ABAQUS: Badanie zaworu elektromagnetycznego

Analiza EMAG w Abaqus/Standard

Zawory elektromagnetyczne znajdują zastosowanie w różnorodnych aplikacjach sterowania przepływem w wielu segmentach przemysłu. Służą do sterowania przepływem cieczy i gazów. Istnieją przede wszystkim trzy elementy, które regulują charakterystykę elektromagnetyczną zaworu elektromagnetycznego: tłok, rdzeń i cewka. Tłok jest wykonany z miękkiego materiału magnetycznego i może się poruszać, aby odciąć, umożliwić lub przekierować przepływ. Tłok jest początkowo obciążony sprężyną, aby zapobiec jego przesuwaniu. Rdzeń jest również wykonany z miękkiego materiału magnetycznego i służy do zamknięcia obwodu magnetycznego wokół cewki wraz z tłokiem. Cewka przewodząca prąd wytwarza pole magnetyczne. Siła działająca na tłok jest generowana z trzech źródeł: siły magnetycznej generowanej przez pole magnetyczne, siły generowanej przez sprężynę oraz siły generowanej przez przepływ płynu. Zawory te mają zatem bardzo złożony mechanizm działania, wymagający interakcji między domenami elektromagnetycznymi, płynnymi i strukturalnymi.

Na tych warsztatach zajmiemy się problemem obliczania pola magnetycznego generowanego przez cewkę przewodzącą prąd, biorąc pod uwagę nasycenie magnetyczne tłoka i rdzenia. Rozważymy przypadek cewki, w której płynie stały prąd stały (DC).

Rys. 1 Model problemu

Model Abaqus reprezentuje jedną czwartą modelu geometrycznego ze względu na symetrię analizy i jest pokazany na rysunku 1. Wewnętrzny promień tłoka wynosi 3 mm, a jego długość 12 mm. Wewnętrzny i zewnętrzny promień uzwojenia cewki wynosi odpowiednio 5,2 mm i 8,2 mm. Uzwojenie cewki ma pole przekroju poprzecznego 3,0 mm × 14,0 mm. Rdzeń wraz z tłokiem zamyka obwód magnetyczny i zapewnia ścieżkę dla strumienia magnetycznego wokół cewki. Zewnętrzne granice domeny znajdują się na tyle daleko od uzwojenia cewki, że nie wpływają znacząco na fizykę problemu. Zewnętrzna cylindryczna powierzchnia jest umieszczona około 5-krotności średniego promienia uzwojenia cewki od środka domeny. Właściwości materiału tłoka i rdzenia są dobrane tak, aby były podobne do właściwości stali gatunku 1010. Krzywa BH dla stali 1010 jest pokazana na rysunku 3. Oprócz tłoka i rdzenia, reszta domeny jest modelowana jako próżnia/powietrze.

Rys. 2 Model do badań

Do analizy magnetostatycznej model składa się z około 22 tys. sześciościennych elementów elektromagnetycznych (EMC3D8). Pojedyncze zaszczepianie krawędzią polaryzacji służy do zmniejszenia całkowitej liczby elementów. Zakłada się, że siatka jest odpowiednio dopracowana, aby zapewnić dobre rozwiązanie problemu.

Do analizy magnetostatycznej stosuje się odpowiednie warunki brzegowe symetrii na płaszczyznach symetrii. Zakłada się, że całkowity prąd przepływający przez pole przekroju poprzecznego uzwojenia cewki wynosi 500 zwojów. Równoważna gęstość prądu w cewce wynosi 500/(0,003×0,014) = 1,19048×10 7 A / m2 . Procedura analizy magnetostatycznej jest stosowana do obliczenia rozkładu pola magnetycznego w tłoku i rdzeniu.

Rys. 3 Funkcja B-H stali 1010

W trakcie szykowania analizy do badania trzeba było zdefiniować krok procedury analizy magnetostatycznej. Ustawić wartość 50Hz dla niższej częstotliwości i harmonicznie czasowo. Macierze wynikające ze sformułowania elementów skończonych dla procedury magnetostatycznej są osobliwe. Współczynnik stabilizacji pomaga uregulować problem.
Następnie trzeba zdefiniować obciążenia prądowe i warunki brzegowe na płaszczyznach symetrii x0 i z0. Jako warunek brzegowy trzeba wybrać potencjał wektora magnetycznego.
Następnie należy zdefiniować żądania wyjściowe jako żądanie wyniku pola i żądanie Wyjście EMB i EMH w sekcji elektryczne/magnetyczne.

Gdy zadanie jest uruchomione, można monitorować jego postęp, obserwując dane wyjściowe zapisywane w plikach danych ( . dat ), komunikatów ( .msg ), stanu ( .sta ) i plików dziennika ( .log ). Aby monitorować postęp z Abaqus/CAE:

W drzewie modelu rozwiń listę Analysis , a następnie listę Jobs.

Kliknij prawy przycisk myszy na zadaniu o nazwie zawór_liniowy lub nieliniowy.

Z wyświetlonego menu wybierz Monitor.

W oknie Job monitor można wybrać karty dziennika, Plik danych i Plik wiadomości w razie potrzeby. Plik stanu jest wyświetlany jako dane tabelaryczne w oknie monitora zadań, ale jest również dostępny w zakładce Status file.

Rys. 4 Wyniki dla 1/4 modelu – time 1

Rys. 5 Wyniki dla 1/4 modelu – time 0,35

Po zakończeniu analizy wykonaj następujące czynności możemy stworzyć wykresy konturowe gęstości strumienia magnetycznego i natężenia pola magnetycznego. Opcjonalnie można użyć wyników reprezentujących powtarzalną część modelu do wizualizacji wyników dla całego modelu (360°) przy użyciu opcji wyświetlania ODB modelu, czyli Mirror.

Wykres dla 270° wygląda tak, jak pokazano na rysunku 6 i 7. Gęstości strumienia magnetycznego można zobaczyć na rysunku 4. Gęstość strumienia magnetycznego dla wielu nieliniowych materiałów magnetycznych nasyca się przy około 2,0 Tesli (po prawej), podczas gdy dla ośrodka liniowego może rosnąć bez ograniczeń (co nie jest fizyczne). Obszary nasycenia można również zwizualizować, wykreślając natężenie pola magnetycznego, jak pokazano na rysunku 5. Należy zauważyć, że w obszarze nasycenia efektywna przenikalność magnetyczna jest bardzo mała, a zatem natężenie pola jest znacznie większe niż w obszarach nienasyconych. Niebieski region reprezentuje region nienasycony, podczas gdy reszta regionu jest nasycona lub jest bliska nasyceniu.

Rys. 6 Wykresy konturowe gęstości strumienia magnetycznego: liniowy (po lewej), nieliniowy (po prawej)

Rys. 7 Wykresy konturowe natężenia pola magnetycznego: liniowy (po lewej), nieliniowy (po prawej)

Analiza pokazuję jakie możliwość ma program Abaqus w kwestii badań Elektromagnetycznych (EMAG). Jest to jedynie wierzchołek góry lodowej możliwości które posiada nasz inny program CST Suite ale do podstawowych analiz związanych z badaniem strumienia magnetycznego czy natężenia pola magnetycznego solver Standard w Abaqusie jest zupełnie wystarczający. Przygotowanie badanie przeprowadza się szybko i prosto a czas analizy również jest niski ze względu na optymalizację programu. Dzięki opcją wizualizacji możemy łatwo stworzyć potrzebne widoki 3d i wykresy do badań czy artykułu badawczego.

Post: ABAQUS: Badanie zaworu elektromagnetycznego