Die Projektarbeit wurde im Rahmen des Masterstudiengangs Angewandte Forschung und Entwicklung in den Ingenieurwissenschaften an der TH Rosenheim erstellt und beschreibt ein neues Konzept zur wartungs- und verschleißfreien Integration eines elektrischen Linearantriebs in eine Mehrzylinder-Freikolben-Stirling-Kältemaschine vom Alpha-Typ.
Weiterhin wurde ein Modell entwickelt, das bei definiertem Spannungseingang die Strom- und Leistungsaufnahme sowie den Kolbenweg eines Moving Magnet Linearantriebs berechnet. Für das Modell wurden die Programme MATLAB/Simulink und FEMM 4.2 (Open Source) genutzt. Die Projektarbeit enthält die vollständigen Programmcodes sowie eine ausführliche Zeichnung des technischen Entwurfs.
Inhaltsverzeichnis
1 Motivation
2 Ziel des Projekts
3 Vorteile eines Linearantriebs
4 Anforderungen an den Linearantrieb
5 In Frage kommende Arten von Linearantrieben
5.1 Moving Coil Motor
5.2 Moving Magnet Motor
5.3 Moving Iron Motor
5.4 Auswahl einer geeigneten Antriebsart
6 Stand der Technik bezüglich der Integration des Linearantriebs
6.1 Mehrzylinder-Freikolben-Stirlingmotor der Firma Infinia
6.2 Patent der Firma Sunpower
7 Aufbau und Integration des geplanten neuen Linearantriebs
7.1 Beschreibung des neuen Antriebskonzepts
7.2 Realisierung der Wartungsfreiheit
7.3 Aufbau der Gaslagerung
7.4 Federung des Kolbens
8 Rechnerische Auslegung des Linearantrieb
8.1 Bisherige Arbeiten zur rechnerischen Auslegung eines elektrischen Linearantriebs
8.2 Weiterentwicklung des bisherigen Berechnungsmodells
8.2.1 Bestimmung der Kolbenmasse
8.2.2 Bestimmung der Dämpfungskonstante
8.2.3 Bestimmung der Federkonstante
8.2.4 Bestimmung der Motorkonstante
8.2.5 Bestimmung der Ummagnetisierungsverluste im Stator
8.2.6 Bestimmung von Induktivität und Widerstand
8.2.7 Diskussion der Ergebnisse des Berechnungsmodells
9 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Konzepts zur Integration eines effizienten elektrischen Linearantriebs in eine Freikolben-Stirling-Kältemaschine. Dabei soll ein wartungsfreier und verschleißfreier Betrieb durch eine optimierte mechanische Integration und ein neues Gaslagerungskonzept ermöglicht sowie ein mathematisches Berechnungsmodell zur Auslegung des Antriebs abgeleitet werden.
- Mechanische Integration eines elektrischen Linearantriebs in Freikolben-Stirling-Systeme
- Entwicklung wartungsfreier Gaslagerungs- und Federungsmechanismen
- Vergleichende Analyse verschiedener Linearantriebs-Technologien (Moving Coil, Moving Magnet, Moving Iron)
- Mathematische Modellierung und Simulation des elektrischen und mechanischen Systems mittels MATLAB und SIMULINK
- Evaluierung der Auswirkungen von Rastkräften und Ummagnetisierungsverlusten
Auszug aus dem Buch
8.2 Weiterentwicklung des bisherigen Berechnungsmodells
Nach einer Literaturrecherche wurde das Differentialgleichungssystem des bisherigen Berechnungsmodells in Anlehnung an Boldea [12] unter Verwendung einer Motorkonstante zunächst etwas umformuliert. Dadurch ergibt sich die Anregungskraft in der Gleichung für das mechanische System aus der Motorkonstante, multipliziert mit der Stromstärke. Diese Formulierung der Anregungskraft ist sehr ähnlich zur Formulierung des Motormoments bei Gleichstrommotoren, das sich aus einer (anders definierten) Motorkonstante, multipliziert mit der Stromstärke, ergibt.
Mechanische System: m_e * d^2x/dt^2 + b_e * dx/dt + k_e * x = k_m * i
Elektrisches System: k_m * dx/dt + R_e * i + L_e * di/dt = v
Motorkonstante: k_m = n * dΦ/dx = dΨ/dx
Zusammenfassung der Kapitel
1 Motivation: Einführung in die Thematik der Freikolben-Stirling-Technologie und Begründung der Notwendigkeit einer Weiterentwicklung hin zu elektrisch angetriebenen Systemen.
2 Ziel des Projekts: Definition der Forschungsziele, insbesondere die Entwicklung eines wartungsfreien Antriebskonzepts und eines Berechnungsmodells für den Linearantrieb.
3 Vorteile eines Linearantriebs: Erörterung der technischen Vorteile des Linearantriebs gegenüber konventionellen Kurbelwellenantrieben in Bezug auf Verschleiß und mechanische Belastung.
4 Anforderungen an den Linearantrieb: Zusammenstellung eines Anforderungsprofils an den elektrischen Antrieb hinsichtlich Wirkungsgrad, Bauweise und Dynamik.
5 In Frage kommende Arten von Linearantrieben: Analyse und Vergleich von Moving Coil, Moving Magnet und Moving Iron Motoren zur Auswahl der optimalen Antriebsart.
6 Stand der Technik bezüglich der Integration des Linearantriebs: Untersuchung bestehender Lösungsansätze von Firmen wie Infinia und Sunpower für die Integration von Linearantrieben.
7 Aufbau und Integration des geplanten neuen Linearantriebs: Detaillierte Vorstellung des neuen Konzeptansatzes zur Integration des Linearantriebs inklusive Gaslagerung und Federung.
8 Rechnerische Auslegung des Linearantrieb: Mathematische Herleitung und Simulation der Antriebsparameter unter Berücksichtigung mechanischer und elektrischer Verluste.
9 Zusammenfassung und Ausblick: Kritische Reflexion der Projektergebnisse und Aufzeigen von Potenzialen für zukünftige Arbeiten.
Schlüsselwörter
Freikolben-Stirling-Maschine, Linearantrieb, Moving Magnet Motor, Gaslagerung, Flexure Bearings, Stirling-Kältemaschine, Berechnungsmodell, Motorkonstante, Rastkraft, elektromagnetische Wandlung, Systemsimulation, Wartungsfreiheit, Differentialgleichung, Kopplungsmechanik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der konstruktiven Auslegung und der mathematischen Modellierung eines elektrischen Linearantriebs für eine Freikolben-Stirling-Kältemaschine, um diese effizienter und wartungsfreier zu machen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Mechanik und Magnettechnik von Linearantrieben, das Design von wartungsfreien Lagersystemen sowie die rechnerische Simulation der Dynamik mittels Differentialgleichungen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Erstellung eines Konzepts zur Integration eines elektrischen Linearantriebs in den Stirling-Prozess sowie die Herleitung eines Berechnungsmodells zur Bestimmung des Kraftverlaufs.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden Literaturanalysen, konstruktive Entwürfe (CAD) sowie rechnerische Simulationen unter Verwendung von MATLAB, SIMULINK und FEM-Software (FEMM) durchgeführt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden verschiedene Motorentypen verglichen, das neue Integrationskonzept inklusive Gaslagerung vorgestellt und eine detaillierte mathematische Analyse der elektrischen und mechanischen Parameter vorgenommen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Freikolben-Stirling-Maschine, Linearantrieb, Gaslagerung und elektromagnetische Systemsimulation charakterisiert.
Warum wird der "Moving Magnet Motor" bevorzugt?
Dieser Motortyp bietet einen hohen Wirkungsgrad und ermöglicht die Nutzung der Rastkraft als magnetische Feder, was ihn für die spezifischen Anforderungen der Stirling-Maschine besonders geeignet macht.
Welche Rolle spielt die Gaslagerung bei diesem Konzept?
Die Gaslagerung dient dazu, den mechanischen Kontakt zwischen den bewegten Teilen (Kolben) und dem Zylinder zu eliminieren, um somit einen verschleißfreien und wartungsfreien Dauerbetrieb zu gewährleisten.
- Citar trabajo
- Bruce Fischer (Autor), 2020, Auslegung eines elektrischen Linearantriebs für eine Freikolben-Stirling-Kältemaschine, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1031004
