Entwurf elektromagnetischer Aktoren unter Berücksichtigung von Hysterese

Rosenbaum, Sören

Elektromagnete sind Antriebselemente, die für verschiedenste Aufgaben in Automatisierungstechnik und Automobilbau eingesetzt werden. Aktuelle Anforderungen nach hoher Dynamik und Energieeffizienz bewegen sich dabei oft an den Grenzen des physikalisch Möglichen. Gerade um in diesen Grenzbereichen einen zuverlässigen und robusten modellbasierten Entwurf gewährleisten zu können, ist es nötig, alle relevanten physikalischen Effekte zu berücksichtigen. Elektromagnetische Hysterese ist dabei ein Effekt, der sich stark auf das Verhalten eines Antriebs auswirkt, bisher aber im Entwurf in der Regel nicht berücksichtigt werden konnte. Im Rahmen dieser Arbeit wurde versucht, genau diese Lücke bereits für frühe Entwurfsphasen zu schließen. Dafür wurden in der Literatur bekannte Hysteresemodelle zur Abbildung der reinen Materialeigenschaft miteinander verglichen und das bestgeeignetste ausgewählt. Aufgrund seiner Genauigkeit und Recheneffizienz eignet sich das Jiles-Atherton-Modell gut für umfangreiche Simulationsrechnungen. Verschiedene Methoden zur Identifizierung und Optimierung des Modell-Parametersatzes aus gemessenen Materialkennlinien werden vorgestellt und miteinander verglichen sowie für eine automatisierte Bestimmung aufbereitet. Durch die erfolgreiche Implementation in das an der Technischen Universität Ilmenau entwickelte Entwurfstool SESAM kann der Einfluss von Hysterese auf das Verhalten von Elektromagneten anhand von Netzwerkmodellen analysiert und so in den Entwurfsprozess mit einbezogen werden. Denkbar sind so z. B. Berechnungen von hysteresebehafteten statischen und dynamischen Kennlinienfeldern oder Optimierungsrechnungen zum Minimieren von Remanenzkräften oder Ummagnetisierungsverlusten. Anhand von typischen Beispielen beim Elektromagnetentwurf wird die Leistungsfähigkeit des Algorithmus unter Beweis gestellt.

The demands on modern drive systems are increasing constantly and are getting closer to the limits of the physically possible. Additionally, the high cost pressure requires an effective design process with short development times for new products. In order to find valid solutions for a given motion task close to the limits, ressourceful design tools are needed. They should be able to consider all relevant physical effects. One specific effect, that infl uences mostly fast-acting and low-power actuators, is electromagnetic hysteresis. Until now this effect is modelled and simulated only to describe the material property itself, not its infl uence on the behaviour of reluctance actuators. But this is neccessary to match future design demands. So the aim of this thesis is to investigate the in fluence of hysteresis on the function of electromagnets with means of simulation. The foundation therefor is to proof the validity of known algorithms for force and energy computation. Different modelling approaches for hysteresis are brie fly introduced and compared with respect to their suitability, accuracy and computation complexity. The Jiles-Atherton model seems to be best suited for the task. A reproducable, safe and efficient process for identifying the model parameters from measured curves is essential for the usability in engineering work. This process should be able to run fully automated. Four optimization algorithms are applied to this task and compared with each other. Their recommended settings are identified. Finally, the Jiles-Atherton model is to be implemented into the simulation software SESAM (developed at Ilmenau University of Technology). Testing, validation and discussion of the results are performed utilizing typical design tasks for electromagnetic actuators.

Die Anforderungen an moderne Antriebssysteme wachsen stetig und nähern sich immer mehr den Grenzen des physikalisch Möglichen. Gleichzeitig erfordert der hohe Kostendruck einen effektiven Entwicklungsprozess mit kurzen Entwicklungszeiten für neue Produkte. Um auch in den geforderten Grenzbereichen erfolgreich eine Lösung für eine neue Antriebsaufgabe zu finden, sind leistungsfähige Entwicklungswerkzeuge nötig. Diese müssen in der Lage sein, alle relevanten physikalischen Effkte zu berücksichtigen. Ein Effekt, der besonders schnell schaltende und energiearme Aktoren in ihrer Funktionsweise stark beein flusst, ist die magnetische Hysterese. Sie wird bisher in Modellbildung und Simulation nur für Materialeigenschaften, nicht aber für das Verhalten von Reluktanzantrieben berücksichtigt. Für den zukünftigen Entwurfsprozess gilt es, diese Lücke zu schließen. Ziel dieser Arbeit ist die Simulation und modellbasierte Untersuchung der Auswirkungen der Hysterese der Magnetmaterialien auf die Funktionsweise von Elektromagneten. Dazu muss zunächst die Gültigkeit bekannter Energie- und Kraftberechnungsalgorithmen nachgewiesen werden. Es folgt eine Gegenüberstellung verschiedener in der Literatur bekannter Hysteresemodelle bezüglich Eignung, Genauigkeit und Rechenaufwand sowie die Festlegung auf die Verwendung eines Jiles-Atherton-Modells. Um für den Entwickler einfach anwendbar zu sein, wird ein reproduzierbarer, sicherer und effizienter sowie automatisierbarer Parameteridentifikationsprozess benötigt. Dazu werden verschiedene Optimierungsalgorithmen miteinander verglichen und geeignete Einstellungen vorgeschlagen. Schließlich soll das Modell in die Berechnungssoftware SESAM, die an der Technischen Universität Ilmenau entwickelt wurde, implementiert werden. Test, Funktionsnachweis und Diskussion erfolgen an typischen Aufgabenstellungen für den Entwurf elektromagnetischer Aktoren.

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Rosenbaum, Sören: Entwurf elektromagnetischer Aktoren unter Berücksichtigung von Hysterese. Ilmenau 2011. Universitätsverlag Ilmenau.

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