Elektromagnetische Wandler und Sensoren

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1 Elektromagnetische Wandler und Sensoren 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Grundlagen, feldnumerische Berechnung elektromagnetischer Felder und Anwendungen in der Mechatronik Dipl.-Phys. Wilhelm Cassing Prof. Dr.-Ing. Wolfram Stanek Dipl.-Ing. Ludwig Erd Prof. Dr.-Ing. Klaus-Dieter Hübner Dr. Joachim Koch Dipl.-Ing. Anton Dukart 2., neu bearbeitete und erweiterte Auflage Mit 236 Bildern, 20 Tabellen und 165 Literaturstellen Kontakt & Studium Band 219 Herausgeber: Dr.-Ing. Michael Mettner Technische Akademie Esslingen DI Elmar Wippler, expert verlag Begründet von Prof. Dr. Eugen Kruppke f Prof. Dr.-Ing. Wilfried J.Bartz expertl^h vertag

2 Inhaltsverzeichnis 1 Elektrodynamische, computerintegrierte Entwicklung von Aktoren und Sensoren 1 W. Stanek 1.1 Einleitung Elektrodynamik als Basis neuer Produkt-Entwicklungen Interdisziplinäre Bereiche in der AktorVSensor Entwicklung Computerintegrierte Simulation und System-Entwicklung Schwerpunkte dieses Buchbeitrages GRUNDLAGEN ELEKTROMAGNETISCHER SYSTEME ELEKTRODYNAMIK MAXWELLsche Gleichungen Integrale Formulierung Differentielle Formulierung Verknüpfungsgleichungen Grenzbedingungen an Trennflächen Rand-, Anfangs- und Nebenbedingungen Formulierung kompakter FELDGLEICHUNGEN Entkoppelte Feldvektoren Vektor und Skalarpotentiale Magnetische Vektor-und elektrische Skalarpotentiale Elektrische Vektor- und magnetische Skalarpotentiale Erweiterte und übergeordnete Potentialformulierungen Lösung der FELDGLEICHUNGEN ANALYTISCHE UND/ODER FELDNUMERISCHE BERECHNUNG Abriß analytischer Lösungsansätze Abriß feldnumerischer Lösungsansätze SEKUNDÄR-Auswertungen Physikalische Basis-Größen Leistungen, Energien, Flüsse Kräfte, Momente Volumen-Kräfte Oberflächen-Kräfte Virtuelle Verrückung Feldbilder Physikalische nichtelektrodynamische Einflüsse und Auswertungen Vereinfachte Problem-Aufbereitung und Lösung Modellbildung im Bilanzraum Primär Auswertungen Sekundär-Auswertungen ELEKTRODYNAMISCHE ANALOGIEN Magnetostatik, Elektrostatik, Elektrische Strömung 48

3 Hydrodynamik/Aerodynamik/Akustik Thermodynamik Elastomechanik Hybride Problemstellungen Einfache Feldlösung durch Analogie-Modelle Grenzen bei Analogie-Betrachtungen COMPUTER-SIMULATION UND SYSTEMENTWICKLUNG Relevante CAD-Komponenten und Aspekte Modellkomponenten eines CAD-Systems EDV spezifische Basis-Hardware EDV-spezifische Basis-Software CAD-spezifische Basis-Hardware CAD-spezifische Basis-Software Integration multifunktionaler CAD-Tools CAE-Systeme: CAD in der Elektrodynamik Diskretisierung und Netzgenerierung Feldnumerische Lösungsansätze FD-Methode (FDM) FE-Methode (FEM) FDM und/oder FEM? Lösung der Gleichungssysteme Direkte Verfahren Iterative Verfahren Konvergenzbeschleunigung Direkt und/oder iterativ? Feldnumerisches Programmsystem MagnetoCAD CAD mit Expertensystemen Grundlagen der Expertensysteme Anwendungsorientiertes Teil-System: Wissensbasis Anwendungsneutrales Kern-System CAD-Elektrodynamik mit Expertensystemen ANWENDUNGEN und BEISPIELE Konventionelle Energiewandler und Sensoren Abriß konventioneller Anwendungen Schnellschaltsystem für Kfz-Förder- und Stapelanlage Translatorische Betätigungsmagnete: Hubmagnete Rotatorische Betätigungsmagnete: Drehmagnete Mechatronische Trennsysteme: Schützantriebe Mechatronische Antivibrationssysteme: Aktive Tilger Elektromagnetische Roboter-Greifhand Magnetfelder verschiedener Sensoren Elektromagnetische Felder in der EMV-Schirmung/Kopplung EMV in der technischen Umwelt Relevante EMV-Bereiche NICHT-konventionelle ENERGIEWANDLER und SENSOREN Abriß nichtkonventioneller Anwendungen Kemspin-orientierter Wandler Magneto-Fluid Wandler Magneto-thermische Wandler Magneto-Vibrations-Wandler 201

