Antriebskonzept ahmt Tausendfüßler nach

Seit über zwei Jahrzehnten investiert der pensionierte Augsburger Ingenieur Hans J. Richter seine Zeit und ein Vermögen in seinen Piezomotor. Der Ex-Entwicklungsleiter des Roboterherstellers Kuka hat mittlerweile eine ganze Reihe von Physikern und Ingenieuren von seinem Konzept überzeugt. Es könnte die Basis für künftige Elektromobilitätslösungen werden. Vorerst sucht der Erfinder aber Anwendungen in der Energiebranche und bei Schiffsbauern.

Von Ruhestand will Hans J. Richter auch mit 76 Jahren nichts wissen. Als Entwicklungsleiter des Roboterherstellers Kuka entwickelte er einst den ersten computergesteuerten Roboter der Welt. Und nun investiert der pensionierte Ingenieur seit 20 Jahren jede Menge Zeit und Geld in einen Motor. Weit über 5 Mio. hat ihn die Entwicklung und weltweite Patentierung bisher gekostet. Derzeit verhandele ich mit Banken die Finanzierung eines Anwendungsprojekts, so der rastlose Erfinder. Sein Motor beruht auf dem 1880 von den Brüdern Curie entdeckten Piezoeffekt. Bestimmte nichtleitende Kristalle dehnen sich bei Anlegen elektrischer Spannung aus. Unter Druck setzen sie dagegen Spannung frei.

In vielen Einwegfeuerzeugen wird so der Zündfunke erzeugt. Piezoantriebe dienen bisher vor allem als Stellmotoren mit Wirkungsgraden um 25 % und selten über 25 Nm Moment. Ihre Weichkeramiken sind auf große Ausdehnung ausgelegt. Richter geht einen anderen Weg. Er setzt auf unverwüstliche Hartkeramiken mit rasanten Reaktionszeiten. Ihre Eigenschwingungszahl liegt bei bis zu 40 kHz. Pro Sekunde haben sie also ein Potenzial von 40 000 mal Kraft mal Weg, erläutert er. Zwar sind diese Wege 30 µm kurz. Doch in seiner Konstruktion summieren sie sich. Die spezifischen Kräfte des Piezoeffekts sind um den Faktor 1000 stärker, als bei magnetisch-induktiven Elektromotoren, erklärt Richter. Um sie trotz minimaler Wege optimal zu nutzen, hat er einen Schreitantrieb ersonnen. Dieser rollt sich mit Dutzenden abgerundeter Aktor-Füßchen auf jedweder Oberfläche ab. Mal schiebt er diese dabei an, mal stemmt er sich gegen bewegte Oberflächen und erzeugt dann Strom.

Je nach Auslegung sind drei bis mehrere Dutzend versetzt zueinander schreitende Füße mit gehärteten Sohlen im Einsatz. Sie sind die ausführende Gewalt einer komplexen Aktorik. Die einzelnen Aktoren sind an einem gemeinsamen Gelenk aufgehängt. Es ist so konstruiert, dass es während des Vorschubs steif ist, sich aber beim nächsten Auftreten der Distanz zum Boden anpasst. Herzstücke sind drei Piezoelemente, über die der Fuß mit der Aktoreinheit verbunden ist. Eines steht senkrecht über dem Fuß. Es dient als Anpress-Piezo. Die anderen beiden sind über Biegegelenke waagerecht am Metallbein zwischen Fuß und Anpress-Piezo befestigt. Werden die Piezokristalle unter Strom gesetzt, übertragen die leicht höhenversetzten Gelenke ihre Ausdehnung. Die Schreit-Mechanik kommt in Gang und setzt Kolben, Wellen oder Antriebsscheibe in Bewegung. Umgekehrt leiten die Gelenke Schubkräfte, die auf den Fuß wirken, in die Piezos, die dann Strom erzeugen.

Doch reicht das Moment von 30 µm Ausdehnung, um z. B. ein Auto anzutreiben? Auf jeden Fall, sagt Richter, denn diese Leistung steht in hoher Frequenz bereit 40 000 mal Kraft mal Weg pro Sekunde und Aktor. Doch lässt sich der rasende Piezo-Tausendfüßler auch regeln? Die Option Frequenzsenkung kam wegen Lärm und Vibration nicht in Frage, und Spannungssenkung war wegen der geringen Ausdehnung der Piezos nicht praktikabel.

Der Ingenieur fand eine Lösung: Statt eines elektronischen konstruierte er einen rein mechanischen Phasenregler. Dieser verschiebt die Taktfrequenz der waagerechten Vorschubpiezos zueinander. Effekt: Die variierende Überlagerung der Amplituden erlaubt stufenloses Regeln zwischen Vollgas und Stillstand sowie Rückwärtsfahren und rekuperatives Bremsen. Und das, ohne die Piezos zu manipulieren. Sie können in ihrer Lieblingsfrequenz schwingen und arbeiten so mit Wirkungsgraden über 90 %, erklärt der Erfinder. Piezomaterial wandelt Eingangsspannung in passende Betriebsspannung um Die mechanische Regelung führte zu einer Entdeckung: Die in Eigenfrequenz schwingenden Piezos, die nach Schwingkreis-Prinzip verschaltet sind, verändern den eingespeisten Strom. Wenn ich den 40-Hz-Schwingkreis arbeiten lassen will, ist es gleichgültig, mit welcher Spannung und in welcher Form ich Strom zuführe, da ich in jeder Schwingung einen anzapfbaren Nulldurchgang habe, so Richter. Sobald Ampere gleich welcher Natur an den Piezos anliegen, baut sich eine dem verwendeten Piezomaterial entsprechende Spannung auf.

Ob nun 12 V, 24 V oder 48 V oder Hochspannung eingespeist wird, an den Kontakten der Piezokathoden stellt sich stets die richtige Betriebsspannung ein. Die Bedeutung dieser Entdeckung ging mir erst nach und nach auf, so Richter. Während Elektromobilität bisher Hochvoltsysteme bis 600 V und hoch drehende Elektromaschinen voraussetzt, um die erforderliche Antriebsleistung mit möglichst wenig Magneten und Kupfer zu erreichen, mache sein Piezomotor den Weg für Niedervoltsysteme frei. Ein Elektroauto mit 80 kW Leistung könnten vier etwa faustgroße Piezomotoren à 20 kW Leistung pro Rad antreiben und rekuperierend bremsen. Antriebs- und Bremsscheiben sind aus faserverstärktem Kunststoff realisierbar.

Gleichrichter, Frequenzwandler und Getriebe bräuchte es nicht mehr, so Richter. Wegen der hohen Leistungsdichte seien seine Motoren viel leichter als übliche Radnabenmotoren und bräuchten keine seltenen Erden und kaum Kupfer. Richter hat sein Konzept von Experten verschiedener Branchen prüfen lassen. Das Stuttgarter Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) wertet es in einem Schreiben an das Bundeswirtschaftsministerium als radikale Verbesserung der technologischen Basis für Elektromobilität.

Man stehe mit Richter seit Jahren in produktiver Verbindung und werte dessen Innovation als disruptiv also als Technologiesprung. Auch Automobilzulieferer Magna ist nach eingehender Prüfung zur Überzeugung gelangt, dass sich der Piezomotor für Servoantriebssysteme und als Antrieb für Hybrid- und Elektroautos eignet. Chinesische Interessenten bieten einen zweistelligen Millionen--Betrag für die Rechte am Motor, berichtet Richter. Doch sein Traum ist und bleibt es, sein Werk hierzulande zu vollenden.

Autor des Artikels

Peter Trechow