Immer gut gewickelt

Motoren - Nicht immer ist das Neue das Bessere: Unter den rauhen Bedingungen einer Mission auf dem Mars arbeiten mechanisch kommutierte Kleinmotoren seit Monaten klaglos. Dennoch gehört die Zukunft den Motoren ohne schleifende Kontakte und Bürsten.

04. Juli 2005

Genau 86 Elektromotoren bewegen seit mehr als einem halben Jahr die beiden US-amerikanischen Mars-Roboter ›Spirit‹ und ›Oportunity‹ über die Oberfläche des roten Planeten, um dessen geologische Verhältnisse zu untersuchen. Bei der Mehrzahl dieser Antriebselemente verlassen die US-Wissenschaftler sich auf Qualitätsprodukte aus Europa, denn 78 der Motoren lieferte die Maxon Motor AG aus Sachseln im zentralschweizerischen Kanton Obwalden. Die Schweizer hatten schon für die erste bewegliche Mars-Sonde ›Pathfinder‹ im Jahr 1997 die Antriebsmotoren geliefert und waren deshalb ›erste Wahl‹, als es darum ging, auch die weitaus größeren neuen Mars-Roboter zu konstruieren. Eingesetzt werden die Motoren für den Antrieb der Roboterarme, den Gesteinsbohrer, den Steuerungsmechanismus, die Bewegung der Kameras sowie für den Antrieb der sechs Räder der rund 180 Kilogramm schweren Fahrzeuge. Die Motoren sind grundsätzlich Standardprodukte mit Durchmessern von 20 und 25 Millimetern und wurden lediglich mit geringen Anpassungen für die äußerst harten Bedingungen modifiziert schließlich müssen die Motoren neben heftigen Erschütterungen und einer speziellen Atmosphäre auch schnelle Temperaturwechsel von 120 °C bis +25 °C ertragen.

Ausschlaggebend für die Wahl der Motoren war für die NASA-Wissenschaftler vor allem ihr Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent, der hauptsächlich durch die weltweit patentierte eisenlose Wicklung erreicht wird. Diese freitragende Rautenwicklung bietet eine sehr kleine Induktivität und ermöglicht es, den Stator ohne Nuten auszuführen. Dies bewirkt einen absolut ruhigen Lauf ohne Rastmomente über einen weiten Drehzahlbereich sowie eine hervorragende Wärmeabfuhr. Die gewählte Auslegung der Wicklung erlaubt zudem hohe Drehzahlen bereits bei den niedrigen Spannungen, die die Solarzellen des Mars-Mobils liefern.

Alle diese Motoren werden mechanisch kommutiert, und unter den besonderen Verhältnissen dieser Expedition hat diese ›gute alte‹ Technik gewiß noch lange Zeit ihre Berechtigung. Das aktuelle Motorenprogramm der Schweizer enthält jedoch auch Gleichstrommotoren mit elektronischer Kommutierung, die ihre Zuverlässigkeit sicher bald auch im Weltraum unter Beweis stellen werden. Neu sind zum Beispiel die kompletten Antriebseinheiten aus Motoren mit Getriebe, Bremse und Encoder der Baureihe EC-max mit Hall-Sensoren für die Erzeugung der Kommutierungssignale. Dabei erzeugen der zweipolige Neodymmagnet auf der Motorwelle und die drei Magnetsensoren pro Umdrehung sechs verschiedene, um 120° versetzt angeordnete Schaltkombinationen; der Schaltpunkt jedes Hallsensors liegt um 30° versetzt zum jeweiligen Drehmoment-Scheitelpunkt. Entsprechend diesen Informationen versorgt eine externe Elektronik die drei Teilwicklungen mit der Speisespannung. Diese Ansteuerung über eine externe Elektronik bewirkt, daß die Verlustleistungen von Motor und Elektronik räumlich getrennt voneinander entstehen und ermöglicht damit eine hohe Belastbarkeit und Dynamik mit Anlaufkonstanten im Bereich von wenigen Millisekunden. Zudem erlauben die Signale der Hall-Sensoren eine einfache Drehzahlregelung und dienen zugleich als ein einfacher Lagegeber, speziell wenn ein Getriebe nachgeschaltet ist. Eine neuartige Anordnung der Hall-Sensoren erübrigt dabei die Verwendung eines Steuermagneten für die Rückmeldung der Rotorlage. Fünf Motorgrößen von 16 bis 40 Millimeter Durchmesser in jeweils zwei Motorlängen und einer Abgabeleistung bis 120 Watt, eine Auswahl von sechs unterschiedlichen Wicklungen, 55 verschiedenen Untersetzungen, mehreren Ist-wert-Gebern und Haltebremsen ermöglichen dabei mehr als 10.000 Varianten. Das Edelstahlgehäuse ist magnetisch inaktiv und korrosionsfest. Bei den Getrieben bewirkt die Verwendung von High-Tech-Bauteilen aus Keramik eine deutlich verlängerte Lebensdauer. Die Regelelektronik ist auf die jeweiligen Motoren optimiert und reicht von der einfachen Kommutierung bis zur miniaturisierten Ein-Achs-Positionssteuerung.

Helmut Thiemer, maxon motor ag

Erschienen in Ausgabe: 05/2004