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INHALTE

Energieautarke Aktor- und Sensorsysteme

Kurzbeschreibung

Aufgabe des Verbundprojekts EnAS war es, ausgehend von Kundenforderungen ein Konzept zur intelligenten energieautarken Vernetzung von Produktionsanlagen zu erarbeiten und durch entsprechende Testaufbauten zu verifizieren. Schwerpunkte sind dabei autonome, maschinennahe, intelligente Objekte im Bereich der Fabrik- und Prozessautomatisierung sowie die Datentransparenz und Echtzeit über ein dezentrales Automatisierungssystems zu sichern. 

Neben der selbstorganisierenden drahtlosen Vernetzung spielt auch der energieoptimale Betrieb der Teilsysteme eine erhebliche Rolle. Auf den unteren Ebenen der Steuerungshierarchie wird die Realisierung energieautarker Systeme erforderlich, da sich hier der größte Kundennutzen ergibt. Aufgabe der TU Ilmenau war die Erforschung, Entwicklung und Realisierung von effizienten Energiewandlern (Aktoren sowie Generatoren) auf elektromagnetischer Basis sowie die dafür benötigte Elektronik. 

Ergebnisse

1. Generatoren

Im Rahmen des Verbundprojektes wurden vier Energiewandler auf elektromagnetischer und –dynamischer Basis untersucht. Die bezüglich dieser Typen erzielten Ergebnisse werden im weiteren Verlauf vorgestellt.

Bei dem ersten Generator handelt es sich um einen rotatorischen Synchrongenerator auf Basis von Reluktanz. Dieser Wandler besteht aus einem Eisenkreis mit Permanentmagneten, um den eine Spule gewickelt ist. Der magnetische Widerstand der Anordnung kann durch Verdrehen eines Rotors mit Zahnstruktur bezüglich eines entsprechenden Stators geändert werden. Die Änderung des magnetischen Widerstandes ruft eine Änderung des magnetischen Flusses hervor, die in der Spule zu einer induzierten Spannung führt.

Für diesen Wandler wurden vollständig parametrisierbare Netzwerkmodelle erstellt. Die entstandenen Modelle dienen zur Festlegung von Material, Hauptabmessungen, Spulendimensionierung, Skalierung des Generators sowie Simulation des Wandlerverhaltens. Dieses Modell wurde durch eine FEM-Simulation mit dem Programm Maxwell der Firma Ansoft verifiziert. Ferner wurde die Zahnstruktur von Rotor und Stator mit Hilfe einer FEM-Simulation festgelegt. Auf Basis der Simulation wurden mehrere Generatoren konstruiert.

Diese untersuchte Bauform erwies sich nicht für die Realisierung kleiner Bauformen geeignet. Prinzipbedingt ist der Raum für die Spule begrenzt und somit auch die erreichbare Ausgangsspannung. Ein weiterer Faktor, der bei Verkleinerung zu einem schlechten magnetischen Wirkungsgrad führt, ist die überproportionale Zunahme des Einflusses von Streuflüssen. Das Prinzip weist hohe mechanische Verluste in der Gleitlagerung, niedrige Leistung und Ausgangsspannung in der gewünschten Baugröße auf. Aufgrund des niedrigen Rastmoments eignet sich der Generator für Anwendungen, bei denen nur ein kleines Drehmoment zum Antrieb des Generators zur Verfügung steht. Eine denkbare Anwendung ist die Integration des Generators in Miniaturturbinen. 

Für eine weitere Idee eines Vibrationswandlers auf Reluktanzbasis, zeigte es sich, dass die Festforderungen (einfacher Aufbau aus Standardkomponenten sowie Toleranzfähigkeit) nicht verwirklicht werden können. 

Bei einer weiteren untersuchten Bauform handelt es sich um einen elektrodynamischen Lineargenerator mit Permanentmagnetläufer. Bei ihm ist der prinzipielle Aufbau ebenfalls einfach. Ein Magnet schwingt innerhalb der länglichen Spule auf und ab. Der Mittelteil der Spule wird von einer hohen Flussdichte mit steilen Flanken durchsetzt, was zu aufgrund des großen Feldgradienten zu einer hohen induzierten Spannung führt. Bei diesem Aufbau ist der Spulenraum nicht begrenzt.

