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Entwicklung und Optimierung eines robusten statischen Magnetkreises für bistabile Mikrorelais

Ripp, Florian (2012):
Entwicklung und Optimierung eines robusten statischen Magnetkreises für bistabile Mikrorelais.
Darmstadt, TU Darmstadt Institut EMK / MEMS, [Seminar paper (Midterm)]

Abstract

Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen der TU Darmstadt wird eine bistabile Mikrorelaismatrix entwickelt. Diese soll die derzeit noch manuell gesteckten Kabelverzweiger in der Telekommunikationsbranche automatisieren und von der Ferne aus steuerbar machen. In der vorliegenden Arbeit wird der bereits entwickelte Magnetkreis der Relais zu einer kostengünstigeren und platzsparenderen Anordnung optimiert. Bei dem bestehenden Relais verursacht eine statischer Magnetkreis eine Kontaktkraft von 12 mN. Das dafür nötige Magnetvolumen aus Seltenen-Erden (NeFeB) und die hohen Anforderung an die Positioniergenauigkeit der Permanentmagneten, machen die Fertigung des bestehenden Relais, im Vergleich zu den gängigen Mikrorelais, kostenintensiv. Zusätzlich müssen die Durchkontaktierungen durch das Substrat elektrisch leitfähig sein, was wiederum den Fertigungsaufwand erhöht. In der Literaturrecherche werden bereits existierenden magnetische Relais, sowie die Maxwell`schen Gleichungen der Magnetostatik als auch Fertigungsverfahren der Mikrosystemtechnik untersucht. Aus den Maxwell�schen Gleichungen der Magnetostatik wird der Maxwell'sche Spannungstensor abgeleitet, welcher die Ursache der Kraft auf den Kontakt beschreibt. Es werden alle sinnvollen Magnetkreisanordnungen aufgestellt und der geeignetste Magnetkreis optimiert. Aus den analytischen Aussagen wie dem Maxwell´schen Spannungstensors wird mit der Feldsimulationsoftware "CST Studio" die Geometrie der Magnetkreiskomponenten so angepasst, dass eine möglichst große Flussdichtedifferenz zwischen linker und rechter Seite des Kontakts entsteht. Optimierungen, wie die Magnetkreislänge und die nötige Magnetstärke werden analytisch durch das Durch�utungsgesetz hergeleitet. Die optimalen Werte für bspw. die Magnetposition, Magnetisierungsrichtung, Kontaktlänge und Anschrägung des Kontakts werden nummerisch hergeleitet. Da für diese Arbeit nicht allein die Kontaktkraft ein wichtiges Kriterium ist, weist die optimierte Anordnung zwar eine geringere Kontaktkraft auf, hat aber ihre Vorteile in der einfacheren Herstellung, dem gröÿerem Minimierungspotential und höherer Robustheit gegen Fertigungstoleranzen.

Item Type: Seminar paper (Midterm)
Erschienen: 2012
Creators: Ripp, Florian
Title: Entwicklung und Optimierung eines robusten statischen Magnetkreises für bistabile Mikrorelais
Language: German
Abstract:

Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen der TU Darmstadt wird eine bistabile Mikrorelaismatrix entwickelt. Diese soll die derzeit noch manuell gesteckten Kabelverzweiger in der Telekommunikationsbranche automatisieren und von der Ferne aus steuerbar machen. In der vorliegenden Arbeit wird der bereits entwickelte Magnetkreis der Relais zu einer kostengünstigeren und platzsparenderen Anordnung optimiert. Bei dem bestehenden Relais verursacht eine statischer Magnetkreis eine Kontaktkraft von 12 mN. Das dafür nötige Magnetvolumen aus Seltenen-Erden (NeFeB) und die hohen Anforderung an die Positioniergenauigkeit der Permanentmagneten, machen die Fertigung des bestehenden Relais, im Vergleich zu den gängigen Mikrorelais, kostenintensiv. Zusätzlich müssen die Durchkontaktierungen durch das Substrat elektrisch leitfähig sein, was wiederum den Fertigungsaufwand erhöht. In der Literaturrecherche werden bereits existierenden magnetische Relais, sowie die Maxwell`schen Gleichungen der Magnetostatik als auch Fertigungsverfahren der Mikrosystemtechnik untersucht. Aus den Maxwell�schen Gleichungen der Magnetostatik wird der Maxwell'sche Spannungstensor abgeleitet, welcher die Ursache der Kraft auf den Kontakt beschreibt. Es werden alle sinnvollen Magnetkreisanordnungen aufgestellt und der geeignetste Magnetkreis optimiert. Aus den analytischen Aussagen wie dem Maxwell´schen Spannungstensors wird mit der Feldsimulationsoftware "CST Studio" die Geometrie der Magnetkreiskomponenten so angepasst, dass eine möglichst große Flussdichtedifferenz zwischen linker und rechter Seite des Kontakts entsteht. Optimierungen, wie die Magnetkreislänge und die nötige Magnetstärke werden analytisch durch das Durch�utungsgesetz hergeleitet. Die optimalen Werte für bspw. die Magnetposition, Magnetisierungsrichtung, Kontaktlänge und Anschrägung des Kontakts werden nummerisch hergeleitet. Da für diese Arbeit nicht allein die Kontaktkraft ein wichtiges Kriterium ist, weist die optimierte Anordnung zwar eine geringere Kontaktkraft auf, hat aber ihre Vorteile in der einfacheren Herstellung, dem gröÿerem Minimierungspotential und höherer Robustheit gegen Fertigungstoleranzen.

Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 13 Jul 2012 07:22
Additional Information:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKS1982

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 19-09-2011

Ende Datum: 05-03-2012

Identification Number: 17/24 EMKS1782
Referees: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F.
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