Windturbines moeten efficiënter, racewagens lichter en medische apparaten veiliger worden. Een nieuw meetsysteem voor assen moet dat mogelijk maken. Daarbij meet een optische sensor contactloos het draaimoment en de positie van een as. Deze sensor moet kleiner en lichter worden dan de huidige systemen en bovendien goedkoper, aldus de onderzoekers van het Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) en van het Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH).
Van garageroldeuren en in hoogte verstelbare ziekenhuisbedden tot windturbinegeneratoren tot transmissies en zuigeraansturingen in automotoren, overal zitten assen in. Deze onderdelen brengen de kracht van de motor over in een draaimoment of de draaiende beweging van de windturbinebladen naar een generator, die daarmee elektriciteit opwekt.
Waarom assen meten?
Het rendement van motoren en generatoren is vast te stellen door het draaimoment en de positie van de as te meten. Denkt u even aan racewagens: als de coureur het gaspedaal te snel intrapt, slippen de wielen door. De kracht van de motor wordt dan niet meer op de straat overgebracht en het draaimoment is nagenoeg nul. Als het draaimoment continu wordt gemeten en aangeleverd aan de elektronica van de motorsturing kan deze de kracht wat verminderen, zodat wordt voorkomen dat de wielen doorslippen.
Als de rotorbladen van een windturbine stilstaan, is het draaimoment nul en wordt geen elektrische energie opgewekt. Als de wind opsteekt en een windvlaag de rotorbladen plotseling in beweging brengt, stijgt het draaimoment enorm. Deze ruwe beweging kan schade veroorzaken aan de generator. De turbines zijn het meest efficiënt bij een gelijkmatige draaimoment. Dit is te bereiken door permanent meten en regelen: de rotorbladen worden zodanig uitgelijnd dat de wind optimaal wordt benut.
Contactloos meetsysteem
Systemen voor het meten van een draaimoment, zoals schijven met codering of rekstrooksensoren, bestaan al lang, maar moeten tot nu toe rechtstreeks op of bij de as worden opgebouwd en hebben plaats nodig in de aandrijflijn. De bestaande contactloze meetprocessen, die berusten op het magnetische meetprincipe zijn kostbaar.
Wetenschappers van de genoemde instituten ontwikkelen momenteel een nieuw soort optisch meetsysteem voor assen dat contactloos functioneert en niet moet worden vastgezet aan de as. Daardoor kan het gemakkelijk ook achteraf worden toegepast. Het nieuwe systeem moet een duidelijk betere resolutie opleveren en kleiner en lichter zijn. Dat is een voordeel in bijvoorbeeld de motorsport, waar elke gram telt.
Het nieuwe meet systeem moet ook duidelijk goedkoper zijn. De exacte prijs kunnen de wetenschappers nog niet geven omdat het onderzoeksproject IntegrAD – Integrierter optischer Absolutgeber und Drehmomentmesser net is opgestart.
Meetprincipe
Het principe is simpel: op de as worden zogenaamde absolute meetschalen aangebracht door met een laser de oppervlakte van het staal plaatselijk met een hoge resolutie zwart te maken. Hierdoor ontstaan fijne streepjescodes. Binnen het systeem worden lichtdiodes en fotodiodes aangebracht, die de streepjescode contactloos scannen.
Een draaimoment in de as leidt tot torsie, de as wordt dus enigszins verdraaid. De grootte van deze torsie kan men aflezen op de absolute meetschalen. De lasermarkeringen hebben een hoge resolutie, zodat de kleinste veranderingen kunnen worden waargenomen. Op deze manier kan het systeem de positie en het draaimoment van de as in real time opnemen en doorsturen aan de motorcontroller.
Partners gezocht
Omdat het systeem niet alleen in de theorie moet functioneren maar ook in de praktijk zoeken de wetenschappers nog partners in de industrie. Deze moeten parameters en ervaringen uit praktische toepassingen aanleveren, zoals materiaal en diameter van de gebruikte assen.
Niet alleen producenten van motoren of windturbines komen dus in aanmerking als partner, maar ook ondernemingen in de medische technologie. Het meetsystemen voor assen zou namelijk kunnen bijdragen om in hoogte verstelbare ziekenhuisbedden of robots voor de chirurgie veiliger te maken. Deze hulpmiddelen kunnen zichzelf automatisch uitschakelen als een patiënt ingeklemd dreigt te raken. Bij de minste weerstand wordt het draaimoment immers hoger.
Bedrijven, die willen deelnemen aan het onderzoeksproject IntegrAD kunnen zich melden bij de projectingenieur. Tobias Menke , telefoon (0511) 279 76-230 of e-mail aan menke@iph-hannover.de.
