Integrierte Magnetmodule für die berührungslose Führung einer Vorschubachse mit Lineardirektantrieb

Elektromagnetische Lager besetzen einen stabilen Nischenmarkt, insbesondere für rotatorische Anwendungen mit hohen Drehgeschwindigkeiten und geringen dynamischen Belastungen in Spezialgebieten wie der Medizintechnik. Die Umsetzung von linearen Magnetführungen hat zu serienreifen Großanwendungen wie dem Transrapid geführt. Im Bereich der Vorschubachsen für Werkzeugmaschinen sind hierzu verschiedene Forschungsprojekte durchgeführt worden, deren prototypische Umsetzungen von Labormustern bis zu einer vollständigen Werkzeugmaschine reichen. Integrierte Magnetmodule für die berührungslose Führung einer Vorschubachse mit Lineardirektantrieb Diese Projekte beinhalten das Potential der Vereinfachung magnetischer Führungssysteme durch die Reduktion der Aktoranzahl und adaptierte Ansteuerungen. Dementsprechend erfolgt in der vorliegenden Arbeit die Konzeption und Auslegung eines bidirektionalen Elektromagnetaktors mit permanentmagnetischer Unterstützung. Die Geometrie und die magnetische Flussführung dieses integrierten Magnetmoduls ermöglichen die Halbierung der Aktoranzahl für eine vollständige Magnetführung. Seine Auslegung beinhaltet eine ausführliche Dimensionierung sowie eine Modellbildung im Zustandsraum und eine Verknüpfung mit einer PI-Zustandsregelung. In Verhaltenssimulationen wird eine methodische Reglerparametrierung durchgeführt und an einem Prüfstand mit einem isolierten Freiheitsgrad verifiziert. Aufbauend auf den integrierten Magnetmodulen wird eine Vorschubachse mit vollständiger Magnetführung konzipiert. Diese besitzt eine modulare Struktur und berücksichtigt die Anforderungen eisenbehafteter Linearmotoren als Vorschubantriebe. Die Zustandsregelung wird für die Vorschubachse zu einer entkoppelten Freiheitsgradregelung erweitert. Reale und simulationsbasierte Erweiterungen der Regelung dienen ihrer Optimierung in unterschiedlichen Betriebszuständen. Abschließend erfolgt die stufenweise Inbetriebnahme einer prototypischen Realisierung der Achse. Ohne Vorschubantriebe erreicht sie eine stabile stationäre Lagerung des Verfahrschlittens und manuell beschleunigte Verfahrbewegungen. Die Integration der Lineardirektantriebe entlastet die Tragmagnete, während die Lagerung in horizontaler Richtung verstärkt belastet wird. In dieser endgültigen Konfiguration der Achse wird das stationäre Verhalten erneut optimiert, motorische Verfahrbewegungen sind jedoch nur sehr eingeschränkt möglich. Die messbare dynamische Störsteifigkeit der Magnetführung zeigt deutliche Unterschiede in der Robustheit der Freiheitsgrade gegen Störungen.

Autorentext
Dr. Andreas Schmidt war Assistent am Lehrstuhl für Finanzierung von Prof. Dr. Wolfgang Bühler an der Universität Mannheim. Er ist derzeit als Risiko-Controller für die Dresdner Bank AG in Frankfurt am Main tätig.