TransLin

Motivation

Zur Erzeugung linearer Bewegungen in Arbeitsmaschinen werden gegenwärtig überwiegend indirekte Antriebsformen eingesetzt, bei denen mit einem Elektromotor zunächst eine Rotationsbewegung erzeugt wird, die dann mit Hilfe mechanischer Übertragungselemente, wie z.B. Riementrieben, Kugelumlaufspindeln oder Gewindespindeln, in eine translatorische Bewegung umgesetzt wird. Die mechanischen Elemente zur rotatorisch / translatorischen Kraftübertragung begrenzen sowohl die Größe der übertragbaren Kräfte als auch die Steifigkeit des Antriebsstranges. Außerdem beschränken Lose und Reibung die stationären und dynamischen Eigenschaften der Antriebe und damit auch die Qualität der eigentlichen Arbeitsmaschine. Für eine wachsende Zahl von Anwendungen sind diese indirekten Linear-Antriebssysteme nicht mehr ausreichend. Für besonders anspruchsvolle Aufgaben werden deshalb zunehmend Linear-Direktantriebe eingesetzt, bei denen die Linearbewegung nicht über mechanische Getriebeelemente erreicht wird, sondern in der elektrischen Maschine direkt erzeugt wird. Getriebe und Kupplungen entfallen dabei völlig. Stator und Translator des Elektromotors verschmelzen mit der eigentlichen Arbeitsmaschine zu einer Einheit. Potentielle Anwendungen liegen dabei bei Werkzeugmaschinen, Handhabungssystemen, Fördersystemen bis hin zu Aufzügen, Krananwendungen oder Fertigungsmaschinen, wie z.B. Folienstreckmaschinen.

Abbildungen: Beispiele für lineare Bewegung. Quellen (von links) FWBI, FWBI, Wikipedia (unter der Creative Commons-Lizenz Namensnennung 2.5 US-amerikanisch (nicht portiert) lizenziert)

Synchron-Lineardirektantriebe auf dem Markt

Um ein hohes Beschleunigungsvermögen bei gleichzeitig möglichst kleinen bewegten Massen zu erreichen, werden heute in weit überwiegender Zahl Synchron-Linearantriebe verwendet. Das wohl prominenteste Beispiel für einen Linear-Direktantrieb ist der „Transrapid“. Beim Transrapid befindet sich die Wanderfeldwicklung (bei rotierenden Maschinen analog Drehfeldwicklung) im Fahrweg entlang der gesamten Trasse. Das Erregerteil befindet sich im Fahrzeug.  Man spricht deshalb von einem Langstator-Antrieb. Die lange Statorwicklung führt jedoch zu einer hohen Induktivität, die wiederum große Kraft-Anregelzeiten bewirkt und zur Speisung einen Wechselrichter mit hoher Ausgangsspannung benötigt. Um die Statorwicklung möglichst kurz zu halten, wird daher üblicherweise bei den konventionellen industriellen Linear-Direktantrieben der Erregerteil in der Trasse und die Wanderfeldwicklung im Fahrzeug, dem so genannten Translator, installier. Die Erregung im Verfahrweg wird dabei mit Hochenergie-Permanentmagneten erzeugt, die längs des gesamten Verfahrbereichs installiert werden müssen. Dieses Aufbaukonzept findet zunehmend Eingang in den Maschinen und Anlagenbau.  Durch das teuere Magnetmaterial, welches ungefähr ein drittel der Maschinenkosten beträgt, steigen allerdings die Kosten des Linearantriebs mit der Länge des Verfahrweges beträchtlich.

Abbildung: Konventioneller Linearantrieb mit Permanentmagneten im Verfahrweg (Stator)

Ziel des Vorhabens

Durch die bisherigen Forschungsergebnisse über rotierende Transversalflussmaschinen (ZUTECH-Vorhaben 87 ZN) und die Verfügbarkeit neuartiger Werkstoffe, wie z.B. Weicheisenpulvermaterialien, wird die Transversalfluss-Technologie nun auch für die Entwicklung von Linear-Direktantrieben mit hoher Kraftdichte interessant. Es ist zu erwarten, dass wesentliche Ergebnisse wie z.B. die Algorithmen zur Stromformoptimierung der kürzlich abgeschlossenen Forschungsarbeiten an rotierenden Transversalflussmaschinen (ZUTECH-Vorhaben 87 ZN) auf Linearausführungen übertragen werden können.

