Matthias Nienhaus, Universität des Saarlandes
29.11.2019 Veranstaltungsrückblick 707 0

IKMT 2019 - Bericht, Downloads, Fotos

Die bereits 12. Fachtagung  Innovative Klein- und Mikroantriebstechnik  IKMT fand vom 10. bis 11. September 2019 in Würzburg statt. Ausgerichtet wurde die Fachtagung, die diesmal das Motto „Innovative Kleinantriebe bewegen die Welt“ hatte, von der ETG in Zusammenarbeit mit der VDE/VDI-Gesellschaft GMM. Im Mittelpunkt der Fachtagung standen innovative elektrische, elektronische und mechatronische Komponenten und neue Werkzeuge für den Entwurf und die Simulation des Zusammenwirkens im mechatronischen System. Dieser Beitrag bietet einen kurzen Themenüberblick und soll das Interesse für einen Blick in den Tagungsband [1], der auch in den IEEE Xplore aufgenommen wurde, wecken.

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Keynotes

Die Themenschwerpunkte wurden jeweils mit einer hochkarätigen Keynote eingeleitet. Herr Dr. Brombacher von der Vacuumschmelze GmbH berichtete über die aktuelle Weiterentwicklung der Seltenende-Magnetwerkstoffe für die elektrische Antriebstechnik, Herr Dr. Roschke von der Johnson Medtech LLC sprach über die Trends bei medizintechnischen Antriebssystemen und Herr Dr. Slatter von der Sensitec GmbH stellte die Entwicklung hochauflösender miniaturisierter Längenmesssysteme auf magnetischer Basis für Klein- und Mikroantriebe vor.

Direktantriebe

Linear-Direktantrieb mit induktiver Energieübertragung

Von der Universität Stuttgart wurde eine neuartige Möglichkeit der induktiven Energieübertragung auf den Kurzstator (Bild) präsentiert, so dass die Antriebsdynamik durch den Fortfall bewegter Leitungen deutlich gesteigert werden kann. Von der Leibniz Universität Hannover wurde vorgestellt, wie bei einem Förderband der übliche Zentralantrieb sehr vorteilhaft durch einen linearen Direktantrieb ersetzt werden kann. Zum Einsatz kommt ein neuartiger PM-Linearmotor, der nach dem Flussmodulationsprinzip funktioniert. Am Beispiel der Umlaufpumpe wurde von der Hochschule Kaiserslautern erläutert, wie der dort notwendige Spaltrohrmotor mit einem Synchron Reluktanzmotor realisiert werden kann. Neben dem Motorkonzept wurden auch nichtmetallische Spaltrohre auf der Basis von Carbonfasern betrachtet.

Entwurf und Simulation

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Läuferlayout von PM-Line-Start-Motoren, (links) mit im Läuferblechschnitt integrierten Magneten, (rechts) mit an der Läuferoberfläche angeordneten Magneten.

Der Tagungsblock Entwurf und Simulation stellte inhaltlich das größte Themengebiet dar. Vorgestellt wurden Beiträge, die sich von der Ermittlung einzelner Entwurfsparameter bis hin zum automatisierten Maschinenentwurf bewegten. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades bieten sich PM-Line-Start-Motoren an, Käfigläufermotoren im unteren Leistungsbereich zu ersetzen. Ein Beitrag von der TU Kaiserslautern beschäftigte sich mit der Frage, in welcher Weise das stationäre und transiente Betriebsverhalten durch die Wahl des Läuferlayouts (Bild) beeinflusst wird. Bei begrenzten Einbaubedingungen kommen Kurzmotoren zum Einsatz, bei ihnen befindet sich das Wicklungskupfer Prinzip bedingt überwiegend im Wickelkopfbereich. Die von der TU Kaiserslautern zusammen mit ebmpapst vorgestellte „verteilte Zahnspulenwicklung“ ermöglicht speziell für niederpolige AC Motoren eine kompakte Drehfeldwicklung mit deutlich reduzierten Wickelköpfen. Betrachtet wurde diese neuartige Wicklungsausführung am Beispiel eines PM-Line-Start-Motors, der zusätzlich noch vom günstigen Oberfeldverhalten der verteilten Zahnspulenwicklung profitiert.

