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Magneto-strukturelle Analyse einer Spule durch die sequentielle Kopplungsmethode

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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:

Ursprung der elektromagnetischen Kraft

Die mechanische Analyse elektrischer Leiter im Hinblick auf Teileverformung, Schall- und Vibrationscharakterisierung ist ein komplexes Modellierungsproblem. Diese Phänomene treten hauptsächlich aufgrund der Auslenkung des ferromagnetischen Teils und des Spulenleiters auf. Dieses Beispiel beschreibt einen Weg, die Verformung eines stromführenden Leiters in einem stetigen elektromagnetischen Feld zu analysieren. In solchen Leitern entsteht Lorentzkraft, die für deren Verformung verantwortlich ist.

Sequenziell gekoppelte magnetostrukturelle Analyse

Eine sequentielle Kopplung ist eine Methode zur Analyse linearer Felder. Das Magnetfeld wird separat gelöst und die Ergebnisse werden dann für die mechanische Analyse verwendet. EMS berechnet zuerst die resultierende Lorentzkraft und wendet sie dann in der Strukturanalyse an, die die Verformung des Leiters (der Spule) berechnet.

Das Modell besteht aus einer luftgefüllten Zylinderspule in einem eigenen Magnetfeld. Dieses Feld wird durch den Spulenstrom von 4500 A erzeugt.

Die massive Spule ist vom Luftzylinder umgeben
Abbildung 1 - Die massive Spule, die vom Luftzylinder umgeben ist

Tabelle 1 - Eigenschaften der Materialien, die den Modellteilen zugeordnet sind

Komponenten/Körper Relative Permeabilität Elektrische Leitfähigkeit (Mho/m) Elastizitätsmodul (Pa) Poisson-Verhältnis Massendichte (kg/m ^ 3)
Spule (Kupfer) 1 5,840e + 7 11e + 10 0,3 8960
Der Luftzylinder
1

0
Nicht benötigt Nicht benötigt
Nicht benötigt

Eine feste Randbedingung wird auf die folgenden beiden Seiten der Spule angewendet:

Feste Randbedingung für die Spulenenden.
Abbildung 3 - Feste Randbedingungen für die Spulenenden.

Ineinander greifen

EMS bietet sehr zuverlässige und vielseitige Vernetzungswerkzeuge. Um ein gesamtes System zu vernetzen, müssen unterschiedliche Netzgrößen verwendet werden, abhängig von der erforderlichen Genauigkeit in jedem Bereich des Modells. In diesem Beispiel ist es wichtig, ein feines Netz auf das Spulenteil aufzubringen, um eine genaue und detaillierte mechanische Spannungsverteilung zu erhalten.

Unten in Abbildung 4 ist ein Schnitt-Clipping-Diagramm der Maschendichte in der Spule und im Luftzylinder dargestellt.

Schnitt-Clipping-Diagramm der Maschendichte in der Spule und im Luftzylinder
Abbildung 4 - Schnittausschnittsdiagramm der Maschendichte in der Spule und im Luftzylinder

Magnetostrukturelle Ergebnisse

Magnetflussdiagramm

Die magnetische Flussdichte ist innerhalb der Spule maximal und parallel zur Spulenachse.

Feldlinien-Plot der magnetischen Flussdichte in der Spule und im Luftzylinder
Abbildung 5 - Diagramm der Feldlinien der magnetischen Flussdichte in der Spule und im Luftzylinder

Kraftdichtediagramm

Die folgende Abbildung zeigt die Verteilung der magnetischen Kraftdichte (Lorentzkraft) innerhalb der Spule. Die maximale Kraft wird in tangentialer Richtung angegeben.

Lorentz-Kraftdichteverteilung in der Spule
Abbildung 6 - Lorentz-Kraftdichteverteilung in der Spule

Verdrängungsgrundstück

Die auf die Spule ausgeübte Lorentzkraft führt zu ihrer Verformung in radialer Richtung. Eine höhere Magnetkraft kann zu einer stärkeren Verformung führen und sollte daher kontrolliert werden.

Abbildung 7. 3D-Diagramm der resultierenden Ablenkung in der Spule
Abbildung 7 - 3D-Diagramm der resultierenden Auslenkung in der Spule

Stress-Plot

Das von Mises-Spannungsdiagramm unten zeigt, dass die maximale Spannung an den Enden der Spule liegt. Diese Spannung ist axial (entlang der Spulenachse). Eine andere Art von Spannung ist diejenige, die von den Enden der Spule weg ausgeübt wird. Dies wird als Umfangsspannung (Tangentialspannung) bezeichnet.

Der Benutzer sollte sich der Überlagerung dieser beiden Spannungsarten bewusst sein, während er die Leistung von Spulen unter verschiedenen Betriebsbedingungen untersucht.


3D-Darstellung der resultierenden Auslenkung in der Spule
Abbildung 8 - 3D-Diagramm der resultierenden Auslenkung in der Spule
Tabelle 2 - Vergleich zwischen den EMS-Ergebnissen und der Referenz
EMS-Ergebnisse Die Referenzergebnisse
Maximale magnetische Flussgröße (T) 4,98e-02 5,02e-02
Maximale Kraftdichte (N/m3) 2,80e + 05 2,49e + 05
Maximaler resultierender Versatz (m) 1.62d-09 1.66-09

Hinweis

Spannungs- und Verschiebungskurven werden skaliert, um die Verstärkung der Verformung aufgrund des Magnetfelds anzuzeigen.

Fazit

Eine sequentielle Kopplung zwischen magnetostatischer und Spannungsanalyse wurde in einer einen Gleichstrom führenden Spule hergestellt. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die auf die Spule wirkende Lorentz-Kraft zu Axial- und Umfangsspannungen führt. Die magnetischen und mechanischen EMS-Ergebnisse stimmen sehr gut mit denen in der Referenz [1] überein. Zusätzlich zur strukturellen Kopplung ermöglichen die thermischen und Bewegungskopplungsfunktionen von EMS eine physische Umgebung, in der Ingenieure verschiedene Verhaltensweisen ihrer Produkte simulieren können.

Verweise

[1]:  A.P.S.BAGHEL,R.V. Thakar, S.V. Kulkarni, S.Chauhan. Linear Magneto-Structural Analysis by Sequential Coupling Method. 2009. National Conference on Technological Advances & Computational Trends in Electrical Engineering (TACT ).