Hohlwellengeber und Multiturn beim Motorfeedback – diese Kombination funktionierte lange nicht oder nur extrem schwer. Daher gab es klassische Durchgangsgeber nahezu ausschließlich als Singleturn-Lösung. Genau diese Lücke schließt nun Sensorhersteller Posital mit seinen kapazitativen ‚Hollow Shaft‘-Kits: Sie verfügen über einen integrierten Rotationszähler, der jede einzelne Umdrehung erfasst und dokumentiert. Dabei kommt die Zählelektronik ohne externe Stromversorgung, wartungsanfällige Batterien oder aufwendige Getriebe aus. Ermöglicht wird dieser energieautarke Betrieb durch einen von Posital seit Jahren bei Vollwellen-Gebern eingesetzten Wiegand-Harvester, der Rotationsbewegungen in elektrische Impulse umsetzt und aktuell für das Hohlwellen-Design fit gemacht wurde. 

Roboter im Fokus

Zu den bevorzugten Einsatzfeldern der ‚Hollow Shaft‘-Kits zählen Roboter – vom klassischen 6-Arm-Knickroboter für Industrie-Einsätze bis zu deutlich leichteren und agileren Cobots. Nutzbringend sind die Durchgangsgeber auch in Anwendungen, bei denen es um die direkte Montage auf der Achse eines Motors geht.
Was die Hohlwellen-Kits in der Praxis leisten, lässt sich gut an typischen Robotik-Einsätzen zeigen, wo die Kits direkt in den Gelenken installiert sind. Von hier aus überwachen und steuern sie die dreidimensionalen Bewegungsabläufe der einzelnen Roboterarme. Die Messlatte in Sachen Präzision liegt hier sehr hoch – moderne Industrieroboter arbeiten mit Wiederholgenauigkeiten von bis zu 0,1 mm. 

Kapazitative ­Messtechnik

Rotor und Stator: Die kapazitative Messtechnik setzt auf verschieden gestaltete leitfähige Oberflächen.

© Posital

In Cobots sowie in klassischen Robotern wird die zentrale Bohrung der Hohlwellen-Kits (wahlweise 30 mm oder 50 mm) für die Führung von Kabeln und Medienschläuchen innerhalb des Robotergehäuses genutzt. Das schlanke Design mit 17,8 mm Tiefe bei einem Außendurchmesser von 80 mm sowie das Gewicht von lediglich 110 g ermöglichen eine einfache Montage und eine schnelle Inbetriebnahme – ein paar Handgriffe und Schrauben genügen und das Messsystem ist ohne schwierige Kalibrierung einsatzfähig.

Kapazitative ­Messtechnik

Während Posital bei Drehgebern seit langem den Systemwechsel von optischer zu magnetischer Messtechnik forciert, wurde bei der ‚Hollow Shaft‘-Serie ein anderer Weg gewählt. Da sich magnetische Systeme nur sehr schwer in Hohlwellen-Designs umsetzen lassen, erhielt die kapazitative Messtechnik den Vorzug. Schlüsselkomponenten der kapazitativen Kits sind die mit unterschiedlichen Mustern gestalteten leitfähigen Oberflächen von Rotor und Stator. Sie erzeugen elektrische Hochfrequenzsignale, die über ASIC-Prozessoren gescannt und ausgelesen werden. Dabei werden die aktuellen Weg- und Winkelparameter als eindeutiger Positionswert über die Open-Source-Schnittstellen SSI oder BiSS C an die zentrale Steuerung gegeben. Da beim Scannen immer die komplette Oberfläche erfasst wird, lassen sich die kapazitativen Feedback-Kits auch von punktuellen Verschmutzungen nicht irritieren. 

Das Hollow Shaft-Kit mit energieautarker Multiturnfähigkeit eignet sich insbesondere für Einsätze in der Robotik.

