IKMT-Tagung 2015 - 10. GMM/ETG-Fachtagung

Antriebe für handgeführte Elektrowerkzeuge müssen neben einer hohen Leistungsdichte wegen der Batteriespeisung auch über eine möglichst hohe Energieeffizienz verfügen. Von der TU Ilmenau wird ein PM Synchronantrieb in Zahnspulentechnik mit im Läuferaktivteil integrierten SE-Magneten vorgestellt, der diese Anforderungen erfüllt. Der axial an den Zahnspulenständer angebaute Umrichter (Bild 1) führt zu einer kompakten Antriebseinheit, die hohe Anforderungen an die thermische Gesamtauslegung stellt.

Hochpolige PM Synchronmotoren kleiner Baugröße lassen sich zum Beispiel mit niederpoligen Ganzlochwicklungen realisieren, wenn statt des Wicklungsgrundfeldes ein Wicklungsoberfeld als Arbeitsfeld verwendet wird. Aufgrund des Wicklungsfaktors bietet sich hierfür eine Nutharmonische an. Von Fa. Lenze wurde nach diesem Grundprinzip ein 22-poliger „PM Vernier Motor“ als Außenläufer-Direktantrieb für ein Fördersystem entwickelt.

Für zum Beispiel Turbo-Kompressoren oder High-Speed Fahrantriebe werden passende Inverter hoher Speise- und Schaltfrequenz benötigt. Vom Fraunhofer IISB (Erlangen) werden für diese Applikationen Inverter in SIC-Technik hinsichtlich Schaltungstechnik, Effizienz, Leistungsdichte und Schaltfrequenz untersucht und am Beispiel eines ausgeführten 60 kW SIC-Inverters diskutiert.

Im Automotivebereich werden zugeschnittene Antriebslösungen benötigt, die neben einem kompakten und oft flachen Design eine hohe Leistungsdichte aufweisen müssen und zudem sensibel sind bezüglich der Drehmomentwelligkeit. Für diesen Applikationsbereich hat Fa. MMT ein Schrittmotorkonzept weiterentwickelt, das über eine einseitige Spulenanordnung verfügt und sich so besser integrieren lässt (Bild 2). Das weiterentwickelte Motorkonzept wird detailliert hinsichtlich der Drehmomentwelligkeit untersucht.

Bei direkt in den Prozess integrierten Motoraktivteilen, die hauptsächlich im Teillastbereich betrieben werden und bei denen Rastmomente absolut störend sind, kann ein eisenloser PM Synchronmotor eine geeignete Lösung sein. Es werden 3 Konzepte für eisenlose PM Synchronmotoren vorgestellt, die sich konstruktiv in der Komplexität der Luftspulenwicklung unterscheiden. In Form von Parameterstudien wird das stationäre Betriebsverhalten optimiert, das anhand von Funktionsmustern (Bild) im Vergleich von Messung und Simulation diskutiert wird.

Die Vorausberechnung der Eisenverluste ist auch weiterhin ein interessantes Forschungsgebiet. Von Schneider Electric wird ein erweiterter Modellansatz für die Grundfeld-Eisenverluste in PM Servomotoren vorgestellt, dessen Modellparameter anhand von Messstudien bestimmt werden. Von der RWTH Aachen wird der Stanzkanteneinfluss auf die magnetischen Eigenschaften von Elektroblech untersucht. Der gewählte kristallographische Modellansatz führt zur Verbesserung von Feld- und Verlustberechnung.

Kleine permanentmagneterregte DC Motoren kommen in hohen Stückzahlen im KFZ-Bereich, zum Beispiel bei der Sitzverstellung oder beim Fensterheber, zum Einsatz. Fa. Brose beschreibt in einem Beitrag die transiente Simulation von DC Motoren zur Ermittlung der Bürsten-Stromdichteverteilung über den Kommutierungsverlauf mit dem Ziel der Lebensdauersteigerung. Die Verschleißmechanismen der Kommutierungseinrichtung werden beschrieben, Möglichkeiten der Weiterentwicklung dargestellt und die erreichten Verbesserungen anhand von Messungen belegt.

