Multi domain modelling of an electromagnetic fluid valve and sensitivity analysis of parameters of the flux-current characteristic

Abstract

El monitoreo de condiciones es un aspecto importante de muchas aplicaciones industriales estándares, y en los actuadores industriales modernos, en particular los actuadores de solenoide, sigue siendo un área de investigación activa. Esta tesis se centra en la válvula coaxial de la serie RSG 270, una válvula de fluido industrial del proyecto de investigación SmartValve. El objetivo principal es modelar el comportamiento magnético de la válvula utilizando el Método de Elementos Finitos (FEM) y simular tanto su comportamiento estático como transitorio. El estudio busca entender cómo los parámetros mecánicos influyen en la característica flujo-corriente (v-i), ofreciendo así reducciones potenciales en el tiempo de ingeniería al minimizar la necesidad de realizar mediciones experimentales extensas en muestras de válvulas especialmente manipuladas. La metodología incluye modelado 3D completo del circuito magnético del solenoide, simulaciones transitorias y estudios de par´ametros. Las actividades clave incluyeron el cálculo de la distribución del flujo magnético en diversas condiciones operativas, el análisis de fuerzas transversales que actúan sobre un émbolo inclinado y la modelación 2D del circuito magnético para integrar la excitación eléctrica con parámetros mecánicos. Los estudios de parámetros examinaron factores como la posición inicial, la longitud del recorrido, la fricción, la rigidez del resorte de retorno y la temperatura. Las simulaciones se realizaron utilizando COMSOL Multiphysics, y los resultados fueron validados mediante la comparaci´on con datos experimentales del proyecto SmartValve. Los hallazgos clave incluyen ideas sobre la relación entre la corriente de excitación y el flujo magnético en condiciones transitorias, así como la sensibilidad del desempeño de la válvula ante variaciones en los parámetros mecánicos y eléctricos. Los resultados preliminares de simulación se alienaron estrechamente con los datos experimentales, demostrando un potencial significativo para el ahorro de tiempo y costos en el diseño y prueba de válvulas. En conclusión, esta investigación contribuye a la comprensión de las válvulas electromagnéticas de fluidos al proporcionar un marco para modelar y analizar su comportamiento. Las contribuciones originales incluyen el modelado 3D del circuito magnético, la simulación transitoria de la relación flujo-corriente y un análisis básico de las fuerzas transversales en posiciones no coaxiales. Este trabajo sienta las bases para evaluar la viabilidad de implementar el monitoreo de condiciones en válvulas de solenoide.

Condition monitoring is an important aspect of many standard industrial applications, and in modern industrial actuators, particularly solenoid actuators, it remains an area of active investigation. This thesis focuses on the RSG 270 series coaxial valve, an industrial fluid valve from the SmartValve research project. The primary objective is to model the magnetic behavior of the valve using the Finite Element Method (FEM) and to simulate both its static and transient behaviors. The study seeks to understand how mechanical parameters influence the flux-current characteristic (v-i), offering potential reductions in engineering time by minimizing the need for extensive experimental measurements on specially manipulated valve samples. The methodology includes comprehensive 3D modeling of the solenoid magnetic circuit, transient simulations, and parameter studies. Key activities involved calculating the magnetic flux distribution under various operating conditions, analyzing cross-forces acting on an inclined plunger, and performing 2D modeling of the magnetic circuit to integrate electrical excitation with mechanical parameters. Parameter studies examined factors such as initial position, stroke length, friction, return spring stiffness, and temperature. The simulations were carried out using COMSOL Multiphysics, and the results were validated by comparison with experimental data from the SmartValve project. Key findings include insights into the relationship between excitation current and magnetic flux linkage under transient conditions, as well as the sensitivity of the valve’s performance to variations in mechanical and electrical parameters. Preliminary simulation results closely aligned with experimental data, demonstrating significant potential for time and cost savings in valve design and testing. In conclusion, this research contributes to the understanding of fluid electromagnetic valves by providing a framework for modeling and analyzing their behavior. Original contributions include 3D modeling of the magnetic circuit, transient simulation of the flux-current relationship, and a basic analysis of cross-forces in non-coaxial positions. This work lays the groundwork for the feasibility of implementing condition monitoring in solenoid valves.

Die Zustandsüberwachung ist ein wichtiger Aspekt vieler standardisierter Industrieanwendungen und bleibt bei modernen Industrieaktuatoren, insbesondere bei Magnetaktuatoren, ein aktives Forschungsgebiet. Diese Arbeit konzentriert sich auf das koaxiale Ventil der Serie RSG 270, ein industrielles Fluidventil aus dem Forschungsprojekt SmartValve. Das Hauptziel ist die Modellierung des magnetischen Verhaltens des Ventils mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) sowie die Simulation seines statischen und transienten Verhaltens. Ziel der Studie ist es, zu verstehen, wie mechanische Parameter die Fluss-Strom-Kennlinie (v-i) beeinflussen, und so mögliche Einsparungen in der Ingenieur Zeit durch die Minimierung umfangreicher experimenteller Messungen an speziell manipulierten Ventil Proben zu erzielen. Die Methodik umfasst eine umfassende 3D-Modellierung des magnetischen Kreises des Magneten, transiente Simulationen und Parameterstudien. Zentrale Aktivit¨aten waren die Berechnung der magnetischen Flussverteilung unter verschiedenen Betriebsbedingungen, die Analyse der Querkräfte auf einen geneigten Anker sowie die Durchf¨uhrung von 2D-Modellierungen des magnetischen Kreises zur Integration elektrischer Anregung mit mechanischen Parametern. Parameterstudien untersuchten Faktoren wie Anfangsposition, Hub, Reibung, Rückhol feder steifigkeit und Temperatur. Die Simulationen wurden mit COMSOL Multiphysics durchgeführt, und die Ergebnisse wurden durch Vergleich mit experimentellen Daten aus dem SmartValve-Projekt validiert. Wesentliche Erkenntnisse umfassen Einblicke in die Beziehung zwischen Erregerstrom und magnetischem Fluss bei transienten Bedingungen sowie die Empfindlichkeit der Ventile Leistung gegen¨uber Variationen mechanischer und elektrischer Parameter. Erste Simulationsergebnisse stimmten eng mit experimentellen Daten überein und zeigen ein erhebliches Potenzial für Zeitund Kosteneinsparungen bei der Ventilauslegung und -pr¨ufung. Zusammenfassend trägt diese Forschung zum Verständnis von elektromagnetischen Fluidventilen bei, indem ein Rahmen für die Modellierung und Analyse ihres Verhaltens bereitgestellt wird. Originalbeiträge umfassen die 3D-Modellierung des magnetischen Kreises, die transiente Simulation der Fluss-Strom-Beziehung und eine grundlegende Analyse der Querkräfte in nicht-koaxialen Positionen. Diese Arbeit bildet die Grundlage f¨ur die Machbarkeitsprüfung der Zustandsüberwachung bei Magnetventilen.