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Elektrotechnik und Informationstechnik

Schnellschaltende Magnetaktuatoren

Schnellschaltende Magnetaktuatoren finden ihre Anwendung in vielen technischen Systemen. Sie werden z.B. in ABS-Regelventilen, nockenwellenlosen Motoren oder der digitalen Hydraulik eingesetzt. Die vorherrschende Strategie zur Ansteuerung derartiger Aktuatoren ist eine sogenannte Boost-and-Hold-Methode. Diese ist jedoch üblicherweise nicht energieoptimal, da hohe Energieverluste auftreten können.

Im Projekt „Softlanding“ der Hochschule Konstanz sollen Regelungs-, Beobachtungs- und Diagnoseverfahren für (schnell) schaltende magnetische Aktuatoren entwickelt werden. Dabei sollen auch Betriebsstrategien für die Solenoidaktuatoren entwickelt werden, die zum einen energieoptimal sind, zum anderen „Softlanding“ erreichen. 

Sofltlanding bedeutet, dass der Stößel im Aktuator die Endposition mit einer Geschwindigkeit von praktisch Null erreicht, wodurch sowohl Geräuschemissionen, als auch mechanische Verschleißerscheinungen merklich reduziert werden

Ein wesentlicher Aspekt dieses Projektes ist die Durchdringung und Modellierung der Wirbelstrom- bzw. Felddiffusionsphänome teils mit Hilfe von FE Modellen, insbesondere aber durch Reluktanzmodelle (Flux Channel Models). Die verschiedenen Modelle ermöglichen einerseits ein tieferes Verständnis der physikalischen Zusammenhänge, dienen aber insbesondere als Grundlage moderner, modellbasierter Regelungsverfahren.

Zur Realisierung dieser leistungsfähigen Regelungskonzepte ist die Kenntnis der Zustandsgrößen des Systems, insbesondere der Ankergeschwindigkeit und Ankerposition, von Bedeutung. Die messtechnische Positionsbestimmung ist dabei, wenn überhaupt, nur unter Laborbedingungen und durch Nutzung umfangreicher Sensorik erreichbar. Daher liegt ein Schwerpunkt der Aktivitäten der Arbeitsgruppe „Magnetaktuatoren“ auf der Untersuchung von Methoden zur Zustandsbeobachtung.

Gefördert wird das Forschungsprojekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderlinie IngNachwuch08, Projektträger ist die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ (AiF). In diesem Projekt kooperiert die HTWG Konstanz mit einem mittelständischen Unternehmen, der TU Ilmenau, der Johannes Kepler Universität Linz sowie dem Linz Center of Mechatronics.

Ablaufszenario

In der Abbildung ist das Doppelspulenmagnetventil der Forschungsgruppe „Softlanding“ mit den bereits optimierten Spannungspofilen zu sehen, welche das unten gezeigte Bewegungsprofil erzeugen sollen.

Um Bewegung in der Richtung zu erzeugen, die in der Abbildung angedeutet ist, muss zunächst die Spule rechts bestromt werden, die für die Beschleunigung des Stößels zuständig ist. Durch das Bestromen der anderen Spule wird das Bremsen erreicht, wodurch schließlich das Softlanding gewährleistet wird.

Forschungsschwerpunkte

Das Projekt unterteilt sich in die beiden Themenschwerpunkte:

  • Regelung: Dabei sollen statt der üblichen Regelstrategien neuere, nichtlineare Folgeregelungen angewendet werden.
  • Zustandsbeobachtung /-schätzung: Die Zustände des Systems sollen dabei lediglich durch die bereits vorhandene Strom-/Spannungsmessung ermittelt werden. Hierdurch soll auch eine Überwachung der Systeme ermöglicht werden.

Anwendungsmöglichkeiten

  • Optimierte Treibstoffeffizienz und Abgasreduzierung bei nockenwellenlosen Motoren
  • Schwingungsdämpfung und Verbrennungsstabilisierung bei Einspritzventilen für Dieselmotoren und Flugzeugturbinen
  • Schaltventile für digitale Hydraulik

Publikationen

  • Investigations on flux channel models for control of solenoid valve actuators, J. Reuter, F. Prauße, M. Jäkle, 2011
  • Model-basedcontrol of solenoid actuators using flux channel reluctance models, J. Reuter, Felix Rey, F. Prauße, M. Jäkle, 2011
  • Flatness-based State Decomposition in Magnetic Flux Channel Models for Solenoid Valve Control, Rey, Felix, J. Reuter, 2011
  • Optimized Control Strategies for Fast Switching Solenoid Valves, J. Reuter, Sebastian, Märkl, M. Jäkle, 2010
  • Aspects on Controlling Dual-Coil Solenoid digital Valves, J. Reuter, S. Märkl, 2009