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 16.07.1978 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: 02.03.2012 Datum der wissenschaftlichen Aussprache: 28.11.2012
Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Stand der Technik 2 1.3 Trend zu elektrodynamischen Lineardirektantrieben 6 1.4 Zielsetzung 7 1.5 Aufbau der Arbeit 9 2 Vom Bedürfnis zur Funktion 11 2.1 Analyse des Benutzerverhaltens 11 2.1.1 Einleitung 11 2.1.2 Einteilung der Auszugssysteme in der Küche 13 2.1.3 Produktbeobachtung am Markt (РАМ) 15 2.1.3.1 Das PAM-Messsystem 15 2.1.3.2 Datenerfassung mit dem PAM-Messsystem 17 2.1.3.3 Datenauswertung mit dem PAM-Messsystem... 18 2.1.4 Benutzeranalysen in der Laborküche 25 2.1.4.1 Labormesssystem Musterküche 25 2.1.4.2 Videoanalysen 27 2.1.4.3 Der "'AGE EXPLORER"' 28 2.1.5 Definition typischer Zugriffe 28 2.1.6 Zusammenfassung der Ergebnisse 31 2.2 Funktionen zur Erhöhung des Benutzerkomforts 34 2.2.1 Definition der gewünschten Zielfunktionen 35 2.2.2 Vergleich der Komfortklassen 39 2.2.2.1 Theoretischer Teil 40 2.2.2.2 Praktischer Teil 41 i
2.2.2.3 Das Verhältnis Aufwand zu Nutzen 41 2.2.3 Einfluss der Betätigungsauslösung 42 2.2.4 Bewertung und Auswahl 44 2.3 Nützliche Eigenschaften des Linearmotors für die Funktionserfüllung. 45 2.3.1 Freilauf 46 2.3.2 Servo-Effekt 46 2.3.3 Geräusche 47 2.3.4 Sensorische Eigenschaften für Betätigungsauslösung 47 2.3.5 Magnetische Zuziehung und Zuhaltung 48 3 Anforderungen an das Linearantriebssystem 49 3.1 Allgemeines 49 3.2 Spezielle Anforderungen an Antriebe für Möbelbeschläge 50 3.2.1 Platzbedarf 50 3.2.2 Montageaufwand 53 3.2.3 Lebensdauer 54 3.2.4 Energieversorgung und -Verteilung 55 3.2.5 Vernetzung mechatronischer Beschlagsysteme 55 3.3 Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme (VDI 2206)... 57 3.4 Lastkräfte des Bewegungssystems 61 3.4.1 Identifikation der relevanten Lastkräfte 62 3.4.2 Ermittlung der relevanten Lastkräfte 65 3.4.2.1 Verschiebe- und Reibungskraft 65 3.4.2.2 Dämpferkraft 70 3.4.2.3 Luftwiderstandskraft 71 3.5 Antriebsauslegung 72 3.5.1 Die Arbeitsbewegung 72 3.5.2 Ausgangssituation und Problemstellung 74 3.5.3 Modellierung mit MATLAB/Simulink 76 3.5.4 Parameterstudie 77 3.5.4.1 Definition der Kräfte für die Parameterstudie... 77 3.5.4.2 Definition des Soll-Bewegungsprofils 78 3.5.4.3 Ergebnisse der Parameterstudie 79 3.5.5 Unterschiede bei der Antriebsauslegung für Linear- und Rotationsmotoren 81 n
4 Flachspulmotor in Wechselpolausführung mit bewegtem Dauermagnetkreis 85 4.1 Grundlagen elektrodynamischer Linearmotoren 85 4.1.1 Bauformen von elektrodynamischen permanentmagneterregten Linearmotoren 86 4.1.2 Charakteristische Kenngrößen und Kennlinien 87 4.1.3 Flachspulmotor mit U-förmigem Rückschluss 88 4.2 Aufbau und Eigenschaften 90 4.2.1 Magnetischer und elektrischer Kreis 91 4.2.2 Krafterzeugung 92 4.2.3 Kommutierung 94 4.2.4 Axiale Reluktanzkräfte 95 4.3 Motordimensionierung 96 4.3.1 Materialdaten 97 4.3.2 Grobdimensionierung 98 4.3.3 Magnetkreis-Berechnung eines einsträngigen Flachspulmotors mittels Netzwerkmethode 100 4.3.4 FEM-Optimierung am dreisträngigen Flachspulmotor 102 4.3.4.1 Optimierungskriterien 103 4.3.4.2 Parameterstudie 104 4.3.5 Spulenauslegung 107 4.3.6 Thermische Betrachtungen 109 4.3.6.1 Thermisches Modell 109 4.3.6.2 Betriebsart 110 4.4 Querkräfte und Lagerung 113 4.4.1 Magnetische Querkräfte 113 4.4.2 Das Motorlager 115 4.5 Wachstumsverhalten 115 5 Realisierung eines mechatronischen Beschlagssystems 117 5.1 Überlegungen zur Konstruktion 117 5.1.1 Entwurf eines mechatronischen Führungssystems 118 5.1.1.1 Ein- oder beidseitiger Antrieb 118 5.1.1.2 Anordnungsvarianten 119 5.1.1.3 Funktionentrennung: Hauptlager und Motorlager.. 120 in
5.1.1.4 Elektronikentwurf 122 5.1.2 Mechatronisches Auszugssystem "'BOX LINA"' 124 5.2 Prototypenfertigung 126 5.2.1 Der Linearmotor 127 5.2.1.1 Aufbau des Läufers 128 5.2.1.2 Aufbau des Stators 129 5.2.2 Aufbau des Führungssystems 129 5.2.3 Aufbau der Elektronik 130 5.3 Experimentelle Bestimmung der Motoreigenschaften 131 5.3.1 Elektrische Eigenschaften 131 5.3.2 Magnetfeldanalyse 132 5.3.3 Schubkraftanalyse 133 5.3.3.1 Ideale Kommutierung 133 5.3.3.2 Reale Kommutierung 135 5.3.3.3 Geschwindigkeit-Kraft-Kennlinie 136 5.3.4 Axiale Reluktanz und Reibungskraft 137 5.3.5 Thermische Eigenschaften 138 5.3.6 Zusammenfassung der Kennwerte 139 5.4 Experimentelle Analyse des Gesamtsystems 140 5.4.1 Ermittlung der Bewegungskräfte 140 5.4.2 Darstellung ausgewählter Bewegungs Vorgänge 141 5.4.2.1 Öffnen 141 5.4.2.2 Schließen 143 5.4.3 Analyse zur Komfortsteigerung 143 6 Zusammenfassung und Ausblick 147 A Statistische Auswertung für РАМ 151 В Prototypen: Fotos und Details 153 Literaturverzeichnis 161