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2D-FEM-Simulation planarer und achsensymmetrischer Gleichstromaktoren mit EMWorks2D in SOLIDWORKS

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Gebrauchte Werkzeuge:

DC-Aktoren

Elektromagnetische Aktuatoren sind elektromechanische Komponenten, mit denen elektrische Energie in eine mechanische Bewegung umgewandelt wird. Sie decken translatorische und rotatorische Bewegungen ab. Gleichstromaktoren bestehen im Allgemeinen aus Permanentmagneten, Magnetspulen und ferromagnetischen Teilen. Magnetantriebe (Abbildung 1) haben einen Stahlanker, der sich nur in linearer Richtung bewegen kann. Das Arbeitsprinzip besteht darin, einen Gleichstrom durch eine Spule mit mehreren Windungen zu leiten, die einen statischen Magnetfluss erzeugen kann. Die magnetische Flussdichte erzeugt eine magnetische Kraft auf das bewegliche Teil (oder den Kolben). Der Kolben und das Spulengehäuse bestehen aus ferromagnetischem Material mit hoher Permeabilität, um das Magnetfeld leicht leiten zu können.

DC-Aktor [1]
Abbildung 1 - DC-Aktor [1].

Die FEM-Simulation wird verwendet, um die Magnetfelder und die Kraft zu untersuchen und vorherzusagen, die der Gleichstromaktor an jeder Kolbenposition erzeugt.

Zweidimensionale Approximation

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) hat zwei Varianten: zweidimensionale (2D) und dreidimensionale (3D). Ein wesentlicher Vorteil der 3D-FEM ist die Fähigkeit, die gesamte Geometrie des analysierten Objekts einschließlich des Endbereichs der Wicklungen zu modellieren. Mit der 2D-FEM können nur die Feldverteilung und andere Parameter in einem Querschnitt des Maschinenmodells berechnet werden. Darüber hinaus hilft die 2D-Simulation, Ergebnisse schneller vorherzusagen und bietet mehr Designiterationen. Andererseits bietet 3D FEM genauere und realistischere Ergebnisse. Die Berechnungszeit des 3D-Modells ist jedoch viel länger als die des 2D-Modells.

Nichtlineare magnetostatische Simulation mit EMWorks2D

Beispiel 1: Planarer Gleichstromaktor [2]

Ein translationales symmetrisches Modell [2] wird unter Verwendung von EMWors2D vorgeschlagen und analysiert. Abbildung 2 zeigt das simulierte 2D-Modell. Es besteht aus einem Stator und einem beweglichen Kolben; beide bestehen aus Siliziumstahl RM50, der durch die in Abbildung 3 gezeigte BH-Kurve gekennzeichnet ist, und einer Spule aus Kupfer (1575 At).

simuliertes Modell
Abbildung 2 - simuliertes Modell.

BH-Kurve aus Siliziumstahl RM50 [2]
Abbildung 3 - BH-Kurve von Siliziumstahl RM50 [2].

Abbildung 4 zeigt das Netz des Modells. Das Modell ist mit Dreieckselementen verzahnt. Eine kleinere Elementgröße in der Nähe des Luftspalts wird durch Hinzufügen eines Maschensteuerelements an den Rändern erzeugt. Fig. 5 und 6 zeigen jeweils ein Streifendiagramm des Magnetflusses und der Flusslinien des Magnetvektorpotentials.


Meshed-Modell

Abbildung 4 - Maschenmodell.


: Randdiagramm der magnetischen Flussdichte

Abbildung 5 - Fringe Auftragung der magnetischen Flussdichte.

Flusslinien des magnetischen Vektorpotentials


Abbildung 6 - Flusslinien des magnetischen Vektorpotentials.

Die vom Stellantrieb erzeugte Kraft wird in Abhängigkeit vom Luftspalt berechnet (Abstand zwischen Kolben und Stator). Zu diesem Zweck wird mit EMWorks2D eine parametrische Analyse durchgeführt. Es können sowohl geometrische als auch Simulationsvariablen parametriert werden.

Abbildung 7 enthält einen Vergleich der berechneten Kraft von EMWorks2D und ref [2]. es zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen beiden Ergebnissen. Die Kraft ist umgekehrt proportional zum Luftspaltabstand. Je kleiner der Luftspaltabstand ist, desto höher wird die Magnetkraft. Dieses Phänomen kann einfach durch das Verhalten des magnetischen Widerstandes (magnetischer Widerstand) erklärt werden, der proportional zum Luftspaltabstand ist.

