Professor Matthias Nienhaus und sein Team von der Universität des Saarlandes machen Motoren wie diesen Kleinantrieb zum Sensor. (Bild: Oliver Dietze)
Intelligente Motoren, die ganz ohne zusätzliche Sensoren selbst wissen, ob sie noch rundlaufen, die sich effizient ansteuern lassen und sich mit anderen Antrieben abstimmen: Matthias Nienhaus und sein Team von der Universität des Saarlandes wollen beispielsweise elektromagnetischen Klein- und Mikroantrieben selbst zu Sensoren machen.
Allein mit Motordaten, die während des normalen Betriebs anfallen, berechnen die Forscher, was sonst die Sensoren messen. Und sie bringen dem Antrieb bei, dieses Wissen zu nutzen. Mit Projektpartnern erforschen und testen sie dafür derzeit verschiedene Verfahren. Ziel ist, die Produktion kostengünstiger und flexibler zu machen, und Maschinen permanent auf Störungen oder Verschleiß hin zu überwachen.
Der Antriebstechniker Professor Matthias Nienhaus (Saar-Uni) erläutert: „Wir erforschen, wie wir aus dem Motor elegant Daten herausziehen, die wir für die Ansteuerung und Prozessüberwachung nutzen. Hierzu entwickeln wir mit Partnern auch das Design von Kleinantrieben weiter und bauen Motoren so, dass sie uns möglichst viel Informationen liefern.“ Sein Spezialgebiet sind Miniatur-Systeme und elektromagnetische Klein- und Mikroantriebe mit einer Leistung von 0,1 bis zu einigen hundert Watt. Gerade auch die Signale des normalen Betriebs sind für die Forscher aufschlussreich: Desto mehr Daten sie über den Motor kennen, umso effizienter können sie ihn ansteuern.
Aus der Datenmasse werden jene Signalmuster identifiziert, die hierfür aussagekräftig sind, oder bei bestimmten Veränderungen wie Fehlern oder Verschleiß auftreten. Für die verschiedenen Zustände des Motors wie auch Fehler- und Verschleißgrade entwickeln die Forscher mathematische Modelle. Mit diesen Ergebnissen füttern sie einen Microcontroller, das Gehirn des Systems, in dem die Daten ausgewertet werden: Verändern sich die Signale, kann der Controller sie einer bestimmten Fehlfunktion zuordnen und dann auch entsprechend reagieren.
Über ein Netzbetriebssystem können die so sensibilisierten Motoren auch zusammen im Verbund agieren, was neue Möglichkeiten für Wartung, Qualitätssicherung und Produktion eröffnet: Denkbar wäre etwa, dass ein anderer Motor automatisch übernimmt, wenn einer ausfällt. Um die Daten aus dem Motor zu lesen, betrachten Nienhaus und sein Team, wie genau im Motor die Stärke des magnetischen Feldes verteilt ist.
Fließt etwa bei einem Kleinantrieb Strom durch die Spulen, die um sich drehende Permanentmagneten angeordnet sind, wird ein spezifisches elektromagnetisches Feld erzeugt. Die Forscher erfassen, wie sich dieses magnetische Feld verändert, wenn der Motor sich dreht. Anhand dieser Daten können sie sowohl die Lage des Rotors berechnen, als auch weitere Schlüsse ziehen, mit denen der Motor sehr effizient angesteuert oder Fehler erkannt werden können.
Im Rahmen des Projektes „Modulare Sensorsysteme für Echtzeit-Prozesssteuerung und smarte Zustandsbewertung“ (MoSeS-Pro), an dem unter anderem Firmen wie Bosch, Festo, Sensitec, Pollmeier, CANWAY sowie Lenord, Bauer & Co. beteiligt sind, testet Nienhaus derzeit verschiedene Verfahren daraufhin, welche sich am besten eignen, um Daten aus dem Motor zu gewinnen. Hierbei ermitteln die Forscher auch, welcher Drehzahlbereich die besten Daten liefert oder welcher Motor sich am besten eignet. Das Bundesforschungsministerium fördert dieses Projekt.
Auf der Hannover Messe zeigen die Forscher ihre Arbeiten vom 25. bis 29. April am saarländischen Forschungsstand (Halle 2, Stand B 46).
