Antriebstechnik Simulator mit Leistungsschub wie in der Formel 1

Wenn Aktuatoren rund 15 Tonnen verfahren, kippen, beschleunigen und bremsen müssen, dann hat die elektromechanische Antriebstechnik einiges zu leisten, damit sich eine Simulationsplattform realitätsnah bewegt. Eine smarte Antriebsregelung spart dabei 65 Prozent Energie ein.

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Moog GmbH

In der Pilotenausbildung für die Luft- und Raumfahrt gelten Simulationsplattformen wie von Moog als elementar. Und auch der Motorsport und die Fahrzeugentwicklung setzt bei Prüfungen der Alltagstauglichkeit auf die Technologie. Generell gilt: Je schneller und präziser sie Bewegungen ausführen können, desto näher kommt die Simulation der Realität. Bis zu 14 Tonnen wiegt die Simulatorkabine, die auf dem Bewegungssystem sitzt. Das Antriebssystem muss also einiges leisten. Zudem erfordern aktuelle Rahmenbedingungen, dass das System Ressourcen in puncto Energie, Materialien und Platzverbrauch schont. Aus diesem Mix ergeben sich die Herausforderungen für neue Systeme.

Mit einer installierten Basis von über 1.000 Simulator-Bewegungssystemen weltweit hat sich die Moog-Entwicklung auf diesem Technologiefeld etabliert, auch im Hinblick auf den Energieverbrauch. Dem internationalen Hersteller von Antriebslösungen ist es eigenen Angaben zufolge gelungen, den Energieverbrauch ohne Qualitätseinbußen um 65 Prozent auf 20 bis 25 kVA zu senken. Dies ermöglicht die smarte Antriebsregelung DE2020. Sie ist das Ergebnis eines Umdenkprozesses, heißt es bei Moog: Zuvor wurde die Zuführung elektrischer Leistung immer auf die Spitzenlasten eines Antriebssystems ausgelegt, auch wenn diese Spitzen nur selten vorkommen. Dieses energetische Vorhalten ist jedoch mit erheblichen elektrischen Verlusten und auch mit Kosten hinsichtlich Kabelauslegung und Anschlussleistungen beim Versorger verbunden.

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Energiemanagement-System speichert Leistungsüberschüsse

Die Frage war: Könnte man nicht kurzfristige Lasten innerhalb des Systems abfedern und es eventuell aus Leistungsüberschüssen aufladen, ähnlich dem elektrischen Leistungsschub der Formel 1? Diese Überlegung hat Eingang in die Entwicklung des Energiemanagement-Systems DE2020 gefunden. Klar ist, der Normallauf eines Motors oder Bewegungssystems verursacht die Regellast. Bei Beschleunigungsvorgängen wird kurzfristig mehr Energie benötigt, während die Freisetzung von Energie aus der mechanischen Beharrung oder beim Bremsen bislang zumeist ungenutzt in Wärme umgesetzt wird.

Das macht der DE2020 nun anders: Während der Regellastphase wird eine Kondensatorbank sanft vorgeladen und noch offene Restkapazität vorgehalten. Lastspitzen deckt der DE2020 mit Leistungsabruf aus der Kondensatorbank ab. Energiegewinne aus Bremsen und mechanischer Beharrung nutzt er durch Rekuperation hingegen zum Aufladen der Kondensatoren. Diese sind damit für die nächste Lastspitze gerüstet.

So können die Anschlusswerte beim Simulator-Bewegungssystem weitaus kleiner und nahe an der Regellast ausgelegt werden. Dieser Ansatz lässt sich Moog zufolge im Grunde auf alle elektrischen Antriebe übertragen.

Darüber hinaus kann dieses System mittels Vorfilter und in Kombination mit der Kondensatorbank Netzschwankungen ausgleichen bzw. bei Netzausfall das System solange noch mit Energie versorgen, bis eine Sicherheitsposition angefahren ist. Als Ziel hat Moog definiert, genau die benötigte Leistung abzugeben im genau richtigen Moment. Ein Nebeneffekt der gesamten Überarbeitung ist die kompakte Bauform des Schaltschrankes, der nur noch halb so groß misst wie der Vorgänger, und ein verminderter Bedarf an Kabelquerschnitten, um die Ströme fließen zu lassen. Das spart Rohstoff Kupfer oder Aluminium und somit Kosten.

Elektrische Antriebe

Mit aktivem Energiemanagement die Produktivität erhöhen

Steuerung und Servoantrieb in einem Schaltschrank

In dem kompakten Schaltschrank befindet sich zur Steuerung der Aktuatoren der DM2020 auch ein Ser-voantrieb. Er wurde von vornherein auf die Ansteuerung und Versorgung mehrerer Achsen ausgelegt, sorgt mittels leistungsstarker Steuerplatine samt Software für hohe Geschwindigkeiten bzw. schnellere Zykluszeiten und kann verschiedenste Motor- und Aktuatorentypen ansprechen. Die Synchronisation zwischen den Achsen wird durch die Implementierung des doppelachsigen Layouts in einem einzigen Modul und der Verbindung zwischen den Modulen über CANopen erreicht. In Kombination mit dem DE2020 Energiemanagement-System kann der Servoantrieb seine Stärken gut ausspielen. Dank gemeinsamer DC-Bus-Konfiguration wird ein direkter Energieaustausch zwischen den Achsen realisiert, was den Energieverbrauch zusätzlich senkt. Erst nach unmittelbarer Energieumleitung zwischen den Achsen wird auf die Energiereserve vom DE2020 zugegriffen oder Überschuss in die Reserve eingestellt.

Aktuatoren: Bewegungen müssen in Kopplung laufen

Das neue Bewegungssystem Gen3 nutzt neue und schnelle Planetenrollengewindetriebe mit dem generellen Vorteil, dass die Technologie trotz ihrer Kompaktheit hohe Lasten tragen und präzise beschleunigen bzw. bremsen kann. Besonders im Hinblick auf die Aktuatoren dieser Applikation hat Moog noch einmal jedes Bauteil neu betrachtet, sodass die Gen3-Aktuatoren nun aus weniger Einzelteilen bestehen. Verschleißteile können vor Ort instandgesetzt werden. Das kann zum Beispiel bei Dämpfungselementen auch im laufenden Betrieb ohne Stopp und Ausbau des Aktuators geschehen. Gleiches gilt für Steckverbindungen und Encoder-Baugruppen.

Die Anforderungen sind hoch: Die Aktuatoren müssen das Gesamtgewicht von rund 14 Tonnen der Simulatorkabine je nach Typus um 1,07 bis 1,59 m verlagern, das ganze um ca. 18° bis 32° je nach Achse kippen und mit ca. 70 cm pro Sekunde verfahren, wobei diese Bewegungen nicht iterativ sondern in Kopplung miteinander laufen.

Und noch zwei betriebswirtschaftliche Kennziffern: Mit der Überarbeitung und Weiterentwicklung zur Gen3 ist es den Moog-Ingenieuren gelungen, ungeplante Wartungs-Stopps um rund 22 Prozent zu reduzieren. Für Kunden soll die Verfügbarkeit des jeweiligen Simulators Moog zufolge weltweit bei über 99,5 Prozent liegen.

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