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УДК 621.311
ENTWICKLUNG ENERGIEEFFIZIENTER VENTILANTRIEBE
© 2009 г. S. Rosenbaum, O. Radler, T. Hüfner, T. Ströhla
Технический университет, г. Дортмунд Technische Universität Dortmund
Dieser Artikel beschäftigt sich mit dem modellbasierten Entwurf von Elektromagneten als Ventilantriebe. Ziel der Entwicklung sind Magnete, die sich durch eine besonders niedrige Energieaufnahme auszeichnen und somit das Potential haben, in energieautarken Inselsystemen zur Steuerung von Stoffflüssen eingesetzt zu werden. Dabei kommen polarisierte Magnetkonzepte zur Anwendung, die bipolar angesteuert werden müssen. Aus Kostengründen ist jedoch nach außen hin eine einfache Spannungsansteuerung gewünscht, um zu herkömmlichen neutralen Ventilmagneten kompatibel zu bleiben. Besonders unter den Aspekten des geringen Energiebedarfs und einer preiswerten und möglichst kompakten Bauform ist ein ganzheitlicher mechatronischer Entwicklungsansatz nach VDI 2206 nötig. Gezeigt wird der Entwurfsablauf am Beispiel. Zum Einsatz kommen domänenübergreifende Werkzeuge wie SESAM und domänenspezifische Entwicklungstools wie Schaltungssimulatoren und magnetischer FEA. Ergebnis ist ein Ventilkonzept mit deutlich reduzierter Leistungsaufnahme bei gleicher Baugröße und Ansteuerung über ein einfaches Spannungssignal.
Schlagwörter: Magnetventile; Industriepneumatik; Entwurfsmethodik; Energieeffizienz; Elektromagnet; Simulation, Entwurf; Netzwerkmodell.
Рассматривается основанное на моделировании проектирование электромагнитов для вентильных приводов. Целью разработки являются магниты, которые отличаются минимальным потреблением энергии и таким образом обладают потенциалом для применения в энергетически автономных системах для управления потоков. При этом применяются поляризированные магнитные конструкции, которые управляются биполярно. С точки зрения стоимости желательным является простое управление напряжением, чтобы быть совместимым с обычными нейтральными магнитными вентилями. В статье представлен процесс разработки на примере, для чего применены междоменные инструменты, такие как SESAM, и специальные средства разработки, такие как схемотехническое моделирование и метод конечных элементов. Результатом разработки является концепция клапана со значительно сниженым потреблением энергии при неизменных размерах и управлении простым сигналом напряжения.
Ключевые слова: магнитные клапаны; промышленная пневматика; метод разработки; повышение коэффициента полезного действия; электромагнит; имитационное моделирование; метод магнитных цепей.
The article refers to the electromagnet development for valve electric drives on the simulation basis. The aim of the development is the magnets with minimal energy consumption. They could be applied in autarchy power systems for flow regulation. Polarized magnet constructions are used in the above mentioned system, being regulated bipolar. To be compatible with initial magnetic valve, simple control is advisable in the terms of cost. The process of the development is shown in the article, using interdomain tools such as SESAM, general-circuit simulation and finite elements method. The result of the work is the valve concept with reduced energy consumption, but dimensions are invariable, control being carried out by simple signal.
Keywords: magnet clapper; industrial pneumatic; method of development; energy efficiency; electromagnet; simulation; design; network model.
1. Motivation zeuge, bewegliche oder rotierende Teile) und Verfügbar-
Produktionsanlagen der Zukunft bestehen aus selbst- keit der Information (nur am Ende des Kabels) sowie auch
ständigen Fertigungszellen, die weitgehend autonom ar- Kostenaspekte (Kupferpreis) verbunden. beiten und flexibel konfigurierbar sind. Die Effizienz und Magnetisch betätigte Pneumatikventile sind wesentli-
Zuverlässigkeit industrieller Produktionsanlagen hängen che Funktionselemente zur Steuerung v°n Druckluft als
in hohem Maße von der Verfügbarkeit vielfältiger Infor- Energietrager in solchen Anhgrn.
