Induktive Energieübertragung in eine kryogene Umgebung : Design und Charakterisierung einer drahtlosen Energieübertragungsstrecke für den Betrieb einer Greiferaktorik

Abstract

In der Forschung und Industrie ist die Automatisierung allgegenwärtig und findet ihren Weg in immer mehr hochspezialisierte Anwendungen - einschließlich der Kryokonservierung. Dennoch ist die manuelle Handhabung von biologischen oder toxischen Proben in wissenschaftlichen und kommerziellen Lagereinrichtungen immer noch vorherrschend. Dies bedingt für das Personal ein erhebliches Verletzungsrisiko durch Kälteverbrennungen. Darüber hinaus wird die Unversehrtheit der Proben durch Temperaturschwankungen oder Verunreinigungen gefährdet. In diesem Beitrag wird ein Ansatz für die Automatisierung von Handhabungsprozessen bei tiefen Tem-peraturen zwischen -130 °C und -190 °C in Kryobanken vorgestellt. Das Automatisierungssystem basiert auf einem Parallelroboter, da seine Struktur die Positionierung der Antriebe außerhalb des gekühlten Arbeitsraums erlaubt. Die Gelenke und Manipulatoren des Roboters befinden sich innerhalb des kroygenen Lagerbehälters, der mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird. Die Energieversorgung der kryotauglichen Greiferaktorik im Inneren des Lagerbehälters erfolgt induktiv. Zu diesem Zweck wurden Varianten von Spulendesigns und deren Anordnung mit der FEM-Software ANSYS unter Einbeziehung von applikationsspezifischen Randbedingungen modelliert. Die Dimensionierung der Schwingkreise wurde mit Berechnungen in Mathcad ergänzend durchgeführt. Die entwickelte Greiferaktorik lässt sich in flüssigem Stickstoff mit einem Wirkungsgrad von etwa 86% bei einem Spulen-abstand von 9,5 cm und noch mit etwa 10% Wirkungsgrad bei einem Spulenabstand von 33,5 cm betreiben.