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TU Berlin

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Magnetorheologische Fluide

Partikel der MRF mit und ohne Magnetfeld
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Magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF) sind Suspensionen aus feinen, magnetisch polarisierbaren Partikeln (Carbonyl-Eisenpulver mit Partikeldurchmesser von einigen µm) in einer ölbasierten Trägerflüssigkeit. Unter Einwirkung eines magnetischen Feldes bilden die Partikel Ketten in Richtung der Feldlinien aus, wodurch der Fließwiderstand der MRF hochdynamisch und weitgehend linear verändert werden kann. Dieser Effekt kann technologisch ausgenutzt werden vor allem in:

  • steuerbaren Dämpfern oder in
  • Kupplungen und Bremsen.

Im Rahmen des durch das BMBF geförderten Projektes „MRF-Bremse“ werden grundlegende Aspekte zur Entwicklung von MRF-Aktoren im Bereich der Antriebstechnik erforscht. Ziel des Forschungsvorhabens ist die gesamtheitliche Modellierung und Konzipierung der neuartigen Aktoren zur funktionssicheren Gestaltung. In einem weiteren vom BMBF geförderten Projekt „HLD-Fluidbrake“ wird an Lösungen für Bremsen mit hohem Leistungsumsatz geforscht. Die Vorteile des Einsatzes magnetorheologischer Flüssigkeiten liegen speziell in der höheren Lebensdauer und besseren thermischen Beständigkeit. Ein Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Untersuchung magnetorheologischer Flüssigkeiten unter der Einwirkung hoher Drehzahlen, um mit den gewonnenen Erkenntnissen für die Anwendung optimierte Aktorgeometrien zu entwickeln, die eine gezielte Steuerung des Fluides für verschiedene Betriebszustände ermöglichen.
Die im Rahmen der beiden Förderprojekte entwickelten Aktoren stellen ein erhebliches Verbesserungspotential speziell für Anwendungen in der Automatisierungs- und Automobiltechnik dar. Wesentliche Vorteile von MRF-Aktoren gegenüber konventionellen, reibbelagbasierten Bremsen und Kupplungen sind

  • ein reproduzierbares, gut einstellbares Bremsmoment,
  • eine geräuscharme Betriebsweise sowie
  • eine weitgehende Verschleiß- und Wartungsarmut.
MRF-Anfahrkupplung mit der Fluidbewegungssteuerung und der smarten MRF-Dichtung
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Diesbezüglich werden neben den geförderten Projekten begleitend Forschungsprojekte bearbeitet, die sich mit der Entwicklung von MRF-Aktoren für automatisierungstechnische und automotive Anwendungen beschäftigen. Eine potenzielle Anwendung von MRF-Aktoren ist die Bewegungssteuerung von Kraftfahrzeugtüren. Neben der Einhaltung von hohen Anforderungen hinsichtlich Bauraum, Gewicht und Drehmoment ist vor allem die Darstellung eines stromlosen Haltemomentes zwingend erforderlich, wofür neuartige Aktortopologien entwickelt wurden.
Darüber hinaus wird an funktionsintegrierten Aktorsystemen geforscht, die MRF-basierte Bremsen und Kupplungen mit Elektromotoren in einer integrativen Komponente kombinieren und die trotz eines innenliegenden magnetischen Erregungssystems keine nachteiligen Schleifkontakte zur Energieübertragung erfordern. Durch eine spezielle Ausführung der leistungselektronischen Speisung in Verbindung mit den Erregungssystemen wird beispielsweise ermöglicht, ein motorisches Drehmoment neben der Kupplungsfunktion zu erzeugen. Daher eignen sich diese hybriden Aktoren für Anwendungen, die über die eigentliche Kupplungsfunktion hinaus noch ein zuschaltbares Drehmoment erfordern, wie z.B. für zuschaltbare Nebenverbraucher oder im Antriebsstrang von Hybrid-Fahrzeugen.

Für den energieeffizienten Betrieb der MRF-Aktoren im Antriebsstrang von Fahrzeugen wie auch in schnellrotierenden Anwendungen der Industrie sind Maßnahmen zur Vermeidung von Schleppmomenten aufgrund der viskosen Fluideigenschaften erforderlich. Hierfür wurde eine Fluidbewegungssteuerung entwickelt, die die MRF im Leerlauffall durch ein räumlich transientes Magnetfeld in einen sogenannten inaktiven Bereich verdrängt und dort stationär verharren lässt. Hierdurch steht eine der scherenden Flächen nicht mehr im Eingriff mit dem MRF-Fluid, wodurch die viskosen Verluste vollständig eliminiert werden können.    

Die oben geschilderten Forschungsfortschritte bei den MRF-Aktoren bildeten im BMWi-Verbundprojekt PHEVplus die Grundlage bei der Entwicklung energieeffizienter Multimode-Getriebe für den Einsatz in Elektro-Hybridfahrzeugen. Hierfür wurden zur Effizienzsteigerung des hybriden Antriebstrangs MRF-Kupplungselemente erforscht, die unter anderem durch die Fluidbewegungssteuerung keine bleibenden viskos-induzierten Schleppmomente im geöffneten Zustand aufweisen und somit zur Reichweitensteigerung der Plug-in-Hybride im elektrischen Betriebsmode beitragen.

In Ergänzung an die Minimierung von Schleppmomenten wurde eine smarte MRF-Dichtung entwickelt, die in Kombination mit der Fluidbewegungssteuerung eine weitere Reduktion der Schleppmomente ermöglicht, sodass Schleppmomente nur noch aus der Lagerung und Ventilationseffekten resultieren.

