Kontaktlose Energieübertragung

Induktives Laden gibt Roboterfahrzeugen Autonomie

28. Mai 2022, 13:23 Uhr | Andreas Knoll
Dr. Hans Krattenmacher, Geschäftsführer Innovation Mechatronik bei SEW-Eurodrive
Dr. Hans Krattenmacher, SEW-Eurodrive: »Als energetische Infrastrukturkomponente für die Fabrikautomatisierung gemäß Industrie 4.0 gewinnt die Movitrans-Technik an Bedeutung.«
© SEW-Eurodrive

Industrie 4.0 heißt, stationäre und mobile elektrische Komponenten vollständig energetisch und nachrichtentechnisch zu vernetzen. SEW-Eurodrive verfügt neben fortschrittlichen Kommunikationssystemen auch über eine energietechnische Lösung: die kontaktlose Energieübertragungstechnik „Movitrans“.

Dr. Hans Krattenmacher, Geschäftsführer Innovation Mechatronik bei SEW-Eurodrive, erläutert die Hintergründe.


Markt&Technik: Was ist kontaktlose Energieübertragung eigentlich?

Dr. Hans Krattenmacher: Bei kontaktloser Energieübertragung wird Energie aus dem Versorgungsnetz berührungslos - sprich: induktiv, ohne elektrische Steck- oder Schleifkontakte - über einen Luftspalt übertragen. Autonomen Fahrzeugen wird die Energie entweder kontinuierlich über einen Linienleiter entlang der Transportstrecke zugeführt oder über stationäre Ladepunkte, wo die Fahrzeuge ihre Energie punktuell in Energiespeicher aufnehmen und sich danach frei im Raum bewegen können.


Wie funktioniert kontaktlose Energieübertragung physikalisch und technisch?

Die wichtigste physikalische Grundlage für die kontaktlose Energieübertragung ist der Elektromagnetismus. Er ergibt sich aus einer Kombination von elektrischem Wechselstrom und magnetischen Feldern.

Die kontaktlose Energieübertragung macht sich die elektromagnetische Kopplung zunutze. Dabei erfolgt die Energieübertragung nach dem Transformatorprinzip von einer Primärspule zu einer Sekundärspule. Prinzipiell betrachtet wird die Primärspule an eine elektrische Wechselspannung angelegt, und durch den damit einhergehenden Stromfluss wird ein magnetisches Feld erzeugt. Bringt man dann die Sekundärspule ohne direkte Berührung in den Nahbereich der Primärspule, induziert das Magnetfeld in der Sekundärspule eine Wechselspannung. Somit wird die Energie kontaktlos - also ohne direkte, elektrisch leitfähige Verbindung - übertragen. Bei der induktiven Nahfeldkopplung wird die Energie effizient im magnetischen Feld übertragen, der Kopplungsbereich ist somit geometrisch begrenzt. Die räumliche Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle, wie in der Funktechnik, wird nicht beabsichtigt.

Dezentrale Einspeiseeinheiten des Typs „Movitrans TES“ sorgen für die Energieversorgung der jeweiligen Applikation.
Dezentrale Einspeiseeinheiten des Typs „Movitrans TES“ sorgen für die Energieversorgung der jeweiligen Applikation.
© SEW-Eurodrive

Auf genau diesem - dem induktiven – Energieübertragungsverfahren beruht die Movitrans-Technik. Welche Aufgaben kann sie in der Industrie erfüllen?

Als energetische Infrastrukturkomponente für die Fabrikautomatisierung gemäß Industrie 4.0 gewinnt die Movitrans-Technik zunehmend an Bedeutung. Im industriellen Einsatz gehört sie mittlerweile zu den Grundpfeilern einer modernen, flexiblen Produktion. Einsetzen lässt sie sich vielfältig: bei AGVs und Shuttle-Systemen, zur Speisung von mobilen Robotern, Sortern und Linearmotoren, aber auch zur Versorgung von Fahrgeschäften in Vergnügungsparks und People Movern. Movitrans ist ein System, dessen Komponenten für alle Anwendungsfelder aufeinander abgestimmt sind, von der Installation über die Inbetriebnahme bis zum Betrieb.


Wo steht Movitrans derzeit in der Industrieproduktion?

