Matthias Voit, Florian Freiwald, Helmut F. Schlaak

Transkript

1 1 Elektrodynamischer Linearantrieb mit Selbsthaltung Matthias Voit, Florian Freiwald, Helmut F. Schlaak Technische Universität Darmstadt

2 Faseroptische Schaltmodule 2 Mögliche Einsatzgebiete: Optische Nachrichtentechnik mit Singlemode-LWL z. B. Schalten alternativer Leitungen Optische Messtechnik mit Multimode-LWL z. B. Schalten von Messstellen Ziel: Funktionsintegration: Schalten Abschwächen Integrierte Intensitätsmessung

3 Gliederung 3 Funktion des optischen Schalters Anforderungen an die Aktoren für optische Schalter Lösungsprinzipien für selbsthaltende Aktoren Entwickelte Prototypen Zusammenfassung und Ausblick

4 Aufbau des optischen 2x2-Schalters 4 Ein 1 Optischer Schieber mit Spiegel Ein 2 Kollimierter Lichtstrahl Linse Aus 1 Aus 2

5 Funktion des optischen 2x2-Schalters 5 Ein 1 Ein 2 Schaltzustand 1: Ein 1 Aus 1 Keine Abschwächung Ein 2 Aus 2 Keine Abschwächung Aus 2 Aus 1

6 Funktion des optischen 2x2-Schalters 6 Ein 1 Ein 2 Schaltzustand 1 : Ein 1 Aus 1 Keine Abschwächung Ein 2 Aus 2 Abschwächung Aus 2 Aus 1

7 Funktion des optischen 2x2-Schalters 7 Ein 1 Ein 2 Schaltzustand Aus Aus 1 Aus 2

8 Funktion des optischen 2x2-Schalters 8 Ein 1 Ein 2 Schaltzustand 2 : Ein 1 Aus 2 Abschwächung Ein 2 Aus 1 Abschwächung Aus 2 Aus 1

9 Funktion des optischen 2x2-Schalters 9 Ein 1 Ein 2 Schaltzustand 2: Ein 1 Aus 2 Keine Abschwächung Ein 2 Aus 1 Keine Abschwächung Aus 2 Aus 1

10 Anforderungen an die Aktorik 10 Stellweg ist abhängig vom Linsensystem hier: Linsendurchmesser 1,5 mm; Strahldistanz 20 mm Aktorstellweg: 3 mm Auflösung: < 10 µm Einsatz zur Netzwerkrekonfiguration: Schaltgeschwindigkeit: < 100 ms Minimierung des Stromverbrauchs: Selbsthaltung

11 Prinzipielle Lösungen zur Selbsthaltung 11 Klemmen Bewegen 1. Beaufschlagen des Schiebers mit einer Reibung F F F R 2. Klemmen des Schiebers mit einer Klemmbacke F F

12 Prinzipielle Lösungen zur Selbsthaltung 12 Klemmen Bewegen 3. Elektromagnetische F F Anziehung des Schiebers im N S N S Ruhezustand U N S U S N 4. Elektrostatische Anziehung des Schiebers im Ruhezustand F F U- U+ U+ U+

13 Aufbau elektrodynamischer Aktor 13 Eigenschaften: Magnet Eisenkreis gleiche Windungsanzahl im Luftspalt x lineare Abhängigkeit der Kraft N S F Führung Rückstellfeder F = B I l n F ~ I Spule Spulenträger Anwendungen: Lautsprecher, Voice-Coil-Aktor

14 Elektrodynamischer Aktor mit zwei Spulen 14 Eigenschaften: 2 in Gegenrichtung bestromte Spulen im Luftspalt bestromte Spulen ziehen sich aus dem Magnetfeld heraus Kräftegleichgewicht an Sollposition keine Rückstellfeder Magnet Eisenkreis N S Spule 1 Spule 2 F i ~ I i n i I 1 = I 2 x Führung F Spulenträger

15 Elektrodynamischer Aktor mit zwei Spulen 15 Eigenschaften: 2 in Gegenrichtung bestromte Spulen im Luftspalt bestromte Spulen ziehen sich aus dem Magnetfeld heraus Kräftegleichgewicht an Sollposition keine Rückstellfeder Magnet N Eisenkreis S Spule 1 Spule 2 F i ~ I i n i 4 I 1 = I 2 F 1 = F 2 x Führung F Spulenträger

16 Entwickelte Prototypen 16 Aufbau 1. Generation: Aktorprinzip: Elektrodynamisch mit zwei Spulen Selbsthaltung: Klemmen mit Reibung

