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Motor-Generator-System
Einige der geplanten energieautarken Anwendungen benötigen relativ große Mengen an elektrischer
Energie. Insbesondere die autarken Aktoren oder Komplettsysteme mit diversen integrierten
Funktionen haben einen weit höheren Energiebedarf als beispielsweise die meisten Sensoren.
Besteht ein elektrischer Energiebedarf der sich im Bereich von einem oder gar mehreren Watt
bewegt, so sind die meisten Energiewandlerprinzipien nicht mehr in der Lage, mit
vertretbarem Aufwand den gewünschten Output zu liefern. In pneumatischen Anlagen besteht
dann nur noch die Möglichkeit, die vor Ort vorhandene Druckluft als Energielieferant zu verwenden
und mit einem Motor-Generator-System elektrischen Strom zu erzeugen.
Der Motor wandelt hierbei im ersten Arbeitsschritt fluidische Energie in Form von
Druck und Strömung in mechanische Energie (Rotation). Diese mechanische Energie wird
über eine Kupplung an den Generator übergeben. Dieser wird in Rotation versetzt und
erzeugt durch magnetische Induktion elektrische Energie.
Im Idealfall lassen sich als Generator simple Elektromotoren verwenden, die lediglich
im umgekehrten Betrieb verwendet werden. Je nach Ausführung kann aus einem
bürstenkommutierten Gleichstrommotor sofort Gleichspannung entnommen werden. Es zeigte sich
jedoch, dass die mechanische Kommutierung durch Bürsten nur eine geringe Lebensdauer des
Systems zulässt. Daher wird die Verwendung von Wechselstromgeneratoren empfohlen. Die
erzeugte Generatorspannung muss in einem Elektronikbaustein zur weiteren Verwendung
gleichgerichtet werden.
Da kleinbauende Elektromotoren und -generatoren in diversen Bauformen auf dem Markt
verfügbar sind, reduzierte sich die Aufgabe auf die Entwicklung eines geeigneten Luftmotors
und die Konzipierung des Gesamtsystems.
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Turbine
Da Motor-Generator-Systeme nach ähnlichem Wirkprinzip in Kraftwerken verwendet werden, liegt
es nahe, auch im miniaturisierten Bereich auf bewährte Konzepte zu setzen und als Luftmotor
eine Turbine zu verwenden.
Bei der Konzipierung einer Miniaturturbine sind theoretisch diverse Bauformen denkbar
- rechts abgebildet beispielsweise eine radial angeströmte Turbine mit Spiralgehäuse (oben)
und eine Axialturbine (unten), beide mit einem Laufraddurchmesser von 1-2cm.
Berechnungen und Versuche zeigten, dass Turbinen durchaus als pneumatischer Motor
eingesetzt werden können. Physikaische Zusammenhänge erzwingen jedoch bei zunehmender
Miniaturisierung eine immer größer werdende Drehzahl, denn nur in einem bestimmten
Drehzahlbereich können diese Turbinen mit akzeptablem Wirkungsgrad betrieben werden.
Für Turbinen mit einem Durckmesser von weniger als 2cm ergibt sich eine optimale
Drehzahl, die stets über 100.000 Upm liegt - teilweise noch stark darüber.
Die Bauform der Turbine spielt für die Ermittlung
der optimalen Drehzahl eine untergeordnete Rolle.
Der praktische Umgang mit derart hohen Drehzahlen ist häufig problematisch. Sämtliche
Bauteile müssen auf diesen Betriebsfall ausgelegt sein. Die qualitativen Ansprüche bei
Fertigung und Montage sind sehr hoch. Daher wurden parallel zur Turbinenentwicklung weitere Wirkprinzipien untersucht, die bereits
bei geringeren Drehzahlen Verwendung als Fluidmotor finden können.
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Lamellenmotor
Der prinzipielle Aufbau eines Lamellenmotors kann in der Abbildung auf der rechten
Seite gesehen werden. In Motorgehäuse befindet sich ein zentrisch gelagerter
Rotor, der aufgrund der Anordnung im exzentrischen Gehäuseinneren einen sichelförmigen
Innenraum aufspannt.
Im Rotor befinden sich mehrere Schlitze, in denen sich jeweile eine Lamelle auf- und
abbewegen kann. Im Betrieb des Motors werden die Lamellen durch Federn oder Fliehkräfte
nach außen getrieben und legen sich an der Innenwand des Motorgehäuses an. So entstehen
im Innenraum separierte Kammern, die bei einer Umdrehung zunächst im Volumen zunehmen und
anschließend wieder abnehmen. Wird der Motor am Einlass mit Druckluft
beaufschlagt, entsteht durch die Volumenzunahme und die unterschiedlichen Kräfteverhältnisse
an den Kammerlamellen ein Drehmoment auf den Rotor.
Im Rahmen des EnAS-Projekts wurde ein neuartiger Lamellenmotor entwickelt, der den
Ansprüchen einer industriellen Verwendung in einem Motor-Generator-System genügt. Der
Fokus lag hierbei auf der Miniaturisierung des Wirkprinzips und der Einhaltung der gewünschten
Lebensdauer mit ledigliche einer Initialschmierung.
Im Gegensatz zu den Turbinenlösungen zeigt der Lamellenmotor bei ähnlicher Baugröße bereits bei
ca. 25.000 Upm einen möglichen Einsatzbereich und gute Wirkungsgrade.
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Demonstrator
Aufgrund der systembedingt niedrigeren Drehzahl des Lamellenmotors, wird dieser zur Zeit
bei der Verwendung in Motor-Generator-Systemen favorisiert.
Im Demonstrator kommen
zwei dieser Systeme zum Einsatz. Zum einen wird die
monoenergetische Ventilinsel mittels eines Lamellenmotors und eines Generators
mit elektrischer Energie versorgt, zum anderen der
monoenergetische Greifer. Auf der rechten Seite
ist die Verwendung eines Lamellenmotors im Energiewandlermodul des Greifers dargestellt.
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