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Magnetic Guidance for Linear Drives

Khong, Phong :
Magnetic Guidance for Linear Drives.
tuprints, Darmstadt, Germany
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Magnetic Guidance for Linear Drives
Language: English
Abstract:

Linear drives provide many new attractive solutions for the material transportation and processing in the manufacturing industry. With no mechanical transmission elements, they enable high dynamics and rigidity as well as low installation- and low maintenance-costs. That performance can give the linear motor system a better precision, a higher acceleration and a higher speed of the moving part. Therefore, the material transportation and processing using linear motors is studied and applied increasingly in manufacturing industry. For these applications, the linear motor is typically with stationary long primary and a short moving secondary. As the secondary part is passive, no energy transmission is required between the moving and stationary part, avoiding the use of brushes or inductive transmission. The motor type best suited for the mentioned applications is the synchronous one with permanent magnets, because of its higher efficiency, compactness, but most important because it allows a higher air-gap. In the usual approach, the linear motor is only used for thrust force production. The guidance is usually implemented by a mechanical assembly. The guidance constrains the movement to the longitudinal displacement, fixing the lateral and vertical displacement: yaw, roll and pitch. To achieve the necessary precision of the movement, accurate mechanical guidance is required. Such the mechanical assembly can be complex and source of high friction. In this dissertation, a research of an active guiding system is presented. The purpose of this research is finding out a solution for the material transportation and processing applications. The target is a linear drive system, which can reduce the complicated mechanical structure. In additions, the passive vehicle is also necessary. The result of the research is PM-synchronous linear motors with long and double-sided primaries. In the system, the lateral displacement and the yaw angle are controlled while a simple wheel-rail system fixes the vertical displacement. This combination of the magnetic and mechanical guidance offers a good trade-off among the complexity of the control, actuators and mechanics, when considering industrial applications. To allow multiple vehicles traveling simultaneously and independently on the guide-way (each vehicle is controlled by an individual part of the guide-way), the double side primary is separated into segments. With that structure, flexible-operating methods can be implemented. That is very useful in process-integrated material handling where different speeds of material carriers in each processing station are necessary. Another advantage of segmented structure is the energy saving. The power is supplied only to the segment or the two consecutive segments in which the vehicle runs over. In one segment, each side of the primary is supplied by its own inverter, allowing the necessary degree of freedom to control the lateral position and the yaw angle in addition to the thrust control. In order to make the vehicle completely passive, a capacitive sensor is proposed and implemented to measure the lateral position and the yaw angle. The sensor has active parts installed on the guide-way and passive parts on the vehicle. The mathematical analysis and the finite element method (FEM) are used to analysis the proposed system. With the analysed results, the control for the system is investigated in detail. Hardware and software for the experimental system is developed and implemented. The analysed results and the experimental results validate the proposed system. That gives a new solution for the material transportation and processing application using linear synchronous motors.