A novel planar magnetic bearing and motor configuration applied in a positioning stage

Dit proefschrift beschrijft het ontwerp en de realisatie van een volledig contactloos magnetisch gelagerd positioneersysteem met een hoge nauwkeurigheid en met een lange slag in het vlak van werking. Dit positioneersysteem is het eerste in zijn soort dat geschikt is voor toepassing in een vacuüm omgeving. Van deze testopstelling worden eerst de achterliggende elektromechanische werkingsprincipes behandeld, gevolgd door de modelvorming en analyse, het ontwerp van de mechanica en de elektronica, de real-time regeling en de meetresultaten.
Dit onderzoek startte in 1995 met als doel: het verbeteren van de praktische toepasbaarheid van lineaire actieve magnetische lagering binnen het vakgebied van de precisie techniek.
Het startpunt van dit onderzoek was het resultaat van het promotieonderzoek dat Frank Auer bij de Sectie Micro-techniek aan de TU Delft uitvoerde in de periode 1990–1995. Dit onderzoek toonde aan dat het mogelijk is om actieve magnetische lagering en aandrijving te combineren in één element.
Allereerst werd een onderzoek gedaan naar de karakteristieke voor- en nadelen van magneetlagers in relatie tot de marktvraag nu en in de toekomst. Dit toonde aan dat magneetlagers, vanwege de hoge ontwikkelingskosten, het beste kunnen worden toegepast in veeleisende applicaties (zoals positioneersystemen met een hoge nauwkeurigheid en doorvoercapaciteit) o`f juist in consumententoepassingen (zoals harde schijven van personal computers). De voordelen van magneetlagers zijn de contactloze werking (geen slijtage, geen onderhoud nodig, geen wrijvings- en kleefkrachten) en de instelbaarheid van de positie, de stijfheid en de demping, hetgeen actieve trillingsisolatie mogelijk maakt. Nadelen die de toepassingmogelijkheden kunnen beperken zijn de beperkte dynamische stijfheid, de beperkte lager- en aandrijfkracht en de warmteontwikkeling van de spoelen.
Roterende magneetlagers zijn al jaren in de handel. Omdat deze actuatoren zelf uitontwikkeld raken, is de ontwikkeling daar gericht op geavanceerde regeling, betrouwbaarheid, bloksgewijze opbouw en kostenreductie. Lineaire magneetlageractuatoren daarentegen zijn nog volop in ontwikkeling.
Omdat dit onderzoek startte zonder een vastgestelde toepassing is een marktonder- zoek uitgevoerd dat resulteerde in de definitie van een ontwerpspecificatie. Vergeleken met het positioneersysteem zoals ontwikkeld door Auer, moest het prestatievermogen op de volgende punten worden verbeterd: de slag in het vlak van werking, de positioneernauwkeurigheid, de aandrijfkracht (en dus de versnelling). Daarnaast moet voor toepasbaarheid in vacuu ̈m de warmteontwikkeling worden verminderd en het liefste van het zwevende deel worden verwijderd. Deze verbeteringen kunnen alleen worden bereikt middels een volledig nieuw ontwerp van de elektromechanische actuator.
Na bestudering van de theorie ̈en van de elektromechanica en van de werkingsprincipes van bestaande elektromechanisch actuatoren in brede zin, is een lijst met wen- selijke eigenschappen opgesteld. Dit heeft geleid tot de volgende zes voorstellen, die als veelbelovend worden gezien voor het behalen van de bovengenoemde eisen:
1. Ontwikkelen van een ge ̈ıntegreerde Lorentzkrachtaandrijving met een reluctanctiekrachtlagering
2. Het benutten van de voortschrijdende ontwikkeling van zeldzame aarde per- manent magneten voor de magnetische voorspanning
3. Het toepassen van kruisende fluxgeleiders, waarmee een zijwaartse bewegingsvrijheid wordt gecre ̈eerd
4. Het toepassen van draadloze aandrijving van het zwevende juk, waarbij de warmteontwikkeling op het juk wordt vermeden en waardoor ook de bewegende voedingslijnen wegvallen
5. Het toepassen van ferromagnetisch draad voor de aandrijfspoelen, waarmee het aantal ampère-wikkelingen in de luchtspleet kan worden vergroot
Enkele van deze voorstellen zijn helemaal nieuw, terwijl andere wel bekend zijn in de vakliteratuur maar nieuw zijn in de voorgestelde manier van gecombineerd gebruik. Voor elk van deze voorstellen zijn experimentele demonstratiemodellen gemaakt waarmee de praktische haalbaarheid is beproefd. De eerste vier voorstellen zijn onderdeel van een nieuw, planair actief magnetisch gelagerd en aandreven, ge ̈ıntegreerd motor en lager concept, genaamd pamb. Hiervoor is een octrooi en een internationaal patent toegekend.
