磁性流体を用いた電磁アクチュエータの 3D FEM シミュレーション

序章

ソレノイド型のリニア電磁アクチュエータは、産業用アプリケーションで広く使用されています。それらは、さまざまな制御メカニズムに基づくさまざまな電磁装置の一部で、電磁弁作動システム、燃料噴射、排気ガス再循環システム、洗濯機などで使用されます。

最適な作動力、高い信頼性、低エネルギー消費を備えた電磁アクチュエータを開発するために、作動ギャップに磁性流体を追加した新世代のアクチュエータ設計が開発されました。透磁率が増加したこのような種類の流体は、アクチュエータの磁気抵抗を大幅に低減することができます。

磁性流体としても知られる磁性流体は、スマート ナノ材料の特別なカテゴリです。流体は流動性と超常磁性の両方を示し、強力な磁気双極子を磁場によって効果的に制御できます [1]。今日では、磁性流体液体は、多数の工業用および実験室用アプリケーションで利用されています。それらは通常、十分に粘性のキャリア液体で希釈された非常に細かい強磁性粒子を含むコロイド溶液で形成されます。これらの液体の粘度が高いほど、空間的および時間的な均一性が比較的良好になります。それらの物理パラメータ (透過性と粘度) の一部は、外部磁場に大きく依存します。

磁性流体ナノスケール材料を使用した電磁システムは、作業効率が向上し、エネルギー消費が削減されるという特徴があります。彼らの将来の技術的応用の 1 つは、作業空間が磁性流体液体で満たされている古典的な電磁アクチュエータによって表され、より興味深い磁力増強を提供できます。アクチュエータの総磁気抵抗が低くなり、必要な磁束密度がより低い界磁電流で達成される場合があります。

問題の説明

研究対象の電磁アクチュエータは、銅の DC コイルを囲む固定強磁性コア、可動強磁性プランジャ、および磁性流体で満たされたワーキング ギャップで構成されます (図 2 を参照)。コイルは直径1mmの銅線を500回巻いたものです。コアとプランジャーの材質は、BH 特性を持つ炭素鋼 12040 です。

アクチュエータの動作原理は、DC 電流を流すコイルで強磁性回路を励起することに基づいています。これにより、磁力 (Fm) によってプランジャを引っ張る磁場 (B) が生成されます。この力がさまざまな抵抗 (摩擦、流体抵抗、外力) の合計よりも大きい場合、プランジャーは動きます。

表 1 -コンポーネントの寸法

材料特性

表 2 -材料特性

	密度 （Kg/ )	透磁率	電気伝導性 (S/m)
銅 (Cu)	8900	0.99	6 E+07

図 3 -炭素鋼 12040 の BH 曲線

メッシュ化

メッシュ化されたモデルを図 4 に示します。正確な結果を得るために、モデル全体に細かいメッシュ調節が適用されました。

さまざまなプランジ位置でのアクチュエータの動作に対する磁性流体の効果を評価するために、1 ～ 50 の磁性流体透過率の範囲で一連のシミュレーションを実行しました。得られた結果を以下に示します。

磁場結果

ケース 1: 線形強磁性炭素鋼

線形強磁性炭素鋼材料の場合、磁性液体透磁率とプランジャー位置のさまざまな値に対する磁束密度と磁場分布が、図 5、6、および 7 の断面ビュー プロットによって示されます。

図 5 - a) 磁束密度と b) µ=1、d=2.5 mm の磁場分布。

図 6 - a) 磁束密度と b) µ=5、d=2.5 mm の磁場分布。

表 3 - EMS と参照 [3] の間の磁束密度結果の比較表。

ケース 2: 非線形強磁性炭素鋼

非線形強磁性炭素鋼材料の場合、シミュレーションにより、以下の磁束結果が明らかになりました。

磁力結果

ケース 1: 線形強磁性炭素鋼

線形問題の場合、生成される電磁力は、異なる作動ギャップでの強磁性流体の相対透磁率に従って評価されます。

強磁性流体の透磁率が 50 の場合の、プランジャ位置に対する力の変化を図 10 に示します。プランジャ位置の変化は、生成された磁力に反比例して作用します。この最後は、より低い磁性流体ギャップに対してかなりの値を達成します。

コアベースから d=2.5 mm に設定された固定プランジャー位置について、得られた力の結果を図 11 に示します。磁性流体の透磁率が高いほど、生成された力が高い値を達成したことがわかります。電磁力の最大値はFmax EMSと参照 [3] の結果を比較すると、両者の一致は良好です。

図 10 - µ=50 の異なるプランジャー位置に対する EMS および参照 [3] の結果。


図 11 - d=2.5 mm のプランジャー位置での異なる磁性流体透過性に対する EMS および参照 [3] の結果。

ケース 2: 非線形強磁性炭素鋼

非線形強磁性炭素鋼の場合、さまざまなプランジャー位置と磁性流体透磁率の値に対して一連のシミュレーションが実行され、磁性流体ギャップの影響下で生成された力が計算されました。

強磁性流体の透磁率が 5 の場合の、プランジャ位置に対する力の変化を図 12 に示します。プランジャ位置の変化は、生成された磁力に反比例して作用します。この最後は、大きな強磁性ギャップで無視できる値を達成します。

コアベースから d=2.5 mm に設定された固定プランジャー位置について、得られた力の結果を図 13 に示します。小さなギャップでは、電磁力は比透磁率 1 ～ 5 の範囲で大幅に増加します。透磁率、電磁力が減少しています。電磁力の最大値はFmax EMSと参照 [3] の結果を比較すると、両者の一致が良好であることがわかります。

図 12 - µ=5 の異なるプランジャー位置に対する EMS および参照 [3] の結果


図 13 - d=2.5 mm のプランジャー位置での異なる磁性流体透過性に対する EMS および参照 [3] の結果。

結論

透磁率の高い磁性流体材料を使用すると、システムの磁気抵抗を大幅に減少させることができます。磁性流体は、磁化飽和が高く、残留磁気がないという特徴があります。電磁アクチュエータの作動ギャップ内の磁性流体は、電磁力を増加させるため、このような設定により、よりコンパクトなアクチュエータでより大きな力を得ることができます。

磁性流体はあらゆる形状に完全に適応し、非常に小さなチャネルを通って移動できます。アクチュエータのプランジャがコアに衝突することによって発生するノイズを除去または大幅に低減するために使用されます。さらに、磁束漏れは通常、ソレノイドアクチュエータに関連する重大な問題です。この漏れは、アクチュエータの磁気回路に磁性流体を使用することで低減できます。

参考文献

[1] http://112.216.150.106:8080/paros/download/pdf/E1MGAB_2017_v22n1_109.pdf
[2] https://www.computerhope.com/jargon/f/ferrofluid.htm
[3] Terzova, A. I., V. M. Mateev, and I. Y. Marinova. "Modelling of electromagnetic actuator with ferrofluid." CEMBEF 2013(2013): 75-78.