Simulace mechanických soustav s magnetickými elementy

Transkript

1 Simulace mechanických soustav s magnetickými elementy Martin Bílek, Jan Valtera Modelování mechanických soustav

2 Úvod Magnetismus je fyzikální jev, při kterém dochází k silovému působení na nositele elektrického náboje. Magnet (z Řeckého slova Magnétis líthos magnetický kámen) objekt, který vytváří magnetické pole - permanentní (vytvářejí mg. pole bez vnějších vlivů) - elektromagnety (k vytvoření mg. pole třeba elektrický proud) Využití: - geomagnetické pole Země kompasy - Medicínské, audio aj. přístroje reproduktory - Strojírenství bezkontaktní spojky, mg. pružiny, snímače, aj. 2

3 Úvod Definice pojmů Magnetická indukce B H [ T ],[ G],[ kg s A vyjadřuje počet siločar procházejicích jednotkovou plochou. 2 1 ], vyjadřuje silové působení í mg. pole na pohybujicí se náboj ( v elektromagnetismu) B Fmax, kdeq[ C] Q v F Q v B F B I l sin, v[ m s kde I [ A] je velikost náboje 1 ] je rychlost náboje. jeel. proud, l[ m] délka vodiče [ ] úhel mezi vodičem a indukčními čarami 3

4 4 Úvod Definice pojmů ). " " (, ]. / [ 10, ] [, ] [,. ] [ ), ( ], ],[ [ materiálu vodivost magnetickou prostředí polarizovatelnost vyjadřuje prostředí permeabilita Relativní m A T permeabilita vakua je m H magnetiz ace je m A M pole je intenzita mg m A kdeh M H B A s kg T B indukce Magnetická r 4

5 Úvod Definice pojmů Intenzita magnetického pole H B vyjadřuje mohutnost magnetického pole. 0 r [ Am 1 ],[ Oe], Magnetický tok U. t B. S [ Wb],[ M ],[ V s], vyjadřuje počet siločar procházejicích plochou Energetický součin charakterizuje vlastnosti feromagnetických materiálů ( hysterezní křivka). Remanence Koercivita B H r c ( B. H ) max [ kj m 3 vyjadřuje zbytkovou mg. indukci magnetu vyjadřuje intenzitu nutnou k potlačení ], zbytkové indukce B r 5

6 Rozdělení materiálů Feromagnetické po vložení do mg. pole dochází k tvorbě tzv. domén s orientovanými dipóly. I při vložení do nízkého mg. Pole dochází tak k zesílení vnějšího pole. Po zrušení vnějšího mg. Pole zůstávají tyto látky více či méně magnetické 1 r Paramagnetické po vložení do mg. Pole dochází k zesílení pole. Těleso je vtahováno do mg. Pole. Po zrušení vnějšího mg. Pole se stávají opět nemagnetickými. 1 r Diamagnetické při vložení do mg. Pole dochází k mírnému zeslabování pole, 1 r 6

7 Příklad mechanické soustavy s magnetickými elementy rozváděcí tyč s magneto-mechanickými akumulátory kin. energie v úvratích rozváděcího pohybu akumulace kinetické energie do potenciální energie magnetického pole odpuzující se magnetické dvojice. 0 rozváděcí tyč (vykonávající přímočarý vratný pohyb s()) 1 permanentní magnet připevněný na tyči 0 2 permanentní prstencový magnet uložený v posuvném vedení 3 vinutá tlačná pružina s požadovaným předpětím 4 posuvné vedení magnetu akumulátoru 9 rám 7

8 Příklady softwarů pro simulaci magnetických úloh Maxwell 16.0 Program je součástí platformy ANSYS EM Magneto-statické, magneto-dynamické, elektro-statické, elektro-dynamické úlohy ve 2D i 3D Možnost napojení přímo na dynamickou úlohu řešenou v programu Ansys FEMM 4.2 (Finite Element Method Magnetics) Volně přístupný sw, viz Magnetostatické, elektrostatické, aj. úlohy ve 2D 8

9 Maxwell 16.0 Ukázka 3D úlohy s permanentními tvarovými magnety 9

10 Maxwell 16.0 Ukázka výstupu magneto-statické analýzy Vektorové pole magnetické indukce Isoplochy magnetické indukce 10

11 Maxwell 16.0 Ukázka výstupu magneto-statické analýzy Průběh magnetické síly v závislosti na zvolených parametrech 11

12 FEMM 4.2 Ukázka rotačně symetrické 2D úlohy s permanentními magnety 12

13 FEMM 4.2 Vykreslení a zpracování výsledků (v grafickém, resp. datovém formátu) 13

14 FEMM 4.2 Zpracování výsledků 30 N52 N40 N32 Vzdálenost [mm] Síla [N] 14

15 Simulace mechanických úloh s magnetickými elementy Import magnetické silové charakteristiky do simulačního programu pro mechanické systémy (např. MSC sofware Adams/View) 15

16 Simulace mechanických úloh s magnetickými elementy Působení magnetické pružiny popsáno pomocí dvojice sil Hodnota síly při dynamické analýze je odvozena od vzdálenosti těles magnetů 16

17 Simulace mechanických úloh s magnetickými elementy Ukázka výsledků dynamické analýzy Výsledky popisují chování mechanických i magnetických prvků systému 17