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:
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:
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:
- Bestimmung der B()-Kennlinie an Ringkernproben
- Nachweis der Einflüsse auf kompletten Aktor
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.
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