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Linearmagnetantrieb

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WEBINAR
Magnetostriction Modeling of Transformer's Noise
Thursday, December 16, 2021
Time
SESSION 1
SESSION 2
CET (GMT +1)
03:00 PM
08:00 PM
EST (GMT -4)
09:00 AM
02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

Definition

Ein „Linearsolenoid“ (Abbildung 1) ist ein elektromagnetisches Gerät, das elektrische Energie in eine mechanische Druck- oder Zugkraft oder -bewegung umwandelt.

Linearsolenoide bestehen im Wesentlichen aus einer elektrischen Spule, die um ein zylindrisches Rohr mit einem ferromagnetischen Aktuator oder "Kolben" gewickelt ist, der sich frei bewegen oder "IN" und "OUT" des Spulenkörpers verschieben kann. Magnetspulen können verwendet werden, um Türen und Schlösser elektrisch zu öffnen, Ventile zu öffnen oder zu schließen, Roboterglieder und -mechanismen zu bewegen und zu betätigen und sogar elektrische Schalter zu betätigen, indem nur die Spule erregt wird.

Wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, erzeugt er ein Magnetfeld, und die Richtung dieses Magnetfelds in Bezug auf seinen Nord- und Südpol wird durch die Richtung des Stromflusses innerhalb des Drahtes bestimmt. Diese Drahtspule wird zu einem „Elektromagneten“ mit genau den gleichen Nord- und Südpolen wie bei einem Permanentmagneten.

Die Stärke dieses Magnetfelds kann entweder durch Steuern der durch die Spule fließenden Strommenge oder durch Ändern der Anzahl der Windungen oder Schleifen der Spule erhöht oder verringert werden.

Wenn ein elektrischer Strom durch die Spulenwicklungen geleitet wird, verhält er sich wie ein Elektromagnet und der Kolben, der sich innerhalb der Spule befindet, wird durch den im Spulenkörper aufgebauten Magnetfluss in Richtung Spulenmitte angezogen, was wiederum a zusammendrückt kleine Feder an einem Ende des Kolbens befestigt. Die Kraft und Geschwindigkeit der Kolbenbewegung wird durch die Stärke des in der Spule erzeugten Magnetflusses bestimmt.

Elektromechanischer Magnet
Abbildung 1 - Elektromechanischer Magnet

Beschreibung des Problems

Wenn eine Spule erregt wird, wird eine elektromagnetische Kraft induziert, die bewirkt, dass sich der Kolben verschiebt. Dieses Beispiel behandelt diese Art von Phänomenen. Mit SW motion wird eine Bewegungsstudie erstellt, an die dann die Magnetostatic Study of EMS gekoppelt wird. 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 SW Motion übergeben, der wiederum den Kraftwert aufnimmt, ihn auf den Kolben anwendet, die neue Position berechnet und ihn dann an EMS zurücksendet. Anschließend berechnet der EMS-Solver die Kraft basierend auf dem neuen Standort neu und so weiter. Beide Löser gehen so lange hin und her, bis alle Schritte erledigt sind.

Schnittansicht des 3D-Modells
Abbildung 2 - Schnittansicht des 3D-Modells

Studie

Das Magnetostatic-Modul von EMS in Verbindung mit SolidWorks Motion dient zur Berechnung und Visualisierung der Flussdichte und der Bewegung des Kolbens. Nach der Erstellung einer Bewegungsanalyse in SW und einer magnetostatischen Untersuchung in EMS müssen immer vier wichtige Schritte befolgt werden: 1 - Aufbringen des richtigen Materials für alle festen Körper, 2 - Aufbringen der erforderlichen Randbedingungen oder der sogenannten Lasten/Beschränkungen in EMS , 3 - das gesamte Modell vernetzen und 4 - den Solver ausführen.

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
Außenluft Luft 1
Innere Luft Luft 1
Band Luft 1
Kolben Baustahl 2000
Stator Baustahl 2000

Eingabegrößen und Randbedingungen

Eingabegrößen 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 Eingabegrößen und Randbedingungen ab. Eingabegrößen und Randbedingungen werden auf geometrische Objekte als Features angewendet, die der Geometrie vollständig zugeordnet sind und automatisch an geometrische Änderungen angepasst werden.

