Gleichstrommotoren Drohnen sorgen bei Lieferdiensten für viel Auftrieb

Redakteur: Karin Pfeiffer

Drohnen erledigen immer vielfältiger Aufgaben. Hinter ihren Funktionalitäten steckt eine Menge Antriebstechnik - auch wenn es um die Stabilität der Kamerabilder geht. Das funktioniert etwa mit Lösungen von Constar.

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Constar entwickelt und baut Motoren und elektronische Drehzahlregler für eine Vielzahl von Drohnen. Koco Motion vertreibt die Motoren.
Constar entwickelt und baut Motoren und elektronische Drehzahlregler für eine Vielzahl von Drohnen. Koco Motion vertreibt die Motoren.
(Bild: Koco Motion)

Er gilt als Vorreiter in Sachen Lieferdienst per Drohne: Online-Händler Amazon hat vor rund einem Jahr bereits die zweite Generation seiner Lieferdrohne vorgestellt. Förderbänder transportieren dort im Lager Kartons in einem vollautomatischen Prozess zur Drohne, die ihn greift und – gesteuert über ein Navigationssystem – zum Kunden fliegt. Sensoren und Kameras weisen den Weg um Hindernisse herum. Auch der Paketdienst der Deutschen Post und Walmart forschen beispielsweise am Drohnen-Zustelldienst, auch die National University of Singapore und Airbus Helicopter. Noch ist der unbemannte Luftverkehr nicht klar definiert. Bisher darf beispielsweise Amazon nur testen und muss hohe Auflagen erfüllen wie das Fliegen von Drohnen mit ausgebildeten Piloten – nur tagsüber und nur 120 m über der Erde.

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Gleichzeitig gibt es Drohnen bereits in vielen Varianten – und dabei spielen Antriebe eine wesentliche Rolle. Im Modellbaubereich und bei Drohnen in Quadrocopter-Bauweise etwa werden die Propeller oft durch bürstenlose Gleichstrommotoren angetrieben. Diese sind als Außen- oder Innenläufer ausgelegt. Durch diese Antriebsart ist trotz geringer Größe der Fluggeräte eine hohe Traglast möglich.

Koco Motion beliefert viele Drohnen-Hersteller mit seinem Constar-Motoren-Programm. Diese bürstenlosen Innen- und Außenläufermotoren sind etwa in den Quadrokoptern von Parrot verbaut. Die Parrot Bebop Drone gilt als ein anspruchsvoller Quadrokopter für Hobbyflieger mit Full-HD-Kamera und GPS. Dank Beschleunigungsmesser, Gyroskop, Magnetometer und Ultraschallsensoren lassen sich die Flugbewegungen per Smartphone oder Tablet präzise steuern.

Kamera-Gimbal gleicht Ruckler dank Motor au

Bei Foto-Drohnen sorgt ein Gimbal – das gleiche System wie zur Lagerung von Kompassen – für die Bildstabilisierung. Ein Gimbal ist eine kardanische Aufhängung in zwei Ebenen mit rechtwinklig zueinander angeordneten Lagern mit ausgewogenem Schwerpunkt. Das reicht nicht immer, die Bewegungen oder Ruckler der Drohne sind zu schnell für die träge Reaktion der Masse der Kamera.

Hängt man den Kamera-Gimbal statt an eine drehbare Lagerung an einen Elektromotor, lässt er sich stabil halten. Zum Einsatz kommen hier bürstenlose Motoren von Constar, die extrem schnell sind. Ein IMU Sensor misst Lage und Beschleunigung der Kamera in Echtzeit. Über die ermittelten Lagedaten wird die Kamera in Position gehalten. Erkennen die Sensoren selbst eine minimale Lageänderung der Kamera, werden die entsprechenden Motoren an der Gimbal-Lagerung angesteuert, um sie entsprechend entgegengesetzt zu bewegen und damit in Position zu halten.

Um die schnellen und präzisen Bewegungen ausführen zu können, muss die Kamera in der Lagerung extrem ausgewogen sein. Der Schwerpunkt muss auch hier genau mittig liegen, so dass die Motoren in der „Nullstellung“ eigentlich keine Kraft benötigen und die Kamera sich nicht bewegt, obwohl sie in alle Richtungen beweglich gelagert ist. Nur so lässt sich Kapazität und Kraft der Motoren effizient für die Bildstabilisierung und für den Bewegungsausgleich nutzen.

Neben dem nötigen Ausgleich der Kamera muss sie sich auch noch selbst bewegen lassen. Mit dem Gimbal lässt sie sich zusätzlich fernsteuern. Dieser wird dann nicht mehr nur zur Bildstabilisierung, sondern auch zur aktiven Ausrichtung der Kamera per Fernsteuerung verwendet.

Bürstenlose Innen- und Außenläufermotoren auf dem Flug

Constar entwickelt und fertigt Motoren und elektronischen Drehzahlregler für Modellflugzeuge (UAV). Die bürstenlosen Innen- und Außenläufermotoren werden von UAV-Herstellern verwendet. Derzeit baut der Spezialist für Kleinmotoren 20 professionelle Produktionslinien mit einer Gesamtkapazität von zwei Millionen Stück pro Monat. Dazu zählt etwa eine Serie an kleinen, leichten Außenläufer-Motoren mit guter Wärmeableitung und die Innenläufer Brushless mit kleinem Bauraum und hoher Drehzahl. Bei der Edelmetallbürsten-Serie kommen eine eisenlose Spulenwicklung, Edelmetallbürsten, Hochleistungs-NdFeB-Magneten sowie hochfeste, fein lackierte Drähte zum Einsatz. Dadurch sind sie sehr agil – gut für Mikro-UAV. Die Rotationsträgheit der leistungsfähigen Motoren ist niedrig und ihr Stromverbrauch gering.

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Für die elektronischen Drehzahlregler hat Constar eigene Soft- und Hardware entwickelt und verwendet hochwertige Materialien und Bauteile. Die bürstenlosen Gleichstrommotoren PCB und SMT sind effizient und verursachen nur niedrige Temperaturen und Interferenzen. Damit stören sie keine anderen Empfänger in der Umgebung. Ein integriertes Multi-Motor Programm dient dem stabilen Flug. Die Drosselklappe reagiert schnell und unterstützt eine Bildwiederholfrequenz von 490 Hz. Die PPM-Empfänger-Empfindlichkeit berührt 2048 Ebenen und gestattet damit eine stabile Geschwindigkeitsanpassung.

Tipp: Um neue Anwendungsfelder geht es im Praxisforum Elektrische Antriebstechnik von ELEKTRONIKPRAXIS vom 4. bis 6. April 2017 im Vogel Convention Center VCC in Würzburg.

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