Elektromagnetischer Mikrolinearmotor mit integrierter magnetischer Führung

Transkript

1 LNQE on the Road in der Elektrotechnik

2 Inhalt Elektromagnetische Mikrolinearmotoren Simulationen FEM-Modell Ergebnisse Spezielle Designregeln Charakterisierung durch Messungen Integrierte magnetische Führung Prinzip Simulationsergebnisse Erste Untersuchungen Zusammenfassung 2

3 Arbeitsgruppe Mikroaktoren Ziel: Entwicklung aktiver Mikrosysteme, die Positionieraufgaben im nm-bereich ausführen können Mitarbeit im SFB 516 Konstruktion Fertigung aktiver Mikrosysteme Aufgaben des IAL: - Elektromagnetische Dimensionierung Simulationen - Entwicklung von Ansteuerung Regelung - Mitarbeit bei der Charakterisierung Verlängerung der Förderung bis

4 Aktoren mit vertikaler Flussführung (mit IMT-H) Schnitt durch Ständer 50µm Hybridläufer von unten Reluktanzprinzip Hybridprinzip 4

5 Aktor mit horizontaler Flussführung (mit IMT-BS) Läufer-Flussführung Strang 1 Strang 2 Strang 3 Reluktanzschrittmotor mit horizontaler Flussführung: Horizontalmotor Kompensation der Maxwell schen Normalkräfte Herstellung mittels mikrotechnischer Verfahren 3-D Mäanderspule Ständerpol 5

6 Aktor mit horizontaler Flussführung (mit IMT-BS) Läufer-Flussführung Strang 1 Strang 2 Strang 3 6 Stränge Zahnteilung: 100 µm Schrittweite: 16.7 µm Luftspalt: 4 8 µm Läufer Läuferpole 3-D Mäanderspule Ständerpol oberer Leiter seitliche Führung Ständer unterer Leiter i doppellagige 3D-Mäanderspule Verbindungen Ständerpolreihe 6

7 Aktor mit horizontaler Flussführung (mit IMT-BS) Ständer Läufer 6 Stränge Zahnteilung: 100 µm Schrittweite: 16.7 µm V-Nut Rubinkugeln Siliziumplatte Ständer Luftspalt: 4 8 µm Kugelführung oder tribologische Führung Läufer Läuferpole seitliche Führung Ständer i Ständer SU-8-Läufer Ständerpolreihe 7

8 Vorschubkraft [mn] Simulationen 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0-0,01-0,02-0,03-0,04 Bewegungsrichtung Racetracks FEM-Simulationen Parametrisches 3D ANSYS -Modell Abbildung einer doppelten Polteilung Vereinfachung der Spulengeometrie Skalierungsfaktor zur Erhöhung der Berechnungsgenauigkeit Verschiebung des Läufers in sämtliche Raumrichtungen möglich Kraftberechnung für einen Strang unterschiedliche Läuferpositionen Generierung der vollständigen Kraftkennlinien sämtlicher Stränge unter Ausnutzung der Symmetrieeigenschaften -0, Läuferposition [μm] 8

9 Simulationen Bewegungsrichtung Erweitertes FEM-Modell Detaillierte Abbildung der Spulen Spannungseinprägung Berechnung der Stromdichteverteilung Berechnung der Kupferverluste Möglichkeit transienter Berechnungen Berechnung der Wirbelstromverluste Racetracks detaillierte Spulen i q (t) u q (t) R 0 Draufsicht Untersicht 9

10 Simulationen Erweitertes FEM-Modell Detaillierte Abbildung der Spulen Spannungseinprägung Berechnung der Stromdichteverteilung Berechnung der Kupferverluste Möglichkeit transienter Berechnungen Berechnung der Wirbelstromverluste Abgerete Zähne detaillierte Spulen i q (t) u q (t) R 0 Draufsicht Untersicht 10

11 Leistungslektronik Tiefsetzsteller mit Schaltfrequenz von 1-10MHz Ansteuerung auf einem FPGA mit 192 MHz Grtaktfrequenz 2 Stränge des realisierten Tiefsetzstellers inklusive Strommessung Strom Spannung 3 A µs 5 5 V µs 5 Zeit Strom- Spannungsverläufe an der Last bei 1 MHz 11

12 Leistungslektronik Tiefsetzsteller mit Schaltfrequenz von 1-10MHz Ansteuerung auf einem FPGA mit 192 MHz Grtaktfrequenz 2 Stränge des realisierten Tiefsetzstellers inklusive Strommessung Strom Spannung 0,5 2 A ,1 0,2 0,3 µs 0,5 5 V ,1 0,2 0,3 µs 0,5 Zeit Strom- Spannungsverläufe an der Last bei 5 MHz 12

13 Simulationen Relative Permeabilität Pulsstrom Gleichstrom Die Permeabilität weichmagnetischer Materialien hängt von der Schichthöhe ab Spezielle Designregeln Die Kraft ist nicht proportional zur Luftspaltfläche! Schichthöhe [µm] 0,5 (Messung) Höhe der Läuferflussführung Vorschubkraft [mn] 0,4 0,3 0,2 0,1 0 ungleiche Höhe gleiche Höhe Höhe der Ständerflussführung (Simulation) Leiter Höhe der Ständerflussführung 13

14 Charakterisierung durch Messungen Temperatur [ C] [ C] Temperatur [ C] ,5 1 1,5 2 2,5 Strom [A] Position [mm] Strom [A] Position [mm] ETP Thermografie-Messungen Motor ist auf Kühlkörper befestigt Ermittlung des Temperaturanstiegs Erkennung von Herstellungsfehlern 14

15 Charakterisierung durch Messungen Vergleich zwischen Messung FEM-Simulation Berücksichtigung der Luftspaltreduzierung aufgr thermischer Ausdehnung Berücksichtigung abgereter Zähne Sehr gute Übereinstimmung zwischen Messung Simulation Vorschubkraft [µn] thermischer Effekt Messung Simulation; eckige Zähne Simulation; abgerete Zähne Läuferposition [µm] Vorschubkraft [µn] Messung Simulation; abgerete Zähne Läuferposition [µm] gemessene berechnete Kraft-Weg- Kennlinie (1 Strang bestromt mit 2 A) gemessene berechnete Kraft-Weg- Kennlinie (1 Strang bestromt mit 1,5 A) 15

16 Charakterisierung durch Messungen Schrittbetrieb Störung des Betriebsverhaltens durch Reibeffekte 16

17 Integrierte magnetische Führung Vertikaler Versatz zwischen Läufer Ständer Levitation aufgr von Maxwell schen Grenzflächenkräften Keine zusätzlichen Komponenten notwendig Kompensation der Gewichtskraft Beseitigung negativer Reibeinflüsse Kraft [mn] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Vorschubkraft Vertikalkraft z-versatz [µm] Läuferflussführung Läufer z-versatz [µm] Ständer F z Magnetfluss Ständerflussführung Läufergewicht [mg] 17

18 Integrierte magnetische Führung Läuferflussführung Läufer F z Magnetfluss Ständer Ständerflussführung X: Y: X: Y: Position [µm] X: Y: X: Y: Zeit [s] 18

19 Nächste Schritte Aufbau von Planaraktoren mit IMT-H Realisierung von rotierender Mikroaktoren mit IMT-BS Verkleinerte Schrittweiten durch verbesserte Fertigungstoleranzen Nanopositionierung durch geregelten Betrieb Erforschung der Grenzen sensorloser Regelverfahren für Mikroaktoren 19