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Sensorik Ein Draht für Energy Harvesting

Autor: Jan Vollmuth

Ein unscheinbarer Draht bildet die Basis für Energy-Harvesting-Sensoren, die in Drehgebern eingesetzt werden. Sensor-Spezialist Posital ist Produzent und Nutzer gleichermaßen.

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(Bild: Fraba)

Die Spulen an der Maschine erinnern an alte Super-8-Fime, der Metallrahmen, an dem sie jeweils paarweise befestigt sind, weist Spuren von Patina auf. Anstelle empfindlichen Filmmaterials läuft einer dünner Draht zwischen den Spulen entlang, die sich leise ratternd drehen und wenden und so den Draht verdrillen.

Diesen Job erledigen sie bereits seit knapp 50 Jahren: „Die Produktionsstraße für den Wiegand-Draht stammt aus den späten 1960er-Jahren“, erklärt Christian Leeser, CEO der Fraba Group, zu der auch das 2014 eröffnete Technologiezentrum Centitech mit Sitz in Aachen gehört, in dessen Räumen die Wiegand-Maschine genannte Produktionsstraße heute steht.

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Herzstück des Sensors

Der mit ihr fertiggestellte Wiegand-Draht ist das Herzstück der Energy-Harvesting-Sensoren von Posital, einer weiteren Tochter der Fraba-Gruppe, spezialisiert auf Sensoren für den industriellen Einsatz. Seinen Namen verdankt der Draht seinem Erfinder John Richard Wiegand, der ihn 1972 patentierte. Der Wiegand-Draht besteht aus Vicalloy, einer speziellen Legierung aus den Hauptbestandteilen Kobalt, Eisen und Vanadium sowie Kohlenstoff und anderen Anteilen. Am Ende eines aufwendigen Fertigungsverfahrens mit Kaltumformung und anschließendem Tempern besitzt er einen Mantel aus einem hartmagnetischen Metall und einen Kern aus weichmagnetischem Metall, was zu besonderen Eigenschaften führt: Bei einer Ummagnetisierung des Drahtes durch ein äußeres Magnetfeld entsteht ein Impuls, der in Spannung umgewandelt werden kann.

Diesen Effekt machen sich die Wiegand-Sensoren von Posital zunutze: Ein kurzes Stück Wiegand-Draht ist eingebettet in eine Kupferspule im Sensor-Gehäuse. Wird der fest positionierte Sensor dem Magnetfeld eines rotierenden Permanentmagnets ausgesetzt, erzeugt der Draht einen energiereichen Spannungsimpuls, sobald der Magnet seine Position oder Drehrichtung ändert – unmittelbar und unabhängig von der Geschwindigkeit der jeweiligen Bewegung. „Die Energie kommt aus der Drehbewegung – und das auch bei sehr langsamen Bewegungen“, sagt Jörg Paulus, Deutschland- und Europachef von Posital. Die dabei erzeugten 7 V bzw. 190 nJ genügen, um moderne Rotationszähler und die dazu gehörige Elektronik ständig zu aktivieren.

Keine Batterien mehr erforderlich

„Durch den Einsatz von Wiegand-Sensoren können batteriegepufferte Zähler in magnetischen Multiturn-Absolutdrehgebern durch echtes Energy-Harvesting abgelöst werden. Dieses Technik bringt die Vorteile einer Batterielösung ohne deren Nachteile, zudem ist sie absolut wartungsfrei“, sagt Christian Leeser. Ebenso sei kein Getriebe mehr erforderlich, da die durch den Wiegand-Sensor erzeugten Impulse genutzt würden, um die Zahl der Umdrehungen in einem nichtflüchtigen Speicher abzulegen.