Kraft gegen Luftspaltabstand

Abbildung 7 - Kraft gegen Luftspaltabstand.

Beispiel 2: Axisymmetrischer Magnetantrieb [3]

Ein linearer Gleichstromaktor mit Rotationsachsensymmetrie ist in Lit. [3] dargestellt. In diesem Beispiel wird die Simulation für die folgenden zwei Fälle ausgeführt:

  • Der Stator und der bewegliche Kolben bestehen aus nichtlinearem Kohlenstoffstahl, der durch die in Abbildung 8 gezeigte BH-Kurve gekennzeichnet ist.
  • Die Lücke zwischen beweglichen und unbeweglichen Bauteilen ist mit Luft gefüllt.

BH-Kurve aus Kohlenstoffstahl [3]
Abbildung 8 - BH-Kurve von Kohlenstoffstahl [3].

Die Ergebnisse der magnetischen Flussdichte, der Magnetfeldstärke und des magnetischen Potentials werden von EMWorks2D generiert. Die 9a) und 9b) enthalten jeweils Streifen- und Liniendiagramme des im Stellglied erzeugten Magnetflusses. Die Äquipotentialkonturen des magnetischen Vektorpotentials A sind in Abbildung 10 dargestellt.


Magnetische Flussdichte a) Streifenplot b) Linienplot
Abbildung 9 - Magnetische Flussdichte a) Streifenplot b) Linienplot.

EMWorks2D wird verwendet, um die Kraft auf den Kolben gegenüber dem Luftspaltabstand und dem Gleichstrom zu berechnen. Durch Parametrierung wird die Magnetkraftkurve durch Variation des Luftspaltabstandes erzeugt. Wie oben erwähnt, nimmt die Kraft umgekehrt mit dem Luftspaltabstand ab. Abbildung 11 enthält einen Vergleich der berechneten Kraft mit EMWorks2D gegenüber der Referenzreferenz [3].

Kraftergebnisse in Abhängigkeit vom Luftspaltabstand

Abbildung 11 - Kraftergebnisse in Abhängigkeit vom Luftspaltabstand

Durch Variation von Strom und Luftspaltabstand berechnet und erzeugt EMWorks2D die Magnetkraft im Stellantrieb. Abbildung 12 zeigt eine 3D-Grafik der Kraftergebnisse. Die resultierende Kraft nimmt mit höherem Strom (NI) und kleinerem Spaltabstand zu.


Kraftergebnisse in Abhängigkeit von Luftspaltabstand und angelegtem Strom

Abbildung 12 - Kraftergebnisse in Abhängigkeit von Luftspaltabstand und angelegtem Strom.

Fazit

Das Design und die Entwicklung von DC-Aktuatoren der neuen Generation werden zunehmend nachgefragt, da sie in zahlreichen Anwendungen wie der Militär- und Medizinindustrie eingesetzt werden.

Die FEM-Simulation kann von entscheidender Bedeutung sein, um für solche Anwendungen eine hohe Genauigkeit und Effizienz zu erzielen. Zur Optimierung und zum Bau effizienter Magnetantriebe werden 3D- und 2D-Finite-Elemente-Analysen verwendet, um Magnetkräfte, Magnetfluss, Stromdichte, Kraftdichte usw. zu berechnen. Die 3D-Simulation ist zwar genauer und berücksichtigt realistischere Bedingungen. Die 2D-Approximation wird auch verwendet, da sie Zeit und Ressourcen spart und den Produktionsprozess beschleunigt.

Verweise

[1]: https://www.electronics-tutorials.ws/io/io_6.html
[2]: Se-Hee Lee, Hong-Soon Choi und Il-Han Park. Einführung des virtuellen Luftspaltschemas in die Kelvin-Kraftdichte mit Außen- und Gesamtfeld. IEEE-TRANSAKTIONEN AUF MAGNETIK, VOL. 43, NR. 4. APRIL 2007
[3]: Terzova, AI, VM Mateev und IY Marinova. Modellierung eines elektromagnetischen Aktuators mit Ferrofluid. CEMBEF 2013 (2013): 75–78.