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Rutronik unterstützt Forschungsprojekt der TU Chemnitz und IK Elektronik : Ausgabe 14/2017, 07.09.2017

Intelligente Schraube arbeitet mit Energy Harvesting

Das Forschungsprojekt «Drahtloses Sensorsystem mit kinetischem Energiewandler in Schraubenform für Nutzfahrzeuge» der TU Chemnitz, Professur für Mess- und Sensortechnik, und der IK Elektronik wird unterstützt von Rutronik. Das Sensorsystem soll sich in eine Schraube integrieren lassen und dort Signale messen, verarbeiten und an ein Messdatenverarbeitungssystem senden.

Bilder: TU Chemnitz, IK Elektronik

Damit das System wie gefordert drahtlos funktioniert, soll die nötige Energie durch Energy Harvesting gewonnen werden. Äusserlich soll die Schraube nicht von einem ganz gewöhnlichen Modell zu unterscheiden sein und denselben Zweck erfüllen. Für das Forschungsprojekt steht der Einsatz der Schraube in Nutzfahrzeugen im Vordergrund, z. B. in Gurtschlössern, Anhängerkupplungen, rund um das Getriebe oder den Motor. Der Distributor berät die beiden Forschungspartner rund um die elektronischen Bauelemente, insbesondere im Bereich der Sensoren und Wireless-Produkte aus dem SMART-Programm.

Kleine und robuste Konstruktion gefragt

Die Sensorschraube musste aufgrund ihres gewählten Einsatzortes auf eine raue Umgebung angepasst sein. Das erfordert ein weitestgehend hermetisch dichtes Gehäuse, so dass Staub und Spritzwasser keine Auswirkungen auf die Schraube haben. Zudem muss das System auf einen weiten Temperaturbereich ausgelegt sein, um im Winter wie im Sommer sowie in unterschiedlichen Klimazonen stabil zu funktionieren. Dies gilt insbesondere auch im Hinblick auf die Ausdehnung des Materials. Angesichts des begrenzten Platzes in einer Schraube durfte das System ausserdem nur ganz geringe Abmessungen haben.

Energy Harvesting aus kinetischer Energie

Um die nötige Energie für die Signalaufbereitung und -verarbeitung des Sensorsystems zu gewinnen, galt es, die kinetische Energie der Vibrationen des Fahrzeugs in elektrische Energie umzuwandeln und nutzbar zu machen. Da die Schwingungen mit ganz unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen auftreten, erzeugt auch der Energiewandler eine Wechselspannung mit schwankender Amplitude und Frequenz. Dies stellt die Entwickler vor eine gewisse Herausforderung, vor allem bei Vibrationen mit sehr geringer Amplitude, die auch sehr kleine Wechselspannungen ergeben. Denn bei gewöhnlichen Gleichrichtern entstehen gerade bei sehr kleinen Spannungen relativ hohe Verluste.

Deshalb war hier ein Boost-Converter mit hohem Wirkungsgrad und gutem Startverhalten erforderlich. Dieser musste extrem kompakt sein und in das Innere der Schraube passen. Hinzu kamen die mechanischen und elektrischen Anforderungen an das System, zumal letztendlich der Einsatz in metallischer Umgebung gegeben war. Sowohl der Wandler als auch das Energiemanagement waren für bestimmte Vibrationsfrequenzbereiche zu optimieren. Eine weitere Herausforderung für die Entwickler der IK Elektronik war es, aus geringsten Wechselspannungen mit möglichst hohem Wirkungsgrad eine nutzbare Gleichspannung zu erzeugen und die gewonnene Energie in einer praktikablen Art und Weise zu speichern.

Methoden der Energiegewinnung

Um aus Schwingungen Energie zu generieren, kommen verschiedene Methoden zum Einsatz, die auf unterschiedlichen Prinzipien basieren, dem elektrodynamischen, piezoelektrischen, elektrostatischen oder elektromagnetischen. Für den Einsatz in einer Schraube empfiehlt sich ein elektrodynamischer Energiewandler bestehend aus einem zylindrischen Magneten mit einer umgebenden Spule. Denn er erlaubt eine grosse Resonanzüberhöhung, wenn die Systemkomponenten gut aufeinander abgestimmt sind. Er wandelt die Umgebungsschwingungen mittels der Relativbewegung zwischen Magnet und Spule in elektrische Energie um.

Das Magnetfederprinzip

Für den mechanischen Aufbau des Feder-Masse-Systems wählten die TU Chemnitz und IK Elektronik das Magnetfederprinzip. Die an der TU Chemnitz entwickelte Lösung nutzt einen beweglichen Magneten zwischen zwei fixierten Magneten, um ein variables Magnetfeld zu erzeugen, abhängig von den Umgebungsschwingungen. Da die Spule und ihre Anschlüsse in diesem Aufbau fest sind, ist er sehr zuverlässig. Die Energieausbeute des Wandlers hängt von mehreren Faktoren ab, in erster Linie von der Magnetgrösse, der magnetischen Feldstärke, Anzahl und Durchmesser der Spulenwicklungen sowie der Anregungsfrequenz und -amplitude. Für den Entwurf des Energiewandlers nutzte die TU Chemnitz die FEM-Analyse (Finite-Elemente-Methode). Denn sie lässt sich an unterschiedliche kinetische Profile und Grössen anpassen.

Mechanischer und elektrischer Aufbau

IK Elektronik entwickelte den Prototypen einer Baugruppe, die im Kopf einer Schraube Platz hat. Sie umfasst die Gleichrichter und Spannungsvervielfacher, Speicherkondensatoren und die Energiemanagementschaltung, Funktransceiver und Antenne sowie die Mikrocontroller mit der Sensorapplikation bestehend aus Kontakt-, Temperatur- und Drucksensor.

Versuchsreihe mit Energiewandler

Die TU Chemnitz fertigte zwei Prototypen für den Einsatz eines beweglichen Magneten, um die Leerlaufspannung für die Systeme zu messen. Dabei diente ein Schwingerreger als künstliche externe Schwingungsquelle, die verwendete Auslenkung und Frequenzanregung wurde von einem Lasersensor gemessen. Der Schwingerreger bildete mit dem Lasersensor, einem Regler und einem Verstärker einen geschlossenen Regelkreis, so dass sich die Schwingungsamplitude kontrollieren liess.

Abhängig von der verwendeten Spule und der Anregungsamplitude lag die Resonanzfrequenz des Aufbaus zwischen 25 und 30 Hz. Dank des Magnetfederprinzips lässt sich die Resonanzfrequenz relativ einfach auf andere Werte einstellen. Die Messwerte zeigen, dass mit dem Aufbau Leerlaufspitzenspannungen von über 500 mV erreicht werden.

Fazit

Der Vorteil des elektrodynamischen Energiewandlers, wie ihn die TU Chemnitz entwickelt hat, ist seine Anpassungsfähigkeit auf die zur Verfügung stehende Vibrationsenergie in der jeweiligen Zielumgebung. Dies eröffnet für die Sensorschraube zahlreiche Anwendungs-szenarien. 

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Prototyp der Sensorschraube im Grössenvergleich mit einer Euro-Münze


Ein möglicher Aufbau eines Energiewandlers mit fixierten und beweglichen Elementen


Prototyp der Sensorschraube mit der miniaturisierten Elektronik drauf