Induktivkoppler Berührungslose Übertragung von Energie und Signalen

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Die Digitalisierung hält in immer mehr Bereichen Einzug. Um auch bei mobilen Anlagenteilen Energie und Signale zwischen stationären und bewegten Komponenten kontaktlos übertragen zu können, hat SMW-electronics induktive Koppelsysteme entwickelt.

Diese Koppelsysteme stehen zum einen als Koppler in Scheibengeometrie beziehungsweise Radialkoppler mit und ohne Innendurchgang zur Verfügung. Zum anderen werden zylinderförmige Koppler mit Gewinde angeboten. Die induktive Kopplung ist verschleiß- und wartungsfrei und ersetzt die klassische Übertragung mittels Kabeln und Kontakten oder Schleifringen.

Die steigende Automatisierung bedingt den zunehmenden Einsatz von Sensoren und Aktoren auch in rotierenden oder sich bewegenden Anlagenteilen. Bisher erfolgte bei diesen Systemen die Übertragung von Energie und Signalen mittels Kabeln, Steckern oder Schleifringen. Diese Komponenten verschleißen allerdings schnell und sind anfällig für Verschmutzungen.

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Als Lösung entwickelte SMW-electronics kontaktlos arbeitende induktive Koppelsysteme. Diese stehen in den unterschiedlichsten Ausführungen sowohl als Radialkoppler mit und ohne Innendurchgang als auch als zylinderförmige Koppler mit Gewinde zur Verfügung.

Mit ihnen lassen sich die unterschiedlichsten, in mobilen Anlagenteilen untergebrachten Aktoren und Sensoren über einen Luftspalt verschleißfrei an Bussysteme und die Energieversorgung koppeln. Aber auch für unbewegte Komponenten sind die Koppler oftmals die ideale Lösung, beispielsweise wenn Trennwände aus nichtmetallischem Material überbrückt werden müssen.

Funktionsweise der Induktivkoppler

Die in der Schutzart IP67 ausgeführten Kopplergehäuse schützen die innenliegende Elektronik und den zur Übertragung nötigen Spulensatz vor Umwelteinflüssen wie Wasser und Staub. Die Elektronik der stationären Basiseinheit (Base) wandelt die Gleichspannung in eine Wechselspannung mit – je nach Koppler – Frequenzen zwischen 50 und 200 Kilohertz um. Die Energieübertragung erfolgt, indem die Wechselspannung vom Spulensatz im stationären Teil in ein wechselndes Magnetfeld umgewandelt wird und in Richtung der mobilen Seite (Remote) über den Luftspalt abgestrahlt wird. Auf der mobilen Seite erfolgt wiederum die Umwandlung des eingefangenen Magnetfeldes in eine elektrische Spannung mit Hilfe des Spulensatzes.

Für die Signalübertragung wird ebenfalls ein Wechselmagnetfeld mit Frequenzen von 1 Megahertz bis 30 Megahertz erzeugt. Signale werden durch Modulation der sinusförmigen Grundschwingung auf der Senderseite und entsprechender Demodulation auf der Empfängerseite übertragen. Analoge Koppler übertragen die Signale innerhalb von 4 bis 5 Millisekunden, digitale Koppler innerhalb von einer Millisekunde. Bei Kopplern für Ethernet oder IO-Link beträgt die interne Durchlaufzeit nur etwa 10 Tausendstel Sekunden. Je nach Koppler können dabei Luftspalte und nichtmetallische Hindernisse von 2 bis 10 Millimeter überbrückt und ein Winkelversatz bis 20 Grad ausgeglichen werden.

Durch die potentialfreie Nahfeldübertragung über einen Luftspalt ergibt sich eine große Flexibilität in der Applikation. So kann man beispielsweise innerhalb eines Toleranzfeldes Versatz zwischen mobiler und stationärer Seite ausgleichen. Die Koppler können auch bei sehr hohen Drehzahlen, unter rauen Umgebungsbedingungen oder in Reinraumapplikationen eingesetzt werden.

Standardmäßig stehen Koppler für die Leistungsübertragung von 1 bis 1500 Watt zur Verfügung. Für kundenspezifische Anwendungen können auch Systeme für höhere Leistungen entwickelt werden. Begrenzender Faktor ist hier die zur Verfügung stehende Koppelfläche: Je größer diese ist, umso mehr Leistung kann auch übertragen werden. Die Signale können in Form von Analogsignalen (0-10 Volt/ 4-20Milliampere), Digitalsignalen (PNP), Ethernet-basierende Feldbusse, I/O-Link und CAN-Bus erfolgen.

