Energieübertragung nach Nikola Tesla

Diplomarbeit der 5CEE

HTL Wels 2001/2002

Teslaspulen sind auf verschiedensten Wegen relativ schnell und einfach gebaut.
Die billigste Bauweise ist die geklebte Spule. Der Materialwert ist relativ gering.
Wer Spiralen mit Hilfe des Computers für z.B. ein Layout erzeugen will, dem bieten sich einige gute Programme an. Mit Corel Draw 9.0 oder Mathcad 8.0 lassen sich diese ganz einfach generieren.
Die Formel für eine arithmetische Spirale, welche ja die Teslaspule ist (bei jeder Umdrehung steigt der Umfang um den Abstand a) sieht in der polaren Darstellung wie unten angeführt aus.

Die technische Funktion könnte in der Weise erklärt werden, daß bei Anregung von außen durch Induktion die Ladungsträger einer Flachspule in Bewegung gesetzt werden. Die übertragene Energie äußert sich in Form von kinetischer Energie. Jetzt wird die spiralförmige Flachspule nach innen zu immer enger, die Drahtlänge jeder Windung immer kürzer, so daß die kinetische Energie zwangsläufig zu Gunsten einer Rotationsenergie abnehmen muß. Durch Fliehkraft werden die immer schneller rotierenden Kugelwirbel zu flachen Scheiben und schließlich zu Ringwirbeln auseinandergezogen. Aus den Elektronen werden zunächst leitungsgebundene und schließlich freie Neutrinos. Erstere hat Tesla bei der Eindraht-Übertragungstechnik und letztere bei seiner drahtlosen Energie- Übertragung technisch genutzt. (Konstantin Meyl - Elektromagnetische Umweltverträglichkeit 2)

Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muss ein Spulenpaar auf Resonanz abgestimmt werden. Dazu ist es erforderlich, dass man die Resonanzfrequenz jeder einzelnen Spule überprüft.

Die Messung ist wie folgt durchzuführen:

Der Frequenzgenerator wird an das äußere Ende der Sekundärspule und an die Masse des Oszilloskops angeschlossen (siehe Abb. 1.1.2.-2).
Das eine Ende der Sonde wird an einen Kanal am Oszilloskop angeschlossen, das andere sollte in einem konstanten Abstand zur Kugelelektrode gehalten werden (Abb. 1.1.2.-2).
Nun wird das Frequenzspektrum durchgefahren, bis die Amplitude am Oszilloskop die größte Auslenkung hat.
Es sollten Gegenstände (z.B.: Körper aus Metall), die die Messung beeinflussen könnten, entfernt werden. Man sollte auch darauf achten, dass die Messung stets unter gleichen Bedingungen stattfindet.

Falls die Resonanzfrequenzen der Spulen unterschiedlich sind, korrigiert man diese indem man bei zu hoher Frequenz die Windungszahl der Sekundärwicklung verringert und bei zu niedriger Frequenzen die Windungszahl erhöht.

Durch Versuche mit sechs verschiedenen Spulen beobachteten wir, dass die Resonanzfrequenz bei zunehmender sekundärer Leiterlänge abnimmt. Wenn man sich die Beziehung zwischen Resonanzfrequenz und Leiterlänge genauer betrachtet, ist eine gewisse Gesetzmäßigkeit feststellbar.
(Die Leiterlänge wurde näherungsweise über die mittlere Leiterlänge und die Windungszahl ermittelt)

f_R ... Resonanzfrequenz, gemessen
l ... näherungsweise berechnete Leiterlänge
L_Sek ... gemessene Induktivität
C_Erd ... gemessene Kapazität
f_Rger ... Resonanzfrequenz, gerechnet

Wie aus Diagramm 1.1.3.-1 ersichtlich ist, stellt sich offenbar ein hyperbelartiger Verlauf ein.

Wenn man eine 1/x – Kurve auf diese Funktion legt, wird die Ähnlichkeit der Verläufe sichtbar.

Weiters wurden die Sekundärinduktivität und die Erdkapazität der jeweiligen Spule mit einer R-L-C-Messbrücke bestimmt. Die aus diesen Werten errechnete Resonanzfrequenz f_Rger stimmt über weite Strecken mit den Werten der gemessenen überein. Die Abweichung bei den ersten Punkten lässt sich auf die Messungenauigkeit der R-L-C-Brücke in dem verwendeten, kleinen Messbereich erklären.

