1-2014

Aus Forschung und Technik
Bild 5: Eine ferromagnetische Nickelbeschichtung verhindert
Proximity-Verluste
Versuchsaufbau, also beispielsweise
in den Gehäusen der Messgeräte.
Deshalb wurde der Prüfling
durch ein Messingrohr abgeschirmt,
das am Ende leitend mit
diesem verbunden als Rückleiter
dient. Der frequenzabhängige
Widerstand des Rohres kann
rechnerisch subtrahiert werden.
Anders als Skin-Verluste können
Proximity-Verluste nicht
direkt gemessen werden. Der
untere Teil (b) in Bild 4 zeigt
den Messaufbau zur Bestimmung
der Proximity-Verluste
in Drähten oder Litzen. Eine
Erregerwicklung erzeugt ein
Magnetfeld im Luftspalt einer
Kombination von vier parallel
geschalteten Ferritkernen. Eine
Referenzmessung ohne Prüfling
bestimmt den Verlustwiderstand
der Messanordnung. Anschließend
werden mehrere Längen
des Prüflings in den Luftspalt
gebracht und der Verlustwiderstand
erneut gemessen. Aus der
Differenz der so gemessenen
Verlustwiderstände können die
Forscher auf den Proximity-Faktor
zurückschließen.
Der Messaufbau führt unter
Berücksichtigung einiger prinzipbedingter
Messfehler zu verlässlichen
Ergebnissen im Frequenzbereich
zwischen 3 kHz
und etwa 8 MHz. Unterhalb
dieses Frequenzbereichs werden
die Proximity-Verluste zu gering,
verglichen mit den Gleichstromverlusten
der Erregerwicklung,
oberhalb von 8 MHz werden
die Kernverluste zu dominant.
Nickelbeschichtung
von Litzen
Da der Proximity-Effekt von der
magnetischen Feldstärke in den
einzelnen Litzeadern abhängt,
könnte eine Abschirmung der
Adern durch eine ferromagnetische
Nickelbeschichtung diese
Verluste vermindern. Eine solche
Beschichtung ist technisch
möglich und wird von einem
Hersteller in Japan gefertigt. Der
Effekt einer Beschichtung wurde
sowohl theoretisch als auch bei
Messungen an Labormustern
von Spulen (siehe Bild 5) untersucht.
Die Forscher konnten eine
Verringerung der Wicklungsverluste
um bis zu einem Drittel
im relevanten Frequenzbereich
nachweisen. Als weiteren Schritt
planen sie, Spulen und Trafos
für höhere Leistungen aus diesen
Litzen zu fertigen, um die
technische Umsetzbarkeit festzustellen.
Optimiertes Design von
Spulen und Schaltnetzteilen
Die an dem Forschungsprojekt
beteiligten Hersteller bedienen
einen weltweiten Kundenkreis.
Die Forschungsarbeiten erlauben
es, spezifischer auf die konkreten
Anforderungen der Auftraggeber
einzugehen. Der ökologische
und volkswirtschaftliche Nutzen,
der mit dem optimierten
Design von Spulen erreicht
werden kann, ist schwer abzuschätzen,
da viele Annahmen
und Unwägbarkeiten einfließen.
Die Forscher äußern sich entsprechend
vorsichtig. Dennoch
geben sie auf Basis statistischer
Daten einige Anhaltspunkte und
kommen zu dem Schluss, dass
allein in Deutschland mehr als
50 Gigawattstunden jährlich eingespart
werden könnten.
Die Menge macht‘s
So finden sich beispielsweise in
nahezu jedem deutschen Haushalt
Fernsehgeräte, Stereoanlagen
oder Computer. Sie verbrauchen
etwa 20% des Haushaltsstroms.
Geht man davon aus,
dass pro Jahr etwa ein Fünftel
der Geräte ausgetauscht wird,
führt ein um einen Prozentpunkt
geringerer Verlust in den
Spulen und Transformatoren zu
einer maximal möglichen Einsparung
von mehr als 30 Gigawattstunden
im ersten Jahr. Dies
entspricht dem Verbrauch von
rund 6.600 Haushalten.
Industrieantriebe verbrauchen
35% der in Deutschland verfügbaren
elektrischen Leistung,
also etwa 180 Terawattstunden.
Umrichter mit Stromzwischenkreis
sind besonders gut für
elektrische Maschinen geeignet,
bei denen Bremsenergie vom
Motor ins Stromnetz zurückgespeist
werden soll. Bessere Spulen
mit höherem Wirkungsgrad
können solche Umrichter attraktiver
machen. Auch wenn die
Einsparungen durch optimierte
Spulen wegen der bereits realisierten
hohen Wirkungsgrade
in diesem Bereich prozentual
geringer ausfallen, ist wegen
der großen Energiemenge mit
erheblichen absoluten Einsparungen
zu rechnen.
Rund 8,6 Terawattstunden
speisten im Jahr 2008 Solaranlagen
ins öffentliche Netz ein.
Die Wirkungsgrade der dazugehörigen
Wechselrichter liegen
je nach Betriebspunkt zwischen
93% und 95%. Bei einer Reduzierung
der Spulen- und Transformatorverluste
um 25% und
einer jährlichen Neuausrüstung
von 20% des aktuellen Bestands
errechnen sich für das erste Jahr
bereits 8,6 Gigawattstunden eingesparter
Energie. ◄
10 hf-praxis 1/2014