Der Gegenstand der Arbeit ist die Effizienzsteigerung von elektromechanischen Antrieben durch magnetisch kontrollierbare Fluide, basierend auf einem mathematischen Modell ferrofluidaler Strömungen unter Einbeziehung des Magnetfeldes und des Wärmestromes. Eine umfassende Analyse des Standes der Technik gibt einen Überblick über magnetische und rheologische Flüssigkeiten und zeigt die Anwendungsmöglichkeiten magnetisch kontrollierbarer Fluide. In
Voruntersuchungen wird der kraftverstärkende Einfluss des Ferrofluids im Luftspalt eines Eisenkreises dargestellt und mittels des FEM-Simulationswerkzeuges COMSOL nachgebildet und
berechnet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der mathematisch-mechanischen Modellierung, bei der das Taylor-Couette-System die Basis bildet und die Navier-Stokes-Gleichungen das Strömungsverhalten im System beschreiben. Berechnungen zum Geschwindigkeitsfeld bei konstanter und variabler Viskosität werden durchgeführt und ein Temperaturmodell, angenähert an das Verhalten des Elektromotors, analytisch hergeleitet. Nach den theoretischen Untersuchungen am Taylor-Couette-Modell als Abstraktionsstufe für einen Elektromotor folgt die experimentelle Evaluierung am Prototyp einer ferrofluidunterstützten permanenterregten
Synchronmaschine. Dem konstruktiven Entwicklungsprozess folgend, wird eine simulative Berechnung des Prototyps mit der FE-Software COMSOL durchgeführt. Die Messergebnisse zum
Erwärmungs- und Dauerlauf werden detailliert dargestellt. Das Ferrofluid ist in diesem genannten
Kontext ein effizienzsteigerndes Element. Im letzten Teil der Arbeit wird eine innovative Entwicklung vorgestellt, bei dem, im Unterschied zu dem Antrieb aus den Kapiteln 3 und 4, eine magnetisch kontrollierbare rheologische Flüssigkeit ein funktionsbestimmendes Element ist. Die modellbasierte Untersuchung und die Prototypenbeschreibung sowohl eines rotatorischen, als auch translatorischen Antriebes schliegen die Arbeit ab.
Aktualisiert: 2023-01-31
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Ferrofluide sind stabile kolloidale Suspensionen und gehören zur Gruppe der magnetischen Flüssigkeiten, deren Viskosität durch angelegte Magnetfelder verändert wird. Darüber hinaus wird ein magnetfeldabhängiger Druck erzeugt, der auf Objekte übertragen wird, die mit Ferrofluid umgeben sind.Im Gegensatz zu aktuellen Anwendungen in der diagnostischen und therapeutischen Medizin, bei denen die Eigenschaften der Kolloide im Vordergrund stehen, basieren technische Anwendungen vorwiegend auf den Eigenschaften der Suspensionen als ganze Einheit. Dabei können in technischen Systemen mit tribologischen Beanspruchungen die Oberflächen der Reibpartner durch Magnetfelder permanent mit Ferrofluiden als Schmierstoff benetzt werden. Die veränderlichen magnetorheologischen Eigenschaften sind für Anwendungen in adaptiven Führungen, Lagerungen und Dämpfern prädestiniert. Die Kraftwirkung auf Objekte ermöglicht die Entwicklung von innovativen Positioniersystemen mit systeminhärenter Nachgiebigkeit, in denen das Ferrofluid magnetische Energie in mechanische Energie umwandelt.Die in der vorliegenden Arbeit dargestellten Ergebnisse zu den einzelnen Anwendungen wurden an spezifischen Laboraufbauten sowie an Prototypen ermittelt und liefern einen Beitrag zur Erweiterung des Anwendungsspektrums von Ferrofluiden.
Aktualisiert: 2019-01-24
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