Fakulta elektrotechnická Západočeské univerzity v Plzni získala na podzim loňského roku nový patent v oblasti bezkontaktního přenosu elektrické energie. Unikátní technologii lze využít zejména v online diagnostice točivých elektrických strojů. „Tímto způsobem můžeme například bezdrátově napájet měřicí elektroniku umístěnou na rotoru stroje, a monitorovat tak jeho technický stav,“ vysvětlují spoluautoři patentu Vladimír Kindl a Tomáš Kavalír a hned na začátek doplňují, že na projektu spolupracovali se svými kolegy Pavlem Turjanicou, Martinem Zavřelem, Lukášem Pušmanem, Luďkem Elisem, Michalem Křížkem a Pavlem Drábkem.
Technologie pro bezdrátový přenos elektrické energie jsou známy a v posledních 10 letech se už také intenzivněji používají. V čem je tedy váš patent výjimečný? Tomáš Kavalír: Bezdrátovými technologiemi přenosu elektrické energie se na ZČU zabýváme od roku 2013 a jedním z málo probádaných směrů byl dynamický přenos elektrické energie na pohybující se části strojů. Na rozdíl od konvenčních systémů, které využívají velmi těsnou magnetickou vazbu, náš systém dokáže pracovat i na relativně velké vzdálenosti až desítek centimetrů. Například bezdrátové napájení mobilních telefonů funguje jen na vzdálenosti několika mm. Máme patentována dvě řešení: axiál-ní a radiální. V axiálním případě jde o dva disky orientované proti sobě (vysílací a přijímací), které jsou umístěny v ose hřídele. V radiálním případě se naopak jedná o pásek geometricky optimalizovaných antén, kde každá z nich je připojena k vysokofrekvenčnímu usměrňovači s impedančním přizpůsobením. Všechny usměrňovače jsou vzájemně propojeny stejnosměrnou sběrnicí, ze které je napájena měřicí elektronika. Vysílací anténa je připojena k výkonovému zesilovači s modulátorem. Pásky lze nastříhat podle průměru nosné struktury zařízení a použít je prakticky na jakékoliv zařízení.
Systém je primárně určen k napájení senzorů umístěných na rotujících zařízení a pracuje v ISM pásmu 27 MHz; proč? Vladimír Kindl: Náš patent nevyužívá klasické těsné magnetické vazby, ale tzv. dynamické vazby pracující v rezonanci a na vysokém kmitočtu v pásmu ISM (Industrial, Scientific and Medical). V tomto relativně úzkém kmitočtovém pásmu jsou příznivější limity z hlediska vyzařování elektromagnetického pole. Funguje zde například i lékařská elektronika, svářečky plastů nebo třeba bezlicenční komunikace (občanské radiostanice).
Jaká je účinnost přenosu elektrické energie u vámi patentovaného řešení? Tomáš Kavalír: Moderní výkonové systémy pro bezdrátový přenos elektrické energie s potenciálním využitím v oblasti elektromobility dnes dosahují velmi vysoké celkové účinnosti včetně uvažované výkonové elektroniky (střídač, usměrňovač a další) až na hranici 97 %. Primárním cílem námi vyvinutého řešení je však dodávka elektrické energie pro potřeby napájení nízkoodběrové elektroniky (umístěné například na rotoru), jejíž příkon je v řádu jednotek wattů, proto zde nevadí ani nižší celková přenosová účinnost inovativního vysokofrekvenčního systému v řádu nižších desítek procent. Nižší účinnost je zde způsobena zejména relativně volnou dynamickou vazbou soustavy antén, kompromisním nastavením impedančního přizpůsobení a pracovní třídou vysokofrekvenčního zesilovače (vysílače).
Kde se s vaším systémem můžeme setkat? Vladimír Kindl: Náš patent se dá aplikovat v oblasti točivých elektrických strojů pro napájení měřicí elektroniky určené k online monitoringu a dlouhodobého sběru dat z rotoru, tedy například teplot, mechanického namáhání a mnoho dalších elektrických i neelektrických veličin. Ze změřených dat se dá vypozorovat zhoršující se technický stav sledovaného zařízení a predikovat tím blížící se poruchu klíčových uzlů systému. Je tak možné plánovat včasný servisní zásah a šetřit náklady při řešení odstávky systému vlivem neočekávané poruchy. Další možné využití našeho patentu může být v oblasti obnovitelných zdrojů elektrické energie (větrné elektrárny), kde je přínosné sledovat pomocí optovláknových senzorů mechanické pnutí lopatek, což umožní včas odhalit skryté provozní vady kompozitních konstrukcí. V současné době spolupracujeme na podobném vědecko-výzkumném projektu se společností Tes Vsetín, která vyrábí elektrické stroje. Naším cílem je navrhnout novou generaci synchronních generátorů s permanentními magnety využívající online diagnostiky v souladu s principy Průmyslu 4.0 včetně implementace umělé inteligence pro analýzu dat.
