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Gleichstrommagnet (TEAM 20)

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WEBINAR
Discover EMWorks Solution for Solenoids and Actuators – Electro-thermo-mechanical Modeling Inside SOLIDWORKS
Wednesday, July 28, 2021
Time
SESSION 1
SESSION 2
CEST (GMT +2)
03:00 PM
08:00 PM
EDT (GMT -4)
09:00 AM
02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

Beschreibung des Problems

Ein Solenoidbeispiel (TEAM 20) mit einem Stahlkern und einem Kolbenpol (Abbildung 1) wird mit dem magnetostatischen Löser von EMS analysiert. Der Polanker ist einer Kraft ausgesetzt, die durch den an die umgebende Spule angelegten Strom angetrieben wird.
Dieses Problem ist als TEAM Workshop-Problem Nr. 20 bekannt. Es wurde von Nakata et al. [1] vorgeschlagen. Erste Ergebnisse und Messdaten sind in [2] aufgeführt. Weitere Messergebnisse wurden im TEAM-Workshop vorgestellt [3]. Im Ergebnisteil wird ein Vergleich mit den Messergebnissen durchgeführt.

Gleichstrommagnet

Abbildung 1 - Gleichstrommagnet

Studie

In der unten gezeigten Magnetspule (Abbildung 2) bestehen der Mittelpol und das Joch aus Stahl. Die Spule besteht aus Kupfer und wird mit einem Gleichstrom von 3000 A-Windungen, dh N=3000 Windungen, und einem Strom pro Windung von 1 A erregt, der ausreicht, um den Stahl zu sättigen. Daher muss dieses Problem durch die nichtlineare magnetostatische Analyse gelöst werden. Um die Symmetrie zu nutzen, wird wiederum nur die Hälfte des Problems modelliert.

3D-Modell des Gleichstrommagneten
Abbildung 2 - 3D-Modell des Gleichstrommagneten

Materialien

Für die magnetostatische Untersuchung benötigen wir hauptsächlich die relative Permeabilität jedes Materials.

Tabelle 1 - Materialeigenschaften

Komponenten/Körper Material Relative Permeabilität
Center_pole MA2-Stahl Nicht linear
Spule Kupfer 0.99991
Inner_air Luft 1
Outer_air Luft 1
Yoke_T MA2-Stahl Nicht linear
Bei diesem Problem ist der MA2-Stahl (Abbildung 3) ein nichtlinearer Werkstoff. In der "EMS Materials Library" gibt es einen vollständigen Ordner für nichtlineare Materialien, in dem BH-Kurven einfach gefunden oder hinzugefügt werden können.

B-H-Kurve aus MA2-Stahl

Abbildung 3 - BH-Kurve von MA2-Stahl

Eingabegrößen und Randbedingungen

Eingabegößen und Randbedingungen ("Loads and Restraints") sind erforderlich, um die elektrische und magnetische Umgebung des Modells zu definieren. Die Ergebnisse der Analyse hängen direkt von den angegebenen "Loads and Restraints" ab. Eingabegößen und Randbedingungen werden auf geometrische Objekte als Features angewendet, die der Geometrie vollständig zugeordnet sind und automatisch an geometrische Änderungen angepasst.

Tangentialfluss in der Symmetriefläche
Abbildung 4 - Tangentialfluss in der Symmetriefläche

In dieser Studie wird eine Spule (Tabelle 2) angewendet und der Polmittelpunkt als Last (Tabelle 3), in der die virtuelle Arbeit berechnet werden muss.

Tabelle 2 - Spuleneigenschaften

Name Anzahl der Windungen Betrag
Gewickelte Spule 3000 1 A

Tabelle 3 - Eigenschaften zu Kraft und Drehmoment

Name Drehmomentzentrum Komponenten/Körper
Virtuelle Arbeit  Im Ursprung Center_pole

Vernetzen

Der Luftbereich ist in zwei separate Teile aufgeteilt: eine Innenluft und eine Außenluft. Diese Strategie wird für die meisten Probleme empfohlen, da Sie die inneren Luftbereiche, in denen das Feld von Bedeutung ist, dicht vernetzen und die äußeren Luftbereiche, in denen das Feld normalerweise klein ist und abfällt, grob vernetzen können. Auf diese Weise wird die Feldvariation in den relevanten Bereichen erfasst, ohne dass eine sehr große Anzahl von Netzelementen erforderlich ist.

