Schweben wie Aladins Teppich

Werkstoffe

Magnetkomponenten Das Forschungsprojekt »Fliegender Teppich« von Vacuumschmelze und der Universität Eindhoven eröffnet neue Anwendungsfelder im high-endigen Sondermaschinenbau.

06. Juli 2009

Es ist ein alter Wunschtraum aus Kinderzeiten: Wie in den Geschichten aus tausendundeiner Nacht mit einem fliegenden Teppich Gegenstände über die Landschaften schweben lassen. Einen Traum, den die Ingenieure des Hanauer Unternehmens Vacuumschmelze übertragen auf den high-endigen Sondermaschinenbau als machbar ansahen. Was also lag näher, als die Funktion von Aladins Teppich auf ein Magnetsystem zu übertragen?

Kontaktlos steuern

Vacuumschmelze ist führend bei der Entwicklung, Herstellung und Anwendung magnetischer Werkstoffe. Gemeinsam mit der Technischen Universität im niederländischen Eindhoven rief das Unternehmen im Frühjahr 2006 das Forschungsprojekt »Fliegender Teppich« ins Leben. Das Ziel der Forscher: In einem geschlossenen Volumen Bewegungen durchzuführen, die kontaktlos von außen gesteuert werden. Damit eröffnet das Projekt auch neue Anwendungsfelder im Sondermaschinenbau: mehrdimensionale, lineare Antriebe zur schnellen und hochgenauen Positionierung von Objekten können in einem geschlossenen Volumen kontaktlos von außen gesteuert werden.

Der technische Fachbegriff für das Schweben von Gegenständen ist Levitation. Bekannt ist dieser Effekt von den Magnetschwebebahnen. Allerdings ist es aus technischer Sicht sehr schwierig, Objekte mittels elektromagnetischer Kräfte in einem stabilen Gleichgewicht zu halten: Wie Samuel Earnshaw anhand der Maxwellschen Gleichungen bewiesen hat, lässt sich mithilfe von statischen elektrischen oder magnetischen Feldern kein Objekt im Gleichgewicht halten. Vielmehr sind dazu aktiv dynamisch geregelte Felder notwendig. Sensoren müssen permanent die Position des levitierenden Körpers erfassen und die Istgrößen mittels eines Regelkreises nachstellen.

Bewegte Magnetplatte

Im einfachsten Fall kann man so eine Bewegung in einer Dimension steuern, dann hat man es mit einem Linearantrieb zu tun. Die Bewegung in zwei Dimensionen ist durch zwei separate Linearantriebe möglich. Erste Versuche, eine zweidimensionale Bewegung mit einem einzigen levitierenden Körper durchzuführen, führten die Wissenschaftler an der TU Eindhoven mit feststehenden – oder besser: fest liegenden – Dauermagnetstrukturen und sich darüber bewegenden stromführenden Spulen aus. Dieses Konzept hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: zur Übertragung der notwendigen Stromstärken benötigt man Kabel, die sich mit der flexiblen Spulenkonstruktion bewegen müssen. Also verfolgten die Wissenschaftler einen anderen Lösungsweg: Die Möglichkeit zur freien kontaktlosen Bewegung eines planaren, elektromagnetischen Antriebs, eines Aktuators, ergibt sich bei Verwendung einer umgekehrten Konfiguration: Es bewegt sich die Magnetplatte. Der »Teppich« sollte also mit Hilfe einer kabellosen Sensorik ohne jegliche Außenverbindung schweben. Dabei spricht man von einem kontaktlosen, planaren Aktuator, der insgesamt sechs Freiheitsgrade besitzt, in den drei Raumrichtungen und in drei Drehachsen.Dafür lieferte Vacuumschmelze die Magnetkomponenten. Ihr Gewicht musste allerdings so niedrig wie möglich sein, um die Kräfte auf das bewegte Teil so gering wie möglich halten zu können.

Ergebnis verblüffte

Daher verzichteten die Ingenieure von der Systemanfertigung in Hanau auf einen magnetischen Eisenrückschluss für die Permanentmagnete und designten eine schachbrettartige Halbach-Anordnung auf einem Aluminiumrückschlussteil. Anfang dieses Jahres war es dann soweit: Der Versuchsaufbau inklusive der notwendigen Mess- und komplexen Regelungstechnik des planaren Antriebs in Eindhoven konnte den Versuchsbetrieb aufnehmen. Die Resultate zeigten ein verblüffendes Ergebnis: Die mithilfe der Magnetstruktur erreichbare Positioniergenauigkeit konnte mit den vorhandenen Messaufnehmern nicht aufgelöst werden – ein Zeichen dafür, dass die Hanauer Ingenieure genau genug gearbeitet hatten. Die maximal erreichbare Geschwindigkeit der Magnetplatte beträgt 1,4 Meter pro Sekunde, das sind immerhin 5 Kilometer pro Stunde bei einer maximalen Beschleunigung von 1,4 g. Eine stabile Position kann innerhalb 0,0003 Millimetern gehalten werden, der Fehler in der Positionsbestimmung liegt bei einer Geschwindigkeit von 1 Meter pro Sekunde bei 0,00002 Millimetern. Mit dieser Entwicklung tun sich in Zukunft ganz neue Möglichkeiten auf: Kontaktlose, gesteuerte Bewegungen von Strukturen im Hochvakuum ohne Durchführungen. In einem nächsten Schritt wollen die Ingenieure in Eindhoven mit Unterstützung von Vacuumschmelze ein signalverarbeitendes System auf der bewegten Magnetplatte platzieren. Der »fliegende Teppich« wird also zunehmend intelligenter.

Dr. Matthias Herget, VAC/aru

Erschienen in Ausgabe: 04/2009