[論文レビュー] Tunable Magnets: modeling and validation for dynamic and precision applications

Silvan Viëtor, Spronck, Jo W.+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2022

Electric Motor Design and Analysis被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、静的状態応用におけるアクチュエータ自己発熱を解消するために、イン・サイト磁化制御を備えた調整可能な磁石システムを提案する。磁気回路モデル、測定済みのBH曲線、および空気ギャップ磁束フィードバックを組み合わせることで、200 µmの空気ギャップ範囲において最大誤差15.86 mT、最小精度0.67 mTを達成し、ほぼゼロの静的電力消費を実現する高精度な調整が可能となる。

ABSTRACT

Actuator self-heating limits the achievable force and can cause unwanted structural deformations. This is especially apparent in quasi-static actuation systems that require the actuator to maintain a stable position over an extended period. As a solution, we use the concept of a Tunable Magnet. Tunable magnets rely on in-situ magnetization state tuning of AlNico to create an infinitely adjustable magnetic flux. They consist of an AlNiCo low coercivity permanent magnet together with a magnetizing coil. After tuning, the AlNiCo retains its magnetic field without further energy input, which eliminates the static heat dissipation. To enable implementation in actuation systems, the AlNiCo needs to be robustly tunable in the presence of a varying system air-gap. We achieve this by implementing a magnetization state tuning method, based on a magnetic circuit model of the actuator, measured AlNiCo BH data and air-gap flux feedback control. The proposed tuning method consists of 2 main steps. The prediction step, during which the required magnet operating point is determined, and the demagnetization step, where a feedback controller drives a demagnetization current to approach this operating point. With this method implemented for an AlNiCo 5 tunable magnet in a reluctance actuator configuration, we achieve tuning with a maximum error of 15.86 "mT" and a minimum precision of 0.67 "mT" over an air-gap range of 200 "μm". With this tuning accuracy, actuator heating during static periods is almost eliminated. Only a small bias current is needed to compensate for the tuning error.

研究の動機と目的

• 長時間にわたり位置を維持する準静的システムにおいて、連続電流によるアクチュエータ自己発熱を解消すること。
• 従来の永久磁石の限界を克服し、動的でエネルギー不要の磁束調整を可能にすること。
• 実際のアクチュエータ環境における空気ギャップ条件の変動に対しても、頑健な調整性を確保すること。
• 磁束制御の残存誤差を最小限に抑え、バイアス電流を低減し、静的電力消費を完全に排除すること。
• リレタンスアクチュエータシステムに統合可能で、高精度かつ実用的なフィードバックベースの調整手法を開発すること。

提案手法

• 所望の磁束出力を得るための磁石の動作点を予測するため、アクチュエータの磁気回路モデルを構築する。
• 実験的に測定したAlNiCoのBHヒステリシスデータを用いて、磁化状態のスパースペースとターゲット動作点を定義する。
• 2段階の調整プロセスを実装する：まず、磁気回路モデルとBHデータを用いて必要な電流プロファイルを予測する。
• 次に、予測された動作点に収束するように、脱磁化電流を駆動するフィードバック制御器を適用する。
• リアルタイムの空気ギャップ磁束フィードバックを組み込み、機械的および材料的変動を補償する制御入力を適応させる。
• 残留調整誤差を補正する低電力バイアス電流を用い、連続的な高電流を必要とせずに安定した磁束維持を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AlNiCoのイン・サイト磁化調整によって、準静的アクチュエータにおける静的電力消費を完全に解消できるか？
• RQ2 フィードバックと磁気モデリングを用いることで、可変空気ギャップにおいて磁束をどの程度高精度に制御できるか？
• RQ3 実際の機械的ばらつき下で、提案手法の調整精度と頑健性はどの程度達成できるか？
• RQ4 フィードバック制御器は、空気ギャップの変化や材料ヒステリシスに起因する誤差をどの程度低減できるか？
• RQ5 初期調整後、最小限のバイアス電流で正確な磁束レベルを維持できるか？

主な発見

• 提案手法は、200 µmの空気ギャップ範囲において最大15.86 mTの調整誤差を達成し、高い制御精度を示した。
• システムの最小精度は0.67 mTであり、精密応用に適した微細な制御分解能を有している。
• 静的動作時のアクチュエータ自己発熱はほとんど完全に解消された。磁石は連続電流を必要とせず、自身の磁場を維持している。
• 残留調整誤差を補正するにはわずかなバイアス電流しか必要とせず、エネルギー消費を顕著に低減した。
• フィードバックベースのアプローチにより、空気ギャップや機械的公差の変動に対しても、ターゲット磁束レベルを効果的に維持できた。
• 測定済みのAlNiCo BHデータと磁気回路モデルの統合により、磁化状態の信頼性の高い予測と制御が可能になった。