Lineaire synchroon actuator met geïntegreerde contactloze energieoverdracht (EMVT 06220)

Lineaire synchroon actuator met geïntegreerde contactloze energieoverdracht (EMVT 06220)

Contactloze energieoverdracht voor lineaire synchrone actuatoren
Voor zeer nauwkeurige bewegingen zijn bekabelde actuatoren in de industrie minder geschikt. Aan de TU/e wordt gewerkt aan een verdere verbetering van contactloze energieoverdrachtsystemen. Een zeer complexe ontwikkeling.

De contactloze energieoverdrachtsystemen (CETS) vinden steeds meer een plaats in de industrie. Contactloos werkend, een vereenvoudigd ontwerp en vermindering van complexe bedrading, wordt steeds belangrijker voor machines die zeer nauwkeurig werk moeten uitvoeren. Actuatoren die 24/7 in bedrijf zijn, zijn geen uitzondering. De enige bestaande, algemeen toepasbare en betrouwbare alternatieve voedingen voor deze toepassingen zijn gebaseerd op magnetische koppeling. In het afgelopen decennium zijn magnetische CETS diepgaand onderzocht en ontwikkeld, en veel apparaten maken inmiddels gebruik van deze technologie.

Integratie
CETS zijn gebaseerd op de primaire wikkeling van de trafo, met een secundaire wikkeling geplaatst op een open-end core die rond de primaire geleiders zit, waardoor een relatieve beweging mogelijk is. Dit heeft tot gevolg dat koppeling vanwege de luchtspleet kleiner wordt, waardoor de magnetisatie inductie afneemt. Om hoge magnetisatie-stromen te voorkomen wordt een hoge frequentie gebruikt. Tevens wordt de lekinductie gecompenseerd met een condensator om het rendement te verbeteren. Onlangs zijn deze CETS gekoppeld aan een lineaire servomachine voor de energievoorziening van de translator. Dit verhoogt het aantal componenten aanzienlijk en de complexiteit van de lineaire actuator, tevens beperkt dit de vermogensdichtheid drastisch. Daarom was een volledige heroverweging van het ontwerp van de lineaire actuator nodig om beide functies te kunnen integreren.

De technische doelstelling van dit project is een breed opgezette, generieke studie van verschillende bestaande en nieuwe topologieën, voor geïntegreerde lineaire actuatie en een CETS. Het fundamentele technische werk zal afnemen wanneer de bestaande technologiebarrières en omslagpunten van de multifunctionele geïntegreerde ontwerpen bekend zijn. Dit zal het begrip van de beperkingen van de elektromagnetische actuatoren van de haalbare vermogensdichtheid en kritische integratievraagstukken vergroten. Deze worden geïllustreerd door een gedetailleerde studie en een prototype van een geïntegreerde aandrijving.

Contactloos
Lineaire actuatortoepassingen vereisen vele kW’s aan energie, die contactloos kunnen worden overgedragen via een kleine luchtspleet. Hoe groter de nabijheid, hoe groter de koppelwaarde. Voor veel lineaire actuatortoepassingen is een groot aantal kabels van zeer hoge kwaliteit nodig, evenals geavanceerde mechanische oplossingen. Een contactloze voeding brengt de energie over op de bewegende translator, zonder dat enige bekabeling of elektrische verbinding nodig is. Hogere vermogensniveaus kunnen worden bereikt door middel van magnetisch kernmateriaal, dat kan worden gedeeld met het belangrijkste actuatormateriaal, om zo de koppeling te verbeteren.

Dit onderzoek is specifiek gericht op de integratie van een borstelloze lineaire ijzerkern, driefasen permanente magneetactuator. De statorspoelen, het gelamineerde ijzer en een permanent magnetische geometrische plaatsing worden gebruikt als variabelen.

Lineaire machine
Professor Elena Lomonova is coördinator van dit EMVT-project en zij licht de complexiteit ervan toe: “Een lineaire machine ontwerpen is lastig. In de boeken hierover staat dat als je een roterende machine ‘uitrolt’, er in feite een lineaire machine is. Een foute veronderstelling. Fysisch gezien krijg je met dezelfde fenomenen te maken, maar het zijn twee verschillende werelden. Een roterende machine maakt gebruik van een zeer kleine luchtspleet voor de energieoverdracht, dat lukt je niet zomaar bij een lineaire machine. Een grotere luchtspleet zal de efficiëntie echter onderuit halen. Erg lastig is dat er in principe geen goede analytische tools beschikbaar zijn voor het ontwerpen van een lineaire machine. Die is zeer complex en je moet rekening houden met veel zaken, zoals de gravitatiekracht, de frictiekracht die moet worden gecompenseerd en de richtingskracht. Voeg daarbij dat er geen duidelijke definitie van de grenzen is vanuit het oogpunt van de elektromagnetische fenomenen, plus de complexiteit van draadloze energieoverdracht, en dan wordt het echt ingewikkeld.” In figuur 1 wordt een impressie van een geïntegreerde oplossing in een tubulaire lineaire motor gegeven.

Onbekend
Lomonova en promovendus Krop hebben hier voor het eerst proeven mee gedaan, maar dan met een externe spoel, separaat van de lineaire machine. De volgende stap is de integratie van beiden en nu wordt gekeken naar de mogelijke topologieën voor de fabricage van een prototype. “We hebben testen uitgevoerd aan de machine- en vermogenselektronica. Er zijn gewoon veel fundamentele, technologische en integratie-uitdagingen”, aldus Lomonova, “maar het concept is er nu, evenals de tools voor de beschrijving van dit soort apparaten. Het komen tot een structuur, de discrete gedeelten, de fysieke fenomenen die optreden bij de overdracht van energie en beweging, en het testen op elektromagnetische velden, gaven de filosofie voor het oplossen van het probleem van integratie. Resultaat is de hoge koppelingscoëfficiënt van 85% voor de energieoverdracht. Het grootste probleem waren de compleet onbekende elektromagnetische fenomenen. Door de integratie krijg je dat velden elkaar beïnvloeden. Door de dubbelfunctie van de lineaire machine op het gebied van warmteontwikkeling en vermogen krijg je te maken met geheel andere frequentieafhankelijke inducties. Door die dubbelfunctie is de machine dynamisch in zichzelf.”

Lomonova is ervan overtuigd dat de lineaire synchrone actuator met contactloze energieoverdracht zware indruk zal maken op de industrie. “Overal waar zeer hoge precisie nodig is kunnen deze machines worden toegepast”, geeft Lomonova trots aan, “uiteindelijk moeten deze lineaire machines hun weg vinden in onder meer pick&place-machines, lanceersystemen, de medische sector en in robotica.”

Uitvoerders
Prof.dr. E.A. Lomonova
Dr.ir.J.W. Jansen
Ir. D.C.J. Krop

Onderzoeksperiode
2007-2011