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Elektromagnetische Kupplung

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WEBINAR
Tips for Permanent Magnet Linear Generators Design
Thursday, October 21, 2021
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SESSION 1
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Gebrauchte Werkzeuge:

Definition

Die Kupplung (Abbildung 1) ist ein wichtiger Bestandteil des Getriebes von Kraftfahrzeugen. Es überträgt die Kraft mit verschiedenen Drehzahlen vom Motor auf das Getriebe. Während dieser Kraftübertragung wird kein Schock verursacht. Die Funktion der Kupplung besteht darin, den Motor vorübergehend vom Getriebe zu trennen. Wenn der Gang vom ersten zum zweiten gewechselt werden muss, sollte dies nach dem Trennen des Motors vom Getriebe erfolgen. Andernfalls können die Zahnradzähne brechen. Die Kupplung ist daher hilfreich beim Starten, Schalten und im Leerlauf.

Elektromagnetische Kupplung

Abbildung 1 - Elektromagnetische Kupplung

Die in der folgenden Abbildung (Abbildung 2) gezeigten Hauptkomponenten der EM-Kupplung sind ein Spulengehäuse, ein Anker, ein Rotor und eine Nabe. Die Ankerplatte ist mit einer Reibbeschichtung ausgekleidet. Die Spule befindet sich hinter dem Rotor. Wenn die Kupplung aktiviert ist, erregt der Stromkreis die Spule und erzeugt ein Magnetfeld. Der Rotorabschnitt der Kupplung wird magnetisiert. Wenn das Magnetfeld den Luftspalt zwischen Rotor und Anker überschreitet und dann den Anker in Richtung Rotor zieht. Die an der Kontaktfläche erzeugte Reibungskraft überträgt das Drehmoment. Die Einrückzeit hängt von der Stärke der Magnetfelder, der Trägheit und dem Luftspalt ab. Wenn die Spannung von der Spule entfernt wird, ist der Kontakt weg. Bei den meisten Konstruktionen wird eine Feder verwendet, um den Anker zurückzuhalten und einen Luftspalt bereitzustellen, wenn Strom entfernt wird.

Komponenten der elektromagnetischen Kupplung

Abbildung 2 - Komponenten der elektromagnetischen Kupplung

Anwendung: Sie können für Fernanwendungen verwendet werden, da für die Betätigung der Kupplung keine Verbindung erforderlich ist. Sie werden in Druckmaschinen, Förderantrieben, Kopiermaschinen und Fabrikautomation eingesetzt. In einem Automobil ersetzt es das Kupplungspedal durch einen einfachen Schaltknopf. Eine kleinere EM-Kupplung wird verwendet, um den Kompressor der Klimaanlage anzutreiben.

Beschreibung des Problems

Wenn eine Spule erregt wird, wird eine elektromagnetische Kraft induziert, die das Ziehen des Ankers zum Rotor verursacht. Dieses Beispiel behandelt diese Art von Phänomenen. Eine Bewegungsstudie wird unter Verwendung der SW-Bewegung erstellt, und die magnetostatische Studie des UMS wird daran gekoppelt. Der EMS-Löser und der Bewegungslöser kommunizieren bei jedem Schritt, um Informationen über die Kraft und Position des Kolbens auszutauschen. EMS berechnet die Kraft an der Anfangsposition, dann wird der Kraftwert an die SW-Bewegung übergeben, die wiederum den Kraftwert aufnimmt, ihn auf den Kolben anwendet, die neue Position berechnet und ihn dann an EMS zurücksendet. Anschließend berechnet der EMS-Löser die Kraft basierend auf dem neuen Standort usw. neu. Beide Löser gehen so lange hin und her, bis alle Schritte abgeschlossen sind.

Modell der Kupplung

Abbildung 3 - 3D-Modell der Kupplung

Studie

Das magnetostatische Modul von EMS in Verbindung mit SolidWorks Motion wird zur Berechnung und Visualisierung der Flussdichte und der Bewegung des Ankers verwendet. Nach der Erstellung einer Bewegungsanalyse in SW und einer magnetostatischen Untersuchung in EMS sind immer vier wichtige Schritte zu befolgen: 1 - das richtige Material für alle Festkörper auftragen, 2 - die erforderlichen Randbedingungen anwenden oder die sogenannten Lasten/Beschränkungen in EMS , 3 - Vernetzen Sie das gesamte Modell und 4 - Führen Sie den Solver aus.

Materialien

Bei der magnetostatischen Analyse von EMS ist die erforderliche Materialeigenschaft die relative Permeabilität (Tabelle 1).

Tabelle 1 - Materialtabelle

Komponenten/Körper Material Relative Permeabilität
Spule Kupfer 0,999991
Shell Coil AISI 1010 Stahl Nicht linear
Innere Luft Luft 1
Band Luft 1
Anker AISI 1010 Stahl Nicht linear
Nabe Stahl 1018 Nicht linear
Luftzylinder Luft 1
Rotor AISI 1010 Stahl Nicht linear
Welle Stahl 1018 Nicht linear


Die EMS-Materialbibliothek enthält alle Materialeigenschaften und ermöglicht es Benutzern, andere benötigte Materialien hinzuzufügen.

