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Bewertung der mechanischen Verformung in inkompressiblen linearen und nichtlinearen magnetischen Materialien

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Anwendungen

WEBINAR
Simulating Electromagnetic Levitation Systems using EMWorks Solution inside SOLIDWORKS
Wednesday, June 23, 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:

Allgemeine Einführung

Vibration ist das Hauptproblem, mit dem fast alle mechanischen Systeme konfrontiert sind. Um dieses schädliche Verhalten zu verringern, wurden verschiedene Dämpfungsmethoden erfunden. Unter anderem werden intelligente Materialien verwendet, um das Ausmaß der Vibration zu verringern, wie dies bei der aktiven Vibrationskontrolle der Fall ist, die auf magnetostriktiven Materialien basiert. Intelligente Materialien reagieren auf Signale wie Temperatur, Spannung, Magnetfeld, um nur einige zu nennen. Diese Materialien wie magnetorheologische Flüssigkeiten, Formgedächtnislegierungen und magnetostriktive Materialien können einen Energietyp in einen anderen umwandeln. Folglich verbessert ihre Verwendung die Gesamtleistung des Geräts.

Magnetostriktion ist das Phänomen, dass sich die Form von Materialien aufgrund der Einwirkung eines externen Magnetfelds ändert. Ursachen der Magnetostriktion sind Längenänderungen durch Rotation kleiner magnetischer Domänen. Innere Spannungen in der Struktur werden durch diese Ausrichtung und Neuausrichtung verursacht. Bei positiver Magnetostriktion führen Dehnungen im Gefüge zu einer Dehnung des Materials in Richtung des Magnetfeldes. Während des Streckens wird der Querschnitt verringert, während das Volumen nahezu konstant gehalten wird. Die erkannte Volumenänderung ist zu gering, als dass sie unter normalen Betriebsbedingungen vernachlässigt werden könnte. Wenn das Magnetfeld an Bedeutung gewinnt, werden mehr Domänen in der gleichen Richtung des Magnetfelds ausgerichtet. Dieser Vorgang dauert bis zum Erreichen des Sättigungspunkts an, wenn alle magnetischen Domänen mit dem Magnetfeld ausgerichtet sind.

Multiphysics-Simulation mit EMS für SOLIDWORKS

EMS gewährleistet eine multiphysikalische Simulation durch die Fähigkeit der Kopplung zwischen magnetomechanischem Feld. In diesem Beispiel hilft EMS dabei , den Einfluss eines stationären Magnetfelds auf die Geometrie eines linearen und eines hochgesättigten magnetischen Materials zu erkennen: Siliziumstahl RM50 unter zwei verschiedenen Stromdichten in zwei verschiedenen Zuständen.

Problembeschreibung

Das betreffende Magnetsystem ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Es besteht aus zwei konzentrisch gewickelten Spulen, die von einem konstanten Strom gespeist werden. Das System enthält auch einen rechteckigen Testkörper, der von einem ferromagnetischen Joch umgeben ist.

Das vorliegende Modell zielt darauf ab, die mechanische Verformung des rechteckigen Testkörpers in den linearen und Sättigungsbereichen des ferromagnetischen Materials zu finden, das dem Joch und dem Testkörper zugeordnet ist. Zwei verschiedene Stromdichten wurden verwendet, um die Verformung des Körpers zu testen.

3D-Modell der Magnetostriktion eines ferromagnetischen rechteckigen Werkstücks

Abbildung 1 - 3D-Modell der Magnetostriktion eines ferromagnetischen rechteckigen Werkstücks

Simulations-Setup

Nach der Erstellung einer magnetostatischen Studie in Verbindung mit der Strukturanalyse in EMS müssen immer vier wichtige Schritte befolgt werden:

  1. Übernehmen/Wählen Sie das richtige Material für alle festen Körper
  2. Legen Sie die erforderlichen elektromagnetischen Eingänge an
  3. Wenden Sie die erforderlichen strukturellen Eingaben an
  4. Vernetzen Sie das gesamte Modell
  5. Führen Sie den Solver aus.

