Die Einsatzbereiche von Magnetaktoren erweitern sich zunehmend, zum Beispiel durch höhere Umgebungstemperaturen oder eine längere Lebensdauer. Durch den mechatronischen Entwurf von Magnetaktoren nach der Richtlinie „VDI 2206“ werden die optimalen Möglichkeiten ihrer Steuerung und Regelung bereits während des Designprozesses berücksichtigt. Damit wachsen die Anforderungen an die Stabilität der Magneteigenschaften. Starker Kostendruck und hohe Materialpreise führen oft zum Einsatz von ferromagnetischen Werkstoffen, deren Magneteigenschaften vom Hersteller nicht garantiert werden. Die Experten des Steinbeis-Transferzentrums Mechatronik entwickelten daher eine preiswerte Mess- und Prüfmethode zur Charakterisierung der magnetischen Eigenschaften von Materialien und Aktoren.
In Magnetfluss-Messgeräten, sogenannten Fluxmetern, werden aufwendige und damit teure Integratoren eingesetzt. Die Steinbeis- Mitarbeiter in Ilmenau haben eine alternative Lösung für dieses Problem gesucht und gefunden: MagHyst® ist ein modular aufgebautes Prüf- und Messgerät zur Bestimmung magnetischer Charakteristiken auf der Basis einer neuartigen Messmethode mit konstanter Flussänderungsgeschwindigkeit. Dies ermöglicht es, die Integration einer von ihrer Amplitude und ihren Frequenzanteilen schwer vorhersagbaren Spannung durch Aufsummieren einer konstanten Spannung pro Zeitabschnitt zu umgehen. Damit sind die Voraussetzungen für eine preiswerte Realisierung des Verfahrens auf Basis eines Mikrocontrollers gegeben.
Das Grundkonzept der Modularisierung wurde von den Ilmenauern sowohl hardware- als auch softwareseitig konsequent umgesetzt. Durch die hardwareseitige Modularisierung können unterschiedliche Anforderungen an den Strom, an die Spannung sowie an die Messgeschwindigkeit einfach realisiert werden. Sie bietet ebenso die Möglichkeit zusätzliche Sensoren anzuschließen, um weitere physikalische Größen parallel messen zu können. Softwareseitig wurde durch Programmierung eines DLL-Moduls eine Schnittstelle für verschiedene Programme geschaffen. Somit kann vom komfortablen Laborgerät bis zur einfachen Produktionsüberwachung mit „gut-schlecht“-Erkennung der gewünschte Funktionsumfang realisiert werden.
Die Messmöglichkeiten von MagHyst® sind vielfältig. Sie reichen von der Kontrolle des Ausgangsmaterials über die Wareneingangskontrolle und Fertigungsüberwachung bis hin zu Lebensdaueruntersuchungen fertiger Aktoren und zum Condition Monitoring. MagHyst ® misst außerdem die B(H)-Kennlinien des in Stangen- oder Ringform vorliegenden Materials. Die Messung von Stangenmaterial erfolgt mittels eines Adapters. Ringe müssen mit zwei Messwicklungen versehen werden und können dann direkt gemessen werden. Die Kurven können als Materialparameter in Simulationsprogrammen dienen, alternativ kann über den Vergleich mit einer Referenzkurve eine „gut-schlecht“-Beurteilung des Materials erfolgen.
Unter Verwendung eines Referenzmagnetkreises inklusive Spule oder eines für die Anwendung angefertigten Adapters ist es möglich, ein Einzelteil wie zum Beispiel einen Anker oder ein Rohr einfach in das System einzulegen, zu fixieren und die Ψ(i)- Kennlinien in einer bestimmten Position aufzunehmen. Liegt eine Referenzkurve vor, kann so auf einfache Art eine „gut-schlecht“- Beurteilung eines Bauteiles erfolgen, das im Anschluss in das eigentliche Magnetsystem eingebaut werden kann. Dies kann im Zulieferbereich zur Qualitätskontrolle von Zulieferteilen erfolgen, aber auch während der Fertigung nach kritischen Prozessschritten zum Einsatz kommen.
Die Kontrolle polarisierter Systeme, wie sie in der Motoren-, Lager- und Magnetfertigung häufig vorkommen, ist während der Fertigung derzeit nur mit sehr großem Aufwand möglich. Mit der Entwicklung aus dem Ilmenauer Transferzentrum können die richtige Einbaulage, ausreichende Magnetisierung sowie die polrichtige Montage der Permanentmagneten kontrolliert werden. Auch eine Prüfung auf Windungsschluss oder –abriss ist möglich. Die Messung kann mit den systemeigenen Spulen als auch mit speziellen Messaufbauten erfolgen. Bei mehrphasigen Systemen wird das Zweispulenverfahren bevorzugt. So können hohe Einsparungen erreicht werden, indem bereits fehlerhafte Einzelteile vor oder während der Fertigung und nicht erst die fehlerhaften Komplettsysteme nach der Endkontrolle aussortiert werden.
MagHyst® bietet mit der Einspulenmessung die Möglichkeit der zerstörungsfreien Messung und Beurteilung des Schaltverhaltens elektromagnetischer Komponenten und des Antriebs. Über die Lebensdauer kann sich das Schaltverhalten von elektromagnetischen Aktoren durch mechanische Einflüsse kritisch verändern. Die Messung der Ψ(i)- Kennlinien bietet hier eine Möglichkeit, das Schaltverhalten bzw. die Güte eines Systems im Vergleich zu einer Referenzkurve zu beurteilen und entsprechende Aussagen zur Lebensdauer der Baugruppe zu erhalten.
An komplett montierten Systemen wie z.B. Proportionalmagneten kann auch die qualitative Güte des Systems anhand des Schaltverhaltens zerstörungsfrei beurteilt werden. Aus den Ψ(i)-Kennlinien können Aussagen zu mechanischen und magnetischen Fehlern abgelesen werden. Die mechanische Güte kann durch die Federsteifigkeit, Reibung, Verschmutzung oder fehlerhafte Montage und die magnetische Güte durch Materialveränderungen, unzureichende Aussteuerung oder fehlerhafte Permanentmagnete negativ beeinflusst werden.
MagHyst® ist ein innovatives Messgerät, das im Bereich der Qualitätssicherung und –kontrolle vielfältige Einsatzmöglichkeiten bietet. Es ermöglicht die Messung der magnetischen Eigenschaften von Materialien, Halbzeugen und Aktoren. Dabei wird der Aufwand der Probenpräparation wesentlich gesenkt. Besonders von Vorteil ist die Möglichkeit der Messung mit der Erregerspule z. B. von Magnetaktoren ohne zusätzliche Messspule. Somit wird eine neue Qualität der Fertigungsüberwachung erreicht. Die Messbarkeit der magnetischen Eigenschaften (z. B. nichtlinearer Ψ(i,δ)-Kennlinien) erlaubt darüber hinaus eine verbesserte Steuerung magnetischer Aktoren.
Dipl.-Ing. Ute Kucera
Dipl.-Ing. Jens Baumbach
Steinbeis-Transferzentrum Mechatronik (Ilmenau)
su0144@stw.de