Energy Harvesting Elektrodynamischer Wandler mit Industriequalität

Der Begriff Energy Harvesting war noch vor zehn Jahren nur einer kleinen Gruppe von Spezialisten bekannt. Inzwischen gibt es eine Vielzahl von -Produkten auf dem Markt, die Energie aus der Umgebung nutzen. Die -aktuelle Generation mechanischer Energiewandler für batterielose -Funksensoren beispielsweise eröffnet dank höherer Leistungsfähigkeit zahlreiche neue Anwendungsgebiete.

Die Grundidee für die Energy-Harvesting-Technik beruht auf einer einfachen Beobachtung: Dort, wo Sensoren Messwerte erfassen, ändert sich auch jeweils der Energiezustand. Ein Schalter wird gedrückt, die Temperatur ändert sich oder die Beleuchtungsstärke variiert. All diese Vorgänge beinhalten genug Energie, um Funksignale zu übertragen.

Besonders mechanische Energie findet sich überall - in der Bewegung von Türen und Fenstern oder Maschinenteilen, der Vibration von Motoren, dem Betätigen von Klinken oder Schaltern. Mit dem elektrodynamischen Energiewandler „ECO 200“ (Bild 1) hat die EnOcean GmbH die nächste Generation von mechanisch betätigten Mikrogeneratoren für batterielose Funkschalter als Serienprodukt auf den Markt gebracht.

Gegenüber der Vorgängergeneration konnte die maximale Zyklenanzahl deutlich gesteigert werden. Der höhere Wandlerwirkungsgrad ermöglicht eine kompaktere Bauweise und erleichtert die Integration in Produkte wie z.B. batterielose Funkschalter.

Energiewandler für mechanische Betätigung

Um möglichst vielseitig einsetzbar zu sein, benötigt ein Energiewandler für energieautarke Systeme bestimmte Eigenschaften. Zunächst sollte er einen hohen Wirkungsgrad haben, um möglichst viel Energie zu „ernten“. Ein hoher Wirkungsgrad ermöglicht es auch, kleine Kräfte und Bewegungen zu nutzen. Zudem spielen eine hohe Lebensdauer, eine kleine Bauform und niedrige Kosten eine wichtige Rolle. Der elektrodynamische Wandler ECO 200 erfüllt diese zum Teil widersprüchlichen Forderungen (Bild 2).

Ein kleiner, aber sehr starker Magnet treibt einen magnetischen Fluss durch zwei magnetisch leitende Ankerbleche. Der Fluss schließt sich in einem U-förmigen Kern. Um diesen Kern ist eine Induktionsspule gewickelt. Ein Plastikrahmen und eine federnde Klammer halten die magnetisch wirksamen Teile in Position.

Der U-förmige Kern ist beweglich - er kann zwei Positionen einnehmen, in denen er die jeweils gegenüberliegenden Ankerbleche berührt. Dadurch kehrt sich in jeder Endstellung der magnetische Fluss im U-Kern um. Diese Umpol-Konstruktion liefert eine maximale magnetische Flussänderung durch die Spule mit einer minimalen Bewegung des Kerns - und damit einen hohen Wirkungsgrad.

Zudem ist die Energieabgabe unabhängig von der Geschwindigkeit der Betätigung. Dafür sorgt ein mechanischer Energiespeicher in Form einer Blattfeder. Diese bildet die Schnittstelle zur Betätigung des ECO 200. Wird die Blattfeder zunehmend verbogen, speichert diese solange mechanische Energie, bis die magnetischen Selbsthaltungskräfte den U-Kern nicht mehr in seiner Position halten können.

Übersteigen die Federkräfte die Selbsthaltung von ca. 3,5 N, klappt der U-Kern, durch die Federkraft beschleunigt, in seine zweite Position.

Dadurch wird ein Spannungspuls in der Induktionsspule erzeugt. Die Geschwindigkeit des Umklappens bestimmt wesentlich die Energiemenge, die der Spule entnommen werden kann - und ist immer konstant, da die Feder den U-Kern stets gleich beschleunigt, unabhängig davon, wie schnell sie gespannt wurde.

Jede Betätigung des Energiewandlers liefert also einen kleinen elektrischen Impuls, der sofort für den kurzzeitigen Betrieb elektronischer Schaltungen genutzt werden kann. Eine besonders sinnvolle Anwendung ist die Kombination mit einem Funksender, denn dies ermöglicht einen draht- und batterielosen - und damit wartungsfreien - Schalter.