[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种基于铝镍钴（AlNiCo）的可调磁体系统，结合原位磁化控制，可消除准静态应用中执行器的自发热问题。通过结合磁路模型、实测BH曲线及气隙磁通反馈，该方法在200 µm气隙范围内实现了精确调节，最大误差为15.86 mT，最小精度达0.67 mT，从而实现接近零静态功耗。

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.

研究动机与目标

• 解决准静态系统中因持续通电维持位置而引起的执行器自发热问题。
• 通过实现动态、无能耗的磁通调节，克服传统永磁体的局限性。
• 确保在真实执行器环境中气隙条件变化时仍具备鲁棒的可调性。
• 最小化磁通控制中的残余误差，以减少偏置电流并彻底消除静态功耗。
• 开发一种兼具高精度与实用性的基于反馈的调节方法，可集成于磁阻执行器系统中。

提出的方法

• 建立执行器的磁路模型，以预测实现目标磁通输出所需的磁体工作点。
• 利用实验测得的铝镍钴（AlNiCo）BH磁滞数据，定义磁化状态空间及目标工作点。
• 实施两步调节过程：首先，基于磁路模型与BH数据预测所需电流波形。
• 其次，施加反馈控制器，通过去磁电流驱动系统收敛至预测工作点。
• 引入实时气隙磁通反馈，以动态调整控制输入，补偿机械与材料参数变化。
• 采用低功耗偏置电流校正残余调节误差，确保磁通稳定维持，无需持续高电流。

实验结果

研究问题

• RQ1 对铝镍钴（AlNiCo）进行原位磁化调节，是否可消除准静态执行器中的静态功耗？
• RQ2 结合反馈与磁路建模，能否在可变气隙条件下实现高精度磁通控制？
• RQ3 在实际机械公差变化条件下，该方法的可调精度与鲁棒性如何？
• RQ4 反馈控制器在多大程度上可缓解气隙变化与材料磁滞引起的误差？
• RQ5 初始调节后，系统能否以极小的偏置电流维持精确磁通水平？

主要发现

• 所提出的调节方法在200 µm气隙范围内实现最大调节误差为15.86 mT，证明了其高控制精度。
• 系统最小精度达0.67 mT，表明其具备适用于精密应用的精细控制分辨率。
• 执行器在静态运行期间的自发热几乎完全消除，因磁体可无持续电流维持磁场。
• 仅需极小的偏置电流即可补偿残余调节误差，显著降低能耗。
• 基于反馈的方法能有效维持目标磁通水平，即使在气隙与机械公差变化条件下亦表现稳定。
• 将实测的铝镍钴（AlNiCo）BH数据与磁路模型结合，可实现磁化状态的可靠预测与控制。