Dimensionierung und Optimierung feinwerktechnischer Lineardirektantriebe unter Beachtung parasitärer Effekte am Beispiel von Flach- und Tauchspulantrieben:
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Stuttgart
2008
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| Series: | Berichte aus dem Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik
29 |
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UNTER BEACHTUNG PARASITAERER EFFEKTE AM BEISPIEL VON FLACH- UND
TAUCHSPULANTRIEBEN VON DER FAKULTAET KONSTRUKTIONS-, PRODUKTIONS- UND
FAHRZEUGTECHNIK DER UNIVERSITAET STUTTGART ZUR ERLANGUNG DER WUERDE EINES
DOKTOR-INGENIEURS (DR.-ING.) GENEHMIGTE ABHANDLUNG VORGELEGT VON
DIPL.-ING. MATTHIAS DANNEMANN GEBOREN AM 8. NOVEMBER 1977 IN MAGDEBURG
HAUPTBERICHTER: PROF. DR.-ING. W. SCHINKOETHE MITBERICHTER: PROF. DR.
RER. NAT. H. KUECK TAG DER MUENDLICHEN PRUEFUNG: 24. APRIL 2008 INSTITUT
FUER KONSTRUKTION UND FERTIGUNG IN DER FEINWERKTECHNIK DER UNIVERSITAET
STUTTGART 2008 INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS SYMBOL- UND
ABKUERZUNGSVERZEICHNIS 1 1 EINLEITUNG 7 1.1 MOTIVATION 7 1.2 ZIELSETZUNG
9 2 STAND DER TECHNIK 11 2.1 WIRKPRINZIPIEN VON LINEARMOTOREN 11 2.2
BAUFORMEN UND DEREN EINGRENZUNG FUER DIE ARBEIT 12 2.2.1 FLACHSPULMOTOR
MIT HOMOPOLAREM AUFBAU 14 2.2.2 FLACHSPULMOTOR MIT HETEROPOLAREM AUFBAU
15 2.2.3 TAUCHSPULMOTOR 17 2.3 GRUNDLAGEN 18 2.3.1 MAXWELLSCHE
GLEICHUNGEN 19 2.3.2 FUELLFAKTOREN 21 2.3.3 HYSTERESE 22 2.3.4
ELEMENTARSTROMTHEORIE 23 2.3.5 ANALOGIE ZWISCHEN ELEKTRISCHEN UND
THERMISCHEN ENERGIEN 25 2.4 KONVENTIONELLE VORGEHENSWEISE BEI DER
MOTORDIMENSIONIERUNG . 28 2.5 VORSCHLAG EINER ERWEITERUNG 29 3
FELDORIENTIERTE ANSAETZE ZUR DIMENSIONIERUNG UNTER EINBEZIEHUNG DER
VERLUSTLEISTUNG 31 3.1 ANALYTISCHE BETRACHTUNG DER MAXWELLSCHEN
GLEICHUNGEN 31 3.1.1 BEWEGUNGSINDUKTION UND SATZ VON POINTING 31 3.1.1.1
BEWEGUNGSINDUKTION 31 3.1.1.2 SATZ VON POINTING 32 3.1.2 ANALYSE DES
SACHVERHALTS KRAFT IM FELD 33 3.1.3 DARSTELLUNG DER VERLUSTLEISTUNG DES
MOTORS 34 3.1.4 INTEGRATION DER LEISTUNG IN DIE DIMENSIONIERUNG 35 3.1.5
VERKNUEPFUNG DER FELD- UND MECHANISCHEN GROESSEN BEI KON- STANTER SPANNUNG
38 VI INHALTSVERZEICHNIS 3.1.6 BEACHTUNG UNTERSCHIEDLICHER VOLUMINA 42
3.1.7 VERLUSTLEISTUNGEN IN FUELLFAKTORBEHAFTETEN VOLUMINA . . . . 43
3.1.8 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN LEISTUNG, KRAFT UND FUELLFAKTOR . 45 3.1.9
ZUSAMMENFASSUNG DER KRAFTGLEICHUNGEN 46 3.2 BAURAUMABSCHAETZUNGEN UND
VOLUMENERMITTLUNG 46 3.3 BEISPIELRECHNUNG ZUR BESTIMMUNG OPTIMALER
WICKELFENSTER ... 48 3.3.1 VORAUSBERECHNUNG 48 3.3.2 ERMITTLUNG DES
OPTIMALEN SPULENFENSTERS 51 3.4 EINFLUSS DER BETRIEBSARTEN 53 3.4.1
