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Instationäre Berechnung zur Steigerung der Magnetdynamik in Pneumatikventilen

Kontext

Schaltmagnete sind als Stellglieder von Pneumatikventilen aufgrund ihres einfachen, robusten Aufbaus, der hohen Anzahl möglicher Schaltspiele und relativ geringen Kosten weit verbreitet. Der Magnet beeinflußt die Ventilcharakteristika Dynamik, Leistungsaufnahme, Erwärmung und Bauraum maßgeblich. Während bei der Anpassung der Kraft-Hubkennlinie statische Finite-Element(FE)-Simulationen als Werkzeug zum Einsatz kommen, wird das Schaltverhalten des Magneten praktisch ausschließlich im Versuch optimiert. In anderen Industriebereichen (Bsp.Elektromotoren) sind schon seit geraumer Zeit dynamisch-transiente FE-Simulationen im Einsatz, die Programme können grundsätzlich auch für Linearbewegungen und damit Hubmagnetgeometrien verwendet werden. Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Evaluation der Einsatzmöglichkeiten kommerziell erhältlicher, instationärer FE-Programme zur Hubmagnetsimulation.

Arbeitsprogramm

FE-Modell eines Proportionalmagneten
Bild 1: FE-Modell eines Proportionalmagneten

Zur Simulation müssen die Hubmagnetgeometrien als FE-Modelle aufgebaut und die Materialcharakteristika (Magnetisierungsneukurve) zugewiesen werden. Der Geometrieimport erfolgt über ein CAD-Interface, die Vernetzung findet je nach Software mit unterschiedlichen Automatisierungsgraden und manuellen Verfeinerungsmöglichkeiten statt. Das transiente Spulenverhalten wird mit einer elektrischen Reihenschaltung von Induktivität und ohmschem Widerstand modelliert.

Typische B/H-Neukurve von Weicheisen und Modellierung einer realen Spule Typische B/H-Neukurve von Weicheisen und Modellierung einer realen Spule

Bild 2: Typische B/H-Neukurve von Weicheisen und Modellierung einer realen Spule (L,R)

Zur dynamischen Simulation müssen zusätzlich die bewegten Massen und die Gegenkräfte (i.d.R. Federn) bekannt sein. Der Anker muß im generierten FE-Netz kontinuierlich verschiebbar sein.

Simulierter Spulenstrom und Ankerhub über der Zeit Simulierter Spulenstrom und Ankerhub über der Zeit

Bild 3: Simulierter Spulenstrom und Ankerhub über der Zeit

Die betrachteten Simulationsprogramme (Ansys, Flux und Maxwell) müssen die Gegeninduktion (siehe charakteristischer Spulenstromeinbruch in Bild 3) und Wirbelströme durch die Ankerbewegung im magnetischen Feld berücksichtigen, um zu realistischen Ergebnissen zu gelangen.

Verwendete Software
Bild 4: Verwendete Software

Zum Abgleich der errechneten zeitlichen Hub- und Stromverläufe wird ein Magnetprüfstand aufgebaut. Durch ein hochauflösendes optisches Wegmeßsystem (Laservibrometer) wird der Hub während des Schaltvorgangs aufgezeichnet, zusätzlich wird der zeitliche Stromverlauf in der Spule registriert. Eine Kraftmeßdose eignet sich zur Aufnahme der statischen Ankerkräfte.

Prüfstand zur dynamischen Magnetvermessung
Bild 5: Prüfstand zur dynamischen Magnetvermessung

Projektziele

Die Dynamik der betrachteten Magnete (rotationssymmetrische Schalt- und Proportionalmagnete, Bügelmagnet) soll im Anschluß verbessert werden. Dazu werden Geometrieänderungen simuliert und vielversprechende Lösungen als Prototypen aufgebaut und erneut vermessen.

Schaltvorgang eines Proportionalmagneten
Bild 6: Schaltvorgang eines Proportionalmagneten

Die Genauigkeit der Programme wie die durch instationäre Simulation mögliche Dynamikverbesserung der Magnete werden eine Beurteilung der verwendeten Tools ermöglichen, bei der auch die Einfachheit der Bedienung und die Schnelligkeit der Rechnung eine wichtige Rolle spielen.

So wird eine grundsätzliche Aussage über die Möglichkeiten der instationären FE-Simulation und ihren effizienten Einsatz in der Einwicklung von Ventilmagneten (Linearaktoren) möglich. Die gewonnenen Erkenntnisse bei der Modellierung und Bedienung der Programme werden in Handhabungsrichtlinien für Magnet- und Ventilkonstrukteure zusammengefaßt.

Animation Schaltvorgang eines Proportionalmagneten (11 mb)

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