Vorlesung Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben. Linear Drives. Prof. Dr.-Ing. Ralph Kennel

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1 Vorlesung Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten Antrieben Linear Drives Prof. Dr.-Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Fakultät EI Arcisstraße München Tel.: Fax: kennel@ieee.org

2 Direct and Linear Drives

3 Direct and Linear Drives

4 Direct Drives

5 Motors for Direct Drives Prof. Dr. -Ing. J. M. Pacas, University of Siegen Prof. Dr. -Ing. R. M. Kennel, Wuppertal University

6 Linear Antriebe Definition von Direktantrieben Ein Direktantrieb treibt ohne kuppelnde oder übertragende Elemente eine Last an. Direktantriebe Keine Direktantriebe ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning Bildquelle: Deutsches Museum; Vakuumschmelze

7 Linear Motors

8 Metamorphosis of Linear Motors rotating motor stator windings permanent magnets rotor linear motor stator windings source: Brückner secondary component permanent magnets

9 Linear Antriebe Einführung Historischer Überblick 1820 Nachweis des Elektromagnetismus (Oersted) 1821 elektromagnetische Rotation (Faraday) 1831 elektromagnetische Induktion (Faraday) U i d N dt 1831 Wechselstromgenerator (Pixii) 1834 Erster technisch einsetzbare Motor (Jacobi) 1841 Linearmotor (Wheatstone) ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning Bildquelle: Deutsches Museum; Vakuumschmelze

10 Linear Antriebe Einführung Historischer Überblick 1866 Dynamomaschine (Siemens) 1914 Linearmotoren in Webmaschinen (Bachelet) 1985 NdFeB Magnete ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning Bildquelle: Deutsches Museum; Vakuumschmelze

11 source: Brückner

12 Linear-Aktoren bürstenlose Motoren asynchron synchron Metallplatte als Reaktionsteil Strickleiter als Reaktionsteil Permanentmagnet Reluktanz Aluminium Kupfer

13 Linear Antriebe Arten Art der Erregung Asynchrone Erregung Synchrone Erregung Ohne Erregung durch Nutzung der Reluktanz Kraft Asynchron Synchron Reluktanz ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning Bildquelle: Bosch Rexroth; IEM, RWTH Aachen; Siemens

14 Linear Motors 1FN3 Siemens 1FN1 Siemens encapsulated (IP65) rated force: 790N to 6600N (with water cooling) maximum force: 1720N to 14500N maximum velocity : 95m/min encapsulated (IP65) rated force: 200N to 8100N (with water cooling) maximum force: 550N to 20700N maximum velocity : 370m/min Prof. Dr. -Ing. J. M. Pacas, University of Siegen Prof. Dr. -Ing. R. M. Kennel, Wuppertal University

15 Linear Antriebe Einführung Definition von Direktantrieben F F n F n : Normalkraft F t : Tangentialkraft F t Nur Tangentialkraft nutzbar Ft, elek 0 E n E d F t des elektrischen Feldes t Ft, mag 0 H H d F t des magnetischen Feldes n t Bei gleicher Polfläche: F F mag elek ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning

16 Linear Antriebe Arten Anordnungsmöglichkeiten des magnetischen Kreises In einer elektrischen Maschine existieren 3 Ebenen Ebene des Luftspaltes Ebene des magnetischen Flusses Ebene des Strombelages Zwischen den Ebenen: rechter Winkel 9 Möglichkeiten Ebene des Luftspalt Ebene des Flusses 6 Möglichkeiten Ebene des Flusses Ebene des Strombelages 4 Möglichkeiten ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning

17 Linear Antriebe Arten Anordnungsmöglichkeiten des magnetischen Kreises longitudinal Gramme-Wicklung Trommelwicklung transversal Polwicklung Ringwicklung longitudinal: Ebene des Flusses parallel zur Bewegungsrichtung des Läufers. transversal: Ebene des Flusses senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning

18 Linear Antriebe Arten Anordnungsmöglichkeiten des magnetischen Kreises longitudinal Gramme-Wicklung Trommelwicklung transversal Polwicklung Ringwicklung Keine Einschränkung bezüglich des Maschinentyps ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning

19 Linear Antriebe Arten Anordnungsmöglichkeiten von Stator und Rotor Kurzstator Langstator ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning Bildquelle: Transrapid

20 Linear Antriebe Arten Einseitige und doppelseitige Anordnung Vorteile: Zwei Luftspaltflächen Somit prinzipiell doppelt so hohe Kräfte Nachteile: Mechanische Befestigung des innenliegenden Teiles schwierig Montage aufwendig ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning

21 Linear Motors Advantages Disadvantages direct transfer of force/torque without additional mechanical components reduced mechanical wear very good dynamics high positioning accuracy significant higher cost higher thermal losses expensive position sensors (linear scales) limited feed forces high orthogonal forces Prof. Dr. -Ing. J. M. Pacas, University of Siegen Prof. Dr. -Ing. R. M. Kennel, Wuppertal University

22 Vergleich von Antriebskonzepten Beispiel: Spindelantrieb - Linearantrieb Anforderungen: hohe Positioniergenauigkeit hohe Positioniergeschwindigkeit hohe Resonanzfrequenz des Systems hohe Kraftverstärkungsfaktoren in der Regelung Tisch Spindel Motor Kupplung Lagerung ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning

23 Vergleich Vergleich von Antriebskonzepten Eigenschaften: Masse des Tisches: 1000 kg Spindellänge: 2000 mm Durchmesser Spindelkern: 20 / 40 mm (Variante a, b) Zugsteifigkeit: 132 / 530 N/µm Spindel c Sp Steifigkeiten: 800 N/µm Axiallagerung c A 800 N/µm Gewindemutter c M 1000 N/µm Tischbefestigung c T Motor c T Tisch c M c A c Sp c A ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning

24 Spindeldurchmesser [mm] Vergleich Vergleich von Antriebskonzepten Gewindetrieb A Gewindetrieb B Linearantrieb Durchmesser der Spindel [mm] Zugsteifigkeit der Spindel [N/µm] Resonanzfrequenz [Hz] Kraftverstärkungsfaktor Kv [m/min/mm] 4,0... 6,0 5,2... 7, l sp = 0.5 m l sp = 1 m l sp = 2 m Resonanzfrequenz [Hz] Vorteil Direktantrieb ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning

25 Vergleich Vergleich von Antriebskonzepten Regelverhalten des Lineardirektantriebes Step Response Step: 0,5 µm Wartezeit: 50 ms bew. Masse: 570 kg 0,5 µm Erfolge Positionsauflösung: 0,016 µm 50 ms ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning

26 Vergleich Vergleich von Antriebskonzepten Praktische Realisierung: Stabkinematikmaschine ZFS/Stuttgart 26 Bildquelle: ZFS, Stuttgart ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning

27 Vergleich Vergleich von Antriebskonzepten Praktische Realisierung: Specht Xperimental Linearachsen hochdynamische Linearmotoren Werkzeugspindel hochdrehender Spindelmotor Rundtischantrieb Torquemotor 27 Bildquelle: Hüller Hille ; BRC/EDM1; Dr. I. Gröning