17 Entwickelte Prototypen Aufbau 1. Generation 17 Spulenträger sitzt auf Führungsstangen Magnet Eisenkreis Überwindung der Haftreibung durch Stromimpulse Horizontale Einbaulage notwendig Führungsstange Lager Spulen

18 Entwickelte Prototypen Aufbau 1. Generation 18 Versuche zur Reproduzierbarkeit Versuchsanzahl Sollposition 3 Sollposition Sollposition 1 Impulslänge: 0,3 ms Variation von Pulsform, Pulsdauer und Pulshöhe möglich Stellweg [µm]

19 Entwickelte Prototypen Aufbau 1. Generation 19 Versuche zur Reproduzierbarkeit Weg [µm] Versuchsergebnisse: + Positioniergenauigkeit ist besser 10 µm - Führung problematisch - keine lageunabhängige Selbsthaltung Sprungdifferenz [µm] Anzahl der Strompulse Anzahl der Strompulse

20 Entwickelte Prototypen Aufbau 2. Generation 20 Eigenschaften: Aktorprinzip: Selbsthaltung: Elektrodynamisch mit zwei Spulen Klemmen mit Reibung planarer Aufbau Flachspulen N S Eisenkreis F x Führung Magnet Spule 1 Spule 2 Spulenkörper

21 Entwickelte Prototypen Aufbau 2. Generation 21 Herstellen der Flachspule durch Zusammendrücken Wickelköpfe liegen außerhalb des Luftspalts F F F

22 Entwickelte Prototypen Aufbau 2. Generation 22 Eigenschaften: Parallelführung als Spule 1 Spule 2 x Linearführung Kegelzapfenlager beaufschlagt mit Reibung Magnet Flussführung Gegengewicht für lageunabhängige Selbsthaltung Gegengewicht Kegelzapfenlager

23 Entwickelte Prototypen Aufbau 2. Generation 23 Gegengewicht Flussführung Einstellbarer Endanschlag Spule 1 Spule 2 Kegelzapfenlager

24 Entwickelte Prototypen Aufbau 2. Generation 24 Versuchsergebnisse: + Stellweg: 4,7 mm + Genauigkeit: 2,5 µm + Schaltzeit: < 100 ms - Kegelzapfenlager schwierig einzustellen - Kegelzapfenlager verklemmen im Betrieb - Unregelmäßige Wicklung führt zu Sprüngen - Thermische Probleme

25 Entwickelte Prototypen Aufbau 3. Generation 25 Überarbeitung / Technische Daten: Symmetrischer Spulenträger mit zwei Spulenlagen Zweilagige Wicklung mit 70 Windungen Drahtstärke: 100 µm Länge der Leiter im Magnetfeld: 3,5 mm Flussdichte im Luftspalt: 0,4 T

26 Entwickelte Prototypen Aufbau 3. Generation 26 Versuchsergebnisse: + Stellweg: 3,5 mm + Schaltzeit: < 100 ms + besser einstellbar + geringere Erwärmung + Auflösung < 10 µm Spannungsauflösung < 10 mv notwendig

27 Entwickelte Prototypen Aufbau 3. Generation 27 Erste Versuchsergebnisse: 2000 y = 558,89x - 979,98 R 2 = 0, Weg [µm] ,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Spulenspannung [V]

28 Entwickelte Prototypen Aufbau 3. Generation 28 Erste Versuchsergebnisse: 12 Sprungdifferenz [µm] ,75 3,8 3,85 3,9 3,95 4 Spulenspannung [V]

29 Entwickelte Prototypen 29 Aufbau 4. Generation: Aktorprinzip: Elektrodynamisch mit einer Spule Selbsthaltung: Klemmen durch Klemmbacke

30 30 Eigenschaften: Parallelführung als Linearführung Festkörpergelenke Gewickelte Spule Abmessung: 60 x 30 x 15 mm 3 Entwickelte Prototypen Aufbau 4. Generation Platz für Klemmung Magnetkreis Festkörpergelenk Spule

31 Zusammenfassung und Ausblick 31 Zusammenfassung Neuartiges elektrodynamisches Aktorprinzip ähnlich einer Stromwaage Realisierung einer lageunabhängigen Selbsthaltung Stellweg >3 mm, Auflösung <10 µm, Schaltzeit <100 ms Elektrodynamischer Aktor mit Parallelogrammführung, Festkörpergelenken und zusätzlichem Klemmaktor => Erste Versuche laufen, Reduzierung der Baugröße

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