Auslegungskriterien hochdynamischer Linearmaschinen für alternierende Bewegungen

Abstract

Bei der Auslegung von elektrischen Linearmaschinen kann es eine Herausforderung sein, einen genauen Arbeitspunkt zu definieren, für den die Maschine optimiert werden soll. Vor allem bei Linearaktuatoren mit hochdynamischen Bewegungsverläufen ist es nicht möglich, einen stationären Betriebspunkt für die Optimierung festzulegen, wie es bei konventionellen Auslegungsmethoden etabliert ist. Mit dieser Problemstellung befasst sich die vorliegende Arbeit. Vor dem Hintergrund der Maximierung der Energieeffizienz eines Antriebssystems für periodische Bewegungen wurde dessen Verhalten analytisch Beschrieben und charakteristische Eigenschaften und Zusammenhänge herausgearbeitet. Basierend auf den dabei gefundenen Auslegungskriterien ist ein Optimierungsablauf entwickelt worden, der zum Design einer elektrischen Maschine für einen Freikolbenlineargenerator eingesetzt wurde. Anhand von experimentellen Messungen an dem konstruierten Prototyp konnten die Simulationsschritte verifiziert und die Wirksamkeit der Auslegungskriterien unter Beweis gestellt werden. Damit erreichte diese Forschungsarbeit das Ziel, eine Auslegungsmethodik für elektrische Linearmaschinen zu entwickeln, die ausschlaggebenden allgemeinen Charakteristiken sowohl der Maschine als auch von dynamischen Belastungsverläufen herauszuarbeiten und eine Validierung durchzuführen. Diese Herangehensweise für die Optimierung von Antrieben mit periodischen Bewegungszyklen kann neben den erwähnten Freikolbenmaschinen in anderen direkt angetriebenen Systemen wie Pumpen, Kompressoren oder Wellenkraftwerken Anwendung finden.

When designing electrical linear machines, it can be a challenge to define an exact operating point for which the machine is to be optimized. Especially for linear actuators with highly dynamic motion profiles, it is not possible to define a steady-state operating point for optimization, as is done in conventional design methods. This problem is addressed in the present work. With the priority on maximizing the energy efficiency of a drive system for periodic movements, its behavior was described analytically and characteristic properties and relationships were established. Based on the design criteria found in the process, an optimization procedure was developed which was used to design an electric machine for a free-piston linear generator. Experimental measurements on the designed prototype were used to verify the simulation steps and to prove the effectiveness of the design criteria. Thus, this research achieved the goal of developing a design methodology for electrical linear machines, elaborating characteristic criteria and performing a validation in order to present an approach for the optimization of drive systems with highly dynamic, periodic motion cycles.