Energy-Harvesting mit
Energy-Harvesting mit Wiegand-Draht ermöglicht nachhaltige Datenübertragung Batterie adé – neue Chancen für die Energieversorgung im IoT Das Energy-Harvesting per Wiegand-Technologie hat sich bei Absolut-Drehgebern bereits bewährt, um bei einem Stromausfall die letzte Position zu sichern. Fraba baut sein Know-how rund um den Wiegand-Draht und seine Anwendung weiter aus und hat 2021 Ubito als Startup für neue Produktideen gegründet, um die Nutzung der Wiegand-Technik als Energiequelle für smarte Sensoren voranzubringen. Das zahlt sich aus, denn die zur Verfügung stehende Energie nimmt stetig zu – und öffnet so neue Anwendungsmöglichkeiten. Das Internet of Things (IoT) ermöglicht auch die weiträumige Sammlung von Daten. Allerdings benötigen die Sensoren Energie. Als Alternative zu Batterien bietet sich unter bestimmten Bedingungen das Energy-Harvesting mittels Wiegand-Technologie an. Energie ist häufig der ‚Treibstoff‘ – doch in vielen Fällen wird Energie nur in kleinen und kleinsten Mengen benötigt. Je nach Anwendung sind dann Batterien das Mittel der Wahl, die allerdings eine Reihe von Nachteilen mit sich bringen wie Batteriewechsel. Müssen hin und wieder nur Sensorwerte übertragen werden – ist die erforderliche Energiemenge also eher gering –, könnte künftig auch die Wiegand-Technologie eine Lösung anbieten. Überall da, wo Bewegung und ein externes Magnetfeld vorhanden sind, lässt sich das Energy-Harvesting per Wiegand-Draht nutzen. Veränderungen im Magnetfeld genügen, um elektrische Impulse beziehungsweise Energie zu erzeugen. Bewährt hat sich die Technik schon in Absolut-Drehgebern: Bleibt eine Maschine oder Anlage wegen Stromausfall stehen, kann die Position der jeweiligen Antriebe die entscheidende Information sein, um einen schnellen Wiederanlauf zu ermöglichen. Der Wiegand-Draht, Bestandteil der Encoder-Kits, die etwa der Bereich Posital der Kölner Fraba GmbH anbietet, stellt in diesen Fällen die Energie bereit, um die letzte Position sicher zu speichern. Bild: jahidsuniverse/stock.adobe.com (generiert mit KI) Der Wiegand-Effekt Kernstück der Wiegand-Technologie ist der Wiegand-Draht. Er besteht aus einer speziell konditionierten ferromagnetischen Eisen-Cobalt-Vanadium-Legierung mit sehr spezifischen physikalischen Eigenschaften. Wird dieser Draht einem sich verändernden externen Magnetfeld ausgesetzt, behält er zunächst seine magnetische Polarität bei. Erreicht das externe Magnetfeld jedoch einen bestimmten Schwellenwert, kehrt sich die Polarität des haarfeinen Wiegand-Drahtes abrupt um. Dieser Polaritäts-Switch erfolgt innerhalb weniger Mikrosekunden (10 - 20 µs) und erzeugt über eine Kupferspule, die um den Spezialdraht gewickelt ist, einen deutlichen Stromimpuls. Dieser Impuls ist stark genug, um Logikschaltungen zu aktivieren und elektronische Chips mit geringer Leistung zu versorgen. Nutzen lässt sich das als • (eigen-versorgte) magnetische Sensorik oder für das • Energy-Harvesting. Wiegand-Element, Hysteresekurve mit Puls sowie Blick in den Aufbau mit Wiegand-Draht und Spule zur Nutzung der Pulsenergie. Vorteile der Wiegand-Technologie sind, dass sie ohne mechanischen Verschleiß arbeitet und die Lebenszeit damit nahezu keinen Restriktionen unterliegt. Zudem liefert der Wiegand- Draht konsistente Energieimpulse über den gesamten Frequenzbereich – und arbeitet damit auch bei sehr geringen Geschwindigkeiten. Bild: Fraba 40 KEM Konstruktion|Automation » 12 | 2023
