Was wurde eigentlich aus…? 05.03.2020, 09:33 Uhr

Piezomotor: Antriebskonzept ahmt Tausendfüßler nach

Piezomotoren werden nicht nur seit Jahren in der Industrie eingesetzt. Sie sorgen auch für allerhand Gesprächsstoff zwischen Wissenschaftlern und Ingenieuren. Eine spezielle Variante des Motors könnte nämlich einen Meilenstein in der Antriebsentwicklung von Elektrofahrzeugen setzen.

Antriebskonzept Piezomotor: Alternative zum klassischen Motor?

Antriebskonzept Piezomotor: Alternative zum klassischen Motor?

Foto: Continental

Piezomotoren sind rotatorisch oder linear arbeitende Aggregate und werden aktuell in Bereichen eingesetzt, in denen höchste Präzision erforderlich ist. Zum Beispiel findet diese Art Antrieb bei der Mikropositionierung oder bei empfindlichen Messgeräten Anwendung. Entdeckt wurde der piezoelektrische Effekt, der dem Funktionsprinzip zu Grunde liegt, von den Brüdern Jaques und Pierre Curie im Jahr 1880. In der Regel kommt im Anwendungsfall jedoch das umgekehrte Prinzip des Piezoeffekts zum Tragen. Dabei werden kontinuierliche Schwingungsbewegungen in Dreh- und Schrittbewegungen umgewandelt. In der Praxis kommen vor allem 3 unterschiedliche Arten des Aggregats, die auf verschiedenen Funktionsprinzipien, wie Resonanzverhalten, Trägheit und Schrittbewegungen beruhen, zum Einsatz. Das weltweit steigende Interesse an miniaturisierten und trotzdem leistungsstarken, effizienten Antriebslösungen sorgt gerade deshalb auch für eine Reihe an Innovationen auf Gebieten abseits konventioneller Elektromotoren.

Grenzen konventioneller E-Motoren

Herkömmliche Synchron-Wechselstrommotoren in Elektrofahrzeugen funktionieren nach einem einfachen Prinzip. Bestehend aus zwei Elektromagneten, erzeugt der festmontierte (Stator) durch Gleichstrom ein konstantes Magnetfeld. In diesem ist der Rotor gelagert, welcher durch Anliegen von Wechselstrom ebenfalls ein Magnetfeld erzeugt – dieses wechselt jedoch die Pole im Fluss des Wechselstroms. Dadurch werden die Pole von Rotor und Stator abwechselnd angezogen und abgestoßen, woraus eine Drehbewegung des beweglich gelagerten Bauteils resultiert. Die Leistungselektronik in Form von Konvertern und Reglern hat hierbei die Aufgabe, Frequenz und Stromstärke so bereitzustellen, wie sie benötigt wird. Essentiell hierbei ist jedoch eine Hochvolt-Batterie, welche die Energie zur Verfügung stellt.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
infraSignal GmbH-Firmenlogo
Projektleiter Steuerkabel (m/w/d) infraSignal GmbH
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Projektingenieur im Brückenbau für Neubau-, Ausbau- und Erhaltungsmaßnahmen (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Regensburg Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur (w/m/d) für die Projektleitung von Brücken und Ingenieurbauwerke Die Autobahn GmbH des Bundes
Nürnberg Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Abteilungsleiter (w/m/d) Konstruktiver Ingenieurbau, Lärmschutzbauwerke Die Autobahn GmbH des Bundes
Nürnberg Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur als Projektleiter (w/m/d) Planung Die Autobahn GmbH des Bundes
PFINDER KG-Firmenlogo
Produktentwickler (m/w/d) Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung PFINDER KG
Böblingen Zum Job 
Hitzler Ingenieur e.K.-Firmenlogo
Projektleiter im Bau-Projektmanagement (m/w/d) Hitzler Ingenieur e.K.
Düsseldorf Zum Job 
WTM ENGINEERS GMBH-Firmenlogo
BIM-Modeler (m/w/d) für den Bereich Ingenieurwasserbau WTM ENGINEERS GMBH
Hamburg, Kiel, Rostock Zum Job 
Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH-Firmenlogo
Master / Diplom in Physik oder Elektrotechnik als Vertriebsingenieur/in für Bereich Analytical (m/w/d) Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH
Herrsching am Ammersee Zum Job 
Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Arbeit, Technologie und Tourismus-Firmenlogo
Referentin/Referent (m/w/d) im Referat "Straßenbau" Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Arbeit, Technologie und Tourismus
Mercer Stendal GmbH-Firmenlogo
Betriebsingenieur Mechanik (m/w/d) Mercer Stendal GmbH
Arneburg Zum Job 
Hamburger Hochbahn AG-Firmenlogo
Techniker / Ingenieur Elektrotechnik Wartung / Instandhaltung (w/m/d) Hamburger Hochbahn AG
Hamburg Zum Job 
Städtisches Klinikum Dresden-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) Technische Gebäudeausrüstung (TGA) Städtisches Klinikum Dresden
Dresden Zum Job 
Rohde & Schwarz Österreich GesmbH-Firmenlogo
Softwareentwickler (m/w/d) Embedded Systems Rohde & Schwarz Österreich GesmbH
Singapur, Stuttgart, Berlin, München Zum Job 
Carl Zeiss Meditec AG-Firmenlogo
Applikationsingenieur (m/w/x) Carl Zeiss Meditec AG
Carl Zeiss Meditec AG-Firmenlogo
Process Engineer (m/w/x) Carl Zeiss Meditec AG
Carl ZEISS MultiSEM-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur Elektronik (m/w/x) Carl ZEISS MultiSEM
Oberkochen Zum Job 
Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)-Firmenlogo
Ingenieurinnen und Ingenieure (w/m/d) in den Fachrichtungen Versorgungstechnik und Gebäudeautomation Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)
Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)-Firmenlogo
Ingenieurinnen und Ingenieure (w/m/d) in den Fachrichtungen Elektro- bzw. Nachrichtentechnik Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR)
GEBHARDT Fördertechnik GmbH-Firmenlogo
Entwicklungsprojektleitung Robotik & Lagerfahrzeuge (m/w/d) GEBHARDT Fördertechnik GmbH
Sinsheim Zum Job 

