Luftgelagerte Spindel mit aktivem magnetischem Aktuator

Abstract

Die Mikrosystemtechnik stellt hohe Anforderungen an die Fertigungsindustrie, insbesondere hinsichtlich der Realisierung kleiner Strukturen mit hoher Präzision und hoher Produktionsrate. Die Gewährleistung dieser Anforderungen erfordert präzise Komponenten, wobei insbesondere aerostatische Lager und mechatronische Elemente eine herausragende Rolle bei der Entwicklung hochpräziser Werkzeugmaschinenspindeln spielen. Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung von luftgelagerten Spindeln mit aktiven magnetischen Aktuatoren. Die präsentierten Methoden ermöglichen die Integration dieser Technologien in die Fertigungstechnik und bieten Einblicke in die Optimierung von Luftlagern, Rotorsystemen und Motoren mit Aktuatoren. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der Strömungsmechanik, Rotordynamik, Regelungstechnik und Messtechnik beleuchtet, die in vielfältigen Anwendungsbereichen von aktueller Relevanz sind. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung analytischer Modellierungsansätze zur Lösung komplexer Probleme. Ein weiterer bedeutender Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Bedeutung von Luftlagern und ihrem massgeblichen Einfluss auf die Stabilität und Leistung von Rotorsystemen. In diesem Kontext erfolgt die detaillierte Untersuchung des Verhaltens verschiedener Luftlagertypen mit speziellen Düsen und porösen Einlassbedingungen. Diese Untersuchungen werden anschliessend in einem analytischen Rotordynamikmodell analysiert, wobei Aspekte wie Wirbelbahnen, Steifigkeit, Dämpfung, Tragfähigkeiten sowie die Berücksichtigung von Unsicherheiten und Störgrössen eingehend betrachtet werden. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen als Grundlage für die Entwicklung einer neuartigen Spindel, die sowohl mit Luftlagern als auch mit einem aktiven magnetischen Aktuator ausgestattet ist. Der Spindelteststand spielt eine entscheidende Rolle bei der Evaluierung der luftgelagerten Spindeln mit aktiven magnetischen Aktuatoren. Das Ziel besteht darin, einen modularen Spindelteststand zu konzipieren, der die Bewegungen der Spindel sowie die auf sie wirkenden Kräfte und Beschleunigungen präzise messen kann. Ein wesentliches Merkmal dieses Teststands ist seine Modularität, die es ermöglicht, verschiedene Spindeltypen und verschiedene Messgeräte flexibel zu integrieren. Die gewonnenen Erkenntnisse aus den Teststandmessungen bilden die Grundlage für die Entwicklung und Optimierung dieser Technologie. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, eine neuartige Spindel zu untersuchen, die mit einem integrierten Motor und Aktuator im Kilowatt-Bereich für aktive Kompensation ausgestattet ist, in Verbindung mit Luftlagern. Ein derartiger Aktuator ähnelt in seiner Funktionsweise einer Tragwicklung im Stator und vermag es, als aktives Magnetlager in radialer Richtung für einen Motor mit Luftspaltwicklung zu fungieren. Der Aktuator und der Motor sind integriert und wirken über die gesamte aktive magnetische Länge von Rotor und Stator, was es ermöglicht, die biegekritische Drehzahl zu erhöhen. Die Realisierung luftgelagerter Spindeln mit aktiven magnetischen Aktuatoren wirft fundamentale Fragen auf, insbesondere im Hinblick auf ihren Einsatz in Grenzbereichen bei gleichzeitiger Gewährleistung hoher Präzision. Diese Spindeln, die gezielt auf funktionale Präzision optimiert sind, könnten die Grundlage für nachhaltige Fertigungswertschöpfungsketten bilden und vielseitige Anwendungen in der Präzisionsbearbeitung ermöglichen.