Anwendungsbeispiele für Radialkoppler

Die Radialkoppler wurden insbesondere für Maschinen entwickelt, bei denen auf eine sich bewegende Maschinenkomponente oder eine rotierende Welle die Übertragung von Energie und Signalen erfolgen soll. Anwendungsbeispiele hierfür sind:

• Werkzeugmaschinen: Mit den induktiven Kopplersystemen lässt sich beispielsweise in einem Spannfutter auch während der Rotation permanent die Spannkraft überwachen. Auch endlos rotierende Applikationen sind mit den Induktivkopplern so problemlos realisierbar.

• EOAT (End of Arm Tooling) bei Robotern: Die elektromechanischen Greifer von Robotern beschleunigen teilweise so hochdynamisch, dass Kabel nach einer gewissen Zeit durch die entstehenden Kräfte brechen. Durch die berührungsfreie Übertragung von Energie und Signalen an die Greifer wird diese Gefahr gebannt. Sollte an dem Greifer eine Kamera installiert sein, erfolgt die schnelle Signalübertragung mittels Ethernet. Weiterer Vorteil: Die induktiven Koppelsysteme können durch die verschleißfreie Übertragung auch in Reinraumanwendungen verwendet werden.

Anwendungsbeispiele für zylinderförmige Koppler

Die zylinderförmigen Induktivkoppler unterstützen wie alle Kopplersysteme das Dynamic Pairing. Das heißt, die stationäre Einheit kann mit einer Vielzahl an unterschiedlichen mobilen Einheiten gleicher Bauart kommunizieren. Die Kommunikation einer Remote-Einheit mit verschiedenen Base-Einheiten ist ebenfalls möglich. Immer wenn Remote und Base sich gegenüberstehen, verbinden diese sich innerhalb von ca. 100 Millisekunden miteinander, sodass die Energie- und Signalübertragung erfolgen kann. Die Koppler sind somit ideal geeignet für Transportsysteme oder Applikationen, bei denen etwas angekoppelt wird. Dies können beispielsweise sein:

• Conveyor-System (Förderanlagensystem): Hier arbeitet eine Base-Einheit mit vielen Remote-Einheiten zusammen. Beispielsweise wird diese Lösung genutzt, wenn auf einem Produktionsband Werkstückträger gefördert werden. Auf diesen sind dann die Remote-Einheiten angebracht. Fahren die Werkstückträger an der Base vorbei, werden Base und Remote innerhalb von 100 Millisekunden gekoppelt und die Energie- und Signalübertragung kann erfolgen. Die zylinderförmigen Koppler können wie Radialkoppler durch den verschleiß- und verschmutzungsfreien Betrieb auch in Reinraumanwendungen eingesetzt werden.

• Mobile Maschinen: Auch für robuste Anwendungen stehen schockresistente zylinderförmige Koppler in IP67 zur Verfügung. Beispielsweise kann durch die Induktivkoppler ein schneller und mannloser Werkzeugwechsel, wie zum Beispiel das Anbringen von unterschiedlichen Sortiergreifern an Baggern, schnell und einfach realisiert werden. Hierfür wird am Aufnehmer des Baggerarms die Base befestigt und an den Sortiergreifern jeweils eine Remote-Einheit. Beim Wechsel wird der Greifer innerhalb von 100 Millisekunden für die zuverlässige Kommunikation zwischen Bagger und Anbauwerkzeug gekoppelt. Der Fahrer muss dafür die Baggerkabine nicht verlassen. Verschleißbehaftete und schmutzanfällige Stecker gehören somit der Vergangenheit an. Die Signalqualität wird auch bei den in Baumaschinen auftretenden starken Vibrationen und Stößen nicht beeinträchtigt.

Bei den Kopplern in Scheibengeometrie lässt sich beispielsweise eine Welle durchführen oder eine Medienübertragung in Form eines Drehverteilers für Fluide oder Gase realisieren. Weitere Vorteile der Radialkoppler sind die Höhe der übertragbaren Leistung sowie die Möglichkeit, auch komplexere Signale wie beispielsweise für Ethernet-basierende Feldbusse oder Analogsignale zu übertragen. Bei Bedarf können die Koppler kundenspezifisch angepasst werden. Ein umfangreiches Zubehörprogramm wie mechatronische Greifer, Sensorik, Spanntechnik, I/O-Link-Sensorhubs oder Kabel rundet das Angebot ab.

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