4 1.4 KOMPAKTE ELEKTRODYNAMIK MIT QUANTENMECHANIK Komplette differentielle Maxwell-Gleichungen Vektoranalytische Basis-Formeln und Potentiale Entkoppelte vektoranalytische Feldgleichungen Strahlung + Energie + Arbeit + Wärme + Entropie Magnetostriktion + Elektrostriktion aus Entropie Fehler + Kombinatorik + Zustandsgieichung Gase Zentrale Besetzungs-Wahrscheinlichkeiten + Statistiken Relativitätsprinzip kompakter Elektrodynamik (Einstein, Maxwell) Raum-Zeit-Verschiebung: Lorentz-Kontraktion + Einstein-Dilatation Raum-Zeit-Drehung: Lorentz-Transformation, Maxwell-Minkowski (Relativistisch) bewegtes Elektron: Erweiterte Einstein-Energie Quantenhypothese: Heisenberg, Planck, Boltzmann, Bohr, Einstein Quantenmechanik: de Broglie, Schrödinger, Compton Quantenelektrodynamische relativistische Modell-Gleichung Modell-Gleichung: Welle, Teilchen, Kontinuum, Böhm, Maxwell Modell-Gleichung: Schrödinger, Klein-Gordon, Dirac Modell-Gleichung: Atomkräfte, Kernspin, Supraleitung, Gravitation KURZEINSTIEG: MNEMOTECHNIK IN DER MAGNETTECHNIK Grundregeln der Merk-und Lernfähigkeit Mnemotechnik für Maxwell; Analogien, Computer und Black Holes Zusammenfassung Literaturverzeichnis Dauermagnete für Rundfunk-, Fernseh- und Fernsprechanwendungen 233 J. Koch 2.1 Einleitung Lautsprechersysteme (Kem-und Ringmagnetsysteme) Bestimmung der Abmessungen von Lautsprecher- Kernmagnetsystemen Bestimmung der Abmessungen von Lautsprecher- Ringmagnetsystemen Computerunterstützung bei der Verminderung des Streuflusses durch zusätzliche Magnete Magnete zur Ablenkkorrektur des Elektronenstrahls in Bildröhren Telefone Telefonhörkapseln Wechselstromwecker Mikrofone Gepolte Relais 249 Literatur Hochwertige Magnetsysteme und Aktorkomponenten für Positionierantriebe und Betätigungssysteme 251 L. Erd 3.1 Einleitung Übersicht 251

5 3.3 Grundlegende Eigenschaften neuer Dauermagnetwerkstoffe auf der Basis Neadym-Eisen-Bor (Nd-Fe-B) (t) Grundlagen der magnetostatischen Feldberechnung Feldtheoretische Betrachtungen Rechenmodell zur analytischen Berechnung der magnetostatischen Feldgrößen Berechnung der Kraft auf Leiterpakete mit vorgegebenem Rechteckquerschnitt Ausgewählte Prinzipien der elektromagnetischen Energiewandlung Allgemeine Energiebeziehungen bei induktiven Stromkreisen Elektromagnetische Energiewandlung als Folge einer Änderung der räumlichen Feldverteilung durch Reluktanzänderung Elektromechanische Energiewandlung als Folge einer Änderung der gegenseitigen magnetischen Flußverkettung von Leiterschleifen Elektrodynamischer Flachspullinearmotor in Kaskadenausführung - Anwendungsbeispiel Mehrfachpositionierantrieb für Fotosatzmaschinen Aufgabenstellung Beschreibung des elektrodynamischen Linearmotors mit Flachspule Berechnung der magnetostatischen Feldgrößen Oberprüfung der Feldberechnung. Darstellung von Meß- und Rechenwerten Einfluß der Luftspaltinduktian auf die Systemlaufzeit bei Vernachlässigung der Erregerstrom-Anstiegszeit Flachspullinearmotor zum Einsatz in einem Michelson- Interferometer für das heliumgekühlte Teleskop GIRL ( German Infrared Laboratory") (9) Beschreibung der konstruktiven Besonderheiten Berechnung und Messung der statischen Systemeigenschaften Koordinaten-Flachspulllnearmotor für 2-Strang Mikroschrittbetrieb - Anwendungsbeispiel Positionieren einer Schreibeinrichtung Funktionsbeschreibung Synthese sinusförmiger Kraftverläufe für Mikroschrittbetrieb Feldausbildung im Luftspalt bei matrixförmig angeordneten Magnetpaaren Reversible und Irreversible Magnetverluste bei Magneten auf der Basis Nd-Fe-B Elektrodynamischer Tauchspulschwenkmotor mit shorted turn" - Anwendungsbeispiel Positioniersystem für B" Winchester-Disk-Drive Aufbau und Funktionsprinzip Motorbeschreibung im Zeitbereich Positioniersteuerung mittels bang-bang contro/" bei einfachem L/R-Ersatzschaltbild (10) Beschreibung des Tauchspulmotors mittels Übertrager- Ersatzschaltbild in T-Form (11) 289 Literatur 291

