Ein Beitrag zur Schätzung des Ankerhubs schaltender Elektromagnete auf Basis gemessener Ψ(I)-Kennlinien unter besonderer Berücksichtigung von magnetischen Nichtlinearitäten und Wirbelstromeinflüssen

Kellerer, Tobias

Elektromagnete sind elektro-magneto-mechanische Energiewandler mit großer technischer Verbreitung. Sie werden typischerweise dazu eingesetzt, eine Linearbewegung im Bereich von wenigen Mikrometern bis wenigen Millimetern zu aktuieren. In dieser Funktion haben Elektromagnete unter anderem große Verbreitung als Antrieb für Ventile gefunden. Durch das Schalten eines Elektromagneten wird das Ventil geöffnet bzw. geschlossen. Dabei ist der Anker, das bewegte Teil des Magneten, mit der Ventilmembran bzw. mit dem Ventilkolben, also dem beweglichen Teil des Ventils, verbunden. Somit hat der Hub des Magneten wesentlichen Einfluss auf die Ventilcharakteristik. Aufgrund hoher Integration ist es bei vielen Ventilen schwer möglich den Ventilhub optisch oder mechanisch zu messen. Die Messung und Interpretation des Schaltverhaltens von Elektromagneten auf Basis der Psi(I)-Kennlinie stellt eine Methode dar, mit der durch alleinige Messung von Spannung und Strom an der Erregerspule des Elektromagneten viele Informationen über das Verhalten eines Elektromagneten gewonnen werden können. In dieser Arbeit wird untersucht, in wieweit der Ankerhub allein anhand der Psi(I)-Kennlinie eines schaltenden Elektromagneten ermittelt werden kann. Dazu wird die Änderung der magnetischen Energie während des Schaltvorgangs geschätzt und daraus der Ankerhub ermittelt. Die bestehende Definition der magnetischen Energie und Koenergie im Psi(I)-Diagramm wird auf Kennlinien mit Hysterese- und Wirbelstromeinflüßen übertragen. Um den Ankerhub zu ermitteln ist es notwendig, Teile der gemessenen Psi(I)-Kennlinie des schaltenden Elektromagneten zu extrapolieren. Vielfältige Einflüsse auf die Form der Psi(I)-Kennlinie, die die Extrapolation erschweren werden systematisch untersucht. Es wird gezeigt, dass diese Einflüsse zum einen messtechnischer Natur sind und durch geeignete Messregime minimiert werden können. Derartige Regime werden erarbeitet und die wesentlichen Einflussmöglichkeiten herausgestellt. Zum anderen wird gezeigt wie Material- und Geometrieeffekte des Magneten und deren Kombination die Form der Psi(I)-Kennlinie beeinflussen und für zusätzliche Krümmungswechsel sorgen, die die Extrapolation erschweren. An einem ausgewählten Demonstrator mit geringen Störeinflüssen wird die Ankerhubmessung exemplarisch durchgeführt und der Ansatz zur Bestimmung des Ankerhubs für einen Spezialfall bestätigt.

An electromagnet is a popular electro-magneto-mechanical device to convert electric energy into mechanical force and displacement. It is typically used to actuate a linear movement in the range of a few micrometers to a few millimeters. One typical application of electromagnets is to drive valves. The valve is opened or closed by switching the electromagnet. Therefore the armature is connected to the valve's membrane or piston. Thus, the stroke of the electromagnet has an influence on the characteristics of the valve. Due to a high integration, it is most often difficult to measure the valve's stroke optically or mechanically. It is possible to get plenty of information on the switching characteristics of a solenoid based on the Psi(I) characteristic curve. Therefore it is only necessary to measure current and voltage of the field coil. The aim of this thesis is to investigate to what extent the armature stroke can be estimated base on the Psi(I) characteristic curve of a switching solenoid. For this purpose, the change in magnetic energy is estimated during the switching operation. The armature stroke is calculated from this energy. The existing definition of magnetic energy and coenergy in the Psi(I) characteristic curve is transmitted to characteristics influenced by hysteresis and eddy currents. To determine the armature stroke, it is necessary to extrapolate parts of the measured Psi(I) characteristic curve of the switching electromagnet. This extrapolation is hindered by many factors. One part of this thesis is devoted to a systematic analysis of factors influencing the shape of the Psi(I) characteristic. One part of these factors is based on the measuring technique and can be minimized by the measuring routine. Such a technique is developed. Another part is caused by effects of geometry and material of the electromagnet and their combination. They are causing ripple in the Psi(I) characteristics, which are making it difficult to extrapolate the characteristic curve. To confirm the concept for determination of the armature stroke, measurements were carried out using a demonstrator. The demonstrator was chosen in respect of good possibilities for measuring Psi(I) characteristic curves with low disturbing effect of geometry and material.

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Kellerer, Tobias: Ein Beitrag zur Schätzung des Ankerhubs schaltender Elektromagnete auf Basis gemessener Ψ(I)-Kennlinien unter besonderer Berücksichtigung von magnetischen Nichtlinearitäten und Wirbelstromeinflüssen. Ilmenau 2017.

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