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INHALTE

Magnetische Messtechnik: Charakterisierung von Reluktanzaktoren, Baugruppen, Halbzeugen und Materialproben durch gezielte Erregung und Messung der Klemmgrößen

Kurzbeschreibung

Das Fachgebiet Mechatronik forscht im Bereich der magnetischen Messtechnik an Methoden zur Charakterisierung von Reluktanzaktoren bzw. Elektromagnete, Reluktanzmotoren, Halbzeugen und Materialproben durch Messung der Klemmgrößen auf Basis der Psi(I)-Kennlinie. Diese Betrachtungsweise ermöglicht es, die elektro-magneto-mechanische Energiewandlung allein durch Messung von Spannung und Strom zu charakterisieren (siehe Abb. 1). Aus dem zeitlichen Verlauf von Spannung und Strom wird die Psi(I)-Kennlinie berechnet. Durch geeignete Auswertung von Merkmalen der Psi(I)-Kennlinie können viele Parameter abgeleitet werden. (Ansatz Black-Box-Modell nach Radler, [1])

Ψ=∫ Uind dt

Uind=U-R∙I

Abb. 1: Schematische Darstellung des Ansatzes zur Magnetische Messtechnik: Charakterisierung von Reluktanzaktoren, Baugruppen, Halbzeugen und Materialproben durch gezielte Erregung und Messung der Klemmgrößen

Aufgrund der verkoppelten elektro-magneto-mechanischen Energiewandlung sind verschiedene Veränderungen an Proben oder zu untersuchenden Systemen anhand der gemessenen elektrischen Größen charakterisierbar, wie beispielsweise:

  • Geometrie: Luftspaltänderungen, Fertigungstoleranzen,
  • Material: magnetische Eigenschaften wie Neukurven, Hysteresekurven, Wirbelströme bzw. elektrische Leitfähigkeit, mechanische Spannungen,
  • Veränderungen im angeschlossenen mechanischen System.

Fasst man die Chancen und Risiken der Messmethode knapp zusammen, so führt das auf folgende Aussage:
Vorteil der Messmethode: Man sieht jede Veränderung. (Man kann theoretisch alles Messen)
Nachteil der Messmethode: Man sieht jede Veränderung. (Es ist schwierig die Effekte zu trennen)

Ziele und Lösungsansätze

Die Idee ist alt und bekannt. Es gibt kommerziell erhältliche Messgeräte. Aber:

  • Die Messmethode muss auf jeden Aktor und jede Fragestellung angepasst werden (Siehe Vorteil/Nachteil)
  • Bekannte Messverfahren stellen statische Untersuchungen in den Vordergrund.

Ziel unserer Forschung ist, die bestehenden Verfahren zu erweitern und auf aktuelle Aktoren bzw. aktuelle Fragestellungen zu modernen Aktoren zu erweitern. Im Fokus stehen dabei:

  • Fertigungstoleranzen (bzgl. parasitärer Luftspalte)
  • Materialtoleranzen (bzgl. B(H)-Kennlinie):
  • Bestimmung der B()-Kennlinie an Ringkernproben
  • Nachweis der Einflüsse auf kompletten Aktor
  • Bestimmung und Optimierung der Dynamik (Schaltzeiten)
  • Trennung von Verlustmechanismen (Kupfer- und Eisenverluste, wobei sich die Eisenverluste in Hysterese- und Wirbelstromverluste aufteilen)

Eigenentwicklung eines Messaufbaus zur dynamischen Messung

Abb. 2: Foto des Messaufbaus

Der Messaufbau ist ein multifunktionales, rechnergesteuertes Messgerät zur Messung der Ummagnetisierungskurve von Materialproben, Halbzeugen und fertig montierten Aktoren.

Neben den (quasi-)statischen Hysteresekurven (DC) weichmagnetischer Werkstoffe kann durch dynamische Messung die Ummagnetisierungskurve bestimmt werden. Dieser enthält neben den quasistatischen Einflüssen auch den Einfluss des zeitlichen Verlaufs der Ummagnetisierung. Somit können auch ratenabhängige Effekte wie Wirbelströmen untersucht werden. So wird die Auswahl von Materialien für dynamische elektromagnetische Aktoren erleichtert.

