Der Spule auf der Spur

Spezial Antriebstechnik

Linearantriebe – Mithilfe von linearer Antriebstechnik unterstützt Thomson Industries ein Forschungsteam bei der Entwicklung neuartiger Tesla-Spulen. Ein Präzisions-Kugelgewindetrieb soll dabei helfen, mehrere Tausend für das Experiment benötigte Spulen zu wickeln.

01. Juni 2017

Bei der Erwähnung einer Tesla-Spule denken viele Zeitgenossen sofort an die Elektroautomarke, die nach Nikola Tesla, dem Erfinder des Wechselstroms benannt ist.

Die Fahrzeuge selbst verwenden jedoch keine Tesla-Spulen, die allenfalls in Hochschullaboren und Wissenschaftsmuseen zu finden sind. Die Spulen waren Teslas kurzlebiger Versuch, eine offene drahtlose Technologie zu schaffen, mit der sich Energie ganz ohne Kabel rund um den Globus verteilen ließe.

Heute, ein Jahrhundert nach der Einführung des Wechselstroms, haben Forscher am Geek Group National Science Institute im US-Bundesstaat Michigan Teslas Vision auf neue Anwendungsmöglichkeiten untersucht. Mithilfe von linearer Antriebstechnik von Thomson Industries haben sie ein ehrgeiziges Forschungs- und Experimentierprogramm ins Leben gerufen, das zu Teslas Lebzeiten undenkbar gewesen wäre. Ein Präzisions-Kugelgewinde-trieb von Thomson soll dem Hochenergieteam der Geek Group dabei helfen, mehrere tausend für das Experimente benötigte Spulen zu wickeln.

Vorteile der Tesla-Spule

In einem üblichen Transformator liegen die Drähte eng zusammen und sind stark gekoppelt, sodass unter ungünstigen Umständen große Ströme zwischen ihnen fließen können. In einer Tesla-Spule ist diese enge Kopplung allerdings problematisch, da sie eine hohe Abhängigkeit vom Wicklungsverhältnis der Primär- und Sekundärspule bedeutet. Außerdem kann durch diese starke Kopplung der in der Sekundärspule gespeicherte Strom als Kriechstrom in die Primärspule zurückfließen.

Indem die Möglichkeit einer Wechselwirkung der beiden Spulen deutlich reduziert wird, kann eine Tesla-Spule eine Schwingung mit Spannungsgrößen erreichen, die weit über denen eines klassisch berechneten Transformators liegen.

Viele der ursprünglichen Ziele, die Tesla mit seinen gleichnamigen Spulen erreichen wollte, wurden mittlerweile durch kostengünstigere, kompaktere und effizientere Erfindungen ersetzt. Heutzutage dienen sie im Wesentlichen reinen Anschauungszwecken. Die Forscher der Geek Group sind jedoch davon überzeugt, dass die Tesla-Spulen ein enormes Potenzial bergen, das sich durch eine Feinabstimmung der Wicklungsstrategie ausschöpfen ließe. Chris Boden, CEO der Geek Group, geht daher davon aus, dass er die Spule durch Optimierung der Wicklungen verbessern kann, um so eine höhere Resonanzwirkung zu erreichen.

Für die meisten der heute genutzten Tesla-Spulen wird ein Kupferdraht per Hand um ein PVC-Rohr gewickelt, das den Luftspalt bildet. Wenn jedoch mehrere tausend Spulen, einige davon bis zu 250 Meter lang, gewickelt werden müssen, würde es an der Präzision mangeln, die Voraussetzung für eine perfekte Resonanzschwingung ist.

Ein Teil des Wickelvorgangs ist das Beschichten des Drahts mit Kunstharz oder Polyurethan, um die Wicklungen zu versiegeln und zu isolieren. Selbst geringste Mengen an Feuchtigkeit könnten hierbei das gesamte Experiment verfälschen.