De basis-uitvoeringsvorm van het pamb concept kan twee tot vier vrijheidsgraden beheersen. Op basis hiervan kunnen diverse uitvoeringsvormen worden afgeleid, die een in principe ongelimiteerde translatie of hoekverdraaiing toelaten. Het nieuwe schuilt in het feit dat diverse aspecten zijn ge ̈ıntegrerd met als kenmerken:
• energiezuinige lagering op basis van reluctantiekrachten,
• voorspanning middels permanente magneten die zorgen voor een sterk veld en daarmee een hoge versnelling, waardoor ook een hoge resolutie van de positie wordt bereikt, dankzij een toegenomen corrigerend vermogen tegen verstoringen,
• lange, kruisende fluxgeleiders maken het mogelijk om over een groot bereik te positioneren, terwijl de vrijheid is geschapen voor een beweging met lange slag of een rotatie in de richtingen haaks er op,
• verzadiging van jukdelen vereenvoudigt het dimensioneren van de permanente magneten doordat deze geen fijnafstelling meer behoeven, terwijl een optimaal niveau van de voorspanning verzekerd is over het gehele positioneerbereik,
• directe aandrijving met Lorentz kracht waarbij de aandrijfspoelen niet gemonteerd zijn op het zwevende ijzeren deel maar op het vaststaande jukdeel, waar geleiding zorg draagt voor afdoende koeling,
• de eenvoudige vorm van de jukdelen maakt deze goedkoop te produceren
• ruimte voor vergroting van het planaire bereik zonder dat de haalbare versnelling wordt verminderd.
Van het pamb concept is een testopstelling gerealiseerd, waarmee de praktische uitvoerbaarheid is aangetoond. Met de opstelling worden zes graden van vrijheid actief geregeld. Verder vertoont de opstelling een robuust lagergedrag over de volle planaire slag, die 130 mm × 130 mm bedraagt. Hiermee is de werking van de nieuwe draadloze ‘moving iron’ aandrijving, met spoelen en magneten enkel op het vaste deel, bewezen. Daarmee zijn alle voordelen van het systeem van Auer behouden gebleven, terwijl de slag zestien keer is vergroot en de warmtedissipatie vanwege de lagering verminderd is van 84 W tot 0.8 mW. Daarnaast is de warmtedissipatie vanwege de aandrijving van het zwevende deel verwijderd. Momenteel wordt een versnelling van 0.2 g bereikt bij in totaal 200 W dissipatie in vier aandrijfspoelen op het vaststaande deel.
Hierbij dient te worden opgemerkt dat de huidige test opstelling niet geoptimaliseerd is voor een hoge versnelling. Wanneer als vervolg een productiemodel wordt ontwikkeld, kan de versnelling zeker vijfmaal worden verbeterd, doordat meer koperen wikkelingen in de luchtsleet kunnen worden geplaatst. Bovendien kan de warmtedissipatie een factor vijf worden verminderd middels commutatie van delen van de spoelen.
Omdat de karakteristieke versnelling die kan worden bereikt met de homopolaire vlakke-spoelaandrijving zoals deze momenteel is ge ̈ımplementeerd in de pamb testopstelling beperkt is, wordt aanbevolen om uitspringende polen op het vaste deel aan te brengen waardoor de aandrijfkracht kan worden verhoogd. Dit brengt wel de volgende nadelen met zich mee: krachtsrimpels worden ge ̈ıntroduceerd, productie- kosten worden vergroot en het opstarten wordt bemoeilijkt. Maar het voordeel blijft dat de maximale voorspanning van de magneetflux gegarandeerd is, die vervolgens benut wordt voor zowel de lagering alsook de aandrijving.
Op basis van de verkregen experimentele resultaten wordt geconcludeerd dat het samenvoegen van twee basis configuraties, zoals dit is gedaan voor de pamb testopstelling, leidt tot niet-lineaire mechanische en magnetische koppelingen. Deze bemoeizamen het verder verbeteren van de positieresolutie. Mede daarom wordt een alternatief actuatorontwerp voorgesteld dat kan dienen als bouwsteen voor contactloze positioneersystemen.
Het gepresenteerde werk laat het potentieel zien dat schuilt in het elektromechanische ontwerp van actuatoren, om compacte geintegreerde motor/lagers te realiseren voor lage kosten. Omdat het pamb actuator concept aan de eisen voldoet die worden gesteld door een aantal practische toepassingen, wordt aanbevolen om een vervolgonderzoek te starten, waarbij de ontwikkeling van een hierop aansluitende oplossing ten doel moet worden gesteld. Hiervoor is een lijst met mogelijke verbeteringen voorgesteld, waarvan de meeste samenkomen in het bovengenoemde actuatorontwerp van een alternatieve motor/lager configuratie voor planaire slag.