Testbett für Magnetische Energy Harvester (MEH)
Das Werkzeug, an dem sich die Theorie beweisen muss
Kann ein Magnetischer Energy Harvester mehr Leistung abgeben, als in seinen Antrieb fliesst? Um diese Forschungsfrage der Kresearch GmbH messbar zu machen, entstand ein Testbett, das Antrieb, Drehmoment, Schwingung und elektrische Leistung zeitgleich erfasst und in einer webbasierten Oberfläche zusammenführt. Die Diplomarbeit umfasst den gesamten Weg von der Planung über Elektronik, Software und Mechanik bis zur messtechnischen Validierung.
Ausgangslage
Dr.-Ing. Lukas Kurmann von der Kresearch GmbH hatte einen ersten Prototyp: Motor, Drehmomentsensor und Harvester auf einer Welle. Was fehlte, war ein Messsystem, das alles gleichzeitig erfasst und dem man auch vertrauen kann. Meine Aufgabe war es, daraus ein bedienbares Testbett zu machen, mit neuem Antrieb, zusätzlicher Sensorik und einer gemeinsamen Oberfläche für Steuerung und Auswertung.
Vorgehen
Zuerst habe ich mit dem Kunden die Anforderungen in einem Pflichtenheft festgehalten. Danach ging es an die Komponentenwahl. Den Servomotor habe ich direkt mit einem Hersteller in China konfiguriert. Weil die Lieferzeit lang war, habe ich die Software parallel entwickelt und in einem Simulationsmodus getestet, damit beim Eintreffen des Motors alles bereit war. Für die Schwingungsmessung habe ich einen Signal-Conditioner selbst entwickelt, vom Breadboard bis zur gelöteten Platine. Zum Schluss habe ich die Beschleunigungssensoren gegen einen induktiven Referenz-Wegsensor (LVDT) validiert. Das war der spannendste Teil: Die ersten Messungen lagen über 80 % daneben. Erst mit systematischer Fehlersuche wurde daraus ein Messwert, auf den man sich verlassen kann.
Ergebnisse
Das Testbett läuft und wird komplett über eine Weboberfläche bedient: Motor steuern, alle Messwerte live anschauen und die Messung als CSV-Datei aufzeichnen. Die Schwingungsmessung ist validiert, mit einer Abweichung von höchstens 4,8 % bei der Amplitude und 0,13 % bei der Frequenz. Von 15 Abnahmekriterien sind 10 vollständig und 5 teilweise erfüllt.
Ausblick
Als Nächstes soll die Leistung, die der Harvester tatsächlich erzeugt, direkt gemessen werden. Erst dann ist die Leistungsbilanz vollständig. Offen sind ausserdem die Erfassung des Drehmoments mit 1 kHz und ein Hardware-Not-Halt. Eine eigene Leiterplatte für den Signal-Conditioner würde den Aufbau robuster machen. Die Software ist modular aufgebaut und lässt sich einfach erweitern, damit ist das Testbett bereit für die weitere Forschung.
Technische Daten
- Antrieb: PMSM-Servomotor 750 W / 48 V DC, Encoder mit 2500 Impulsen pro Umdrehung
- Drehmoment: burster-Sensor, direkt in die Software eingebunden
- Schwingung: 2 Beschleunigungssensoren ADXL345, Abtastrate 133 Hz
- Referenz: LVDT mit selbst entwickeltem Signal-Conditioner
- Leistung: Strom-, Spannungs- und Leistungsmessung mit INA228
- Steuerung: Arduino UNO R4, Python-Backend, Web-HMI
- Datenaufzeichnung: CSV mit gemeinsamem Zeitstempel
Zornic Ibrahim Berin
Projektleiter mit elektrotechnischen Wurzeln. Ich sorge in Projekten für Industrie und öffentliche Bauherren dafür, dass Gebäudetechnik, Automation und Elektro zusammenpassen, und dass Kosten, Termine und Qualität dabei im Griff bleiben.
zoiberin@gmail.com
Interesse an der Dokumentation?
Bei Interesse an den Unterlagen können Sie mich gerne kontaktieren. Auf Anfrage stelle ich gerne die vollständige Dokumentation zur Verfügung.