Die Anforderungen der Industrie 4.0 und neue Ansätze der modularen Fabrik führen zum Wunsch nach einer hohen Modularisierung und Flexibilität in den Fabriken, einschließlich der Energieinfrastruktur. Mit Movitrans bieten wir die energetische Flexibilität für modulare Infrastrukturkonzepte, die vor allem mit Fahrzeugen einhergehen. Dazu gehören AGVs und mobile Assistenten, wie wir sie entwickeln und anbieten. Nach und nach werden sie die alten, starren Installationen ersetzen.

Bei der Ausgestaltung der Systeme haben wir den Fokus auf zwei verschiedene Anwendungsfelder der Energieübertragung gelegt: Für eine permanente Energieversorgung bieten wir die Linienleitersysteme „Movitrans line“ an. Soll sich ein mobiles System aber nicht entlang einer Spur, sondern frei im Raum bewegen, kommen unsere Punktladesysteme aus dem Programm „Movitrans spot“ mit Energiespeichern zum Einsatz. Sie bieten die nötige Freiheit, um alle Anforderungen der modularen Smart Factory lösen zu können.

Mit „Movitrans spot“ können die Fahrzeuge in kurzer Zeit ihre Energiespeicher aufladen und dann frei im Raum navigieren. Beispiel: Aufbodensystem
Mit „Movitrans spot“ können die Fahrzeuge in kurzer Zeit ihre Energiespeicher aufladen und dann frei im Raum navigieren. Beispiel: Aufbodensystem
© SEW-Eurodrive

Wodurch unterscheiden sich die beiden Varianten?

Movitrans line ist für Applikationen gedacht, bei denen Fahrzeuge auf einem vordefinierten Weg entlang einer Spur geführt und dadurch permanent mit Energie versorgt werden. Mittels kleiner Energiespeicher können die Fahrzeuge ihre Spur für kurzzeitige Abweichungen verlassen, wodurch sie mit geringerem Speicheraufwand auskommen. Kunden können somit ihre mobilen Systeme gewichts- und kostenoptimal aufbauen. Momentan sind vor allem die liniengeführten Systeme wegen ihrer einfachen Handhabung beliebt. Aber im Laufe der Jahre haben wir einen zunehmenden Wunsch nach mehrdimensionaler Freibeweglichkeit beobachtet. Fabrik-Layouts, bei denen ohne die Bindung an eine bestimmte Fahrstrecke gefahren werden soll, brauchen ein anderes Konzept.

Mit Movitrans spot haben wir die energetische Voraussetzung für Freiraumlösungen geschaffen, was jedoch größere Energiespeicher im Fahrzeug erfordert. Über Ladepunkte, sogenannte Spots – daher der Name – können die Fahrzeuge ihre Energiespeicher in kurzer Zeit aufladen und dann frei im Raum navigieren. Die autonome Navigation macht die Sache zwar etwas komplexer, aber die Systeme entwickeln sich rasant weiter und werden immer besser beherrschbar, was zu einem starken Trend führt. In Werkshallen sieht man allmählich mehr Freiraumfahrzeuge als liniengeführte.


Für welche Einsatzgebiete ist Movitrans entwickelt?

Der Schwerpunkt liegt klar auf der Fabrikautomatisierung. Movitrans bietet jedoch auch zahlreiche Vorteile in Einsatzfeldern, die nicht im klassischen Segment oder Zielmarkt von SEW-Eurodrive liegen, etwa in Freizeitparks mit bewegten Vergnügungsattraktionen. Gerade dort kann man keine Kabel hinter den Fahrzeugen herziehen. Mit Movitrans sind keine Schleif- und Schleppleitungen nötig, die abgesehen vom Raumbedarf auch wartungsintensiv sind und bei den steigenden Produktionstakten an ihre physikalisch-technischen Grenzen stoßen. Auch der rasant zunehmende 24/7-Onlinehandel erfordert eine Intralogistik hoher Verfügbarkeit. Wartungszyklen schmelzen auf ein zeitliches Minimum und kosten Umsatz und damit Geld. Ein weiterer nicht unerheblicher Aspekt ist der wachsende Fachkräftemangel, so dass es immer schwieriger wird, verschleißbehaftete Systeme produktiv zu halten.

In den Bahnhöfen der Panoramabahn im Europapark Rust werden die Lokomotiven über stationäre Inbodenfeldplatten des Typs „Movitrans TFS“ induktiv geladen.
In den Bahnhöfen der Panoramabahn im Europapark Rust werden die Lokomotiven über stationäre Inbodenfeldplatten des Typs „Movitrans TFS“ induktiv geladen.
© SEW-Eurodrive

Wie erfolgen Installation und Inbetriebnahme?