Das Betriebsverhalten Umrichter gespeister Antriebe wird auch von parasitären Effekten begleitet. In einem Beitrag der Universität der Bundeswehr München wurde untersucht, welchen Einfluss die Harmonischen der Umrichter-Ausgangsspannung auf das stationäre Betriebsverhalten von PM Synchronmotoren haben. Die Entwicklung elektrischer Maschinen entspricht einem iterativen Prozess. In einem Beitrag der TU Ilmenau wurde dargestellt, wie eine optimierte Designfindung auf der Basis einer automatisierten FEM-Modellgenerierung und eines „Machine Design Kits“ gestaltet werden kann.

In einem Doppelbeitrag widmete sich die TH Nürnberg in Zusammenarbeit mit Industriepartnern dem schwierigen Kapitel der Eisenverluste. In einer umfangreichen Experimentalstudie wurde untersucht, inwieweit die spezifischen Eisenverluste von den Parametern Schnittmethode, Flussdichte und geschnittene Streifenbreite abhängig sind. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden genutzt, um für Käfigläufermotoren die Eisenverluste unter Berücksichtigung des Stanzkanteneinflusses zu modellieren und teilanalytisch zu simulieren.

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Stator eines Doppelstator-Axialflussmotors in SMC-Technik mit Zahnspulenwicklung

In einem weiteren Beitrag der TU Kaiserslautern wurde ein teilanalytisches Verfahren vorgestellt, um die Wirbelstromverluste in Rotoren hochtouriger PM Synchronmaschinen berechnen zu können. Die Simulationen erfolgten im Vergleich zu FEM-Berechnungen am Beispiel einer Hartmetall-Hohlwelle mit integrierten Magneten. In einem Beitrag der TU Ilmenau wurde das Konzept eines Doppelstator-Axialflussmotors erläutert, bei dem die Statoren aus SMC-Material bestehen. Das ausgeführte Funktionsmuster eines PM Synchronmotors (Bild) ist mit einer Zahnspulenwicklung ausgeführt. 

Piezoelektrische Antriebe und unkonventionelle Antriebe

Ultraschall Piezo-Aktuator mit drei  halbkugelförmigen Piezo-Resonatoren

Ein  neuartiger in der x-y-Ebene mit zusätzlicher Rotation agierender Ultraschall Piezo-Aktuator wurde von der Universität Stuttgart präsentiert. Die zusammengesetzte Bewegung wird über drei  halbkugelförmige Piezo-Resonatoren (Bild) bewirkt. Von der Universität Stuttgart / Hochschule Aalen wurde das Design eines Reluktanz-Aktuators dargestellt. Die Steuerung des Aktuators erfolgt mittels eines im magnetischen Kreis befindlichen Moduls, das aus einer magnetischen Formgedächtnislegierung besteht.

Knieorthese angetrieben von einem Twisted String Aktuator

In einem Doppelbeitrag des Instituts für Medizingerätetechnik der Universität Stuttgart wurde der Aufbau eines Twisted String Aktuators demonstriert. Um eine ergiebige Bewegung zu ermöglichen, besteht der Aktuator aus einer gedruckten 3D Array-Struktur. Zur praktischen Anwendung kommt der Aktuator bei einer Knieorthese (Bild), deren Design und Erprobung vorgestellt wurden.              

