Antriebstechnik
EC-Flachmotoren: Fäulnis-Fresser
Die Roboterraupe Hullbug entfernt am Unterwasserteil eines Schiffes Biofilmschichten - das macht die Schiffe schneller und schont die Umwelt. Für dieses batteriebetriebene, autonom operierende Fahrzeug war die Auswahl der richtigen Antriebe wichtig.
Biofilmschichten sammeln sich über die Jahre an allen großen Schiffen an. Dieses so genannte Fouling verringert maßgeblich die Geschwindigkeit – um etwa zehn Stundenkilometer. Um diesem Ablagerungsprozess entgegenzuwirken,erhalten die Schiffsunterseiten eine Lackschicht – sie ist giftig und sondert permanent Kupfer und andere Schwermetalle in den Unterwasser-Lebensraum ab, was die dort lebenden Organismen schädigt. Erschwerend kommt hinzu, dass die Farbe alle fünf bis zehn Jahre abgestrahlt und erneuert werden muss – hierbei entsteht eine menge Giftmüll. Der Roboter Hullbug entfernt mittels eines Abstreifwerkzeugs die Biofilmschichten umweltfreundlich und effizient. Deshalb kann bei der Unterwasserbeschichtung der Fokus auf den Korrosionsschutz gelegt und die Umweltbelastung reduziert werden. Um also die Verwendung der giftigen Lacke dauerhaft zu vermeiden, waren Forscher auf der Suche nach einer Methode zur Beseitigung des Biofilms. Hieraus entstand das Hullbug-Konzept: Hull Bioinspired Underwater Grooming. Der Roboter ist nur etwa einen halben Meter lang. Dies war ein notwendiges Konstruktionskriterium, damit das Fahrzeug über die geschwungene Oberfläche der Schiffsunterseite manövrieren kann. Und noch ein Argument: Da mit dem Betrieb eines solchen Unterwassergeräts Gefahren verbunden sind und ein Hullbug in einer Hafenumgebung verlorengehen oder im Betrieb zerstört werden könnte, waren die kompakte Größe und geringe Gerätekosten wichtige Faktoren. Diese besonderen Anforderungen gelten auch für die Auswahl der technischen Komponenten.
Ein Modell mit Rädern, eins mit Raupenketten
Bei der Auswahl der Antriebsmotoren kam eine Reihe entscheidender konstruktiver Einschränkungen und Kompromisse ins Spiel. Sea-Robotics entschied sich für die Herstellung von zwei Basismodellen - eines mit Rädern und ein weiteres mit Raupenketten. Für die Größenbestimmung der Motoren waren die Leistungs-, Drehzahl- und Drehmomentkennwerte der fertigen Geräte zu schätzen. Außerdem waren der Widerstand durch das Schieben des Abstreifwerkzeugs über den Schiffsrumpf, der hydrodynamische Widerstand des Fahrzeugs bei seiner Bewegung durch das Wasser, Reibungsverluste in den Wellendichtungen, die die Motoren vor Salzwasser schützen, sowie die Reibung der Räder oder der Raupenketten zu berücksichtigen.
Sea-Robotics entschied sich für den Einsatz von Maxon-Motoren: „Diese Motore bieten nicht nur eine kostengünstige Lösung, sie sind auch effizient und einfach zu installieren,“ Dr. Kenneth Holappa, Forschungsingenieur bei Sea-Robotics. Das Unternehmen wählte EC-Flachmotoren mit Planetengetriebe. In der Raupenkettenversion kommen zwei (EC45 flat und GP42C) und in der Radversion vier Antriebe zum Einsatz. Ein weiterer EC45-Motor ist in das Abstreifwerkzeug des Roboters integriert. Dieser ist mit einem einfachen Stirnradgetriebe kombiniert. Für den Antrieb des Unterdrucksystems, das den Hullbug an der Unterseite des Schiffs festhält, kommt ein starker EC90-Flachmotor zum Einsatz.
Maxon Motor hat ein umfassendes Sortiment von Gleichstrommotoren mit eisenlosem Rotor und bürstenlose Motoren in Größen von sechs bis 90 Millimeter und von 30 Milliwatt bis 500 Watt. Die gesamte Baureihe bürstenloser EC-Motoren wird elektronisch kommutiert. Dies sorgt für eine lange Motorlebensdauer, da kein Verschleiß stattfindet. Die hier ausgewählten Motoren wurden speziell für Robotikanwendungen konstruiert, bei denen Größe und Gewicht zentrale Auswahlkriterien sind. Die für den Hullbug ausgewählten Flachmotoren EC45 arbeiten effizient und wiegen jeweils nur 75 Gramm. Alle sechs EC-Flachmotoren haben eine Abgabeleistung von mehr als 30 Watt.
Die wichtigste Spezifikation für diese Anwendung war das Drehmoment. Selbst unter den rauen Umgebungsbedingungen, in denen der Hullbug eingesetzt werden kann, liefert der EC45 je nach ausgewählter Wicklung ein maximales dauerhaftes Drehmoment bis 56 Millinewtonmeter. Die große Belastbarkeit der GP42-Getriebe ermöglicht es, die Räder direkt an die Wellen der Getriebe zu montieren. Unter der Vorgabe, dass das Hullbug-Fahrzeug vollständig autonom sein sollte, musste das Gebtriebe so konstruiert werden, dass es mehrere Stunden im Batteriebetrieb arbeiten kann; Kabel würden die Abstreifarbeiten behindern. Für die große Unterwasserfläche des Schiffs mit rund 3.000 Quadratmetern sind mehrere Hullbugs gleichzeitig im Einsatz. pb
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