MODELOWANIE OBWODU MAGNETYCZNEGO MAGNETOSTRYKCYJNEGO PRZETWORNIKA MOMENTU OBROTOWEGO W ŚRODOWISKU COMSOL

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "MODELOWANIE OBWODU MAGNETYCZNEGO MAGNETOSTRYKCYJNEGO PRZETWORNIKA MOMENTU OBROTOWEGO W ŚRODOWISKU COMSOL"

Marek Orzechowski
6 lat temu
Przeglądów:

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 62 Politechniki Wrocławskiej Nr 62 Studia i Materiały Nr modelowanie, metoda elementów skończonych, magnetostrykcja, moment obrotowy Marcin ANTCZAK** Paweł IDZIAK* MODELOWANIE OBWODU MAGNETYCZNEGO MAGNETOSTRYKCYJNEGO PRZETWORNIKA MOMENTU OBROTOWEGO W ŚRODOWISKU COMSOL W pracy przedstawiono wirtualny model magnetostrykcyjnego przetwornika momentu obrotowego opracowany w środowisku programistycznym COMSOL. Założono, że obwód magnetyczny przetwornika zostanie wykonany z kompozytu proszkowego. Część ruchomą będzie stanowił wał wykonany z powszechnie stosowanej stali konstrukcyjnej. Wyznaczono rozkład pola oraz rozkład indukcji w rozpatrywanym obwodzie. Wyniki eksperymentu obliczeniowego posłużyły do wprowadzenia modyfikacji poprawiających własności użytkowe zbudowanego fizycznie przetwornika. 1. WPROWADZENIE Współczesny inżynier oprócz tradycyjnych metod projektowania coraz częściej ma możliwość korzystania z komputerowego oprogramowania umożliwiającego wirtualne budowanie rozpatrywanej konstrukcji, testowanie jej a dopiero na koniec tworzenie prototypu. Takie postępowanie w istotny sposób upraszcza procedurę dochodzenia do końcowych satysfakcjonujących rezultatów. Nie jest to jednak jednoznaczne ze skróceniem czasu uzyskania efektów końcowych ani też ze zmniejszeniem kosztów. Na pewno jednak daje możliwość oszacowania poprawności nowo tworzonej konstrukcji bez angażowania zespołu wykonawców-techników. Jednym z coraz bardziej rozpoznawalnych systemów wspomagających działania inżynieraprojektanta jest środowisko Matlab wraz z jego kolejnymi edytowanymi mutacjami np. COMSOL. * Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, ul. Piotrowo 3A, Poznań; Pawel.Idziak@put.poznan.pl ** Politechnika Poznańska, Wydział Elektryczny, Studium Doktoranckie, ul. Piotrowo 3A, Poznań

2 560 COMSOL (wcześniejsza nazwa FEMLAB) jest interaktywnym środowiskiem, w którym można modelować wszystkie zjawiska opisywane równaniami różniczkowymi cząstkowymi. Użytkownik ma przy tym możliwość modelowania obiektów o bardzo skomplikowanej strukturze (również w układzie 3D), w których uwzględnić trzeba kilka zjawisk fizycznych jednocześnie [1]. Podczas rozwiązywania równań różniczkowych cząstkowych opisujących dany model, COMSOL stosuje metodę elementów skończonych finite element method FEM. Program wykorzystuje tę metodę wraz z dopasowaną automatycznie siatką dyskretyzacyjną, odpowiednio dobraną kontrolą błędów oraz z jednym z wielu dostępnych mu numerycznych sposobów rozwiązania równań różniczkowych cząstkowych. Uniwersalność tego środowiska spowodowała, że podjęto próbę zastosowania go w procesie analizy i ewentualnej modyfikacji obwodu magnetycznego nowo projektowanego magnetostrykcyjnego przetwornika momentu obrotowego. Model takiego przetwornika i zasadę działania opisano w artykule [2, 3]. W modelu przyjęto, ze obwód magnetyczny zostanie wykonany z kompozytu proszkowego. Zapewni to z jednej strony wykonalność rdzenia, z drugiej natomiast pozwoli korygować własności magnetyczne materiału rdzenia na etapie jego wytwarzania. Przyjęto, że przetwornik będzie zasilany napięciem przemiennym o podwyższonej częstotliwości. Założono również, że przetwornik ten będzie współpracował z wałem układu napędowego wykonanym ze zwyczajowo stosowanych materiałów (stale konstrukcyjne ew. stale o podwyższonych parametrach mechanicznych). Parametry magnetyczne materiału wału w istotny sposób wpływają na pracę przetwornika. 2. WIRTUALNY MODEL PRZETWORNIKA Pierwotny model przetwornika momentu przeliczono metodami klasycznymi. Wynikało to przede wszystkim z prostoty ustroju magnetycznego. Rysunki konstrukcyjne, niezbędne do wykonania form dla wyprasek, opracowano w programie AutoCad. Środowisko COMSOL akceptuje modele budowane tym ostatnim narzędziem. Opracowane rysunki wykonawcze form stanowiły zatem podstawę do opracowania wirtualnego modelu przetwornika. Na rys. 1.a) i 1.b) przedstawiono odpowiednio rdzeń przetwornika oraz jego wirtualny model opracowany w środowisku COMSOL. Uzwojenia przetwornika przedstawiono w programie COMSOL tylko szczątkowo; nie zmniejsza to jednak jakości prowadzonych obliczeń. Układ rzeczywisty posiadał 5044 zwoje na każdej kolumnie. Uzwojenia wykonano jako symetryczne. Przedstawiony na rys. 1.b) walec reprezentuje umownie wał z którym ma współpracować rzeczywisty przetwornik [1].

