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INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2021

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 2/2021

STEUERN UND ANTREIBEN

STEUERN UND ANTREIBEN Sichere Rückkehr aus dem All Lineare DC-Servomotoren stabilisieren die Flugbahn einer Weltraumkapsel Kleinstantriebe leisten heute Beachtliches. Ihre kompakte Bauweise, Effizienz und Dynamik bei präziser Ansteuerung und möglichst geräuschlosem Lauf sind aber nicht nur Anforderungen, die industrielle Anwendungen an Antriebe stellen. Diese Eigenschaften sorgen auch beim HADES-Projekt der Schweizer Hochschule in linearen DC-Servomotoren dafür, dass die Fluglage einer Transportkapsel für kosmisches Material bei der Rückkehr zur Erde stabil bleibt. Höchstleistungen par excellence! Linearmotoren können recht unterschiedlich konstruiert sein, denn grundsätzlich lassen sich „drehende“ Elektromotoren aller Prinzipien in Linearmotoren umsetzen, indem man den runden Luftspalt auf eine Gerade abbildet. Die ursprünglich kreisförmig angeordne- 01 Sogenannte Rückholkapseln der unbemannten Sonden bringen den Sternenstaub aus dem All zur Erde; der Innenraum der HADES-Kapsel zeigt einen der beiden Faulhaber-Linearantriebe ten elektrischen Erregerwicklungen werden dazu quasi auf ebener Strecke abgewickelt. Das Magnetfeld zieht dann den Läufer über die Fahrstrecke. Es gibt jedoch auch noch andere Möglichkeiten. Die DC- Linearantriebe der Serie „Quickshaft“ (Bild 02) aus dem Hause Faulhaber beispielsweise sind nicht als solche „Oberflächenläufer“ mit Schlitten und Führung aufgebaut. Stattdessen wird der Läuferstab innerhalb einer selbsttragenden Dreiphasenspule geführt. Durch diese innovative Konstruktion ergeben sich ein ausgesprochen gutes lineares Kraft-/Stromverhältnis und eine hohe Dynamik. Zudem gibt es keine Rastmomente, wodurch sich die Linearmotoren für den Einsatz in Mikr opositioniersystemen besonders gut eignen. Typische Anwendungen reichen von Handling- und Positioniersystemen bis hin zu Scanning-Applikationen beispielsweise in der Mikroskopie. Inzwischen erobern sich die kompakten und robusten DC-Linearantriebe sogar den Weltraum. Wie ist das Leben auf der Erde entstanden? Die Frage, wie unser Sonnensystem und das Leben auf der Erde entstanden sind, ist bis heute nicht abschließend beantwortet. Es gibt jedoch Indizien, dass Asteroiden oder Kometen dabei eine wichtige Rolle spielten. Auf der Suche nach weiteren Hinweisen fliegen unbemannte Raumsonden zu solchen Himmelskörpern und sammeln dort Proben ein. Die Kapseln, die das kosmische Material dann zu- Dipl.-Ing. (BA) Andreas Seegen, Leiter Marketing bei Faulhaber in Schönaich, Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee in Stutensee 30 INDUSTRIELLE AUTOMATION 02/2021 www.industrielle-automation.net

