Leitungen, Steckverbinder & Interface
27.03.2015

Kontaktlose Energieübertragung: Zwei Systeme im Vergleich

Vor gut zwei Jahren hat TE Connectivity mit Ariso ein System für die kontaktlose Übertragung von Daten und Energie in den Markt eingeführt. Zur Hannover Messe präsentiert Weidmüller mit Freecon Contactless ein weiteres System zur reinen Energieübertragung. Im Interview berichten die Produktverantwortlichen, Ulrich Wallenhorst und Klaus Leuchs, über Details und Highlights ihrer Lösung.

Herr Wallenhorst, vor rund zwei Jahren hat TE Connectivity mit Ariso eine Lösung zur kontaktlosen Übertragung von Energie und Daten in den Markt eingeführt. Bitte erläutern Sie zunächst kurz das Funk­tionsprinzip Ihrer Contactless-Connectivity-Lösung.

U. Wallenhorst (Bild links): Unsere Lösung besteht aus sogenannten Kopplern, welche kontaktlos Daten und Energie übertragen. In jedem Koppler befindet sich vorne jeweils eine Antenne und eine Spule. Beide sind mit der Leiterplatte verbunden, die im hinteren Teil der Koppler untergebracht ist. Die Daten werden im 2,4-GHz-Band übertragen. Da jedoch nur im Nahfeldbereich gesendet wird, kommt es zu keinen Interferenzen mit Funkverfahren, wie WLAN oder Bluetooth, die auf derselben Frequenz arbeiten. Mit anderen Worten: Die Datenübertragung funktioniert kontaktlos, aber nicht wire­less. Die Energieübertragung erfolgt mittels eines induktiven Verfahrens, das auf dem magnetischen Resonanzprinzip beruht. Wir bieten also eine Gesamtlösung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung im Nahfeld, die für den Nutzer so einfach wie ein normaler Steckverbinder funktioniert.

Herr Leuchs, zur Hannover Messe führt Weidmüller mit Freecon Contactless eine Lösung zur kontakt­losen Übertragung von Energie in den Markt ein. Welches Funktionsprinzip liegt Ihrer Lösung zugrunde?

K. Leuchs: Mit Freecon Contactless präsentieren wir erstmalig eine kontaktlose Energieübertragung, die speziell für breite Anwendungen im industriellen Umfeld entwickelt wurde. Das System überträgt mittels induktiver Resonanzkopplung eine Leistung von 240 W bei einem Wirkungsgrad von über 90 %. Hierbei wird auf der Primärseite über eine Spule ein magnetisches Feld erzeugt. Der Empfänger besteht ebenfalls aus einer Spule, in der durch das magnetische Feld eine Spannung induziert wird. Sobald an der Spule eine elektrische Last angeschlossen wird, kommt es zum Stromfluss – es wird eine elektrische Leistung übertragen. Die besonders hohe Leistung erreichen wir durch unser innovatives Wärmemanagement und den hohen Wirkungsgrad. Die dem Übertragungsprinzip zugrunde liegende Wärmeentwicklung wird dadurch in handhabbaren Grenzen gehalten.

Zudem ist unser System das derzeit einzige am Markt, das zusätzlich über eine Steuerung schaltbar ist und somit seine „Ansteuerung“  via SPS-Programm erfolgen kann. Zudem baut es mit den Abmessungen von 100 mm × 100 mm und einer Höhe von 47 mm sehr kompakt  –  unter Berücksichtigung der Leistungsparameter offerieren wir damit das derzeit „kleinste“ Gerät am Markt.

Bitte geben Sie einen Einblick in die jeweiligen Leistungsdaten Ihrer Systeme (Wirkungsgrad, übertragbare Energiemenge, max. überbrückbarer Abstand von Sende- und Empfangseinheit in Luft, …) sowie Bauform und Befestigungsmöglichkeiten.