Magnetische Formgedächtnislegierungen

Formgedächtnislegierungen (FGL, englisch shape memory alloys, SMA) sind Legierungen welche kristallografisch eine martensitische Niedertemperaturphase und eine austenitische Hochtemperaturphase haben. Die verzwillingte Martensitphase kann sich dabei unter mechanischer Spannung pseudoplastisch stark verformen. Die Austenitphase hingegen ermöglicht nur eine deutlich geringere elastische Dehnung. Wird eine bei Umgebungstemperatur martensitische Struktur durch eine Last verstreckt, kann eine Erwärmung in den austenitischen Zustand diese wieder zusammenziehen, wodurch u. a. ein Linearaktor realisierbar ist. Umgekehrt kann eine bei Umgebungstemperatur austenitische Legierung pseudoelastisch durch eine mechanische Spannung in den verstreckten martensitischen Zustand überführt werden. Dieser Effekt wird für die Elastokalorik in neuartigen Kühllösungen ausgenutzt. Die mechanische Verformung ist dabei hysteresebehaftet, da die Bewegung der Zwillingsgrenzen durch die sogenannte Zwillingsspannung behindert ist. Aufgrund der überlappenden thermischen Umwandlungsbereiche ist auch das thermische Verhalten hysteresebehaftet.

Verformung einer MSMA bei magnetischem und mechanischem Feld
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Magnetische Formgedächtnislegierungen (englisch magnetic shape memory alloys, MSMA) sind FGL, welche zusätzlich zu den eben beschriebenen mechanischen und thermischen Effekten auch auf magnetische Felder reagieren. Ihr tetragonales Gitter der Martensitphase hat eine kürzere Achse, welche einen geringeren magnetischen Widerstand hat. Es ist daher energetisch vorteilhaft, diese „magnetisch leichte Achse“ entlang eines magnetischen Feldes oder einer mechanischen Druckspannung auszurichten. Durch die Variierung der Feldstärke und der Feldrichtung kann ein Linearaktor realisiert werden.

Energieeffizienter multistabiler Betrieb eine MSM-Aktors
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Am Fachgebiet beschäftigen wir uns mit der Modellierung der MSMA. Valide Materialmodelle sind unerlässlich, um die magnetisch stark nichtlinearen und hysteresebehafteten MSMA in geregelten Aktoren einsetzen zu können. Während die Hysterese die Modellierung erschwert, ermöglicht sie einen energieeffizienten multistabilen Betrieb. Zwei senkrechte Magnetfelder ermöglichen eine Verformung in verschiedenen Richtungen und damit durch die Querkontraktion einen Zug-Druck-Aktor. Die Hysterese ermöglicht eine Haltekraft ohne Energiezufuhr. Durch gepulste Ansteuerung der beiden Magnetkreise lassen sich verschiedene Zustände anfahren. Ein zweiter Forschungsschwerpunkt ist daher die Auslegung geeigneter Aktorkonzepte. Dies betrifft einerseits das Design von Magnetkreisen zur Erzeugung ausreichend starker senkrechter Magnetfelder. Außerdem sind dynamische Erregersysteme interessant, da die MSMA selbst deutlich hochfrequenter als die thermischen FGL angeregt werden können.

 

mitwirkende Wissenschaftliche Mitarbeiter*innen: Courant

Elektrodynamische und magnetische Aktoren

1820 entdeckte der dänischer Physiker Hans Christian Ørsted, dass es eine enge Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus gibt - bis dahin galten die beiden Themen als vollkommen unabhängig voneinander. Fast unmittelbar nach dieser Entdeckung begann man, Elektromotoren zu konstruieren, indem man die Kräfte auf stromführende Drähte nutzte.

Heute sind die Einsatzgebiete von elektrodynamische und magnetische Aktoren extrem vielfältig und man kann feststellen, dass Elektromotoren die Industrie revolutioniert haben. Obwohl elektromagnetische Aktoren bereits seit zwei Jahrhunderten erforscht werden und es unzählige Bücher über die Auslegung von Motoren, Generatoren oder Sensoren gibt, werden auch heute noch neuartige und innovative Aktorkonzepte entworfen, die in spezifischen Anwendungsgebieten Optimierungen ermöglichen.

Elektrodynamische und magnetische Aktoren beruhen auf elektromagnetischen Phänomenen, die sich mit den von James Clerk Maxwell aufgestellten Maxwell-Gleichungen mathematisch beschreiben lassen. Zusammen mit der Lorentzkraft erklären sie alle Phänomene der klassischen Elektrodynamik. Die Gleichungen beschreiben, wie elektrische und magnetische Felder unter gegebenen Randbedingungen miteinander und mit elektrischen Ladungen und elektrischem Strom wechselwirken.

Einer der Forschungsschwerpunkte am Fachgebiet „Elektromechanische Konstruktionen“ ist die Integration von permanentmagnetischen Gewichtskompensationen in konventionellen Aktoren. Bei moderat dynamischen Positionsregelungen dient häufig ein Großteil der erforderlichen Kraft eines Motors dazu, das statische Gewicht eines Positionierobjekts entgegen der Erdbeschleunigung auszugleichen. Eine permanentmagnetische Gewichtskompensation ermöglicht es, diese statischen Lasten zu kompensieren, ohne dabei elektrische Leistung durch ohmsche Verlusten in stromführenden Leitern zu verbrauchen.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt am Fachgebiet ist die Entwickelung von miniaturisierten Linearaktoren. Im Rahmen des DFG-geförderten Forschungsprogrammes VariSenk gilt es einen Linearaktor zu entwickeln, welcher trotz eines bauraumbegrenzten Durchmessers von 5mm einen dynamischen Verfahrenshub von 30mm gewährleisten muss.

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