Ziel des Vorhabens ist es, auf der Basis des Transversalflussprinzips die Grundlage neuartiger Linearantriebe zu entwickeln, die neben dem bereits genannten, Permanentmagnete sparenden prinzipiellen Vorzug des elektromagnetischen Gesamtkonzeptes bei gleichem Beschleunigungs-vermögen gegenüber herkömmlichen Linearantrieben, um den Faktor 2 bis 3 kleinere bewegte Massen aufweisen. Ein wesentliches Ziel besteht darin, den Transversalfluss-Linearmotor so zu konzipieren, dass sich sowohl die Motorwicklung als auch die Erregermagnete im Translator des Motors befinden. Damit würden elektromagnetische Linearantriebe für nahezu beliebig große Verfahrwege auch wirtschaftlich realisierbar werden. Darüber hinaus besteht ein Forschungsziel darin, den Transversalfluss-Linearmotor so zu konzipieren, dass bei der späteren Umsetzung das modulare Aufbauprinzip von Transversalflussmaschinen für die Realisierung von kmU-freundlichen Baukastensystemen genutzt werden kann, um Linearmotoren anwendungsorientiert in ihrer Bauform und Kraft- bzw. Leistungsgröße an die geforderte Antriebsaufgabe anzupassen, ohne auf Sonderentwicklungen angewiesen zu sein. Darauf aufbauend soll ein Versuchs- und Demonstrationsantrieb zur experimentellen Verifikation, bestehend aus Transversalfluss-Linearmotor, angepasstem Frequenzumrichter und Regelung, entwickelt und aufgebaut werden. Die prinzipbedingten Schubkraftschwankungen sollen durch den Umrichter ausgeglichen werden, der den Transversalflussmotor mit nichtsinusförmigen, speziell auf den Motor abgestimmten Strömen speist. Handelsübliche Stromrichter erfüllen die daraus resultierenden Anforderungen an den Umrichter nur suboptimal und erlauben keinen vollständigen direkten Eingriff in die Regelung bzw. die Microcontrollerstruktur, wodurch sich die notwendigen Regelungsalgorithmen nicht realisieren lassen, deshalb soll im Rahmen des Forschungsvorhabens eine dazu geeignete Umrichtertopologie entwickelt werden, die diese Funktion auch bei den hohen Motorinduktivitäten und hohen, ebenfalls nichtsinusförmigen Gegenspannungen erfüllt.

Ein notwendiges wissenschaftlich-technisches Ziel des Vorhabens ist die Auslegung der Magnetkreise, einschließlich der Abmessungen und Materialbestimmungen der aktiven Teile, als elementare Polmodule. Die Auslegung und Berechnung der magnetischen Kreise kann nicht mit herkömmlichen Verfahren und Methoden durchgeführt werden. Vielmehr soll zunächst ein umfassendes mathematisches Modell entsprechender Transversalfluss-Linearantriebe entwickelt und als Simulationssystem implementiert werden. Die Polmodule sollen mit Hilfe der durchzuführenden Simulationsrechnungen als konstruktive Grundelemente der Linearmotoren konzipiert und entworfen werden. Ausgehend von den äußeren Leistungsmerkmalen, wie Schubkraft, Maximalgeschwindigkeit und Belastungsverhältnisse lässt sich dann auf der Basis einer Standardisierung im Zuge der späteren Umsetzungen der Forschungsergebnisse für jeden Motor die Zahl der Pole je Strang und die Zahl der parallel wirkenden Stränge festlegen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll für Versuchszwecke eine Umrüstbarkeit zwischen zwei- und dreisträngiger Anordnung eingeplant werden. Für die Aufnahme der Polelemente soll ein Strangprofil entwickelt werden, das so beschaffen ist, dass die entworfenen Eisenrückschlusselemente (elementare Polmodule) in Anpassung an die erforderliche Länge des Verfahrweges, über ihre Anzahl wählbarer Polmodule aneinandergereiht werden können. Auf diesen Grundlagen wird es dann möglich, im Rahmen der späteren Umsetzungen in sich kompatible integrierte Antriebssysteme zu realisieren.

