Komputerowe wspomaganie projektowania stanowiska badawczego

Transkrypt

1 SKALSKI Paweł 1 PARAFINIAK Maciej 1 WOJTAS Małgorzata 1 MIROWSKA Julia 2 Komputerowe wspomaganie projektowania stanowiska badawczego WSTĘP Pomiary wielkości charakteryzujących pole magnetyczne tj. strumienia magnetycznego, indukcji magnetycznej i natężenia pola magnetycznego, oraz pomiary właściwości materiałów magnetycznych wykonuje się na ogół metodami elektrycznymi. Najczęściej stosowanym w takich pomiarach przetwornikiem jest cewka o znanych parametrach. Mierzona próbka materiału tworzy część lub całość obwodu magnetycznego. W zależności od kształtu i rodzaju obwodu magnetycznego wyróżnia się [5]: układy do badania próbek zamkniętych pierścieniowych i ramowych, wykorzystuje się tu tzw. aparat Epsteina; układy otwarte, gdzie próbkę umieszcza się w cewce magnesującej; układy do badania próbek w zamkniętych obwodach, gdzie próbka stanowi tylko część obwodu magnetycznego (tzw. permeatry jarzmowe). W niniejszym artykule zaprezentowano kolejne etapy projektowania stanowiska do wyznaczania krzywych B = f(h) docelowo dla materiałów magnetoreologicznych. W pierwszej fazie projektu opracowano wymagania i założenia techniczne na stanowisko badawcze opierając się na dostępnej literaturze [3, 4, 5] oraz dostępnych na rynku elektromagnesach pomiarowych komercyjnych firm. Wybrano rozwiązanie opierające się o elektromagnes jarzmowy. Głównym założeniem konstrukcyjnym dla układu jest aby generował on pole magnetyczne o indukcji powyżej 1 [T]. Zaproponowany układ składała się z jarzma oraz dwóch cewek połączonych szeregowo w celu zachowania jednakowej wartości prądu płynącego przez obydwa uzwojenia tak aby wynikowy strumień magnetyczny sumował się. Materiał na jarzmo elektromagnesu musi charakteryzować się wysoką wartością indukcji nasycenia, dodatkowo ważne jest, by jego pętla histerezy była wąska o niskiej wartości koercji by uniknąć dużych strat w przetwarzaniu energii, właściwości takie posiadają materiały magnetycznie miękkie. Kolejnym ważnym aspektem jest łatwość obróbki materiału oraz jego dostępność na rynku. Przeanalizowano szereg materiałów opierając się głównie na standardowej bibliotece materiałów programu ANSYS Maxwell sprawdzając ich przydatność. Ostatecznie do budowy jarzma wybrano materiał o powyższych właściwościach stal ARMCO. Jest to stal niskowęglowa magnetycznie miękka (wartość koercji wynosi około 200 [A/m], natomiast indukcja nasycenia ma wartość nie mniejszą niż 1,5 [T]). W następnej kolejności dokonano wstępnej analizy i oceny parametrów i wymiarów cewek. Przed fizycznym wykonaniem stanowiska należało zweryfikować postawione założenia oraz określić geometrię układu badawczego, wielkość szczeliny powietrznej, oraz przeprowadzić analizę rozkładu pola w zależności od wartości natężenia prądu magnesującego. 1 MODEL NUMERYCZNY I SYMULACJE Modele symulacyjne stanowiska do pomiaru krzywych B = f(h) wykonano w specjalistycznym oprogramowaniu do modelowania zagadnień związanych z polami elektromagnetycznymi niskiej 1 Instytut Lotnictwa, Centrum Nowych Technologii; Warszawa; Al. Krakowska 110/114. Tel ; pawel.skalski@ilot.edu.pl. 2 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny; Warszawa; Pl. Politechniki 1. Tel

