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序章
磁気アクチュエータは電磁場に基づいており、電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。生成されたモーションの種類によって異なります。線形または回転運動の電磁アクチュエータは、回転アクチュエータと線形アクチュエータの 2 つのカテゴリに分類されます。
DC アクチュエータのアプリケーションの中で、直線運動に基づく電磁接触器があります。それらは、電力源の開閉装置として接続の開閉に広く使用されています。それらは一般に、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。
多くの産業用アプリケーションでは、デバイスの省エネルギー性能が非常に魅力的な利点となることがよくあります。特に、永久磁石を用いた電子制御式の新型直流コンタクタは、省エネ性や静音性などの優れた特長から、近年ますます注目を集めています。
検討対象の DC コンタクタは、図 1 に示すように、DC 銅コイルによって励磁される 2 つの可動部分と固定部分を備えた非線形強磁性体コアの 3 つの部分で構成されています。
図 1 - DC コンタクタの概略図
問題の説明
EMS の静的磁場モジュールを使用して、非線形強磁性コアの下部可動部分と上部可動部分の間のエア ギャップを横切る生成された力を計算します。シミュレートされたモデルには、z 軸に沿った並進不変性があります。作業コイルは、2A の DC 電流を運ぶ 1000 ターンの銅線でできています。固定部分と可動部分の間のエアギャップは 5 mm に設定されています。検討したモデルの 3D 設計と詳細な寸法を図 2 に示します。
図 2 - a) DC コンタクタの 3D 設計、b) 正面図、c) 側面図
ワーク コイルに使用される銅の物理的特性は、以下の表 1 に定義されています。
表 1 -材料特性
材料 | 密度
(  ) | 透磁率 | 電気伝導性
(S/m) | 熱伝導率
(W/mK) | 比熱容量
(J/Kg.K) |
| 銅 (Cu) | 8900 | 0.99 | 6 E+07 | 385 | 390 |
コアは非線形強磁性材料でできており、BH 関係は次の式で定義できます。
[1]
ここで：
：Bフィールドの飽和値
：初透磁率
：真空透過率
対応する BH 曲線は、次の 2D プロットによって定義されます。
図 3 - BH 曲線
メッシュの品質は、すべての FEM シミュレーションにとって重要です。結果の精度と解析時間は、メッシュ サイズに大きく依存します。 EMS を使用すると、メッシュ コントロール機能を使用して、ソリッド ボディと面のメッシュ サイズを制御できます。この例では、細かいメッシュ コントロール
より正確な結果を得るために、調査したモデルに適用されました。
図 4 -メッシュ モデル
結果
電磁接触器の動作原理は、静磁束を生成できる多数巻きコイルに DC 電流を流すことで構成されます。磁束密度は、強磁性コアの可動部分に一定の磁力を生み出します。静磁シミュレーションにより、下の図に示す結果が明らかになりました。
1.電磁解析
2A の電流励起に対する強磁性コア全体の磁束密度の分布は、図 5 に示すように最大値 0.98T を達成します。
図 5 - a) フリンジと b) 磁束分布のベクトル プロット
可動部分と固定部分の間の領域全体の磁力分布を図 6 に示します。これは仮想仕事機能を使用して EMS 内で計算されます。
図 6 -力密度分布のベクトル プロット
2.SOLIDWORKSモーションと連成した電磁解析
EMS の静的磁場モジュールを SOLIDWORKS 内のモーションと連成することにより、SOLIDWORKSモーションのソルバーは計算された力を使用して機械的なモーションに変換します。時間に対する可動部品の位置の変化を視覚化することができます。
2A の固定電流励起下で、t=3.5 ms 後、シミュレーションは次の結果を明らかにしました。生成された力の変化と可動部分の重心位置対時間は、図 7 によって示されます。この位置は、時間に対する電磁接触器の 2 つの部分間のエア ギャップの変化についてのアイデアを与えています。 d=5mm から d=2.3mm に減少しています。
図 7 - a) 力の変化と b) 時間に対する可動部分の重心位置。
瞬間的な線速度は、SOLIDWORKS モーション解析によって計算され、EMS 結果テーブルによって視覚化されます。 t=3.5ms で最大値は 1.77 m/s です。発生する力に比例して作用します。
図 8 -時間に対する線形速度の変化。 図 9 -可動部の変位に対する磁束密度のアニメーション
3.パラメトリック解析
EMS では、シミュレーション変数とジオメトリ変数の両方をパラメータ化することにより、1 つのスタディでさまざまなシナリオを実行することにより、検討対象の電磁石のいくつかの側面を分析できます。
この機能を使用して、検討対象のコンタクタの発生力と電流励起、および 2 つの部品間のエア ギャップ距離を計算します。
選択したパラメトリック変数を次の表に示します。
表 2 -シミュレーション シナリオ
| シナリオ | エアギャップ長 (mm) | 電流 (A) |
| シナリオ1 | 1 | 1 |
| シナリオ 2 | 2 | 1 |
| シナリオ 3 | 3 | 1 |
| シナリオ 4 | 4 | 1 |
| シナリオ 5 | 1 | 2 |
| シナリオ6 | 2 | 2 |
| シナリオ 7 | 3 | 2 |
| シナリオ 8 | 4 | 2 |
| シナリオ9 | 1 | 3 |
| シナリオ10 | 2 | 3 |
| シナリオ11 | 3 | 3 |
| シナリオ12 | 4 | 3 |
| シナリオ13 | 1 | 4 |
| シナリオ14 | 2 | 4 |
| シナリオ15 | 3 | 4 |
| シナリオ16 | 4 | 4 |
EMS は、電流とエア ギャップ距離の両方を変化させることにより、コンタクタの上部可動部分の磁力を計算して生成します。図 10 は、力の結果の 3D プロットを示しています。合力は、電流が高く、ギャップ距離が小さいほど大きくなります。
研究された磁気アクチュエータは、低消費電力でかなりの量の磁力を示しているため、このカテゴリのスイッチャーは、他の従来のタイプと比較してより人気があります。
図 10 -生成された力と電流およびエア ギャップの 3D グラフ。
結論
非線形静磁場問題は、EMS シミュレーション ソフトウェアを使用して検討されました。 DC コンタクタ上の磁力は、多くの電流励起に対して、さまざまなエア ギャップ距離に対して計算されました。
このような電磁アクチュエータの設計と効率を最適化するには、開閉装置のいくつかのシナリオでより正確な結果を得るために、生成された磁力を評価することが非常に必要です。同様に、電磁接触器の信頼性と寿命に対する懸念が高まる中、メーカーは現在、電子制御を備えた新しいデバイスに取り組んでおり、接点のバウンス、過度の加熱、さらには接点の溶着に関連する問題を回避しています [2]。従来の電磁接触器に性能と信頼性を両立。
参考文献
[1]. Le Van, V., 2015. Développement de formulations intégrales de volume en magnétostatique (Doctoral dissertation, Université Grenoble Alpes).
[2]. Perin, Arnaldo JosÉ. "An electronic control unit for reducing contact bounce in electromagnetic contactors." IEEE Transactions on Industrial Electronics 55.2 (2008): 861-870.
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