Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Sensorgerechte Konstruktion elektromagnetischer Ventilaktoren

Die inhärenten Zusammenhänge elektromagnetischer Ventilaktoren können genutzt werden, um aus den elektrischen Größen auf die Ankerposition zu schließen. Die sogenannte sensorlose Positionsbestimmung wurde bereits sehr erfolgreich für die Fehlerdiagnose am Ventil eingesetzt. Die erreichbare Güte hängt von den Sensoreigenschaften des jeweiligen Aktors ab. Parasitäre Effekte (mag. Hysterese und Feldverdrängung) beeinträchtigen die Auswertung. Eine sensorgerechte Gestaltung der Magnetkonstruktion war bisher nicht Gegenstand von Untersuchungen. Hier wird noch ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Leistungsfähigkeit erwartet.

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung von Werkzeugen und Methoden zur sensorgerechten Konstruktion elektromagnetischer Ventilaktoren. Ausgangspunkt ist die systematische Zusammenstellung und Bewertung von unterschiedlichen Gestaltungsmaßnahmen, die eine gezielte Beeinflussung der inhärenten Zusammenhänge erlauben. Konkret soll der Informationsgehalt der sensorlosen Positionsbestimmung gezielt erhöht, die Auswirkung parasitärer Effekte reduziert und die Implementierung vereinfacht werden. Als Analysewerkzeug dient die FEM-Simulation. Die praxistaugliche Umsetzung erfolgt anhand zweier ausgewählter Ventilaktoren. Es ist zu prüfen, welche Kompromisslösung aus Aktor- und Sensoreigenschaften eingegangen werden muss. Die angepasste Magnetkonstruktion wird in Form eines Demonstrators aufgebaut und messtechnisch erprobt. Die Auswertealgorithmen werden an die verbesserten Sensoreigenschaften angepasst.

Auf Basis der zu erarbeiteten Methodik werden die Hersteller in die Lage versetzt, die Gestaltung der Elektromagneten zielgerichtet anzupassen. Eine leistungsfähige sensorlose Positionsbestimmung liefert zusätzliche Informationen über die Komponenten. Damit ergeben sich neue, vielversprechende Anwendungsgebiete. Der Funktionsumfang der Ventiltechnik wird sich mittelfristig erweitern.

Den KMU werden die ermittelten Wirkzusammenhänge in Form von Methoden und Werkzeugen zur sensorgerechten Konstruktion elektromagnetischer Ventilaktoren, insbesondere mittels rechnergestützter Auslegung und Simulation übergeben. Damit stehen die Projektergebnisse einem breiten Nutzerkreis in leicht handhabbarer Form zur Verfügung. Für die beteiligten Unternehmen bedeutet die Nutzung der Ergebnisse eine wesentliche Stärkung ihrer Wettbewerbsfähigkeit und damit letztlich auch wirtschaftliche Vorteile im globalen Wettbewerb.

Ergebniszusammenfassung:

AP1: validierte Simulationsmodelle für Proportionalmagnet und Schaltmagnet; neues Beobachtungsverfahren: hubabhängige induktive Verlustenergie; uneindeutige Positionsbeobachtung bei globalen Sättigungseffekten

Anwendung: Positionsbeobachtung an bestehenden Aktorkonstruktionen (statisch)

AP2: formelmäßige Zusammenhänge zwischen Aktor- und Sensoreigenschaften; sensorgerechte Konstruktion für eindeutiges äquidistantes Kennfeld; inverse diff. Induktivität als Auswertegröße bei Schaltmagnet; Kompromiss Proportionalmagnet: stromquadratische Magnetkraft; induktive Verlustenergie als Vergleichsmaß zur Hysteresereduzierung; Maßnahmenkatalog inkl. Quantifizierung der Reduzierung der Verlustenergie; Blechung mit höchstem Potential

Anwendung: Einbeziehung der Maßnahmen in sensorgerechte Entwicklung von Elektromagneten

AP3: sensorgerechte Grundkonstruktion; Luftspaltweiten empfindlich auf Sensor- und Aktorverhalten; nicht äquidistantes, aber eindeutiges Sensorverhalten als Kompromiss zwischen Bauraum, Aktor- und Sensoreigenschaften (Proportionalmagnet)

Anwendung: Grundkonstruktion als Initialkonstruktion zur Entwicklung von sensorgerechten Elektromagneten; Fokus bei Entwicklung auf Luftspaltweiten/Fertigungsgenauigkeiten

AP4: zwei Demonstratoren, validiertes Aktor- und Sensorverhalten

Anwendung: Einfluss des Erkenntnisgewinns in Entwicklungsprozess

AP5: Mittelwertstrategie: statische Positionsbeobachtung mit Fehlern < 1 %; Weiterentwicklung Auswertestrategie: dynamische Positionsbeobachtung mit Fehlern < 5 %; onlinefähige Widerstandsbestimmung

Anwendung: Positionsbeobachtung für sensorgerechte Konstruktionen (dynamisch und statisch)