DC-Kleinstmotoren im TeleskoparmLaderoboter für Elektroautos
DC-Kleinstantriebe leisten heute in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen beachtliches. Das Spektrum reicht von Handwerkzeugen und chirurgischen Instrumenten über Laborautomation und Halbleiterfertigung bis hin zu industrieller Automation und Robotik. Selbst bei Weltraum- und Tiefseesonden sind die kleinen Kraftpakete anzutreffen. Sie überzeugen durch ihre geringe Leistungsaufnahme, wandeln elektrische Energie effizient in Bewegungsenergie um, sind einfach in der Drehzahl regelbar, leicht, leise und zuverlässig. Dadurch treiben sie in vielen Branchen immer wieder die Technik voran. Inzwischen gilt das auch für die Elektromobilität. Treibende Kraft eines innovativen Laderoboters für Elektroautos sind grafitkommutierte DC-Kleinstantriebe.
Elektromobilität ist unbestreitbar im Kommen, doch bis zur funktionierenden Standardtechnologie gibt es noch ein paar Hürden zu bewältigen. Eine davon ist der Ladevorgang. Straßenzüge mit massenhaft aneinandergereihten Ladesäulen sind keine akzeptable Lösung. Sie machen den Stadtraum nicht gerade schöner, und auch in der eigenen Garage würde man gern darauf verzichten, weil doch recht viel Platz verloren geht und das Kabel schnell zur Stolperfalle werden kann. Eine Alternative ist induktives Laden. Dabei ist das Equipment unter dem Straßenbelag oder im Garagenboden praktisch unsichtbar. Das hat jedoch seinen Preis und für die Installation sind oft umfangreiche Erdarbeiten notwendig. Im Vergleich zum Kabelkontakt geht zudem immer ein Teil des Stroms verloren, und dieser Anteil wird größer, wenn das Fahrzeug nicht genau über der Spule parkt. Die Autohersteller lösen das, indem sie eine Navigationshilfe anbieten, um die Abstände zwischen den beiden Spulen genau zu justieren. Inzwischen gibt es jedoch eine vielversprechende Alternative, bei der es solche Probleme prinzipbedingt nicht gibt: den Laderoboter von Volterio. Die Idee stammt aus der Masterarbeit, die Christian Flechl 2014 an der Technischen Universität Graz (Österreich) abgeschlossen hat. Heute ist er Geschäftsführer der Volterio GmbH und der Laderoboter steht kurz vor dem Start der Serienproduktion.
Teleskoparm statt Kabel
Das System besteht aus einer Fahrzeug- und einer Bodeneinheit (Bild 1). Die Fahrzeugeinheit lässt sich einfach in Elektroautos integrieren und kann meist sogar nachgerüstet werden. Die Bodeneinheit liegt im „Ruhezustand“ als unauffällige, lediglich sechs Zentimeter hohe Konstruktion auf dem Boden (Bild 2). Zum Laden parkt man das Auto einfach darüber. Haben sich beide Einheiten identifiziert, fährt teleskopartig ein Roboterarm aus, auf dem der „Stecker“ – ein konisch-runder Stromüberträger – sitzt (Bild 3). Er steuert das Gegenstück am Unterboden des Fahrzeugs an und stellt den vollen Kontakt auch dann her, wenn das Fahrzeug nicht optimal steht. Es genügt, wenn sich der Anschluss in einem 50 auf 50 Zentimeter großen Feld befindet.
Sein Ziel findet der Roboter über ein Ultraschall-System. Die Verbindung ist in weniger als 15 Sekunden hergestellt. Die Ladeleistung eines Ladegeräts mit Heimanschluss beträgt 22 Kilowatt, womit auch große Autobatterien in vier bis fünf Stunden aufgeladen werden können. Die Technik ist aber dafür ausgelegt, bis zu 100 Kilowatt Gleichstrom zu bewältigen, was die Ladezeit auf eine Stunde senkt.