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

Tabelle 2 - Eigenschaften der Spulen

Name Anzahl der Windungen Betrag
Gewickelte Spule 1 50 0,8 A

Der Kolben ist der Punkt, an dem wir die virtuelle Arbeit kennen müssen (Tabelle 3).

Tabelle 3 - Informationen zu Kraft und Drehmoment
Name Drehmomentzentrum Komponenten/Körper
Virtuelle Arbeit   ImUrsprung Kolben

Vernetzen

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
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.

In der Studie mit Bewegungskopplung sollten wir eine Komponente namens Band um die beweglichen Teile verwenden. Diese Technik ermöglicht das erneute Vernetzen der beweglichen Teile und des Bandes in jedem Simulationsschritt. Die beiden folgenden Abbildungen zeigen das Netz in Schritt 1 (Abbildung 3) und in Schritt 11 (Abbildung 4).

Vernetztes Modell in Schritt 1
Abbildung 3 - Vernetztes Modell in Schritt 1
Vernetztes Modell in Schritt 11
Abbildung 4 - Vernetztes Modell in Schritt 11

Ergebnisse

Die regelmäßigen Fluss-, Feld-, Strom- usw. Diagramme sind in Bewegungsstudien an jeder Position, dh im Zeitschritt, verfügbar. Diese Ergebnisse können bei jedem Schritt einzeln angezeigt oder animiert werden, um den Effekt der Bewegung zu untersuchen. Ebenso können jetzt die tabellarischen Ergebnisse wie Kraft/Drehmoment, Induktivität, Flusskopplung usw. 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 über Zeit auch direkt in den tabellarischen Ergebnissen visualisiert werden. Vollständigere Bewegungs- und Kinematikergebnisse stehen im SolidWorks Motion Manager zur Verfügung.

Nach dem Ausführen der Simulation dieses Beispiels können wir viele Ergebnisse erhalten. Magnetostatisches Modul erzeugt die Ergebnisse von: Magnetische Flussdichte (Abbildung 5,6), Magnetfeldstärke (Abbildung 7), Angewandte Stromdichte, Kraftdichte (Abbildung 8), Feldoperation (B- und H-Derivate) und einer Ergebnistabelle, die die Berechnete Parameter des Modells, der Kraft und des Drehmoments ... 2D-Diagramme und Animationen für Bewegungen werden ebenfalls von EMS zugelassen.

Randdiagramm der magnetischen Flussdichte

Abbildung 5 - Randdiagramm der magnetischen Flussdichte

Schnittansicht der magnetischen Flussdichte, Liniendiagramm
Abbildung 6 - Schnittansicht der magnetischen Flussdichte, Liniendiagramm
Schnittansicht der Magnetfeldstärke
Abbildung 7 - Schnittansicht der Magnetfeldstärke
Kraftdichte
Abbildung 8 - Kraftdichte

2D-Darstellung der im Kolben erzeugten elektromagnetischen Kraft
Abbildung 9 - 2D-Diagramm der im Plunger erzeugten elektromagnetischen Kraft
Variation der Induktivitätsspule
Abbildung 10 - Variation der Spule der Induktivität

Fazit

Elektromechanische Solenoide sind in vielen Anwendungen weit verbreitet. Einer der Hauptnachteile von Magneten und insbesondere des Linearsolenoids ist, dass es sich um „induktive Geräte“ handelt. Das heißt, ihre Magnetspule wandelt einen Teil der für ihren Betrieb benötigten elektrischen Energie in „WÄRME“ um. Daher ist eine elektrothermische Simulation erforderlich, um die durch den Joule-Effekt erzeugte Wärme zu reduzieren, was auch für EMS trivial ist. . EMS ist nicht nur vollständig in SolidWorks und Inventor integriert, sondern auch genau und einfach zu bedienen.


 



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Solenoid with Motion