Entwicklung von Methoden und Technologien zur automatisierten Handhabung und Montage angeregter, hochenergetischer Dauermagnete
Final Report Abstract
Die übergreifende Zielsetzung des Projekts liegt in der Schaffung der wissenschaftlichen Grundlagen zur automatisierten Montage magnettsierter Komponenten. Durch die anstehende Wandlung der Mobilität weg von fossilen Brennstoffen hin zu innovativen elektrischen Antnebstechnologien gewinnt die Verarbeitung aller zur Herstellung von elektrischen Maschinen notwendigen Werkstoffe zunehmend Bedeutung in der Industrie. Die besondere Herausforderung gegenüber der Handhabung und Montage unmagnetisierter Komponenten stellt hier die sichere Beherrschung der starken magnetischen Felder und der daraus resultierenden, extrem hohen volumenbezogenen Magnetkräfte dar. Für die Herstellung von Dauermagnetarrays für oberflächenbestückte (surface mounted permanent magnets, SPM), also die lückenlose Anordnung vieler magnetisierter Einzelmagnetkörper mit einheitlicher Magnetfeldorientierung auf einem Grundkörper aus einem weichmagnetischen Material konnten neue Erkenntnisse zur Prozessführung beim Bestückprozess gewonnen werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Simulationsläufe mit Finite Elemente Programmen für unterschiedliche Bestücksituationen bei der Fertigung von Magnetarrays erstellt, aus deren Ergebnissen nachgewiesen werden konnte, dass eine Anpassung der Bestückstrategie sowie eine konstruktive Anpassung der Magnetgeometrie zu einer deuttichen Redukfion der transversalen Magnetkräfte führt. Daraus konnten direkte Handlungsempfehlungen zur Ermittlung der optimalen Bestückstrategie in der Rotorfertigung zusammengestellt werden. Wesentliche Einflussfaktoren auf die erreichbare Reibkraft sind die Rauigkeit der Kontaktflächen von Magnet und Grundkörper sowie der zugehörige Reibwert. In Abzugsversuchen konnte hierbei direkte Einfluss der Oberflächenrauhigkeit bestimmt werden. Während die Rauhigkeit in erster Linie die magnetische Haftkraft beeinflusst, wirkt sich der vorhandene Reibwert direkt auf die verfügbare Reibkraft aus. Einen weiteren wichtigen Prozessparameter stellt die Geometrie des Magnetkörpers selbst dar. Hier konnten die gewünschte radiale Anzugkraft auf das Blechpaket in Abhängigkeit der Magnetgeometrie gesetzt und ebenfalls für unterschiedliche Bestückfälle simuliert werden. Aus den Ergebnissen lassen sich direkt Folgerungen für die konstruktive Auslegung eines Läuferpoles ausleiten. Um die hochkoerzitiven Magnetkörper sicher handhaben zu können, wurden unterschiedliche Greifkonzepte untersucht und aufgebaut. Neben der Weiterentwicklung des am Lehrstuhl bereits vorhandenen pneumatischen Monopolgreifers zu einer elektrisch getriebenen Version konnte ein mechanischer Greifer aufgebaut werden, der in Testversuchen passiv die Magnetkörper sicher bestücken konnte. Schließlich wurde mit dem „Elmag" ein elektromagnetisches Greifsystem aufgebaut, bei dem das magnetische Kraftfeld zum Halten bzw. Abstoßen des Magnetkörpers durch eine Erregerspule realisiert wurde. Um das Greifsystem regelbar ansteuern zu können wurde der mechanische Aufbau des Greifers um eine Steuerungskomponente ergänzt, mit der der Greifer flexibel angeregt werden kann. Auch für die Vereinzelung der Magnetkörper wurde eine Separierlösung entwickelt, mit der es möglich ist, einzelne Magnete aus dem Stapelverbund kontrolliert zu vereinzeln und für den Prozess vorzubereiten. Um die Funkfionsfähigkeit der entwickelten und aufgebauten Forschungsergebnisse wissenschaftlich abzusichern, wurden zwei Referenzbestückprozesses zur automatisierten Bestückung von Dauermagnetarrays realisiert. Mit einem SCARA Handhabungsgerät konnte zum einen eine Bestücklösung für kleine Läufer aufgebaut werden, bei der die Magnete mittels Abstreifprozess abgelegt werden können. Anhand eines am Lehrstuhl vorhandenen größeren Linearportals konnte des Weiteren die Integration der Magnetvereinzelung und des elektromagnetischen Greifers aufgebaut und erfolgreich aufgezeigt werden. Für die Gestaltung magnetischer Arrays konnten darüber hinaus Empfehlungen für die Dimensionierung der Magnetkörper erstellt werden. Auf Basis dieser Gestaltungsrichtlinien ist es möglich, neben der Sicherstellung der elektrischen Funktion auch die Anforderungen der Fertigungstechnologie zu berücksichtigen. Die bisherigen Arbeiten im Verlauf dieses Projektes haben an verschiedenen Stellen weiteren Forschungsbedarf aufgezeigt. Zum einen sind bislang keine ausreichenden Handhabungsansätze für Rotoren mit innenliegenden Permanentmagneten (IPM - „innenliegende Permanentmagnete") bekannt, die zunehmend anstelle von oberflächenmontierten Typen Anwendung finden. Zum anderen müssen die bestückten Magnetkörper fixiert werden, um eine prozess- und lebensdauersichere Verbindung des kostenintensiven Magnetkörpers mit dem Magnetträger in rotativer oder linearer Form zu gewährleisten. In Zukunft sollen deshalb solche Handhabungsansätze für IPM Anwendungen sowie geeignete Fixiermechanismen weiter entwickelt und implementiert werden. Ebenso komplex ist die Einbeziehung der Magnetfeldsimulation zur Findung geeigneter Bestücksequenzen. Hierfür sind geeignete Ansätze zur Umsetzung geeigneter Greif- und Bestückmethodiken für IPM Maschinen zu entwickeln.
Publications
- „Prozesse und Technologien für die Magnetmontage", In: Wt-Werkstatttechnik online 09/2007, Seite 638-643, Springer, 2007
Feldmann, K.; Junker, S.
- „Technologien und Systemlösungen für die flexibel automatisierte Bestückung permanent erregter Läufer mit oberflächenmontierten Dauermagneten", Dissertation, Meisenbach Verlag Bamberg, 2007
Junker, S.
- „Automatisierte Handhabung und Montage von vormagnetisierten Permanentmagneten in der PM-Rotorproduktion", In: Tagungsband ASB Kongress Stuttgart, 2008
Feldmann, K.; Junker, S.; Tremel, J.
- "Handling And Assembly Methods For High Coercive Permanent Magnet Materials", In: Tagungsband CWIEME Inducfica Berlin, 2010
Franke, J.; Tremel, J.