Mechatronische Antriebssysteme

PM Synchronmotor in Außenläuferbauweise

Mit der Entwärmung des Kurzstators eines linearen Direktantriebs hatte sich die Universität Stuttgart beschäftigt. Zum Einsatz kommt ein neuartiger Piezo-Lüfter, der aus einer von einem Piezoaktuator bewegten Lüfterfahne besteht. Die TU Darmstadt behandelte den störenden Einfluss der Wirbelströme im Läufermagnetmaterial von lagerlosen PM Synchronmaschinen auf die Tragkraftbildung. In Abhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit unterschiedlicher SE-Magnetlegierungen wird der parasitäre Einfluss analytisch und numerisch simuliert. Firma Faulhaber stellte am Beispiel eines PM Synchronmotors in Außenläuferbauform (Bild) Kriterien für die produkt- und fertigungstechnische Design-optimierung dar. Es gilt einerseits Parasitäre Effekte wie Drehmomentwelligkeit und Schwingungen zu unterdrücken und andererseits ein industriell geeignetes  Design zu finden. Die Identifikation und Approximation der Parameter des elektrischen Modells von PM Synchronmaschinen wurde in einem Beitrag von der Hochschule Hannover präsentiert. Neben dem Grundschwingungsmodell wird das HF-Modell betrachtet und die entsprechenden Maschinenparameter bestimmt.      

Antriebssteuerung und Antriebsregelung

Nutzung der Common Mode Spannung für die Speisung der bürstenlosen Erregung

Die „Dual Loop“ Lageregelung mittels zweier separater Positionssensoren, die sich einmal am Motor und einmal an der Last befinden, wurde von Fa. Maxon vorgestellt. Im Vergleich zur Positionsregelung mit nur einem Positionssensor ergeben sich deutliche Vorteile, wenn sich im Wellenstrang Elastizitäten oder Getriebelose befinden. Methoden des maschinellen Lernens nutzte die Hochschule Nürnberg, um bei drehzahlgeregelten PM Synchronmotoren die Drehzahlwelligkeit zu minimieren. Die klassische kaskadierte Drehzahlregelung wird um eine Kompensationsschaltung erweitert, die auf einem der „Reinforcement Learning“ Algorithmen basiert. In einem Beitrag der Universität des Saarlandes wurden zur Erfassung des Lastdrehmoments von DC Motoren ohne Drehmomentsensor drei unterschiedliche „Sliding Mode“ Beobachter untersucht. Die unterschiedlichen Verfahren wurden experimentell bezüglich ihrer Robustheit vergleichend dargestellt.

Für die sensorlose Erfassung der Drehzahl bestehen unterschiedliche Verfahren, die jedoch nicht für den gesamten Drehzahlbereich voll nutzbar sind. In einem Beitrag der Universität des Saarlandes wurde die Kombination von zwei Verfahren für den geregelten Betrieb von kleinen PM Synchronmotoren betrachtet und geeignete Schaltfunktionen für den Übergang untersucht. Mit der Amplituden- und Schwingungsregelung eines kleinen PM Linearantriebs, der mit zwei unabhängig regelbaren und in Resonanz betriebenen Schlitten ausgeführt ist, beschäftigte sich die TU Berlin in ihrem Beitrag. Um bei Umrichter gespeisten Synchronmaschinen mit elektrischer Erregung auf einen zusätzlichen Umrichter für den Erregerkreis verzichten zu können, wurde von der Hochschule Hannover eine neue Schaltungsvariante für eine bürstenlose Erregung vorgestellt (Bild). Die bürstenlose Erregung erfolgt über einen rotierenden Transformator, der mit der aus dem Antriebsumrichter ausgekoppelten „Common Mode“ Spannung, die über einen entsprechenden Eingriff in die PWM mit fester Frequenz und variabler Amplitude vorgegeben wird, gespeist wird.

Resümee

Die 12. Fachtagung vermittelte den rund 80 Tagungsteilnehmern einen hervorragenden 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.

Literatur

[1] VDE [Hrsg.]: Innovative Klein- und Mikroantriebstechnik – ETG/GMM Fachtagung am 10. und 11. September 2019 in Würzburg, ETG-Fachbericht Nr. 159, VDE Verlag GmbH ∙ Berlin ∙ Offenbach, 2019

Autor

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Huth von der TU Kaiserslautern, c/o Lehrstuhl für Mechatronik und Elektrische Antriebssysteme, ist Mitglied im FB A1 „Elektrische Maschinen und Antriebe, Mechatronik“ der ETG und war wissenschaftlicher Tagungsleiter der IKMT 2019.

Tagungsband IKMT 2019

Beiträge der 12. ETG/GMM-Fachtagung, 10. – 11. September 2019, in Würzburg
ISBN 978-3-8007-5062-7 / ISSN 0341-3934

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