Advertorial: Sensorik

GMI-Sensortechnik für neue Anwendungen der Industrie 4.0

02.05.2025

Der österreichischen FLUX GmbH ist es gelungen, den Effekt der Giant Magneto Impedance (GMI) dafür zu nutzen, innovative Encoder zu entwickeln. Die kompakten und präzisen Sensoren besitzen erstaunliche Fähigkeiten: Sie sind für Anwendungen geeignet, bei denen herkömmliche Encoder an die Grenzen des technisch Machbaren stoßen. Das eröffnet vielfältige neue Einsatzmöglichkeiten – beispielsweise im Bereich der Werkzeugmaschinen, in kreiselstabilisierten Plattformen sowie in Prüfständen.

Die Industrie 4.0 entwickelt sich mit einer großen Dynamik weiter, vor allem in der Automatisierung und der Robotik. Mit ihren GMI-Encodern hat die FLUX GmbH aus dem österreichischen Braunau am Inn Lösungen gefunden, die mit dem rasanten Tempo Schritt halten können. Bereits vor Firmengründung 2017 waren die Experten für Sensorik in vielfältigen Branchen aktiv, mit großem und jahrzehntelangem Know-how für magnetische, induktive und optische Technologien. FLUX-Mitgründer und CEO Paul Tutzu erinnert sich: „Ab einem bestimmten Punkt stellten wir fest, dass die bekannte Sensorik vor allem beim Erfassen von Rotations- und linearen Bewegungsabläufen hart am Limit ist. Es war Zeit für neue Entwicklungen: für Sensoren und Encoder, die den gestiegenen Anforderungen an Leistung und Performance gerecht werden, jedoch dabei auch maximale Anpassungsfähigkeit und Flexibilität bieten. Mit unserer Technologie sind den Einsatzbereichen für Encoder so gut wie keine Grenzen gesetzt.“

Die Familie der FLUX-Encoder besteht aktuell aus vier Produktlinien, zwei davon basieren auf dem GMI-Prinzip: Die GMI® Angle Encoder (GMI-ANG Serie) bieten ultraschnelle und hochpräzise Winkelmessung in Bogensekunden (1 arcsec = 1/3600 Grad) für die anspruchvollsten Anwendungen. GMI® Rotary Encoder (GMI-ROT Serie) für die Positionsmessung ermöglichen die Vorteile der GMI-Technologie auch in Anwendungen für Positionsmessung mit kompaktem Einbauraum, die mit herkömmlichen Drehgebern nicht umsetzbar sind. Die induktiven Produktlinien ergänzen die beiden GMI-Serien um präzise und robuste Absolutdrehgeber mit induktiver Technologie. Während die IND-ROT Serie das derzeit kleinste und gleichsam präziseste Encoder-Design auf dem Markt bietet, ist die neue Serie IND-MAX ist in besonderem Maß auf Robustheit und lange Lebensdauer ausgelegt, mit gekapselter Ausführung (IP67) und zuverlässigem Betrieb im Standard-Temperaturbereich von -20 bis +85 °C, im erweiterten Bereich (Option „E“) sogar von -40 bis +125 °C. Montage und Installation sind ebenso einfach wie schnell erledigt, typisch für FLUX-Encoder sind die großen Betriebs- und Montagetoleranzen.

GMI Encoder – Funktionsprinzip Giant Magneto Impedance (GMI)

Doch wie funktionieren die GMI-Encoder von FLUX? Zugrunde liegt ihnen ein bekanntes Prinzip: Bestimmte Materialien ändern ihre Impedanz, also den Wechselstromwiderstand, sobald sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt sind. Das wiederum hat Auswirkungen auf den sogenannten Skin-Effekt, der durch Anlegen eines Wechselstroms im GMI-Material hervorgerufen wird. Auf diese Weise ist es möglich, ein Signal in Abhängigkeit von der Position zwischen Sensor (GMI-Folie) und Maßband (externes Magnetfeld) zu erzeugen. Die findigen Köpfe von FLUX nutzen diesen (inzwischen patentierten) GMI-Effekt zur Positionsbestimmung – ein Ansatz, der in dieser Form noch von niemandem verfolgt worden ist. Der FLUX GmbH ist es gelungen, all ihr Wissen auf die Entwicklung und Herstellung ihrer neuartigen Encoder anzuwenden.

