準高速リニアモーターカーで使用される磁気浮上システムの 2D シミュレーション

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序章

磁気浮上は、物体を磁場だけで空中に吊るす技術です。磁場は、重力やその他の減速に対抗する力を発揮します。したがって、非接触で摩耗や摩擦がありません。これにより、効率が向上し、メンテナンス コストが削減され、製品の寿命が延びます。磁気浮上技術は用途が広く、さまざまな産業で効率的に使用できます。いくつかの国がこの技術に関心を示しており、世界のさまざまな地域でさまざまなシステムが提案されています。

磁気浮上システムには、電磁サスペンション (EMS) と電気力学サスペンション (EDS) の 2 種類があります。電磁式は、電車の底にある磁石とガイドウェイの間の引力を利用して、電車を持ち上げます。列車の左右の側面にある磁石は、横方向のずれを排除するために使用されます。この方法は実装が簡単で、速度がゼロの場合でも機能します。

このアプリケーション ノートでは、EMWorks2D を使用して、準高速リニアモーターカーの提案された電磁浮上システム モデルを解析します。提案されたモデルは、タイプ F レール、浮上電磁石、および誘導電磁石で構成されます [1]。浮揚磁石は、車両を地面から自由空間の特定の位置まで持ち上げるために使用されます。誘導磁石は、車両をレール上の中央に配置し、横方向のずれをなくすために使用されます。強磁性コンポーネントはスチール 1010 製で、巻線は銅製です。

図 3a) と 3b) は、SOLIDWORKS 内で構築された 3D および 2D CAD モデルをそれぞれ示しています。 2D モデルは、EMWorks2D の 2D 簡略化機能を使用して、3D 元の形状から自動的に抽出されます。

シミュレーション結果

静磁場シミュレーションは、EMWorks2D の静磁場モジュールを使用して実行されます。パラメトリック スイープ機能を使用して、磁場、浮上力、誘導力を、エアギャップの長さ、印加電流などのさまざまなパラメーターと比較して計算します。浮上巻線は 250 巻き、誘導巻線は 180 巻きです。印加電流はそれぞれ15Aと7Aです。浮上力と誘導力の両方を研究することは、効率的で安定したリニアモーターカー システムを構築するために特に重要です。

以下の図は、磁束密度がいくつかの垂直方向の空隙値をプロットしたものです。明らかに、エアギャップが小さいほど、磁束密度が高くなります。フラックスの結果は、EMWorks2D を使用してパラメトリック変数に対してアニメーション化できます。図 6 には、浮揚磁石の Y 位置に対する磁束のアニメーションが含まれています。

図 7 は、エアギャップ サイズに対する力の結果を示しています。力はエアギャップとともに指数関数的に減少します。 2 mm で 15 kN のピーク値を持ちますが、エア ギャップが 7 mm 未満の場合は 2 kN よりも低くなります。

図 7 - EMWorks2D のパラメトリック スタディを使用して計算された力の結果とエアギャップ、a) 力曲線、B) EMWorks2D の設計シナリオ ページ。

図 8 には、さまざまなエアギャップ長における力の結果と電流の比較が含まれています。電流が大きく、エアギャップが小さいほど、力は大きくなります。

図9 レールの横方向の位置が変更されています。浮上力と誘導力の両方が測定されます。レールの横方向の位置はリニアモーターカーの安定性に影響を与えます。浮上力を最大化し、損失を減らすには、レールを正しい位置に維持する必要があります。

図 10a) と 10b) は、エアギャップ 10 mm の最大横方向偏差での磁束の結果を示しています。図 10b には、2D フィールド プロットと 3D モデルの断面図を重ね合わせたプロットが含まれています。

x 位置に対する磁場のアニメーションを図 11 に示します。エアギャップの磁束密度は、横方向の変位に対して減少します。

図 12a) と 12b) はそれぞれ、偏差に対する誘導力と浮上力を示しています。低い値に維持する必要がある横方向の力は、横方向の偏差とともに増加します。横力とは異なり、浮揚力は x 位置とともに減少します。

浮揚コイルと誘導コイルの両方のインダクタンスを図 13 に示します。 x 位置の偏差が大きいほど、インダクタンスは小さくなります。

浮上力の最適化

SolidWorks のマルチ構成機能を使用して、浮揚力が 3 つの異なる構成に対して計算されます。結果を以下に示します。元の構成を図 14a に示します。横方向の位置に 2 つの磁石を追加した 2 番目の構成を図 14b に示します。 1 つのコイルの代わりに 2 つのコイルを持つ強磁性コアの下部に 1 つの磁石が追加された 3 番目の構成を図 14c に示します。図 15a) と 15b) は、SolidWorks マルチ構成ページと EMWorks スタディ ツリーをそれぞれ示しています。

さまざまな構成の磁場の結果を図 16 にプロットし、力の結果を図 17 に示します。 2 つの隣接するコイルを持つ 3 番目の構成は、最適化されたシステムと見なすことができる 3 つの構成の中で最大の力を与えます。

図 16 -磁束の結果、a) 元の設計、b) 設計 2、c) 設計 3

結論

EMWorks2D は、電磁浮上システムの検討とシミュレーションに使用されます。磁束密度、磁力、インダクタンスなど、多くの結果が得られます。エアギャップのサイズは、浮上システムの性能に重要な役割を果たします。

参照

[1]: Min Kim, Jae-Hoon Jeong, Jaewon Lim†, Chang-Hyun Kim and Mooncheol Won. Design and Control of Levitation and Guidance Systems for a Semi-High-Speed Maglev Train. J Electr Eng Technol.2017; 12(1): 117-125