Section:
12. Digital Fluid Power
Chair:
Prof. Dr.-Ing. R. Scheidl, TU Linz
Form of presentation:
symposium
Duration:
105 Minutes
01:45 pm
Analysis of the performance of fast acting miniature solenoid actuator for digital valves
Author:
Tapio Lantela | Aalto University | Espoo | FI
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Parallel digital hydraulic valves are still in an early stage in their development, but in several cases they have already proven to produce superior results compared to traditional technologies. Building one control edge, or a digital flow control unit (DFCU), for a high performance digital valve system requires at least seven, preferably many more, fast on/off-valves. The valves must be integrated into a small package in order for the digital valve systems to be competitive against traditional valves. The currently sold commercial valves are not suitable to be used in digital valve systems since the valves are generally too large and their response time is poor. Therefore it is necessary to develop smaller and faster on/off-valves which can be effectively integrated into a compact package.
Small valves require a small and fast but sufficiently powerful actuator. The aim for this research is to investigate the factors affecting the response time and force output of a very small and fast electromagnetic actuator, which is designed to be used as the pilot valve actuator in a digital valve system. The selected actuator type in this research is a plunger type solenoid. The diameter of the actuator is approximately 10 mm and height about 15 mm.
Because the response time of the actuator is approximately 0,5 milliseconds, the dynamic electromagnetic effects are a major factor in delaying the response. The most important electromagnetic phenomena are the inductance of the solenoid coil and the eddy currents formed in the core material of the solenoid. These factors are dependent on the type of material and the geometry of the solenoid.
In this research, a detailed finite element method (FEM) model of the solenoid is built using Comsol Multiphysics software. The model is used to simulate the effects of different geometries and materials for the magnetic circuit of the solenoid. The results from the simulations are verified by building a prototype according to the FEM model. The prototype will be manufactured from three different materials: magnetically soft low carbon steel, martensitic stainless steel and a soft magnetic composite. The prototypes will be tested with a number of coils with different numbers of turns.
The results of this research are expected to demonstrate which material, coil and geometry parameters are important when designing a very fast acting miniature solenoid actuator. As a result it will be possible to improve the performance and energy efficiency of the actuators while keeping their size as small as possible.
02:05 pm
Design of High Performance Actuation System for Valves
Authors:
Daniel Skelton | Purdue University | West lafayette | US
Shaoping Xiong | Purdue University | West Lafayette, Indiana | US
John Lumkes Jr. | Purdue University | West Lafayette, Indiana | US
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This paper introduces an innovative high performance actuation system for hydraulic valve based on the coupling of energy storage components. The momentum coupling valve (MCV) allows the moving component of a valve (poppet, spool etc.) to be momentarily coupled and decoupled with an already moving mass to produce linear motion, rather than accelerating and decelerating actuator and valve components simultaneously, as in traditional solenoid, armature, and spool combinations. Improvements in system efficiency and dynamic performance are needed in hydraulics, and high speed valves are a key enabler. They allow for greater control bandwidth, reduced metering losses, and can enable new system architectures in digital hydraulics such as switching control and digital pump/motors. The general coupling concept can be applied to many different design configurations. Coupling techniques includes piezoelectric actuators, magneto-rheological fluid, and electromagnetic couplers. In this paper the features, strengths, and weaknesses of each configuration will be examined. This paper presents the design and testing of a prototype using a magneto-rheological fluid coupler to validate a coupled-physics model that was developed early in the design phase. The experimental testing was conducted to validate the concept of a momentum coupling mechanism to achieve high speed valves for digital hydraulic applications.