561 c) Rys.1. Model rdzenia przetwornika momentu: a) rzeczywisty; b) wirtualny, c) płaszczyzna cięcia Fig. 1.

Zmieniając grubość ściany walca można wpływać na jego podatność na skręcenie, a zatem można przeskalowywać przyrząd. Obliczenia przeprowadzono dla modelu zawierającego ponad 190 tys. węzłów.

Płaszczyzną symetrii była płaszczyzna przechodząca przez osie dwóch sąsiadujących kolumn. Stąd w prezentowanych poniżej rysunkach walec jest reprezentowany przez elipsę. 3.

3 561 c) Rys.1. Model rdzenia przetwornika momentu: a) rzeczywisty; b) wirtualny, c) płaszczyzna cięcia Fig. 1. Torque transducer model; a) real; b) virtual, c) cutting plane Celowo założono, ze będzie to walec (element pusty w środku). Zmieniając grubość ściany walca można wpływać na jego podatność na skręcenie, a zatem można przeskalowywać przyrząd. Obliczenia przeprowadzono dla modelu zawierającego ponad 190 tys. węzłów. Obliczenia wykonano, że obiekt znajduje się w powietrzu. Ponieważ model posiada płaszczyzny symetrii obliczenia przyspieszono rozpatrując układ dwuwymiarowy. Płaszczyzną symetrii była płaszczyzna przechodząca przez osie dwóch sąsiadujących kolumn. Stąd w prezentowanych poniżej rysunkach walec jest reprezentowany przez elipsę. 3. WYNIKI EKSPERYMENTU OBLICZENIOWEGO Eksperyment obliczeniowy przeprowadzono dla przypadku, gdy modelowy wał wykonany jest ze stali konstrukcyjnej St3S i poddany działaniu momentu skręcającego T = 106 Nm. Środowisko COMSOL pozwala deklarować przebieg charakterystyk materiałowych, a to oznacza, że można modyfikować ich przebieg w trakcie obliczeń [1]. W trakcie obliczeń korzystano z charakterystyk magnesowania materiału walca i kompozytu proszkowego rdzenia otrzymanych drogą doświadczalną. Zastosowanie kompozytu proszkowego pozwala modyfikować własności magnetyczne rdzenia już na etapie doboru materiału (przed jego wykonaniem). W trakcie obliczeń zmieniano przepływ wzbudzenia (prąd w uzwojeniu zasilanym), szczelinę powietrzną pomiędzy czołem przetwornika a powierzchnią wału, częstotliwość napięcia zasilającego oraz ukształtowanie nabiegunników [2]. Na rys. 2., 3. i 4. przedstawiono kolejno rozkład linii sił pola magnetycznego w rozpatrywanym obwodzie i rozkład indukcji dla przypadku z i bez nabiegunników. Prezentowane rozkłady uzyskano dla częstotliwości równej 50 Hz i dwóch wartości przepływu Θ.

