Smartmagnete
Smartmagnete sind Magnete und Magnetsysteme mit eingebauten Lichtfasersensoren (Faser-Bragg), die die Temperatur-, Dehnungs- und Vibrationseigenschaften des Materials und Systems in Echtzeit überwachen und analysieren, somit werden die Schäden des Materials und Systems während der Betriebszeit frühzeitig erkannt und irreversible Schäden vermieden, um die Lebensdauer von Systemen zu vermeiden.
Smartmagnete
Smartmagnete sind Magnete und Magnetsysteme mit eingebauten Lichtfasersensoren (Faser-Bragg), die die Temperatur-, Dehnungs- und Vibrationseigenschaften des Materials und Systems in Echtzeit überwachen und analysieren, somit werden die Schäden des Materials und Systems während der Betriebszeit frühzeitig erkannt und irreversible Schäden vermieden, um die Lebensdauer von Systemen zu vermeiden.
Faser - Bragg - Gitter
Faser-Bragg-Gitter sind periodische Modulationen des Brechungsindex einer Lichtleitfaser, typischerweise über eine Länge von 5-10mm. Abhängig von der Periode der Modulation reflektiert ein Bragg-Gitter eine bestimme Wellenlänge (Bragg-Wellenlänge). Durch Temperatur- oder Dehnungsänderungen wird die Modulation beeinflusst, was zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge führt. Dadurch können Temperatur- und Dehnungsänderungen diagnostiziert werden.
In einer Lichtleitfaser können viele Gitter mit unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen eingeschireben werden, die alle gleichzeitig ausgewertet werden können und somit die Bestimmung von Temperatur- und Dehnungsverteilungen ermöglichen. Aufgrund der Faserdurchmesser <200μm können die Sensoren auch in kleine Luftspalten oder Verbundwerkstoffe integriert werden.
FBG Sensor - Technische Daten
- Klein Länge 8mm, Durchmesser 200μm
- bis zu 32 Sensoren in einer Lichtleitfaser gleichzeitig auswertbar
- Hohe Empfindlichkeit ΔT = 0.1K im Bereich -200 – 230°C, Δl / l = 10-6 (1μstrain) bei Dehnung bis >1%
- Integrierbar Sensoren applizierbar auf Magneten oder in Magnetsysteme integriert
- Vielseitig Temperaturdiagnostik, Dehnungs- und Vibrationsmonitoring
- Inert gegen elektromagnetische Felder
Auswerteeinheit "Bluebox" mit Software
- Kompakt, robust, schnell
- 32 Sensoren, 1000 Messungen
- Wiederholbarkeit 0.6 με(mechanische Belastung), 0.05 K (Temperatur)
- Spektrometer Temperatur Kompensation
- Genauigkeit höher als 15 pm
Geförderte ZIM - Projekte
IMAGINE
"Intelligente Magnetwerkstoffe für den industriellen Einsatz "
Die Magnetworld AG entwickelte zur Zeit der Technologie mit Dauermagneten ((NdFeB, SmCo, Alnico, Ferrit, gesintert, gebunden), sowie Supraleiterwerkstoffe verbunden in intelligenten Baugruppen mit Einsatz von Faser-Bragg-Gitter (FBG)- Sensoren gefertigt werden.
Temperaturdiagnostik
Für Anwender von Hochleistungsdauermagneten ist es besonders wichtig, die Betriebstemperaturen in ihren Anwendungen genau zu kennen, um geeignete Werkstoffe auswählen zu können. Im Betrieb muss sichergestellt sein, dass die maximale Betriebstemperatur der Werkstoffe nicht überschritten wird, da eine zu hohe Temperatur zu irreversiblen Veränderung der magnetischen Eigenschaft führt. In der Regel sind teure Reparaturen zu folge.
Als Beispiel zeigt Abb. 1 eine Magnetschiene von einem Liniearmotor, bei der Dauermagnete auf einer Stahlplatte befestigt sind. Zwischen den Magneten sind die Spalten zu erkennen, die etwa ein millimeter breit sind. Von interesse sind die Temperaturverteilung in der Platte, auch zwischen Magnet und Stahlträger, da diese bei ungleichmäßiger Verteilung zu Verformung führen können. Ebenso sollten Schwingungen und Vibrationen in den Platten im Rahmen der Design-Parameter liegen.
All diese Informationen können durch ein FBG Sensor-Array, angedeutet durch die rote Linie, gewonnen werden. Da die Lichtleitfasern einen Durchmesser <250μm besitzen, können diese auch in minimale Vertiefungen (Rillen) in die Oberfläche der Magnete eingebracht werden. Diese Vertiefungen haben keinen Einfluss auf die magnetische Funktion, jedoch wird ein sicheres Verlegen der Lichtleitfaser ermöglicht.
Dehnungssensorik
Da, beispielsweise, im Luftspalt eines Elektromotors der verfügbare Raum für konventionelle SensorPads (Dehnungsmesstreifen) nicht ausreicht, soll als erste Methode der FBG-Array direkt auf dem Messobjekt appliziert werden.
Bei der zweiten Methode sollen analog zu Dehungsmessstreifen FBGs auf Trägermaterialien aufgebracht werden. Diese werden wiederum am Messobjekt appliziert, wenn es die Gelegenheit in der jeweiligen Anwendungen ermöglichen.
Die Kreuzempflindlichkeit zwischen Dehnungs- und Temperaturmessung soll durch Temperaturmessung nahe der Dehnungssensors kompensiert werden. bei Vibrationsmessung kann gegebenfalls eine Temperaturkompensation entfallen.
Technische Funktionalitäten und relevante Parameter
Die intelligenten Dauermagnete oder Dauermagnetsysteme mit faseroptischen Sensoren können folgende Kenngrößen aufweisen:
- Temperaturdiagnostik ±1K im Bereich von -220°C bis 200°C, mit Sensorfasern Ø = 125μm
- Temperaturkompensierte Dehnungsüberwachung im Bereich ±5 micro-strain (5ppm) bis ±10000 micro-strain (1%) im Bereich -220°C – 200°C mit Sensorfasern Ø = 125μm
- Vibrationsanalyse bis 400Hz <50 nano-strain/Hz
- Aufbau- und Verbindungstechniken der FBG in den Magnetsystemen für den Temperaturbereich -220° bis +220°C
- Breite der Sensoren incl. Transducer <1mm
Anwendungsgebiet - Projektstarter
Smartmagnete finden Anwendungen in folgenden Branchen.
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