Die Konzeption der den Motor speisenden Wechselrichter bildet einen weiteren Schwerpunkt des Forschungsvorhabens. Es ist technisch höchst zweckmäßig, den Transversalfluss-Linearmotor so zu betreiben, dass die Amplituden der Schubkraftpulsationen sehr klein sind. Dazu müssen in der Motorwicklung stark oberschwingungshaltige Ströme eingeprägt werden und zwar phasenrichtig. Das ist bei hohen Frequenzen nur dann möglich, wenn die Zwischenkreisspannung gegenüber der Polradspannung des Motors ausreichend überhöht ist, so dass eine hinreichend große Spannungsreserve zur Verfügung steht. Um gleichzeitig möglichst kleine wechselrichterbedingte Stromoberschwingungen zu erzeugen, soll ein Mittelfrequenz-Wechselrichter für Transversalflussmaschinen auf der Grundlage der Multilevel-Wechselrichtertopologie entwickelt werden. Um die Ziele hoher Dynamik, hoher Genauigkeit und guten Gleichlaufs des Transversalfluss-Linearmotors zu erreichen, ist außerdem eine hochwertige Geschwindigkeits- und Lageregelung erforderlich. Dieses Regelungssystem muss so entworfen werden, dass bei den späteren Umsetzungen, Anpassungen an die charakteristischen Eigenschaften des Motors und der Wechselrichtertopologie möglich sind. Bei dieser hochwertigen Geschwindigkeits- und Lageregelung kann nicht auf bestehende Regelungsstrukturen zurückgegriffen werden, sondern es muss ein neues modellgeführtes Regelungsverfahren speziell für Transversalfluss-Linearmotoren erforscht werden. Um die Leistungsmerkmale der konzipierten Transversalfluss-Linearantriebe auch experimentell zu untersuchen und um die erstellten mathematischen Modelle zu verifizieren, soll in dem Forschungsvorhaben ein Versuchsantrieb, bestehend aus einem Transversalfluss-Linearmotor, einem Wechselrichter und der Regelung entwickelt und aufgebaut werden. An diesem Versuchsantrieb sollen die durch theoretische Berechnungen und Simulationen ermittelten Auslegungsdaten von Transversalfluss-Linearantrieben an diesem speziellen Beispiel experimentell überprüft werden.

Projektergebnisse

Der am FWBI entwickelte Transversalfluss-Linearmotor ist ein Direktantrieb mit einer hohen Kraftdichte, ohne Permanentmagneten oder elektrischen Spulen im Verfahrweg.

Aufgrund der aktuellen Liefersituation und des ständigen Preisanstiegs der in China aus Selten-Erden-Metallen hergestellten Permanentmagnete ist es unumgänglich, die Menge an permanentmagnetischem Material in Industriellen Anwendungen so weit wie möglich zu reduzieren. Der neu entwickelte Linearmotor basiert auf dem bekannten Transversalfluss-Prinzip, wurde allerdings so umgestaltet, dass sich sowohl die Permanentmagneten als auch die elektrischen Spulen im Translator befinden. Die Pole im (langen) Stator bestehen nur aus konventionellen Elektroblechen, so dass lange Verfahrwege sehr kostengünstig realisiert werden können.Außerdem bietet der passive Stator in einer industriellen Umgebung enorme Vorteile, da keine Späne, Werkzeuge oder andere Eisenteile an der Magnetbahn haften.

Durch die Verwendung der Flusskonzentration wird eine sehr hohe Kraftdichte erreicht. Sie liegt bei über 60kN/m² und somit im Bereich von Wassergekühlten Synchron-Linearantrieben mit Magnetbahn.

Aufbau

Abbildung links: Flussführung im Versuchsmotor - Abbildung Rechts: Prinzip der Flusskonzentration

In der Abbildung ist links der Aufbau des entworfenen Versuchsmotors gezeigt. Im beweglichen Teil (Translator) befinden sich die elektrische Spule sowie die Permanentmagneten. Im Stator sind lediglich Pole aus Elektroblech verbaut, die den Rückschluss bilden. Auf der rechten Seite ist das Prinzip der Flusskonzentration skizziert. Der magnetische Fluss aus den Quer zum Luftspalt ange-ordneten Permanentmagneten wird in den Weicheisenelementen konzentriert.

Simulationen

Abbildung links: Simulationsergebnisse: Flussdichteverteilung bei unterschiedlichen Läuferstellungen - Abbildung Rechts: Matlab/Simulink-Modell der TFM

Beispielhaft werden hier links die Ergebnisse einer Finiten-Elemente-Simulation gezeigt. Rechts ist das Kernstück eines zweiphasigen Simulationsmodells unter MATLAB/Simulink abgebildet, welches eine extrem schnelle Simulation des gesamten Antriebssystems erlaubt.

Frequenzumrichter

Abbildung links: Dreilevel-Umrichter - Abbildung Rechts: Ströme und Spannungen im Dreilevel-Betrieb

Der energieversorgende Frequenzumrichter wurde als Dreilevel-Umrichter aufgebaut (Bild links), der es erlaubt, hochdynamisch Ströme einzuprägen (Bild rechts), wobei sowohl Schaltverluste wie auch elektromagnetische Störungen reduziert werden. Die Position wird über einen hochauflösenden Linearmaßstab der Firma Heidenhain erfasst. Die Strom-, Geschwindigkeits- und Positionsregelung läuft in einem Mikrorechner, der den Frequenzumrichter ansteuert.