Die Feder wurde mit Hilfe von Permanentmagneten realisiert. Eine magnetische Feder besteht dabei aus zwei Magneten, die sich mit gleichen Polen gegenüberstehen, sodass sie sich abstoßen. Sie bilden eine Druckfeder mit progressiver Kennlinie. Das bedeutet, dass bei Verringerung des Abstandes die Kraft steigt und gleichzeitig die Federsteifigkeit zunimmt. Die Kennlinien dieser Federn wurden mit Hilfe von FEM bestimmt. Generatoren dieser Bauform erfüllen nicht die Forderung nach Breitbandigkeit. Durch die entsprechende Auswahl der rücktreibenden Magneten kann eine Resonanzfrequenz in einem gewissen Bereich eingestellt werden. Dies ermöglicht die Konfiguration eines Wandlerbaukastens für diskrete Anregungsfrequenzen.

2. Aktoren

Um den Einsatz von Magnetventilen in energieautarken Inselsystemen überhaupt zu ermöglichen, ist es erforderlich, die zur Ventilbetätigung benötigten Aktoren besonders energieeffizient auszulegen. Die Idee ist, die Vorteile von polarisierten Elektromagneten für den Einsatz als Betätigungsmagnet auszunutzen. Aus Kosten- und Akzeptanzgründen muss die Ansteuerung nach außen hin genau wie bei herkömmlichen neutralen Ventilen erfolgen, ohne den Bauraum zu erweitern. Da die zu entwerfenden Ventilantriebe Systeme darstellen, die im Hinblick auf energetische Aspekte optimiert werden sollen, müssen die Aktoren zusammen mit ihrer Ansteuerelektronik und den integrierten mechanischen/pneumatischen Funktionen als mechatronisches System betrachtet und ganzheitlich im Entwurf (z. B. nach VDI 2206) berücksichtigt werden.  

Im Rahmen der Forschungstätigkeiten entstanden eine Systematisierung verschiedener polarisierter Magnetkreisformen sowie vollständig parametrische Netzwerkmodelle von Magnetkreisen, die den Entwurfsprozess angepasster und für die jeweilige Aufgabe optimierter Antriebe stark beschleunigt.

Besonders hervorzuheben sind die Erkenntnisse über die Modellierung von Streufeldgeometrien und deren Einfluss auf das Verhalten des Antriebs. Die Feindimensionierung des Magnetkreises und die Auswahl der eingesetzten Dauermagnete erfolgt mit der FEM-Software Maxwell® (Ansoft Corp.). Als fertigungs- und damit kostengünstige Variante konnte sich ein polarisiertes Bügelmagnetsystem durchsetzen.

Weiteres wichtiges Ziel war die vollständige Kompatibilität in der Ansteuerung, um eine einfache Austauschbarkeit mit einem herkömmlichen Ventil zu ermöglichen. Eine Reihenschaltung des Aktors mit einem Kondensator und einem MOSFET zum Umschalten erfüllt diese Anforderung. Auf diese Weise lässt sich je nach benötigtem Ansteuerregime eine starke Reduzierung der Leistungsaufnahme des einzelnen Ventils erzielen, wodurch der Einsatz in Insellösungen bzw. die Reduktion des Energiebedarfs ganzer Anlagen ermöglicht wird.

Durch eine entsprechende Spulendimensionierung werden die Antriebe an die jeweils verfügbare Betriebsspannung angepasst und erfordern damit keine verlustbehaftete Transformation elektrischer Energie.

Mittlerweile ist aufgrund der gestiegenen Energiekosten die Skepsis gegenüber polarisierten Systemen kleiner geworden. Die vollständige Kompatibilität aller Schnittstellen sowie das definierte Abschalten bei Spannungsverlust durch Entladen des Kondensators wird die Akzeptanz weiter erhöhen.

Anfragen bei den Industriepartnern bezüglich energieeffizienter Lösungen zeigen einen wachsenden Bedarf solcher Antriebssysteme, so dass die erarbeiteten Konzepte gute Chancen für die Verwendung in Serienprodukten aufweisen.

