Ein Magnetkreis ist ein physikalisches System, dessen Komponenten einen magnetischen Fluss erzeugen und enthalten. Flussmittel werden im Allgemeinen durch Permanentmagnete oder Spulen erzeugt, während die Flussmittelpfade aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Permeabilität wie Eisen bestehen. Das Beispiel des Magnetkreises [1] in Abbildung 1 enthält zwei Eisenteile mit einer Querschnittsfläche . Ein Teil ist stationär und der andere bewegt sich; Sie sind durch zwei Luftspalte der Länge getrennt -Drehspule, die um den stationären Teil gewickelt ist und den Strom I ( ) und ist für den Fluss im Kreislauf verantwortlich.
Die Kraft auf das sich bewegende Teil kann durch Berechnen der Änderung der magnetischen Energie bestimmt werden das würde durch Bewegen des Teils über eine kleine Strecke erzeugt werden . Die Kraftgröße wird erhalten als:
Diese einfache Methode basiert auf dem Prinzip der virtuellen Verschiebung und wird häufig zur Berechnung von Kräften in Magnetgeräten verwendet.
Da die Permeabilität von Eisen viel größer ist als die Permeabilität von Luft ( ), magnetisches Feld im Eisen ( ) sowie Streufluss vernachlässigt werden. Das Ampere-Gesetz für die Kontur in Abbildung 1 kann wie folgt geschrieben werden:
wo repräsentiert das Magnetfeld im Luftspalt.
Ohne leckage und nicht im eisen abgelegt ( ) wird die gesamte magnetische Energie des Systems im Volumen gespeichert des Luftspalts und kann berechnet werden als:
Unter der Annahme einer gleichmäßigen Feldverteilung im Luftspalt lässt sich rechnen durch einfaches Multiplizieren der Energiedichte und Lautstärke . Der Kreislauf enthält daher 2 Luftspalte, nachdem die Energie in Gleichung 3 verdoppelt und Gleichung 2 in Gleichung 3 ersetzt wurde:
(Gl. 4)
Für zwei verschiedene Luftspaltlängen
und kann die Änderung der magnetischen Energie wie folgt berechnet werden:(Gl. 5)
Gleichung 5 kombiniert mit Gl. 1 ergibt den folgenden Ausdruck für die Kraftgröße:
(Gl. 6)
Zur genauen Darstellung der Situation in dem analytischen Beispiel, in dem die Kraft unter Verwendung von Energien für berechnet wurde
Aufgrund der Symmetrie des Problems reicht es aus, nur eine Hälfte des Raums (die Hälfte des Magnetkreises) zu simulieren. Die Simulation verwendet eine magnetostatische EMS-Studie mit einem Symmetriefaktor von 0,5.
Strombetriebene Wickelspule mit dreht sich und wird zum Spulenbereich hinzugefügt. Die Eingangs- und Ausgangsports sind Flächen in der Symmetrieebene.
Die folgenden Anweisungen zeigen, wie Sie eine neue Materialbibliothek erstellen, benutzerdefiniertes Material definieren und einem Element Ihres Modells Material hinzufügen:
Kupfer wird dem Spulenbereich und Luft dem umgebenden Volumen zugeordnet.
Normale Komponente der Flussdichte in der Symmetrieebene ( Ebene in Abbildung 2) ist Null (alle Flusslinien verlaufen parallel zu dieser Ebene). Daher sollte die Tangentialfluss- Randbedingung auf alle Oberflächen angewendet werden, die zur Ebene gehören, einschließlich der Luft- und Spulenquerschnitte. Um dies zu tun:
So fügen Sie einer magnetostatischen Studie eine Spule hinzu:
Abbildung 4 - Ein- und Ausgangsöffnungen der Spule
EMS berechnet die Knotenkraftverteilung automatisch ohne Benutzereingabe. Für eine Berechnung der Starrkörperkraft muss jedoch vor dem Ausführen der Simulation ein Teil definiert werden, an dem die Kraft oder das Drehmoment berechnet werden soll.
Die Qualität des Netzes im Luftspaltbereich ist für eine genaue Kraftberechnung von entscheidender Bedeutung. Mit EMS kann der Benutzer die volle Kontrolle über die Netzauflösung übernehmen.
So greifen Sie in das Modell ein:
Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Studiensymbol und wählen Sie Ausführen , um die Simulation auszuführen. Sobald die Berechnung abgeschlossen ist, erstellt das Programm fünf Ordner in der EMS-Manager-Struktur. Diese Ordner sind: Bericht , Magnetflussdichte , Magnetfeldstärke , Stromdichte und Kraftverteilung .
Es ist eine gute Angewohnheit, zuerst die magnetische Flussdichte im Modell einschließlich der Außenluft zu betrachten. Diese Aktion gibt einen Hinweis darauf, ob die äußere Luftgrenze weit genug ist.
Anhand von Abbildung 5 wird deutlich, dass die magnetische Flussdichte an der äußeren Luftgrenze sehr gering ist. Somit ist die Luftbox groß genug. Wäre es anders gewesen, müsste die den Magnetkreis umgebende Luftkammer größer sein.
Doppelklicken Sie in der EMS-Manager-Struktur auf Ergebnistabelle , um das Ergebnis anzuzeigen.
Denken Sie daran, dass aufgrund der Symmetrie um die xy- Ebene nur die Hälfte des Problems modelliert wurde. Somit, und Komponenten müssen mit dem Faktor 2 multipliziert werden, während die Komponente bricht ab. Schon seit ist sehr klein im Vergleich zu liegt die resultierende Kraft praktisch in X-Richtung mit einer Größe von . Die analytische Lösung ist sehr gut mit dem EMS- Ergebnis vergleichbar.
Analytische virtuelle Arbeitslösung | EMS Ergebnis | |
Kraft [N] | 3,02 | 3.014 |
[1] Electromagnetics and calculation of fields, by Nathan Ida and Joao P. A. Bastos, 2nd Edition, page 183-184. Publisher: Springer-Verlag;
Share on |