Berührungslos zu neuer Energie

„Mit unserem neuen, patentierten Verfahren lässt sich Energie auf Basis der magnetischen Übertragung einer Rotationsbewegung von einem Erzeuger zu einem Empfänger transferieren“, berichtet Dr. Holger Lausch, Geschäftsführer der Jenaer Triple Sensor Technologies GmbH. Im Empfänger, dem Generator- oder Energiemodul, werde diese Rotationsbewegung dann in Elektrizität umgewandelt (siehe Kasten „So funktioniert die magnetische Kopplung“). „Das Sender- oder Transfermodul ist sehr kompakt und kann beispielsweise für medizinische Implantate problemlos am Gürtel getragen werden.“ Die effektive Reichweite betrage dennoch rund 50 cm, Abstrahlverluste auch im Leerlauf – wie bei Radiowellen – träten nicht auf, da nur bei Energieentnahme vom Empfänger der Sender diese nachliefern müsse. „Zudem ist der Generatorteil bei beweglichen Sonden leicht zu orten.“

Die momentan zur Verfügung stehenden mobilen Empfangsmodule sind 12 mm lang bei einem Durchmesser von 10 mm. Sie erlauben eine Energieübertragung von bis zu 100 mW. Um auch das Sendermodul möglichst kompakt zu halten, wandten sich die Jenaer an die Schönaicher Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG als Spezialistin für Kleinantriebe. Deren angepasste Standardprodukte bieten die entsprechend der Anforderung skalierte Leistung und – ebenfalls sehr wichtig – die nötige kompakte und leicht programmierbare Ansteuerung.

Da bei universellem Einsatz sowohl Dauerbetrieb wie auch kurzzeitiger Energietransfer gefragt sind, setzt Triple Sensor auf praktisch verschleißfreie EC-Motoren mit 40 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 bieten die Kleinantriebe eine hohe Leistung. Sie können kurzfristig zum Start deutlich über ihr Dauerdrehmoment hinaus belastet werden. Auf diese Weise kann das Transfermodul sowohl über lange Zeiträume hinweg kontinuierlich Energie übertragen als auch bei Bedarf nur kurzzeitig Energie quasi auf Abruf bereitstellen. So lassen sich verschluckbare Kapseln ebenso mit Energie versorgen wie im Körper installierte Dosiersysteme oder hermetisch verschlossene Sensoren in technischen Anlagen, die nur bei Bedarf – etwa zur Parameterabfrage – mit Energie versorgt werden müssen.

EC-Motoren punkten mit langer Lebensdauer

Um das Herz des Transfermoduls, den EC-Motor, zu steuern, nutzen die Entwickler kompakte Motioncontroller, die nur 34 mm breit, 25 mm hoch und 14 mm tief sind. Zusammen mit der Bediensoftware Motionmanager lässt sich so für jeden Einzelfall schnell und preiswert die Parametrierung anpassen.

Die Kleinantriebe eignen sich darüber hinaus auch für den Einsatz auf der Generatorseite. Je nach Aufgabe kann das Energiemodul auch auf den Leistungsbedarf diverser Kleinmotoren für den mobilen Einsatz abgestimmt werden. Auch hier bietet das breite Produktprogramm der Schönaicher den Entwicklern eine Basis für exakt abgestimmte Lösungen, seien es EC- oder DC-Motoren mit 12, 10, 6 oder nur 1,6 mm Durchmesser. Zudem lassen sich auch flache Penny-Motoren oder nicht mechanische Nutzlasten wie Sensoren mobil oder zur Datenabfrage kurzzeitig mit Energie versorgen.

Aufgebaut aus Standardkomponenten wie Kleinmotoren und Motioncontrollern, sind die Bauteile sehr kompakt. Sowohl das Energiesende- wie das Empfängermodul lassen sich den Anforderungen entsprechend in der Leistung skalieren. Das neue Energieübertragungsprinzip erlaubt auf diese Weise eine relativ weit reichende und effiziente berührungslose Energieübertragung. Denn eine leitungsgebundene Energieversorgung ist für viele Bereiche mit hohem Energiebedarf unverzichtbar.

Moderne Sensoren, Kleinantriebe und kleine Schaltungen sind zwar heute dank Mosfet-Technik und energiesparender Bauteile sehr effizient. Das Problem dabei ist aber: Die erforderliche Energie können Batterien und Akkus zwar liefern, aber die Baugröße der Speicher ist dann meist um ein Vielfaches größer als die eigentlich zu versorgende Einheit. Zudem sind im Dauerbetrieb über lange Zeiträume galvanische Primär- und Sekundärelemente nicht sicher, weil sie einfach zu schnell verbraucht werden oder altern.

Alternative Verfahren zur Energieübertragung besitzen andere Nachteile. Per Radiowellen übertragene Energie lässt einen Großteil der eingesetzten Energie nutzlos und oft noch störend in die Umgebung entweichen, zudem lässt sich damit keine Energie in Faraday´sche Käfige übertragen – also alle technischen Geräte mit Metallhülle. Induktive Systeme wiederum funktionieren nur bei recht eng definiertem Spulenabstand sowie genauer Ausrichtung und sind so in der Reichweite begrenzt.

Andreas Zeiff und Dietrich Homburg Redaktionsbüro Stutensee

Weitere Informationen www.faulhaber-group.com

Ein EC-Motor treibt im Transfermodul (Sendermodul) einen Magneten in einer speziellen Halterung an. Im Leerlauf muss der Antrieb dabei nur die Reibungsverluste der Lager ausgleichen, verbraucht also nur wenig Energie. Bewegt der Anwender nun ein Energiemodul (Generatormodul) in den näherungsweise kugelförmigen Übertragungsraum, koppelt sich in diesem ein kleiner Magnet an das wechselnde Magnetfeld des Erzeugermagneten an – und wird dadurch in Rotation versetzt. Auf diese Weise erzeugt er nun in sinnvoll angebrachten Spulen einen Strom, der für eine Nutzlast bereitsteht, solange das äußere Drehfeld den Generator anregt. Die sekundärseitig entnommene Energie belastet naturgemäß das Gesamtsystem, so dass die verbrauchte Energie über den Antriebsmotor des Transfermoduls primärseitig nachgeliefert werden muss. Durch den Einsatz dieser magnetischen Kopplung lässt sich die Energie durch alle nichtmagnetischen Materialien hindurch übertragen. Auch biologisches Gewebe, Kunststoff, Buntmetalle, Titan oder nicht-magnetische Edelstahlhüllen sind kein Hindernis. Daher eignet sich das Verfahren für zahlreiche medizinische und technische Anwendungen.