3. Elektronik

Nach dem Aufbau von Testplatinen wurden Möglichkeiten der Miniaturisierung des Systems getestet und realisiert.

4. Gesamtdemonstrator

Durch die vollständige Kompatibilität der Schnittstellen lassen sich alle herkömmlichen Ventile einfach durch die neuen Systeme ersetzen. Eine Anpassung in der Ansteuerung oder der fluidischen Schaltung der Anlage sind nicht erforderlich.

Das im monoenergetischen Greifer zum Einsatz kommende Impuls-Membranventil, das durch zwei herkömmliche Magnetventile angesteuert wird, kann durch das bistabile polarisierte System ersetzt werden, da die Funktion des leistungslosen bistabilen Haltens bereits durch das Magnetventil selbst realisiert werden kann. Auf diese Weise ergeben sich Vorteile in Bauteilaufwand und -kosten, im Installationsaufwand und beim benötigten Bauraum.

Eine iterative Optimierung und Anpassung des Ventils und seiner Ansteuerelektronik führte während der Realisierung nochmals zu einer signifikanten Verkleinerung und damit besseren Integrierbarkeit.

Im letzten Schritt konnte die Ansteuerelektronik so weit vereinfacht und verkleinert werden, dass eine Integration des neuen polarisierten Ventilantriebs zusammen mit der Elektronik in Bauraum des herkömmlichen neutralen Ventils möglich wurde und somit auch optisch kein Unterschied zum neutralen System mehr besteht.

Kooperationspartner

  • Helmut-Schmidt-Universität Hamburg (Prof. Scholl): Funkübertragung der Steursignale
  • Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (Prof. Hanisch): Robuste verteilte Steuerungsalgorithmen
  • Frauenhofer-Gesellschaft-TEG: Energiewandler (thermisch, photovoltaisch usw.)
  • EnOcean GmbH: Realisierung
  • Festo AG & Co. KG: Gesamtsystem energieautarke Automatisierungsinsel

Publikationen

2007

  • Ströhla, T., O. Birli, S. Rosenbaum und M. Beier: Present Issues in the Design of Solenoids using Circuit Models. 6th Polish-German Workshop on Mechatronics 2007 "System Integration". Ilmenau, 05.-08.07.2007

2008

  • Abschluss-Workshop EnAS im Rahmen des 53. Internationalen Wissenschaftlichen Kolloquiums in Ilmenau, 12.9.2008
  • Rosenbaum, S., O. Radler, T. Hüfner und T. Ströhla: Entwicklung energieeffizienter Ventilantriebe. Internationales Mechatronik-Kolloquium "Mechatronik 2008". Novotscherkassk/Russland, 18.-20.06.2008
  • Rosenbaum, S., O. Radler, T. Hüfner und T. Ströhla: Issues in the Design of Electromagnetic Actuators Using Circuit Models and Hysteresis Simulation. 2008 ASME International Design Engineering Technical Conferences (IDETC) and Computers and Information in Engineering Conference (CIE), 03.-06.08.2008, Brooklyn, NY, USA, Proceedings (DETC2008-49107)
  • Ströhla, T.: Verhaltensoptimierung von Magnetsystemen mit Empfindlichkeitsbetrachtungen. 1. Ilmenauer Magnettag, 03.06.2008
  • Ströhla, T., S. Rosenbaum, M. Beier und T. Hüfner: Anwendung von Netzwerkmodellen im Entwurf elektromagnetischer Antriebe. Internationales Mechatronik-Kolloquium "Mechatro-nik 2008". Novotscherkassk/Russland, 18.-20.06.2008
  • Ströhla, T., S. Rosenbaum, O. Radler und M. Beier: Progress in the Design of Low Power and Fast Acting Solenoids. ACTUATOR 2008, 11th International Conference on New Actuators, Bremen, 660-663

Weitere Projektdaten

  • Finanzierung: BMWi
  • Laufzeit: 01.01.2006 - 30.06.2008
  • weitergehende Projektinformationen auf der Projektwebsite