Movitrans lässt sich genauso komfortabel handhaben wie klassische Installationen. Wir haben das System konsequent auf Einfachheit optimiert – sowohl in der Installation als auch in der Inbetriebnahme. Früher haben wir tiefe Schlitze in Hallenböden gefräst, um Kabel zu verlegen. Heute verwenden wir optimierte Systeme auf Basis von Keilleitern, mit denen nur noch geringe Eingriffe in den Hallenboden nötig sind. Auf diese Weise kann unkompliziert ein barrierefreies Energieverteilungsnetz geschaffen werden. Für Kunden, die nicht in den Hallenboden eingreifen oder ihn bearbeiten wollen, haben wir ein Aufbodensystem entwickelt: In Industriekunststoffböden, wie man sie auch aus dem Messebau kennt, wird das Movitrans-System line oder spot eingelassen. Der Kunde kann es schnell und problemlos auf seinem Hallenboden verlegen und ist flexibel, wenn er seine Installation irgendwann anders gestalten will.

Eine Linienleiterschleife bringt durch die Installation eine Streckeninduktivität mit, die ab einer gewissen Ausdehnung kompensiert werden muss. Hierfür waren in der Vergangenheit spezielle Messgeräte erforderlich. Jetzt ist das einfacher: Wir haben eine kompakte, dezentrale Einspeiseelektronik und eine Feinkompensationsbox entwickelt, die die Induktivität automatisch ausmessen und mit wenigen Handgriffen kompensieren kann. Diese Technik ist in die Movitrans-Lösung integriert. Auch die Tools für Planung und Inbetriebnahme wurden erheblich ausgebaut. Das gesamte System lässt sich leichter projektieren und bedienen.

Bei der Aufbodenvariante wird das Movitrans-System in Industriekunststoffböden eingelassen, wie man sie auch aus dem Messebau kennt. Hierbei ist kein Eingriff in den Hallenboden erforderlich.
Bei der Aufbodenvariante wird das Movitrans-System in Industriekunststoffböden eingelassen, wie man sie auch aus dem Messebau kennt. Hierbei ist kein Eingriff in den Hallenboden erforderlich.
© SEW-Eurodrive

Wie berücksichtigen Sie regionale Unterschiede?

Movitrans lässt sich an verschiedene Spannungssysteme anschließen und ist grundsätzlich überall einsetzbar. Die energetische Infrastruktur unterliegt weltweit einer Normung, die einerseits vereinheitlicht ist, aber andererseits regional große Unterschiede aufweist. In den USA sind Abnahmen von UL - Underwriters Laboratories – häufig erforderlich. Darüber hinaus sind bei allen Systemen, die elektromagnetische Felder erzeugen, Normen bezüglich der elektromagnetischen Feldstärken einzuhalten. Auch hier gibt es regionale Unterschiede.


Welche drahtlosen Datenübertragungstechniken eignen sich für eine Nutzung gemeinsam mit der Movitrans-Technik, welche nicht? Welche bieten sich dafür besonders an und warum?

Das kontaktlose Energieübertragungssystem Movitrans arbeitet mit einem induktiven Nahfeld. Deshalb beeinflusst es die gängigen Funkübertragungstechniken wie etwa WLAN nicht maßgeblich. Movitrans lässt sich in Kombination mit allen standardisierten und industrietauglichen Datenübertragungssystemen einsetzen.


Was sind Ihre Ziele für die nächste Dekade?

Wir richten uns auf die Zukunft aus und wollen die Fabriken nicht nur über die Kommunikation automatisieren, sondern auch energetisch vernetzen. Das eine geht mit dem anderen einher. Deshalb werden wir auch bei der Kommunikationsübertragung neben dem bekannten System noch vielfältige neue Lösungen schaffen.

In unserem Gesamtportfolio setzen wir mit dem Automatisierungsbaukasten „Movi-C“ die Integration aller SEW-Komponenten weiter fort. Dazu gehört auch die Einbindung in vernetzte Systeme, denn so lassen sich Energie und Leistung insgesamt besser managen. Hierfür werden wir in den nächsten zehn Jahren unser Produktportfolio digitalisieren. Produkte und Lösungen gestalten wir so, dass sie in der vertikalen Digitalisierung vollumfänglich einsetzbar sind.

Die Fragen stellte Andreas Knoll.


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