Bei minimal invasiven Operationen kommen Manipulatoren zum Einsatz, mit deren Hilfe im Bauchraum operiert werden kann. Von der TU Darmstadt werden Struktur und Design eines neuentwickelten Manipulators vorgestellt, der über 12 Freiheitsgrade verfügt. Die Antriebseinheit des Manipulators verfügt entsprechend über 12 bürstenlose DC Motoren, deren Bemessung beschrieben wird.

Für die Weiterentwicklung von Endoskopen hat die Leibniz Universität Hannover einen elektromagnetischen Kippaktor entwickelt, auf dessen Basis ein flexibles Endoskop realisiert werden kann. Das Konzept des Kippaktors wird vorgestellt und für dessen Speisung werden zwei Schaltungsvarianten zur Auswahl gestellt, deren Leistungsfähigkeit untersucht wird.

Die Abdichtung des geförderten Mediums zur Umwelt ist bei Pumpen ein zentrales Problem. Ein an der RWTH Aachen entwickeltes Konzept auf der Basis der Drehkolbenpumpe umgeht dieses Problem, indem der Antrieb über ein dichtungsfreies magnetisches Getriebe realisiert wird (Bild). Modellierung und Designprozess werden in Form von Parameterstudien vorgestellt.

Von der TU Darmstadt wird ein neuartiges Konzept für lagerlose High-Speed PM Synchronmotoren vorgestellt, das im Ständer mit zwei Drehfeldwicklungen ausgeführt ist. Die spezielle Wicklungstopologie ermöglicht die Generierung von Drehmoment und radialer Tragkraft. Neben Motordesign und Regelungskonzept wird auch die Erprobung eines Funktionsmusters im Vergleich zur Simulation behandelt.

Ein neuartiges Mehrkoordinaten-Positioniersystem in Magnetschwebetechnik wird von der FH Mittelhessen (Friedberg) beschrieben. Neben dem Design und der Regelung des über 6 Freiheitsgrade verfügenden Positioniersystems werden die experimentellen Ergebnisse eines ersten Prototyps diskutiert.

Piezoelektrische Antriebe

Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der piezoelektrischen Antriebe werden von der TU Darmstadt vorgestellt: Wird ein Array aus Carbonfasern von einem Piezo-Stack aktiviert, so kann über die Strukturreibung der Carbonfasern eine Mikrobewegung erzielt werden. Die analytische Modellierung dieses kombinierten Aktuators und die Berechnung des Stellverhaltens werden detailliert dargestellt. Piezoelektrische Stick-Slip Aktuatoren kommen zum Beispiel bei der Mikro-Positionierung zum Einsatz. Es wird untersucht, in welcher Weise die Aktivierungs-Zeitfunktion das Betriebsverhalten des Stick-Slip Aktuators beeinflusst. Hierzu werden unterschiedliche Aktivierungs-Zeitfunktionen theoretisch und experimentell untersucht.

Gestiegene Anforderungen an lineare und rotierende Positionierantriebe führen zu entsprechend höheren Anforderungen an die Lage-Sensorik. Fa. Sensitec zeigt in einem Beitrag, dass magnetoresistive Sensoren diese Anforderungen erfüllen können. Es werden die Technologien für magnetoresistive Sensoren (Bild) aufgezeigt und auf dieser Basis eine Vielzahl von Applikationen behandelt.

Die angestrebte Symmetrie der Motorwicklung ist von großer Bedeutung und mögliche Abweichungen sollten bereits beim Produktionsvorgang erkannt werden. Von der Universität des Saarlandes wird am Beispiel der Luftspaltwicklung ein Messverfahren vorgestellt, das eine produktionsbegleitende Kontrolle der Wicklungssymmetrie ermöglicht. Neben der schaltungstechnischen Realisierung wird auch der praktische Einsatz des Messverfahrens behandelt.