Die Suche nach dem passenden Motor
Bei der Entwicklung des Prototyps kam es auch auf die Motoren an, die die drei Achsen des Roboterarm bewegen: „Wir wollten eine möglichst flache Einheit bauen, also ging es im Gerät von Anfang an sehr eng zu“, erinnert sich Flechl. „Zugleich sind jedoch erhebliche Gewichte der hochstromtauglichen Kabel und Stecker zu bewegen, die Motoren müssen daher – in Verbindung mit dem passenden Getriebe – bei minimalem Volumen ein hohes Drehmoment und eine hohe Dynamik erreichen.“
Bei seiner Internetrecherche stieß der junge Diplomingenieur recht schnell auf FAULHABER, denn für die geforderte Spezifizierung gibt es nicht viele Angebote auf dem Markt. „Der Austausch mit anderen Experten hat mir bestätigt, dass ich dort an der richtigen Adresse bin. Die Zusammenarbeit gestaltete sich dann sehr angenehm. Die Antriebsexperten haben das ganze Projekt mit eingehender technischer Beratung, passender Antriebsauswahl und den Komponenten gesponsert.“ In den Prototypen wurden DC-Kleinstmotoren der Baureihe CR mit Planetengetriebe und passendem Motion Controller eingebaut. Darüber hinaus hat FAULHABER zu Testzwecken weitere Antriebe ausgewählt und zur Verfügung gestellt.
Klein, kräftig und robust
DC-Kleinstmotoren mit Grafitkommutierung sind mit Durchmessern von 23 bis 38 mm besonders leicht und kompakt. Durch die Konstruktion als Glockenankermotor mit der patentierten, freitragenden Rotorspule mit Schrägwicklung, die um einen ruhenden Magneten rotiert, kann fast der gesamte Motordurchmesser für die elektrische Spulenwicklung genutzt werden. Dadurch erreichen die Motoren im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht höhere Leistungen und Drehmomente als konventionelle Ausführungen. Die kleinen Motoren liefern je nach Baugröße Drehmomente bis etwa 220 mNm. Zudem arbeiten sie ohne Rastmoment, wodurch ein präziser Positionierbetrieb, eine sehr gute Drehzahlregelung und ein insgesamt höherer Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen DC-Motortypen erreicht wird.
Der Begriff „Grafitkommutierung“ bezieht sich auf das verwendete Bürstenmaterial in Kombination mit einem Kommutator aus einer Kupferlegierung. Dieses Kommutierungssystem ist sehr robust und eignet sich besonders für dynamische Hochleistungsapplikationen mit schnellem Start-/Stoppbetrieb, wie es der dreiachsige Roboterarm des Ladegeräts erfordert. Das Ladegerät ist für etwa 20.000 Zyklen ausgelegt; dafür wird nur rund ein Prozent der Lebensdauer der Antriebe benötigt. Wichtig ist auch die Robustheit der Antriebe, denn die Ladeeinheit soll auch nach längerem Stillstand und bei ungünstigen Witterungsbedingungen und mit Straßenstaub am Boden zuverlässig funktionieren.
Mittlerweile hat sich der Prototyp in ausgiebigen Testreihen bestens bewährt, und bewiesen, dass die Technologie den konkurrierenden Konzepten in entscheidenden Aspekten deutlich überlegen ist. Auch mehrere Hersteller von Premium-Autos haben sich davon überzeugt und sind nun dabei, die Serienfertigung der Ladesysteme zu organisieren. Derweil wendet sich Volterio bereits neuen Aufgaben zu: „Automatisierte Ladevorgänge lassen sich vielseitig nutzen“, fährt Flechl fort. „Das gilt für den gesamten Bereich der Logistik sowie für alle fahrerlosen Fahrzeuge. Auch an E-Lkw wird inzwischen gearbeitet. Wir entwickeln die passenden Laderoboter dazu, und freuen uns, dass FAULHABER uns dabei weiter mit geeigneten Motoren, Getrieben und Controllern unterstützt.“