Dazu kann mit dem Messaufbau eine Ummagnetisierung Stromgeregelt und Spannungsgeregelt erfolgen.

Technische Daten:
Labormuster eines Messgeräts zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften:

Frequenzbereich: 0,1 Hz … 10 kHz
Max. Spannung:± 75 V
Max. Dauerstrom:40 A
Nutzerschnittstelle:frei programmierbar in LabView
Abtastfrequenz:100 MHz
Auflösung ADC:12 Bit, variabler Messbereich
Erregung:Spannungs- oder Stromeinprägung

Messung nach DIN 60404

Die Messungen können an Ringkernproben (siehe Abb. 3) und Ephsteinrahmen durchgeführt werden.
Durch Erweiterung der Methoden nach DIN 60404 kann an der Ringkernprobe der Einfluss der Wirbelströme untersucht werden.

Abb. 3: Foto einer Ringkernprobe und gemessene Ummagnetisierungskurve bei unterschiedlichen Ummagnetisierungszeitverläufen zur Demonstration des Einfluss der Wirbelströme auf die Kurvenform

Eigenentwicklung von Messadaptern zur Messung von Halbzeugen (Topfadapter, Magnetisierungsjoch)

Für Messungen an anderen Geometrien wie Stabproben oder Freiformkörper ist ein Messadapter erforderlich, der auf das Halbzeug angepasst werden muss.

Messungen an schaltenden Reluktanzaktoren und -motoren

Ziel der Messungen an schaltenden Reluktanzaktoren und -motoren ist die Bestimmung der Dynamik, die Untersuchung von Fertigungstoleranzen und deren Auswirkungen sowie die Bewertung des magnetischen Wirkungsgrades. Typische Reluktanzaktoren sind beispielsweise Schaltmagnete oder Proportionalmagnete.

Abb. 4: Beispiel gemessener Psi(I)-Kennlinien eines Elektromagneten (Grau: festgehalten bei unterschiedlichen Luftspalten, Blau: schaltend)

Gezielte Ansteuersignale und Auswertealgorithmen

Die bei der Messung genutzten Ansteuersignale haben einen großen Einfluss auf die Qualität und Aussagekraft der Messung. Daher entwickelt das Fachgebiet Mechatronik Ansteuersignale und Auswertealgorithmen zur bestmöglichen Charakterisierung von Materialproben, Halbzeugen und Reluktanzaktoren.

Publikationen

  • Radler, O.
    Ein Beitrag zur Messung statischer und dynamischer Eigenschaften von elektro-magneto-mechanischen Energiewandlern und deren Komponenten Dissertation, Technische Universität Ilmenau 2011, Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2011. - XIV, 139 S. (Ilmenauer Schriften zur Mechatronik : ISM ; 1) ISBN 978-3-86360-007-5
  • Ströhla, T., Radler, O., Kellerer, T.
    Verbessertes Qualitätsmanagement durch magnetische Messungen. Dr. Wilhelm Binder Symposium, Villingen-Schwenningen, 2011
  • Kellerer, T., Radler, O., Ströhla, T.
    Vorteile eines neuen Verfahrens der magnetischen Messtechnik im Qualitätsmanagement. Fachtagung Mechatronik, Dresden, 2011
  • Radler, O., Kellerer, T., Ströhla, T., Gadyuchko, A.
    Innovatives Qualitätsmanagement für elektro-magneto-mechanische Energiewandler. Innovative Klein- und Mikroantriebstechnik: 8. ETG/GMM-Fachtagung, Würzburg, 2010, ETG-Fachbericht Band 124, S.37-44, ISBN 978-3-8007-3301-9
  • Radler, O., Ströhla, T.
    Messung dynamischer Eigenschaften magnetischer Werkstoffe und Aktoren, 2. Ilmenauer Magnettag, 8. Juni 2010.