EMSとSOLIDWORKSモーションを使用したボイス コイル アクチュエータの電気力学解析

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。まずは、静的解析を使用して、コイルのローレンツ力と電流およびアクチュエータ位置の両方を計算します。シミュレーション結果は、[3] で公開されている実験データと比較されます。最後に電気力学シミュレーションを使用して、アクチュエータの線形変位、速度、加速度などの機械的出力データを計算します。

EMS、SOLIDWORKS、および SOLIDWORKS モーションを使用して、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、調査対象のボイス コイル デバイスの全体像と断面図を示しています。 760 ターン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

静解析- 形状パラメトリック スイープ

最初のシミュレーションは、可動部品 (コイルとボビン) の位置を変更しながら、さまざまな 直流電流値で実行されます。パラメトリック スイープ スタディは、磁束、ローレンツ力、コイル パラメータなどを計算するために定義されます。図 2a) と 2b) は、印加電流が + 10A で位置が組立コイルとボビンの差は10mmです。磁束の平均は約 [1.3T,1.74T] です。磁場ベクトル プロットの正面断面図と側面断面図を図 3a) と 3b) に示します。コイルの電流密度は 1e8A/m^2 です。

図 4 は、さまざまな 直流電流とストローク値の両方で計算されたローレンツ力の実験結果 [3] とシミュレーション結果を示しています。 10mmの位置で-10Aの電流で最大の力(約33N)が発生します。 4 ～ 16 mm のストロークで測定された力の値は、さまざまな印加電流率に対して一定であると見なすことができます。より大きなストロークで一定の力率は、より高い加速度を得るのに役立ちます。図 5 には、さまざまな電流に対する力のピーク値のプロットが含まれています。これは、力が電流と比例線形関係にあることを示しています。これは、アクチュエータの力密度の単純で柔軟な制御を示すことができます。

図 6 は、ストロークに沿ったさまざまな入力電流に対する力感度パラメーターを示しています。このパラメータは電流に関して一定であり、コイルの位置のみに依存します。力感度パラメーターのシミュレートされた平均値 (EMS によって計算) は約 3.2N/amp であり、これは実験で測定された値 (Exp 3.1N/amp) に近い値です。

図 7 は、コイル変位に対するインダクタンス曲線を示しています。インダクタンスは 0mm の 5mH から 20mm の 4.48mH に減少します。変動は無視でき、コイルのインダクタンスはストロークに沿って一定であると見なすことができます。

図 8 は、さまざまな速度に対するコイルの逆起電力の結果と、可動コンポーネントの重心に対する結果を示しています。逆起電力が速度とともに増加することを示しています。 2m/s の速度で、6.25V のピークに達します。図 9 には、計算された逆起電力感度パラメーター (V/速度) 対コイル位置が含まれています。これは速度定数パラメータです。つまり、コイルの速度によって変化しません。平均すると 3.1 V/m/s になります。

	EMS	実験
電流	+10A -10A	+10A -10A
抵抗	20.35	20.5
インダクタンス	5mH	5mH
最大発生力	34N	33.4N
力感度パラメータ	3.2N/アンペア	3.1N/アンペア
逆起電力感度パラメータ	3.1V/m/秒	3.1V/m/秒

SOLIDWORKS モーションに連成された EMS を使用した電気機械シミュレーション – コイルの変位、速度、加速度、および電流の計算

このセクションでは、電気力学シミュレーションを確立して、磁場、電流、コイル位置、速度、加速度などを含む電気機械結果を計算および生成します。運動によって生じる渦電流効果は無視されます。これらのシミュレーションの実行には、SOLIDWORKS モーション解析に連成された EMS が使用されます。図 10a) には、20ms および 20V での磁束密度のプロットが含まれています。最大磁場 (1.77T) が鉄製シェルの薄い壁にあることを示しています。 20ms では、コイルの電流と位置はそれぞれ 0.88A と 4.78mm です。図 10b) は、9ms および 200V での磁束のプロットを示しています。磁束のピーク値は約 2T で、鉄のシェルに達します。この瞬間、コイルは 8.6 mm の位置に到達し、電流は 9.26A になります。磁場アニメーションを図 11a) および 11b) に示します。

(a)

(ロ)

図 12a) と 12b) と 12c) は、さまざまな印加電圧に対するコイルの線形変位、速度、および加速度の結果を示しています。 DC 電圧が 20V の場合、ボイス コイル アクチュエータは 0 秒で 0 mm から 20 ミリ秒で 4.7 mm 移動します。コイルの最大到達速度は約 0.5 m/s で、加速度は約 30 m/s^2 です。 200V DC 電圧がアクチュエータに印加されると、可動コイルは 13ms で 0 mm から 20 mm になります。これにより、最大速度と加速度はそれぞれ 3.3 m/s と 308 m/s^2 になります。電圧が高いほど、速度が速くなります。これは、図 13 で説明できます。ローレンツ力は、印加電圧に正比例する電流と共に増加します。供給電圧がそれぞれ 200V と 20V の場合、コイルの計算された電流は 9.5A と 0.9A です。

図 12a -コイルの位置


図 12b -コイル速度


図 12c -コイルの加速

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