Bei der Produktion elektromagnetischer Aktoren, hierzu gehören zum Beispiel Relais, Ventile und Bremsen, ist eine zerstörungsfreie Prüfung parallel zur laufenden Produktion möglich, wenn die Sensorfunktion des gefertigten Aktors genutzt wird. Fa. Kendrion verwendet dieses Prinzip und zeigt, wie die gewonnenen Sensorsignale zur Fehlerdiagnose genutzt werden können. An ausgewählten Fehlerfällen wird die Wirksamkeit des Verfahrens eindrucksvoll erläutert.

Die für den feldorientierten Betrieb von PM Synchronmotoren erforderliche Rotorlage kann auch sensorlos erfasst werden. Von der Universität des Saarlandes wird hierfür ein neuartiges Verfahren vorgestellt, bei dem die Rotorlage aus der synchron zu den PWM-Signalen gemessenen Sternpunktspannung abgeleitet wird. Vorgestellt werden neben der Theorie des neuen Verfahrens auch die praktische Erprobung im Vergleich zur messtechnischen Erfassung der Rotorlage. Für die Analyse von Regelkonzepten für Klein- und Mikroantriebe, speziell für bürstenlose Motoren, wird ferner ein Motion Control Messsystem vorgestellt, das sich durch eine einfache Bedienweise auszeichnet.
Am Beispiel von Antrieben mit permanentmagneterregten DC Motoren wird von der TH Nürnberg eine modellbasierte prädiktive Regelung vorgestellt. Neben der Modellierung und Simulation von Sollwert- und Lastsprüngen werden die Eigenschaften der modellbasierten prädiktiven Regelung experimentell untermauert.
Zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeit von PM Transversalflussmaschinen (Bild) wird in einem Beitrag von der Universität Magdeburg eine Vorsteuerung in Form einer Stromsollwert-Aufschaltung vorgeschlagen. Die Entstehung der Drehmomentwelligkeit, die Regelungsstrategie und die experimentelle Erprobung der vorgeschlagenen Regelungsstrategie werden vorgestellt.
Ein Beitrag von Fa. Bosch/TU Ilmenau behandelt die Reduzierung der Zahneingriffs-geräusche von Getrieben in Antriebssträngen mit EC Motoren. Neben der Modellierung des Antriebsstranges werden die Regelungsstruktur sowie die Ergebnisse von Simulation und experimenteller Erprobung beschrieben.
Zur Verbesserung der Regeleigenschaften von KFZ-Kleinantrieben mit DC Motoren wird von der FH Hannover die Nutzung nichtlinearer Regelungsmethoden vorgeschlagen. Zwei Ansätze, die auf einer automatischen Identifikation des nichtlinearen Modells basieren, werden beschrieben und mittels einer Rapid-Prototyping-Hardware in Echtzeit erprobt. Von der FH Hannover wird ferner eine Methodik zur experimentellen Identifikation der Dynamik serieller Roboter vorgestellt. Ziel ist es hierbei, alle Modellparameter robust zu identifizieren. Die Ergebnisse der Parameteridentifikation liefern die Drehmomentgrößen zur Vorsteuerung der Roboterantriebe.

Bei kleinen Baugrößen ist es Prinzip bedingt nicht möglich, Line-Start Motoren der Energieeffizienzklasse IE4 in bewährter Asynchrontechnik auszuführen. Von der TU Kaiserslautern wird untersucht, wie diese Produktlücke mit PM Line-Start Motoren geschlossen werden kann. In enger Komponentenkopplung zu bestehenden Käfigläufermotoren geringerer Energieeffizienzklasse wird der Käfigläufer hierzu um gegenfeldstabile Seltenerde-Magnete an der Läuferoberfläche erweitert (Bild). Neben dem Design der PM Line-Start Motoren wird durch Auslegungsstudien im Baugrößenbereich AH63-90 gezeigt, wie die IE4-Produktlücke geschlossen werden kann.

