Magnetic Coupling Machine Simulation

定義

磁気カップリングは、1つのシャフトからトルクを伝達するカップリングですが、物理的な機械的接続ではなく磁場を使用します。

カップリングは同期しており、出力軸の速度は入力速度と正確に等しく、これらのタイプのカップリングは最大100％の効率で設計できます。磁気カップリングは、液体から電気モーターを分離するためにポンプシステムで広く使用されています。磁気シャフトカップリングは、シャフトシールの使用を妨げます。シャフトシールは、最終的に摩耗し、2つの表面が互いにスライドすることで故障します。これには、有限の寿命を持ち、漏れが発生しやすい動的シールを除去するという利点があります。これにより、機械の故障や作動流体の汚染が発生する可能性があります。磁気カップリングは、物理的なシャフトカップリングを使用する場合、通常、精密なアライメントが必要なシステムのメンテナンスを容易にするためにも使用されます。

メンブレン/シール壁はローター間の磁気ギャップに配置され、ウェットシステムとドライシステムを完全に分離します。磁気カップリングは、ドライブトレインにコンプライアンスを導入するために使用することもでき、最終的にシステムドライブコンポーネントを保護するためのトルクヒューズとして使用することができます。一部のダイバー推進車両および遠隔操作の水中車両では、磁気カップリングを使用して、電気モーターからプロップにトルクを伝達します。信頼性を高める手段として、実用規模の風力タービンで使用するための磁気ギアも検討されています。磁気カップリングには、従来のスタッフィングボックスに比べていくつかの利点があります。

図1-磁気カップリングマシン

説明

ここで検討するモーターは、12個の永久磁石を含むスチール製ローターと、別の12個の永久磁石を備えたスチール製ステーターの形の永久磁石アレイで構成されています。磁石は、円筒の軸から半径方向内側と外側に交互に分極されています。配列のセットアップは、外側の配列（固定子）から内側の配列（回転子）への線形および回転結合を提供します。ローターは、永久磁石から生じる磁力によって回転するように駆動されます。この分析では、磁石の内側のセットと外側のセットは、5度単位で0〜15度のオフセットで分離されています（図2）。角度オフセットが大きくなると、内側ローターにかかるトルクが大きくなります。次のプロットは、磁気結合機械の静磁気解析の結果です

図2-磁気カップリングマシンの3Dモデル

調査

SolidWorks Motionと組み合わせたEMSの静磁気モジュールを使用して、磁束密度とローター内の動きを計算して視覚化します。 SWで運動解析を作成し、EMSで静磁気スタディを作成した後、4つの重要な手順を常に実行する必要があります。1-すべての固体に適切な材料を適用する、2-必要な境界条件を適用する、3-モデル全体をメッシュし、4-ソルバーを実行します。

材料

EMSの静磁気解析では、必要な材料特性は比透磁率です（表1）。

表1-材料の表

表には、モデルで使用される永久磁石に関連するすべての情報が表示されます。

荷重と拘束

モデルの電気および磁気環境を定義するには、荷重と拘束が必要です。解析結果は、指定された荷重と拘束に直接依存します。荷重と拘束は、ジオメトリに完全に関連付けられ、ジオメトリの変化に合わせて自動的に調整されるフィーチャとしてジオメトリエンティティに適用されます。

メッシング

メッシュ化は、設計分析において非常に重要なステップです。 EMSは、その体積、表面積、およびその他の幾何学的な詳細を考慮して、モデルのグローバル要素サイズを推定します。生成されるメッシュのサイズ（ノードと要素の数）は、モデルのジオメトリと寸法、要素サイズ、メッシュ許容値、およびメッシュコントロールに依存します。おおよその結果で十分な設計解析の初期段階では、より高速なソリューションのために、より大きな要素サイズを指定できます。より正確なソリューションを得るには、より小さい要素サイズが必要になる場合があります
モーションカップリングを使用したスタディでは、可動部分の周りにBandという名前のコンポーネントを使用する必要があります。この手法により、シミュレーションの各ステップで可動部分とバンドを再メッシュできます。

メッシュ品質は、メッシュコントロール（表4）を使用して調整できます。メッシュコントロールは、ソリッドボディと面に適用できます。以下（図4）は、メッシュコントロールを使用した後のメッシュモデルです。

結果

通常のフラックス、フィールド、電流などのプロットは、各位置、つまりタイムステップでのモーションスタディで使用できます。これらの結果は、各ステップで個別に表示したり、アニメーション化してモーションの効果を調べることができます。同様に、力/トルク、インダクタンス、磁束結合などの表形式の結果を各タイムステップで視覚化できるようになりました。また、時間、位置、速度、および加速度に対して、たとえばトルク対速度に対してプロットできます。さらに、位置と時間などの運動学的結果も、表形式の結果で視覚化できます。より完全なモーションとキネマティクスの結果は、SolidWorks Motion Managerで簡単に入手できます。

この例のシミュレーションを実行すると、多くの結果を取得できます。静磁場モジュールは、磁束密度（図5,6）、磁場強度、印加電流密度、力密度（図7）、およびモデルの計算されたパラメーター、力、トルクを含む結果表の結果を生成します（図8）…EMSでは、モーションの2Dプロットとアニメーションも許可されています。

結論

複数のスタディを作成することにより、ユーザーは各部品の材料と形状を変更できます。 EMSを使用すると、ユーザーは同じアセンブリファイルを保持し、各スタディを設計テーブルの位置に関連付けることができます。これらの機能はすべて設計者にとって非常に役立ち、モーターの性能を最適化するモーターパラメーターを決定するために使用できます。したがって、EMSはSolidWorksとInventorに完全に統合されていることに加えて、EMSも正確で使いやすいです。