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iph0115Forschungsbericht

Windkraftanlagen sollen effizienter werden, Rennwagen leichter und medizinische Geräte sicherer: Möglich machen soll all das ein neues Messsystem, das Wissenschaftler aus Hannover derzeit entwickeln. Der optische Sensor misst berührungslos das Drehmoment und die Position einer Welle. Er soll kleiner und leichter werden als bisherige Systeme und zudem deutlich günstiger, so die Forscher des Instituts für Integrierte Produktion Hannover und des Laser Zentrums Hannover.


Wie effizient Motoren und Generatoren in den verschiedensten Anwendungen arbeiten, lässt sich überprüfen, indem man das Drehmoment und die Position der Welle misst. Beispiel Rennwagen: Tritt der Fahrer zu stark aufs Gas, drehen die Räder durch - dann wird die Kraft des Motors nicht mehr auf die Straße übertragen, das Drehmoment ist nahe null. Wird das Drehmoment permanent gemessen und an die Motorsteuerung übertragen, kann diese gegensteuern, die Kraft etwas drosseln und so vermeiden, dass die Räder durchdrehen. Im Motorsport nennt sich das Launch Control.

iph20115Bei Windkraftanlagen ist das Drehmoment gleich Null, wenn die Rotorblätter stillstehen und kein Strom erzeugt wird. Frischt dann der Wind auf und eine Böe versetzt die Rotorblätter plötzlich in Bewegung, steigt das Drehmoment stark an und die ruppige Bewegung kann den Motor schädigen. Am effizientesten ist die Anlage mit einem gleichmäßigen Drehmoment. Erreichen lässt sich dies durch permanentes Messen und Regeln: Die Rotorblätter werden dann so ausgerichtet, dass der Wind optimal genutzt wird.

Bisherige Technik

Systeme zur Drehmomentmessung wie Codierscheiben oder Dehnmesssensoren gibt es längst, allerdings müssen diese bisher direkt an die Welle angebaut werden und nehmen daher viel Platz im Getriebe weg. Bisherige berührungslose Messverfahren, die auf magnetischen Messprinzipien beruhen, sind dagegen sehr teuer. Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) und des Laser Zentrums Hannover e. V. (LZH) entwickeln jetzt ein neuartiges, optisches Messsystem, das berührungslos funktioniert und nicht an die Welle angeflanscht werden muss. Dadurch soll es sich einfach nachrüsten lassen, so die Hoffnung der Forscher. Das neue Messsystem soll eine deutlich bessere Auflösung erreichen als bisherige Systeme und zudem kleiner und leichter sein - ein Vorteil beispielsweise im Motorsport, wo jedes Gramm zählt. Und während die Kosten für bisherige berührungslose Messsysteme im vierstelligen Bereich liegen, soll das neue System wesentlich günstiger werden. Einen genauen Preis können die Wissenschaftler aber noch nicht nennen - schließlich ist das Forschungsprojekt "Integrad“ - Integrierter optischer Absolutgeber und Drehmomentmesser" gerade erst gestartet.

Einfaches Funktionsprinzip

Das Prinzip ist simpel: Auf die Welle werden sogenannte Absolutmessskalen aufgebracht, indem die Stahloberfläche mit dem Laser lokal hochaufgelöst geschwärzt wird. Dadurch entstehen sehr feine Strichcodes. Im Getriebe werden Leuchtdioden und Fotodioden angebracht, die diese Strichcodes berührungslos scannen. Wirkt ein Drehmoment auf die Welle, führt das zur Torsion - die Welle wird also in sich verdreht. Wie stark die Torsion ist, lässt sich an der Absolutmessskala ablesen. Weil die Laser-Markierung sehr hoch aufgelöst ist, lassen sich bereits kleinste Veränderungen erkennen. So kann das System Position und Drehmoment der Welle in Echtzeit erfassen und an die Motorsteuerung übertragen.

Industriepartner gesucht

Damit das System nicht nur in der Theorie funktioniert sondern auch praxistauglich ist, suchen die Wissenschaftler noch Industriepartner. Sie sollen Parameter und Erfahrungen aus praktischen Anwendungsfällen beisteuern, etwa Material oder Durchmesser der verwendeten Wellen. Nicht nur Motorenhersteller oder Windrad-Betreiber kommen als Industriepartner in Frage sondern beispielsweise auch Medizintechnik-Unternehmen. Denn das Messsystem könnte auch dazu beitragen, höhenverstellbare Krankenhausbetten oder Chirurgie-Roboter sicherer zu machen. Sie könnten sich automatisch abschalten, wenn sie einen Patienten einzuklemmen drohen - denn schon beim kleinsten Widerstand erhöht sich das Drehmoment.
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