Neuartige multistabile elektro-magneto-mechanische Aktorstrukturen auf Basis variabler remanenter Arbeitspunkte halbhart- und hartmagnetischer Materialien

• 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 von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434232806

Elektro-magneto-mechanische Wandler werden in einer Vielzahl im Industrie- und Konsumentenbereich eingesetzt. Im Bereich der Fluidtechnik, beispielsweise für Ventilantriebe, werden vorrangig Linearaktoren, die auf dem Reluktanzprinzip basieren, eingesetzt. Dafür haben sich verschiedene Konstruktions- und Wirkprinzipien etabliert. Hierzu zählen monostabile Schalt- und Proportionalmagnete, die nur mit dauerhafter Energiezufuhr eine Stellung außerhalb der Ruhelage halten können, sowie bistabile Schaltmagnete, die Energie nur während des Schaltvorgangs benötigen. Noch nicht erforscht sind multistabile elektro-magneto-mechanische Aktorstrukturen mit beliebig vielen Zwischenstellungen, die leistungslos gehalten werden können. Diese besitzen ein enormes Potential, um sowohl die Energieeffizienz als auch die Flexibilität bestehender Lösungen im Industrie- sowie Konsumentenbereich signifikant zu erhöhen. Die Funktionsweise basiert auf einer teilweisen Auf- bzw. Ummagnetisierung von halbhart- oder hartmagnetischem Material durch gezielte Ausnutzung des inneren magnetischen Hystereseverhaltens.Das übergeordnete Ziel des geplanten Forschungsvorhabens besteht in der methodischen Erforschung innovativer multistabiler elektro-magneto-mechanischer Strukturen. Im Detail ergeben sich folgende Zielstellungen und Inhalte für das beantragte Projekt:Im ersten Schritt soll eine umfangreiche Übersicht von halbhart- und hartmagnetischen Materialien mit deren detaillierten magnetischen Hystereseverhalten angefertigt werden. Hierzu wird die Energiespeicherfähigkeit in Form des inneren magnetischen Hystereseverhaltens eines weiten Spektrums verfügbarer halbhart- und hartmagnetischer Materialien vermessen, analysiert und mit Hysteresemodellen aus der Literatur abgebildet.Auf dieser Grundlage sollen im zweiten Schritt optimale Materialeigenschaften, Magnetkreise und Ansteuerungen für eine bestmögliche Ausnutzung der Energiespeicherfähigkeit identifiziert werden. Dazu werden neuartige Magnetkreise für multistabile Elektromagnete ausgehend vom Wirkprinzip analytisch erforscht und hinsichtlich geeigneter Kriterien verglichen. Vielversprechende Varianten werden bezüglich ihres Verhaltens mit Hilfe von FE-Simulationen untersucht.Im letzten Schritt soll die Funktionsfähigkeit multistabiler elektro-magneto-mechanischer Strukturen demonstriert werden. Hierzu wird ein Versuchsträger konzipiert und aufgebaut, um damit vielversprechende halbhart- und hartmagnetische Materialien sowie vielversprechende Magnetkreisstrukturen zu untersuchen. Darüber hinaus soll die Funktionsfähigkeit mit abstrakten und realen Lasten nachgewiesen werden.Im beantragten Forschungszeitraum sollen die Grundlagen multistabiler elektromagnetischer Strukturen so weit erforscht werden, dass im Rahmen von Folgeprojekten die gezielte Materialentwicklung mit spezifischen Eigenschaften erfolgen kann, sowie das neuartige Aktorprinzip in die praktische Anwendung überführt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen