Elektromagnetische Mikroaktoren - Konzepte, Herstellung, Charakterisierung und Anwendungen

Waldschik, Andreas

Die Schwerpunkte dieser Arbeit liegen in der Entwicklung von elektromagnetischen Mikroaktoren bzw. -motoren, in der Integration von speziellen Funktionskomponenten sowie in der Fertigung der Systeme mittels mikrotechnischer Fertigungsverfahren. Im Bereich dieser elektromagnetischen Antriebe werden sowohl elektro-magneto-mechanische als auch elektrodynamische Mikroaktoren vorgestellt. Während bei Ersteren die Kraft auf Basis der Minimierung der Reluktanz erzielt wird, liegt beim elektrodynamischen Prinzip die Antriebswirkung in der Lorentzkraft begründet. Für beide Untergruppen werden neben der Konzeption von Komponenten und Motoren auch deren Realisierung und Charakterisierung aufgezeigt. Grundlegende Voraussetzungen für elektromagnetische Mikroaktoren sind Komponenten zur Erzeugung und Führung des magnetischen Flusses, welche im Rahmen der Fertigung und Charakterisierung von hart- und weichmagnetischen Strukturen dargestellt werden. Bei den galvanisch abgeschiedenen weichmagnetischen Nickel-Eisen-Schichten ergab sich hierbei die Problematik eines höhenabhängigen magnetischen Verhaltens. Die mögliche Ursache intrinsischer Schichtspannungen wird durch entsprechende Messungen gestützt. Im Bereich der hartmagnetischen Schichten werden Polymermagnete aus verschiedenen Magnetpulvern betrachtet und hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften und vor allem der erreichbaren Remanenzen charakterisiert und verglichen. Für einen linearen Reluktanzschrittmotor werden verschiedene Funktionskomponenten für Führung, Lagerung und Positionserfassung vorgestellt sowie deren Integration in die Prozesskette zur Herstellung der beiden Motorkomponenten – Stator und Läufer – beschrieben. Basierend auf den Ergebnissen und Erfahrungen des linearen Reluktanzschrittmotors ist im Rahmen dieser Arbeit eine rotatorische Ausführung realisiert worden. Sowohl die Herstellung der Komponenten und der dabei auftretenden Problemstellungen als auch die Charakterisierung hinsichtlich des Wärmeverhaltens, des Reibverhaltens und der erzielten Drehmomente sind näher erläutert. Einen großen Teil dieser Arbeit bilden die elektrodynamischen Antriebe in Form linearer und rotatorischer Synchronmotoren, deren Läufer bzw. Rotoren mit abwechselnd axialer oder radialer Magnetisierung versehen sind. Eine ausführliche Charakterisierung erfolgt für die Motoren mit axial magnetisierten Rotoren, die aufgrund unterschiedlicher Baugrößen und Magnetarten einen Drehmomentbereich von bis zu 10 µNm bei 70 mA abdecken. Für diese Motoren werden Anwendungen im Bereich der Fluidik in Form von Pumpen beschrieben. Des Weiteren wird der Aufbau eines zweidimensionalen Planaraktors auf Basis linearer Synchronmotoren dargestellt.

The main focus of this work is the development of electromagnetic micro actuators and motors, the integration of special functional components and the fabrication of these systems by means of microtechnological manufacturing methods. In the field of electromagnetic drives both electro-magneto-mechanical and electro-dynamical microactuators are presented. Considering the electro-magneto-mechanical principle, the force is effectuated by minimization of reluctance. With regard to the electro-dynamical effect, motion is based on Lorentz force. The conception, realization and characterization of the components and motors for both subtypes have been examined more in detail within this work. The fundamental requirements for electromagnetic micro actuators are components for generation and guidance of the magnetic flux. Therefore, the fabrication and characterization of hard and soft magnetic structures was achieved. Concerning the electrodeposited soft magnetic nickel-iron-layers it could be encountered that the magnetic behavior is dependent on the layer thickness. This is due to the intrinsic stress within the layers and could be proven by corresponding measurements. In the field of hard magnetic layers, polymer magnets made of different magnet powders were tested, characterized and compared among one another in regard to their magnetic properties and the achievable remanences. Different components for guiding, bearing and position detection are presented that can be integrated to a linear reluctance stepper motor. Their integration into the process flow for the fabrication of both motor components – the stator and the traveler – is described. Based on the results and experiences of the linear reluctance stepper motor a rotatory buildup was realized within this work. The fabrication of the components including the occurred problems as well as their characterization regarding thermal behavior, friction behavior and the resulting torque are explained in detail. Electro-dynamical drives in the form of linear and rotatory synchronous motors represent a further main part of this work. Motors with alternately axial and radial magnetized rotors were realized. A detailed characterization was carried out for motors with axial magnetized rotors, which feature torques up to 10 µNm @70 mA depending on the dimensions and the type of magnet. Fluidic applications in form of pumps were realized with the rotatory synchronous motors. Furthermore, the buildup of a two dimensional planar motor based on linear synchronous motor is presented.

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Waldschik, Andreas: Elektromagnetische Mikroaktoren - Konzepte, Herstellung, Charakterisierung und Anwendungen. Aachen 2010. Shaker. ISSN: 1433-1438.

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