Neue mechatronische Analogien in der Magnetik zur Modellierung elektromagnetomechanischer Systeme

摘要

Electro-magneto-mechanical systems - like ma-glev systems or solenoids - consist of electric, magnetic, and mechanic subsystems. Those three physical domains in these mechatronic systems interact with each other by the meaning of energy transformation in both forward and backward direction. By applying traditional approaches for modeling of magnetic systems it is not possible to create a consistent model of the maglev system combining all subsystems. This contribution proposes an alternative analogy for magnetic reluctance which considers the reluctance as magnetic energy-storing element. This approach enables to build lumped models integrating electric, magnetic, and mechanic constitutive laws in one single equivalent circuit model. According to electromechanical analogy for electromechanical systems this approach is called 'mechatronic analogy'. The practicability of the mechatronic analogy is exemplarily shown by applying this approach on vertical dynamics of magnetically levitated systems. The model can be easily adapted to similar maglev systems like magnetic bearings or trains.%Elektromagnetomechanische Wandler, beispielsweise Magnetlager oder Elektromagnete, vereinen elektrische, magnetische und mechanische Systeme. Durch Energiewandlung kommt es zu Wechselwirkungen zwischen den einzelnen physikalischen Domänen. Mit den Analogien derzeitiger Modellierungsansätze ist es nicht möglich, ein geschlossenes Modell mit allen Teilmodellen zu erstellen. In diesem Beitrag werden ausgehend von einer energetischen Betrachtungsweise Ersatzmodelle für mechatronische Systeme erarbeitet und als „mechatronische Analogie" bezeichnet. Dazu wird eine alternative elektromagnetische Analogie der Reluktanz vorgestellt, die den energiespeichernden Charakter berücksichtigt. Mit diesem Ansatz ist es möglich, mechatronische Systeme in übersichtlichen Gesamtmodellen abzubilden, welche die beteiligten physikalischen Domänen Mechanik, Elektrik und Magnetik energetisch miteinander verknüpfen. Mit der Modellierung eines Wicklungstransformators und eines Magnetlagers werden die Vorteile dieser Herangehensweise aufgezeigt.