Einstellbarer Permanentmagnetkreis mit magnetischen Formgedächtnislegierungen (MSM) als Aktoren

Mithilfe magnetischer Formgedächtnislegierungen lassen sich die magnetischen Felder in Permanentmagnetkreisen regulieren. Somit ist sowohl eine Manipulation der Magnetfelder sowie auch ein stationärer Betrieb ohne Verlustleistung realisierbar.

Permanentmagneten bieten ein konstantes magnetisches Feld, was für viele technische Anwendungen sehr praktisch ist. Die Beeinflussung eines solchen Systems ist jedoch bisher aufwändig, weshalb häufig eine relativ hohe Verlustleistung im stationären Betrieb für steuerbare Systeme in Kauf genommen bzw. auf Permanentmagnete trotz ihrer Vorteile verzichtet wird. Magnetische Formgedächtnislegierungen (MSM – magnetic shape memory alloys) bieten durch ihre Eigenschaft der dehnungsabhängigen Permeabilität die Möglichkeit, den magnetischen Fluss innerhalb eines Magnetkreises gezielt zu beeinflussen.

Eine Beeinflussung des Magnetfeldes und des Stellweges bzw. der Kraft von Permanentmagneten lässt sich recht einfach über Elektromagnete realisieren. Diese haben jedoch einen konstanten Strombedarf und ihr Einsatz ist mit zusätzlichen Energieverlusten verbunden, gerade auch im stationären Betrieb. Wissenschaftler der Universität Stuttgart schlagen einen effizienteren Lösungsansatz vor.

Die Bewegung von MSM-Elementen beruht auf Festkörpereffekten, was sie im Vergleich zu anderen bekannten Aktoren sehr langlebig macht und gleichzeitig verschleißarm arbeiten lässt. Durch die innerhalb des Gefüges auftretende Reibung kann jeder Zustand energielos gehalten werden. Durch die hier beschriebene Kombination mit einem Permanentmagnetkreis kann ein solches MSM sehr effizient als Einstellelement fungieren. Dazu wird es mit seiner bevorzugten Richtung zur Längenänderung parallel oder senkrecht zum Magnetfluss in den Magnetkreis integriert. Durch Dehnung oder Stauchung des Elements lässt sich die magnetische Permeabilität beeinflussen – somit fungiert das MSM als variabler magnetischer Widerstand. Eine durch einen Permanentmagnet erzeugte konstante magnetische Spannung lässt sich so in einen beliebigen magnetischen Fluss übersetzen. Der dazu notwendige Stellweg kann sowohl von Hand bspw. über eine Stellschraube als auch automatisch manipuliert werden (s. Bild 1 und 2). Die Variation der Permeabilität liegt dabei in einem Bereich von 2 bis ca. 60. Somit wird eine Änderung der Flussdichte im Luftspalt des Magnetkreises und eine Kraftänderung auf den Läufer des Magnetkreises erreicht. Diese steuerbaren Magnetkreise lassen sich in unterschiedlichen Konfigurationen realisieren sowie auch miteinander kombinieren.
Während bisherige Systeme zur Einstellung und Veränderung des magnetischen Flusses in einem Magnetkreis entweder flexibel einstellbar und verschleißarm waren, oder leistungslos im stationären Zustand, vereinigt dieses Einstellelement beide Vorzüge und bietet bisher unerreicht effektive Lösungen und damit ganz neue Anwendungsmöglichkeiten.

• keine Verlustleistung im stationären Betrieb
• stufenloses, leistungsloses Ändern und Halten eines magnetischen Flusses ohne dauerhafte Energiezufuhr

Antriebstechnik mit Permanentmagneten, bzw. Magnetische Aktoren, die Mittels MSM den Magnetkreis verstellen können.

M. Hutter, M. Raab, A. Kazi, F. Wolf and B. Gundelsweiler,
"Magnetic Flux Control through Magnetic Shape Memory Alloys in Reluctance Actuators," IKMT 2019 - Innovative small Drives and Micro-Motor Systems; 12. ETG/GMM-Symposium, Wuerzburg, Deutschland, 2019, pp. 1-6.
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8892424