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Development and application of a SimulationX library for magnetic shape memory alloys

Entwicklung und Anwendung einer SimulationX-Bibliothek für Magnetformgedächtnislegierungen
 
: Effner, Annabell; Zawada, Tobias; Ehle, Fabian; Neubert, Holger; Weber, Jürgen

ESI ITI GmbH, Dresden:
ESI SimulationX Conference 2018. Conference Proceedings : Dresden, November 8-9, 2018
Dresden: ESI ITI GmbH, 2018
pp.377-389
SimulationX Conference <2018, Dresden>
German
Conference Paper
Fraunhofer IKTS ()
Entwurfsprozess; Festkörperaktor; lumped element model; Kopplungsmodell; Magnetkreisgestaltung

Abstract
Aufgrund steigender Anforderungen an schnellschaltende Pneumatikventile in Hinblick auf Lebensdauer, Funktionalität, Baugröße und Schaltzeit, gewinnen Festkörperaktoren zunehendes Interesse als alternative Aktoren. Die typischen Anforderungen im Bezug auf Hub, Stellkraft und Schaltzeit in derartigen Ventilen werden dabei am besten von magnetische Formgedächtnislegierungen (MSM) erfüllt. Die magneto-mechanische Hysterese stellt jedoch auch eine Herausforderung in der Entwicklung von Aktoren dar. In der frühen Designphase eines Pneumatikventils erweist sich die Systemsimulation als unverzichtbar für die Vorhersage des Systemverhaltens. Ein Multidomänen-Netzwerkmodell ist erstrebenswert in Hinblick auf effiziente Parameterstudien oder sogar Optimierungen. In diesem Beitrag wird eine neue SimulationX-Bibliothek für MSM-Aktoren, dessen Implementierung und Anwendung innerhalb des Entwicklungsprozesses eines Pneumatikventils vorgestellt. Sie basiert auf einem gekoppelten Modell mit einem bivariaten Tellinen-Hystereseansatz. Darüber hinaus ist die Magnetisierung berücksichtigt, um den Entwurfsprozess des Magnetkreises zu unterstützen. Für die genaue Abbildung der Hystereseflächen wurde eine neue multivariate Spline-Approximation in SimulationX implementiert. Der Vergleich erster Messungergebnisse zu Simulationsergebnissen anhand eines Demonstrators unterstreicht die Bedeutung der entwickelten Bibliothek in der frühen Entwicklungsphase.

 

Due to increasing requirements on fast switching pneumatic valves, solid-state transducers are considered as a promising alternative to conventional actuators. Regarding desired strokes, forces and actuation frequency, Magnetic Shape Memory (MSM) alloys meet the requirements in valves best among others. However, the hysteresis in the mageto-mechanical coupling is challenging during the development of actuators. In the early design phase, system simulation has proved to be valuable for the prediction of the behavior of the entire actuator systems, allowing efficient parameter variation or even optimization. Hence, a lumped element model of MSM alloys is desirable for the use in multi-domain network models. In this contribution, a new SimulationX library for MSM actuators with a coupling model based on a scalar bivariate Tellinen hysteresis formulation, its implementation and application for one exemplary valve design will be presented. Furthermore, magnetization is considered in order to support magnetic circuit design. Due to the necessity to map hysteresis surfaces properly, a new multivariate spline approximation for SimulationX was implemented. The comparison of first measurement results of a demonstrator to the simulation results confirm the value of the developed library for early design.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-572388.html