Rechnergestützter Entwurf und Optimierung eines magnetischen Positionssensors
Christoph Weißinger
Der stetig wachsende Automatisierungsgrad industrieller Prozesse erfordert leistungsfähige und gleichzeitig kostengünstige Sensoren. Diese müssen den hohen technischen Ansprüchen gerecht werden, die sich aus ihren vielseitigen Einsatzbereichen ergeben. Für die Weg- bzw. Positionsbestimmung existieren hierfür bereits einige Verfahren, die vorwiegend – aufgrund ihrer positiven Eigenschaften – auf magnetischen Wirkprinzipien basieren. Ein weiterer, neuer Ansatz stellt der im Rahmen dieser Arbeit betrachtete magnetische Positionssensor dar. Die vorliegende Dissertation leistet einen Beitrag zur Untersuchung und Weiterentwicklung dieses neuartigen Sensors. Anhand seines konstruktiven Aufbaus werden zunächst auf Basis ausgewählter Kapitel der Elektrodynamik die Wechselwirkungen der elektromagnetisch aktiven Komponenten analysiert. Es resultiert die Problemstellung eines klassischen Wirbelstrom- und Skineffektproblems, wobei der Lösungsansatz mithilfe der Finite-Elemente-Methode erfolgt. Eine auf der numerischen Simulation basierende Sensitivitätsanalyse des Sensorsystems zeigt, dass bestimmte Parameter die Kenngrößen der Ausgangscharakteristik unterschiedlich beeinflussen. Um eine optimale Konfiguration zu ermitteln, wird das Simulationsmodell daher mit einer Optimierungssoftware gekoppelt. Schließlich wird ein auf den Sensor zugeschnittenes Entwurfsverfahren konzipiert. Für den Grobentwurf wird eine Einflussmatrix entwickelt, die aus der Systembeschreibung mit einem biokybernetischen Lösungsansatz resultiert. Der Feinentwurf wird mittels einer Finite-Elemente-Simulation durchgeführt. Ein abschließender Systementwurf bestätigt die Effektivität des Grobentwurfs, da bereits nach der ersten Reiteration ein den zuvor definierten Anforderungen entsprechendes Resultat vorliegt.
