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?
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.
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.
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