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Elektromechanische FEM-Simulation eines T-förmigen elektromagnetischen Aktuators mit EMS für SOLIDWORKS

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Magnetostriction Modeling of Transformer's Noise
Thursday, December 16, 2021
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Problembeschreibung

Es wurde eine 3D-FEM-Simulation eines T-förmigen elektromagnetischen Aktuators durchgeführt, und die Ergebnisse werden in diesem Artikel erläutert. Das Analysieren eines Gleichstromaktors hilft bei der Vorhersage und Auswertung magnetischer Größen und Parameter (magnetischer Fluss, magnetische Kraft, Geschwindigkeit, Positionen usw.), die bei der effizienten Auslegung eines Aktors verwendet werden. Mit der Software EMS for SOLIDWORKS wird der vorgeschlagene Elektromagnet untersucht [1]. Die von der Spule auf das bewegliche Teil ausgeübte Kraft wird in Abhängigkeit von Amperewindungen und Luftspaltabstand berechnet. Die erhaltenen Ergebnisse wurden mit experimentellen Messungen verglichen. Die Bewegungsanalyse ist mit der EMS-Analyse gekoppelt, um die lineare Verschiebung und Geschwindigkeit des Stellglieds zu berechnen.

Abbildung 1 zeigt die Geometrie des simulierten elektromagnetischen Aktuators, während Tabelle 1 die Hauptabmessungen enthält [1]. Abbildung 2 zeigt das in SOLIDWORKS erstellte 3D-Modell.

Geometrie des T-förmigen Elektromagneten
Abbildung 1 - Geometrie des T-förmigen Elektromagneten [1]
Tabelle 1 - Abmessungen des Elektromagneten
h 52,5 G 19.8 f 6.30 h b 31.2
h 1 7,90 h a 57,8 R 6,50 L b 7,50
h 2 7,90 L a 28.3 R 1 12.30 d 1 2,40
L 50,90 L a1 13.0 g a 14.30 d 2 3.00
L 1 6.35 c 4,65 X 1,60 d 3 2.10
L 2 6.35 d 4.00 y 4,20 d 4 2.25
L 3 16.5 e 2,60 t 6.00 R 2 2,40

3D-Modell des T-förmigen Elektromagneten
Abbildung 1 - 3D-Modell der Elektromagnetstruktur

3D-EM-Simulation mit EMS in SOLIDWORKS

Die parametrische Analyse mithilfe der EMSEM-Simulation hilft dabei, die verschiedenen Aspekte des Elektromagneten in verschiedenen Szenarien zu untersuchen. Mit EMS können mehrere Studienfälle in einer einzigen Analyse ausgeführt werden, indem sowohl die Simulation als auch die geometrischen Variablen parametrisiert werden. Der EMS-Studientyp "Magnetostatic Study" wird verwendet, um die magnetischen Ergebnisse wie magnetische Flussdichte, Magnetfeldstärke, Kraft, Drehmoment usw. zu berechnen und zu visualisieren. In diesem Artikel wird die vom Stellantrieb erzeugte Magnetkraft sowohl über den Luftspaltabstand als auch berechnet Amperewindungen.

Simulationsaufbau1. Die Simulation wird durch Erstellen einer parametrisierten magnetostatischen Analyse gestartet, wobei die Amperewindungen und der Luftspaltabstand die parametrischen Variablen sind. Tabelle 2 zeigt die simulierten Szenarien.

Tabelle 2 - Simulationsszenarien

Szenarien Luftspaltlänge (mm) Amperewindungen (At)
Szenario 1 2 575
Szenario 2 3 575
Szenario 3 4 575
Szenario 4 5 575
Szenario 5 6 575
Szenario 6 7 575
Szenario 7 2 460
Szenario 8 3 460
Szenario 9 4 460
Szenario 10 5 460
Szenario 11 6 460
Szenario 12 7 460
Szenario 13 2 345
Szenario 14 3 345
Szenario 15 4 345
Szenario 16 5 345
Szenario 17 6 345
Szenario 18 7 345

2. Die ferromagnetischen Teile bestehen aus nicht orientiertem Stahl. Abbildung 3 enthält die BH-Kurve des verwendeten Stahls. Die Spule besteht aus Kupfer.

B-H-Kurve

Abbildung 3 - BH-Kurve [1]

3. Die folgende Abbildung zeigt das vermaschte Modell. Es ist möglich, eine bestimmte Maschenelementgröße für ausgewählte Oberflächen oder Körper zu definieren.

