Entwicklung von elektrodynamischen Linearantrieben für mechatronische Beschlagsysteme. Dissertation. Doktoringenieur (Dr.-Ing.)

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1 Entwicklung von elektrodynamischen Linearantrieben für mechatronische Beschlagsysteme Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Ilmenau von Herrn Dipl.-Ing. (FH) Patrick Riedmann geboren am in Innsbruck, Österreich Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h. с Eberhard Kallenbach Steinbeis-Transferzentrum Mechatronik Ilmenau Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Weber Technische Universität Ilmenau Dr. rer. nat. Klaus Mattle Julius Blum GmbH, Höchst, Österreich Datum der Einreichung: Datum der wissenschaftlichen Aussprache:

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Motivation Stand der Technik Trend zu elektrodynamischen Lineardirektantrieben Zielsetzung Aufbau der Arbeit 9 2 Vom Bedürfnis zur Funktion Analyse des Benutzerverhaltens Einleitung Einteilung der Auszugssysteme in der Küche Produktbeobachtung am Markt (РАМ) Das PAM-Messsystem Datenerfassung mit dem PAM-Messsystem Datenauswertung mit dem PAM-Messsystem Benutzeranalysen in der Laborküche Labormesssystem Musterküche Videoanalysen Der "'AGE EXPLORER"' Definition typischer Zugriffe Zusammenfassung der Ergebnisse Funktionen zur Erhöhung des Benutzerkomforts Definition der gewünschten Zielfunktionen Vergleich der Komfortklassen Theoretischer Teil Praktischer Teil 41 i

3 Das Verhältnis Aufwand zu Nutzen Einfluss der Betätigungsauslösung Bewertung und Auswahl Nützliche Eigenschaften des Linearmotors für die Funktionserfüllung Freilauf Servo-Effekt Geräusche Sensorische Eigenschaften für Betätigungsauslösung Magnetische Zuziehung und Zuhaltung 48 3 Anforderungen an das Linearantriebssystem Allgemeines Spezielle Anforderungen an Antriebe für Möbelbeschläge Platzbedarf Montageaufwand Lebensdauer Energieversorgung und -Verteilung Vernetzung mechatronischer Beschlagsysteme Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme (VDI 2206) Lastkräfte des Bewegungssystems Identifikation der relevanten Lastkräfte Ermittlung der relevanten Lastkräfte Verschiebe- und Reibungskraft Dämpferkraft Luftwiderstandskraft Antriebsauslegung Die Arbeitsbewegung Ausgangssituation und Problemstellung Modellierung mit MATLAB/Simulink Parameterstudie Definition der Kräfte für die Parameterstudie Definition des Soll-Bewegungsprofils Ergebnisse der Parameterstudie Unterschiede bei der Antriebsauslegung für Linear- und Rotationsmotoren 81 n

4 4 Flachspulmotor in Wechselpolausführung mit bewegtem Dauermagnetkreis Grundlagen elektrodynamischer Linearmotoren Bauformen von elektrodynamischen permanentmagneterregten Linearmotoren Charakteristische Kenngrößen und Kennlinien Flachspulmotor mit U-förmigem Rückschluss Aufbau und Eigenschaften Magnetischer und elektrischer Kreis Krafterzeugung Kommutierung Axiale Reluktanzkräfte Motordimensionierung Materialdaten Grobdimensionierung Magnetkreis-Berechnung eines einsträngigen Flachspulmotors mittels Netzwerkmethode FEM-Optimierung am dreisträngigen Flachspulmotor Optimierungskriterien Parameterstudie Spulenauslegung Thermische Betrachtungen Thermisches Modell Betriebsart Querkräfte und Lagerung Magnetische Querkräfte Das Motorlager Wachstumsverhalten Realisierung eines mechatronischen Beschlagssystems Überlegungen zur Konstruktion Entwurf eines mechatronischen Führungssystems Ein- oder beidseitiger Antrieb Anordnungsvarianten Funktionentrennung: Hauptlager und Motorlager in

5 Elektronikentwurf Mechatronisches Auszugssystem "'BOX LINA"' Prototypenfertigung Der Linearmotor Aufbau des Läufers Aufbau des Stators Aufbau des Führungssystems Aufbau der Elektronik Experimentelle Bestimmung der Motoreigenschaften Elektrische Eigenschaften Magnetfeldanalyse Schubkraftanalyse Ideale Kommutierung Reale Kommutierung Geschwindigkeit-Kraft-Kennlinie Axiale Reluktanz und Reibungskraft Thermische Eigenschaften Zusammenfassung der Kennwerte Experimentelle Analyse des Gesamtsystems Ermittlung der Bewegungskräfte Darstellung ausgewählter Bewegungs Vorgänge Öffnen Schließen Analyse zur Komfortsteigerung Zusammenfassung und Ausblick 147 A Statistische Auswertung für РАМ 151 В Prototypen: Fotos und Details 153 Literaturverzeichnis 161

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