問題の説明
この記事では、ボイス コイル アクチュエータについて説明します [1]。 [1] で決定された最適なアクチュエータ パラメーターを使用して、一連のシミュレーションが実行されます。過渡磁気スタディを使用して、さまざまな DC 電圧励起での電流を計算します。シミュレーション結果は、[1] で公開されている実験データと比較されます。ボイスコイルアクチュエータの温度変化は、EMSによる電熱分析を使用して検討されます。
EMS と SOLIDWORKS を使用して、検討対象のボイス コイル アクチュエータのさまざまなシミュレーションを実行します。図 1a)、1b)、1c) は、検討対象のボイス コイル デバイスの全体像と断面図を示しています。760巻きの銅製のより線コイルは、強磁性シェルと永久磁石の間に作成されたエアギャップ ゾーンに沿って軸方向に自由に移動します。固定され軸方向に磁化されたネオジム永久磁石 N42 は、2 番目のエネルギー源です。オリエンターとシェルの両方が、高い透過性を特徴とする軟鉄でできています。フラックスオリエンターは、フィールドをガイドし、磁気回路経路を改善するために使用されます。コイルを支持するためにボビンが挿入されます。
シミュレーションと結果
EMS を使用した過渡シミュレーション – さまざまな電圧に対する電流と力の計算
このセクションでは、EMS の Transient モジュールを使用して電磁シミュレーションを実行します。コイルには、さまざまな DC 電圧が供給されます。磁場、電流、ローレンツ力が計算されます。図2に定常状態時の磁束密度を示します。
図 3 は、異なる印加電圧率に対する計算された電流応答を示しています。 2msで定常状態に達していることがわかります。これは、システムの時間応答を改善するのに役立ちます。計算された電流は、撚り線コイルにそれぞれ 10V と 60V が印加されたときに 2A と 11A です。図 4 には、同じ静的位置 (12 mm) での力の結果のプロットがいくつか含まれています。実験的テストによって測定された力のプロットされた曲線には、定常状態に達する前の振動がほとんど含まれていません。直流電圧10V印加時は4.5N、直流電圧60V印加時は26Nの力が得られます。電圧が高いほど、力は大きくなります。
電熱解析 – ボイスコイルアクチュエータの巻線損失と温度計算
この分析では、ボイス コイル アクチュエータで発生する電磁損失と温度に焦点を当てます。渦効果が無視されるため、このアクチュエータでは銅損 (巻線損) が主な電磁損失になります。ジュールの法則により、巻線導体に電流が流れると、ジュール熱と呼ばれる熱が発生します。したがって、ボイスアクチュエータの温度は、印加電圧に比例して急速に上昇します。
過渡電熱解析は、EMS を使用して実行され、コイルの静的位置への時間に対する巻線損失と温度変化を計算します。 EMS では、エクスポート/インポート データなしで熱結合解析が可能です。電磁気時定数は熱時定数に比べて小さすぎます。つまり、熱解析の定常状態を達成するには非常に長い時間がかかりますが、電磁気解の定常状態は非常に短い時間で達成されます。したがって、解析を高速化するには、異なるシミュレーション終了時間/時間ステップ サイズを使用する必要があります。
図 5 は、2 つの異なる電圧に対する巻線損失の結果を示しています。ボイスコイルの銅損は、DC 200V と 20V を印加したとき、それぞれ約 800W と 8W です。
図 6a) と 6b) は、それぞれ 20V と 200V のボイス コイル アクチュエータの最終温度を示しています。銅損によりコイル内部に温度が発生し、伝導により系全体に伝播します。
温度は 20V の場合、60 秒後に 314 K のピーク値に達し、周囲温度 300 K から 5 秒で 429 K まで上昇します。図 7 は、5 秒で 200V の場合の温度結果を示しています。この場合、コイルが熱源であることが確認できます。システム全体の温度変化を図 8 に示します。
結論
このアプリケーションで検討されたボイス コイル アクチュエータは、ストロークに沿った一定の力、高速および加速など、多くの利点を示しました。コンピューター シミュレーションの結果は、実験およびテスト データと非常によく一致していることを示しています。これにより、効率が向上し、コストが削減された革新的なボイスコイルアクチュエータを作成および構築できます。
参考文献
[1]: Vahid Mashatan. Design and Development of an Actuation System for the Synchronized Segmentally Interchanging Pulley Transmission System (SSIPTS). Department of Mechanical and Industrial Engineering University of Toronto 2013
