1.1 PM ASPV: simulationsbasierte Analyse eines magnetisch kontrollierten freischwebenden Magneten

Eine Anzahl von diskretisierten steuerbaren Magneten ist kreisförmig in einer 2D-Ebene angeordnet. In der Mitte wird ein Dipol oder räumlich ausgedehnter Magnet angenommen. Um Stabilität zu erreichen,müssen die erforderlichen Kräfte auf den Dipol immer in Richtung Zentrum zeigen. Das dafür erforderliche Kraftfeld wird für alle möglichen Dipolpositionen berechnet und abgebildet. Das jeweilige lokale Magnetfeld um die Magnete wird analytisch berechnet und in einem transienten Regelkreis simuliert. Eine Erweiterung auf 3D ist geplant. Das Projekt befindet sich in einem frühen Stadium, vorläufige Ergebnisse sehen vielversprechend aus.

Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer: A. Zubiaga, V. Lienhard, M. Boldrini, V. Buff, G. Boiger Peter Meyer & Co. AG Innosuisse 2019–2022

Es gibt mehrere Möglichkeiten, einen magnetischen Dipol oder Magnet in einer stabilen Position zu halten. Das Earnshaw-Theorem verbietet jedoch jede stabile Konfiguration, bei der nur Permanentmagnete verwendet werden, und besagt, dass mindestens ein Freiheitsgrad fixiert oder kontrolliert werden muss. Bei Magnetrotoren beispielsweise geschieht dies durch Fixierung der Rotationsachse und rotierende Magnetfelder. Das bedeutet, dass der Rotor dem Magnetfeld folgt oder vorauseilt, was zu Synchron- oder Asynchronmotoren führt. Während dies zu einem späteren Zeitpunkt untersucht werden mag, liegt der Fokus bisher auf einem vollständigen Regelkreis. Auf der Grundlage des Dipol-Modells wurden die erforderlichen Felder und Kräfte durch analytische und einfache Vorhersagemodelle unter Verwendung von Excel und BerkeleyMadonna abgeschätzt. Abb. 1: Beispielhafte Anordnung von vier Steuermagneten und freischwebenden Magneten. Die Pfeile zeigen die Richtung und Stärke der Magnetisierung an, die Stromlinien das resultierende Magnetfeld. Aufwändigere analytische und numerische Modelle wurden in einer Kombination von MATLAB und COMSOL implementiert. Eine rücktreibende Kraft, die den zentralen Magneten zwischen den Steuermagneten schwebend hält, ist hierzu essentiell. Das dazu notwendige Kraftfeld wird berechnet und auf den 2D-Bereich abgebildet. Das Magnetfeld wird dann analytisch und numerisch berechnet und auf die diskretisierten Steuermagnete abgebildet. Diese Abbildung erfolgt für jeden Punkt im Raum auf jeden Steuermagnet und soll zu einem stabilen Regelkreis führen. Drehmomentbetrachtungen und Gra

vitationseffekte werden später berücksichtigt.

Abb. 2: Die magnetostatische Kraft (roter Pfeil), die durch das Magnetfeld (schwarze Kurven) auf den Zentralmagneten wirkt.

Der simulationsbasierte Konzeptnacheis in 2D ist in Arbeit, muss aber noch verifiziert werden. Verschiedenste Effekte wurden bisher vernachlässigt. Die Erweiterung auf 3D ist geplant. Die frühe Phase des Projekts erlaubt noch viele Entwicklungsrichtungen. Die Gegenwärtige Arbeit gilt als Grundlage für verschiedene Ansätze, die in späteren Projektphasen betrachtet werden.