Magnetische Aktuatoren wandeln mithilfe elektromagnetischer Felder elektrische Energie in mechanische Energie um. In Abhängigkeit von der Bewegung, ob es sich um eine Translation oder eine Rotation handelt, werden die Antriebe in zwei Hauptkategorien eingeteilt, nämlich Linear- und Rotationsantriebe.
Gleichstromaktoren bestehen im Allgemeinen aus Permanentmagneten, Magnetspulen und ferromagnetischen Teilen. Magnetantriebe (Abbildung 1) haben einen Stahlanker, der sich nur in linearer Richtung bewegen kann. Das Arbeitsprinzip besteht darin, einen Gleichstrom durch eine Spule mit mehreren Windungen zu leiten, die einen statischen Magnetfluss erzeugen kann. Die magnetische Flussdichte erzeugt eine magnetische Kraft auf das bewegliche Teil (oder den Kolben). Der Kolben und das Spulengehäuse bestehen aus ferromagnetischem Material mit hoher Permeabilität, um das Magnetfeld leicht leiten zu können.
Abbildung 2 - Typischer Klappenmagnetantrieb: (a) Geometrie, bei der Stahl aus dünnen Blechen besteht, die in der Ebene der Seite liegen und in der Richtung außerhalb der Seite gestapelt sind; (b) Computeranzeige von Flusslinien, die durch Finite-Elemente-Analyse erhalten wurden [1] Die elektromagnetische oder EM-Simulation wird verwendet, um die Arbeitsweise von DC-Linearaktuatoren zu entwerfen und zu untersuchen. Es hilft, die von der Arbeitsspule erzeugte Kraft zu berechnen, die Charakteristik der implementierten Feder zu bestimmen, die richtigen Materialien auszuwählen und die geometrischen Parameter des Stellantriebs zu optimieren.
EMWorks bietet sowohl 2D- als auch 3D-FEM-Lösungen, die vollständig in SOLIDWORKS eingebettet sind. Die 2D-FEM-Lösung wird für anfängliche iterative Entwürfe empfohlen, da diese Simulationen schnell durchgeführt werden können. Eine 3D-FEM-Lösung wird verwendet, um die endgültigen Modellparameter zu bestätigen, bevor das Design fertiggestellt und ein Prototyp für Feldtests erstellt wird.
In diesem Beispiel wird das 2D-Modell aus Grundskizzen erstellt. Das simulierte Modell hat eine Translationsinvarianz entlang der z-Achse. Die Modellgeometrie ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Abmessungen betragen w=10 mm, Al1=5 mm, Al2=30 mm.
Al3=5 mm, Sl1=15 mm, Sl2=30 mm, Sl3=15 mm und g=2 mm. Die Spule besteht aus Kupfer mit 200 Windungen.
Abbildung 4 unten zeigt das 2D-Modell, das in Dreieckselemente eingreift. Auf den Luftspalt wird eine kleine Maschenweite aufgebracht. Die magnetische Flussdichte ist in Abbildung 5 und die Feldlinien in Abbildung 6 dargestellt.
Abbildung 5 - Verteilung der magnetischen Flussdichte im Modell
Die Kraft am beweglichen Anker wird für unterschiedliche Ströme und Luftspaltlängen berechnet. Abbildung 7 zeigt die von EMWorks2D berechneten Kraftergebnisse, die gut mit den Referenzergebnissen [1] übereinstimmen.
![EMWorks2D und Referenz [1] ergeben sich aus der Magnetkraft](/ckfinder/userfiles/images/EMWorks2D-and-reference-%5B1%5D-results-of-the-magnetic-force.jpg)
In diesem Beispiel wird ein 3D-Modell des Kolbenmagnetantriebs behandelt. Der Kolben ist zylindrisch und das Solenoid ist achsensymmetrisch. Die Magnetkraft wirkt nur am Ende des Kolbens. Die geometrischen Parameter sind in Abbildung 8 dargestellt.
Die Windungszahl beträgt 400 und der eingespeiste Strom 4A. Die Spule besteht aus Kupfer und die übrigen Bauteile aus ferromagnetischem Material mit einer relativen Permeabilität von 2000.
Ein Bild des vermaschten Modells ist in Abbildung 9 dargestellt. Um das Netz im Luftspalt anzupassen, wird eine Netzsteuerung mit kleiner Elementgröße auf den Luftspalt angewendet.
Tabelle 1 zeigt die berechnete Kraft für 2 mm Luftspalt bei EMWorks2D und Referenz [1].
| EMWorks2D | Ref [1] | |
| Kraft (N) | 19.345 | 19,34 |
Dieses Beispiel stellt eine Umdrehungssymmetrie mit beweglichem Anker dar. Bild 10 zeigt die Geometrie des achsensymmetrischen Aktors. Die Hauptabmessungen sind:
g=2 mm, wa=8 mm, R1=15 mm, R2=25 mm, R3=30 mm, Z1=8 mm und Z2=23 mm. Die Spule besteht aus Kupfer mit 2000 Windungen und einem Erregergleichstrom von 1A (NI=2000 At).
Eine Schnittansicht des 3D-Modells ist in Abbildung 11 dargestellt. Die magnetische Flussdichte, die durch die Gleichströme im Stellglied erzeugt wird, ist in Abbildung 12 als Vektoren dargestellt.
| Relative Durchlässigkeit | 2000 | 10000 |
| EMS-Ergebnisse (N) | 283,68 | 290,00 |
Da das vorherige Modell eine achsensymmetrische Geometrie darstellt, könnte EMWorks2D verwendet werden, um dieses Problem zu lösen und die Berechnungszeit in Vorversuchen zu minimieren. Verwenden der 2D-Vereinfachungsfunktion in EMWorks2D,
Ein 3D-CAD-Modell kann einfach in simulationsfertige 2D-Oberflächen konvertiert werden.
Abbildung 13 zeigt die Richtung der magnetischen Flussdichte im 2D-Modell. Infolgedessen ziehen die Magnetkräfte den sich bewegenden Anker an den Stator an. Die Anziehungskraft beträgt 279,68 N bei einem Luftspalt von 2 mm und einer relativen Permeabilität von 2000.
Tabelle 3 zeigt die berechnete Kraft auf den sich bewegenden Anker unter Verwendung von EMWorks2D und Referenzergebnissen [1]. Es wird ein kleiner Fehler zwischen 2D- und 3D-Ergebnissen (Tabelle 2) beobachtet, der auf die 2D-Approximation zurückzuführen ist.
| Relative Durchlässigkeit | EMWorks2D Ergebnisse (N) | Referenz [1] Ergebnisse (N) |
| 2000 | 279,68 | 279,41 |
| 10000 | 285,42 | 285,1 |
Die von einem Gleichstromstellglied erzeugte Magnetkraft hängt von der relativen Permeabilität des Materials, den Ampere-Windungen der Spule und dem Luftspalt ab. Eine 2D-Simulation von EMWorks2D berechnet die Kraft und die magnetische Flussdichte. Der Hauptvorteil einer 2D-Simulation besteht in der Verkürzung der Lösungszeit. Schließlich bestätigt die 3D-Simulation mit EMS die 2D-Lösung und liefert genaue Ergebnisse unter realistischeren Bedingungen, wenn die 2D-Annahmen nicht mehr zutreffen.
[1]: J. R. Brauer, Magnetic Actuators and Sensors: John Wiley & Sons, 2006.
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