Dimensionierung und Konstruktion von feinwerktechnischen elektrodynamischen Lineardirektantrieben

Die Dimensionierung, Konstruktion und Auslegung von elektrodynamischen Lineardirektantrieben sind Gegenstand dieser Arbeit. Mit einer Einordnung und Beschreibung von Motorgrundbauformen soll die Auswahl eines Antriebes erleichtert werden. Dabei werden die spezifischen Motoreigenschaften herausgearbeitet und bewertet. Durch die Darstellung von Richtlinien beim Ablauf einer Motordimensionierung werden die einzelnen Teilsysteme des Motors analysiert, die Einflussgrößen beschrieben und die Motorkomponenten ausgelegt. Dazu wird vorab die Spezifikation und Definition der Lastenheftparameter erstellt. Die Bereitstellung von Materialparametern der hart- und weichmagnetischen Werkstoffe liefert eine Datenbasis für die Motoroptimierung, um die Motorquerschnitte optimal zu gestalten und Sättigungserscheinungen zu vermeiden. Auf die Verbesserung der weichmagnetischen Eigenschaften durch eine Glühbehandlung wird am Beispiel eines Automatenstahles eingegangen. Die überschlägige Grobdimensionierung wird mittels der Netzwerkanalyse durchgeführt. Die Berechnung der Kenndaten des magnetischen, thermischen und elektrischen Teilsystems liefern die Grundgrößen für die Motorfeindimensionierung mittels der Finiten Elemente Methode. Die Feindimensionierung ermöglicht durch das Durchlaufen von iterativen Optimierungszyklen einen Motoraufbau mit maximaler Schubkraftentfaltung bei minimaler thermischer Verlustleistung. Für die abschließende Motorkonstruktion und den Motoraufbau werden Gestaltungshinweise gegeben. Durch die gezielte Implementierung inhärenter sensorischer Motoreigenschaften wird eine integrierte Wegmessung möglich, wobei die Antriebsspulen dual zur Schub-krafterzeugung und Positionssignalgewinnung verwendet werden. Dies spart zusätzliche Wegmesssysteme und Motorbauraum. Dabei wird über eine Impedanzanalyse der Spulenstränge der Wechsel von Materialien verschiedener Permeabilität detektiert oder es werden Flussdichteänderungen im magnetischen Teilsystem ausgewertet. Am Beispiel von zwei konkreten Motorprototypen wird der Dimensionierungsablauf aufgezeigt. Die Antriebe unterscheiden sich im Aufbau des Magnet- und Spulensystems. Der Optimierungsablauf und die erhaltenen Motorkenndaten zeigen nahezu gleiche Motorkennwerte, favorisieren jedoch durch den kostengünstigen, montagefreundlichen Aufbau das Antriebssystem mit axial magnetisierten Magnetringen (Motortyp I). Eine kurze Beschreibung einer weiteren Auswahl realisierter Prototypen schließt die Arbeit ab. Durch die Einordnung der Antriebe, Spezifizierung der Motoreigenschaften und den vorgeschlagenen Dimensionierungsablauf wird dem Motorentwickler ein Leitfaden bereitgestellt, mit dem eine Motorauswahl und Auslegung möglich ist.