U. Wallenhorst: Mit der Ariso-Ver­sion, die wir im November 2014 auf der SPS IPC Drives als Standardprodukt vorgestellt haben, können bis zu 12 W übertragen werden. Das ist die Ausgangsleistung, die immer zur Verfügung steht, und zwar für den kompletten Abstandsbereich zwischen den Kopplern, der 0 mm bis 7 mm betragen kann. Was den Wirkungsgrad betrifft, gibt es unterschiedliche Bemessungsgrundlagen. Wir beziehen uns bei den Angaben immer auf das gesamte System, das dort beginnt, wo die kabelgebundene Übertragung aufhört und dort endet, wo diese wieder beginnt. Der Wirkungsgrad der Standardversion beträgt hier rund 80?%, wobei darin natürlich auch die Datenkommunikation enthalten ist, welche ebenfalls Energie verbraucht.

Bei der reinen induktiven Energieübertragung werden Werte von über 95 % erreicht. Da die Koppler beispielsweise wie klassische Näherungsschalter über ein M30-Gehäuse verfügen, sind Halterungen am Markt verfügbar. Die Befestigung erfolgt über zwei Kontermuttern, die einfach auf das Gewinde der Koppler geschraubt werden. Es sind aber auch kundenspezifische Gehäuse denkbar.

K. Leuchs (Bild rechts): Unser System ist auf einen industriellen Einsatz ausgelegt, dem entsprechend verfügt es über ein Gehäuse in Schutzart IP65. Die Befestigung des Systems geschieht wahlweise mittels Direktmontage, über einen Befestigungswinkel oder über ein Nutenprofil, wobei hierfür drei verschiedene Seiten zur Verfügung stehen. Somit geben wir dem Anwender eine hohe Flexibilität bei der Montage an die Hand. Auf der „elektrischen Seite“ bilden wir mit einer Gleichspannung von 24 V und einem Strom von 10 A ebenfalls industrielle Standards ab. Die Übertragung erfolgt kontaktlos über einen bis zu 5 mm breiten Luftspalt. Da sich unser System durch eine SPS steuern lässt, kann der Strom von 10 A direkt aus der Steuerung heraus geschaltet werden, ohne die Verwendung von einem zusätzlichen Schütz.

Was sind aus Ihrer Sicht die herausragenden Eigenschaften Ihrer Lösungen und was sind die Hauptvorteile im Vergleich zu konventionellen kontaktbehafteten Verbindungen?

U. Wallenhorst: Zunächst die größere Flexibilität, sprich Bewegungsfreiheit. Denn anders als Steckverbinder, Kabelschleppen und Spiralkabel oder Schleifringe sind die Koppler nicht mechanisch verbunden. Deshalb müssen sie nicht exakt zentriert sein, sondern können sich auch leicht versetzt gegenüberstehen oder in einem Winkel von bis zu 30°. Ferner lassen sich sogenannte On-the-Fly-Verbindungen realisieren, bei denen ein Koppler sta­tionär und andere mobil installiert sind und die Verbindung immer durch das gerade gegenüberliegende Paar hergestellt wird. Außerdem sind Rotationsbewegungen von mehr als 360° ausführbar – Kabelschleppen erreichen meist nur 270° – sowie Daten und Energie auch durch Luft, Flüssigkeiten und Wände übertragbar.

Die TE-Connectivity-Lösung: Mit Ariso können Daten und Energie kontaktlos übertragen werden. Bei der reinen induktiven Energieüber­tragung liegt der Wirkungsgrad bei 95 %, die Ausgangsleistung beträgt bei der Standardlösung 12 W

 

Der zweite Aspekt ist die extrem hohe Zuverlässigkeit und die da­raus resultierende Senkung der Total Cost of Ownership. Denn die kontaktlosen Verbindungen sind sowohl im verbundenen als auch im unverbundenen Zustand dicht, das heißt, es kommt zu keinen Problemen, die zu einer Unterbrechung der Verbindung führen können. Ebenso spielen Vibrationen keine Rolle, und zwar sowohl hinsichtlich der Verbindung selbst als auch mit Blick auf die Produktionsprozesse, die sozusagen entkoppelt sind. Zudem sind natürliche Probleme, wie limitierte Steckzyklen von Steckverbindern oder Bruch bzw. Verschleiß von Kabeln, für kontaktlose Lösungen nicht mehr relevant, da keine mechanische Verbindung besteht.