2 częstotliwości jakim jest środowisko ANSYS Maxwell. Zaletą wykorzystania środowiska Maxwell jest jego zautomatyzowany proces rozwiązywania zagadnień, wymagane jest jedynie określenie geometrii obiektu, własności materiałów i żądanych parametrów mierzonych. Analizę stanowiska do badań krzywej B = f(h) przeprowadzono na modelach 2D. W zależności od charakteru rozwiązywanego problemu środowisko Maxwell dysponuje odpowiednimi solverami. Dla naszych potrzeb wykorzystywany był moduł transientmagnetic, pozwalający na symulację w zmiennym w czasie polu magnetycznym [1, 2]. 1.1 Analiza podstawowej geometrii stanowiska Na podstawie przyjętych założeń technicznych na stanowisko i wstępnych obliczeń parametrów cewki przeanalizowano kilka przypadków konstrukcji stanowiska badawczego do pomiaru histerezy magnetycznej. Analizy wykonano ze względu na układ elektromagnesu z jarzmem otwartym i zamkniętym (symetrycznym) oraz ze względu na układ cewka - nabiegunnik. Rezultat analiz przedstawiono poniżej (rys. 1-3). Rys. 1. Analizowane układy magnetyczne: (a) jarzmo symetryczne, szeroka cewka; (b) jarzmo otwarte, szeroka cewka; (c) jarzmo symetryczne, wąska cewka; (d) jarzmo otwarte, wąska cewka Rys. 2. Analizowane układy magnetyczne: (a) jarzmo symetryczne, szeroka cewka 1450 zwoi, I m = 1,5 [A]; (b) jarzmo otwarte, szeroka cewka 1450 zwoi, I m = 1,5 [A]; (c) jarzmo symetryczne, wąska cewka 1450 zwoi, I m = 1,5 [A]; (d) jarzmo otwarte, wąska cewka 1450 zwoi, I m = 1,5 [A]. Szczelina powietrzna pomiędzy nabiegunnikami 5 [mm] 9571

3 Rys. 3. Analizowane układy magnetyczne: (a) jarzmo symetryczne, szeroka cewka 2500 zwoi, I m = 1,5 [A]; (b) jarzmo otwarte, szeroka cewka 2500 zwoi, I m = 1,5 [A]; (c) jarzmo symetryczne, wąska cewka 2500 zwoi, I m = 1,5 [A]; (d) jarzmo otwarte, wąska cewka 2500 zwoi, I m = 1,5 [A]. Szczelina powietrzna pomiędzy nabiegunnikami 5 [mm] Wybrano rozwiązanie z zamkniętym jarzmem (symetrycznym) oraz wąską cewką. Rozwiązanie to zapewnia prawidłowy przepływ strumienia magnetycznego oraz zmniejsza konieczną długość prostego odcinka jarzma przed szczeliną powietrzną. 1.2 Optymalizacja rozkładu indukcji w szczelinie powietrznej Kolejnym krokiem podczas projektowania stanowiska było ujednolicenie pola magnetycznego w szczelinie pomiarowej. W tym celu dokonano analiz dotyczących zmiany geometrii nabiegunników układu magnetycznego. Nabiegunniki sfazowano pod kątem 45⁰. Zapewniło to jednolity rozkład pola magnetycznego w szczelinie pomiarowej (rys. 4). Rys. 4. Rozkład pola magnetycznego w szczelinie pomiarowej: nabiegunniki bez fazy (po lewej), nabiegunniki z fazą 45⁰ (po prawej) 9572

4 1.3 Model wykonawczy Po uwzględnieniu zmian w układzie magnetycznym i przeprowadzeniu kolejnych analiz w środowisku ANSYS Maxwell opracowano ostateczny model symulacyjny uwzględniający dokładne wymiary jarzma, wymiary i parametry cewek oraz optymalną wielkość szczeliny powietrznej, tak aby wielkość indukcji magnetycznej była powyżej 1 [T] (rys. 5). Rys. 5. Model numeryczny stanowiska do badań materiałów magnetoreologicznych, szczelina pomiarowa 5 [mm], prąd magnesujący 2 [A] Na podstawie danych dostarczonych z obliczeń numerycznych w środowisku Maxwell opracowano model geometryczny stanowiska badawczego w programie SolidWorks (rys. 6) oraz dokumentacje płaską stanowiska. Rys. 6. Model geometryczny 3D stanowiska do badań materiałów magnetoreologicznych 2 STANOWISKO BADAWCZE I EKSPERYMENTY Na podstawie opracowanej dokumentacji wykonano stanowisko badawcze do badań materiałów magnetoreologicznych. Na rysunku 7a zamieszczono ogólny widok stanowiska badawczego, a na rys. 7b uproszczony schemat stanowiska badawczego. Stanowisko wyposażono w zasilacz programowalny, przekaźnik oraz teslomierz. Rys. 7. (a) Widok stanowiska (b) Uproszczony schemat stanowiska badawczego 9573

