Dieser fahrerlose Rennwagen vom Green Team Stuttgart belegte beim Wettbewerb Formula Student Driverless einen sehr guten vierten Platz.

Autonomes Fahren DC-Kleinstantriebe für hochautomatisierte Prototypen

26.06.2018

Moderne Kleinstantriebe sind nicht nur für die Automatisierungstechnik interessant, sondern bringen auch Bewegung in mobile Anwendungen und den Prototypenbau – beispielsweise beim autonomen Fahren oder in Rovern für die Erforschung anderer Planeten. Mit viel Engagement, Knowhow und dem passenden Sponsoring haben Studierende verschiedener Universitäten Beachtliches in diesen Bereichen geleistet.

Autonomes Fahren genießt derzeit sowohl bei Fachleuten als auch in den Medien hohe Aufmerksamkeit. Im August 2017 traten im Rahmen des Wettbewerbs Formula Student Germany erstmals autonom fahrende Rennfahrzeuge am Hockenheimring gegeneinander an. Gebaut wurden die Fahrzeuge von studentischen Teams. Der Antriebsspezialist Faulhaber unterstützte zwei süddeutsche Teams mit wichtigen antriebstechnischen Komponenten.

Sponsoring vom Antriebsspezialisten

Unter dem Namen MunichMotorsport arbeiten etwa 120 Studierende der Hochschule München aus den verschiedensten Studiengängen wie Fahrzeugtechnik, Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen, Informatik, Design und BWL zusammen. Gegründet wurde das Formula-Student-Racingteam, um die Theorie aus den Vorlesungen in der Praxis anzuwenden. Für ein autonom fahrendes Fahrzeug, das zum Wettbewerb Formula Student Driverless antrat, stellte Faulhaber dem Team zwei Motoren inklusive passendem Zubehör zur Verfügung. „Der Fokus unseres Teams lag darauf, zu zeigen, dass wir einen autonomen Rennwagen bauen können“, sagt Teammitglied Maximilian Steiner. Das ist den Münchnern gelungen, wenn auch beim Wettbewerb das entscheidende Quäntchen Glück fehlte: Aufgrund eines Kabelbruchs in einem der Sensorsysteme erreichten sie beim Event „nur“ den neunten Platz.

Erfolgreicher verlief das Rennen für das Green Team Stuttgart. Unter diesem Namen haben sich 25 Studentinnen und Studenten verschiedener technischer Studiengänge der Universität Stuttgart zusammengeschlossen, um Rennwagen zu bauen. Nun standen die studentischen Entwickler erstmals vor der Aufgabe, ihren Formula-Student-Rennwagen für das hochautomatisierte – also fahrerlose – Fahren im Rundstreckenbetrieb auszulegen. „Für die Lenkung haben wir den bürstenlosen DC-Servomotor 3274...BP4 von Faulhaber als Aktuator ausgewählt und parallel zur Lenksäule verbaut. Über das Planetengetriebe 38A (60:1) des gleichen Herstellers und eine selbstentwickelte Stirnradstufe greift der Antrieb direkt an der Lenksäule an“, erläutert Paul Melzer vom Green Team die technischen Details. Der fahrerlose Rennwagen aus dem Stuttgarter Rennstall belegte beim Wettbewerb einen guten vierten Platz.

DC-Kleinstmotor mit hohem Drehmoment

Der kleine Servomotor leistet dabei Beachtliches: Mit nur 32 mm Durchmesser und 74 mm Länge liefert er ein Dauerdrehmoment von satten 165 mNm. Mit knapp 320 g wiegt er weniger als die Hälfte eines herkömmlichen Motors mit vergleichbarem Leistungsvermögen, weshalb er bestens für mobile Anwendungen geeignet ist. Der vierpolige bürstenlose DC-Servomotor punktet besonders in Anwendungen, bei denen es auf hohe Leistung und einen dynamischen Start/Stopp-Betrieb bei möglichst geringem Gesamtgewicht ankommt. Er kann beispielsweise auch als Gelenkantrieb von humanoiden Robotern oder elektrischen Greifern in der Prozessautomatisierung oder als Hochleistungsfahrantrieb für die Inspektionsrobotik eingesetzt werden.