K. Leuchs: Eine Energieübertragung findet in der industriellen Automatisierung in der Regel mit Steckverbindern statt. Bei dieser ­„herkömmlichen“ Lösung sind abgebrannte, verbogene oder verschmutzte Kontakte ein häufiger Grund für zeit- und kostenintensive Produktionsausfälle. Das gilt umso mehr für Applikationen, in denen häufige Steckzyklen erforderlich sind. Dazu zählt beispielsweise der häufige Werkzeugwechsel bei Industrierobotern. Da es Freecon  Contactless erlaubt, Energie über einen Luftspalt zu übertragen, arbeitet es gänzlich verschleißfrei und besonders effizient. Gegenüber vergleichbaren Lösungen am Markt werden die doppelte Leistungsdichte und ein deutlich höherer Wirkungsgrad erzielt. Anlagen, die mit unserer Lösung ausgestattet sind, laufen länger fehlerfrei und damit ohne kostspielige Unterbrechung für Wartung, Reparatur oder Austausch. Bereits ein einmaliger Produktionsausfall aufgrund von Verschleiß bei Anlagen mit konventionellen Steckverbindern kostet deutlich mehr als das Freecon-  Contactless-System. Die höhere Anlagenverfügbarkeit verbunden mit den bei der Nutzung dieses Systems reduzierten Serviceeinsätzen sowie der nahezu komplette Entfall von Wartungskosten verkürzen die Amortisationszeit deutlich. Die beliebigen Annäherungsoptionen der Primär- und Sekundärseite erlauben zudem neue Konstruktionen. Sie vereinfachen den Bau von Industrieanlagen, senken somit Kosten und optimieren Produk­tions­prozesse.  

Für welche Einsatzgebiete ist Ihr System prädestiniert und wo stößt es an seine Grenzen?

K. Leuchs: Die Einsatzgebiete sind vielfältig. Grundsätzlich ist das System geeignet bzw. sinnvoll für Applikationen, in denen heute Steckverbindungen häufig gesteckt und gelöst werden. Zum Beispiel das bereits erwähnte Wechselwerkzeug an einem Roboter: Hier werden mehrere hundert bis tausend Werkzeugwechsel pro Tag durchgeführt. Die kontaktierende Verbindung muss dementsprechend oft gesteckt und gelöst werden, was zu einem hohen Verschleiß der Kontakte und Folgeerscheinungen wie Kontaktabbrand führt. Daraus resultiert ein Qualitätsverlust in der Produktion. Um diesem vorzubeugen, entstehen durch den regelmäßigen Wartungsaufwand hohe Kosten. Weitere Applikationen sind beispielsweise Rundschalttische, fahrerlose Transportsysteme oder auch Applikationen, die heute mit einem Schleifring arbeiten. Alle konventionellen Lösungen sind wartungsintensiv und damit entsprechend teuer im Betrieb.

Die Weidmüller-Lösung zur kontaktlosen Energieübertragung: Freecon Contactless mit einer Übertragungsleistung von 240 W bei einem Wirkungsgrad mind. 90 %

 

Darüber hinaus sind ganz neue Anwendungsfelder denkbar, da eine bisher manuell zu steckende Verbindung nun automatisiert hergestellt werden kann. Freecon Contactless bietet dazu eine hohe Flexibilität durch beliebige Annäherungsoptionen. Die Sekundärseite kann, im Gegensatz zum Steckverbinder, aus beliebigen Richtungen zur Primärseite herangeführt werden und zusätzlich auch noch rotieren. Diese automatisierte Verbindung unterstützen wir zusätzlich mit der Option, die Energieübertragung zum Beispiel mittels einer SPS zu steuern.

