Weniger Ferrit, gleiche Leistung beim induktiven Laden
Im Verbundprojekt OptGeoFerrit haben NEOSID und die Universität Stuttgart dreidimensional optimierte Ferritkerne für induktive Ladesysteme entwickelt. Der Materialeinsatz sank um rund 30 Prozent. Ein Prototyp übertrug bei 85 kHz bis zu 22 kW mit mehr als 94 Prozent Wirkungsgrad.
Ferrit als Schlüsselkomponente
Induktive Ladesysteme übertragen elektrische Energie kontaktlos zwischen einer bodenseitigen Sendespule und einer im Fahrzeug installierten Empfangsspule. Ferritstrukturen führen und bündeln das Magnetfeld. Sie beeinflussen die Kopplung zwischen den Spulen, die Energieverluste und die magnetischen Streufelder.
Konventionelle Systeme nutzen überwiegend planare Ferritplatten oder standardisierte Ferritkacheln. Aufgrund ihrer hohen Dichte tragen sie erheblich zum Gewicht und Materialbedarf der Spuleneinheit bei. Besonders auf der Fahrzeugseite wirken sich Masse und Bauraum direkt auf die Systemintegration aus.
Forschungsprojekt von NEOSID und Universität Stuttgart
OptGeoFerrit war ein gemeinsames, öffentlich gefördertes Forschungsprojekt der NEOSID Pemetzrieder GmbH & Co. KG und des Instituts für Elektrische Energiewandlung der Universität Stuttgart. Das Vorhaben lief von Juni 2023 bis Juli 2025.
Der öffentliche Schlussbericht wurde am 9. April 2026 von den beiden Verbundpartnern vorgelegt. NEOSID übernahm dabei die Rolle des Konsortialführers. Der Bericht dokumentiert die Materialuntersuchungen, Simulationsarbeiten, Prototypenentwicklung und Validierung des Gesamtsystems.
Material und Geometrie gemeinsam optimiert
Ziel war die Entwicklung dreidimensionaler Ferritkerne mit einer relativen Permeabilität von mehr als 1.500. Gleichzeitig sollten Gewicht und Materialeinsatz um mindestens 20 Prozent sinken.
Dafür charakterisierte das Projektteam verschiedene MnZn- und NiZn-Ferrite. Untersucht wurden unter anderem Permeabilität, magnetische Sättigung, Verlustleistungsdichte, elektrische Leitfähigkeit und thermische Eigenschaften. Als geeigneter Werkstoff wurde der MnZn-Ferrit F02 identifiziert.
Die Materialdaten wurden in ANSYS Maxwell sowie in PLECS- und MATLAB-Modelle übertragen. Dadurch ließen sich Feldverteilung, Verluste, Temperaturentwicklung, Spulenkopplung und Leistungselektronik gemeinsam betrachten.
Ferritdicke von fünf auf 3,5 Millimeter reduziert
Die simulationsgestützte Optimierung führte zu einer Reduktion der Ferritdicke von fünf auf 3,5 Millimeter. Dadurch sank die Ferritmasse um rund 30 Prozent. Das ursprünglich gesetzte Ziel von mindestens 20 Prozent wurde übertroffen.
Die Geometrie wurde so ausgelegt, dass der magnetische Fluss gezielt geführt und lokale Belastungsspitzen reduziert werden. Ein Segmentierungskonzept berücksichtigt zudem mechanisch besonders beanspruchte Bereiche.
NEOSID entwickelte ein angepasstes Fertigungswerkzeug und stellte Prototypen in zwei Geometrien her. Laut Schlussbericht erreichte das Werkzeug eine Formgenauigkeit von weniger als ±0,05 Millimetern. Anschließend wurden die Kerne in ein vollständiges induktives Übertragungssystem integriert.
22 kW bei 85 kHz validiert
Die Universität Stuttgart entwickelte ein bidirektionales System mit aktivem Gleichrichter. Der Prototyp einer fahrzeugseitigen Spuleneinheit erreichte eine Übertragungsleistung von 22 kW bei einer Betriebsfrequenz von 85 kHz.
Experimentell und in Simulationen wurden Wirkungsgrade von mehr als 94 Prozent nachgewiesen. Die Energieübertragung blieb auch bei seitlichen und vertikalen Spulenversätzen stabil. Gleichzeitig hielt das System die relevanten Grenzwerte für magnetische Streufelder ein.
Die Untersuchungen orientierten sich an den Anforderungen induktiver Fahrzeugladesysteme nach SAE J2954. Der Abschlussbericht nennt zudem die grundsätzliche Kompatibilität mit WPT3/Z3-Systemen.
Neues Verfahren zur Verlustmessung
Ein weiteres Projektergebnis ist ein Messverfahren auf Basis einer Maxwell-Spule. Damit lassen sich magnetische Verluste großer Ferritproben thermokalorisch bestimmen.
Ergänzend untersuchte das Projektteam frequenz- und flussabhängige Verluste sowie die Wärmekapazität der Ferritwerkstoffe. Thermische Tests zeigten, dass bei hoher Aussteuerung eine gezielte Wärmeableitung erforderlich ist. Mit einer passiven Vergusslösung und Wasserkühlung konnte ein stabiler Dauerbetrieb unter 80 Grad Celsius erreicht werden.
Relevanz für Systementwickler
OptGeoFerrit zeigt, dass Ferritstrukturen nicht isoliert als Standardkomponenten ausgelegt werden sollten. Entscheidend ist die gemeinsame Betrachtung von Material, Kerngeometrie, Wicklungsdesign, Leistungselektronik und thermischem Verhalten.
Für Hersteller und Integratoren können daraus geringeres Gewicht, weniger Materialbedarf und eine bessere Anpassung an unterschiedliche Bauräume entstehen. Die entwickelten Methoden lassen sich laut Projektbericht auch auf Mikromobilität, Drohnen, Logistiksysteme, Medizintechnik und industrielle Anwendungen übertragen.
Induktives Ladesystem besprechen
Sie entwickeln ein kontaktloses Energieübertragungssystem und möchten Ferritgeometrie, Materialauswahl oder Spulenauslegung auf Ihre Anwendung abstimmen? Nehmen Sie direkt Kontakt mit NEOSID auf und besprechen Sie die technischen Anforderungen Ihres Projekts.
Weitere Informationen zu OptGeoFerrit und zur induktiven Energieübertragung:
https://neosid.de/loesungen-innovationen/produktloesungen/induktives-laden