Entwurfsgerechte Charakterisierung und Modellierung magnetischer Formgedächtnislegierungen für Antriebe

Magnetische Formgedächtnislegierungen (MSM-Legierungen) weisen im Vergleich zu anderen Festkörperwandlern und konventionellen elektromagnetischen Wandlerprinzipien unikale Kopplungseigenschaften auf. Dies motiviert ihre Anwendung in kompakten und schnellschaltenden Antrieben. Aufgrund der Kompliziertheit ihres Kopplungsverhaltens ist jedoch ein modellbasierter Entwurf unumgänglich. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Beschreibung einer Unterklasse von MSM-Antrieben mit eisenbehafteten Magnetkreisen und engen Luftspalten durch eine Kombination von Messung und Modell. Ziel ist dabei die Beantwortung anwendungsrelevanter Fragestellungen im Antriebsentwurf. Die Grundlage dafür bildet die heuristische Definition eines auf verallgemeinerten Kirchhoffschen Netzwerken (Netzwerkmodellen) basierenden Ersatzmodells des MSM-Elements samt umgebendem Luftspalt. Die das Verhalten des Ersatzmodells beschreibenden magnetischen Größen werden durch ein neuartiges und im Rahmen der Arbeit entwickeltes Messverfahren ermittelt. Ein Prüfstand setzt dieses Messverfahren um und ermöglicht eine simultane magnetische und magnetomechanische Charakterisierung von MSM-Elementen unter Kraft- oder Wegvorgabe. Eine empirische Validierung der gemessenen Zusammenhänge, auch anhand thermodynamischer Gesichtspunkte, weist die Plausibilität der das Ersatzmodell beschreibenden Zusammenhänge nach. Diese Ergebnisse motivieren die Entwicklung eines Netzwerkmodells, das die hysteresebehaftete magnetomechanische Kopplung innerhalb des Ersatzmodells thermodynamisch korrekt berücksichtigt. Mithilfe des Modells gelingt es, das experimentell bestimmte integrale magnetomechanische Verhalten des MSM-Elements samt umgebendem Luftspalt in wesentlichen Aspekten vorherzusagen.Magnetic shape memory (MSM) alloys are considered promising active materials for compact electromagnetic drives due to their strong magneto-mechanical coupling. However, the latter is associated with a strong nonlinearity and a distinct hysteresis making a model-based design indispensable. The present work describes the behavior of a subclass of MSM drives with iron-core and small air gaps by means of a combination of model and experiment. Heuristically, an equivalent lumped-element model considering the MSM element and the surrounding air gap is proposed. An associated novel magnetic measurement procedure determines the quantities describing the behavior of this equivalent model. A test setup implements the measurement procedure and allows for a simultaneous magnetic and magneto-mechanical characterization either under constant load or under constant displacement. An empiric validation, also with regard to thermodynamic aspects, indicates the plausibility of the collected data describing the simplified equivalent model. These results motivate the development of a novel lumped-element model considering the hysteretic magneto-mechanical coupling of the equivalent model in a thermodynamically consistent way. Its validation by means of various magneto-mechanical experiments shows that the model is able to predict the essential magnetic and magneto-mechanical behavior of the MSM element and the surrounding air gap with sufficient accuracy, making it appropriate for system design