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Entwurf magnetischer Aktoren

Der Entwurf mechatronischer Systeme, insbesondere magnetischer Aktoren, hat eine lange Tradition im Fachgebiet. Seit den 1970er Jahren arbeitete das Fachgebiet unter Leitung von Prof. Eberhard Kallenbach an Elektromagneten, Schrittmotoren und Planarantrieben. Die Arbeiten wurden unter Prof. Thorsten Bertram, Jun.-Prof. Tom Ströhla und Prof. Thomas Sattel fortgesetzt.

Einer der Forschungsschwerpunkte stellen Entwurfsmethoden und -werkzeuge dar. So beschäftigte sich Quendt in seiner Dissertation 1991 mit der Entwicklung von Finite-Elemente-Simulationen. Räumschüssel und Feindt implementierten Matlab-Modelle zur Simulation des dynamischen Verhaltens. Als erste integrierte Entwurfsumgebung für Elektromagnete basierend auf Netzwerkmethoden kann die Software STURGEON (1997) angesehen werden, welche in einer Drittmittelkooperation mit der Firma Bosch entstand. Aus den Erfahrungen dieses Projektes wurden weitere Forschungsprojekte zum automatisierten Entwurf magnetischer Systeme abgeleitet:

  • Modan (Implementation der Entwurfssoftware SESAM)
  • Verdian (Weiterentwicklung von SESAM)

Neben der Software SESAM nutzt das Fachgebiet aktuelle kommerzielle Werkzeuge wie

  • ANSYS MAXWELL oder
  • MATLAB/SIMULINK

für den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zum Entwurf magnetischer Syste

Die Entwurfs-Software SESAM

Die Software SESAM ist eine integrierte Entwicklungsumgebung für die frühen Entwurfsphasen bei der Entwicklung magnetischer Energiewandler. Beruhend auf Netzwerkmodellen und einem Formelparser lassen sich parametrische Magnetmodelle erstellen und Parameterstudien und Optimierungen durchführen.

Die seinerzeit richtungsweisende Nutzerschnittstelle mit einem Projektbaum, einem Arbeitsfenster sowie Nachrichten- und Parameterfenstern ermöglicht ein effektives Arbeiten.

SESAM unterstützt Modelle mit nichtlinearem Verhalten (B-H-Neukurve) und Hysterese (Preisach-Modell). Für die Modellierung von Streufeldern stehen besondere Elemente bereit.

Neben statischen Rechnungen ermöglicht SESAM die Durchführung transienter Simulationen. Dazu kann zwischen Spannungs- und Stromeinprägung ausgewählt und beliebige Zeitverläufe von Spannung bzw. Strom eingeprägt werden.

Wirbelströme können im magnetischen Kreis durch "magnetische Induktivitäten" (ohmsche Wirbelstromleitwerte) berücksichtigt werden. Es ist somit auch möglich, den Skin-Effekt (Flussverdrängung) durch Kaskadenmodelle abzubilden.

Die mechanische Bewegungsdifferenzialgleichung kann mit algebraischen Gleichungen als Zeitdiskretisierung modelliert werden. Anschlag- bzw. Prell-Modelle sowie Zustandsoperationen lassen sich durch logische Verknüpfungen umsetzen.

SESAM ist als Entwurfswerkzeug besonders für Simulationen bzw. Optimierungen mit vielen freien Parametern bzw. für die Optimierung des dynamischen Verhaltens (Schaltzeiten, Verlustleistung) zu empfehlen.

Publikationen

  • Ströhla, T. Model Based Design of Very Fast Acting Electromagnetic Actuators. The fourth Workshop on Digital Fluid Power, 21.-22.9.2011, Linz, Proceedings
  • Rosenbaum, S., O. Radler, T. Hüfner, T. Ströhla, H. Haase und B. Kärcher Mechatronischer Entwurf energieeffizienter Ventilantriebe. Mechatronik 2009, Komplexität beherrschen. Tagung Wiesloch 12./13.05.2009. Tagungsbericht. Düsseldorf: VDI-Wissensforum GmbH, 11-19. Der Vortrag wurde mit dem Best-Paper-Award ausgezeichnet.
  • 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., 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
  • Birli, O.; Ströhla, T.: Design of fast acting magnetic actuators with SESAM: FIMEC 2004, 12.-14.10.2004, Guimarães (Portugal)
  • Ströhla, T. Ein Beitrag zur Simulation und zum Entwurf von elektromagnetischen Systemen mit Hilfe der Netzwerkmethode. Dissertation TU Ilmenau 2003, Wissenschaftsverlag Ilmenau, ISBN 3-936404-00-3
  • Birli, O.; Kallenbach, E.; Feindt, K.; Ströhla, T. SESAM - A Software that Supports the Design Process of Electromagnetic Actuators. Actuator Bremen, Proceedings, 2002
  • Kallenbach, E.; Ströhla, T. Dynamic Simulation of Electromagnetic Actuators using Network Models Including Eddy Currents. Actuator Bremen, Proceedings, 2002

FEM - Entwurf mittels numerischer Feldberechnung

Im Fachgebiet Mechatronik liegen jahrzehntelange Erfahrungen im Einsatz numerischer Feldberechnung zur Analyse und Optimierung elektromagnetischer Antriebe vor. In den 1980er Jahren wurden durch Peer Quendt noch eigene Implementationen von FEM-Werkzeugen realisiert. Später stand die Anwendung kommerzieller Software im Fokus, z.B. dem ersten transient rechnenden Tool "PROFI transient". Heute verwendet das Fachgebiet das Produkt "MAXWELL" in den Varianten 2D, 3D und transient zur Simulation von Elektromagneten, elektrodynamischen Linearantrieben sowie rotatorischen Motoren.

MATLAB/SIMULINK - Simulation heterogener Systeme

Die numerische Lösung von Differenzialgleichungen ist in der Mechatronik eine häufige Problemstellung. Seit der Zeit erster Analog- und Digitalrechner wendet das Fachgebiet universitäre und kommerzielle Mathematik-Software an, um das dynamische Verhalten elektrischer Antriebe aus domänenübergreifender Sicht zu simulieren und die Antriebe zu optimieren. Umfangreiche Erfahrungen liegen beim Einsatz des in der Industrie weit verbreiteten MATLAB/SIMULINK vor.