02:25 pm
Concept of Digital Microhydraulic Valve System Utilising Lamination Technology
Authors:
Miika Paloniitty | Tampere University of Technology, Department of Intelligent Hydraulics and Automation (IHA) | Tampere | FI
Dr. Matti Linjama | Tampere University of Technology | Tampere | FI
Prof. Dr. Kalevi Huhtala | Tampere Univ. of Technology | Tampere | FI
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ABSTRACT
Digital hydraulic valve systems have been studied much during the last decade. Most theoretical advantages of the valve system which utilizes only parallel connected on/off valves have been verified with test systems. However, experimental research has been concentrated on the valve systems where volume flows of the valves are adjusted according to power of two. An alternative approach is to use a wide array of one size miniaturized on/off valves. Previous research indicates that this approach has a lot of benefits. Although lots of benefits compared to “binary coded” approach, the benefits of this approach have not been verified with experimental studies. The reason is the lack of suitable miniature valve which is sufficient low cost and usable in this kind of valve system. To fill this demand miniaturized on/off valves have been developed at Tampere University of Technology. The main purpose of this paper is to present the concept of the microhydraulic valve system utilizing the newest prototype of the miniaturized on/off valve and laminated manifold in order to increase the packing density of the valves and also to decrease the manufacturing costs of the manifold.
A multitude of valves bring some challenges for model based controller which is the main controller approach in the digital hydraulics. Assuming that, the model of the valve system in the controller has to involve individual parameters for every single valve, the model become quite heavy. To avoid this issue, the controller could use same parameters for every single valve. In this paper it is shown with simulations, that this approach of using mean valued parameters, have not significant effect on control performance compared to the controller with individual parameters for every single valve.
02:45 pm
Systematic analysis of the performance potential of solenoids used in pneumatic switching valves
Authors:
Tobias Dreher | Institut für Fluidtechnik, TU Dresden | Dresden | DE
Prof. Dr. Jürgen Weber | Technische Universität Dresden | Dresden | DE
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Die Anforderungen an direktgesteuerte pneumatische Schaltventile und deren elektromagnetische Aktoren erhöhen sich stetig, insbesondere in Bezug auf Bauraum, Energieeffizienz und Herstellungskosten. Jedoch sind das Entwicklungspotenzial für die angestrebten Verbesserungen nicht ausgeschöpft, die volle technisch mögliche Leistungsfähigkeit der elektromagnetischen Aktoren bisher nicht bekannt und der Realisierungsaufwand zum Erreichen bestimmter Leistungsdaten nicht bewertbar.
Das Ziel der vorgestellten Arbeiten besteht darin, die Einflüsse aller wesentlichen Konstruktionsparameter auf die Leistungsfähigkeit pneumatischer Schaltventile zu berechnen und systematisch zu analysieren. Um die interessanten Leistungskennzahlen zu bestimmen, sind transiente Berechnungen notwendig. Daher wurde für die Studien eine typische Magnetbauform ausgewählt und ein domänenübergreifendes Netzwerkmodell mit konzentrierten Parametern implementiert. Die Netzwerkelemente, wie elektrische und magnetische Widerstände, werden aus den Konstruktionsdaten bestimmt und die Zusammenhänge in einem eigenen Typ hinterlegt. Dadurch sind die Geometrieparameter als Eingangsgrößen für Parameterstudien verfügbar. Bei der Validierung des Simulationsmodells anhand eines Beispielventils wurde eine gute Übereinstimmung im statischen und transienten Verhalten erreicht.
Um die umfangreichen Parameterstudien effizient durchzuführen, wurde das Simulationsmodell in ein Optimierungswerkzeug eingebunden, welches Methoden der statistischen Versuchsplanung bereitstellt. Eine Sensitivitätsanalyse aller Parameter mit Normalverteilung zeigte, dass zwar der Parameterraum reduziert werden kann, jedoch starke Wechselwirkungen zwischen den Parametern existieren. Dies bedeutet, dass Studien einzelner Parameter nicht zielführend sind. Jedoch bietet sich eine Sensitivitätsanalyse mit Gleichverteilung an, bei der physikalisch-technische Grenzen der Fertigung mit dem Größt-/ Kleinstmaß abgebildet werden. Auf diese Weise wird der gesamte realisierbare Parameterraum berücksichtigt.
