanische Belastbarkeit der eigentlichen Übertragungsstrecke entscheidend wichtige Kriterien. Nicht selten ist die Übertragungsstrecken an sich eine Einzelanfertigung für eine bestimmte Versuchsreihe.

Die Bilder 1a (Titelbild) und 1b zeigen die feststehende Primärseite und die auf einer Welle aufgebrachte Sekundärseite einer kapazitiven Übertragungsstrecke, welche im Rahmen des Forschungsvorhabens FVA 602-I zur Demonstration von Übertragungsleistungen im Bereich einstelliger Watt realisiert wurde. Die prinzipbedingt gute Eignung für kleine flächige Einbauräume ist ebenso zu erkennen, wie der technisch einfache und mechanisch belastbare Aufbau.
Naheliegend und technisch sinnvoll ist der Einsatz kapazitiver Energieübertragung bei allen Anwendungen mit einem flächigen Einbauraum sowie moderaten Anforderungen an die Übertragungsleistung.

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Institut für Elektrische Energiewandlung