Hovořil jste o monitoringu rotujících součástí, jak konkrétně instalace zařízení probíhá a jaká data lze sbírat? Tomáš Kavalír: Na rotující část umístíme flexibilní pásek s přijímacími anténami a elektronickou jednotku pro sběr dat s oboustranným komunikačním kanálem. Konkrétní topologie je odvozena od požadovaných provozních parametrů testovaného zařízení, tedy rozměrů, konstrukčních materiálů, měřených veličin. Díky vysoké modularitě je možné naše řešení snadno integrovat i do stávajících technologií.
Využíváte při analýzách získaných dat například umělou inteligenci? Vladimír Kindl: Tímto problémem se u nás seriózně zabývají jiné výzkumné týmy a naším úkolem bylo data akumulovat a filtrovat. Proto jsme si k tomu vytvořili specializovaný jednoúčelový software, abychom získaná data mohli zaznamenávat a zobrazovat.
V oblasti bezkontaktního přenosu elektrické energie se zabýváte i jinými projekty. O čem jsou? Vladimír Kindl: V rámci ZČU FEL/ /RICE (Research and innovation centre for electrical engineering) řešíme bezdrátové systémy na třech základních výkonových úrovních. Do první řadíme tzv. mikrosystémy (řádově do 1 W), u nichž využíváme vazební prvky o velmi malých rozměrech (jednotky cm2). Jedno z možných využití je např. napájení senzoriky v inteligentních hasičských oblecích, které jsou mimo jiné na RICE též vyvíjeny. V současné době máme tuto technologii implementovanou do části výstroje tohoto obleku, kde zajišťuje nabíjení integrovaného akumulátoru. Hasič může zasahovat i v extrémních podmínkách, jako je výbušné prostředí či práce pod vodou apod. Je proto nutné eliminovat veškeré kontaktní vývody a zamezit porušení integrity materiálu hasičského obleku. Do druhé kategorie řadíme systémy středních výkonů (orientačně 1—100 W), kam řadíme námi patentovaný systém přenosu elektrické energie na rotující části strojů při statickém i dynamickém nabíjení a nabíjení drobné spotřební elektroniky. Třetí kategorií jsou výkonové systémy (orientačně 100 W — 60 kW), které můžeme využít v oblasti elektromobility nebo pro elektrické invalidní vozíky. Tato problematika už ale nesouvisí s patentem. Tam se snažíme spíše zdokonalovat to, co už je známé. Tomáš Kavalír: Další možnou aplikací je systém bezdrátového napájení specializovaného ručního nářadí pro složky integrovaného záchranného systému. V současné době se začínají používat například vyprošťovací hydraulické nůžky s bateriovým napájením, jejichž hlavním problémem jsou elektrické kontakty, které omezují využitelnost nářadí jen na určité klimatické podmínky a zásadním způsobem ovlivňují jejich spolehlivost. V rámci aktuálně řešeného vědecko- výzkumného projektu se společností Bech Akku Power, podpořeného TA ČR, spolupracujeme na vývoji bezdrátově nabíjeného bateriového nářadí s vysokým krytím IP.
