CC BY
124
ПРИМЕНЕНИЕ ПАКЕТОВ ПРОГРАММ FEMM И COMSOL MULTIPHYSICS В ЗАДАЧАХ РАСЧЕТА ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Шабанов Андрей Сергеевич, аспирант (e-mail: as schabanov@mail.ru) Нейман Владимир Юрьевич, д.т.н., профессор (e-mail:nv. nstu@ngs. ru) Новосибирский государственный технический университет,
г.Новосибирск, Россия
Рассмотрены возможности в использовании современных пакетов программ FEMM и COMSOL Multiphysics, реализующих конечно -элементное моделирование магнитного поля для расчета магнитных систем линейных электромагнитных двигателей для привода прессового оборудования
Ключевые слова: линейный электромагнитный двигатель, конечно-элементное моделирование магнитного поля, расчет магнитных систем, современные прикладные программы
Импульсные устройства и механизмы, созданные на базе линейного электромагнитного привода, широко используются в промышленности для обеспечения различных ударных технологий [1-4].
Расширение областей использования маши непосредственно связано с увеличением их удельных силовых и энергетических показателей [5-9], что во многом определяется не только совершенствованием вариантов их конструктивного исполнения [10-14], но и подходами, используемыми для их расчета и проектирования, которые постоянно совершенствуются [15-19].
Существуют различные подходы для расчета электромагнитных устройств и электромеханических преобразователей [20-22]. Между собой они отличаются по целому ряду критериев и показателей, прежде всего как точность расчёта, повторяемость, затраты времени.
Развитие вычислительной техники позволило успешно реализовать на персональном компьютере один из численных методов - метод конечных элементов, который использует большая часть программных продуктов, предназначенных для расчета магнитного поля.
Опыт использования пакетов программ FEMM и COMSOL Multiphysics для расчета линейных электромагнитных двигателей показал, что каждый из них имеет свои достоинства и недостатки при решении определенного типа задач.
С точки зрения функциональных возможностей, COMSOL Multiphysics и FEMM можно сравнить по нескольким основным параметрам: размерности пространства построения модели, типу расчета и виду анализа.
(тш) 220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-20
а Ь
Рисунок 1 - Модель линейного электромагнитного двигателя, созданная в COMSOL Multiphysics: а) двумерная осесимметричная; б) трехмерная
Построение модели в COMSOL Multiphysics можно осуществлять как в двумерном, так и в трехмерном пространстве, тогда как FEMM ограничен возможностью создавать только двумерные модели. Для большей наглядности на рис. 1 и рис. 2 показаны модели линейного электромагнитного двигателя, созданные в этих программах и результаты их расчета в виде силовых линий магнитного потока.
С точки зрения возможности выбора типа расчета COMSOL Multiphysics также имеет преимущество перед FEMM, поскольку первый позволяет проводить исследования не только в статическом, но и в динамическом режиме, тогда как последний ограничен возможностью использования только статического режима.
Программный пакет FEMM позволяет решать только электромагнитные задачи, тогда как COMSOL Multiphysics имеет возможность проводить электромагнитный, тепловой и механический анализы модели как отдельно друг от друга, так и совместно (режим мультифизичности).
Рисунок 2 - Двумерная о се симметричная модель линейного электромагнитного двигателя, созданная в программе БЕММ
Очевидно, что по всем критериям СОМБОЬ МиШрИуБЮБ превосходит БЕММ, однако требует при реализации значительно больше ресурсов и времени на создание и исследование модели, а также на освоение самой программы.
Поэтому в ряде случаев, например, при первом знакомстве с конечно-элементным моделированием, или, когда необходимо быстро получить какой-либо предварительный результат, применение программы БЕММ выглядит более очевидным и целесообразным. Несмотря на простой интерфейс программы возможности по расчету магнитного поля не уступают пакету СОМБОЬ МиШрИуБЮБ имеющего более высокий уровень [23, 24]. Для расчета динамических режимов работы линейных электромагнитных двигателей пакет БЕММ может быть использован как вспомогательный для расчета статических параметров электромагнитного тягового усилия, пото-косцепления, значения которых затем применяются в уравнениях динамики, что наглядно представлено в работах [25-29].
Список литературы
1. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Низкочастотные ударные электромагнитные машины и технологии // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2014. - №1. - С. 256-259.
2. Мошкин В.И., Нейман В.Ю., Угаров Г.Г. Импульсные линейные электромагнитные двигатели. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010. - 220 с.
3. Нейман В.Ю. Интегрированные линейные электромагнитные двигатели для импульсных технологий // Электротехника. - 2003. - №9. - С. 25-30.
4. Аксютин В.А., Нейман Л.А., Нейман В.Ю., Скотников А.А. Прессовое оборудование с линейным электромагнитным приводом для механизации технологических процессов ударной сборки и штамповки мелких изделий // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2015. - №2. - С. 220-224.
5. Угаров Г.Г., Нейман В.Ю. Анализ показателей электромагнитных ударных машин // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1996. - № 2. - С. 72-80.
6. Малинин Л.И., Нейман В.Ю. Определение напряжения преобразования энергии и электромагнитных сил в электромеханических системах // Электричество. - 2008. -№ 6. - С. 57-62.
7. Нейман В.Ю. Петрова А.А. Сравнение способов форсировки импульсных линейных электромагнитных двигателей // Электротехника. - 2007. - № 9. - С. 47а-50.