Die Netzqualität kann mit der Netzsteuerung (Tabelle 4) eingestellt werden, die auf feste Körper und Flächen angewendet werden kann. Unten (Abbildung 4) ist das vernetzte Modell nach Verwendung der Netzsteuerungen ("Mesh controls") dargestellt.

Tabelle 4 - Netzsteuerungen

Name Maschenweite Komponenten/Körper
Netzsteuerung 1 2,00 mm Spule_T ,/Joch_T
  Netzsteuerung 2 0,5700 mm Center_pole-1
Meshed Solenoid
Abbildung 5 - Vernetzter Solenoid

Ergebnisse

Nach dem Ausführen der Simulation dieses Beispiels können wir viele Ergebnisse erhalten. Das magnetostatische Modul generiert die Ergebnisse von: Magnetische Flussdichte (Abbildung 6), Magnetfeldstärke, angelegte Stromdichte (Abbildung 7), Kraftdichte, Feldoperation (B- und H-Ableitungen) und einer Ergebnistabelle (Abbildung 9), die die berechneten Werte enthält Parameter des Modells, der Kraft und des Drehmoments…
2D-Diagramme (Abbildung 8) sind auch von EMS zulässig.

Magnetostatische Flussdichte, Randdiagramm

Abbildung 6 - Magnetostatische Flussdichte, Streifenplot
Angewandte Stromdichte
Abbildung 7 - Angewandte Stromdichte

Überprüfen der Ergebnisse der Flussdichte

Zu den von TEAM 20 geforderten Benchmark-Ergebnissen gehört die durchschnittliche magnetische Flussdichte entlang der Z-Achse (Bz) in der Mitte des Mittelpols [1]. Die gemessenen Daten sind in [3] angegeben.
2D-Darstellung der magnetischen Flussdichte zwischen zwei Punkten
Abbildung 8 - 2D-Diagramm der magnetischen Flussdichte zwischen zwei Punkten

Die gemessenen Daten in [3] geben den durchschnittlichen Bz an. Um den Durchschnitt der obigen Ergebnisse zu erhalten. Sie können die Daten in einer Excel-Datei (.xls) speichern und den Durchschnittswert von Bz berechnen. Es wurde ein Wert von -1,71 T festgestellt, was einem Wert nahe kommt, der dem in [2] angegebenen Wert von -1,75 T entspricht.

Überprüfen der Kraft-Ergebnisse

Ergebnistabelle
Abbildung 9 - Ergebnistabelle

Denken Sie daran, dass aufgrund der Symmetrie nur die Hälfte des Problems modelliert wird. Die Symmetrieebene ist orthogonal zur X-Achse. Daher müssen die Fy- und Fz-Komponenten mit dem Faktor 2 multipliziert werden und die Fx-Komponente wird aufgrund der Symmetrie gelöscht. Da Fy im Vergleich zu Fz sehr klein ist, ist die resultierende Kraft mit einer Größe von 2 × 27,34=54,68 N nur in der Z-Richtung.
Vergleicht man die erhaltene Kraft von 54,68 N mit der gemessenen Kraft von 54,4 N [3], so liegen die Ergebnisse innerhalb einer akzeptablen Differenz.

Fazit

Das Magnetostatik-Modul von EMS liefert alle erforderlichen Ergebnisse eines DC-Solenoids für eine gute Dimensionierung und einen besseren Wirkungsgrad. EMS ist nicht nur vollständig in Solidworks und Inventor integriert, sondern auch genau und einfach zu bedienen.

Verweise

[1] T. Nakata, N. Takahashi, and H. Morishige, "Proposal of a model for verification of software for 3-d static force calculation,"  in Verification of Software for 3-D Electromagnetic Field Analysis (Z. Cheng, K. Jiang, and N. Takahashi eds.), pp. 139-147, 1992.
[2] T. Nakata, N. Takahashi, H. Morishige, J. L. Coulomb, and J. C. Sabonnadiere, "Analysis of 3-d static force problem,"  in Proceedings of TEAM Workshop on Computation of Applied Electromagnetics in Materials, pp. 73-79, 1993.
[3] T. Nakata, N. Takahashi, M. Nakano, H. Morishige, and K. Masubara, "Improvement  of measurement of 3-d static force problem (problem 20),"  in Proceedings of TEAM Workshop , Miami, November 1993.