Analysis and Synthesis of Plane-Parallel Magnetic Fields of Actuators with Shape Memory Effect by Combined Finite Element and Point Magnetic Moment Method

Authors

  • Valeriy V. Grechikhin Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
  • Ivan S. Kraevskiy Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова
  • Oksana S. Matveeva Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

DOI:

https://doi.org/10.17213/0136-3360-2020-4-5-12

Keywords:

actuator, ferromagnetic shape memory alloy, analysis, synthesis, magnetic field, finite element method, method of point magnetic moments

Abstract

The article is devoted to solving the actual problem of analysis and synthesis of actuators based on ferromagnetic shape memory alloy. A combined method of calculating plane-parallel magnetic fields of actuators has been developed: in a linear environment the method of point magnetic moments is used, in a non-linear environment the method of finite elements is used. Application of vector magnetic points allows reducing the dimensionality of the field calculation problem. The number of unknowns, compared with the finite element method, decreases by about 18 times with a relative error in calculating the magnetic flux density of less than 2 %. On the basis of the method, an algorithm has been developed to solve the inverse problem of determining the magnetomotive force of the magnetizing coils of the actuator taking into account the dependence of the magnetic properties of ferromagnetic shape memory alloy on its deformation and the effect on the deformation of the material of the external load. Algorithm provides considerable reduction of calculation time with required accuracy of magnetic field parameters determination. This allows us to effectively solve the problems of synthesizing actuators, to analyze malfunctions and predict their condition in real time. The proposed combined method can be used for calculating the magnetic fields of other electrical devices.

Author Biographies

Valeriy V. Grechikhin, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

Doctor of Technical Sciences, Professor.

Ivan S. Kraevskiy, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

Applicant.

Oksana S. Matveeva, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

Student.

References

Magnetic Shape Memory Microactuators / M. Kohl, M. Gueltig, V. Pinneker, R. Yin, F. Wendler, B. Krevet // Micromachines. 2014. Vol. 5. P. 1135 - 1160.

Ferromagnetic shape memory alloy actuator for micro- and nanopositioning / E. Asua, J. Feuchtwanger, A. Garcнa-Arribas, V. Etxebarria, I. Orue, J.M. Barandiaran // Sensor Letters. 2009. № 7. P. 348 - 350.

A precise positioning actuator based on feedback-controlled Magnetic Shape Memory Alloys / L. Riccardi, D. Naso, B. Turchiano, H. Janocha //Mechatronics. 2012. Vol. 22, № 5. P. 568 - 576.

Multistable actuator based on magnetic shape memory alloy / J. Gauthier, A. Hubert, J. Abadie, C. Lexcellent // Actuator 2006, 10th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany. 2006. P. 787 - 790.

An Innovative Electromagnetic Actuator Based on Magnetic Shape Memory Alloys / M. Schropp, L. Riccardi, R. Schnetzler, R. Naegele // Actuator 2018; 16th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany. 2018. P. 587 - 590.Large magnetic field induced strains in Ni2MnGa single crystals / K. Ullakko, J.K. Huang, C. Kantner, R.C. O’Handley, V.V. Kokorin // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 69, № 13. P. 1966-1968.

Ферромагнетики с памятью формы / А.Н. Васильев, В.Д. Бучельников, Т. Такаги, В.В. Ховайло, Э.И. Эстрин // Успехи физических наук. 2003. Т. 173. № 6. С. 577 - 608.

New materials for micro-scale sensors and actuators: an engineering review / Wilson, Stephen A. [ets.] // Materials Science & Engineering R-Reports. 2007. Vol. 56, № 6. P. 1 - 129.

Gorbatenko N.I., Grechikhin V.V., Shaikhutdinov D.V. Measuring and Actuating Devices Based on Shape Memory Ferromagnets. Metal Science and Heat Treatment, Vol. 56, No. 11 - 12, March, 2015.

FEM-simulation of magnetic shape memory actuators / T. Schiepp, M. Maier, E. Pagounis, A. Schlüter, M. Laufenberg // IEEE transactions on magnetics. 2014. Vol. 50, № 2. P. 989 - 992.

Бахвалов Ю.А., Гречихин В.В., Юфа-нова А.Л. Математическое моделирование магнитных полей комбинированным методом фундаментальных решений и конечных элементов в задачах диагностики исполнительных систем с эффектом памяти формы // Изв. вузов. Электромеханика. 2015. № 6. С. 22 - 31. DOI:10.17213/0136-3360-2015-6-22-31.

Балабан А.Л., Бахвалов Ю.А., Гречи-хин В.В. Математическое моделирование трехмерных магнитных полей комбинированным методом конечных элементов и фундаментальных решений с точечными магнитными моментами // Изв. вузов. Электромеханика. 2019. № 1. С. 5 - 14. DOI: 10.17213/0136-3360-2019-1-5-14.

Бахвалов Ю.А., Матвеева О.С. Математическое моделирование плоскопараллельных стационарных магнитных полей актуаторов с эффектом памяти формы методом точечных источников // Изв. вузов. Электромеханика. 2019. № 5. С. 5 - 10. DOI:10.17213/0136-3360-2019-5-5-10.

Гречихин В.В., Краевский И.С. Математическая макромодель состояний актуатора с эффектом памяти формы и ее применения // Изв. вузов. Электромеханика. 2020. № 2-3. С. 62 - 67. DOI:.10.17213/0136-3360-2020-2-3-62-67.

Schiepp T. A Simulation Method for Design and Development of Magnetic Shape Memory Actuators. PhD thesis, University of Gloucestershire, 2015.

Published

2020-08-15

How to Cite

(1)
Grechikhin, V. V.; Kraevskiy, I. S.; Matveeva, O. S. Analysis and Synthesis of Plane-Parallel Magnetic Fields of Actuators With Shape Memory Effect by Combined Finite Element and Point Magnetic Moment Method. electromeh 2020, 63, 5-12.

Issue

Section

Articles