8. Нейман В.Ю. Режимы форсированного аккумулирования магнитной энергии в импульсных линейных электромагнитных двигателях // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. - 2003. - № 1. - С. 105-112.
9. Нейман В.Ю. Анализ процессов энергопреобразования линейных электромагнитных машин с предварительным аккумулированием магнитной энергии в динамических режимах // Электротехника. - 2003. - № 2. - С. 30-36.
10. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Исследование двухкатушечной синхронной электромагнитной машины с инерционным реверсом бойка // Современные проблемы теории машин. - 2014. - № 2. - С. 109-110.
11. Нейман Л.А., Нейман В. Ю. Линейные синхронные электромагнитные машины для низкочастотных ударных технологий // Электротехника. - 2014. - № 12. - С. 45-49.
12. Нейман Л.А., Нейман В. Ю. Новые конструктивные решения проблемы точной синхронизации возвратно-поступательного движения бойка неуправляемой электромагнитной машины ударного действия // Актуальные проблемы в машиностроении. -2015. - №2. - С. 280-285.
13. Нейман В.Ю. К вопросу о рационализации рабочих процессов и выбора конструктивных схем электромагнитных ударных машин // Автоматизированные электромеханические системы: Коллективная монография / Новосиб. гос. техн. ун-т; Под ред. В Н. Аносова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - С. 155-169.
14. Нейман В.Ю., Скотников А.А., Нейман Л.А. Тенденции в развитии конструкций синхронных двухобмоточных электромагнитых машин для импульсных технологий // Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы II междунар. науч.-практ. конф. -Саратов: ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ - 2011. - С. 271-277.
15. Нейман Л.А., Петрова А.А., Нейман В.Ю. К оценке выбора типа электромагнита по значению конструктивного фактора // Известия вузов. Электромеханика. - 2012. - № 6.- С. 62-64.
16. Нейман В.Ю., Нейман Л. А., Петрова А.А. О методике к выбору типа электромагнита по значениям конструктивного фактора // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2011. - № 2. - С. 310-313.
17. Нейман В.Ю., Нейман Л.А., Петрова А.А. Влияние соотношений главных размеров электромагнитов на значения конструктивного фактора и показателя экономичности // Автоматизированные электромеханические системы: [сб. науч. тр.]. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - С. 177-187.
18. Нейман Л. А., Нейман В.Ю. Повышение точности аналитического расчета радиальных сил одностороннего магнитного притяжения некоаксиальных элементов магни-топровода // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. - 2015. - № 1 (58). - С. 246-256.
19. Нейман В.Ю., Нейман Л.А. Оценка конструктивного совершенства систем принудительного охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия // Журнал Сибирского Федерального университета. Серия: Техника и технологии. - 2015. - Т.8. - № 2. - С. 166-175.
20. Малинин Л.И., Нейман В.Ю. Определение напряжения преобразования энергии и электромагнитных сил в электромеханических системах // Электричество. - 2008. -№ 6. - С. 57-62.
21. Нейман Л. А., Нейман В.Ю. Математическая модель электромеханической системы колебательного движения с упругими связями // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2015. - № 6. - С. 35-40.
22. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Моделирование процессов в электромагнитном вибрационном преобразователе с потерями энергии в магнитопроводе // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2016. - Т. 19. - № 1. - С. 73-78.
23. Neyman V.Yu., Neyman L.A., Petrova A.A. Calculation of efficiency of DC electromagnet for mechanotronic systems // Proceedings of IFOST-2008 e 3d International Forum on Strategic Technology, June 23-29, 2008, Novosibirsk, Tomsk. - P. 452-454.
24. Петрова А., Нейман В.Ю. Моделирование в FEMM магнитного поля для расчета тяговых характеристик электромагнитных двигателей постоянного тока / А. А. Петрова, В.Ю. Нейман // Сборник научных трудов Новосибирского государственного технического университета. - 2008. - № 2. - С. 101-108.
25. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Динамическая модель электромагнитного привода колебательного движения для систем генерирования низкочастотных вибраций // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. - 2015. - № 3(28). - С. 75-87.
26. Нейман Л. А., Нейман В.Ю. Математическая модель динамики электромагнитного ударного узла с упругими связями // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. - 2016. - № 2 (31). - С. 94-107.
27. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Математическая модель динамики двухкатушечной синхронной электромагнитной машины ударного действия со свободным выбегом бойка // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2016. - №
5. - С. 32-40.
28. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Расчет динамики электромагнитного привода колебательного движения с однополупериодным выпрямителем // Вестник МЭИ. - 2016. - №
6. - С. 64-71.
29. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Математическая модель динамики однокатушечной синхронной электромагнитной машины ударного действия с двухсторонним выбегом бойка // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. - 2016. - № 3 (32). - С. 98-114.
Shabanov Andrey Sergeevich, graduate student (e-mail: as_schabanov@mail.ru)
Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia Neyman Vladimir Yurievich, Doc.Tech.Sci., professor (e-mail:nv.nstu@ngsl.ru )
Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
APPLICATION OF FEMM AND COMSOL MULTIPHYSICS PROGRAM PACKETS IN TASKS FOR CALCULATING LINEAR ELECTROMAGNETIC ENGINES
Abstract. The possibilities in the use of modern software packages FEMM and COMSOL Multiphysics, realizing finite element simulation of the magnetic field for the calculation of magnetic systems of linear electromagnetic motors for drive of press equipment.
Key words: linear electromagnetic motor, finite element simulation of magnetic field, calculation of magnetic systems, modern application programs
