Antriebssicherheit im Miniatur-Format

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Elektrische Antriebe, die in sicherheitskritischen Bereichen eingesetzt sind, müssen erhöhte Anforderungen an die Ausfall- und Funktionssicherheit erfüllen, damit Investitionsgüter oder gar Menschen bei einem Fehler nicht zu Schaden kommen.

 

Allerdings sind redundante Lösungen aufwändig und kostenintensiv oder benötigen zu viel Bauraum. Viele Anwendungen verlangen miniaturisierte Antriebslösungen. Kreative Entwickler haben diese Herausforderung angenommen: Ein kleiner zweiphasiger Schrittmotor mit zwei Wicklungen pro Phase bildet jetzt die Grundlage für miniaturisierte, ausfallsichere Antriebslösungen. 

SEBASTIEN VANEBERG,
ELLEN-CHRISTINE REIFF 

 

Sicherheitskritischen Systemen kommt in der industriellen Welt eine immer größere Bedeutung zu. Typische Beispiele liefern Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Transportwesen, in der Medizin, in der Militärtechnik oder in Kernkraftwerken. Meist arbeiten in diesen Applikationen gleich mehrere Elektroantriebe. Das hat zur Folge, dass die fehlerfreie Funktion der gesamten Anlage stark von diesen Antrieben abhängt. Jede Fehlfunktion der Antriebe kann Störfälle auslösen, die nicht nur Stillstandszeiten, Schäden an der Anlage und hohe Kosten verursachen können, sondern schlimmstenfalls auch Menschen gefährden.

 

Redundanz und ihre Grenzen


Zu den gängigen Hilfsmitteln bei der Entwicklung von sicherheitskritischen Systemen gehört das Prinzip der Redundanz, also das zusätzliche Vorhandensein funktional gleicher oder vergleichbarer Ressourcen eines technischen Systems. Im Idealfall sollten also viele fehlertolerante Systeme alle Betriebsabläufe widerspiegeln, d. h. für jeden Betriebsablauf sollten zwei Systeme vorhanden sein, sodass beim Ausfall eines Systems das andere seine Funktion übernehmen kann.


Was einem in diesem Zusammenhang für die Elektroantriebe normalerweise zuerst einfallen wird: Man koppelt zwei Motoren auf derselben Welle miteinander. Das klingt nicht nur einfach, sondern ist in der Tat auch unkompliziert umzusetzen. Man handelt sich so aber gleich mehrere Nachteile ein, die häufig unterschätzt werden: Die redundante Lösung kostet ungefähr doppelt so viel wie das „normale“, nicht fehlertolerante System. Zudem gilt es dabei technische Probleme zu lösen, die sonst Schwierigkeiten verursachen. So muss der aktive Antriebsmotor zusätzlich das Reibungsmoment und die Rastkräfte des im Normalbetrieb leerlaufenden Motors ausgleichen, in den er währenddessen zusätzliche Eisenverluste induziert. Das setzt den Gesamtwirkungsgrad des Systems herab. Außerdem entstehen unkalkulierbare Resonanzfrequenzen, die den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems erheblich beeinträchtigen können. Die beiden miteinander gekoppelten Motoren beanspruchen dazu auch noch verhältnismäßig viel Platz und wiegen natürlich auch mehr als ein einzelner Antrieb; nicht alle Anforderungen, die zum Beispiel von der Luft- und Raumfahrtindustrie in Bezug auf kompakte Bauweise und möglichst geringes Gewicht gestellt werden, lassen sich so erfüllen. Besser also, man kommt auch bei fehlertoleranten Antriebslösungen mit nur einem Motor aus.

 

Was ist ein fehlertoleranter Motor?


Ein fehlertoleranter Motor bietet durch Einsatz identischer Motorsegmente auf derselben Welle eine Redundanz. Er hat diskrete, elektrisch voneinander isolierte Spulen zur Vermeidung von Phase-zu- Phase-Kurzschlüssen sowie magnetisch entkoppelte Wicklungen, um Leistungsverlusten im Fall eines Ausfalls einer Phase entgegenzuwirken. Physisch voneinander getrennte Spulen verhindern zudem eine Fehlerfortpflanzung in die benachbarten Phasen und dienen zur Erhöhung der Wärmeisolation. Bei der Umsetzung dieser Spezifikationen ist jetzt die Kreativität der Entwickler gefragt.

 

Manche Lösungen erfordern umfangreiche Modifikationen


Eine Möglichkeit wäre es beispielsweise, die Wicklungen eines herkömmlichen Zweiphasen-PM-Schrittmotors doppelt auszuführen. Die Wicklungen können entweder aus nebeneinander angeordneten Einzelkomponenten aufgebaut werden, sodass zwei Zweiphasen- Motoren entstehen, oder – mit derselben Zielsetzung – in Form von zwei zusammen gewickelten Wicklungen ausgeführt sein. Beide Konzepte gewährleisten jedoch keine optimale Wärmeisolation und ein Ausfall einer Phase kann auf die daneben liegende Phase übergreifen. Außerdem sind für beide Lösungsansätze umfangreiche Modifikationen an der Motorkonstruktion notwendig und die beschriebenen Spezifikationen für einen fehlertoleranten Motor sind nicht exakt erfüllt.

 

Ein kreativer Ansatz


Die Antriebsspezialisten von Faulhaber verfolgten deshalb einen anderen Ansatz. Die Grundlage lieferten kleine Schrittmotoren aus dem Standardprogramm: Dank der PRECIstep- Scheibenmagnetmotoren vereinfachte sich die Suche nach Redundanzfähigkeit, denn das patentierte Motordesign basiert bereits standardmäßig auf vier Wicklungen. Normalweise sind diese paarweise miteinander verbunden und bilden einen Zweiphasen- Schrittmotor, der gleich durch eine Reihe typischer Eigenschaften überzeugen kann. Dazu gehören ein geringes Trägheitsmoment, hohe Leistungsdichte, Langlebigkeit und ein großer Temperaturbereich. Die vier Wicklungen bieten gleichzeitig aber auch die Basis für ein fehlertolerantes System.


In einer kundenspezifischen Lösung, bei der die vier Wicklungen jeweils als Einzelspule ausgeführt werden, entstanden zwei Zweiphasen-PM-Schrittmotoren mit physisch und elektrisch isolierten Phasen. Die Wicklungen sind nur zum Teil magnetisch gekoppelt, und die redundante Konfiguration führt so zu einer Drehmomentreduzierung von nur 30 %, verglichen mit der Standard-Motorkonfiguration bei äquivalenter Verlustleistung. Mit einer geeigneten Wärmesenke und einer Phasenstromerhöhung kann man aber dasselbe Ausgangsdrehmoment wieder erreichen.


Die kleinen Standardmotoren, die es mit Durchmessern bis herunter zu 6 mm gibt, können so mit vergleichsweise geringen Anpassungen die Spezifikationen für einen fehlertoleranten Motor erfüllen. Damit stehen für sicherheitskritische Anwendungen jetzt kleine, robuste Schrittmotoren zur Verfügung, die ohne Aufwand das notwendige Maß an Redundanz bieten und keinen zusätzlichen Einbauplatz beanspruchen. 

www.faulhaber.com

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Beitrag aus [me] 6/2015

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