Software: SimX - Nadelantrieb - Aktordynamik - Anforderungen

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Anforderungen an das Modell

In der vorherigen Bearbeitungsetappe wurde die grundsätzliche Eignung des Antriebprinzips für die geforderte Funktion geklärt. Jedoch basieren unsere Erkenntnisse bisher nur auf einem sehr vereinfachten Modell des Elektromagneten. In diesem wurden folgende vereinfachte Annahmen implementiert:

• Die maximal mögliche Magnetkraft im Luftspalt wird nur von der maximal möglichen Flussdichte und der Querschnittsfläche des beweglichen Magnetankers bestimmt:

• Nach dem Einschalten des Magneten beginnt die Magnetkraft bei Null und sie kann vor dem Abschalten Fmax erreichen.
• Die Magnetkraft steigt linear an.
• Es wurde ein Verhaltensmodell des Aktors in Form einer Kraftkennlinie (Dreiecksimpuls) realisiert:

Wir wissen jedoch, dass in einem Elektromagneten vielfältige physikalische Effekte wirken, die wichtigsten davon sind:

• Das Magnetfeld und damit der magnetische Fluss wird durch eine stromdurchflossene Spule erzeugt.
• Die magnetische Permeabilität µ des Eisenwerkstoffs ist abhängig von der aktuellen Flussdichte B:

• Obiges Bild zeigt µ(B) für die sogenannte Neukurve, wenn das Eisen ausgehend vom entmagnetisierten Zustand das erste Mal aufmagnetisiert wird. In der Realität ist der Eisenwerkstoff mit einer Hysterese behaftet, so dass das Verhalten des Magnetkreises von der Vorgeschichte abhängig wird:
  
• Die Bewegung des Ankers bewirkt eine Induktionsspannung in der Spule. Der elektro-mechanische Wandler ist somit nicht rückwirkungsfrei!
• Die Spule erwärmt sich infolge des elektrischen Stroms. Der ohmsche Widerstand des Spulendrahtes erhöht sich mit steigender Temperatur.
• Infolge von magnetischen Flussänderungen werden Wirbelströme in den Eisenabschnitten des Elektro-Magneten induziert. Diese Wirbelströme wirken den Flussänderungen entgegen und erzeugen thermische Verluste im Eisen.

Wir können davon ausgehen, dass sich der reale Elektromagnet durch die "wirkende Physik" anders verhält als unser vereinfachtes Verhaltensmodell:

• Die Kraft wird sicher nicht zeitlich linear ansteigen. Daraus resultiert eine veränderte Anzugszeit für den Magneten.
• Da sich die Magnetkraft nach dem Abschalten nicht schlagartig abbaut und auch nicht den Wert Null erreicht, verzögert sich der Abfallvorgang.
• Die Erwärmung der Spule könnte zu thermischen Problemen führen, welche die angestrebte Zykluszeit verhindern.

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