3D-FEM-Simulation eines elektromagnetischen Aktuators mit Ferrofluid

Einführung

Lineare elektromagnetische Aktuatoren mit Solenoidtyp sind in industriellen Anwendungen weit verbreitet. Sie sind Teil verschiedener elektromagnetischer Geräte, die auf unterschiedlichen Steuerungsmechanismen basieren. Sie werden in elektromagnetischen Ventilbetätigungssystemen, Kraftstoffeinspritzsystemen, Abgasrückführungssystemen, Waschmaschinen usw. verwendet.

Um einen elektromagnetischen Aktuator mit optimaler Betätigungskraft, hoher Zuverlässigkeit und geringem Energieverbrauch zu entwickeln, wurde eine neue Generation von Aktuatoren mit Ferrofluid im Arbeitsspalt entwickelt. Eine solche Art von Fluid mit einer erhöhten magnetischen Permeabilität könnte den magnetischen Widerstand des Aktuators signifikant verringern.

Ferrofluide, auch magnetische Flüssigkeiten genannt, sind eine besondere Kategorie intelligenter Nanomaterialien. Das Fluid zeigt sowohl Fluidität als auch Superparamagnetismus, wobei starke magnetische Dipole durch Magnetfelder wirksam gesteuert werden können [1]. Ferrofluid-Flüssigkeiten werden heutzutage in zahlreichen Industrie- und Laboranwendungen eingesetzt. Sie bestehen üblicherweise aus einer kolloidalen Lösung mit sehr feinen ferromagnetischen Partikeln, die in ausreichend viskosen Trägerflüssigkeiten verdünnt sind. Eine höhere Viskosität dieser Flüssigkeiten gewährleistet ihre relativ gute räumliche und zeitliche Homogenität. Einige ihrer physikalischen Parameter (Permeabilität und Viskosität) hängen stark vom äußeren Magnetfeld ab.

Elektromagnetische Systeme mit Ferrofluid-Nanomaterialien zeichnen sich durch eine bessere Arbeitsleistung und einen geringeren Energieverbrauch aus. Eine ihrer zukünftigen technischen Anwendungen sind klassische elektromagnetische Aktuatoren, bei denen der Arbeitsraum mit ferrofluidischer Flüssigkeit gefüllt ist, die interessantere Verbesserungen der Magnetkraft bieten kann. Der Gesamtmagnetwiderstand der Aktuatoren ist geringer und die erforderliche Magnetflussdichte kann mit geringerem Feldstrom erreicht werden.

Problembeschreibung

Der untersuchte elektromagnetische Aktuator besteht aus einem stationären ferromagnetischen Kern, der eine Kupfer-Gleichstromspule umgibt, einem beweglichen ferromagnetischen Kolben und einem mit Ferrofluid gefüllten Arbeitsspalt (siehe Abbildung 2). Die Spule besteht aus 500 Windungen Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1 mm. Das Material des Kerns und des Kolbens ist Kohlenstoffstahl 12040 mit BH-Charakteristik.

Das Arbeitsprinzip des Stellantriebs basiert auf der Erregung des ferromagnetischen Kreises mit einer Gleichstrom führenden Spule, die ein Magnetfeld (B) erzeugt, das den Kolben durch die Magnetkraft (Fm) zieht. Ist diese Kraft höher als die Summe verschiedener Widerstände (Reibung, hydrodynamischer Widerstand, äußere Kraft), so bewegt sich der Stößel.

Tabelle 1 - Bauteilabmessungen

Materialeigenschaften

Tabelle 2 - Materialeigenschaften

	Dichte (Kg/ )	Magnetische Permeabilität	Elektrische Leitfähigkeit (S/m)
Kupfer (Cu)	8900	0,99	6 E + 07

Abbildung 3 - BH-Kurve aus Kohlenstoffstahl 12040

Ineinander greifen

Das vermaschte Modell ist in Abbildung 4 dargestellt. Für genaue Ergebnisse wurde die Feinmaschenkontrolle auf das gesamte Modell angewendet.

Um die Wirkung des Ferrofluids auf das Verhalten des Stellglieds für verschiedene Eintauchpositionen zu bewerten, wurde eine Reihe von Simulationen für einen Bereich der Ferrofluiddurchlässigkeit zwischen 1 und 50 durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse sind nachstehend gezeigt.

Magnetfeld Ergebnisse

Fall 1: Linearer ferromagnetischer Kohlenstoffstahl

Für den Fall eines linearen ferromagnetischen Kohlenstoffstahlmaterials werden die Flussdichte und die Magnetfeldverteilung für verschiedene Werte der Ferrofluid-Permeabilität und der Kolbenpositionen durch die Querschnittsdarstellungen in den 5, 6 und 7 gezeigt.

Abbildung 5 - a) Magnetische Flussdichte und b) Magnetfeldverteilung für µ=1, d=2,5 mm.

Abbildung 6 - a) Magnetische Flussdichte und b) Magnetfeldverteilung für µ=5, d=2,5 mm.

