Berührungslose Energieversorgung

Leitungsgebundene Energieversorgung ist für viele Bereiche mit hohem Energiebedarf unverzichtbar. Moderne Sensoren, Kleinantriebe und kleine Schaltungen sind aber heute dank MOSFET-Technik und verlustarmer Bauteile sehr effizient. Sie kommen mit "Höchst"-Leistungen im dreistelligen Milliwattbereich problemlos aus. Diese Energie können Batterien und Akkus zwar liefern, jedoch ist die Baugröße der Speicher dann meist um ein Vielfaches größer als die eigentliche Nutzlast. Auch sind im Dauerbetrieb über lange Zeiträume galvanische Primär- und Sekundärelemente nicht sicher, sie sind einfach zu schnell verbraucht oder gealtert. Per Radio­wellen übertragene Energie lässt einen Großteil der eingesetzten Energie nutzlos und oft noch störend in die Umgebung entweichen, zudem kann sie keine Energie in faradaysche Käfige übertragen – und das sind alle technischen Geräte mit Metallhülle. Induktive Systeme wiederum funktionieren nur bei recht eng definiertem Spulenabstand und sind so in der Reichweite begrenzt. Ein neues Verfahren der Triple Sensor Technologies GmbH (TST) aus Jena umgeht die Begrenzung der bekannten chemischen und physikalischen Energiespeicher und Übertragungsverfahren.

Bewegung transferieren

Das neue patentierte Verfahren beruht auf der magnetischen Übertragung einer Rotationsbewegung von einem Erzeuger zu einem Empfänger. Im Empfänger, dem Generatormodul, wird diese Rotationsbewegung dann in Elektrizität umgewandelt. Erfinder Dr. Lausch von Triple Sensor Technologies GmbH (TST) stellt dabei die besonderen Vorteile der neuen Lösung heraus: "Das Sendermodul ist sehr kompakt und kann z. B. für medizinische Implantate problemlos am Gürtel getragen werden. Die effektive Reichweite be­trägt trotzdem rund 50 cm, Abstrahlverluste auch im Leerlauf, wie bei Radiowellen, treten nicht auf, da nur bei Energieentnahme vom Empfänger der Sender diese nachliefern muss. Zudem ist der Generatorteil bei beweglichen Sonden leicht zu orten." Die momentan zur Verfügung stehenden mobilen Empfangsmodule mit 10 x 12 mm (Durchmesser, Länge) erlauben eine Energieübertragung von bis zu 100 mW. Um dem Sendermodul möglichst kompakte Abmessungen geben zu können, arbeitet der Hersteller mit dem Kleinantriebsspezialisten FAULHABER zusammen. Angepasste Standardprodukte bieten dabei die entsprechend der Anforderung skalierte Leistung und – ebenfalls sehr wichtig – die nötige kompakte, leicht programmierbare Ansteuerung.

Am Gürtel: Effizienz von der Stange

Aus der Vielfalt der Kleinantriebe von FAULHABER trafen die Jenaer Ingenieure ihre Wahl. Da bei universellem Einsatz sowohl Dauerbetrieb wie auch kurzzeitiger Energiebedarf gefragt war, setzten sie auf verschleißfreie EC-Motoren mit 20 mm Außendurchmesser bei 60 mm Länge. Konstruktionsbedingt sind bei diesen die Lager des Rotors die einzigen mechanischen Verschleißteile. Ausgesuchte Materialien für die Kugellager sowie spezielle Schmierstoffe erlauben dabei hohe Drehzahlen und eine Lebensdauer von mehreren zehntausend Stunden. Trotz kompakter Abmessungen leisten die Kleinantriebe Großes. Sie können kurzfristig zum Start deutlich über ihr Dauerdrehmoment hinaus belastet werden – ein wesentlicher Vorteil. So kann das Transfermodul sowohl über lange Zeiträume hinweg kontinuierlich Energie übertragen als auch bei Bedarf nur kurzzeitig Energie quasi auf Abruf bereitstellen. Damit lassen sich verschluckbare Kapseln ebenso mit Energie versorgen, wie im Körper installierte Dosiersysteme oder hermetisch verschlossene Sensoren in technischen Anlagen, welche nur bei Bedarf z. B. zur Parameter­abfrage mit Energie versorgt werden müssen. Um das Herz des Transfermoduls, den EC-Motor, zu steuern, setzen die Entwickler auf kompakte Speed Controller mit nur 34 x 25 x 14 mm (B x H x T) Baugröße. Zusammen mit der Bediensoftware Motion Manager kann so für jeden Einzelfall schnell und preiswert optimal parametriert werden.

Innere Werte

Natürlich beschränkt sich der Einsatz der Kleinstantriebe nicht nur auf das äußere Transfermodul. Auch für den Einsatz auf der Generatorseite eignen sich Kleinantriebe hervorragend. Je nach Aufgabe kann das Energiemodul auch auf den Leis­tungsbedarf diverser Kleinmotoren für den mobilen Einsatz abgestimmt werden. Auch hier bietet das große Produktprogramm den Entwicklern eine breite Basis für optimale Lösungen. Ob EC- oder DC-Motor, von 12 und 10 mm Durchmesser über 6-mm-Varianten bis hinab zu nur 1,9 mm Durchmesser reicht die Bandbreite. Natürlich können auch flache penny-Motoren oder nicht mechanische Nutzlasten wie Sensoren mobil versorgt werden. Für fast jede mechanische Aufgabenstellung steht so ein passender, berührungslos mit Energie versorgter Antrieb bereit, kleinere Anpassungen sind dabei problemlos möglich. Das neue Energieübertragungsprinzip erlaubt erstmals eine relativ weitreichende und effiziente berührungslose Energieübertragung. Kompakt aufgebaut aus Standardkomponenten wie Kleinmotoren und Motion Controller. Sowohl das Energiesende- wie das Empfängermodul ist entsprechenden Anforderungen angepasst, in der Leistung skalierbar. Auch hier profitiert der Hersteller von der großen Produktvielfalt bei den Kleinantrieben.

Ein EC-Motor treibt im Transfermodul einen Magnet in einer speziellen Halterung an. Im Leerlauf muss der Antrieb dabei nur die Reibungs­verluste der Lager aufbringen; er verbraucht keine weitere Energie. Wird nun ein Energiemodul in den näherungsweise kugelförmigen Übertragungsraum eingebracht, so koppelt dort ein kleiner Magnet an die wechselnde Feldliniendichte des Erzeugermagneten. Er wird dadurch selbst in Rotation versetzt und erzeugt nun in sinnvoll angebrachten Spulen eine Spannung. Diese Spannung steht nun für die Nutzlast bereit, so lange das äußere Drehfeld den Generator an­regt. Die sekundärseitig entnommene Energie bremst naturgemäß das äußere Magnetfeld des Transfermoduls ab; die verbrauchte Energie muss vom Antriebsmotor des äußeren Moduls nachgeliefert werden, um die Magnetdrehzahl beizubehalten. Durch den Einsatz einer magnetischen Kopplung lässt sich die Energie durch alle nichtmagnetischen Materialien übertragen. Auch biologisches Gewebe, Kunststoff, Buntmetalle, Titan oder amagnetische Edelstahlhüllen sind kein Hindernis. Daher eignet sich das Verfahren für zahlreiche medizinische und technische Anwendungen.