Novel multi-stable electro-magneto-mechanical actuators based on variable remanent operating points of semi-hard- and hard-magnetic materials

基于半硬磁和硬磁材料可变剩余工作点的新型多稳态电磁机械致动器

基本信息

项目摘要

Electro-magneto-mechanical transformers are widely used in industrial and consumer applications. In fluid power applications, e. g. for valve drives, solenoids basing on the reluctance principle are primarily used. For these solenoids, various design and working principles have been established. These include mono-stable switching and proportional solenoids, which can only hold a position outside the stable position with a permanent supply of energy, as well as bi-stable switching solenoids, which only require energy during the switching operation. Multi-stable structures with any number of intermediate positions, which can be hold without energy supply, have not yet been researched. However, these actuator type has an enormous potential for significant increase of energy efficiency as well as of flexibility of current solutions. The operating principle is based on a partial magnetisation and re-magnetisation respectively of semi-hard- or hard-magnetic material by specific exploitation of the inner magnetic hysteresis behaviour.The overall aim of the planned project is a systematic research of novel multi-stable electro-magneto-mechanical structures. The detailed aims and contents of the submitted project are described in the following:Firstly, an extensive overview of semi-hard- and hard-magnetic materials with its detailed magnetic hysteresis behaviour is to be prepared. For this, the energy storage capability by inner magnetic hysteresis behaviour of a wide range of available semi-hard- and hard-magnetic materials is measured, investigated and modelled with hysteresis models from literature.Secondly, on this base, optimal material properties, magnetic circuits and control strategies for a best possible utilisation of the energy storage capability are to be identified. For this purpose, novel magnetic circuits for multi-stable solenoids are analytically researched on the base of the operating principle and compared regarding appropriate criteria. Promising variants are investigated by FE simulations with respect to their behaviour.Finally, the functionality of multi-stable solenoids is to be demonstrated. For this, a test bench is designed and built, in order to investigate promising semi-hard- and hard-magnetic materials as well as promising magnetic circuits. Furthermore, the functionality is to be verified with abstract and realistic loads.During the research period applied for, the basics of multi-stable electro-magneto-mechanical structures shall be researched so far that following projects can be focused on specific material development or on transferring the novel actuator principle into practical application.
电磁机械变压器广泛用于工业和消费应用。在流体动力应用中,例如。G.对于阀驱动,主要使用基于磁阻原理的磁阻电机。对于这些传感器,已经建立了各种设计和工作原理。这些包括单稳态开关和比例开关,它们只能在稳定位置之外保持一个位置,并具有永久的能量供应,以及双稳态开关,它们只需要在开关操作期间的能量。具有任意数量中间位置的多稳定结构,可以在没有能量供应的情况下保持,尚未被研究。然而,这些致动器类型具有显著增加能量效率以及当前解决方案的灵活性的巨大潜力。其工作原理基于半硬磁或硬磁材料的部分磁化和再磁化,通过内部磁滞特性的特定开发。该计划项目的总体目标是对新型多稳态电磁机械结构进行系统研究。所提交的项目的详细目标和内容如下:首先,准备半硬磁和硬磁材料及其详细磁滞行为的广泛概述。为此,通过测量、研究和利用文献中的磁滞模型对各种半硬磁和硬磁材料的内部磁滞行为的储能能力进行建模。其次,在此基础上,确定最佳材料性能、磁路和控制策略,以最大限度地利用储能能力。为此目的,新的磁路多稳态晶闸管的分析研究的基础上的工作原理和比较适当的标准。有前途的变种进行了调查,有限元模拟方面的行为。最后,多稳定的功能,是要证明。为此,设计并建造了一个试验台,以研究有前途的半硬磁和硬磁材料以及有前途的磁路。此外,还需要通过抽象和现实的负载来验证功能性。在申请的研究期间,应研究多稳态电磁机械结构的基础知识,以便以下项目可以专注于特定材料的开发或将新的致动器原理转化为实际应用。

项目成果

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