Auf einer Antriebswelle im Institut haben die Fraunhofer-Forscher einen Beschleunigungssensor mit Elektronik zur Datenverarbeitung und drahtloser Echtzeit-Datenübertragung angebracht. (Bild: Fraunhofer LBF)
In dem Forschungsprojekt ‚SmartPS‘ entwickelt das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt energieautarke Sensorsysteme für rotierende Systeme, die direkt an der Wirkstelle sitzen. Die Sensorsysteme sollen eine zuverlässige Zustandsüberwachung und Belastungsanalyse des rotierenden Systems – einer Schiffsantriebswelle – ermöglichen.
Belastungs- und Zustandsdaten aus dem Antriebsstrang liegen über drahtlose Datenübertragung – Bluetooth oder WLAN – direkt beim Nutzer vor, sobald der Antriebsstrang rotiert. Diese Informationen dienen einer bedarfsgerechten und kostengünstigeren Wartung, und sie können die Entwicklung neuer Antriebsgenerationen in Richtung einer leichteren Dimensionierung unterstützen. Darüber hinaus wird es möglich, Sensoren an schwer erreichbaren Stellen in Antriebssträngen einzusetzen.
Beim ersten Einsatz der Sensorik auf einer Schiffsantriebswelle wurden die Sensormessdaten via Bluetooth aus dem Maschinenraum zu einem zentralen Rechner an Bord übertragen. Fraunhofer LBF
Bei der Erprobung des Schwingungsenergie-Generators in einem Prüfstand konnten die Fraunhofer-Forscher mehrere Milliwatt Leistung generieren, ausreichend für die MEMS (Micro Electro Mechanical System)-Sensoren. Unter anderem lassen sich damit zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) Beschleunigungssensoren oder Temperatursensorik, beispielsweise ein Infrarot-Wärmesensor, betreiben.
Zur Entwicklung der rotierenden Sensorik hat das Fraunhofer LBF einen ersten Versuch in einem Schiffsantrieb während einer Flussfahrt in Kooperation mit Center for Photonics and Quantum Materials des Skolkovo Institute of Science & Technology unternommen. Bei dem ersten Einsatz von Beschleunigungssensoren auf einer Schiffsantriebswelle konnten die Forscher zeigen, dass die Datenübertragung via Bluetooth aus dem Maschinenraum zu einem zentralen Rechner an Bord möglich ist. Somit ließ sich die Drehschwingung des Schiffsantriebs erfolgreich aufzeichnen.
Der Schwingungsenergie-Generator zur Wandlung von mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie macht die Sensorik autark, unabhängig vom übrigen Stromnetz. Fraunhofer LBF
Sensorik: unabhängig von Bordelektronik
Der vom Fraunhofer LBF entwickelte rotatorische Schwingungsenergie-Generator hat mehrere Vorteile: Sobald der Antriebsstrang rotiert, liefert die autarke Sensorik vorliegende Belastungs- und Zustandsdaten. Da Energiequelle und Sensorik in einem System integriert sind, wird die Sensorik unabhängig von vorhandener Bordelektronik. Darüber hinaus sind keine mechanischen Verbindungen zwischen rotierendem und stehendem System erforderlich, und es müssen keine Batterien gewartet oder ausgetauscht werden.
Bislang konzentriert sich das Forschungsprojekt zur Entwicklung der energieautarken Sensorik in rotierenden Systemen auf den maritimen Bereich. Zurzeit planen die Wissenschaftler die Erprobung und den Einsatz ihres neuartigen Systems in Schiffsantrieben. Künftig ist der Einsatz jedoch in jeglichen rotierenden Systemen, beispielsweise Kraftmaschinen mit großen Wellendurchmessern, vorstellbar. Für das bis Ende 2019 laufende Vorhaben sind Folgeprojekte geplant, die unter anderem auch die Entwicklung eines marktreifen Produktes zum Ziel haben.
In dem öffentlich geförderten Projekt SmartPS im Rahmen des Martec Call (Projektträger Jülich als Teil des Forschungszentrum Jülich) kooperieren Reintjes Power Train Solutions, Continental Contitech, Deltamarin, BNTU, Gdansk University of Technology und das Fraunhofer LBF.
(dw)