SOLIDWORKS内で動作するDCリニアアクチュエータのシミュレーション

DCアクチュエータとは何ですか？

磁気アクチュエータは、電磁場を使用して電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。並進運動か回転運動かに応じて、アクチュエーターはリニアアクチュエーターとロータリーアクチュエーターの2つの主要カテゴリーに分類されます。

DCアクチュエータは通常、永久磁石、ソレノイド、強磁性部品で構成されています。ソレノイドアクチュエータ（図1）には、直線方向にのみ移動できるスチールアーマチュアがあります。動作原理は、DC電流をマルチターンコイルに流し、静磁束を生成することです。磁束密度により、可動部（またはプランジャー）に磁力が発生します。プランジャーとコイルハウジングは、磁場を容易に伝導するために高透磁率の強磁性材料で作られています。

図2-典型的なクラッパータイプソレノイドアクチュエータ：（a）形状、スチールはページの平面にある薄いラミネーションで構成され、ページの外側に積み重ねられます。 （b）有限要素解析によって得られた磁束線のコンピューター表示[1]

EMWorksを使用したDCアクチュエータの解析

電磁気またはEM解析を使用して、DCリニアアクチュエータの動作を設計および検討します。ワークコイルによって生成される力の計算、実装されたばねの特性の決定、適切な材料の選択、アクチュエータの幾何学的パラメータの最適化に役立ちます。

EMWorksは、SOLIDWORKSに完全に統合された2Dおよび3D FEMソルバーを提供します。初期の反復設計の場合は、解析をすばやく実行できるため2D FEMソルバーをお勧めします。 3D FEMソルバーを使用して、設計を確定し、フィールドテスト用のプロトタイプを作成する前に、最終モデルのパラメーターを確認されます。

SOLIDWORKS内でEMWorks2Dを使用した解析

ベンチマーク1：平面形状のクラッパーアーマチュアソレノイドの解析[1]

この例では、2Dモデルは基本的なスケッチから構築されています。解析されたモデルには、z軸に沿った並進不変性があります。モデルの形状を図3に示します。寸法はw=10 mm、Al1=5 mm、Al2=30 mm、
Al3=5 mm、Sl1=15 mm、Sl2=30 mm、Sl3=15 mm、g=2 mm。コイルは200ターンの銅でできています。

以下の図4は、三角形要素でメッシュ化された2Dモデルを示しています。エアギャップに小さなメッシュサイズが適用されます。磁束密度を図5に示し、磁力線を図6に示します。

図 4-2Dシミュレーションのメッシュモデル

図5-モデル内の磁束密度分布

力は、さまざまな電流とエアギャップの長さの可動アーマチュアで計算されます。図7は、EMWorks2Dによって計算された力の結果を示しており、参照[1]の結果とよく一致しています。

ベンチマーク2：2Dプランジャーソレノイドアクチュエータ[1]

この例では、プランジャーソレノイドアクチュエータの3Dモデルを扱います。プランジャーは円筒形で、ソレノイドは軸対称です。磁力はプランジャーの端でのみ作用します。幾何学的パラメーターを図8に示します。
巻数は400で、注入電流は4Aです。コイルは銅で作られており、残りのコンポーネントは比透磁率2000の強磁性材料で作られています。

メッシュモデルの図を図9に示します。エアギャップのメッシュを調整するには、エアギャップに小さな要素サイズのメッシュ調節を適用します。

表1に、EMWorks2Dと参考文献[1]を使用した場合の2 mmのエアギャップの計算された力を示します。

ベンチマーク3：軸対称ジオメトリの3Dクラッパーアーマチュアソレノイドにかかる力[1]

この例は、可動アーマチュアの回転対称性を表しています。図10は、軸対称アクチュエータの形状を示しています。主な寸法は次のとおりです。
g=2 mm、wa=8 mm、R1=15 mm、R2=25 mm、R3=30 mm、Z1=8 mm、およびZ2=23 mm。コイルは2000ターンの銅で作られており、励起DC電流は1A（NI=2000 At）です。

3Dモデルの断面図を図11に示します。アクチュエータのDC電流によって生成される磁束密度は、図12にベクトルとしてプロットされます。

前のモデルは軸対称のジオメトリを表しているため、EMWorks2Dを使用してこの問題を解決し、予備テストで計算時間を最小限に抑えることができます。 EMWorks2Dの2D単純化機能を使用して、
3D CADモデルは、解析用の表面に簡単に変換できます。

図13に、2Dモデルの磁束密度の方向を示します。その結果、磁力が可動電機子を固定子に引き付けます。吸引力の大きさは、2 mmの空隙と2000の相対透磁率で279.68 Nです。

表3は、EMWorks2Dと参考文献[1]の結果を使用して、可動電機子に計算された力を示しています。 2Dと3Dの結果の間に小さな誤差が観察されます（表2）。これは2D近似によるものです。

結論

DCアクチュエータによって生成される磁力は、材料の相対透磁率、コイルのアンペアターン、およびエアギャップに依存します。 EMWorks2Dによる2D解析は、力と磁束密度を計算します。 2D解析の主な利点は、解決時間の短縮です。最後に、EMSを使用した3D解析により、2Dソルバーが確認され、2Dの仮定が成り立たなくなったときに、より現実的な条件で正確な結果が得られます。

参照資料

[1]: J. R. Brauer, Magnetic Actuators and Sensors: John Wiley & Sons, 2006.