Zylindrischer Linearmotor mit konzentrierten Wicklungen für hohe Kräfte

摘要

Die hier vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Auslegung einer zylindrisch aufgebauten permanenterregten Synchronlinearmaschine. Die Besonderheit der vorgestellten Maschine ist das neuartige Statorkonzept, bei dem die Spulen nicht in solenoiden Wicklungen, sondern als diskrete Einzelspulen angeordnet sind. Diese Spulen sind auf flussführenden Kernen radial um den zylindrischen Läufer herum angeordnet und in Gruppen zu je acht Spulen auf eine Phase des Drehstromsystems geschaltet. Zur Homogenisierung des Flusses im Luftspalt sind die Kerne jeder Spulengruppe mit einem Eisenring verbunden. Dieser besondere Aufbau des Stators ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung der Spulen, da diese außerhalb des Motors gefertigt werden und erst zur Endmontage aufgeschoben werden können. Der Läufer des Linearmotors besteht aus einem Eisenrohr, auf das radial magnetisierte ringförmige Magnete aufgeschoben werden. Eine Verklebung oder Laminierung ist nicht erforderlich. Sowohl Läufer als auch Stator der vorgestellten Maschine werden nicht geblecht, was wiederum einen Kostenvorteil gegenüber anderen Konstruktionen darstellt. Zur Berechnung der Motorkraft wird sowohl ein einfaches analytisches Modell abgeleitet, als auch die numerische Feldberechnung verwendet. Mit Hilfe dieser Methoden wird anschließend die Konstruktion des Motors und die Auslegung der einzelnen Komponenten optimiert. Dabei wird ein Schwerpunkt auf die Maximierung der Schubkraft bei gleichzeitiger Minimierung der Rastkräfte gelegt. Für die Regelung des Motors wird ein Servoumrichter verwendet, wozu ein Positionssensor entwickelt wird, der den besonderen konstruktiven Aufbau des Motors ausnutzt. In diesem Zusammenhang wird ein mathematisches Modell des Linearmotors abgeleitet, um das Regelverhalten des Motors zu simulieren. Zur Verifikation der Motorkonstruktion und der aufgestellten Modelle wird ein Prototyp aufgebaut und umfassend vermessen. Die Messungen haben gezeigt, dass alle zu Beginn der Arbeit gestellten Anforderungen hervorragend erreicht wurden. Die angestrebte Schubkraft des Motors von 500 Newton wird nahezu über den gesamten Verfahrbereich erreicht. Die Simulationsergebnisse der entwickelten mathematischen Modelle erreichen eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten.