Entwurf von magnetischen Mini- und Mikroaktoren mit stark nichtlinearem Magnetkreis

Abstract This thesis describes the design process of mechatronic systems based on the VDI guideline 2206. The specifics of the micromechatronic design process are repesented under functional and geometrical aspects. In addition to the VDI 2206 universal design rules, guidelines, and principles for the micro range are derivated. Compared to electrostatic actuators magnetic actuators are not often used. In order to make magnetic actuators reluctance smaller in scale, scaling regulations are derivated. Partielly, magnetic mini- and microactuators have larger forces considering larger displacements compared to electrostatic and piezoelectric microactuators. Furthermore the topic of this thesis are the analysis of various basic shapes of magnetic circuits, for example lifting magnet and folding armarture magnet and the assessment on the basic of calculated caracteristic lines. The calculation of ideal geometrical dimensions with and without limited space shows strong differences of magnetic work in dependence on the basic shapes of magnetic circuits and current density. In this connection, the controllability of magnetic motive force is analysed for magnetic actuators with reluctance principle. In particular, resonant drive systems are obtained for the realization of low- energy, fast, and small drives. The design of those systems is described and an example for electromagnetical acting of motor exhaust valves is explained. Furthermore, a sensorless procedure to determinate the position of an electromagnetic armature with the use of input current and input voltage is introduced.Die vorliegende Arbeit stellt eine Erweiterung der Entwurfsmethodik für mechatronische Systeme nach der VDI-Richtlinie 2206 für mikromechatronische Systeme dar. Die Spezifika des mikromechatronischen Entwurfs werden unter funktionellen und geometrisch-stofflichen Aspekten betrachtet und bewertet. In Ergänzung zur VDI 2206 werden außerdem allgemeine Konstruktionsrichtlinien und Konstruktionsprinzipien für den Entwurfsprozess von Mikroaktoren dargelegt. Magnetische Aktoren weisen ein großes Einsatzpotential im Mikrobereich auf. Sie werden bisher im Vergleich zu elektrostatischen Aktoren jedoch nur wenig eingesetzt. Wie anhand von Ähnlichkeitsgesetzen für die Verkleinerung magnetischer Aktoren nach dem Reluktanzprinzip gezeigt wird, weisen sie im Mini- und Mikrobereich teilweise größere Stellkräfte bei größeren Hüben auf als vergleichsweise elektrostatische und piezoelektrische Mikroaktoren, wenn sie optimal ausgesteuert werden. Gegenstand der Arbeit ist weiterhin die Untersuchung verschiedener Magnetkreisgrundformen von neutralen und polarisierten Hub- und Klappankermagneten und deren Bewertung anhand von berechneten charakteristischen Kennlinien. Die Berechnung der optimalen Hauptabmessungen acht verschiedener Magnetkreisgrundformen mit und ohne Bauraumbeschränkungen zeigt die starken Unterschiede antriebstechnischer Eigenschaften (Magnetarbeit, Bauvolumen, maximaler Hub) in Abhängigkeit von der Magnetkreisgrundform und der Stromdichte. In diesem Zusammenhang wird die Durchflutungssteuerbarkeit von Magnetaktoren definiert, die für die Bewertung von magnetischen Aktoren und die Integration in mechatronische Systeme wichtig ist. Resonante Antriebssysteme sind im besonderen Maße für die Entwicklung von verlustarmen, schnellen und kleinen Aktorsystemen geeignet. In der Arbeit wird auf den Entwurf eines derartigen Systems eingegangen und anhand eines Miniaktors für Gaswechselventile gezeigt, dass die Grenze der Schnellwirkung bei Nutzung dieses Wirkprinzips in den Bereich kürzerer Schaltzeiten verschoben werden kann. Ein besonders interessanter Aspekt für die Integration mechatronischer Systeme ist die Reduzierung der Hardwarekomplexität. Es wird ein neuartiges Verfahren zur sensorlosen Positionsbestimmung von Magnetankern vorgeschlagen, das auch für stark nichtlineare Magnetkreise geeignet ist. Durch Simulation wird der Funktionsnachweis erbracht