mationen ab. Diese Informationen, die sowohl eine Über- Das vom ^tesmirnssterium für Wirtschaft und
wachung verschiedener Größen als auch die Ansteuersig- Technologie geförderte Forschungsprojekt EnAS [1]
nale einzelner Anlagenkomponenten betreffen, werden (Energieautarke Aktor- und Sensorsysteme) verfolgt das
heute zumeist über Kabelverbindungen übertragen. Mit Ziel, neue Technologien für flexibel konfigurierbare Pro-
der Verkabelung sind Einschränkungen hinsichtlich Flexi- duktionsanlagen zu entwickeln. Dazu sollen zur Erleichte-
bilität (Umbauten, Erweiterungen), Einsatzbereich (Fahr- rung der Installation pneumatischer Komponenten für den
Anlagenaufbau und -umbau dezentrale Einheiten als energieautarke Systeme eingesetzt werden. Dies setzt ein umfassendes Energiemanagement voraus, das den Ressourcen schonenden Umgang mit der zur Verfügung stehenden Energie gewährleistet. Ein Teil der Sparmaßnahmen sieht die Verwendung energiearmer Aktoren zur Ventilbetätigung vor.
Die Idee ist, die Vorteile von polarisierten Elektromagneten für den Einsatz als Betätigungsmagnet auszunutzen. So können beispielsweise die funktionsnotwendigen Schaltpositionen leistungslos gehalten werden, ohne permanent Energie zuzuführen. Aus Kostengründen muss die Ansteuerung nach außen hin genau wie bei herkömmlichen neutralen Ventilen erfolgen, ohne den Bauraum zu erweitern.
2. Mechatronischer Entwurf von Magnetsystemen (VDI 2206)
Elektromagnete sind elektro-magneto-mechanische Energiewandler, die elektrische Energie über die Zwischenform der magnetischen Energie in mechanische Energie zur Bewegungserzeugung umwandeln. Verzögernde und dissipative Elemente beeinflussen dabei in jeder Domäne das dynamische Verhalten und tragen zu Energieverlusten bei (Bild 1).
Zur analytischen Beschreibung eines Elektromagneten kann vereinfachend das folgende Differenzialgleichungs-system herangezogen werden [2]:
U 0 = i (R + RM) +
gy( i) dx gy( x, i) di я
dx dt
di dt
d Ф
® = ®( RmFe + Rmx ) + Lm~^ i d '
Fm (x, i) = -Mx, i) di
dx 0
(1)
(2)
(3)
(4)
Fm (x, i) = mx + px + cx + F0
mit U0 - Betriebsspannung; i - Strom; R, RM - ohmsche Widerstände; ¥ - verketteter magnetischer Fluss; © -Durchflutung; O - magnetischer Fluss; RmFe, Rmx - magnetische Widerstände; Lm - magnetische Induktivität (Wirbelstrommodell); Fm - Magnetkraft; x - Ankerposition; m - Ankermasse; c - Federrate; p - Dämpfungskonstante; F0 - Gegenkraft/Last.
Da die zu entwerfenden Ventilantriebe Systeme darstellen, die im Hinblick auf energetische Aspekte optimiert werden sollen, müssen die Aktoren zusammen mit ihrer Ansteuerelektronik und den integrierten mechanischen/pneumatischen Funktionen als mechatronisches System betrachtet und ganzheitlich im Entwurf berücksichtigt werden.
R.
UolC ' Rm
©K
begrenzende Elemente
Fm(x, i)
mx
F0
CXl I px
verzögernde Elemente
r__ü dissipative Elemente
Bild 1. Vereinfachte Grundstruktur des Elektromagneten mit energie- und dynamikrelevanten Elementen [2]
Modellbildung und -analyse
Bild 2. Mechatronischer Entwurfsprozess nach VDI 2206 [3]
Die VDI-Richtlinie 2206 [3] empfiehlt dafür ein Vorgehen nach den folgenden drei Schritten (Bild 2) [4]:
- Systementwurf als konzeptioneller Entwurf, in dem die aus der Funktionsstruktur abgeleiteten Teilfunktionen entsprechenden Teilstrukturen zugeordnet werden,
- Domänenspezifischer Entwurf, in dem die Teilstrukturen mit domänenspezifischen Werkzeugen entworfen werden,
- Systemintegration zu einem optimalen Ganzen - unter Berücksichtigung funktioneller und technologischer Aspekte.