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Zum Transport und zur Bearbeitung von Gegenständen in der Verarbeitungsindustrie bieten die Linear- Direktantriebe zunehmend interessante Lösungen. Unter Wegfall mechanischer Übertragungselemente ermöglichen sie hohe Dynamik und Steifigkeit sowie Verschleiß- und Wartungsarmut. Diese Eigenschaften ermöglichen den Linearmotor-Systemen eine höhere Genauigkeit, höhere Beschleunigung und eine höhere Geschwindigkeit der beweglichen Teile. Daher wird der Transport und die Bearbeitung mit Linearmotoren in der Verarbeitungsindustrie zunehmend erforscht und eingesetzt. Für diese Anwendungen werden normalerweise Linearmotoren mit langem stationären Primärteil und kurzem bewegenden Sekundärteil eingesetzt. Da der Sekundärteil passiv ist, wird keine Energieübertragung zwischen den beweglichen und stationären Teilen benötigt, und somit werden Bürsten oder induktive Übertragungssysteme vermieden. Der permanenterregte Synchronmotor ist der am besten passende Motortyp für die genannten Anwendungen, aufgrund seines höheren Wirkungsgrades und Leistungsdichte, aber vor allem weil er einen höheren Luftspalt ermöglicht. Üblicherweise wird der Linearmotor nur für Erzeugung der Schubkraft eingesetzt. Die Spurführung ist in der Regel durch eine mechanische Konstruktion realisiert. Die Spurführung beschränkt die Bewegung auf die Längsachse. Bewegung auf der Transversal- und Vertikalachse (Gieren, Rollen und Nicken) ist durch die Spurführung nicht möglich. Um die notwendige Präzision der Bewegung zu erreichen, werden hochgenaue mechanische Führungen eingesetzt. Solche mechanische Führungen sind aufwendig und verursachen höhere Reibung. Die Forschung eines aktiven Spurführungssystems wird in dieser Dissertation behandelt. Die Absicht dieser Forschung ist, Lösungen für Anwendungen des Materialtransports und Bearbeitung herauszufinden. Das Ziel ist ein Linearantrieb, der aufwendige mechanischer Strukturen vermeidet und dessen Fahrzeug passiv ist. Das Ergebnis der Studie ist ein PM-Synchron-Linearmotor mit langen und doppelseitigen Primärteilen. Die seitliche Bewegung und der Gierwinkel werden geregelt, während die vertikale Bewegung von einem einfachen Rad-Schiene-System fixiert wird. Diese Kombination von magnetischer und mechanischer Führung bietet einen guten Kompromiss zwischen der Komplexität der Regelung, des Aktuators und der Mechanik in dem Fall der industriellen Anwendungen. Um mehrere Fahrzeuge gleichzeitig und unabhängig auf dem Fahrweg führen zu können (jedes Fahrzeug wird durch einen individuellen Teil der Führung kontrolliert), ist der doppelseitige Primärteil in Segmente getrennt. Mit dieser Struktur können flexible Betriebsverfahren umgesetzt werden. Das ist sehr nützlich im integrierten Material-Handling, wo unterschiedliche Geschwindigkeiten des Materialträgers in jeder Bearbeitungsstation notwendig sind. Ein weiterer Vorteil der segmentierten Struktur ist die Energieeinsparung. Nur das Segment oder die zwei aufeinander folgenden Segmente die das Fahrzeug überfährt, werden gespeist. In einem Segment wird jede Seite des Primärteils von einem eigenen Wechselrichter versorgt, so dass der erforderliche Freiheitsgrad besteht, um die laterale Position, Gierwinkel und Schubkraft zu steuern. Um das Fahrzeug vollständig passiv zu machen wird ein kapazitiver Sensor zur Messung der lateralen Position und des Gierwinkels vorgeschlagen und umgesetzt. Der aktive Teil des Sensors wird am Führungsweg und der passive Teil am Fahrzeug installiert. Die mathematische Analyse und die Finite-Elemente-Methode (FEM) wurden verwendet um das vorgeschlagene System zu analysieren. Mit den analytischen Ergebnissen wurde die Regelung für das System im Detail untersucht. Hardware und Software für das experimentelle System wurde entwickelt und umgesetzt. Die analytischen und experimentellen Ergebnisse bestätigen das vorgeschlagene System. Das gibt neue Lösungen für die Anwendungen in Materialtransport und Verarbeitung bei Nutzung von Linear-Synchronmotoren.German
Place of Publication: Darmstadt, Germany
Publisher: tuprints
Collation: XVII, 145 p.
Uncontrolled Keywords: Magnetic guidance
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Linear synchronous motors, Magnetic bearings, Permanent magnet motors, Capacitive sensorEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Leistungselektronik und Antriebsregelung
Date Deposited: 20 Sep 2011 09:37
Last Modified: 07 Dec 2012 12:01
Related URLs:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27563
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Mutschler, Prof. Dr.- Peter and Pacas, Prof. Dr.- Mario
Refereed: 29 August 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2756
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