Stepper motor development for space applications via finite element simulation

Abstract

Diese Diplomarbeit wurde im Auftrag und mit der Unterstützung von RUAG Space GmbH entwickelt und umfasst die erste Phase der Entwicklung eines Schrittmotors für Anwendungen in der Raumfahrt.<br />Ausgehend vom prinzipiellen Aufbau terrestrischer Schrittmotoren, werden die Schritte vom Entwurf eines theoretischen Modells bis zum Auffinden eines optimalen Designs, speziell entwickelt für Raumfahrtanwendungen, beschrieben.<br />Die meist verbreiteten Motoren, die zurzeit für Anwendungen in der Raumfahrt verwendet werden, sind AC Induktionsmotoren, Bürsten/Bürstenlose DC Motoren und Schrittmotoren. Jedoch handelt es sich dabei um an Anforderungen in der Raumfahrt angepasste terrestrische Motoren. Bisher wurde kaum einer speziell für Raumfahrtanwendungen entwickelt, ein Fakt der sich in geringerer Leistung und Lebensdauer niederschlägt.<br />In den letzten Jahren zeigte der Europäische Raumfahrtmarkt eine erhöhte Nachfrage für Schrittmotoren, welche dort häufig für Anwendungen wie Antriebsmechanismen, Präzisions-Positionierung, Solarzellenaufstellung, optische Antriebe und das Schalten von Zeitgebern verwendet werden. Aus diesem Grund hat sich RUAG Space entschieden, einen Schrittmotor zu entwickeln, der speziell Raumfahrtanwendungen dient. Ein hohes Drehmoment und geringe Masse sind dessen Haupteigenschaften. Während derzeitige Motoren für Anwendungen in der Raumfahrt eine Masse über 100 g haben, soll die Masse des Schrittmotors von RUAG Space maximal 40 g betragen. Sein Durchmesser soll unter 20 mm und seine Länge unter 25 mm sein.<br />Das Konzept von Schrittmotoren dient als Ausgangspunkt für das Motordesign. Prinzipiell besteht ein Schrittmotor aus einem Rotor mit Permanentmagneten und einem Stator mit einer bestimmten Anzahl an Statorpolen, welche mit Spulendraht umwickelt sind. Die Leistung des Motors ist von Faktoren wie der Geometrie, Materialeigenschaften und der Stärke des Magnetfelds der Permanentmagnete und der Spule gekennzeichnet. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Schlüsselfaktoren und Parameter des Steppermotors ausfindig zu machen sowie die Motorgeometrie und die verwendeten Materialien mithilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) zu optimieren.<br />

This master thesis was developed on behalf and with the support of RUAG Space GmbH and comprises the first phase of the development of a stepper motor for space applications. From the starting point of the basic concept of a terrestrial stepper motor it describes the steps of setting up a theoretical model until finally finding an optimal design for a stepper motor especially built for space applications.<br />The most common types of motors currently used in space applications are AC induction motors, brush/brushless DC motors and stepper motors.<br />However, most of them are "spacified" terrestrial motors. Not many are built exclusively for space applications which manifests in lower performance and life time.<br />In the past years the European space market has shown an increased demand for stepper motors which can be used for operations such as actuating mechanisms, micro-positioning, solar array deployment, optic drives and timer switching. Therefore, RUAG Space decided to develop a stepper motor that is exclusively designed for operating in space. High detent torque and low mass are its main features. While already existing motors for space applications weigh over 100 g, this stepper motor's mass shall be below 40 g. Its diameter and length shall be below 20 and 25 mm, respectively.<br />The basic concepts of stepper motors are the starting point for the motor design. Basically, a stepper motor consists of a rotor with permanent magnets and a stator with a certain number of stator poles, wrapped in coil windings. The motor's performance is determined by many factors such as geometry, material properties, winding current and the strength of the magnetic field. The main objective of this work is to define the key factors and parameters of the stepper motor and find the optimum geometry and materials via finite element analysis.