Tabelle 3 - Vergleichstabelle der Ergebnisse der Flussdichte zwischen EMS und Lit. [3].

Fall 2: Nichtlinearer ferromagnetischer Kohlenstoffstahl

Für den Fall eines nichtlinearen ferromagnetischen Kohlenstoffstahlmaterials ergaben die Simulationen die folgenden Magnetflussergebnisse:

Es ergibt sich eine magnetische Kraft

Fall 1: Linearer ferromagnetischer Kohlenstoffstahl

Für den Fall des linearen Problems wird die erzeugte elektromagnetische Kraft gemäß der relativen magnetischen Permeabilität von Ferrofluid bei verschiedenen Arbeitsspalten bewertet.

Die Änderung der Kraft gegenüber der Kolbenposition für eine Ferrofluidpermeabilität von 50 ist in 10 dargestellt. Die Änderung der Kolbenposition wirkt sich umgekehrt auf die erzeugte Magnetkraft aus. Letzteres erzielt erhebliche Werte für geringere Ferrofluid-Lücken.

Für eine feste Kolbenposition, die auf d=2,5 mm von der Kernbasis eingestellt ist, sind die erhaltenen Kraftergebnisse in der Abbildung 11 dargestellt. Es ist zu bemerken, dass bei höheren magnetischen Permeabilitäten des Ferrofluids die erzeugte Kraft höhere Werte erreichte. Der Maximalwert der elektromagnetischen Kraft beträgt Fmax 73 N mit µ=50. Ein Vergleich zwischen EMS und Referenz [3] zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen ihnen.

Abbildung 10 - Ergebnisse von EMS und Referenz [3] für verschiedene Kolbenpositionen für µ=50.


Abbildung 11 - Ergebnisse von EMS und Referenz [3] für unterschiedliche Ferrofluid-Permeabilitäten bei einer Kolbenposition von d=2,5 mm.

Fall 2: Nichtlinearer ferromagnetischer Kohlenstoffstahl

Für den Fall von nichtlinearem ferromagnetischem Kohlenstoffstahl wurde eine Reihe von Simulationen für verschiedene Kolbenpositionen und Ferrofluid-Permeabilitätswerte durchgeführt, um die erzeugte Kraft unter dem Einfluss des Ferrofluid-Spalts zu berechnen.

Die Änderung der Kraft gegenüber der Kolbenposition für eine Ferrofluidpermeabilität von 5 ist in Fig. 12 gezeigt. Die Änderung der Kolbenposition wirkt sich umgekehrt auf die erzeugte Magnetkraft aus. Letzteres erreicht vernachlässigbare Werte bei großen ferromagnetischen Lücken.

Für eine feste Kolbenposition, die auf d=2,5 mm von der Kernbasis eingestellt ist, sind die erhaltenen Kraftergebnisse in Abbildung 13 dargestellt. In kleinen Lücken nimmt die elektromagnetische Kraft im Bereich der relativen magnetischen Permeabilität von 1 bis 5 signifikant zu Durchlässigkeit, die elektromagnetische Kraft nimmt ab. Der Maximalwert der elektromagnetischen Kraft beträgt Fmax 29 N mit µ=5. Ein Vergleich zwischen EMS und Referenz [3] zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen ihnen.

Abbildung 12 - Ergebnisse von EMS und Referenz [3] für verschiedene Kolbenpositionen für µ=5


Abbildung 13 - Ergebnisse von EMS und Referenz [3] für unterschiedliche Ferrofluid-Permeabilitäten bei einer Kolbenposition von d=2,5 mm.

Fazit

Die Verwendung von Ferrofluid-Materialien mit erhöhter magnetischer Permeabilität kann den magnetischen Widerstand der Systeme erheblich verringern. Ferrofluid zeichnet sich durch eine hohe Magnetisierungssättigung ohne Remanenz aus. Ferrofluid im Arbeitsspalt von elektromagnetischen Aktuatoren erhöht die elektromagnetische Kraft und somit könnte mit einer solchen Einstellung eine größere Kraft mit einem kompakteren Aktuator erhalten werden.

Ferrofluid passt sich perfekt an jede Geometrie an und kann sich durch sehr kleine Kanäle bewegen. Es wird verwendet, um das Geräusch zu eliminieren oder wesentlich zu reduzieren, das durch den Stößel des Stellglieds verursacht wird, der auf den Kern auftrifft. Darüber hinaus ist ein Magnetflussleck normalerweise ein signifikantes Problem, das mit Solenoidaktuatoren verbunden ist. Diese Leckage kann durch die Verwendung des Ferrofluids im Magnetkreis des Aktuators verringert werden.

Verweise

[1] http://112.216.150.106:8080/paros/download/pdf/E1MGAB_2017_v22n1_109.pdf
[2] https://www.computerhope.com/jargon/f/ferrofluid.htm
[3] Terzova, A. I., V. M. Mateev, and I. Y. Marinova. "Modelling of electromagnetic actuator with ferrofluid." CEMBEF 2013(2013): 75-78.