Potentiale der Leistungssteigerung von Flachspulantrieben in der Feinwerktechnik

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Potentiale der Leistungssteigerung von elektrodynamischen Flachspulantrieben durch Verbesserung des thermischen Teilsystems betrachtet. Zentrale Punkte sind dabei die Steigerungen von Wärmeübertragungsmechanismen innerhalb und außerhalb der Antriebsspule. Zur Steigerung der Wärmeübertragungsmechanismen innerhalb der Spulen wird eine Antriebsspule auf Leiterplattenbasis entwickelt. In einem automatisierten Dimensionierungsablauf werden dabei die geometrischen und elektrischen Parameter der Spule optimiert und das fertige Leiterplattenlayout erstellt. In Kombination mit der Fertigung von Leiterplatten ergeben sich daraus erhebliche Vorteile gegenüber konventionell gewickelten Spulen durch eine hohe reproduzierbare Qualität der Spule sowie durch kurze Durchlaufzeiten des gesamten Prozessablaufs. Im direkten Vergleich zur herkömmlich gewickelten Runddrahtspule kann mit der Leiterplattenspule der Kupferfüllfaktor erhöht und die Leistungsdichte gesteigert werden. In einem Testantrieb werden final beide Spulenarten messtechnisch untersucht und verglichen. Bei gleicher Spulentemperatur wird dabei ein 12,6 % höheres Kraftniveau mit der Leiterplattenspule erreicht. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass durch alternative Spulenarten nicht nur die Leistungsfähigkeit von Flachspulantrieben gesteigert, sondern auch der Prozessablauf, von der Auslegung bis zur fertigen Spule, deutlich verkürzt werden kann. Zur Steigerung der Wärmeübertragungsmechanismen außerhalb der Spule wird aufgrund des begrenzten Raumvolumens im Flachspulantrieb zunächst ein neuartiges reibungsloses Fächerkühlsystem entwickelt, optimiert und charakterisiert. Neben einem geringen Energieverbrauch und einem geräuschlosen Betrieb, zählen auch die gute Anpassungsfähigkeit an problemspezifische Kühlaufgaben zu den Vorteilen der Fächerkühlung gegenüber anderen Systemen. Experimentelle Untersuchungen an einem Flachspulantrieb zeigen, dass durch die Fächerkühlung die Spule im Antrieb effizient und effektiv, ohne Bildung von Hotspots, gekühlt wird. Mit einer Leistungsaufnahme der Fächerkühlung von 31 mW kann eine Steigerung des Kraftniveaus um 11 % erreicht werden. Für einen autonomen Betrieb des Fächers wird in einem weiteren Entwicklungsschritt Aktorik‚ Sensorik und Elektronik auf einer starrflexiblen Leiterplatte vereint, Durch die Energieversorgung des Moduls über eine USB-Schnittstelle ist der Fächer vielseitig einsetzbar.