Der Wirkungsgrad dieser Systeme liegt bei bis zu hohen 90 %, verglichen mit Diesel- oder Ottomotoren, welche nur knapp die 30 %-Marke erreichen. Nun soll jedoch eine alternative Form des Elektroantriebs einerseits Platz einsparen und andererseits einen noch höheren Wirkungsgrad bei niedriger Spannung, wie zum Beispiel dem konventionellen 12-V-Bordnetz, erreichen.

Höheres Potenzial durch den Einsatz von Piezomotoren?

Beim Piezoeffekt werden elektrische Ladungen an der Oberfläche sogenannter Piezokristalle durch Deformation erzeugt. Zur Klasse dieser Materialien gehören Kristalle mit polaren Achsen, die kein Symmetriezentrum aufweisen, wie zum Beispiel Tiefquarz, Turmalin oder Rohrzucker. Weit häufiger kommen in der industriellen Fertigung aber Piezokeramiken zum Einsatz, da diese durch das Anlegen eines elektrischen Feldes piezoelektrische Eigenschaften viel höherer Größenordnungen zulässt. Am häufigsten wird dafür Bariumtitanat als Piezoelement verwendet.

Durch das Anlegen elektrischer Spannung kann der umgekehrte Effekt herbeigeführt werden, der sogenannte inverse Piezoeffekt. Dabei dehnen sich die einzelnen Kristalle bzw. Hartkeramiken nur um wenige Mikrometer, jedoch mit einer Schwingungszahl von bis zu 40 kHz, wodurch Bewegung entsteht, die leistungsfähig genug ist, einen Motor anzutreiben. Dabei liegen die spezifischen Kräfte des Piezoeffekts um den Faktor 1.000 höher, als bei konventionellen elektromagnetisch angetriebenen Motoren. Durch den komplizierten Aufbau und die kurzen Wege sind die Möglichkeiten abseits von der Verwendung in Präzisionsinstrumenten jedoch begrenzt. Eine wenig bekannte Entwicklung soll dies ändern und Piezomotoren sogar für Antriebe in der Automobilindustrie zugänglich machen.

Während konventionelle Motoren also vergleichsweise große Mengen Energie benötigen, um diese in Bewegung umzuwandeln, reicht bei einem Piezomotor bereits ein Bruchteil dessen aus, um dieselbe Bewegung zu erhalten.

Schritt für Schritt zur Antriebsrevolution

Der Augsburger Ingenieur Hans J. Richter, ehemaliger Entwicklungsleiter bei Roboterhersteller Kuka, überzeugte bereits im Jahr 2013 viele Physiker und Ingenieure von seiner Vision des Piezo-Antriebs. Der von ihm entwickelte Schreitmotor sollte als wichtiger Beitrag die Weichen zu einer zukunftsweisenden Elektromobilität stellen. Bereits im Dezember 2006 meldete er sein Konzept beim Europäischen Patentamt zum Patent an. Richter reiht in seinen Experimenten mehrere Piezoelemente aneinander und entwickelt ein elektrisches Motorenkonzept, das rund 20 kW Leistung in einem faustgroßen Gehäuse unterbringt. Dabei soll ein Wirkungsgrad jenseits der 90 % erzielt werden, was die Reichweite eines damit ausgestatteten Fahrzeugs erhöhen würde. Außerdem ließe sich die Geschwindigkeit durch Verschiebung der Taktfrequenz einzelner Piezokeramiken zueinander stufenlos regeln, ohne diese selbst zu manipulieren. Wie elektromagnetische Pendants, wären Piezoelemente hier ebenfalls in der Lage, als Generator zu fungieren und rekuperatives Bremsen zu ermöglichen. Durch einen weiteren Vorteil, der sich anhand der Nutzung des 12-V-Bordnetzes ergibt, sind Gleichrichter, Frequenzwandler und Getriebe nicht mehr notwendig. Das alles sind Gründe, weshalb sich auch das Eigengewicht um ein Vielfaches reduzieren lassen würde.

An und für sich verspricht das ausgeklügelte Konzept sehr viel. Es gibt sogar Unternehmen aus Fernost, die am Erwerb der Technologie interessiert sind. Nach dem letzten Stand hält Richter jedoch an seinem Traum, seine Erfindung in Deutschland zu etablieren, fest.

Ein Beitrag von:

  • Silvia Hühn

    Silvia Hühn ist freie Redakteurin mit technischem Fokus. Sie schreibt unter anderem über die Rekorde dieser Welt und verfasst Ratgeber.

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.