Magnetkupplungsmaschine

Definition

Eine Magnetkupplung ist eine Kupplung, die ein Drehmoment von einer Welle überträgt, jedoch ein Magnetfeld anstelle einer physischen mechanischen Verbindung verwendet.

Die Kupplungen sind synchron und die Drehzahl der Abtriebswelle entspricht exakt der Eingangsdrehzahl. Diese Kupplungstypen können mit einem maximalen Wirkungsgrad von 100% ausgelegt werden. In Pumpensystemen werden häufig Magnetkupplungen verwendet, um den Elektromotor von der Flüssigkeit zu isolieren. Magnetische Wellenkupplungen schließen die Verwendung von Wellendichtungen aus, die sich abnutzen und durch das Aufeinandergleiten zweier Oberflächen versagen. Dies hat den Vorteil, dass die dynamischen Dichtungen entfernt werden, die eine begrenzte Lebensdauer haben und für Leckagen anfällig sind, was zum Ausfall der Maschine und zur Verunreinigung des Arbeitsmediums führen kann. Magnetkupplungen werden auch verwendet, um die Wartung von Systemen zu vereinfachen, die normalerweise eine präzise Ausrichtung erfordern, wenn Kupplungen mit physischen Wellen verwendet werden, da sie einen größeren Fehler außerhalb der Achse zwischen dem Motor und der angetriebenen Welle ermöglichen.

Im Magnetspalt zwischen den Rotoren befindet sich eine Membran-/Dichtungswand, die eine vollständige Isolierung zwischen dem feuchten und dem trockenen System gewährleistet. Magnetkupplungen können auch verwendet werden, um Compliance in den Antriebsstrang einzuführen, und können letztendlich als Drehmomentsicherung zum Schutz der Systemantriebskomponenten verwendet werden. Einige Taucherfahrzeuge und ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge verwenden eine Magnetkupplung, um das Drehmoment vom Elektromotor auf die Stütze zu übertragen. Magnetgetriebe werden auch für den Einsatz in Windenergieanlagen im Versorgungsmaßstab untersucht, um die Zuverlässigkeit zu verbessern. Die Magnetkupplung hat gegenüber einer herkömmlichen Stopfbuchse mehrere Vorteile.

Abbildung 1 - Magnetkupplungsmaschine

Beschreibung

Der hier betrachtete Motor besteht aus Permanentmagnetanordnungen in Form eines Stahlrotors mit 12 Permanentmagneten und einem Stahlstator mit weiteren 12 Permanentmagneten. Die Magnete sind abwechselnd radial nach innen und außen von der Zylinderachse polarisiert. Der Array-Aufbau sorgt für eine lineare und rotatorische Kopplung vom äußeren Array (Stator) zum inneren Array (Rotor). Der Rotor wird durch Magnetkräfte angetrieben, die von den Permanentmagneten herrühren. Bei dieser Analyse sind der innere Satz von Magneten und der äußere Satz durch einen Versatz zwischen 0 und 15 Grad in Schritten von 5 Grad voneinander getrennt (Abbildung 2). Das auf den Innenrotor ausgeübte Drehmoment nimmt mit zunehmendem Winkelversatz zu. Die folgenden Darstellungen sind die Ergebnisse einer magnetostatischen Analyse der Magnetkupplungsmaschine

Abbildung 2 - 3D-Modell der Magnetkupplungsmaschine

Studie

Das Magnetostatic-Modul von EMS in Verbindung mit SolidWorks Motion dient zur Berechnung und Visualisierung der Flussdichte und der Bewegung im Rotor. Nach der Erstellung einer Bewegungsanalyse in SW und einer magnetostatischen Untersuchung in EMS müssen immer vier wichtige Schritte befolgt werden: 1 - Auswählen des richtigen Materials für alle festen Körper, 2 - Auswählen der erforderlichen Randbedingungen oder der sogenannten Lasten/Beschränkungen in EMS , 3 - das gesamte Modell vernetzen und 4 - den Solver ausführen.