Am effektivsten ist der Beschichtungsvorgang, wenn er direkt beim Wickeln erfolgt, wobei die Beschichtung in Echtzeit trocknen und aushärten muss. Das heißt, die Spule muss sich bis zu eine Woche lang mit konstanter Geschwindigkeit drehen. Währenddessen müssen die Wicklungen gerade angeordnet werden und dürfen keine Lücken aufweisen, bis auf die im Experimentplan definierten. Je nach Art der Tests kann ein Experiment bis zu 20 exakte Duplikate erfordern.

Ein derartig einheitliches Ergebnis lässt sich relativ einfach erzielen, solange die Wicklungen wie in den meisten heutigen Tesla-Spulen eng nebeneinander liegen. In Experimenten mit unterschiedlichen Abständen, wie die Geek Group sie plant, ist die Präzision der Wicklung jedoch ein entscheidender Faktor. Zu diesem Zweck bauen die Forscher der Geek Group einen speziellen Wickelautomaten und genau an dieser Stelle kommt die moderne lineare Antriebstechnik ins Spiel.

Der Wickelautomat der Geek Group ist in der Lage, die langsame und gleichmäßige Bewegung durchzuführen, in der sich die Spule mehrere Tage lang bewegt. Der Schlüssel zu dieser hohen Genauigkeit wird ein 250 Meter langer Thomson Präzisions-Kugelgewindetrieb sein, der die rotatorische Bewegung eines Servomotors in eine lineare Bewegung umsetzt, mit der eine Drahtzuführung parallel zur Spule geführt wird.

Bis eine Technologie gefunden wurde, die den hohen Ansprüchen der Geek Group gerecht werden konnte, haben deren Experten rund ein Dutzend verschiedene Produkte analysiert. Das Ergebnis: »Nur der Thomson-Antrieb kann genau das leisten, was wir brauchen – und wie wir es brauchen«, erklärt Chris Boden, CEO der Geek Group. »Wir haben uns zunächst als potenzielle Kunden an das Unternehmen gewandt und die Qualität des Kundensupports und die planungstechnische Unterstützung haben uns überzeugt.«

Ein Thomson-Supportingenieur hat das Team bei der Auswahl der Konfiguration unterstützt. Das Produkt war ein Kugelgewindetrieb zum Schnelleinbau, so bezeichnet, weil der Großteil der Montage und Konfiguration bereits im Werk erfolgt. Damit entfallen mögliche Präzisionsprobleme aus einer Montage der Komponenten vor Ort. Die endgültige Konfiguration bestand dann aus einer 243 Zentimeter langen Kugelgewindespindel mit einem Durchmesser von knapp 25 Millimetern.

Flanschmontierte Lagerblöcke stützen die Spindel an beiden Enden des Montagegestells ab, während die Gewindemutter die Drehbewegung eines Servomotors auf den Antriebsschlitten umsetzt. Der Schlitten ist an die Unterseite einer Stahlplatte geflanscht, die wiederum mit der Draht-Zuführbaugruppe verbunden ist.

Hoher Wirkungsgrad

Kugelgewindetriebe verwandeln rotatorische in lineare Bewegung und umgekehrt. Sie bestehen aus einer Kugelgewindespindel und einer Kugelgewindemutter. Beide zusammen bilden eine Baugruppe mit umlaufenden Lagerkugeln. Der Kontakt zwischen Spindel und Mutter erfolgt durch diese Lagerkugeln, die in passend geformten Rillen laufen. Dank der Wälzkörper weist ein Kugelgewindetrieb einen äußerst niedrigen Reibungsbeiwert auf, sodass der Wirkungsgrad üblicherweise bei über 90 Prozent liegt. Da die übertragenen Kräfte über eine große Anzahl an Lagerkugeln verteilt werden, ist jede einzelne Kugel einer relativ geringen Belastung ausgesetzt.

Der Wickelautomat soll vielfältige Experimente ermöglichen, um die Auswirkung unterschiedlicher Wicklungsstrategien auf das Magnetfeld an der Sekundärspule zu testen. us

Erschienen in Ausgabe: 05/2017