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Kern des autarken Multiturn-Systems ist ein spezieller Energy Harvester, der als SMD-bestückbare Komponente von Posital gefertigt wird. Dabei sorgen Impulse aus einem Wiegand-Draht für die Energie-Ernte. Während der klassische Wiegand-Harvester beim Vollwellen-Einsatz im Tandem mit einem zentralen Permanentmagnet operiert, musste für das Hohlwellen-Design ein komplett neues Setup gefunden werden: Über Feldtests und intensive Magnetfeldsimulation wurde im Aachener F&E-Zentrum des Unternehmens eine Lösung mit vier Diametralmagneten entwickelt, die gleichmäßig im Rotor platziert sind. Die vier Magnete schaffen ein stabiles Magnetfeld, das der im Stator installierte Wiegand-Sensor detektieren und nutzen kann. Mit jeder 360°-Rotation des externen Magnetfeldes erzeugt der haarfeine, in eine Kupferspule eingebettete Wiegand-Draht einen Spannungsimpuls. Er versorgt die Zählelektronik, die jede einzelne Umdrehung exakt erfasst. Der Multiturn-Zähler verfügt über einen 43-Bit-Speicher, der für einen Messbereich von fast neun Billionen Umdrehungen ausgelegt ist.

Energy Harvesting und Wiegand-Effekt - was ist das eigentlich?

Beim Energy Harvesting ernten Komponenten den Strom, den sie benötigen, direkt aus ihrer Umgebung. Das Resultat sind energieautarke Bauteile – ohne Batterien und wartungsfrei. Deutlich an Schwung gewonnen hat die Thematik durch die IIoT- beziehungsweise Industrie-4.0-Szenarien, bei denen es um gigantische Netzwerke von möglichst energieautarken Sensoren und Aktoren geht.

Jörg Paulus ist General Manager Sales Europe bei Posital in Köln.

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Während Piezosysteme, thermische und kinetische Prozesse schon länger den Takt beim Energy Harvesting vorgeben, gilt der nach dem US-Erfinder John Wiegand benannte Wiegand-Effekt noch eher als Geheimtipp. Kern des Wiegand-Systems, das bereits 1972 patentiert wurde, ist ein speziell konditionierter Draht aus Vicalloy. Am Ende eines komplexen Fertigungsprozesses mit Kaltumformung und Tempern verfügt er über einen weichmagnetischen Kern und einen hartmagnetischen Mantel. Clou dieser Kombination: Bei der Ummagnetisierung des Wiegand-Drahts durch ein äußeres Magnetfeld entsteht ein Impuls, der sich in Spannung umwandeln lässt. Lange wurde der Wiegand-Effekt für magnetische Zugangs- beziehungsweise Sicherheitskarten eingesetzt – ein Einsatzfeld, das inzwischen längst von moderner RFID-Technologie übernommen wurde.

Posital nutzt den Wiegand-Draht zur Ernte von Low Power Energy bereits seit 2005, indem energieautarke Wiegand-Sensoren als Impulsgeber für die elektronischen Rotationszähler der magnetischen Multiturn-Drehgeber des Unternehmens dienen. Entscheidend für den Durchbruch beim Energy Harvesting war die Verfügbarkeit von Low Power Chips, die nur wenig Energie brauchen.

Beim Wiegand-Effekt handelt es sich um Energy Harvesting pur. Die magnetisch induzierte Energie kommt direkt aus der Rotation – und zwar, ­anders als etwa bei einem Dynamo, auch bei sehr langsamen Bewegungen. Praktisch umgesetzt wird der spezielle Effekt in kompakten Wiegand-Sensoren, von denen Posital jährlich eine Million Stück fertigt. Die ‚Mini-Kraftwerke‘ passen auf eine Fingerkuppe, da sie lediglich 15 mm lang sind. Die Ausbeute von 7 V beziehungsweise 190 nJ reicht, um moderne Rotationszähler und die dazugehörige Elektronik ständig zu aktivieren. 
Posital arbeitet kontinuierlich daran, die Energie-Ausbeute der Wiegand-Sensoren noch zu steigern, um so weitere Anwendungen bedienen zu können. Derzeit werden bei Tests im Aachener F&E-Zentrum punktuell 10 V erreicht. Damit kommt man in die Nähe eines Low-Power-Outputs, der drahtlose Kommunikation beziehungsweise Funklösungen via Wiegand-Effekt sicherstellen würde.