U. Wallenhorst: Die erste Standardversion, die wir jetzt auf den Markt gebracht haben, ist zur Anbindung von Sensorik und somit für die Übertragung von Schaltsignalen und einer Ausgangsleistung von 12 W entwickelt worden. Ihre Vorteile kann die kontaktlose Verbindungstechnologie vor allem in Anwendungen ausspielen, in denen sich Sensoren auf beweglichen Maschinenteilen befinden. Das Einsatzszenario reicht von sich bewegenden Werkstückhaltern über elektrische Greifer für Pick-and-place-Applikationen bis hin zu Werkzeugwechslern von Robotern.
Grenzen gibt es natürlich bei jeder Technologie. So können bisher mit der Standardversion weder Feldbus- noch Ethernet-Daten übertragen werden – wobei kundenspezifische Lösungen schon heute über binäre Schaltsignale hi­naus­gehen. Auch für extrem hohe Temperaturen ist diese Version, die für bis zu 55 °C spezifiziert ist, nicht geeignet. In Zukunft lässt sich mit speziellen Ausführungen sicherlich mehr bewerkstelligen. Wenn es jedoch in hohe Temperaturbereiche  über 100 °C bis 150 °C geht, wird es schwierig.

Wie hoch ist die Zuverlässigkeit der Energieübertragung und welche Medien sind überbrückbar?

K. Leuchs: Die kontaktlose Energieübertragung kann fast überall eingesetzt werden, beispielsweise auch in festen und flüssigen Material. Die Ausnahme ist Metall, da dies eine physikalisch unüberwindliche Hürde für die induktive Resonanzkopplung darstellt. Das heißt, solange die Randbedingungen eingehalten werden, arbeitet das System selbst bei starken Vibrationen zuverlässig.

U. Wallenhorst: Im Grunde können Energie und Daten durch alle Medien, ob Luft, Flüssigkeit oder Beton, übertragen werden. Metall stellt eine Hürde dar, da in ihm – ähnlich wie bei einem Induktionsherd – ein Strom induziert wird und es somit erwärmt wird. Bohrmilch, in der kleine Metallspäne enthalten sind, stellt dagegen normalerweise kein Problem dar. Deshalb ist jederzeit eine zuverlässige Übertragung gewährleistet, sofern die Koppler in den erwähnten Abstand von 0 mm bis 7 mm voneinander entfernt sind und sich kein Metall zwischen ihnen befindet. Außerdem wird die Datenkommunika­tion ständig überprüft, das heißt, wenn Signale nicht ankommen, werden diese noch einmal gesendet. Zudem steht die Standardver­sion auch in einer Variante mit Output- zur Verfügung, über den der Status der Verbindung angezeigt wird. Dieser Status wird einfach an einem separaten Pin am M12-Steckverbinder ausgegeben.

Eignen sich Ihre Systeme auch zur Nachrüstung von Anlagen?

U. Wallenhorst: Ja, und zwar überall dort, wo bisher Sensoren über kabelgebundene Lösungen wie Steckverbinder einschließlich Verteilerboxen oder via Schleifringen angebunden wurden. Ariso lässt sich plug-and-play einbinden. Dazu ein Beispiel: Wir haben jüngst ein Projekt realisiert, bei dem in einer ­Anlage Schleppkabel für die Sensorik eines Greifers durch unser kontaktloses Übertragungssystem ­ersetzt worden sind. Denn infolge von Kabelbrüchen kam es beinahe
wöchentlich zu ungeplanten Produk­tionsstopps, infolge zu Wartungs­aufwendungen und Produktions­ausfällen. Jetzt hat der Greifer einen Ariso-Receiver und auf jeder Position befindet sich ein entsprechender Transmitter. Seitdem werden die Sensorsignale zuverlässig übertragen und es gibt keine ungeplanten Produktionsstopps mehr. Dass sich bei Stopps von 1 h bis 2 h pro Woche solch eine Investi­tion schnell zurückzahlt, braucht nicht extra erwähnt zu werden.