JAHRE ELEKTRONISCHER ÜBERSTROMSCHUTZ rückbefördern, sollen den Eintritt in die Erdatmosphäre natürlich unbeschadet überstehen. Das sicherzustellen, ist Ziel des HADES-Projekts (Hayabusa Active Dynamic re-Entry Stabilisation), das von Faulhaber gesponsert wird. Stabile Lage der Rückholkapsel: der Aerodynamik entgegenwirken Bevor der Sternenstaub aus dem All untersucht werden kann, muss er zur Erde zurückgelangen. Dafür verwenden die unbemannten Missionen sogenannte Rückholkapseln (Bild 01). Sie werden in einem genau berechneten Moment von der Raumsonde gelöst, abgestoßen und auf den Weg gebracht. Die Anziehungskraft der Erdmasse lässt sie schließlich in einem vorausberechneten Gebiet landen. Damit sie jedoch – bedingt durch die irdische Aerodynamik – ihre Flugbahn und ihre Ausrichtung behält und nicht ins Trudeln gerät, muss die Lage der Kapsel während des Fluges durch die Atmosphäre stabilisiert werden. Beim HADES-Projekt geschieht das durch Schwerpunktverlagerung. Die Kapsel soll im Prinzip dasselbe tun, was einen Surfer beim Wellenreiten auf dem Brett hält: Er gleicht die Einwirkung seines dynamischen „Untergrundes“ aus, indem er sein Körpergewicht einsetzt und dessen Schwerpunkt ständig verlagert. In die Sprache der Mechanik übersetzt, findet die ausgleichende Bewegung auf der x- und der y-Achse statt. Wenn man je ein Gewicht auf diesen Achsen hin- und herschiebt, kann man die von außen einwirkenden, destabilisierenden Kräfte kompensieren. Es lag nahe, lineare DC-Servomotoren im Inneren der Kapsel zu verwenden, um die beiden Gewichte zu bewegen (Bild 01 Einklinker). Praktischerweise reichte in diesem Fall die Motormasse selbst aus, um als Ausgleichsgewicht zu fungieren: Die stabilisierende Wirkung wird bereits erreicht, wenn sich zwei Motoren auf ihren Achsen mit entsprechender Geschwindigkeit hinund herbewegen. Hohe Anforderungen an die Motoren: temperaturstabil, robust, kompakt Auf der Suche nach zuverlässigen Lösungen für diese Aufgabe und den entsprechenden Linearmotoren entschieden sich die Experten von ESA und HADES für Produkte aus dem Programm ihres Sponsors Faulhaber. Hier fanden sie relativ schnell den passenden Antrieb anhand der physikalischen Anwendungsanforderungen. Als erstes muss der Motor robust sein, um die enormen Kräfte und Vibrationen beim Raketenstart und beim Wiedereintritt in die Atmosphäre auszuhalten. Vor allem bei letzterem wird es auch in der Kapsel bei Außentemperaturen am Hitzeschild bis über 5 000 °C ziemlich heiß – nachdem sie im All extreme Temperaturen von – 270 °C aushalten musste und dem dort herrschenden Vakuum ausgesetzt war. Pro Sekunde 02 Trotz der kompakten Statorabmessungen hat der kleine DC-Servomotor beachtliche mechanische Kennzahlen müssen sie auf ihrer Bewegungsachse bis zu viermal hin- und herfahren. Dafür benötigen sie ein sehr starkes Hubmoment, da sie dabei gegen beträchtliche Brems- und Fliehkräfte arbeiten müssen. Gleichzeitig ist Platz, wie immer in der Raumfahrt, ein sehr knappes Gut. Die Motoren müssen also bei kleinsten Ausmaßen Höchstleistung liefern. Kompakte Statorabmessungen und hohe Zuverlässigkeit Die Wahl fiel schließlich auf den DC-Servomotor LM 2070-12 (Bild 02), der in allen wichtigen Punkten überzeugte und sich in den Tests als sehr zuverlässig erwies. Zudem ließ sich die Motorsteuerung leicht programmieren und ins Gesamt system einbinden. Trotz der kompakten Statorabmessungen hat der kleine DC-Servomotor beachtliche mechanische Kennzahlen. Die Dauerkraft des Läuferstabes beträgt 9,2 N, als Spitzen- bzw. Stoßkraft stehen sogar bis zu 27,6 N zur Verfügung. Die robuste Gleitlagerung des Läuferstabes verkraftet problemlos Geschwindigkeiten bis 2,8 m/s. Getestet wurde die Stabilisierungslösung bisher in Klima- und Vakuumkammern sowie im Windkanal der Genfer Uni. Dort wurde die Reaktion der Kapsel auf den Luftwiderstand beim Flug durch die Atmosphäre simuliert. Dabei haben die Linearmotoren zuverlässig die Fluglage stabilisiert. Der für März 2020 geplante Praxistest mit echter Rückkehr aus dem Weltraum musste wegen der Corona-Krise ins Frühjahr 2021 verschoben werden. Die Kapsel wird an Bord einer Rexus-Rakete vom Esrange Space Centre in Schweden aufsteigen. Nach einer Beschleunigung mit bis zu 20 g soll sie eine Geschwindigkeit von 4 300 km/h erreichen und sich durch diesen Schwung etwa 100 km von der Erdoberfläche entfernen. Von dort wird die Weltraumkapsel, die später das Probenmaterial enthält, zurückgeschickt. Mehr über das Experiment: http://hades-rexus.ch Bilder: Aufmacher und 01 Hades, 02 Faulhaber www.faulhaber.com 20 JAHRE ELEKTRONISCHER ÜBERSTROMSCHUTZ E-T-A hat’s erfunden! Automatisierung ist ohne elektronischen Überstromschutz nicht mehr denkbar – eine wegweisende Innovation vom Weltmarktführer E-T-A. Schon damals konnte nur E-T-A alle Formen der Absicherung anbieten. Und auch heute erhalten Sie in Sachen elektronischem Überstromschutz nur von E-T-A die maßgeschneiderte Antwort: • Hutschienen-Montage • steckbar • mit oder ohne galvanischer Trennung • ein- oder mehrkanalig • 12, 24 oder 48 V. Haben Sie dazu weitere Fragen? Bitte sprechen Sie uns an oder gehen Sie auf: www.e-t-a.de/e_schutz/ We are social! Find us. ENGINEERING TECHNOLOGY

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