Auf diese Weise lassen sich Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Teilstrukturen schon im Entwurfs-prozess berücksichtigen und ausnutzen.
3. Systementwurf
3. 1. Funktionsstruktur
Im Sinne einer optimalen Auslegung des Systems ist die gesamte Ventileinheit im Systementwurf zu berücksichtigen. Ziel des Entwurfs ist ein spannungsgesteuertes integriertes bistabiles 3/2-Wege-Ventil.
Nach methodischer Herangehensweise ist nun zunächst die Gesamtfunktion - das leistungsarme Steuern eines Druckluftstromes mit einem Spannungssignal, das gleichzeitig die benötigte elektrische Leistung trägt - in verschiedene Teilfunktionen zu zerlegen. Dabei wird aus verschiedenen möglichen Varianten nach einem objektiven Bewertungsmaßstab die bestmögliche Blockstruktur ausgewählt.
Weil bistabile Elektromagnete relativ empfindlich gegenüber Toleranzen in Federparametern und Dauermagneteigenschaften sind, wurde beschlossen, die 3/2-Wege-Ventilfunktion nicht in den Aktor zu integrieren. Die sonst benötigten zwei Ventilsitze würden deutlich höhere Genauigkeitsforderungen an das Aktorsystem stellen. Bild 3 zeigt eine mögliche Funktionsstruktur.
3.2. SESAM als Tool für den Systementwurf
Modellierungsansätze im Hinblick auf eine energetische Optimierung des Gesamtsystems erfordern zwingend transiente Simulationen, die die Wechselwirkungen der einzelnen Domänen untereinander berücksichtigen.
Durch seine universale Beschreibungsweise erlaubt die Software SESAM eine Einbindung der elektrischen Ansteuerung und der Bewegungsdifferentialgleichung in diskreter Form. Die Lösung erfolgt zusammen mit der magnetischen Domäne (nichtlineare Netzwerkmodelle) für jeden Zeitschritt. Im Sinne einer Optimierung muss in diesem Rahmen für jeden geometrische Parametersatz des Aktors eine Spulendimensionierung erfolgen, die Einfluss auf das dynamische Verhalten des Systems und damit z. B. auf die benötigte Länge von Schaltimpulsen hat. Die zu verwendenden Netzwerkmodelle (Bild 4) für das magnetische System müssen sogenannte «magnetische Induktivitäten» als Wirbelstromelemente beinhalten, um deren signifikanten Einfluss auf das Schaltverhalten ausreichend abbilden zu können. Dabei ist deren Parametrierung schwierig, da tatsächliche Wirbelstrompfade und Leitfähigkeiten des Materials nicht bekannt sind. Es kann sinnvoll sein, einzelne FEM-Rechnungen dafür heranzuziehen.
Zielfunktion einer solchen dynamischen Optimierung kann die Minimierung der benötigten Schaltenergie bei ausreichender Schaltimpulslänge für einen Umschaltzyklus sein. Randbedingungen sind dann i. d. R. GeometrieRestriktionen. Konfigurationen, bei denen ein sicheres Schalten nicht erfolgt, können erkannt und verworfen werden [5]. Bild 4 zeigt einen möglichen Projektbaum für einen dynamischen Optimierungsvorgang sowie simulierte Weg-Zeit-Verläufe. Die kostengünstige Verfügbarkeit und die vorteilhafte Charakteristik (lineare Kennlinie) moderner Hochenergiedauermagnete sprechen für den Einsatz von NdFeB im Magnetkreis. Die hohen Energiedichten erlauben die Verwendung kleiner Magnete. Um energetisch günstig arbeiten zu können, muss der Steuerfluss der Spule weitgehend vom Dauermagnetfluss entkoppelt sein.