K. Leuchs: Natürlich ist auch mit unserer Lösung eine Nachrüstung von Anlagen möglich. Das System ist mit den Abmessungen von 100 mm × 100 mm × 47 mm entsprechend kompakt ausgelegt. Hier sind die flexiblen Montageop­tio­nen hilfreich, wodurch ein möglichst breiter Anwendungsbereich abgedeckt wird.

Herr Wallenhorst, Ihre Ariso-Contactless-Connectivity-Plattform hat die Einführungsphase bereits seit Längerem durchlaufen. Wie lautet Ihre bisherige Bilanz bezüglich der Akzeptanz von Kundenseite?

U. Wallenhorst: Vor gut einem Jahr haben wir die erste kundenspezifische Version vorgestellt. Seitdem läuft bei uns auch die Serienproduktion. Die erste Standardversion ist dagegen erst wenige Monate auf dem Markt. In dieser Zeit haben wir nicht nur zahlreiche Anfragen von Unternehmen bekommen, die sich für unsere kontaktlose Verbindungstechnologie interessieren und diese testen wollen, sondern es sind auch erste konkrete Projekte gestartet worden. Die Resonanz der Kunden, die Ariso bereits seit einem Jahr zur Anbindung von Sensoren in unterschiedlichen Anlagen einsetzt, ist ebenfalls sehr positiv.

Herr Leuchs, mit welchem Produktangebot gehen Sie zur Hannover Messe an den Start und wie sind Ihre Ausbaupläne für Ihr System?

K. Leuchs: Das erste Produkt unserer neuen Produktfamilie bietet reine Energieübertragung. Bei dem weiteren Ausbau des Systems denken wir an Hybridlösungen mit zusätzlicher Übertragung von Daten oder Signalen.

Sie führen mit Freecon Contactless nicht die erste Lösung zur kontaktlosen Übertragung von Energie in den Markt ein. Welche Potenziale rechnen Sie sich mit Ihrem System für die nächsten fünf Jahre aus?

K. Leuchs: Wir sind nicht der erste Anbieter dieser Technologie, aber einer der ersten, der diese Kombination von Leistungsdaten anbietet. Hiermit meinen wir insbesondere die hohe Leistungsdichte, also 240 W in der kompakten Bauform. Erste Projekte bei großen deutschen Automobilherstellern in der Karosseriefertigung, mit Technologietreibern im Bereich Maschinenbau, der Robotik, im Bereich von Transportsystemen und bei der Erzeugung erneuerbarer Energie sind im Status der Phase der fortgeschrittenen Planung; Prototypen laufen bereits seit 2013 im Feldtest. Wie man sieht: Wir beschreiten mit Freecon Contactless einen „jungen“, noch unbekannten Markt, indem wir – wenn sich alle Projekte entsprechend den Prognosen entwickeln – mit gutem Umsatzwachstum im mehrstelligen Prozentbereich rechnen können. Details können wir derzeit nicht nennen.

Herr Wallenhorst, welche Weiterentwicklungspläne verfolgen Sie rund um Ihr Ariso-System?

U. Wallenhorst: Wir arbeiten intern bereits an der nächsten Genera­tion. Bei der Energieübertragung geht es in Richtung höherer Leistungen bis hin zu 100?W. Bei der Datenübertragung arbeiten wir an höheren Datenraten, sodass Ariso auch in Zukunft zusammen mit Feldbussen und Industrial-Ethernet-Systemen, einschließlich Protokollen wie Profinet, eingesetzt werden kann. Denn die Anforderungen an die Bandbreite bzw. der Einsatz von Industrial Ethernet auch in tieferen Ebenen der Automationspyramide werden deutlich zunehmen, da nur so die Vision dezentraler Prozesse à la Industrie 4.0 Wirklichkeit werden kann.

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