Elektromagnetische Linearführungen für Aufzugsysteme

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1 Elektromagnetische Linearführungen für Aufzugsysteme Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Ingenieur Benedikt Schmülling aus Herne in Westfalen Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Kay Hameyer Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wilfried Hofmann Tag der mündlichen Prüfung: 16. Juli 2009

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3 Aachener Schriftenreihe zur Elektromagnetischen Energiewandlung Band 8 Benedikt Schmülling Elektromagnetische Linearführungen für Aufzugsysteme Shaker Verlag Aachen 2009

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2009) Copyright Shaker Verlag 2009 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Danksagung Die vorliegende Dissertation wurde am Institut für Elektrische Maschinen der RWTH Aachen angefertigt. Mein Dank für die Unterstützung, sowohl bei den theoretischen Grundlagen als auch bei den praktischen Versuchen an den Prüfständen, gilt in erster Linie Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Kay Hameyer. Mit seinem Fachwissen und konstruktiver Kritik hat er maßgeblich zum Gelingen der Arbeit und zur Erlangung der vorliegenden Ergebnisse beigetragen. Als nächstes bedanke ich mich bei Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wilfried Hofmann, der an dieser Doktorarbeit als zweiter Berichter mitgewirkt hat. Ich bedanke mich des Weiteren bei allen Assistenten des Instituts sowie bei Frau Petra Astor und bei Frau Ayse Kocatüfek für Hilfe, Entlastung und Beistand insbesondere während der letzten Monate. Der Aufbau der beiden Prüfstände und die Durchführung der Messungen wären ohne die Mitwirkung der institutseigenen mechanischen Werkstatt und der Mitarbeiter des E-Labors nicht möglich gewesen. Ich danke daher allen Mitarbeitern dieser beiden Einrichtungen. Für tatkräftige Unterstützung in Theorie und Praxis bedanke ich mich bei meinen ehemaligen Diplomarbeitern, den Herren Dipl.-Ing. Rüdiger Appunn und Dipl.-Ing. Ferdinand Wikullil, sowie bei Herrn cand.-ing. Peter Laumen und bei allen weiteren studentischen Mitarbeitern während jener Zeit.

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7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Aufzugtechnologie Historisches Der Aufzug im modernen Hochhausbau Der seillose Aufzug als Basis für ein neuartiges Aufzugsystem Berührungslose magnetische Linearführungen Elektromagnetische Aktoren Elektromagnetisches Schweben Wirbelstromverluste Bauformen U-Form E-Form ω-form Numerische Verifizierung Linearführungstopologien Der Fahrkorb Symmetrische Topologie Rucksacktopologie L-Topologie Bewertung der Topologien Regelung der berührungslosen Linearführung Freiheitsgradregelung Modellbildung Fahrkorb Linearisierung der Aktorkräfte... 47

8 ii Inhaltsverzeichnis Koordinatentransformation der lokalen Luftspalte Differentialgleichung des Stroms Das Umrichtermodell Koordinatentransformation der lokalen Ströme Zustandsraumdarstellung Ordnungsreduktion Reglerentwurf I-erweiterte Strecke Zustandsrückführung Beobachter Simulation Aufbau der Prototypen und messtechnische Verifikation AD/DA-Wandlung Betrachtung der Regelung als quasikontinuierlich Aliasing Der Ein-Freiheitsgrad-Prüfstand Konzept Die elektromagnetischen U-Aktoren Elektronische Komponenten Messungen Der Aufzugprüfstand Konzept Die elektromagnetischen ω-aktoren Fahrkorb Aufzugschacht Aufhängung Messungen Beurteilung des Prüfstandsbetriebs

9 Inhaltsverzeichnis iii 7 Energieversorgung des Fahrkorbs Energiebedarf Seilbehaftete Aufzugsysteme Seillose Aufzugsysteme Lineargenerator Induktive Energieübertragung Integration der Energieversorgung in das Führungssystem Ausblick auf mögliche Sicherheitstechnologien Stand der Technik Vorteile der Pemanentmagnettechnologie Bewertung Zusammenfassung und Ausblicke 129 A Zustandsraumbeschreibung des Aufzugprüfstands 133 B Kraftgleichungen des ω-aktors 135 C Technische Daten 139 D Abkürzungen und Formelzeichen 145 Literaturverzeichnis 151