Bild 3. Funktionsstruktur des mechatronischen Ventilkonzepts
ф SESAM
; File Edit Vtew Extras Help
о ъа x I о
\k /d-L III Iii; <1 t
Projects
ProjektverweUung - /Ф Task; Solenoid design
J^ PreProci Constant* - Cr OptimaX
PreProc: Geometry M, PreProc: EddyCunent ^ PreProc: Electrics l^J Coil Dimensioning ^ PreProc:Transientlnrt a 1® DynamiX
Magnetic Network ^ PostProc: FluvEval
PostProc: Motion DiffEqn Po&tProc Energy [F] Output; Optimal Design B Output: Optima Coil Data □ ^ Parametria Force-Stroke-Char ^ PoStProC: MMF
Magnetic Network •R PostProc: Force-AirGap [0 Output Force-Stroke-Char PreProc Transiently -! D/namiX: TimeChar Yj Magnetic Network ft PostProc: FluxEval
PoitProc: MotionDtffEijn ^ PostProc: Energy O Output Time Characteristic* Output: Actuation Times/Energy jJ]Projects 0 Online-Help Q Materials Press Fl to open help.
position - time characteristics
0.60л----
time [s]
Netzwerkmodell für Dynamiksimulation mit magnetischen Induktivitäten
Bild 4. Dynamische Optimierung mit SESAM - Projektbaum, Netzwerk, Schaltvorgang
Deshalb bietet sich eine Parallelkreisstruktur an. Trotz der kleinen geometrischen Abmaße des eingesetzten Dauermagneten sind die resultierenden Flüsse in einem geschlossenen Eisenkreis zu groß, um mit kleinen Schaltimpulsen der Spule ausreichend beeinflusst zu werden. Daher wurde eine Struktur mit dominierenden Streuflüssen und gezieltem Einsatz von Sättigungserscheinungen gewählt, um die Stärke des Dauermagnetflusses zu begrenzen. Die Modellierung von Streuflüssen mit Netzwerken bringt erfahrungsgemäß Schwierigkeiten mit sich, weshalb an dieser Stelle der Magnetkreisentwurf mit FEM fortgeführt wird.
4. Domänenspezifischer Entwurf 4.1. Feindimensionierung des Magnetkreises mit FEM
Die Finite-Elemente-Methode stellt ein diskretes numerisches Verfahren zur Lösung eines Randwertproblems der Maxwellschen Gleichungen dar. Alle hier angegebenen Rechnungen wurden mit der Software Maxwell® V11.1.1 in 2D und 3D der Ansoft Corp. durchgeführt. Aus mehreren Ideen wurde schließlich ein Konzept zur Realisierung ausgewählt. Es handelt sich um einen Tauchankertopfmagne-ten, dessen eine Position stabil durch eine Feder gehalten wird, die andere Stellung durch einen Permanentmagneten, der ringförmig um den Arbeitsluftspalt liegt (Bild 5).
0 = 0 A O = 500 A
Bild 5. Feldsimulation des polarisierten Tauchanker-Topfmagneten
Man erkennt gut die Steuerbarkeit des magnetischen Flusses im Arbeitsluftspalt.
Aus fertigungstechnischen Gründen wurde das Konzept schließlich zu einem Bügelmagneten umgewandelt, bei dem eine Schraubendruckfeder innerhalb des Ankers geführt wird (Bild 6).
Bild 6. Feldsimulation des polarisierten Bügelmagneten
Über eine Parameterstudie wurden die bestgeeigneten Dauermagnetmaße für den Verlauf der Kraft-WegKennlinie ermittelt (Bild 7).