Posital setzt die Technologie seit 2007 ein: Damals stellte das Unternehmen eine neue Serie magnetischer Multiturn-Drehgeber mit Wiegand-Sensoren als energieautarke Impulsgeber für die elektronischen Rotationszähler vor als Alternative zu deutlich aufwendigeren und teureren optischen Abtastsystemen. „Wir waren der erste Lizenznehmer des Erfinders, der die Wiegand-Energy-Harvesting-Technik für diese Anwendung nutzbar gemacht hat und damit unter den ersten Anbietern von Drehgebern mit dieser Technologie“, sagt Christian Leeser. „Entscheidend für den Durchbruch des Wiegand-Effekts beim Energy Harvesting war, dass es heute Chips gibt, die mit Low Power arbeiten und nur wenig Energie brauchen“, ergänzt Jörg Paulus. „Das gab es bis dahin nicht.“

Selbst ist der Sensor-Bauer

Zu diesem Zeitpunkt unternahm Posital auch die ersten Versuche, die Komponenten selbst zu bauen, die es bislang zugekauft hatte. „Wir waren zwar die ersten, die diese Komponenten entwickelt haben, hatten aber nicht die Fähigkeiten, diese zu bauen“, beschreibt Christian Leeser die Situation, „wir haben dann die Wicklung und die Kunststoffteile bei anderen Unternehmen in Auftrag gegeben, nur den Wiegand-Draht haben wir selbst montiert.“

Diesen bezog Posital von der Firma HID, die wiederum das von John Wiegand gegründete Unternehmen gekauft hatte. Als HID 2012 das Produkt aufkündigte, „haben wir kurzerhand die ganze Technologie gekauft: alle Daten, alle Muster, jede einzelne Rezeptur, das Wiegand-Labor, das jetzt bei Centitech aufgebaut ist. Wir haben die alte Maschine von John Wiegand, sein Laborbuch“, erzählt Leeser, „und dann haben wir begonnen, den Draht selbst herzustellen.“

Für Forschung und Fertigung

Neben der Wiegand-Maschine in Aachen befindet sich eine weitere am Standort in Hamilton im US-amerikanischen Bundesstaat New Jersey. Während die Anlage bei Centitech vor allem für Forschung und Entwicklung eingesetzt wird, dient die Maschine in den USA einzig der Fertigung.

Die Produktion des Wiegand-Drahtes läuft inzwischen auf Hochtouren: „Wir sind heute die einzigen, die den Draht mit einer solchen Ausbeute herstellen“, sagt Christian Leeser. Davon profitiert Fraba nicht nur bei den eigenen Produkten: „Der Lizenzgeber der Wiegand-Energy-Harvesting-Technik hat Lizenzen an fast alle Drehgeberfirmen verkauft. Diese Firmen haben sich nach der Abkündigung durch HID nochmals kräftig mit Wiegand-Draht eingedeckt. Diese Eigenbedarfe sind nun aufgebraucht,“ erklärt er, „jetzt kaufen die Firmen den Draht bei uns.“ Jörg Paulus ergänzt: „Mit der parallelen Fertigung garantieren wir eine stabile und zuverlässige Lieferkette.“

Montage in Polen und Malaysia

Die eigentliche Montage der Wiegand-Sensoren von Posital erfolgt an den firmeneigenen Fertigungsstandorten im polnischen Slubice – der digitalen Fabrik im weltweiten Firmenverbund – und in Malaysia. Seit 2015 werden die Wiegand-Sensoren vollständig intern produziert. Die kompakten Sensoren aus aktueller Fertigung passen problemlos auf eine Fingerkuppe. Sie eignen sich für Applikationen, bei denen Rotationen präzise erfasst und gezählt werden müssen. Der kleinste Wiegand-Sensor WST hat eine Länge von 15 mm und kann daher auch auf sehr kleine Platinen aufgebracht werden. Sämtliche Wiegand-Sensoren von Posital sind als SMD-bestückbare Komponenten ausgelegt.

Posital setzt seine Wiegand-Technologie konsequent in den eigenen Produkten ein: Auch die neuen Heavy Duty Encoder der IXARC-Serie mit schlagfestem Gehäuse aus korrosionsbeständigem Edelstahl 316L bzw. Aluminium bedienen sich ihrer. Die neuen Drehgeber, die es in zahlreichen Varianten gibt, eignen sich laut Posital besonders für raue und anspruchsvolle Einsätze – etwa auf Schiffen, in Offshore-Anlagen, Bergwerken, auf Kränen oder in Windkraftanlagen.

„Mittlerweile sind weltweit mehr als 150.000 magnetische Multiturn-Drehgeber von uns im Einsatz – und das ohne Probleme“, sagt Paulus. Zu letzterem tragen die unempfindlichen und energieautarken Wiegand-Sensoren einen kleinen, aber entscheidenden Teil bei.

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 Jan Vollmuth

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