Die GMI-Technologie macht Anwendungen denkbar, die bislang ausgeschlossen schienen, weil übliche Sensoren und Encoder wegen ihrer Größe oder Trägheit ungeeignet sind. FLUX GMI-Encoder kombinieren die hochgenaue Leistung eines optischen mit der Robustheit eines induktiven Drehgebers und der großen Montagetoleranz eines magnetischen Drehgebers. FLUX-Encoder arbeiten hysteresefrei und bieten eine Positionserfassung in Echtzeit: Die aktuelle Position steht zu jeder Zeit ohne Verzögerung bereit. Sie vereinen damit die Eigenschaften und Funktionen bisheriger Encoder-Systeme in nur einem einzigen Gerät – das spart Kosten für Energie, Einbau, Integration, Betrieb und Wartung.

Präzision auch in rauen Umgebungen

FLUX-GMI-ANGLE-Encoder: GMI® ANGLE Encoder von FLUX basieren auf der patentierten GMI-Technologie und eignen sich mit ihren vielfältigen Eigenschaften für Anwendungen, die höchsten Ansprüchen genügen müssen und mit konventionellen Encodern nicht realisierbar sind. Bild: FLUX GmbH

Einige Beispiele aus der Praxis: Im Bereich Werkzeugmaschinen hat sich vor allem die Produktfamilie GMI Angle Encoder bewährt. Eine ihrer Besonderheiten ist, dass sie (wie auch die zweite Produktfamilie GMI Rotary Encoder) lagerlos und damit praktisch frei von Verschleiß sind. Fehlerhafte Ergebnisse durch mechanische Defekte, wie sie bei einem gelagerten Encoder auftreten können, entfallen. Kompakte Maße spielen für den Einsatz in Werkzeugmaschinen keine übermäßige Rolle, wohl aber der flache Aufbau und die großen Durchlöcher der GMI Angle Encoder: Sie bieten viel Raum für das Durchführen von Kabeln und Leitungen. Die Datenerfassung erfolgt in Echtzeit und mit einer Winkelgenauigkeit von ± 4 Bogensekunden. Abläufe in der Produktion werden auf diese Weise nicht nur mit höchster Präzision, sondern auch in einer überragenden Geschwindigkeit erfasst.

Ein weiteres Merkmal der GMI Angle Encoder von FLUX ist die 360°-Abtastung, die den Encoder unempfindlich gegen Temperaturschwankungen macht. Die typischen Messfehler, die bei der konventionellen Einpunkt-Abtastung durch die Wärmeausdehnung einzelner Teile auftreten können, sind kein Faktor mehr. Auch bei der Installation punkten die FLUX-Encoder mit sehr weiten Montagetoleranzen, und das bei statischen sowie dynamischen Abweichungen. Sie liefern ohne Feldkalibrierung hochgenaue Ergebnisse. Dank der Auslegung für Schutzklasse IP67 und ihrer Fähigkeit, in einem großen Temperaturbereich zu arbeiten, sind die GMI Angle Encoder auch in rauen Umgebungen betriebsfähig und liefern präzise Ergebnisse: Schmutz, Flüssigkeiten, Temperaturschwankungen machen ihnen nichts aus.

„Auf mittlere Sicht ergeben sich aus der Unempfindlichkeit unserer GMI-Encoder sogar Einsparpotenziale bei der Wartung: Was eine lange Lebensdauer hat und ausfallsicher ist, verringert die Standzeiten von Maschinen, und Wartungszyklen können verlängert werden.“

Paul Tutzu Mitbegründer und CEO, FLUX GmbH

FLUX-GMI-Encoder für kreiselstabilisierte Plattformen

FLUX-GMI-ROTARY-Encoder: Die GMI® ROTARY Encoder von FLUX bieten größte Präzision, hohe Langlebigkeit und ermöglichen Anwendungen, bei denen herkömmliche Encoder an Grenzen stoßen. Bild: FLUX GmbH