Optimierung mit SESAM. Ziel ist es, eine Schaltung zu entwickeln, die es erlaubt, den bistabilen Magneten unidi-rektional anzusteuern und ihn in seinen Endlagen leistungslos zu halten. Dabei wurde vorgegebe, dass für die Elektronik keine separate Betriebsspannungsversorgung zur Verfügung steht. Als Schaltenergie und -information dient wie bei einem konventionellen Ventil nur die Ansteuerspannung. Aus dieser Forderung ergibt sich die Notwendigkeit eines Energiespeichers, der die Schaltenergie für das Schließen des Ventils beim Abschalten der Betriebsspannung liefert. Diese Strategie bietet ein Höchstmaß an Betriebssicherheit. Die Elektronik soll in den Ventilantrieb integriert werden, wobei das Anreihmaß von 10 mm für das Ventil einzuhalten ist. Ein weiteres Ziel ist die Minimierung der Kosten, da ein zur neutralen Version vergleichbarer Preis entscheidend für einen späteren Markterfolg ist. Die Ansteuerung des Ventilmagneten erfolgt über Stromimpulse unterschiedlicher Polarität, deren Mindesthöhe und Länge sich aus der dynamischen Optimierung ergeben. Eine einfache Möglichkeit für die Erzeugung derartiger Stromimpulse mit nur einer Betriebsspannung Ub, verbunden mit der Energiespeicherung für das Schließen des Ventils, ist in Bild 8 dargestellt.
fr Э = 0 ; "7-^1 f Щ ___ —
\C
2 C= C= Г ГУ mögliche Fede rkennlinie
\
/
/ /
8-
hDM = 1mm rDM =
3
.. mm
4
delta [um]
Bild 7. Parameterstudie der Kraft-Luftspalt-Kennlinien für unterschiedliche Dauermagnetmaße ( hDM - Höhe, rDM - Radius des Dauermagnete) bei je drei Durchflutungswerten
Als vorteilhaft erweist sich dabei einer der kleinen Dauermagnete für ein energetisch günstiges Verhalten, da ein Schalten bereits mit einer geringen Spulendurchflu-tung möglich ist und im stromlosen Zustand ausreichende Kraftreserven für die Dichtkraft bzw. Schockbelastungen vorliegen. Die Ansteuerung des Magneten erfolgt bipolar - die Stromrichtung durch die Spule bestimmt die Schaltrichtung des Magneten. Da nach außen hin jedoch eine unipolare Ansteuerung erwünscht ist, wird eine entsprechende Elektronik benötigt.
4.2. Schaltungsentwurf und -simulation
Die Randbedingungen für den Elektronikentwurf ergeben sich aus der Aufgabenstellung und der dynamischen
Elektromagnet
Bild 8. Prinzip der Ansteuerschaltung
Hier wird die Spule des Elektromagneten mit einem Kondensator in Reihe mit einem Umschalter verbunden.
Der Umschalter verbindet den Kondensator entweder mit der Betriebsspannung Ub oder mit dem Massepotential. Zu Beginn ist der Kondensator entladen. Wird der Kondensator mit Ub verbunden, lädt sich der Kondensator auf. Der Ladestrom des Kondensators fließt durch die Spule des Elektromagneten und lässt das Ventil schalten. Der Stromfluss klingt ab, wenn der Kondensator geladen ist. Hierdurch wird nach dem Schaltvorgang keine Energie mehr verbraucht. Wird über den Umschalter der geladene Kondensator mit Masse verbunden, entlädt sich der Kondensator über die Spulen des Antriebs und der Aktor schaltet in die andere Richtung. Die Energie für den Umschaltvorgang kommt hierbei aus dem Kondensator und nicht aus der Betriebsspannungsquelle.
Der Schalter wird, wie Bild 9 zeigt, mit einem MOSFET realisiert. Für die Simulation der Schaltung wurde das frei verfügbare Tool LTSpice verwendet. In Bild 10 ist der Verlauf von Strom und Spannung dargestellt. Es ergibt sich eine Schaltenergie von 2,3 mWs pro Schaltzyklus (Öffnen und Schließen).
5. Systemintegration und Validierung
Die erste Stufe der Integration von Elektronik, Magnet und Pneumatik erfolgt zunächst noch modular (Bild 11).
