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Sensorloses Verfahren steuert Ventile und Schließvorrichtungen sensibel nur mit Strom

28.03.2018

Mit dem neuartigen Verfahren der Antriebstechniker der Universität des Saarlandes können Ventile Flüssigkeiten wie ein Wasserhahn dosieren und Türriegel sanft und geräuschlos schließen. Alles, was die Forscher hierfür benötigen, ist ein magnetisch leitfähiger Metallbolzen, der sich in einer Spule aus gewickeltem Kupferdraht hin und her bewegt, und ihre zum Patent angemeldete sensorlose Ansteuerung. Um den Bolzen in beliebiger Stellung zu halten, kommen Professor Matthias Nienhaus und sein Team ohne separate Lagesensoren aus: Nur indem sie den Strom auswerten, der durch die Spule fließt, erkennen sie die Lage des Bolzens und können diesen blitzschnell ansteuern.

Auf der Hannover Messe am saarländischen Forschungsstand (Halle 2, Stand B 46) vom 23. bis 27. April zeigen die Ingenieure das Potenzial ihres sensorlosen Verfahrens, indem sie eine Stahlkugel frei schweben lassen.


Ingenieur Niklas König aus dem Team von Matthias Nienhaus zeigt das Potenzial des sensorlosen Verfahrens: Es steuert eine Stahlkugel so präzise und geschickt an, dass diese frei auf und ab schwebt.

Foto: Oliver Dietze


Alles, was Matthias Nienhaus und sein Team für das Verfahren benötigen, ist ein magnetisch leitfähiger Bolzen, der sich in einer Spule bewegt, und ihre zum Patent angemeldete sensorlose Ansteuerung.

Foto: Oliver Dietze

Heute gängige Ventile oder Schließvorrichtungen, die elektromagnetisch gesteuert werden, schalten zwar schnell, sie kennen aber meist nur die Zustände „Auf“ und „Zu“. Wird etwa bei einem solchen Türschloss der Strom eingeschaltet, stößt der Riegel mit Wucht an den Anschlag. Beim Ausschalten zieht ihn eine Feder wieder zurück. Soll das Bauteil mehr können – das Ventil etwa eine Zwischenstellung halten oder ein Verschluss sanft anschlagen – so ist dies bislang ein teures Unterfangen: Zusätzliche Sensoren und eine komplexe Regelungstechnik kommen zum Einsatz.

Ganz ohne weitere Sensoren kommt das neue Verfahren aus, das der Antriebstechniker Professor Matthias Nienhaus und sein Team von der Universität des Saarlandes entwickelt haben. Mit diesem landet der Bolzen sowohl „soft“ am Anschlag, als auch präzise und frei in jeder gewünschten Stellung: Also nicht nur bei „Auf“ und „Zu“, sondern auch bei allem dazwischen – ähnlich wie bei einem Wasserhahn, mal mehr auf, mal mehr zu.

Die Forscher benötigen hierzu allein die Informationen, die der Strom selbst liefert, mit dem der Bolzen angesteuert wird. „Wir nutzen den zeitlichen Stromverlauf in der Wicklung, das heißt: Wir schauen uns Schwankungen über einen bestimmten Zeitraum an und werten diese aus. Die Stromschwankungen verändern sich abhängig von der Position des Bolzens. Dadurch wissen wir zu jeder Zeit exakt, wo der Bolzen steht. Diese Lageerkennung ermöglicht uns zugleich, den Bolzen effektiv anzusteuern“, erklärt Matthias Nienhaus.

Die Signale, die die Forscher hierbei zunächst erhalten, sind für sich gesehen noch alles andere als aussagekräftig: Sie sind erheblich verrauscht. „Wir glätten diese Signale mithilfe eines neu entwickelten, integrierenden Verfahrens, das wir zum Patent angemeldet haben“, erklärt Nienhaus.

Die Antriebstechniker filtern mithilfe der neuartigen Methode die eigentlichen Messsignale sauber heraus. „Man kann es in etwa damit vergleichen, als würde man bei einer Autofahrt, bei der der Wagen mal schnell, mal langsam fährt, ständig die mittlere Geschwindigkeit berechnen“, verdeutlicht Nienhaus. Aus den Ergebnissen können die Forscher präzise rückschließen, wo der Bolzen gerade in der Wicklung steht. „Es entsteht ein praktisch unverrauschtes Messsignal. Und dieses können wir nutzen, um den Bolzen zu positionieren, sogar noch ein Stück außerhalb der Spule“, erläutert er.

Was sie unter „sauberer Ansteuerung“ verstehen, zeigen die Saarbrücker Antriebstechniker auf der Hannover Messe: Sie demonstrieren spielerisch ihre Ingenieurkunst und das Potenzial ihrer Entwicklung, indem sie eine Stahlkugel so präzise und geschickt ansteuern, dass sie nach Wunsch auf und ab schwebt. „Damit zeigen wir, zu welcher Geschwindigkeit und Präzision unsere Technologie in der Lage ist. Wir jonglieren die Kugel quasi nur mit Stromsteuersignalen ohne separaten Positionssensor“, sagt Matthias Nienhaus.

Kontakt für die Medien:
Kontakt: Prof. Dr. Matthias Nienhaus (Lehrstuhl für Antriebstechnik der Universität des Saarlandes) Tel.: 0681 302-71681; E-Mail: nienhaus@lat.uni-saarland.de

Pressefotos für den kostenlosen Gebrauch finden Sie unter
https://www.uni-saarland.de/aktuelles/presse/pressefotos.html

Englische Version der Pressemitteilung:
https://www.uni-saarland.de/nc/aktuelles/artikel/nr/18827.html

Hintergrund:
Der Antriebstechniker Matthias Nienhaus von der Universität des Saarlandes hat sich in seiner Forschung spezialisiert auf intelligente Motoren, die ohne weitere Sensoren selbst Messdaten liefern: Die Forscher machen den Motor selbst zum Sensor und entwickeln damit eine neue Sensorkategorie. In verschiedenen Projekten erforschen sie, wie sie aus den Elektromotoren möglichst viele Daten gewinnen, die sie dann nutzen, um die Antriebe effizient anzusteuern. Oder auch, um zu überwachen, ob der Motor ohne Störung oder Verschleiß einwandfrei funktioniert.

Der saarländische Forschungsstand wird organisiert von der Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer der Universität des Saarlandes (KWT). Sie ist zentraler Ansprechpartner für Unternehmen und initiiert unter anderem Kooperationen mit Saarbrücker Forschern. http://www.uni-saarland.de/kwt

Claudia Ehrlich | Universität des Saarlandes

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