Nachhaltigkeit « TRENDS Bild: Fraba Entwicklung der Pulsenergie im Laufe der Zeit: Lag diese in den 90er Jahren noch bei 20 - 50 nJ, erreichten die Wiegand- Sensoren von Fraba schon 2015 mit 100 - 220 nJ bereits mehr als das Vierfache. Verfügbare Pulsenergie steigt stetig Bereits 2021 gründete Fraba deswegen Ubito als Start-Up für neue Produktideen rund um die Wiegand-Technik als Energiequelle smarter Sensoren. Im Aachener F&E-Zentrum wurde seit dem die Entwicklung eines Wiegand-Harvesters vorangetrieben, der in der Lage ist, genügend Energie für die Stromversorgung der kompletten Sensorelektronik zu gewinnen, einschließlich eines hocheffizienten Ultrabreitband/ UWB-Funksenders. „Die verfügbare Energie pro Puls konnte in der Vergangenheit von zunächst 50 auf 150 nJ gesteigert werden“, berichtet Tobias Best, General Manager von Ubito. „Wir gehen davon aus, dass künftig bis zu 10.000 nJ möglich werden – genug Energie also für die drahtlose Kommunikation.“ Das würde es erlauben, insbesondere im IoT-Umfeld (Internet of Things) Signale zu sammeln und zu übermitteln, ohne dafür auf eine Stromversorgung oder Batterien zurückzugreifen. Die Wiegand- Technologie stände damit – ein sich änderndes externes Magnetfeld vorausgesetzt – auch als Alternative zu Energy-Harvesting-Techniken wie Solar-, Piezooder Thermoelektrik als verlässliche Energiequelle für autonome Sensorknoten zur Verfügung. Zahlreiche Anwendungen denkbar „Eine Vielzahl von Anwendungen kann von Wiegand- Harvestern profitieren“, fährt Best fort. Ein Beispiel sei etwa die einfache Erfassung der Anzahl von Toröffnungen manueller Tore – um so ohne zusätzliche Energieversorgung eine Kontrolle der Federn zu ermöglichen – ganz im Sinne der Predictive Maintenance. „Entscheidend ist dabei: Die Wiegand-Technologie eignet sich auch für langsam laufende Anwendungen (siehe dazu auch Kasten zur Wiegand-Technologie). Dass sich das Energy-Harvesting per Wiegand-Draht auch an anderer Stelle nutzen lässt, hat Fraba bereits mit seinen Wiegand-Sensoren gezeigt, die sich als eigensichere Näherungsschalter einsetzen lassen. Sie passen auf eine Fingerkuppe und gewinnen ausreichend Energie, um zuverlässig und sicher Signale für Alarmsysteme liefern zu können. Eine externe Stromversorgung oder Back-up- beziehungsweise Puffer- Batterien sind dazu nicht erforderlich. Die Sensoren können dabei auf unterschiedliche Weise als Näherungsschalter genutzt werden: • Ist etwa das zu erfassende Objekt von sich aus magnetisiert beziehungsweise mit einem oder mehreren kleinen Permanentmagneten bestückt, reagiert der Wiegand-Sensor, sobald das Objekt ihm so nah kommt, dass eine Polaritätsumkehr erfolgt und der Impuls erzeugt wird. Nutzen lässt sich dieser Effekt, um etwa Linear- oder Drehbewegungen exakt zu erfassen und zu messen. • Alternativ kann der Wiegand-Sensor als Näherungsschalter auch zwischen einem Satz Permanentmagneten installiert werden. Kommt ihm hier ein Objekt aus Eisen oder Stahl zu nahe, wird das Magnetfeld unmittelbar um den Wiegand- Sensor so weit verzerrt, dass ein Polaritätswechsel erfolgt, was wiederum den Stromimpuls – und damit das Alarm - signal – auslöst. (co) www.ubito.com INFO Mehr zum Energy-Harvesting bei Ubito: hier.pro/u2V5l KEM Konstruktion|Automation » 12 | 2023 41