Es drängt sich die Vermutung auf, dass die Resonanzfrequenz nicht direkt von der Leiterlänge, sondern von der kapazitiven und induktiven Komponente der Spule selbst abhängt

Der erste Versuch das Demonstrationsset von Prof. Dr.-Ing. K. Meyl auf eine höhere Leistungsstufe zu bringen, war Teslaspulen auf große Platinen zu ätzen. Wir besorgten uns 40 x 40 cm große, doppelseitige Platinen. Weil die Belichtung so großer Platinen in unserer Schule nicht möglich war, verwarfen wir die ersten Pläne, Spiralen mit Hilfe eines Computerprogramms zu erzeugen und diese dann zu ätzen.

 

Wir zeichneten die Spiralen mit einem EDDING in der gewünschten Stärke händisch auf die Platinen. Dazu befestigten wir ein Stäbchen, in der Mitte der Platte. An diesem Stäbchen wurde dann ein dünner Kupferlackdraht angebunden. Am anderen Ende des Drahts, der ca. 20 cm lang war (halbe Platinenseite) bildeten wir eine Schlaufe, in der der EDDING paßte und sich leicht drehen ließ.

Die Fertigung dieser Spulen eignet sich eher nur für einen kleinen Leistungsbereich und hohe Frequenzen (große Spulen werden teuer). Der Leiterquerschnitt eignet sich nicht für hohe Frequenzen, weil dort der Skin-Effekt voll zum tragen kommt.

Obwohl das Spulenpaar gleich gefertigt wurde, war die Resonanzfrequenz der beiden unterschiedlich. Eine Anpassung der Resonanzfrquenz ist aber bei geätzten Spulen beinahe unmöglich, da man die Windungszahl nur sehr schwer ändern kann.

Unsere geätzten Spulen hatten aufgrund ihrer etwas zu kompakten Bauweise eine hohe Resonanzfrequenz. Sie lag bei etwa 6 MHz. Für diesen Frequenzbereich eine geeignete leistungsstarke, oberwellenfreie HF Quelle zu bauen stellte sich als sehr schwierig heraus. Da die Resonanzfrequenz mit steigender Windungszahl abnimmt, mußten neue Spulen her.

Größere Platinen kamen aber nicht mehr in Frage, da diese doch sehr teuer geworden wären. Die Steigung der Spirale verkleinern war auch keine Lösung, weil es dann Probleme mit dem Zeichnen der Spirale und mit dem Kupferquerschnitt gegeben hätte. Außerdem muß die Spannungsfestigkeit der Spule mit steigender Windungszahl auch wachsen, weil sonst Überschläge zwischen einzelnen Leiterbahnen stattfinden könnten.

Herr Prof. Weickinger brachte uns auf die Idee, einfach eine Leitung spiralförmig auf einem Träger aufzukleben.

Es ist nicht schwer, sich vorzustellen, wie man nun diese Spulen herstellt. Stückweise wird der Kleber auf einen geeigneten Träger (z.B. Holz) aufgetragen und die isolierte Leitung (bei uns 1 mm² Litze) aufgeklebt. Besser geeignet wäre aber eine HF-Litze. Dieses Thema behandeln wir ausführlicher in einem anderen Kapitel.

So stellten wir 2 Spulen mit 128 Windungen her. Die Mitte fixierten wir noch mit etwas Heißkleber, um ein abheben der engen Wicklungen dort zu vermeiden. Außerdem löteten wir noch eine Lötstift an die Litze an, um die Verbindung mit der Kugel herzustellen.

Die Einkoppelspule plazierten wir wie beim Demoset auf ca. 3/4 des Gesamtdurchmessers, führten diese aber diesmal nur mit 2 Windungen aus. Durch dieses Verhältnis erhielten wir nun viele neuen faszinierende Effekte, da ja nun unsere Eingangsspannung von 35V auf 2,2 kV hochtransformiert wurde. Nun leuchtet eine Leuchtstofflampe während des Betriebs in der Nähe des Senders und des Empfängers.

Die Plazierung der Primärwicklung beeinflußt den Wirkungsgrad der Übertragung äußerst stark. In den folgenden Punkten werden wir erläutern warum dem so ist.

Wenn wir den Anfang der Sekundärwicklung zum Fundamenterder hielten beobachteten wir einen starken Überschlag. Diese Tatsache stimmte uns zuerst sehr nachdenklich. Wir begannen die Gründe für diesen äußerst starken Überschlag zu untersuchen. Wir gelangten zu der Erkenntnis, dass der Grund für den Überschlag in der Lage der Primärwicklung zu suchen ist.

