Новости мира автомобилей

Конструкция подобных систем обычно предполагает использование катушки с магнитным сердечником, изготовленным из магнитомягкого материала. В устройствах небольшой мощности с этой задачей хорошо справляются ферриты, однако при переходе к более производительным установкам именно они начинают ограничивать возможности системы. При высокой мощности ферритовый сердечник достаточно быстро приближается к магнитному насыщению, из-за чего становится сложнее повышать плотность передаваемой энергии. Кроме того, увеличение рабочей частоты сопровождается ростом магнитных потерь, а сильный нагрев приводит к ухудшению характеристик материала. В результате приходится увеличивать размеры катушек и закладывать дополнительный запас, чтобы конструкция могла стабильно работать с требуемой мощностью.

Исследователи провели серию электромагнитных расчетов, после чего проверили полученные результаты экспериментально. В ходе работы выяснилось, что максимально возможная магнитная проницаемость для беспроводной зарядной системы вовсе не является оптимальным вариантом. Слишком высокая проницаемость способна вызвать неравномерное прохождение магнитного потока, что, в свою очередь, повышает вероятность появления локальных зон перегрева и увеличивает утечки магнитного поля. Поэтому вместо традиционного феррита специалисты выбрали нанокристаллический сплав на основе железа. Материал дополнительно подвергли стресс-отжигу, благодаря чему в нем удалось сформировать выраженную магнитную анизотропию, ориентированную вдоль оси.

Именно особенности полученного материала определили дальнейшую архитектуру магнитного сердечника. Его изготовили не в виде цельного элемента, а сформировали из уложенных в блоки лент, ориентированных вдоль катушки. Такой подход позволил эффективнее управлять магнитным потоком и одновременно уменьшить габариты всей конструкции.

Размер разработанного сердечника составил 440×330×4 мм. Таким образом, он оказался примерно в два раза тоньше традиционного решения на основе феррита, при этом обеспечив существенно более высокую плотность мощности. Используя новый сердечник, специалисты собрали полноценную беспроводную зарядную систему мощностью 20 кВт и провели ее испытания. Установка функционировала на частоте 85 кГц при магнитной индукции 0,2 Тл.

Экспериментальные данные оказались весьма показательными. При работе на максимальной выходной мощности общий КПД системы AC-AC достиг 98,51%. При этом эффективность самой катушки связи практически не изменялась при переходе от минимальной к максимальной нагрузке и оставалась почти горизонтальной на всем диапазоне мощности от 1 до 20 кВт.

Что по мощности?

Испытания также продемонстрировали высокую удельную мощность разработанной конструкции. Ее объемная плотность мощности достигла 9,55 кВт/л, причем при расчете учитывались не только катушки и магнитный сердечник, но и компенсационная сеть. Потери энергии непосредственно в нанокристаллическом сердечнике составили лишь 156,53 Вт. Это примерно на 63% меньше показателя, полученного для ферритового варианта. При этом новый материал сохранял стабильные характеристики при нагреве в диапазоне от 25 до 100 °C, что особенно важно для мощных систем беспроводной передачи энергии.

Одним из главных факторов, обеспечивших такой результат, ученые называют подход, который можно описать как «совместное проектирование материала и системы». В данном случае специалисты по материаловедению и электротехнике не решали задачи независимо друг от друга, а одновременно подбирали характеристики материала и параметры всей зарядной системы. Благодаря этому удалось не просто найти замену ферриту, а создать материал и конструкцию, изначально оптимизированные для совместной работы.

Авторы исследования считают, что разработанная технология может получить гораздо более широкое применение, чем автоматические беспроводные зарядные станции для беспилотных электромобилей. Нанокристаллический материал способен стать основой для мощных систем передачи энергии в рельсовом транспорте, промышленных автоматизированных транспортных платформах AGV, низковысотных летательных аппаратах и других областях, где требуется компактная и эффективная беспроводная передача значительных объемов энергии.