6 4 Dauermagnetische Kurzhub-, Kurzdreh- und Linearantriebe 292 K.-D. Hübner 4.1 Einsatz verschiedener Dauermagnetwerkstoffe Entmagnetisierungskurven und Energieprodukt der Dauermagnetwerkstoffe Temperaturverhalten der Dauermagnetwerkstoffe Vergleich der dauermagnetischen und der elektromagnetischen Felderregung Grundlagen zur Berechnung dauermagnetischer Kreise Berechnungen mit dem B-H-Diagramm Berechnung der Arbeitsgeraden mit Fremdfeldeinfluß Methode des magnetischen Ersatzschaltbildes Berechnung von Dauermagnetanordnungen mit der Mengentheorie des Magnetismus Berechnung von Dauarmagnetanordnungen mit der Elementarstromtheorie Bauformen von dauermagneterregten Antrieben Linearantriebe für längere Hubwege Gleichstromlinearantriebe Synchronlinearantrieb Linearantriebe für kurze Hubwege Kurzdrehantriebe Beispiele ausgewählter Linearantriebe Kurzhublinearantrieb mit beweglicher Spule für impulsartige Krafterzeugung Linearmotor mit langem Hubweg und beweglichen Dauermagneten Schlußbemerkung Steuerbare Magnetsysteme für die Automatisierungstechnik 314 W. Cassing 5.1 Allgemeine Problembeschreibung Dauermagnetische und elektromagnetische Spreizer Permanentmagnetische Spreizer Elektromagnetische Spreizer Die Sättigung Berechnung der elektrischen Daten eines Elektrospreizers Störeffekte Klebeeffekt Bildung von Schnittgrat Die Haftkräfte Die Kantenbelegung Die Einschaltdauer Möglichkeiten der Positionierung von Spreizmagneten Abmessungen Schaltbare Magnetsysteme zur Blechstapelung Das Verdrängungssystem (monostabil) Funktionsprinzip 324

7 Das Lasthebesystem Bistabile schaltbare Magnetsysteme Das Funktionsprinzip Haftkraftkurven Tiefenwirkung Saugsysteme Das Funktionsprinzip Magnetische Sensoren W. Cassing Einleitung Übersicht über physikalische Prinzipien Magneto-elastische Sensoren Der Ummagnetisierungseffekt Galvano-magnetisches Prinzip Die Magnetgabelschranke Das Induktionsprinzip Das Differentialtransformatorprinzip (Dreispulensystem) Die Differentialdrossel (Zweispulensystem) Der Initiator (Einspulensystem) Der induktive Durchflußmesser (IDM) Der magnetoresistive Effekt Die Feldplatte Magnetisierung dünner Schichten Der 'Giant Magnetoresistive Effect' (GMR) Der Curie-Punkt-Effekt Der paramagnetische Effekt Viskositätseffekt bei magnetischen Flüssigkeiten Auswahlkriterien Die Meßgröße Der Sensortyp Beispiele elektronischer Schaltungen Ausgangssignal als Ja/Nein Meldung Ausgangssignal als analoge Größe Auswerte-Elektronik Beispiele einiger Anwendungen Messung des Feuchtigkeitsgehaltes einer permanentmagnetischen Suspension Problemstellung Lösung Magnetisch-/geometrische Fehlwinkelbestimmung von permanentmagnetischen Ringen Problemstellung Lösung Dauermagnete als Signalgeber für Hall-Sensoren Spezielle Varianten magnetischer Sensoren Magnetostriktion und Ultraschall Der PLCD-Sensor

8 6.6.3 Reed-Kontakte, Sonderformen Kernresonanz-Magnetfeldmessung: NMR-Messung 384 (nuclear magnetic resonance) Schlußbetrachtung 384 Literaturverzeichnis Applikationen magnetischer Weg-/Winkelsensoren in der Kfz-Technlk 386 A. Dukart 7.1 Einleitung Messprinzipien und Technologien Anisotroper Magnetoresistiver Effekt Giant Magneto-Resistance (GMR) Effekt Giant Magneto Impedance (GMI)- Effekt Hall-Effekt Lateraler zweidimensionaler Magnetotransistor Vertical Hall Sensor Induktiv-Resistive Prinzipien Applikationen Applikationen Hall AMR-Winkelsensoren Applikationen GMR Nadelbewegungssensor auf AMR-Basis Ausblick Literaturhinweise Optimierung von Antrieben und Kraftübertragungselementen 400 K.-D. Hübner 8.1 Einleitung Einsatz von synchronen Dauermagnetkupplungen zur Drehmomentübertragung Einsatz von dauermagnetischen Axialschubkupplungen für pneumatische Linearantriebe und Handlingsysteme Servoantriebe mit dauermagnetischer Erregung Gleichstrom-Servoantriebe Synchron-Servoantriebe Schlussbemerkungen Literaturverzeichnis 432 Sachregister