Technologie

Transparenz bis ins Detail

Magnet­hysterese im Fokus

„Hierzu liegen uns keine genauen Informationen vor …“ So oder ähnlich könnte eine Antwort auf die Frage lauten, wenn es um den Einfluss des Materials auf die erreichbare Magnethysterese in elektromagnetischen Aktoriksystemen geht. Nicht so bei Thomas, wo ganzheitliches Denken und tiefgreifendes Systemverständnis der Motor einer zukunftsgerichteten Wissens- und Innovationskultur sind.

Die Problematik der Materialhysteresen und deren Einfluss auf die Aktorperformance ist für einen Hersteller elektromagnetischer Aktuatorik kein neuartiges Thema, allerdings erfordern technologischer Fortschritt und stetig steigende Anforderungen eine kontinuierliche Überprüfung des bisherigen Entwicklungsvorgehens.

„Das Technologie Labor Dresden (TLD) als unternehmenseigener Dienstleister ist für derartige Fragestellungen der ideale Ansprechpartner, indem aktuelle Herausforderungen der Geschäftsbereiche den neuesten Erkenntnissen und Kompetenzen gegenübergestellt werden, um neue Lösungen aufzuzeigen“, hebt Dr. Michael Erhard, Entwicklungsingenieur im TLD, hervor. „Obgleich ein breit gefächerter Wissens- und Erfahrungsschatz zur Magnethysterese vorliegt, zeigen gegenwärtige Kundenanforderungen, beispielsweise für Getriebemagnete, dass weitere Entwicklungsschritte ein äußerst komplexer, langwieriger Prozess sein können.“ Die maximal zulässige Hysterese liegt mittlerweile in Bereichen, in denen der Materialeinfluss signifikant zunimmt. Zusätzlich erschwert die praktisch nicht erreichbare Trennung von Versuchsergebnissen in Material- und Reibungsanteile das vielmals empirisch geprägte Vorgehen.

Um einen Wissensvorsprung zu generieren und die Entwicklungseffizienz zu verbessern, setzt Thomas auf modernste Berechnungs- und Versuchsmethoden. Elektromagnetische Aktoriksysteme mit Hysterese erfordern zum einen die genaue Ermittlung der von Verarbeitungseinflüssen abhängigen Materialeigenschaften. Zudem sind die von der Vorgeschichte bestimmten Materialzustände korrekt wiederzugeben. Thomas geht hierbei eigene Wege, um in Zusammenarbeit mit den Lieferanten relevante Materialkenngrößen zu erfassen und sicherzustellen. Magnetsimulationen mit fortschrittlichen Werkstoffmodellen bilden das Bindeglied zwischen den gemessenen Materialeigenschaften und der materialbedingten Krafthysterese. Am Anfang einer Reihe von simulationsbasierten Verbesserungsansätzen stehen hierbei Materialanpassung und -anordnung sowie Ansteuercharakteristik.

Einen bedeutenden Meilenstein stellte die erfolgreiche Übertragung der an einem reibungsfreien Demonstrator durchgeführten Grundlagenuntersuchungen auf ein anspruchsvolles Produkt aus dem Getriebesegment dar. Die Berechenbarkeit der Krafthysteresen für eine Gleichstrom- und pulsweitenmodulierte Ansteuerung sowie deren Aufteilung in Reibungs- und Materialanteile eröffnen völlig neue Möglichkeiten der Produktentwicklung und -optimierung.

Die ermittelten Reibungsgrößen korrelieren hierbei unabhängig vom Messvorgehen mit vorhandenen Querkräften. Das Messvorgehen selbst sowie die Ansteuerung bestimmen aufgrund der unterschiedlich durchlaufenen Hysteresepfade den Anteil der Materialeigenschaften an der gesamten Magnethysterese. „Das konsequente Verfolgen der Themenstellung sowie die interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb des Unternehmens hatten einen wesentlichen Anteil am Gelingen,“ resümiert Dr. Michael Erhard den bisherigen Forschungsverlauf. „Wir sind zuversichtlich, dass der gegenwärtige Erkenntnisstand dazu beiträgt, unseren Kunden auch in Zukunft leistungsfähige und innovative Produkte anzubieten.“

Materialeigenschaften

Die Magnetisierung der in elektromagnetischen Antrieben eingesetzten ferromagnetischen Materialien ist phenomenologisch durch eine Hysterese mit nichtlokalem Gedächtnis gekennzeichnet. Typischerweise wird das Hysteresegebiet durch Grenzkurven visualisiert, aus denen sich die Kennwerte Remanenzflussdichte und Koerzitivfeldstärke ablesen lassen, wobei letztere vielmals als ausschlaggebendes Hysteresemaß gedeutet wird. Gleiches gilt für die Neukurve als Vereinfachung für die Vorausberechnung. Hingegen veranschaulichen Umkehrkurven das vorherrschende Materialverhalten besser. Anhand derer lassen sich beispielsweise die in unipolar angesteuerten Magneten vorherrschenden Hysteresepfade aufzeigen.

Die Verknüpfung der von Vorgeschichte und Eingangssignalverlauf abhängigen Materialzustände mit der in Kraft-Hub- bzw. Kraft-Strom-Kennlinien auftretenden Umkehrspanne ist mittels fortschrittlicher Berechnungsansätze zweifelsfrei möglich. Die Grundlagenbetrachtungen lösen damit die bisher wenig beachtete Fragestellung zum Einfluss der Materialhysterese auf die beobachtbare Umkehrspanne, eine wesentliche Performancekenngröße, in elektromagnetischen Aktoren.