UEBERBLICK UEBER DIE BETRIEBSARTEN 53 3.4.2 KURZFRISTIGE STROMUEBERHOEHUNGEN
ZUR KRAFTSTEIGERUNG IN KURZZEIT- UND AUSSETZBETRIEB 54 4 PARASITAERE
EFFEKTE BEI DER STATISCHEN UND QUASISTATISCHEN DIMENSIO- NIERUNG 58 4.1
WECHSELWIRKUNG ZWISCHEN SPULEN-UND DAUERMAGNETFELDERN ... 58 4.1.1
EINFLUSS BEIM EINSTRAENGIGEN FLACHSPULMOTOR 58 4.1.2 EINFLUSS BEI
TAUCHSPULEN 63 4.2 KOMMUTIERUNGSBEDINGTE PARASITAERE EFFEKTE -
STOERKRAFTBEDINGTE GE- RAEUSCHE 75 4.2.1 BETRACHTUNG BEISPIELHAFTER
KOMMUTIERUNGSARTEN 76 4.2.1.1 PULSWEITENMODULATION ALS VERFAHREN ZUR
ERZEU- GUNG VARIABLER STROEME IN SPULEN 76 4.2.1.2 BLOCKKOMMUTIERUNG 78
4.2.1.3 SINUSKOMMUTIERUNG 79 4.2.2 QUERKRAEFTE BEI BLOCKKOMMUTIERUNG 81
4.2.2.1 EINSEITIGE MAGNETANORDNUNG 81 4.2.2.2 ZWEISEITIGE
MAGNETANORDNUNG 85 4.2.3 QUERKRAEFTE BEI SINUSKOMMUTIERUNG 90 4.3
ERZEUGUNG INNERER KRAEFTE IM RUECKSCHLUSS DURCH DIE BESTROMUNG . 91 4.3.1
STOERKRAEFTE BEI BLOCKKOMMUTIERUNG 94 4.3.2 STOERKRAEFTE BEI
SINUSKOMMUTIERUNG 95 4.3.3 FOLGEN DER KRAEFTE FUER DIE VERFORMUNG 97 4.3.4
NACHWEIS DER AUFTRETENDEN KRAEFTE ANHAND VON MESSUNGEN 98
INHALTSVERZEICHNIS VII 4.3.5 ZUSAMMENFASSUNG 101 5 PARASITAERE DYNAMISCHE
EFFEKTE IM UEBERLASTBETRIEB 103 5.1 HYSTERESEVERLUSTE /
UMMAGNETISIERUNGSVERLUSTE 104 5.2 WIRBELSTROEME 109 5.3 QUANTIFIZIERUNG
DER VERLUSTE DURCH UMMAGNETISIERUNGEN UND WIR- BELSTROEME 112 5.3.1
SPULENEINFLUSS 112 5.3.2 EINFLUSS BEWEGTER MAGNETE 119 5.3.3
ZUSAMMENFASSUNG 123 6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 124
LITERATURVERZEICHNIS 127 A ANHANG 133 A.L DIFFERENTIALOPERATOREN DER
VEKTORANALYSIS 133 A.2 INTEGRALSAETZE VON STOKES UND GAUSS 135 A.3 TOTALES
DIFFERENTIAL 136 A.4 UMSETZUNG DER MAXWELLSCHEN GLEICHUNGEN IN DER
2D-FEM FUER DIE MAGNETOSTATIK 137 A.5 BERECHNUNG DER VERLUSTLEISTUNG IN
EINEM SINUSKOMMUTIERTEN SPU- LENSYSTEM 139 A.5.1 EINHEITSWURZEL 139
A.5.2 GERADZAHLIGE STRANGZAHL 141 A.5.3 UNGERADZAHLIGE STRANGZAHL 142
A.6 MATERIALPARAMETER FUER DIE SIMULATIONEN 144 B AUSGEWAEHLTE DATEN
VERWENDETER MOTOREN 146 B.L TAUCHSPULMOTOR IN ZYLINDERBAUWEISE MIT
DIAMETRALEN DAUERMA- GNETEN, TAB. ?? 146 B.2 ZWEISTRAENGIGER
FLACHSPULANTRIEB IM U-PROFIL, TAB. ?? 148
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DIMENSIONIERUNG UND OPTIMIERUNG FEINWERKTECHNISCHER LINEARDIREKTANTRIEBE
UNTER BEACHTUNG PARASITAERER EFFEKTE AM BEISPIEL VON FLACH- UND
TAUCHSPULANTRIEBEN VON DER FAKULTAET KONSTRUKTIONS-, PRODUKTIONS- UND
FAHRZEUGTECHNIK DER UNIVERSITAET STUTTGART ZUR ERLANGUNG DER WUERDE EINES
DOKTOR-INGENIEURS (DR.-ING.) GENEHMIGTE ABHANDLUNG VORGELEGT VON
DIPL.-ING. MATTHIAS DANNEMANN GEBOREN AM 8. NOVEMBER 1977 IN MAGDEBURG
HAUPTBERICHTER: PROF. DR.-ING. W. SCHINKOETHE MITBERICHTER: PROF. DR.
