Statt aus Sicherheitsgründen zwei Motoren in kritischen Systemen zu verwenden, könnte auch eine angepasste Lösung auf der Basis eines Spezialmotors die geforderte Fehlertoleranz ermöglichen. Solche Antriebe wurden für ein Kundenprojekt entwickelt.
Elektrische Antriebe, die in sicherheitskritischen Bereichen eingesetzt sind, müssen erhöhte Anforderungen an die Ausfall- und Funktionssicherheit erfüllen, damit bei einem Fehler weder Menschen noch Investitionsgüter zu Schaden kommen. Die Techniken, die den meisten heute marktüblichen Elektroantrieben zugrunde liegen, sind für sicherheitskritische Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin oder in Kernkraftwerken aber leider nicht wirklich geeignet.
Die fehlerfreie Funktion der gesamten Anlage hänge oft stark von den Antrieben ab. Daher werden in sicherheitskritischen Systemen üblicherweise funktional gleiche oder vergleichbare Ressourcen eines technischen Systems zusätzlich eingebaut, so dass für jeden Betriebsablauf zwei Systeme vorhanden sind. Beim Ausfall eines Systems kann das andere seine Funktion übernehmen.
Redundante Lösungen sind aber aufwendig und kostenintensiv oder benötigen zu viel Bauraum. Letzteres wirkt sich vor allem dann negativ aus, wenn die Anwendung eigentlich miniaturisierte Antriebslösungen verlangt.
Doch ein neu entwickelter, kleiner zweiphasiger Schrittmotor mit zwei Wicklungen pro Phase bildet jetzt die Grundlage für Antriebslösungen, die sowohl miniaturisiert als auch ausfallsicher sind.
Es gibt einige Spezifikationen, die einen fehlertoleranten Motor kennzeichnen, und um sie umzusetzen, war die Kreativität der Entwickler gefragt. So bietet ein fehlertoleranter Motor Redundanz durch den Einsatz identischer Motorsegmente auf derselben Welle. Er hat diskrete, elektrisch voneinander isolierte Spulen, um Phase-zu-Phase-Kurzschlüsse zu vermeiden, sowie magnetisch entkoppelte Wicklungen. Das wirkt Leistungsverlusten entgegen, wenn eine Phase ausfällt. Physisch voneinander getrennte Spulen verhindern zudem eine Fehlerfortpflanzung in die benachbarten Phasen und erhöhen die Wärmeisolation.
Die Entwickler hätten die Möglichkeit gehabt, die Wicklungen eines herkömmlichen Zweiphasen-PM-Schrittmotors doppelt auszuführen. Die Wicklungen können dann 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. Darüber hinaus kann ein Ausfall einer Phase auf die daneben liegende Phase übergreifen. Auch sind für beide Varianten umfangreiche Modifikationen an der Motorkonstruktion notwendig, und die beschriebenen Spezifikationen für einen fehlertoleranten Motor sind nicht exakt erfüllt.
Die Antriebsspezialisten der Faulhaber Precistep SA in La Chaux de Fonds, Schweiz, verfolgten deshalb einen anderen Ansatz. Die Grundlage dafür waren kleine Schrittmotoren aus dem Standardprogramm. Sie sind mit Precistep-Scheibenmagnetmotoren ausgestattet: Das patentierte Motordesign basiert standardmäßig auf vier Wicklungen und bietet die geforderte Redundanz. Normalerweise sind die Wicklungen paarweise miteinander verbunden und bilden einen Zweiphasen-Schrittmotor. Dieser verfügt über ein geringes Trägheitsmoment, hohe Leistungsdichte, Langlebigkeit und einen großen 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 lässt sich das gleich Ausgangsdrehmoment aber wieder erreichen.
Die kleinen Standardmotoren, die mit Durchmessern bis herunter zu 6 mm verfügbar sind, können mit vergleichsweise geringen Anpassungen die Spezifikationen für einen fehlertoleranten Motor erfüllen und beanspruchen keinen zusätzlichen Einbauplatz.
- Sebastien Vaneberg Faulhaber Precistep, La Chaux-de-Fonds/Schweiz
- Ellen-Christine Reiff Fachjournalistin in Stutensee
Weitere Informationen Über die Spezialisten für Precistep-Scheibenmagnetmotoren: http://bit.ly/1OklobX
Ihr Stichwort
- Sicherheitskritische Anwendungen
- Platzsparende Alternative zum Einbau zweier gleicher Motoren
- Scheibenmagnetmotoren als Basis
- Geringfügige Anpassung der Standardprodukte
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