Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1673
Main Title: Elektromagnetische Wandler für miniaturisierte Systeme
Translated Title: Electromagnetic Converters for Miniaturized Systems
Author(s): Hinrichs, Malte
Advisor(s): Lehr, Heinz
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit erläutert das Vorgehen bei der Entwicklung und Optimierung mini¬aturisierter elektromagnetischer Wandler anhand von drei Beispielen. Einleitend werden unterschiedliche Wandlerprinzipien vorgestellt und im Hinblick auf ihre Eignung zur Miniaturisierung untersucht sowie untereinander verglichen. Dabei zeigt sich, dass sich elektromagnetische Wandler besonders gut zur Miniaturisierung eignen, da sie zum Einen einfach aufgebaut sind und zum Anderen hartmagnetische Materialien mit hoher Energiedichte wie NdFeB sowie hochsättigende Weicheisen wie CoFe zur Verfügung stehen. Darüber hinaus lassen sich die einzelnen Komponenten selbst bei Abmessungen von nur wenigen Millime¬tern mit konventionellen Fertigungsverfahren herstellen, wodurch sie sich in jeder Stückzahlen wirtschaftlich fertigen lassen. Die nachfolgenden Ausführungen zu den physikalischen Grundlagen elektromagnetischer Systeme beschäftigen sich intensiv mit den Besonderheiten miniaturisierter Wandler, wo¬bei sich zeigt, dass makroskopisch bewährte Konstruktionsprinzipien selten skalierbar sind. Die verschiedenen Aspekte bei der Entwicklung werden dann am Beispiel dreier miniaturisierter elektromagnetischer Systeme dargestellt, die jeweils für einen spezifischen Anwendungszweck optimiert wurden. Das erste Anwendungsbeispiel behandelt die Entwicklung eines hochdynamischen Stech¬aktors zur Blutgewinnung an der Fingerbeere. Bei einem Nadelhub von 2 mm beträgt des¬sen Stechzeit weniger als 3 ms und erreicht damit die Dynamik der heutigen mechani¬schen Stechhilfen. Zusätzlich bietet er den Vorteil, dass er direkt in ein Blutzuckermessge¬rät integrierbar ist und über einen aufladbaren Energiespeicher betrieben werden kann. Im nächsten Beispiel wird ein miniaturisierter Klauenpolgenerator hoher Leistungsdichte zur Integration in zahnmedizinische Handstücke mit Turbinenantrieb vorgestellt. Damit lässt sich auch bei Systemen, die über keinen elektrischen Anschluss verfügen, der Be¬trieb einer LED zur Beleuchtung des Behandlungsgebiets realisieren. Da der Drehzahlbe¬reich von 8.000 bis 50.000 U/min reicht, wurde die Generatorinduktivität so ausgelegt, dass die Abgabeleistung bei hohen Drehzahlen den Grenzdaten der LED entspricht. Der dritte miniaturisierte Wandler ist ein permanentmagnetisch erregter zweiphasiger Syn¬chronmotor mit Außenläufer, dessen Stator ein großes Innenlumen aufweist. Dieser Mo¬tor wurde zur Integration in ein technisches Endoskop mit rotierender Seitenblickoptik für die Inspektion von Rohrleitungen entwickelt. Der Innendurchmesser beträgt 5,5 mm, so dass sich eine Miniaturkamera mit umgebenden Glasfasern zur Lichtleitung unterbringen lässt. Bei einem Außendurchmesser von 10,5 mm und einer Länge des Magnetsystems von 14 mm ist bei 0,4 W Verlustleistung ein Drehmoment von bis zu 1 mNm erreichbar. Jeder der vorgestellten elektromagnetischen Wandler kann als Orientierungsbeispiel für ähnliche Anwendungsfelder dienen, wobei die werkstofftechnischen und konstruktiven Dis¬kussionen jeweils beispielhaft die Besonderheiten miniaturisierter Wandler aufzeigen. An¬hand des Aufbaus der Aktoren wird deutlich, dass relativ einfache Fertigungsverfahren ausreichen, um sie kostengünstig in beliebiger Stückzahl herzustellen.
This study illustrates the development and optimisation of miniaturized electromagnetic converters on the basis of three examples. Firstly, different principles of conversion are presented and their suitability for miniaturisation is investigated and compared. It is shown that electromagnetic transducers are particularly well suited for miniaturization, since on the one hand they exhibit a simple structure and on the other hand, hardmagnetic materials with high power density such as NdFeB as well as high-saturating soft irons such as CoFe are available. Furthermore, the individual components themselves can be manufactured with dimensions in the millimetre range using conventional manufacturing methods, allowing for cost-efficient production in any quantity. The remarks that follow on the physical fundamentals of electromagnetic systems focus on the characteristics of miniaturized converters, showing that construction principles, established for macroscopic systems, are rarely scalable. Different aspects of the development are then illustrated using the examples of three miniaturized electromagnetic systems, each of which has been optimised for a specific application. The first example treats the design of a high-dynamic actuator for puncturing the finger pad for the purpose of blood sampling. With a lancet stroke of 2 mm, its time of motion is shorter than 3 ms, reaching the dynamics of the today's mechanical lancing devices. Its advantage over these devices is that it can be integrated directly into a portable glucose meter, operating on its rechargeable energy storage. In the next example a miniaturized claw pole generator of high power density for integration into turbine driven dental handpieces is presented. This generator allows for LED lighting of the treatment area in systems without an electrical power supply. Since the rotational speed ranges from 8,000 rpm up to 50,000 rpm, the generator’s inductance was laid out to limit the power output at high numbers of revolutions to meet the maximum ratings of the LED. The third miniaturized converter is a permanent magnet two-phase synchronous motor with external rotor. Its stator exhibits a large interior lumen. This motor was developed for integration into a technical endoscope with a rotating side-view lens for the inspection of pipes. The internal stator diameter amounts to 5.5 mm, allowing for the integration of a miniaturised camera and light fibres. With an outside diameter of 10.5 mm and a length of the magnetic system of 14 mm, a torque of up to 1 mNm is attainable at an energy dissipation of 0.4 W. Each of the electromagnetic converters presented can serve as a guideline for similar applications. The discussion of their mechanical design and material choice exhibit the special characteristics of miniaturized converters. All three designs demonstrate that relatively simple manufacturing methods suffice for cost-efficient production in any quantity.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-16379
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1970
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1673
Exam Date: 13-Jul-2007
Issue Date: 3-Sep-2007
Date Available: 3-Sep-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Außenläufermotor
Klauenpolgenerator
Lanzettenantrieb
Miniaturantrieb
Synchronmotor
Claw pole generator
External rotor motor
Lancet drive
Mini-drive
Synchronous motor
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