Mit einem Festo Fluid-Muscle-Aktor wurde das Ventil getestet. Das Ventil schaltet auch Druckluft mit einem Überdruck von 8 bar sicher und weist dabei eine hinreichende Schockfestigkeit auf. Die gemessene Leistungsaufnahme des Ventils stimmt mit der Simulation überein.Wichtig ist die uneingeschränkte Austauschbarkeit mit einem herkömmlichen Ventil der Bauart Festo MHA1 - sowohl die elektrischen als auch die fluidischen Schnittstellen sind zu 100 % kompatibel. Bild 12 stellt die Schaltleistungen der beiden Ventile in Abhängigkeit der Schaltfrequenz und des Tastverhältnisses (tofen /T ) dar.
Das polarisierte System erweist sich für niedrige Frequenzen und hohe Tastverhältnisse als energetisch deutlich günstiger. Die nächste Integrationsstufe ist die gemeinsame Umspritzung von Elektronik und Magnet, womit sich noch eine weitere Bauraumverkleinerung erzielen lässt.
Bild 9. Umsetzung des Schalters
Bild 10. Schaltungssimulation
6. Zusammenfassung und Ausblick
Es wurde gezeigt, dass für den Entwurf von NiedrigEnergie-Ventilmagneten ein ganzheitlicher mechatroni-scher Entwurf unumgänglich ist. Der aufgezeigte Weg ermöglicht eine modellbasierte und damit zeiteffiziente und kostengünstige Entwicklung neuer Produkte - auch für hohe Anforderungen an den Grenzen des heute Üblichen.
Der vorgestellte Magnet bringt für bestimmte Schaltregime großes Energiesparpotential mit sich, das zum einen die Verwendung in energieautarken Insellösungen ermöglicht, zum anderen aber auch zu einer Reduzierung der Energieaufnahme von großen Produktionsanlagen mit hunderten solcher Ventilmagneten führt. Gerade im Hinblick auf die steigenden Energiepreise am Weltmarkt können somit hohe Einsparungen erzielt werden.
Literatur
1. Fraunhofer TEG (Hrsg.): EnAS - Energieautarke Aktoren und Sensoren. http://energieautark.com, Abruf: 27.05.2008
2. Elektromagnete. Grundlagen, Berechnung, Entwurf und Anwendungen / E. Kallenbach [и а.]. 2., überarbeitete und ergänzte Auflage. Stuttgart; 2003.
3. Richtlinie VDI 2206, Juni 2004. Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme. Beuth Verlag, Berlin.
4. Stölting H.-D. (Hrsg.); Kallenbach E. (Hrsg.). Handbook of Fractional-Horsepower Drives. Berlin; Heidelberg; New York; 2008.
5. Present Issues in the Design of Solenoids Using Circuit Models / T. Ströhla [u. а.] // Proceedings of the 6th Polish-German Mechatronic Workshop 2007 - System Integration. Langewiesen : Wissenschaftsverlag Thüringen, 2008. S. 1217.
Поступила в редакцию 18 мая 2009 г.
Rosenbaum Sören - Dipl.-Ing., wissenschaftlicher Mitarbeiter, Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Entwurf mechatronischer Antriebe.
Radler Oliver - Dipl.-Ing., wissenschaftlicher Mitarbeiter, Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Entwurf mechatronischer Antriebe.
Hüfner Thorsten - Dipl.-Ing., wissenschaftlicher Mitarbeiter, Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Mechatonik.
Ströhla Tom - Dr.-Ing., Junior-Professor, Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Entwurf mechatronischer Antriebe.
Розенбаум Зёрен - дипл. инж., научный сотрудник, Технический университет Ильменау, факультет машиностроения, кафедра разработки мехатронных приводов.
Радлер Оливер - дипл. инж., научный сотрудник, Технический университет Ильменау, факультет машиностроения, кафедра разработки мехатронных приводов.
Хюфнер Торстер - дипл. инж., научный сотрудник, Технический университет Ильменау, факультет машиностроения, кафедра мехатроники.
Том Штрёла - канд. техн. наук, профессор, Технический университет Ильменау, факультет машиностроения, кафедра разработки мехатронных приводов._
Bild 11. Polarisierter Bügelmagnet mit Elektronik und Festo MHA1 Anschlusssystem
Bild 12. Vergleich der mittleren Leistungsaufnahme des neutralen Festo MHA1-Ventils mit dem polarisierten System