BH-Kurve aus Stahl 1018

Abbildung 4 - BH-Kurve von Stahl 1018

BH-Kurve aus AISI 1010 Stahl
Abbildung 5 - BH-Kurve von AISI 1010 Steel

Spulen- und Kraftinformationen

In dieser Studie wird eine Spule (Tabelle 2) angewendet.

Tabelle 2 - Spuleninformationen

Name Anzahl der Züge Größe
Wundspule 1 1015 0,73101 A.

Vernetzung

Das Vernetzen ist ein sehr wichtiger Schritt in der Entwurfsanalyse. EMS schätzt eine globale Elementgröße für das Modell unter Berücksichtigung seines Volumens, seiner Oberfläche und anderer geometrischer Details. Die Größe des generierten Netzes (Anzahl der Knoten und Elemente) hängt von der Geometrie und den Abmessungen des Modells, der Elementgröße, der Netzverträglichkeit und der Netzsteuerung ab. In den frühen Phasen der Entwurfsanalyse, in denen ungefähre Ergebnisse ausreichen können, können Sie eine größere Elementgröße für eine schnellere Lösung angeben. Für eine genauere Lösung kann eine kleinere Elementgröße erforderlich sein
Der Luftbereich ist in zwei separate Teile aufgeteilt: eine Innenluft und eine Außenluft. Diese Strategie wird für die meisten Probleme empfohlen, da Sie damit dicht um die inneren Luftbereiche, in denen das Feld von Bedeutung ist, und in den äußeren Luftbereichen, in denen das Feld normalerweise klein ist und abfällt, grob ineinander greifen können. Auf diese Weise wird die Feldvariation in den relevanten Bereichen erfasst, ohne dass eine sehr große Anzahl von Netzelementen erforderlich ist.

In der Studie mit Bewegungskopplung sollten wir eine Komponente namens Band um die beweglichen Teile verwenden. Diese Technik ermöglicht das erneute Ineinandergreifen der beweglichen Teile und des Bandes in jedem Simulationsschritt.

Vernetztes Modell bei 0 Sekunden (Schritt 1)
Abbildung 6 - Vernetztes Modell bei 0 Sekunden (Schritt 1)

Ergebnisse

Die regulären Fluss-, Feld-, Strom- usw. Diagramme sind in Bewegungsstudien an jeder Position, dh Zeitschritt, verfügbar. Diese Ergebnisse können bei jedem Schritt einzeln angezeigt oder animiert werden, um die Wirkung der Bewegung zu untersuchen. In ähnlicher Weise können die tabellarischen Ergebnisse wie Kraft/Drehmoment, Induktivität, Flusskopplung usw. jetzt zu jedem Zeitschritt visualisiert werden. Sie können auch gegen Zeit, Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung aufgetragen werden, z. B. Drehmoment gegen Geschwindigkeit. Darüber hinaus können die kinematischen Ergebnisse wie Position gegen Zeit auch direkt in den tabellarischen Ergebnissen visualisiert werden. Vollständigere Bewegungs- und Kinematikergebnisse sind im SolidWorks Motion Manager verfügbar.

Nach dem Ausführen der Simulation dieses Beispiels können wir viele Ergebnisse erhalten. Das Magnetostatikmodul generiert die Ergebnisse aus: Magnetflussdichte (Abbildung 7,8), Magnetfeldintensität, angelegter Stromdichte (Abbildung 9), Kraftdichte und einer Ergebnistabelle, die die berechneten Parameter des Modells, die Kraft und das Drehmoment enthält… 2D-Diagramme (Abbildung 10.11) und Bewegungsanimationen sind ebenfalls von EMS zulässig.

Magnetische Flussdichte, Schnittansicht (Schritt 1)

Abbildung 7 - Magnetische Flussdichte, Schnittansicht (Schritt 1)


Magnetische Flussdichte, Vektordiagramm (Schritt 3)

Abbildung 8 - Magnetische Flussdichte, Vektordiagramm (Schritt 3)


Angewandte Stromdichte, Schnittansicht (Schritt 3)
Abbildung 9 - Angewandte Stromdichte, Schnittansicht (Schritt 3)



Von der Spule erzeugte Kraft

Abbildung 10 - Von der Spule erzeugte Kraft


Verschiebung des Ankers gegen die Zeit
Abbildung 11 - Verschiebung des Ankers über die Zeit

Fazit

Die elektromagnetische Simulation in EMS in Verbindung mit der Bewegung in SW hilft Ingenieuren, alle Aspekte einer elektromagnetischen Kupplung zu kennen. Darüber hinaus kann eine Wärmekopplung in EMS auch notwendigere Informationen liefern, die zur Dimensionierung dieser Maschine herangezogen werden können. 



Videos

Magnetostatic Analysis of a Clutch