Für ein Elektro-Trike wurde von der TU Ilmenau der Fahrantrieb entwickelt. Es handelt sich um einen PM Synchronmotor in Zahnspulentechnik, der über einen Pulswechselrichter aus einer 50 V Batterie gespeist wird. Das Design des Antriebsstrangs und die Erprobung des Fahrantriebs auf dem Versuchsstand werden dargestellt.

Der Einfluss von Spannungsoberschwingungen und Rastmomenten auf den Gleichlauf von Servoantrieben mit PM Synchronmotoren wird von der FH Hannover untersucht. Am Beispiel einer Servoachse wird das Betriebsverhalten in d-q-Koordinaten beschrieben und der störende Einfluss von Rastmomenten bzw. Spannungsoberschwingungen wird in Form von Parameterstudien simuliert.

Die mögliche Ablösung von kleineren Käfigläufermotoren ( Baugröße ≤ 90 ) bei umrichtergespeisten Antrieben durch Synchron-Reluktanzmotoren wird von der FH Düsseldorf untersucht. Ausgehend von zwei 4-poligen Käfigläufermotoren unterschiedlicher Baugröße wird der numerische Entwurf für den jeweils alternativen Synchron-Reluktanzmotor detailliert beschrieben. In Abhängigkeit des mechanischen Luftspaltes werden die stationären Betriebsgrößen der alternativen Motorkonzepte verglichen.

Ein weiterer Beitrag der FH Düsseldorf beschäftigt sich mit der Verbesserung des Betriebsverhaltens kleiner Käfigläufermotoren durch eine optimale Wahl der gegenseitigen Schrägung zwischen Ständer und Läufer sowie durch die Wahl einer harmonisch verteilten Wicklung. Da der untere Leistungsbereich betrachtet wird, werden neben dem 3-phasigen Betrieb auch die Dreieck-Steinmetzschaltung und die 2-strängige Ausführung mit Kondensator-Hilfsphase betrachtet. Die theoretischen Überlegungen werden durch Messungen an einem Funktionsmuster, für das Läufer unterschiedlicher Schrägung zur Verfügung stehen, bestätigt.

Für den feldorientierten Betrieb kleiner PM Synchronmotoren (Bild) wird von der Universität des Saarlandes das „Direct Flux Control“-Verfahren genutzt, für das kein Rotorlagesensor benötigt wird. Die Erfassung der Rotorlage erfolgt über die rotorlageabhängigen Stranginduktivitäten. Die Möglichkeiten hierzu werden anhand von Simulationen und Messungen diskutiert.

Auch die 10. Fachtagung vermittelte den rund 100 Tagungsteilnehmern wieder einen guten Überblick über aktuelle Vorfeldthemen und Produktentwicklungen auf dem Gebiet der Klein- und Mikroantriebstechnik. Die alle 2 Jahre stattfindende Fachtagung bot ein wichtiges Podium zum Meinungsaustausch zwischen Herstellern, Anwendern und Hochschulen.

In der Fachtagung IKMT werden innovative elektrische, elektronische und mechanische Komponenten vorgestellt und Vorträge über neue Werkzeuge für Entwurf und Simulation ergänzen das Tagungsprogramm.
Feinwerktechnisch und mikrotechnisch hergestellte Antriebe bzw. Antriebskomponenten eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten, gerade, wenn es um die Miniaturisierung von Systemen geht. Neben den konventionellen Antriebsprinzipien gewinnen auch die so genannten unkonventionellen Aktorprinzipien, wie zum Beispiel piezoelektrische Aktoren, an Bedeutung.

ETG-Fachberichte 2015
199 Seiten, Slimlinebox, CD-Rom
ISBN 978-3-8007-4072-7

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