NRC Handelsblad 16-11-2002
Kogelkracht
EEN BOLMOTOR KAN DE GEKSTE CAPRIOLEN UITHALEN
Een motor die als een polsgewricht kan draaien. De bolmotor van Duitse
ingenieurs is de eerste in zijn soort.
Als een groteske loerende oogbol in zijn kas draait hij zijn schokkerige
rondjes: de Akense kogelmotor, een bijna dertig centimeter dikke metalen bol,
ingekapseld in een forse metalen behuizing. ``De eerste driedimensionale
motor'', noemt werktuigbouwkundige Dipl.-Ing Thomas Reinartz zijn geesteskind.
De ingenieur bedoelt dat de bol drie draaiassen heeft. Hij kan zwenken in twee
richtingen en, een extraatje vergeleken met het menselijk oog, volledig in de
rondte draaien. Het gevaarte, inclusief aansturing, staat opgesteld in een
grote hal vol experimentele industriële machinerie, aan de technische
hogeschool van Aken.
Door de uitzonderlijke bewegingsvrijheid kan de kogelmotor dienen als
gewricht voor nieuwe, preciezere en goedkopere industriële robotarmen,
voorspelt Reinartz, die de motor met vijf collega's ontwierp.
In combinatie met een beweegbaar plateau zou zo'n robot een werkstuk op
iedere gewenste positie en onder iedere gewenste hoek onder handen kunnen nemen
met een frees, boor of ander instrument: een zogeheten vijfassige bewerking.
Door het ontwerp in te krimpen, zou je het ook kunnen gebruiken als
polsgewricht voor robots op meer menselijke maten. ``Het ontwerp is niet
gebonden aan een bepaalde schaal'', zegt Reinartz.
De onderzoekers hebben een octrooi op het ontwerp, en zijn nog op zoek naar
partners uit het bedrijfsleven om na het prototype een productiemodel van de
motor te maken.
Het enige bewegende onderdeel van de hele motor is de bol, in
elektromotorenjargon de `rotor'. Die is bekleed met 112 krachtige permanente
neodymium-ijzer-boor-magneten in een op een globe lijkend patroon, met
onderlinge hoeken van 22,5 graden. In de behuizing, het statorhuis, schuilen 96
elektromagnetische spoelen die magneten van de rotor op commando kunnen
aantrekken of juist afstoten. De beweging van de bol moet zorgvuldig
georkestreerd worden met hulp van deze krachten. Iedere spoel heeft een eigen
24-volts stroomvoorziening met digitale aansturingsapparatuur, en een pc stuurt
het geheel aan.
Er zijn volgens Reinartz wel eerder pogingen gedaan om met dit principe een
kogelmotor te maken. Maar de rekenkracht die nodig is om een praktisch
bruikbaar apparaat aan te sturen was tot voor enkele jaren nog nog te veel
gevraagd.
``Ook de positie van de spoelen hebben we van tevoren moeten berekenen'',
vertelt Reinartz. Anders dan bij een normale elektromotor, met maar één
bewegingsdimensie, bieden eenvoudige ontwerpprincipes nauwelijks houvast bij de
positionering van de spoelen.
Daarbij is het zaak dat de aandrijfkracht van de motor niet al te veel
varieert over het hele bereik van de rotor, dat 60 bij 60 graden omspant. Door
het optimaliseren van de 96 spoelposities in een gedetailleerd computermodel
van de motor wisten de ontwerpers het `koppel' van de motor (een maat voor het
aandrijfkracht) bij alle mogelijke draaihoeken tamelijk stabiel te houden rond
de 60 Newtonmeter.
En dat is een fors, blijkt bij een vastberaden poging om de as die uit de
zwenkende bol steekt met de hand tegen te houden. De motor, die een
voorgeprogrammeerd demonstratiepatroon uitvoert, lijkt zich er weinig van aan
te trekken. Wel is te voelen hoe de motor in voorkeursposities even blijft steken,
als een fietswiel met versleten lagers, wat ook de schokkerige beweging
veroorzaakt. ``De spoelen trekken de magneten zonder aansturing aan'', legt
Reinartz uit. Dat veroorzaakt ribbels in het krachtenpatroon die in principe
opgeheven moeten kunnen worden door de aansturingsprogramma's, zodat de
beweging vloeiender wordt. Maar zo ver zijn de Duitsers nog niet.
Door dezelfde magnetische krachten wordt de bol, die los maar zo'n vijftig
kilo weegt, in het statorhuis gehouden met een kracht die overenkomt met
anderhalve ton. Het plaatsen van de rotor in de stator was dan ook een
omslachtige procedure waar een forse metalen takelconstructie aan te pas kwam,
laat Reinartz met foto's zien.
De vloeistof die als robotisch traanvocht opgutst in de smalle richel tussen
rotor en statorhuis is hydraulische olie, waarmee de rotor is gelagerd. De bol
glijdt rond in een dun olielaagje dat onder hoge druk in het statorhuis gepompt
wordt. De rondstromende olie, vier liter per minuut, voert tegelijk de warmte
van de elektromagnetische spoelen af.
meedraaiende beugels
Door de hydraulische lagering kan de ruimte tussen rotor en stator maar drie
duizendste millimeter variëren. De positie van de motor is dan ook zeer precies
in te stellen. Dat bleek tijdens de tests deze zomer, waarbij meedraaiende
beugels om de as de draaihoeken precies maten.
De precisie heeft de motor vóór op eerdere ontwerpen voor driedimensionaal
bewegende motoren, die vaak bestaan uit verschillende gekoppelde
ééndimensionale motoren. Dat verhoogt de totale speling. Bovendien kan bij deze
directe aandrijving zonder tandwielen of snaren om krachten over te brengen het
ontwerp compact blijven.
Eerdere experimentele ontwerpen op basis van een enkele draaiende bol,
waarvan de aansturing met acht spoelen wel een stuk overzichtelijker was,
hadden een bereik van maar 15 graden. Ze konden maar een veel kleiner koppel
leveren, dat bovendien sterk varieerde over het bereik.
``Deze heeft begin dit jaar voor het eerst gedraaid, en sindsdien zijn we
eraan aan het sleutelen'', zegt Reinartz, die met het hele project al drie jaar
bezig is, maar voorlopig zijn interesse nog niet verliest. ``Het is een
fundamenteel nieuw principe voor elektromotoren'', zegt hij, ``iedere stap die
we doen is nieuw.''
Foto-onderschrift: Zesennegentig elektromagnetische spoelen sturen de rotor
van de bolmotor aan.
Voorzichtig laten de ingenieurs de met 112 permanente
neodymium-ijzer-boor-magneten beklede bol in zijn behuizing zakken.
FOTO'S TECHNISCHE HOGESCHOOL AKEN
(c) Bruno van Wayenburg