Starke Vibrationen und mechanische Schocks sind typische Probleme, die beim Betrieb von Kameras oder anderen optischen Geräten auftreten. Um dennoch ruhige, stabile Bilder einzufangen, verwendet man kreiselstabilisierte Plattformen, sogenannte Gimbals. Sie gleichen störende Einflüsse wie Erschütterungen oder auch schnelle Richtungswechsel aus und halten Kameras stets exakt ausgerichtet. In diesem speziellen Einsatzbereich versorgen Encoder die kleinen Elektromotoren im Gimbal mit Daten, um abrupte Bewegungen und Erschütterungen zu kontern. Allerdings beeinflusst bei Außeneinsätzen, unter großer Hitze oder Kälte sowie bei extremen Temperaturschwankungen, die thermische Drift die elektronischen Komponenten eines Encoders – ungenaue Messwerte sind die Folge. Encoder, die in diesem speziellen Bereich verwendet werden, sollten außerdem eine sehr hohe Auflösung für ein stabiles Ausgangssignal haben. Nicht zuletzt brauchen sie ein Durchloch – eine Öffnung, die groß genug ist, um die benötigten Kabel und Leitungen durchzuführen.

Für den Einsatz in Gimbals, etwa für hoch bewegliche Kamerasysteme, besitzen GMI Rotary Encoder beste Voraussetzungen. Sie sind kompakt, leicht, in verschiedenen Größen erhältlich und bieten ein äußerst vorteilhaftes Verhältnis zwischen Innen- und Außendurchmesser. Damit ist ein großzügig dimensioniertes Durchloch möglich. Sie sind lagerlos und damit überaus widerstandsfähig, auch gegen extreme Schocks und Vibrationen. Beide GMI-Encoderserien sind so konstruiert, dass ihre Elektronik und die Sensorstruktur auch bei großer Kälte oder Hitze hochpräzise Ergebnisse liefern. Die thermische Drift ist selbst bei starken, schnellen Temperaturschwankungen vernachlässigbar gering. GMI Encoder bieten echte Auflösungen von bis zu 25 Bit.

GMI-Encoder - Gemacht für extreme Beschleunigungen

In der Material- und Produktprüfung werden in Prüfständen extreme Beschleunigungen erzeugt, teils auf bis zu fünf Bewegungsachsen. Typische Encoderprobleme sind hier eine eingeschränkte Winkelgenauigkeit und die Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen, was zu fehlerhaften Daten führt. Ein Encoder, der in Prüfständen bzw. Drehtischen zur Simulation von Bewegungen aller Art zum Einsatz kommt, muss zudem sowohl bei niedrigen Geschwindigkeiten genau sein als auch bei hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten zuverlässig funktionieren. Wünschenswert ist eine Datenerfassung in Echtzeit, die konventionelle Encoder aber in der Regel nicht erfüllen können – wohl aber die GMI-basierten Encoder von FLUX.

Sie liefern auch unter den Extrembedingungen, die in Prüfständen der Industrie 4.0 auftreten, präzise Ergebnisse. Dank der lagerlosen Bauweise sind hohe Beschleunigungen, Verzögerungen und auch starke Vibrationen kein Faktor. Ihre schnelle Positionsberechnung ermöglicht die Datenübertragung mit geringem Jitter (= ohne Zeitunsicherheit) und mit niedriger Latenz. Die axiale Konfiguration und das große Durchloch machen es Konstrukteuren einfach, FLUX-Encoder in ihre Systeme zu integrieren – unabhängig davon, wie groß oder klein ein Prüfstand sein soll.

Über die FLUX GmbH

FLUX GmbH ist spezialisiert in der Entwicklung und Herstellung von Präzisions-Messsystemen zur Positionsbestimmung mit innovativen Methoden wie z.B. GMI oder induktiver Technologie. Mit mehr als 40 Jahren Erfahrung auf dem Gebiet der Positionsgebersysteme und umfassendem Know-how finden die Produkte bei Kunden weltweit in vielfältigen Bereichen Anwendung, u.a. der industriellen Automatisierung, Satelliten- und Datenkommunikation, der Medizintechnik sowie der Luftfahrt- und Automobilindustrie. Mit dem Hauptsitz in Braunau am Inn, Österreich, bietet FLUX seinen Kunden darüber hinaus ein weltweites Netz von erfahrenen Distributoren und Vertriebspartnern.

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