CC BY
168
УДК 621.01
Оптимизация магнитных цепей приборов
В.Н.КИТАЕВ, Н.Л.ДРЕМКОВА, Н.А.ИКОННИКОВА
ФГУП «Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научноисследовательский институт технической физики им. академика Е.И. Забабахина»
г. Снежинск, Челябинской обл.
E-mail: kb2@.vnntf.m
Тел.: (351-46)-54721, факс: (351-46)-55566
О.В.КЛИТЕНИК, В.И. БАБУШКИН, А.В. ПОЛЕТИЛО
ФГУП «Уральский электромеханический завод», г. Екатеринбург E-mail: poletilo_av@uemz.ru Тел.: (343)-3418504, факс: (343)- 3413370
Описывается конструкция инерционного включателя, оптимизированная при ее разработке.
Ключевые слова: инерционный включатель; оптимальная конструкция; магнитный поток; расчетная модель; конечно-элементная модель; статический электромагнитный анализ.
Вступление
Магнитные системы с использованием постоянных магнитов широко используют в современной электротехнике.
На основе магнитных систем могут быть созданы различные устройства, например, приводы с требуемой величиной тягового усилия, измерительные приборы, пороговые устройства, реагирующие на различные физические факторы.
Использование магнитных систем на постоянных магнитах широко практикуется в электромеханических приборах системы автоматики, разрабатываемых предприятиями отрасли, так как при этом обеспечивается значительное снижение массогабаритных параметров приборов и повышение их надежности. Достигаемое при этом упрощение конструкций приборов также приводит к существенному снижению их стоимости.
Для решения трехмерных полевых задач могут быть использованы различные математические методы. Наиболее универсальным численным методом является метод конечных элементов
Одним из возможных программных продуктов, реализующим метод конечных элементов для решения задач электростатики, магнитостатики, электродинамики, является система ANSYS Emag [1, 2], обеспечение ассоциативных связей с 3D-моделью при этом может быть реализовано на платформе ANSYS Workbench.
1
ANSYS Emag позволяет моделировать низкочастотные магнитные поля, проводить расчет задач магнитостатики - определение распределения магнитного поля токов и постоянных магнитов с вычислением интегральных характеристик, например, сил, действующих на ферромагнитные элементы конструкции.
Возможная область применения системы ANSYS в задачах электромагнетизма достаточно обширна, это, например, могут быть датчики, приводы, генераторы, микроэлектромеханические системы (MEMS).
Основная часть
Для разрабатываемого предприятием порогового инерционного включателя [3], трехмерная модель которого представлена на рисунке 1, был проведен расчет распределения индукции магнитного поля и величины магнитной силы, действующей на подвижный элемент конструкции включателя (порогового датчика).
Основными элементами датчика являются магнит, магнитопроводы и ферромагнитный шарик, образующие замкнутую магнитную цепь. В
контакты 2
Рисунок 1 - Конструкция датчика ускорения
2
исходном положении шарик под действием магнитной силы притягивается к магниту и замыкает контакты 1. При действии ускорения, выше порогового значения, в направлении, противоположном действию магнитной силы, шарик передвигается, при этом размыкает контакты 1 и замыкает контакты 2.
Полюса магнита показаны на рис. 1.
Корпус датчика выполнен из прессматериала, а контакты - из бериллиевой бронзы, то есть из немагнитных материалов.
На первом этапе была создана упрощенная трехмерная геометрическая модель без корпуса и контактов, так как они не влияют на распределение магнитного потока в конструкции.
Следующим этапом является формирование расчетной области, в
которой определяется распределение магнитного поля, и задание граничных условий на ее границе. Конструкция находится в воздушной среде, поэтому относительная магнитная проницаемость материала, заполняющего расчетную область вне деталей, равна 1.
Выбрана прямоугольная форма расчетной области, размер которой значительно превосходит размер конструкции. На границе расчетной области задаются условия равенства нулю нормальной компоненты вектора индукции магнитного поля (плотности магнитного потока) - поле не проникает за границы области.
Трехмерная расчетная модель представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Трехмерная расчетная модель
3
Магнитопроводы датчика выполнены из магнитомягкого материала, для которого была задана кривая намагничивания.
Свойства постоянного магнита были заданы при помощи кривой размагничивания в координатах (В-Н), также задано направление намагничивания магнита.
Следующим этапом анализа является построение сетки конечных элементов.
В зонах предполагаемой концентрации магнитного потока проведено уплотнение сетки.
Количество элементов конечноэлементной модели - 177996.
Данное количество было выбрано из расчета минимального количества элементов, обеспечивающего приемлемую точность расчетов и приемлемое время на их проведение. Увеличение количества элементов в модели ограничено имеющимися вычислительными ресурсами.
Конечно-элементная модель представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Конечно-элементная модель (а) - вид на поверхности деталей, (б) - в поперечном сечении
расчетной модели
На следующем этапе выполнялся магнитостатический анализ, в результате которого определено распределение индукции магнитного поля и магнитная сила, действующая на шарик, в двух крайних положениях шарика. Результаты расчетов представлены в таблице 1 и на рисунках 4-7.
Наличие ассоциативных связей между расчетной моделью с 3D -моделью позволяет после изменения в геометрической модели выполнить перестроение расчетной модели с сохранением всех ранее заданных параметров материалов, свойств сетки, граничных условий.
4
Таблица 1
Положение шарика Магнитная сила, Н Максимальная плотность магнитного потока в магнитопроводе, Т
по оси X (вдоль оси прибора) по оси Y по оси Z
Замкнуты контакты 1 0,350 - 2,4 -10 -3 - 5,9 10-3 1,94
Замкнуты контакты 2 0,259 - 4,2 -10 -3 - 4,3 -10-3 1,94
Уменьшение усилия втягивания шарика в зазор между магнитопроводами с увеличением зазора шарик - магнит обусловлено эффектом насыщения в материале магнитопровода.
Шарик в модели расположен симметрично, поэтому расчетное значение поперечной силы (по оси Y и по оси Z) около нуля.
Исходное состояние (замкнуты контакты 1)
г ч *■■■. л г
Рисунок 4 - Магнитная сила, действующая в направлении оси Х,
(замкнуты контакты 1)
5
(а)
(б)
Рисунок 5 - Плотность магнитного потока (замкнуты контакты 1) (а) - на поверхности деталей, (б) - в поперечном сечении.
Сработанное состояние (замкнуты контакты 2)
Рисунок 6 - Магнитная сила, действующая в направлении оси Х,
(замкнуты контакты 2)
6
(а) (б)
Рисунок 7 - Плотность магнитного потока (замкнуты контакты 1)
(а) - на поверхности деталей, (б) - в поперечном сечении.
Заключение
Проведенные расчеты магнитных цепей инерционного включателя позволили значительно сократить время и затраты на оптимизацию конструктивных параметров его магнитной системы.
Достаточно отметить, что в процессе расчетов была изменена конструкция магнитопроводов. Для обеспечения эффекта втягивания шарика на магнитопроводах обеспечено определенное изменение поперечного сечения (для реализации эффекта насыщения в материале магнитопроводов). На рисунке 1 показаны магнитопроводы первоначальной конструкции, на последующих рисунках - опримизированной конструкции
Одновременно следует отметить, что для проведения полноценных расчетов магнитных систем со сложной 3D - геометрией требуются значительные вычислительные ресурсы.
Расчеты проведены с использованием программно - аппаратного обеспечения и при непосредственном участии специалистов СКБ ФГУП УЭМЗ (Екатеринбург).
Литература
1 www.ansys.msk.ru
2 http://cae.ustu.ru
3 Китаев В.Н. Инерционный переключатель. Патент РФ № 2362233 C2, Н 01 Н 35/14, заявка №2007148252/09 от 24.12.2007, бюллетень изобретений №20, 2009 г.
7