Materialien

Bei der magnetostatischen Analyse von EMS ist die erforderliche Materialeigenschaft die relative Permeabilität (Tabelle 1).

Tabelle 1 - Materialtabelle

Die Tabelle enthält alle Informationen zu den im Modell verwendeten Permanentmagneten.

Eingabegrößen und Randbedingungen

Eingabegrößen und Randbedingungen ("Loads and Restraints") sind erforderlich, um die elektrische und magnetische Umgebung des Modells zu definieren. Die Ergebnisse der Analyse hängen direkt von den angegebenen Belastungen und Einschränkungen ab. Lasten und Abhängigkeiten werden auf geometrische Objekte als Features angewendet, die der Geometrie vollständig zugeordnet sind und automatisch an geometrische Änderungen angepasst werden.

Vernetzen

Die Vernetzung ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Entwurfsanalyse. EMS schätzt eine globale Elementgröße für das Modell unter Berücksichtigung seines Volumens, seiner Oberfläche und anderer geometrischer Details. Die Größe des generierten Netzes (Anzahl der Knoten und Elemente) hängt von der Geometrie und den Abmessungen des Modells, der Elementgröße, der Netztoleranz und der Netzsteuerung ab. In den frühen Phasen der Entwurfsanalyse, in denen ungefähre Ergebnisse ausreichen können, können Sie eine größere Elementgröße für eine schnellere Lösung angeben. Für eine genauere Lösung ist möglicherweise eine kleinere Elementgröße erforderlich
In der Studie mit Bewegungskopplung sollten wir eine Komponente namens Band um die beweglichen Teile verwenden. Diese Technik ermöglicht das erneute Ineinandergreifen der beweglichen Teile und des Bandes in jedem Simulationsschritt.

Die Netzqualität kann mit der Netzsteuerung (Tabelle 4) eingestellt werden, die auf feste Körper und Flächen angewendet werden kann. Unten (Abbildung 4) ist das vernetzte Modell nach Verwendung der Netzsteuerungen ("Mesh controls") dargestellt.

Ergebnisse

Die regelmäßigen Fluss-, Feld-, Strom- usw. Diagramme sind in Bewegungsstudien an jeder Position, dh im Zeitschritt, verfügbar. Diese Ergebnisse können bei jedem Schritt einzeln angezeigt oder animiert werden, um den Effekt der Bewegung zu untersuchen. Ebenso können jetzt die tabellarischen Ergebnisse wie Kraft/Drehmoment, Induktivität, Flusskopplung usw. zu jedem Zeitschritt visualisiert werden. Sie können auch gegen Zeit, Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung aufgetragen werden, z. B. Drehmoment gegen Geschwindigkeit. Darüber hinaus können die kinematischen Ergebnisse wie Position über Zeit auch direkt in den tabellarischen Ergebnissen visualisiert werden. Vollständigere Bewegungs- und Kinematikergebnisse stehen im SolidWorks Motion Manager zur Verfügung.

Nach dem Ausführen der Simulation dieses Beispiels können wir viele Ergebnisse erhalten. Das magnetostatische Modul generiert die Ergebnisse von: Magnetische Flussdichte (Abbildung 5,6), Magnetfeldstärke, angelegte Stromdichte, Kraftdichte (Abbildung 7) und einer Ergebnistabelle, die die berechneten Parameter des Modells, die Kraft und das Drehmoment enthält (Abbildung 8)… 2D-Diagramme und Animationen für Bewegungen sind auch in EMS zulässig.

Fazit

Durch das Erstellen mehrerer Studien kann der Benutzer die Materialien und die Geometrie jedes Teils ändern. Mit EMS kann der Benutzer dieselbe Baugruppendatei beibehalten und jeder Studie eine Position in der Konstruktionstabelle zuordnen. All diese Funktionen sind für Konstrukteure sehr hilfreich und können verwendet werden, um die Motorparameter zu bestimmen, die für die Optimierung der Motorleistung verantwortlich sind. EMS ist nicht nur vollständig in SolidWorks und Inventor integriert, sondern auch genau und einfach zu bedienen.