Durch diese Auskopplung liegt nun eine hohe Spannung an der Verbindungsleitung gegenüber Erde. Auch auf der Auskoppelseite liegt an allen Geräten, die an den Empfänger angeschlossen sind, diese Spannung an. Die Erde ist das Bezugspotential, da beim Sender umgekehrt durch die kapazitive Kopplung praktisch eine Verbindung zur Sekundärspule besteht. Man kann sich das wie die Wicklungsanzapfung wie bei einem Spartrafo vorstellen. Wenn man eine Leuchtstofflampe z.B. in die Nähe des betriebenen Universalmotors oder den Anschlußleitungen der Lämpchen hielt, leuchtete diese hell (Das ist eine einfache Art, die Anwesenheit einer hohen Spannung zu überprüfen).

Um diese Probleme zu verhindern, muss die Ein- bzw. Auskoppelspule dort platziert werden, wo das selbe Potential wie die Erde anzutreffen ist. Um nun die Verbindungsleitung auf Erdpotential zu bringen, muss man die Koppelspule in die Nähe des Potentials der Erdleitung platzieren. Da die Verbindungsleitung an die äußerste Wicklung der Sekundärwicklung angeschlossen wird, ist es sinnvoll, die Koppelspulen dort zu platzieren.

Dadurch sind jetzt die Verbindungsleitung, die Koppelspulen und Erde auf annähernd dem gleichen Potential. So wird nun der Leistungsabfluss über Erde verringert und Lichtbogen auf geerdete Metallteile verhindert. Auch können die Betriebsmittel (Motor, Verbindungsleitung) gefahrlos berührt werden.

Wenn man sich die Patentschriften von Tesla zur Drahtlosen Energieübertragung genauer betrachtet, sind seine Spulen genauso aufgebaut. Anscheinden hat sich Tesla Anfangs mit dem gleichen Problem auseinandergesetzt.

Bei Meyl’schen Demoset sind diese Probleme nicht aufgetreten, da hier mit viel geringeren Spannungen und Leistungen gearbeitet wurde.

Da wir bei "relativ" hohen Frequenzen arbeiteten, wollten wir auch den Einfluss des Skineffektes unter die Lupe nehmen.
Zu diesem Zweck ließen wir uns einen Spulenträger anfertigen, in dessen Nuten wir dann zehn gegeneinander isolierte Einzelleiter einlegen konnten. Die Spulenkörper aus Polystyrolmaterial ließ uns unser Sponsor "Bitter Engineering" bei einer Grazer Firma anfertigen.
An dieser Stelle möchten wir uns für die Unterstützung der Firma "Bitter Engineering & Systemtechnik G.m.b.H." bedanken, die diese kostspielige Investition ermöglicht hat.

Wir erreichten mit diesen Spulen einen Wirkungsgrad von ca. 81%

Primär verwendeten wir wegen des größeren Stromes einen lackisolierten Einzelleiter (1,5 mm²). Erwähnenswert ist außerdem noch, dass man die Windungszahl der Primärwicklung an die Frequenz anpassen muss. Da ansonsten die Impedanz zu groß werden würde und der Leistungsdurchsatz dadurch sinkt.

Unter HF-Litze versteht man eine Litzenleitung, deren Einzelleitungen gegeneinander isoliert sind. In unserem Fall wurde diese Leitung mittels Kupferlackdraht erzeugt.

Der Vorteil dieser Litze gegenüber normalen Litzendrähten ist die Kompensierung des Skin-Effekts. Der Skin-Effekt hat bei einer gewöhnlichen Litzenleitung zur Folge, dass bei höherfrequenten Strömen die Elektronen vom inneren der Leitung in den äußeren Rand der Leitung verdrängt werden. Bei der HF-Litze tritt zwar auch ein Skin-Effekt auf aber in jedem einzelnen Leiter und da diese gegeneinander isoliert sind werden die Elektronen im inneren der Leitung gehalten.

Abb. 1.4.4.-1 Zeigt die Stromverdrängung bei höherfrequenten Strömen in herkömmlichen Litzendrähten, vom Inneren der Leitung nach außen.

Abb. 1.4.4.-2 Zeigt das Verhalten des Stromes bei gegeneinander isolierten Litzen.

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