Der Grund für diese Leistungsstärke – und zugleich das Herzstück des Motors – ist die Segment-Wicklung der Spule: Einzeln gewickelte Segmente sind überlappend ineinandergesteckt. Dadurch lässt sich in der Spule eine besonders große Menge an Kupfer unterbringen, was die Leistungsfähigkeit des Motors steigert. Weitere positive Nebeneffekte dieses patentierten Spulenaufbaus sind eine hohe Wicklungssymmetrie mit minimalen Stromverlusten und ein entsprechend hoher Wirkungsgrad.

Faulhaber auf dem Mars

Faulhaber-Komponenten eignen sich aber auch für außerirdische Mobilität, wie das folgende Beispiel zeigt: Studierende der Istanbul Technical University (ITU) haben einen Prototypen für einen Marsrover gebaut, in dem gleich mehrere Kleinstantriebe von Faulhaber zum Einsatz kommen. Ins Rollen kam das Sponsoring durch einen langjährigen Faulhaber-Kunden: dem Unternehmen Altinay, das in der Türkei zu den führenden Anbietern im Bereich Industrierobotik zählt.

Um die sechs Räder des Marsrovers anzutreiben, setzt das ITU-Team auf sechs kraftvolle Kleinstmotoren der Serie 3272...CR mit Grafitkommutierung, plus die entsprechenden Getriebe. Mit einem Durchmesser von 32 mm, einer Länge von 72 mm und einem Gewicht von 312 g sind die Motoren besonders leicht und kompakt. Sie liefern ein Drehmoment von jeweils 120 mNm. Durch die Konstruktion als Glockenankermotor – mit einer patentierten freitragenden Rotorspule in Schrägwicklung, die sich um einen ruhenden Magneten dreht – kann fast der gesamte Motordurchmesser für die Wicklung genutzt werden. Dadurch erreichen die Motoren vergleichsweise höhere Leistungen und Drehmomente als konventionelle Ausführungen desselben Gewichts. Zudem arbeiten die Motoren rastmomentfrei und lassen sich dank ihrer linearen Charakteristik einfach regeln.

Dynamische Höchstleistung

Der Begriff Grafitkommutierung bezieht sich auf das verwendete Bürstenmaterial in Kombination mit einem Kommutator, der aus einer Kupferlegierung hergestellt ist. Dieses Kommutierungssystem ist sehr robust und eignet sich besonders für dynamische Hochleistungsapplikationen mit schnellem Start/Stopp-Betrieb oder periodischen Überlastbedingungen, wie dies bei einem Marsrover sicher der Fall ist. Ähnliche Anforderungen finden sich aber auch in der Robotik.

Im Jahr 2017 nahm das Team der ITU mit seinem Altinay-Marsrover erfolgreich an der University Rover Challenge in den USA teil: Man konnte sich gegen 82 Teams aus 13 Ländern behaupten und am Ende den vierten Platz belegen – als erstes türkisches Team bei diesem Wettbewerb überhaupt. Die leistungsfähigen Kleinstantriebe von Faulhaber haben dazu einen wichtigen Beitrag geleistet.

Bildergalerie

  • Im autonom fahrenden Rennwagen des Teams MunichMotorsport sorgen zwei Faulhaber-Kleinstmotoren für den nötigen Antrieb.

  • Für die Lenkung des Stuttgarter Rennwagens wurde ein bürstenloser DC-Servomotor parallel zur Lenksäule verbaut. Über ein Planetengetriebe und eine selbstentwickelte Stirnradstufe greift der Antrieb direkt an der Lenksäule an.

  • Der bürstenlose DC-Servomotor 3274...BP4 von Faulhaber ist überlastfähig und arbeitet ohne verschleißanfällige mechanische Kommutierung.

  • Im von ITU-Studierenden entwickelten Prototypen eines Marsrovers sind gleich mehrere Faulhaber-Kleinstantriebe der Serie 3272...CR verbaut.

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