SOLIDWORKS 内の EMWorks2D を使用した平面および軸対称 DC アクチュエータの 2D FEM シミュレーション

DCアクチュエータ

電磁アクチュエータは、電力を機械的運動に変換するために使用される電気機械部品です。並進運動と回転運動をカバーします。 DCアクチュエータは、一般に永久磁石、ソレノイド、および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製アーマチュアがあります。動作原理は、静磁束を生成できるマルチ ターン コイルに 直流電流を流すことで構成されます。磁束密度は、可動部分 (またはプランジャー) に磁力を発生させます。プランジャーとコイル ハウジングは、磁場を伝導しやすいように高透磁率の強磁性体でできています。

図 1 - DC アクチュエータ [1]。

FEM シミュレーションを使用して、各プランジャ位置で DC アクチュエータによって生成される磁場と力を調査および予測します。

二次元近似

有限要素法 (FEM) には、2 次元 (2D) と 3 次元 (3D) の 2 つの種類があります。 3D FEM の大きな利点は、巻線の端部領域を含む、解析対象の完全なジオメトリをモデル化できることです。 2D FEM では、機械モデルの断面における場の分布やその他のパラメータのみを計算できます。さらに、2D シミュレーションは結果をより迅速に予測するのに役立ち、より多くの設計反復を提供します。一方、3D FEM はより正確で現実的な結果を提供します。ただし、3D モデルの計算時間は 2D モデルよりもはるかに長くなります。

EMWorks2Dを使用した非線形静磁場シミュレーション

例 1: 平面 DC アクチュエータ [2]

並進対称モデル [2] が提案され、EMWors2D を使用して解析されます。図 2 は、シミュレートされた 2D モデルを示しています。固定子と可動プランジャーで構成されています。どちらも、図 3 に示す BH 曲線を特徴とするケイ素鋼 RM50 と、銅 (1575 At) 製のコイルでできています。

図 2 -シミュレートされたモデル。

図 3 -ケイ素鋼 RM50 の BH 曲線 [2]。

図 4 は、モデルのメッシュを示しています。モデルは三角形要素でメッシュ化されています。エッジにメッシュ調節を追加することにより、エア ギャップ付近のより小さい要素サイズが生成されます。図 5 と図 6 は、それぞれ磁束のフリンジ プロットと磁気ベクトル ポテンシャルの磁束線を示しています。

図 4 -メッシュ モデル。

図 5 -磁束密度のフリンジ プロット。




図 6 -磁気ベクトル ポテンシャルの磁束線。

アクチュエータによって生成される力は、エア ギャップ (プランジャとステータ間の距離) に対して計算されます。この目的のために、パラメトリック解析が EMWorks2D で実行されます。形状変数とシミュレーション変数の両方をパラメータ化できます。

図 7 には、EMWorks2D と参照 [2] によって与えられた計算された力の比較が含まれています。両方の結果がよく一致していることを示しています。力は空隙距離に反比例します。つまり、空隙距離が小さいほど、磁力が高くなります。この現象は、エアギャップに比例する磁気リラクタンス（磁気抵抗）の挙動で簡単に説明できます。

図 7 -力とエア ギャップの距離。

例 2: 軸対称ソレノイド アクチュエータ [3]

参考文献 [3] には、回転軸対称のリニア DC アクチュエータが示されています。この例では、次の 2 つのケースでシミュレーションが実行されます。

• ステーターと可動プランジャーは、図 8 に示す BH 曲線を特徴とする非線形炭素鋼でできています。
• 可動部品と非可動部品の間の隙間は空気で満たされています。

図 8 -炭素鋼の BH 曲線 [3]。

磁束密度、磁場強度、および磁気ポテンシャルの結果は、EMWorks2D によって生成されます。図 9a) と 9b) には、アクチュエータで生成された磁束のフリンジ プロットとライン プロットがそれぞれ含まれています。磁気ベクトル ポテンシャル A の等電位線を図 10 にプロットします。

図 9 -磁束密度 a) フリンジ プロット b) ライン プロット。

EMWorks2D を使用して、エア ギャップ距離と DC 電流の両方に対するプランジャーにかかる力を計算します。パラメータ化を使用して、空隙距離を変化させることによって磁力曲線が生成されます。前述のように、力は空隙距離に反比例して減少します。図 11 は、EMWorks2D とリファレンス ref[3] で計算された力の比較を示しています。

図 11 -力の結果とエア ギャップの距離。

電流と空隙距離の両方を変化させることにより、EMWorks2D はアクチュエータの磁力を計算して生成します。図 12 は、力の結果の 3D グラフを示しています。合力は、電流 (NI) が高く、ギャップ距離が小さいほど大きくなります。

図 12 -力の結果対空隙距離および印加電流。

結論

新世代の DC アクチュエータの設計と開発はますます需要が高まっています。これは、それらが軍事および医療産業などのいくつかのアプリケーションで広く使用されるようになっているためです。

FEM シミュレーションは、このようなアプリケーションで高い精度と効率を実現する上で非常に役立ちます。効率的なソレノイド アクチュエータを最適化して構築するために、3D と 2D の両方の有限要素解析を使用して、磁力、磁束、電流密度、力密度などを計算します。 2D 近似も、時間とリソースを節約し、生産プロセスを加速するのに役立つため、使用されます。

参考文献

[1]: https://www.electronics-tutorials.ws/io/io_6.html
[2]: Se-Hee Lee, Hong-Soon Choi, and Il-Han Park .Introducing the Virtual Air-Gap Scheme to the Kelvin Force Densities With External and Total Field. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 43, NO. 4, APRIL 2007
[3]: Terzova, A. I., V. M. Mateev, and I. Y. Marinova. Modelling of electromagnetic actuator with ferrofluid. CEMBEF 2013(2013): 75-78.