Modellbasierte Ansteuerung multistabiler elektro-magneto-mechanischer Aktorstrukturen zur präzisen und energieeffizienten Einstellung remanenter Arbeitspunkte

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Weber
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434232806

Multistabile elektro-magneto-mechanische Wandler sind ein neues Forschungsfeld und kombinieren die stetige Verstellung von Proportionalmagneten mit der Energieeffizienz polarisierter Magnetkreise. Im DFG-Projekt „Neuartige multistabile elektro-magneto-mechanische Aktorstrukturen auf Basis variabler remanenter Arbeitspunkte halbhart- und hartmagnetischer Materialien“ wurden dafür umfangreiche Grundlagen gelegt. Der Lösungsansatz besteht in der gezielten Ausnutzung des inneren Hystereseverhaltens von halbhart- bzw. hartmagnetischen Materialien, womit ohne weitere Energiezufuhr verbleibende Magnetflüsse, Magnetkräfte oder Ankerpositionen eingestellt werden können. Anhand verschiedener Demonstratoren wurde erfolgreich gezeigt, wie solche remanenten Arbeitspunkte eingestellt werden können. Gleichwohl gehen aus den Arbeiten Herausforderungen hervor, die eine Fortsetzung des DFG-Projekts erfordern. Dazu zählen die hohe erforderliche Polarisationsenergie zur Einstellung remanenter Arbeitspunkte sowie der Einfluss und die Berücksichtigung von unbekannten Lastkräften und temperaturabhängigen Materialeigenschaften. Prinzipiell können diese Themen mit geeigneten Steuerstrategien behandelt werden. Das übergeordnete Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist die optimale Ansteuerung multistabiler Aktorstrukturen, um remanente Arbeitspunkte präzise und energieeffizient einstellen zu können. Der Lösungsansatz besteht in einer modellbasierten Ansteuerung auf Grundlage eines Hysteresemodells. Im Detail ergeben sich folgende Zielstellungen und Inhalte für das beantragte Projekt: Im ersten Schritt wird in Vorbereitung für modellbasierte Ansteuerkonzepte das Hystereseverhalten vielversprechender halbhart- und hartmagnetischer Materialien weiter detailliert. Dazu werden typische Arbeitspunktabfolgen (Umkehrkurven höherer Ordnung) sowie das temperaturabhängige Verhalten vermessen. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Weiterentwicklung und Parametrierung der Hysteresemodellierung ein. Auf dieser Grundlage werden im zweiten Schritt modellbasierte Ansteuerungen konzeptioniert, simulativ analysiert und vielversprechende identifiziert. Der Fokus liegt auf einer präzisen und energieeffizienten Einstellung des remanenten Arbeitspunkts unter Berücksichtigung der Historie. Dafür sind in der Regel Informationen zum aktuellen und zu vergangenen Arbeitspunkten erforderlich, die mit Hilfe geeigneter Sensorik und Beobachterverfahren zugänglich gemacht werden. Im letzten Schritt werden die erarbeiteten Ansteuerkonzepte messtechnisch verifiziert. Die Konzepte werden anhand bestehender Demonstratoren zunächst umfangreich bei Raumtemperatur analysiert und weiterentwickelt. Die Arbeiten werden auf verschiedene Aktortemperaturen ausgeweitet, um die Funktionalität bei praxisnahen Randbedingungen zu demonstrieren. Zum Schluss wird untersucht, wie die Leistungsdichte durch optimale Abstimmung von Aktorkonstruktion und Ansteuerung erhöht werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen