CC BY
48
УДК 681.7.023.72
Р.А. Ильин
магистрант,
Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
А.Ю. Шурыгин
канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
В.В. Гпебов
канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ МАГНИТОРЕЗОНАНСНОГО ПОДВЕСА ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СХЕМЫ В ANSYS SIMPLORER
Аннотация. Представлены результаты моделирования работы магниторезонансного подвеса для шлифовального круга с применением эквивалентной электромеханической схемы, составленной в программной среде ANSYS Simplorer. Сформирована матрица индуктивностей, зависящая от величины воздушного зазора на основе электромагнитного анализа в ANSYS Maxwell. Получены зависимости перемещения подвешенного в магнитном поле ротора от времени, а также график изменения тока во времени для ветвей резонансного электрического контура.
Ключевые слова: эквивалентная схема замещения, моделирование, магнитное поле, матрица индуктивности, магниторезонансный подвес
R.A. Ilyin, Arzamas Ро1^есИп1са1 Institute (branch of) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
A.Y. Shurigin, Arzamas Рolytechnical Institute (branch of) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
V.V. Glebov, Arzamas Рolytechnical Institute (branch of) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
MODELING THE WORK OF MAGNETIC - RESONANCE SUSPENSION OF GRINDING WHEEL WITH
USING EQUIVALENT ELECTROMECHANICAL CIRCUIT IN ANSYS SIMPLORER
Abstract. The results of modeling of magnetic - resonance suspension for grinding wheel with using an electromechanical equivalent circuit composed in the software environment of ANSYS Simplorer are presented at the work. Inductance matrix , depending on the size of the air gap on the basis of electromagnetic analysis in the ANSYS Maxwell is formed. The dependences of movement suspended in a magnetic field rotor to time are received, and also a graph of the current changing in time for the branches of the resonance electrical circuit.
Keywords: equivalent circuit, modeling, magnetic field, inductance matrix, magnetic-resonance suspension.
Применение шлифовального круга на магниторезонансном подвесе, позволяет уменьшить величину нарушенного слоя и увеличить производительность обработки плоских поверхностей хрупких неметаллических материалов торцом инструмента при обеспечении требуемого качества обработки за счет уменьшения амплитуды вибраций. Принцип действия магниторезонансного подвеса, который представляет собой электромеханическую систему, основан на изменении индуктивностей в цепях электромагнитов при смещении центрируемого ферромагнитного элемента [1].
Моделирование электромеханической системы подвеса выполнялось в программной среде ANSYS Simplorer, которая позволяет моделировать взаимодействие компонентов в разных инженерных областях.Компонентами проектов ANSYS Simplorer могут быть модели,
созданные в ANSYS Maxwell, которые конвертируются в формат ANSYS Simplerer. В сконвертированном виде эти модели представляют собой схемы замещения. Входы и выходы схемы замещения - это концы обмоток и виртуальные концы с механическими параметрами (например, силой). К концам обмотки в ANSYS Simplerer подключается электрическая схема. ANSYS Maxwell представляет собой программное обеспечение, основанное на методеконечных элементов,для моделирования электромагнитных полейпри проектировании и исследованиимоделей электрических и электромеханических устройств.
ф ANSVB Maxwell - I ml п - Maxwe!t2DDes¡gn2 - 3D Modeler - SOLVED - [¡lisiiLm - Maxwell20De5Ígn2 - Modeler^^J File Edit View Project Draw Modeler Maxwell 2D TooLs Window Help
Где nail *»|ж|кацг 3 œjvI ш I в я I я I » г^* % •■> !
Ii® г^ш чг «я sc I m
! M !И À loess®!. Im
Project Manager - * |
Э ljp] ¡liniliri*
ф-ffl r'H'WWTHffggü ,»Ж'Л'1 УлА
i & Model Ём£Р Boundaries
1 (SP Balloon 1 EI-вЭ Excitations
• -4S Current 1 Ö-^S Parameters Force 1 t í Matrix"! 0 -ёШ Mesh Operations i Ш Lengthl I ffl Length2 ;i® SurfApproxT I a-/? Analysis
i - ¿jP Setupi Й-Щ1 Optimetrics
ParametricSetupl 1ЁП Results Ö Field Overlays à-1 Mesh Plots I Ль Meshl
й-И в
t-áb Мад_В T ffl'-P?! Definitions
Project Г
i Properties » x
Name | Value 1 Unit 1 Evaluated ...j
delta Í0 mm ! Omm Dt
current 0.1 A jO.IA D(
Рисунок 1 - Модель верхней части магнитного подвеса в ANSYS Maxwell
Программа конечных элементов ANSYS Maxwell может передавать анализируемую модель (рис.1) в виде эквивалентной схемы замещения в программу системного анализа ANSYS Simplorer. В ANSYS Simplorer нами была использована эквивалентная схема замещения «Linear motion», представляющая собой модель индуктивностей, ёмкостей и сил, как функция от тока (напряжения) и положения.
Анализируемая модель, представляет собой упрощенную схему магниторезонансного подвеса шлифовального круга. Данная конструкция включает в себя, такие элементы как, катушка с обмоткой в 400 витков, подвешенное тело представляющее собой оправку на которой закреплен шлифовальный круг. Габаритные размеры элементы заданы с учетом произведенных расчетов [1].
Постановка задачи заключалась в том, что анализируемой модели в ANSYS Maxwell были назначены свойства материалов и задано осевое перемещение ротора от 0 до 10 мкм для дальнейшего параметрического анализа. При заданном токе 0,1 А на 400 витков на каждом шаге перемещения ротора вычислялась величина электромагнитной силы, действующей на ротор иматрица индуктивности катушкикак для верхней (рис. 2), так и для нижней частей подвеса.
Поля распределения вектора магнитной индукции для верхней и нижней обмоток представлены на рис. 3.
R ( , I Sin t is
Ы !ÉP
3 lZJ Rectengte-l R t opf -cr
j ^ ^ectangle3
I I CreítteRec trinóte C~D CoveiLir.ci
□ ЯИ Ret trfiijlel
□ CrD3t;Kcctcnglc IS! CoverLines MM Move É~gS Polyline2
Й *V CreatePolyline
.....IS CoverLines
Coord I n ate System s Global В m Planes
¡.....-£7 GlobahXY
I GlobahXZ
i.....GtobahYZ
é-ф Lists
All Objects
а) б)
Рисунок 2 - Зависимости индуктивности (а)и электромагнитной силы (б) от величины зазора
для верхней обмотки
Рисунок 3 - Поля распределения вектора магнитной индукции для верхней (а) обмотки и нижней (б) обмоток
Рисунок 4 - Эквивалентная электромеханическая схема замещения работы шлифовального
круга на магниторезонансном подвесе
Рисунок 5 - График зависимости перемещения подвешенного в магнитном поле тела от времени
Эквивалентная электромеханическая схема замещения работы шлифовального круга на магниторезонансном подвесе, созданная в ANSYS Simplorer, представлена на рис. 4. Электрическая схема состоит из источника ЭДС (E2), который обеспечивает требуемые ток 0,1 А на 400 витков, двух амперметров, двух двухполюсников, представляющих собой резонансный LC-контур с параметрами L2, C3, R3; L5, C5, R4, настроечных емкостей C1 и C2,активного сопротивления витков катушек электромагнита R1 и R2, а также заземления. Значения указанных выше параметров, рассчитанных по известным методикам [2], приведены в работе [3]. Механическая схема представлена следующими элементами: FM_TRB1 (измеритель силы), MASS_TRB2 (масса подвешиваемого тела), SPRING_TRB1, SPRING_TRB1 (пружины, жесткость которых равна рассчитанной жесткости подвеса [2]). Эквивалентные схемы верхней и нижней частей подвеса добавлены в виде двух проектов из ANSYS Maxwell.
Рисунок 6 - График изменения тока во времени для ветвей резонансного
электрического контура
%$ G+' $#"(%"*($)$&))*"'#$&*%")*(G)$!(%$($%*)'!*%'H$%"&'!?%$ G('H$#"&$)G(& $&")$((($&$%")$
В результате были получены зависимости перемещения подвешенного в магнитном поле тела от времени (рис. 5), а также график изменения тока во времени для ветвей резонансного электрического контура (рис. 6)
Из анализа зависимости перемещения во времени подвешенного в магнитном поле тела, представляющего собой оправку с шлифовальным кругом, можно сделать вывод, что колебания шлифовального круга затухают через 70 мс, при этом осевое смещение шлифовального круга составляет 1,3 мкм.
Список литературы:
1. Р.А. Ильин, В.В. Глебов, А.Ю. Шурыгин. Магниторезонансный подвес для шлифовального круга при обработке плоских поверхностей оптических материалов торцом инструмента. [Текст]: тезисы доклад. Будущее технической науки: сборник материалов XIV Международной молодежной научно-технической конференции; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. -Нижний Новгород, 2015. 541 с.
2. Теория и применение электромагнитных подвесов: Ю.А. Осокин, В.Н. Герди, К.А. Майков, Н.Н. Станкевич. - М.: Машиностроение, 1980. - 284 с.
3. Р.А. Ильин, В.В. Глебов, А.Ю. Шурыгин. Определение параметров магниторезонансного подвеса шлифовального круга для обработки оптических материалов // Журнал Системная инженерия. Раздел Механика. Машиностроение. Машиноведение, 2015. С. 21-30.