Když se podíváme na třetí oblast, jakým způsobem technologii přenosu zdokonalujete? Vladimír Kindl: Jak bylo zmíněno výše, třetí řešenou oblastí na našem pracovišti jsou výkonové bezdrátové systémy s potenciálním využitím v oblasti elektromobility pro nabíjení palubních akumulátorů elektrických vozidel. Přínosem tohoto řešení je především zvýšená bezpečnost díky galvanickému oddělení paluby vozidla od distribuční sítě, takže nemůže tak dojít k úrazu elektrickým proudem. S bezpečností také souvisí přísné hygienické limity (ICNIRP 2010 a IEEE StdC95.1a 2010) z hlediska povolených úrovní elektromagnetického pole, které při návrhu musíme zohlednit. V prostoru mezi vazebními elementy toto pole dosahuje velmi vysokých hodnot, a proto musíme zamezit jeho interakci s cizími objekty, ať už živými, nebo neživými. Z tohoto důvodu jsou všechny naše navrhované prototypy vybaveny systémy FOD (Foreign Object Detection), které v případě detekce cizího objektu zajistí bezpečné odstavení celého systému. Náš současný prototyp bezdrátového přenosu elektrické energie pracuje v souladu se standardem SAE TIR J2954 na frekvenci 85 kHz a umožňuje přenášet výkon 60 kW s účinností celého přenosového řetězce vyšší než 96 %. Tyto parametry jsou srovnatelné s kontaktním nabíjením. Co všechno lze v rámci výzkumu na výkonových bezdrátových systémech optimalizovat? Vladimír Kindl: Hlavní podíl na takto vysoké účinnosti mají kromě kvality výkonové elektroniky samotné parametry vazebních elementů. Klíčové je jejich provedení, použité materiály a geometrie, které zásadně ovlivňují tvar elektromagnetického pole a výsledný činitel vazby. Optimalizaci provádíme s využitím moderních výpočtových metod, jako je například metoda konečných prvků či konečných objemů pomocí 3D simulací. S využitím tzv. virtual prototypingu je možné zásadním způsobem zlepšit dosažitelné parametry a zkrátit dobu vývoje.
Můžete přiblížit, jak konkrétně vaše práce vypadá, respektive jaké kroky jsou součástí výzkumu? Tomáš Kavalír: Navrhované řešení nejdříve detailně matematicky popíšeme, získáme tak dobrou představu o tom, jak se bude systém chovat a jaký vliv má změna jednotlivých parametrů. Pomocí sofistikovaného softwaru si následně navrhneme geometrii cívek a nasimulujeme magnetické pole v jejich okolí. Pro hlubší analýzu můžeme dále provést parametrické či optimalizační výpočty. Můžeme tak navrhnout elektromagnetické stínění například v podobě feritových destiček a předběžně spočítat elektromagnetické pole vyzařované do okolí. Obrovskou výhodou těchto počítačových simulací a modelů je to, že už nejsme odkázáni pouze na stavby prototypů, což výzkum urychluje a zlevňuje.
Když se podíváme do blízké budoucnosti, jaké by mohly být ještě konkrétní aplikace bezdrátového nabíjení akumulátorů? Vladimír Kindl: Zkuste si představit, že například v každé zastávce elektrobusu MHD bude v zemi instalovaný bezdrátový nabíjecí systém a po dobu nastupování a vystupování pasažérů se bude elektrobus dobíjet. Značně se tím sníží hmotnost potřebné baterie, kterou s sebou musí vozit, a minimalizuje se čas na dobití v konečných stanicích. V konečném důsledku tak budou nejen levnější, ale i ekologičtější. Další ze zajímavých projektů, na kterém spolupracujeme, je kompenzace teplotní dilatace velkého obráběcího vřetena pro Škoda Machine Tools. Bezdrátový napájecí systém je umístěn uvnitř rotující pinoly délky několika metrů, specializovaný měřicí systém bude mnohabodově měřit jeho průběžný ohřev a tyto změřené údaje bude předávat řídicímu systému. Ten může následně dopočítat, o kolik mikrometrů musí kompenzovat nastavení obráběcího nástroje s ohledem na teplotní profil vřetena a s ním spojené změny jeho délky. Tomáš Kavalír: Zmiňoval jsem projekt, na kterém spolupracujeme se společností Bech Akku Power. Naše spolupráce je také příslibem do budoucna. Pokud bude úspěšná, technologie se velmi rychle rozšíří i do oblastí běžného bateriového nářadí. Další potenciálně zajímavou aplikací je možnost nabíjení kardiostimulátorů, jejichž životnost závisí na tom, jak dlouho funguje jejich baterie. Pacienti musí vždy po určité době po voperování prvního implantátu podstoupit další zákrok, při němž jim je voperován nový přístroj. Do budoucna by toho však mohli být ušetřeni. Vysílací anténu systému bezdrátového napájení jsme schopni tisknout přímo na látku, a vysílač by proto mohl být součástí speciální košile, kterou by člověk s kardiostimulátorem na několik hodin oblékl a přístroj by se mezitím dobil. Zajímavých aplikací pro tuto technologii je každopádně mnoho, a dá se proto očekávat, že se nimi budeme setkávat i v běžném životě čím dál tím častěji.
