Theorie, Entwicklung und experimenteller Funktionsnachweis eines lagerlosen reluktanten Rotations-Linear-Motors

Der lagerlose reluktante Rotations-Linear-Motor (BRLRM) ermöglicht die aktive Kontrolle eines schwebenden ferromagnetischen Rotors in allen 6 Bewegungs-Freiheitsgraden. Durch eine zweidimensionale Rotorverzahnung sind axiale Verschiebungen und Verdrehungen über beliebig lange Verfahrwege möglich. Es lassen sich zwei Verzahnungsarten unterscheiden, deren Krafterzeugung theoretisch modelliert und analysiert wird. Für eine Grundbauform aus zwei Statoren, deren gegenüberliegende Pole gleichartigen Versatz zur Rotorverzahnung aufweisen, erfolgt für beide Verzahnungsarten der Nachweis der Steuerbarkeit. Für den jeweiligen Fall ist eine Mindestanzahl an Polpaaren nötig. Die Versetzungen der Verzahnungen müssen Steuerbarkeitsbedingungen erfüllen. Die optimalen Versetzungsanordnungen, welche diese erfüllen, werden mit Hilfe eines speziell entwickelten Algorithmus ermittelt. Für ausgewählte Motorbauformen erfolgt eine Analyse der theoretisch erreichbaren Gesamtkräfte des Motors. Der Betrieb des BRLRM erfordert ein 6-Achs-Lagemesssystem, wofür eine differenzielle kapazitive Sensoranordnung und Auswerteelektronik entwickelt werden. Ein messtechnischer Nachweis zeigt, dass damit eine wirksame Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen möglich ist. Für die Lageregelung wird eine einfache Struktur vorgestellt sowie ein effizienter Algorithmus zur Ermittlung der Sollströme entwickelt. Zu einer ausgewählten Motorbauform wird ein Versuchsstand entwickelt und aufgebaut. Durch analytische Betrachtungen, numerische Simulationen und Messungen erfolgt der Nachweis der Stabilität des Gesamtsystems. Mittels Simulationen sowie mit Messungen am Versuchsaufbau werden das dynamische Verhalten des BRLRM charakterisiert sowie einige theoretische Aspekte verifiziert. Ein Schwerpunkt ist die Betrachtung von Verkopplungseffekten aufgrund von Nichtlinearitäten und parasitären Effekten des Lagemesssystems.The bearingless rotary linear reluctance motor (BRLRM) enables active control of a levitating ferromagnetic rotor in all 6 degrees of freedom of movement. Two-dimensional rotor toothing allows axial translation and rotation over any length of travel. Two types of toothing can be distinguished, and their force generation is theoretically modelled and analysed. For a basic design consisting of two stators, where the opposite poles have the same offset with respect to the rotor toothing, the controllability is verified for both types of toothing. A minimum number of pole pairs is required for each case. The offsets of the toothings must fulfil controllability conditions. The optimal offset arrangements that fulfil these conditions are determined using a specially developed algorithm. For several motor designs, an analysis of the theoretically achievable total forces of the motor is carried out. The operation of the BRLRM requires a 6-axis position measurement system, for which a differential capacitive sensor configuration and evaluation electronics are developed. A metrological proof shows that an effective suppression of electromagnetic disturbances is achieved. A simplified structure is presented for the position control and an efficient algorithm is developed for determining the setpoint currents. An experimental setup is constructed and built for a selected motor design. Analytical considerations, numerical simulations as well as measurements are used to prove the stability of the overall system. The dynamic behaviour of the BRLRM is characterised and some theoretical aspects are verified using simulations and measurements on the experimental setup. One focus is on the consideration of coupling effects due to non-linearities and parasitic effects of the position measurement system