5 Przystępując do prób, w pierwszej kolejności dokonano analizy poprawności działania stanowiska rzeczywistego opierając się na modelu numerycznym sporządzonym w środowisku Maxwell. W tym celu wykonano pomiar zależności B = f(i), gdzie I jest prądem magnesującym. Próby wykonano dla dwóch wartości szczelin 1,2 [mm] oraz 5 [mm]. Wyniki z eksperymentu na stanowisku pokrywają się z wynikami otrzymanymi z symulacji. Rys. 8. Krzywe cechowania elektromagnesu dla różnych szczelin powietrznych W kolejnym kroku przeprowadzono badania w celu odszukania krzywej histerezy materiału magnetoreologicznego. Przeprowadzono pomiar dla próbek elastomerów magnetoreologicznych na bazie kauczuku naturalnego z pyłem karbonylkowym o oznaczeniu SKM W szczelinie powietrznej umieszczono krążki o łącznej grubości 4 [mm] i średnicy 40 [mm] oraz sondę hallotronową (rys. 9). W wyniku tak prowadzonych badań otrzymano krzywą B w funkcji H, którą przedstawiono na rys. 10. Rys. 9. Pomiar indukcji magnetycznej na stanowisku z elastomerem magnetoreologicznym 9574

6 Rys. 10. Krzywa B = f(h) dla elastomeru magnetoreologicznego PODSUMOWANIE W pracy przedstawiono wykorzystanie specjalizowanego oprogramowania do symulacji pola elektromagnetycznego jakim jest środowisko ANSYS Maxwell. Przedstawiony w pracy problem dotyczy wspomagania w projektowaniu stanowiska badawczego, w tym przypadku wykorzystującego działanie pola magnetycznego. Wykorzystanie środowiska Maxwell na etapie projektowania umożliwiło dobór optymalnych parametrów do budowy stanowiska. Oprogramowanie Maxwell na etapie projektowania umożliwiło weryfikację działania stanowiska na drodze symulacji i jego optymalizację w celu wyeliminowania błędów w jego konstrukcji. W pracy porównano wyniki uzyskane na drodze symulacji numerycznych w środowisku Maxwell, z wynikami otrzymanymi z cechowania elektromagnesu stanowiska badawczego. Otrzymane dane eksperymentalne oraz wyniki z symulacji potwierdzają poprawność doboru parametrów oraz konstrukcji układu badawczego, potwierdzając tym samym słuszność przeprowadzonych symulacji w programie Maxwell na etapie projektowania i budowy stanowiska badawczego. W pracy wykonano również pomiary krzywej histerezy krzywej B (H) dla elastomeru magnetoreologicznego. Z uzyskanych wyników można stwierdzić, że materiał jest magnetycznie miękki, a krzywa łagodnie narasta. Stanowisko daje wyniki powtarzalne, a prace nad materiałem na skonstruowanym stanowisku będą kontynuowane. Streszczenie W niniejszej opracowaniu przedstawiono możliwość wykorzystania specjalizowanego oprogramowania do symulacji pola elektromagnetycznego jakim jest środowisko ANSYS Maxwell. Środowisko to umożliwia analizy 2D oraz 3D pól elektromagnetycznych i elektromechanicznych. Przedstawiony w pracy problem dotyczy wspomagania w projektowaniu stanowiska badawczego. Wykorzystanie środowiska Maxwell na etapie projektowania umożliwiło weryfikację działania stanowiska na drodze symulacji i jego optymalizację w celu wyeliminowania błędów jego konstrukcji. Computer-aided design of the test bench Abstract This paper presents the possibility to use specialized software to simulate the electromagnetic field which is ANSYS Maxwell environment. The software allows the electromagnetic and electromechanical field analysis 2D and 3D.Presentedworkconcerns the support in the test bench design. The Maxwell environment allowed to 9575

7 eliminate errors of the test bench construction and its optimization at the computer simulation stage. BIBLIOGRAFIA 1. ANSYS Maxwell V16 Training Manual, Ansys Inc., Gettingstarted with Maxwell: Transient Problem, Ansys Inc., Ioan D., Rebican M.: Extraction of B-H hysteresis model from measurements with non-uniform magnetic field,university of Bucharest, Romania, Novák Z.:Measuring the HysteresisLoop of the ToroidalCore Using LabVIEW to Optimize the Design of PMSM, Czech Technical University in Prague, Prague, Parchański J.: Miernictwo elektryczne i elektroniczne. Wyd. 9 Warszawa: WSiP,