In dieser Fallstudie wird ein Linearmotor entworfen und mit Hilfe einer schrittweisen erzwungenen Bewegungsanalyse werden die auf die Spulen wirkenden Kräfte bestimmt.
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Ausgangs-Situation
Synchron Magnet Linearmotor Kraftanalyse
Ein Linearschaftmotor soll mit NX CAD und dem Magnetics Solver entworfen und analysiert werden. Daher soll ein erster Entwurfsansatz in Form eines parametrischen CAD-Modells erfolgen, das eine einfache Variation der Geometrie ermöglicht. In der Simulation ist es unser Ziel, die Kurve zu finden, die die Kräfte über der Position zeigt. Größe und Welligkeit dieser Kurve sollen unter Verwendung verschiedener geometrischer und elektrischer Variationen untersucht werden.
Bild: CAD Geometrie des Linear Motors
Das Prinzip der Linearschaftmotoren beruht auf der Erzeugung von Lorentzkräften, die durch Permanentmagnete und Ströme von Spulen entstehen. Weitere Erklärungen finden Sie in www.machinedesign.com.
Bild: Prinzip des Linear Schaftmotors
Geeignete Methode
2D Axisymmetrisches Model mit linear Gelenk
Ein CAD-Modell dieses neuen Konstruktionsansatzes wird erstellt. Jeder Magnet und jede Spule wird durch eine CAD-Fläche dargestellt. Wegen der achsensymmetrischen Verhältnisse skizzieren wir nur die Hälfte eines Schnittes. Farben kennzeichnen Magnete und Spulen mit den Phasenströmen u, v, w. Durch synchrone Modellierungstechniken definieren wir einen CAD-Ausdruck, der die lineare Position der Forcer-Geometrie steuert.
Abbildung: Das parametrische CAD-Modell
Wir erstellen ein achsensymmetrisches 2D-FEM-Modell in NX mit automatischen Netzen und weisen physikalische Eigenschaften zu. Für diesen ersten Test verwenden wir N30EH-Magnete und Spulen mit 25 Windungen.
Bild: Teil des Netzes mit Quads und Tri-Elementen
In der NX-Simulationsdatei definieren wir die harmonischen Phasenströme u, v und w. Wir verwenden eine Größe von 15 A. Die Phasenverschiebungen sind so definiert, dass ein Zyklus der Länge von zwei Magneten entspricht.
Bild: Definition der Phasenströme auf sechs Spulen
Als nächstes wird ein lineares Bewegungsgelenk definiert. Wir haben die Technik General-Motion gewählt, die es erlaubt, die Bewegung in Form eines CAD-Parameters zu definieren, der schrittweise variiert wird. Das erzwungene Gelenk erlaubt keine Dynamik. Alternativ könnten wir das dynamische Gelenk verwenden, das die Analyse der Motorbeschleunigung ermöglichen würde.
Abbildung: Definition des erzwungenen linearen Bewegungsgelenks
Ergebnisse
Kräfte über Position
In der Analyse wurde der Kolben über eine Strecke von 80 mm in 80 Schritten bewegt. Die resultierende Flussdichte in den Magneten und der Strom in den 6 Spulen können im Postprozessor durch Farbplots oder durch Abspielen eines Films kontrolliert werden.
Bild: Flussdichte und Spulenströme im ersten Schritt
PBild: Flussdichte und Spulenstrom durch Pfeile dargestellt
Für jede Spule können wir die Kraft bestimmen. Im nächsten Bild werden alle Kräfte der einzelnen Spulen und die Gesamtsumme angezeigt.
Bild: Einzelne Coil-Kräfte und Gesamtsumme
Das Ergebnis zeigt, dass die mittlere Gesamtkraft für diesen Linearmotor unter den gegebenen Bedingungen 16 N beträgt. Die Minimal- und Maximalwerte liegen bei 14,6 und 16,8 N. Da wir nun über ein geeignetes Analysemodell verfügen, besteht der nächste Schritt im Designprozess in der Variation der geometrischen und elektrischen Eingangsdaten mit dem Ziel, die Ergebnisse auf die gegebenen Anforderungen abzustimmen.