RER. NAT. H. KUECK TAG DER MUENDLICHEN PRUEFUNG: 24. APRIL 2008 INSTITUT
FUER KONSTRUKTION UND FERTIGUNG IN DER FEINWERKTECHNIK DER UNIVERSITAET
STUTTGART 2008 INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS SYMBOL- UND
ABKUERZUNGSVERZEICHNIS 1 1 EINLEITUNG 7 1.1 MOTIVATION 7 1.2 ZIELSETZUNG
9 2 STAND DER TECHNIK 11 2.1 WIRKPRINZIPIEN VON LINEARMOTOREN 11 2.2
BAUFORMEN UND DEREN EINGRENZUNG FUER DIE ARBEIT 12 2.2.1 FLACHSPULMOTOR
MIT HOMOPOLAREM AUFBAU 14 2.2.2 FLACHSPULMOTOR MIT HETEROPOLAREM AUFBAU
15 2.2.3 TAUCHSPULMOTOR 17 2.3 GRUNDLAGEN 18 2.3.1 MAXWELLSCHE
GLEICHUNGEN 19 2.3.2 FUELLFAKTOREN 21 2.3.3 HYSTERESE 22 2.3.4
ELEMENTARSTROMTHEORIE 23 2.3.5 ANALOGIE ZWISCHEN ELEKTRISCHEN UND
THERMISCHEN ENERGIEN 25 2.4 KONVENTIONELLE VORGEHENSWEISE BEI DER
MOTORDIMENSIONIERUNG . 28 2.5 VORSCHLAG EINER ERWEITERUNG 29 3
FELDORIENTIERTE ANSAETZE ZUR DIMENSIONIERUNG UNTER EINBEZIEHUNG DER
VERLUSTLEISTUNG 31 3.1 ANALYTISCHE BETRACHTUNG DER MAXWELLSCHEN
GLEICHUNGEN 31 3.1.1 BEWEGUNGSINDUKTION UND SATZ VON POINTING 31 3.1.1.1
BEWEGUNGSINDUKTION 31 3.1.1.2 SATZ VON POINTING 32 3.1.2 ANALYSE DES
SACHVERHALTS KRAFT IM FELD 33 3.1.3 DARSTELLUNG DER VERLUSTLEISTUNG DES
MOTORS 34 3.1.4 INTEGRATION DER LEISTUNG IN DIE DIMENSIONIERUNG 35 3.1.5
VERKNUEPFUNG DER FELD- UND MECHANISCHEN GROESSEN BEI KON- STANTER SPANNUNG
38 VI INHALTSVERZEICHNIS 3.1.6 BEACHTUNG UNTERSCHIEDLICHER VOLUMINA 42
3.1.7 VERLUSTLEISTUNGEN IN FUELLFAKTORBEHAFTETEN VOLUMINA . . . . 43
3.1.8 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN LEISTUNG, KRAFT UND FUELLFAKTOR . 45 3.1.9
ZUSAMMENFASSUNG DER KRAFTGLEICHUNGEN 46 3.2 BAURAUMABSCHAETZUNGEN UND
VOLUMENERMITTLUNG 46 3.3 BEISPIELRECHNUNG ZUR BESTIMMUNG OPTIMALER
WICKELFENSTER . 48 3.3.1 VORAUSBERECHNUNG 48 3.3.2 ERMITTLUNG DES
OPTIMALEN SPULENFENSTERS 51 3.4 EINFLUSS DER BETRIEBSARTEN 53 3.4.1
UEBERBLICK UEBER DIE BETRIEBSARTEN 53 3.4.2 KURZFRISTIGE STROMUEBERHOEHUNGEN
ZUR KRAFTSTEIGERUNG IN KURZZEIT- UND AUSSETZBETRIEB 54 4 PARASITAERE
EFFEKTE BEI DER STATISCHEN UND QUASISTATISCHEN DIMENSIO- NIERUNG 58 4.1
WECHSELWIRKUNG ZWISCHEN SPULEN-UND DAUERMAGNETFELDERN . 58 4.1.1
EINFLUSS BEIM EINSTRAENGIGEN FLACHSPULMOTOR 58 4.1.2 EINFLUSS BEI
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STOERKRAFTBEDINGTE GE- RAEUSCHE 75 4.2.1 BETRACHTUNG BEISPIELHAFTER
KOMMUTIERUNGSARTEN 76 4.2.1.1 PULSWEITENMODULATION ALS VERFAHREN ZUR
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NACHWEIS DER AUFTRETENDEN KRAEFTE ANHAND VON MESSUNGEN 98
INHALTSVERZEICHNIS VII 4.3.5 ZUSAMMENFASSUNG 101 5 PARASITAERE DYNAMISCHE
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