4 562 Rys. 2. Rozkład linii sił pola magnetycznego dla maksymalnej wartości indukcji w obwodzie magnetycznym Bmax = 1,5 T, Θ = 0,14 A : a) bez nabiegunników; b) z nabiegunnikami Fig. 2. Distribution of magnetic field for Bmax = 1,5 T, Θ = 0,14 A: a) with pole shoe; b) without pole shoe Rys. 3. Rozkład indukcji magnetycznej w rozpatrywanym obszarze (B max = 1,5 T), Θ = 0,14 A: a) bez nabiegunników; b) z nabiegunnikami Fig. 3 Flux density contribution in magnet circuit for B max = 1,5 T, Θ = 0,14 A: a) with pole shoe; b) without pole shoe W trakcie obliczeń założono, że nabiegunniki będą wykonane również z kompozytu proszkowego.

563 Rys. 4. Rozkład indukcji magnetycznej w rozpatrywanym obszarze (B max = 1,2 T), Θ = 0,1 A: a) bez nabiegunników; b) z nabiegunnikami Fig. 4. Distribution of magnetic field for B max = 1,2 T, Θ = 0,1 A: a) with pole shoe; b) without pole shoe Rys.

5 563 Rys. 4. Rozkład indukcji magnetycznej w rozpatrywanym obszarze (B max = 1,2 T), Θ = 0,1 A: a) bez nabiegunników; b) z nabiegunnikami Fig. 4. Distribution of magnetic field for B max = 1,2 T, Θ = 0,1 A: a) with pole shoe; b) without pole shoe Rys. 5. Rozkład indukcji magnetycznej w rozpatrywanym obszarze (B max = 1,2 T), Θ = 0,1 A: a) bez nabiegunników; b) z nabiegunnikami Fig. 5. Flux density contribution in magnet circuit for B max = 1,2 T, Θ = 0,1 A: a) with pole shoe; b) without pole shoe

6 UWAGI KOŃCOWE Eksperyment obliczeniowy wykazał, że zastosowanie nabiegunników na biegunach z cewkami W1 i W2 w istotny sposób poprawił rozkład pola magnetycznego. Testy wykonane w laboratorium Zakładu Mechatroniki i Maszyn Elektrycznych Politechniki Poznańskiej wykazały poprawność tego rozwiązania. W istotny sposób wzrosła czułość przetwornika. Wyniki tego eksperymentu zawarto w publikacji [2]. Korzystny wpływ obniżenia napięcia zasilającego przetwornik (mniejsza wartość maksymalna indukcji magnetycznej) również potwierdził się w praktyce. Układ pracuje w obszarze prostoliniowej części charakterystyki magnesowania. Zastosowanie wirtualnego modelowania pozwala projektantowi precyzyjniej określać wymagania materiałowe. Zmodyfikowanie przebiegu charakterystyki magnesowania, zwłaszcza materiału wału pozwala przewidywać zachowanie się całego układu pomiarowego. LITERATURA [1] COMSOL MULTIPHYSICS, COMSOL AB. Stockholm, September 2006 [2] IDZIAK P.,ANTCZAK M.: Magnetostrykcyjny przetwornik momentu obrotowego z obwodem magnetycznym wykonanym z kompozytu proszkowego, SME 08, Szklarska Poręba 2008 [3] RIPKA P.: Magnetic sensors and magnetometers, Artech House, Boston, London MODELLING OF MAGNETIC CIRCUIT OF MAGNETOSTRICTIVE TORQUE TRANSDUCER USING COMSOL The paper presents the new construction of magnetostrictive torque transducer. The transducer consists with 4 coils (2 supplied winding and 2 measurement winding) and steel shaft (rotary part). The magnet circuit of transducer has been made with powder composite material. The calculations have been performed using the commercial software COMSOL. The selected results of magnetic field distribution are compared and discussed.

Podobne dokumenty

MAGNETOSTRYKCYJNY PRZETWORNIK MOMENTU OBROTOWEGO Z OBWODEM MAGNETYCZNYM WYKONANYM Z KOMPOZYTU PROSZKOWEGO

MAGNETOSTRYKCYJNY PRZETWORNIK MOMENTU OBROTOWEGO Z OBWODEM MAGNETYCZNYM WYKONANYM Z KOMPOZYTU PROSZKOWEGO Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 6 Politechniki Wrocławskiej Nr 6 Studia i Materiały Nr 8 8 magnetostrykcja, torduktor, kompozyt proszkowy, moment obrotowy Paweł IDZIAK*