Meshed-Modell
Abbildung 4 - Maschenmodell

Ergebnisse und Diskussion Für den Fall von 460 At und 6 mm Luftspalt ist die magnetische Flussdichte in 5 aufgetragen. Der magnetische Fluss folgt dem Stahlpfad, auf dem die Permeabilität hoch ist. Fig. 6 zeigt ein Vektordiagramm der magnetischen Flußdichte, wenn die Amperewindungen 575 At betragen.
Die von EMS berechnete und durch experimentelle Tests gemessene Magnetkraft (siehe [1]) ist in Abbildung 7 dargestellt. Diese Kraft, die von der Spule erzeugt und am beweglichen Kolben des T-förmigen Elektromagneten ausgewertet wird, ist direkt proportional zur Spulenamperezahl. wendet sich. Es ist ungefähr 6,3 N für 575 At im Vergleich zu 4 N für 460 At. Im Gegensatz zu den Amperewindungen wird die Kraft bei kleinerem Luftspaltabstand höher. Ein größerer Luftspalt führt zu einem größeren magnetischen Widerstand und folglich zu einem geringeren magnetischen Fluss und einer geringeren Kraft.

Die Kraftkurven haben für jede Kurve einen Maximalwert bei 2 mm und einen Minimalwert bei 7 mm Luftspaltlänge. Die höchste Kraft wird für 575 At und 2 mm Luftspaltlänge gemessen (siehe Abbildung 7).

Querschnittsdarstellung der magnetischen Flussdichte
Abbildung 5 - Querschnittsdiagramm der magnetischen Flussdichte (460A-t, 6 mm)
Abbildung 6 - Vektordiagramm der magnetischen Flussdichte
Vergleich der durch EMS berechneten und durch experimentelle Tests gemessenen Magnetkraft
Abbildung 7 - Vergleich der durch EMS berechneten und durch experimentelle Tests gemessenen Magnetkraft

Elektromagnetische Simulation gekoppelt mit SOLIDWORKS Motion

EMS kann elektromagnetische Felder mit Bewegungssimulation in SOLIDWORKS koppeln. EMS berechnet die elektromagnetische Kraft und leitet sie an SW Motion weiter. Der Löser von SW Motion nutzt diese Kraft und wandelt sie in eine mechanische Bewegung um. Abbildung 8 zeigt die Einstellungen der SW-Bewegungsstudie.

9 enthält eine Querschnittsansicht der Auftragung der magnetischen Flussdichte in dem sich bewegenden Kolben und dem Kern bei 0,009 s (AT=575 At). Bei t=0s beträgt die Position des Kolbens Y=0 mm (Luftspaltabstand beträgt 7 mm).

Einstellungen für Bewegungsstudien
Abbildung 8 - Einstellungen für Bewegungsstudien
Schnittdarstellung der magnetischen Flussdichte
Abbildung 9 - Schnittdarstellung der magnetischen Flussdichte

Die 10a) und 10b) zeigen die Magnetkraft, die von EMS am beweglichen Teil berechnet und auf die SW-Bewegungsanalyse bezogen wurde, in Abhängigkeit von Position und Zeit. Bei 0 mm ist die Kraft gleich F=1,4 N, während sie bei Y=-0,0049 m etwa F=6,20 N beträgt (siehe Abbildung 10a). Diese Ergebnisse stimmen gut mit den in Abbildung 7 (575 At) veröffentlichten Ergebnissen überein. Die Kraft auf den Kolben beträgt 33,16 N bei 0,01 s (siehe Abbildung 10b).

Kraftergebnisse, a) gegen Position, b) gegen Zeit
Abbildung 10 - Kraftergebnisse, a) gegen Position, b) gegen Zeit

Die 11a) und 11b) zeigen jeweils die Position des Kolbens gegenüber der Zeit und die momentane Lineargeschwindigkeit. Die Geschwindigkeit erreichte ihren Maximalwert von 1,67 m/s bei 0,01 s. Es nimmt mit der Kraft zu.

a) Schwerpunkt des Kolbens gegen die Zeit, b) lineare Geschwindigkeit des Kolbens
Abbildung 11 - a) Schwerpunkt des Kolbens gegen die Zeit, b) lineare Geschwindigkeit des Kolbens

Fazit

Elektromagnetische Aktuatoren werden häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Dank 3D-CAD und Simulation können innovative Arten von Elektromagneten entwickelt werden. Es hilft, den Magnetfluss in verschiedenen Komponenten und Regionen und die erzeugte Magnetkraft auf den sich bewegenden Kolben abzuschätzen. Die Auswertung der Magnetkräfte ist erforderlich, um zusätzliche Komponenten wie Federn zu konstruieren, die das Zurückfallen des Kolbens gewährleisten. Es hilft auch, die lineare Verschiebung und Geschwindigkeit des Stellglieds zu berechnen. Mit EMS können geometrische Variablen und Simulationsvariablen parametrisiert und mehrere Szenarien in einer einzigen Simulation ausgeführt werden. Die Kopplung der elektromagnetischen Untersuchung von EMS mit der Bewegungsanalyse von SOLIDWORKS liefert zusätzliche und nützliche Informationen über Position und Geschwindigkeit des sich bewegenden Kolbens.

Verweise

[1]: Alin-Iulian DOLAN, Ivan YATCHEV and Krastio HINOV . COMPARISON OF DIFFERENT FORMULATIONS AND TECHNIQUES
FOR 3D STATIC FORCE COMPUTATION OF A T-SHAPED ELECTROMAGNET. 
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