Als Ergebnis dieser Studien können die Verbesserungspotenziale und Leistungsgrenzen der Schaltmagnete aufgezeigt werden. Dazu wurden für die Auswertung der Parameterstudien aus den Leistungsdaten sinnvolle Ziel- und Vergleichskriterien abgeleitet. Zielkriterien sind beispielsweise Leistungskennzahlen wie die Schaltzeit ts, der Wirkungsgrad ηges und die minimal notwendige Halteleistung Pmin. Vergleichskriterien sind beispielsweise das Anreihmaß, das Aspektverhältnis des Elektromagneten L/B und der Ankerhub xA. Auf diese Weise werden die Bestwerte der Parameterstudien für jedes Zielkriterium gefunden und die entsprechenden konstruktiven Dimensionen und die elektrischen Anforderungen identifiziert. Diese Daten ermöglichen das Abschätzen des notwendigen Realisierungsaufwands für das Erreichen bestimmter Entwicklungsziele.
Insgesamt kann formuliert werden, dass für eine weitere Miniaturisierung der Schaltmagnete die Integration einer Elektronik zur Leistungsabsenkung notwendig ist, da dadurch die Eigenerwärmung deutlich reduziert werden kann. Weiterhin sind auch flache Elektromagnete ebenso leistungsfähig wie konventionelle hohe Magnetbauformen. Es erscheint daher sinnvoll, neuartige Fertigungsverfahren wie den 3D-Siebdruck einzusetzen, welche sich durch besonders hohe Ressourceneffizienz und hohe Fertigungsgenauigkeit auszeichnen.
Aus den gefundenen Bestwerten wurde eine Variante für den Aufbau eines Demonstrators ausgewählt. Sie zeichnet sich durch die kleinste Schaltzeit tS, ein kleines Volumen Vmag und ein geringes Anreihmaß aus. Für die Fertigung als Funktionsmuster und die experimentellen Untersuchungen musste die Konstruktion aus der Parameterstudie leicht modifiziert werden, wodurch sich auch moderate Änderungen der Leistungsdaten ergeben. Die experimentelle Analyse konnte das simulationstechnisch berechnete Verhalten sehr gut bestätigen und somit die Realisierbarkeit der Verbesserungsvorschläge demonstrieren.
03:05 pm
Retrofitting Digital Hydraulics – An Analytical Study
Authors:
MSc Miikka Ketonen | Tampere University of Technology | TAMPERE | FI
Dr. Matti Linjama | Tampere University of Technology | Tampere | FI
Prof. Dr. Kalevi Huhtala | Tampere Univ. of Technology | Tampere | FI
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Reason for the slow adaptation of new greener technologies is often the need for large modifications in products or systems. Different kind of regenerative pump-motor transformers might give an optimal solution for the energy efficiency of upcoming hydraulic systems, but the authors’ viewpoint is that it will demand decades before the technology is going to be widely adopted. On the other hand especially the industrial hydraulic systems have often very long life-times and the large scale of the system often makes it unprofitable to fully rebuild the system for improved energy-efficiency.
In order to improve the existing industrial and mobile hydraulic systems in a shorter time range, retrofittable digital hydraulic valve concept is presented to replace the old proportional and servo valves. In this paper advantages of three different digital valve system configurations are analyzed. Configurations include utilization of a pressurized tank line and a common regenerative pressure line attached to valve block through logic valves. Analytical study involves steady-state energy-efficiency comparison to a traditional proportional LS-system with multiple actuators. As the improvements are highly dependent on the system cycle and power distribution during the cycle, worst-case and optimal improvements are presented and velocity and force levels are realistically weighted according to an example data presented in literature. Also the possibility to improve productivity by improving old valve technology by fast actuating digital valves and technical challenges in retrofitting are discussed.