Materialien

In der folgenden Tabelle 1 sind die Eigenschaften der verwendeten Materialien aufgeführt. Elektromagnetismusgleichungen werden im gesamten Lösungsbereich gelöst. Spannungsanalyse ist nur in dem rechteckigen Werkstück durchgeführt.

Tabelle 1 - Materialeigenschaften

Material

Relative Permeabilität

Elektrische Leitfähigkeit (Mho/m)

Elastizitätsmodul (Pa)

Poisson-Verhältnis

Kupfer

1

5.9980e + 07

Nicht benötigt

Nicht benötigt

Luft

1

0

Nicht benötigt

Nicht benötigt

Siliziumstahl (RM50)

* 2175 (linearer Fall)
* BH-Kurve (nichtlinearer Fall)

2,1186e + 06

2,035e + 011

0,285

Abbildung 2 zeigt die BH-Kurve des Siliziumstahlmaterials (RM50).

BH-Kurve aus Siliziumstahl (RM50) Abbildung 2 - BH-Kurve aus Siliziumstahl (RM50)

Elektromagnetische Eingänge

In dieser Studie werden zwei gewickelte Spulen als die aktuelle Ursache des Problems definiert.

Tabelle 2 - Spuleninformationen

Anzahl der Züge

Drahtdurchmesser (mm)

Stromamplitude (A)

Gewickelte Spule 1

1

0,91168568 mm

47336.25 für Fall 1
473362.5 für Fall 2

Gewickelte Spule 2

1

0,91168568 mm

4887,5 für Fall 1
48875 für Fall 2

Mechanische Randbedingungen

Feste Randbedingung für vier Kanten des rechteckigen Werkstücks (in Abbildung 3 unten hervorgehoben)

Auf die Modellkanten angewendete Einschränkung behoben

Abbildung 3 - Auf die Modellkanten angewendete feste Bedingung

Ineinander greifen

Die Vernetzung ist ein sehr wichtiger Schritt bei 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 Netztoleranz 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 ist möglicherweise eine kleinere Elementgröße erforderlich.

Meshed-Modell
Abbildung 4 - Maschenmodell

Magneto-mechanische Ergebnisse

5 zeigt eine 3D-Auftragung des Magnetflusses im gesamten Magnetsystem, wenn der Testkörper und das Joch nichtlineare Permeabilitäten aufweisen und sich unter dem zweiten angelegten Strom befinden.

Magnetflussdiagramm

Abbildung 5 - Magnetflussdiagramm

Fig. 6 zeigt die Stromdichteverteilung in den beiden Spulen für den zweiten behandelten Fall der Stromdichte.

Stromdichtediagramm

Abbildung 6 - Stromdichtediagramm


7 zeigt die mechanische Verformung des rechteckigen 3D-Testkörpers unter der zweiten angelegten Stromdichte, wenn die Permeabilitäten des Jochs und des Testkörpers nichtlinear sind.

Resultierende Verschiebungskurve

Abbildung 7 - Resultierende Verschiebungskurve

Tabelle 3 - Durchbiegung des Werkstücks unter den beiden verwendeten Stromdichten unter Verwendung zweier unterschiedlicher Permeabilitäten


Stromdichte
Lineare Permeabilität Nichtlineare Permeabilität
J=2,5e + 06 A/m² 0,98 0,88
J=25e + 06 A/m2 87,94 5,65

Fazit

EMS bietet die Möglichkeit, die Verformung magnetischer Materialien unter dem Einfluss eines Magnetfelds sowohl im linearen als auch im Sättigungsbereich zu untersuchen. Es ist in der Lage, das mechanische Verhalten realistischer Materialeigenschaften wie magnetischer Materialien mit nichtlinearer Permeabilität unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu simulieren.

Verweise

[1]:Se-Hee Lee, Xiaowei He, Do Kyung Kim, Shihab Elborai, Hong-Soon Choi, II-Han Park and Markus Zhan.2005. Evaluation of the mechanical deformation in incompressible linear and nonlinear magnetic materials using various electromagnetic force density methods. Journal of applied physics. Volume 97, Issue 10.