Energy Harvesting Magischer Draht mit riesigem Potenzial

Autor / Redakteur: Jörg Paulus* / Jan Vollmuth

Energy Harvesting mit Wiegand-Sensoren wurde bislang für den energieautarken Betrieb von Multiturn-Encodern genutzt. Jetzt nimmt Sensorhersteller Posital neue Anwendungen ins Visier.

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Ging es beim Energy Harvesting per Wiegand-Effekt bislang vor allem um den energieautarken Betrieb von Multiturn-Encodern, nimmt Sensorhersteller Posital nun völlig neue Anwendungen ins Visier.
Ging es beim Energy Harvesting per Wiegand-Effekt bislang vor allem um den energieautarken Betrieb von Multiturn-Encodern, nimmt Sensorhersteller Posital nun völlig neue Anwendungen ins Visier.
(Bild: Posital)

Wiegand-Effekt – was ist das denn? Beim Wiegand-Effekt werden Impulse aus einem sich verändernden externen Magnetfeld für Energy Harvesting genutzt. Bereits im Jahr 2005 machte der Sensorhersteller Posital diesen Effekt nutzbar, um lästigen Pufferbatterien oder sperrigen und teuren optischen Getrieben bei modernen, magnetischen Multiturn-Drehgebern dauerhaft den Garaus zu machen.

Draht mit außergewöhnlichen ferromagnetischen Eigenschaften

Herzstück des Wiegand-Systems ist ein haarfeiner Draht aus Vicalloy. Dank einer Kombination aus hart- bzw. weichmagnetischem Mantel und Kern verfügt der 15 mm kurze Wiegand-Draht, der in eine filigrane Kupferspule eingebettet ist, über außergewöhnliche ferromagnetische Eigenschaften. Beim Drehgebereinsatz sorgen sie dafür, dass bei jeder Ummagnetisierung des Wiegand-Drahtes durch das Feld eines auf der Welle rotierenden Permanentmagnets ein Impuls entsteht, der sich in Energie umwandeln lässt. Die so erzeugten 190 nJ genügen, um die Zählelektronik ständig zu aktivieren und die Bewegungen der nachlaufenden Welle auch im stromlosen Zustand präzise zu erfassen. Selbst bei langsamsten Umdrehungen erzeugen Wiegand-Sensoren zuverlässig Strompulse.

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In den vergangenen Jahren prägte die Wiegand-Technik zunehmend den Drehgeber- und Neigungssensor-Hersteller Posital. Anfang 2014 ging im Aachener F&E-Zentrum das Wiegand Technology Center in Betrieb. Hier entsteht der Draht, der einen aufwändigen Fertigungsprozess mit Kaltumformung und Tempern erfordert, auf Original- Maschinen und nach Rezepturen des US-Erfinders John Wiegand. Parallel wurde eine automatisierte Fertigung für SMD-bestückbare Wiegand-Sensoren aufgebaut.

Energie drahtlos übertragen

Mit Millionen weltweit verbauter Wiegand-Sensoren im Rücken hat Posital eine breit angelegte Initiative gestartet, um neue Applikationen für den „magischen“ Draht aufzuspüren. Dabei stehen neben Energiegewinnung auch Signalerzeugung sowie die drahtlose Übertragung elektrischer Energie im Mittelpunkt. So wurden Anfang 2020 mit Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung zwei richtungsweisende Forschungsinitiativen gestartet. Laufzeit: drei Jahre. Etat: jeweils rund eine Million Euro.

Zu den Zielen des ersten Projektes gehört, die Wiegand-Sensoren noch robuster zu machen, ihre Fertigung weiter zu automatisieren und die Kosten nochmals zu reduzieren. Beim zweiten Projekt steht die signifikante Erhöhung der Energieausbeute im Mittelpunkt. Konkret geht es darum, genügend Energie für die drahtlose Kommunikation von Sensoren in IIoT-Systemen zu erzeugen. Neben passivem steht auch aktiver Funk im Visier. Ziel ist, konkrete Prototypen autark funkender IIoT-Sensoren zu präsentieren – wobei gezielt neueste Low-Power-Fortschritte bei Mikro-Controllern oder innovative Wireless-Protokolle genutzt werden.

Näherungsschalter für Ex-Umgebungen

Beide F&E-Projekte sind eng verknüpft mit dem Launch der Business Unit Ubito, die seit Mitte 2021 die Wiegand-Aktivitäten von Posital bündelt und neue Aktionsfelder in den Fokus rückt. Weit gediehen ist etwa die Nutzung von Wiegand-Sensoren als eigensichere Näherungsschalter zur Überwachung von Objekten aus Eisen oder Stahl. Bei dieser Ex-Schutz-Applikation ist Energy Harvesting kein Thema. Es geht rein um den durch den Polaritätswechsel generierten Stromimpuls, der das Signal an die Steuerung auslöst, sobald sich die Objekte zu nahekommen. Exakt hier punkten Wiegand Sensoren, die keine externe Stromquelle erfordern und Überspannungen bzw. Funkenflug ausschließen.

Visionärer sind Themen wie niederfrequentes drahtloses Laden bzw. transkutane Energie für implantierbare medizinische Geräte. In Kombination mit niederfrequenten elektromagnetischen Feldern könnten Wiegand-Sensoren genutzt werden, um Energie für Anwendungen mit geringer Leistung in Umgebungen bereitzustellen, in denen eine Hochfrequenzübertragung schwierig ist. So könnte etwa der Wiegand-Puls als Stromquelle zum Aufladen von Herzschrittmachern verwendet werden – transkutan, sprich durch die Haut.

SPS 2021: Halle 4A, Stand 400

* Jörg Paulus, General Manager – Europe, Posital-Fraba GmbH, Köln

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