бесплатно рефераты скачать
  RSS    

Меню

Быстрый поиск

бесплатно рефераты скачать

бесплатно рефераты скачатьДипломная работа: Исследование магнитных систем в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS

Дипломная работа: Исследование магнитных систем в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Физико-механический факультет

Кафедра механики и процессов управления

Проект допущен к защите

Зав. Кафедрой

________________В. А. Пальмов

“____”_________________2008 г.

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема: Исследование магнитных систем в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS.

Направление: 150300 – Прикладная механика

Специальность: 150301 – Динамика и прочность машин

Выполнила студентка гр. 6055/2 Н. А. Крылова

Руководитель, к.т.н., доцент Л. В. Штукин

Консультант по вопросам

охраны труда к.т.н., доцент В.В. Монашков

Санкт-Петербург

2008


Реферат

с. 64 рис. 37, табл. 17.

Исследование магнитных систем в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS

Определена сила магнитного поля на ферромагнитное основание экспериментально и методами программной системы конечно-элементного анализа ANSYS, в зависимости от величины воздушного зазора между магнитным держателем и пластиной. Было получено распределение модуля магнитной индукции по поперечному сечению магнитной системы для каждого значения воздушного зазора.

Разработана и собрана экспериментальная установка, из двух постоянных магнитов, для проведения измерений силы магнитного поля на один из магнитов в зависимости от величины зазора. Созданы различные конечно-элементные модели в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS для расчета силы магнитного поля на один из постоянных магнитов. Исследована сходимость методов расчета в ANSYS в зависимости от величины воздушного слоя, окружающего систему и количества элементов модели. Проведено сравнение экспериментальных и расчетных результатов.


Оглавление

Введение. 5

Глава I. Основные положения метода конечных элементов для решения электромагнитных задач. 7

1.1. Постановка задач расчета электромагнитного поля электротехнического устройства. 7

1.2 Основные положения метода конечных элементов для решения электромагнитных задач. 10

Глава II. Магнитная пружина. 13

2.1. Численное решение. 13

2.1.1 Постановка задачи расчета поля и силы магнитного поля исследуемой установки. 13

2.1.2 Расчет магнитостатического осесимметричного поля в кусочно-однородной изотропной области для различных значений воздушного зазора между постоянными магнитами. 14

2.1.3 Расчет силы магнитного поля на верхний магнит устройства методами программной системы конечно-элементного анализа ANSYS. 16

2.1.4 Исследование сходимости методов расчета силы магнитного поля в зависимости от величина воздушного пространства, окружающего магнитную систему. 18

2.1.5 Исследование сходимости методов расчета силы магнитного поля в зависимости от количества элементов модели. 20

2.1.6 Расчет силы магнитного поля на верхний магнит устройства методами программной системы конечно-элементного анализа ANSYS с использованием элементов, моделирующих затухание поля в дальней зоне. Сравнение результатов. 22

2.1.7 Расчет магнитостатического трехмерного поля в кусочно-однородной трехмерной области. Расчет силы магнитного поля на нижний магнит устройства. Сравнение результатов. 24

2.1.7.1 Стратегии решения задачи. 24

2.1.7.2 Расчёт трёхмерной магнитостатической задачи на примере исследуемой установки  26

2.2 Эксперимент. 29

2.2.1 Описание установки. 29

2.2.2 Экспериментальные данные. 30

2.3 Сравнение результатов рассчитанных методами программной системы конечно-элементного анализа ANSYS с экспериментальными. 31

Глава III. Магнитный Держатель. 33

3.1 Численное решение. 33

3.1.1 Постановка задачи расчета поля и силы магнитного поля исследуемой установки. 33

3.1.2 Расчет магнитостатического осесимметричного поля в кусочно-однородной изотропной области для различных значений воздушного зазора между магнитной системой и основанием. 35

3.1.3 Расчет силы магнитного поля на ферромагнитное основание методами программной системы конечно-элементного анализа ANSYS. 38

3.1.4 Исследование сходимости методов расчета силы магнитного поля в зависимости от количества элементов воздушного зазора между магнитным держателем и основанием. 38

3.3.5 Исследование явления насыщения железа в зависимости от толщины основания. Сравнение линейной и нелинейной задач. 42

3.2 Эксперимент. 44

3.3 Сравнение результатов. 47

Приложение. Охрана труда. 48

Список литературы. 58


Введение

Тела, являющиеся самостоятельными источниками магнитного поля, т.е. возбуждающие его при отсутствии обмоток, обтекаемых электрическими токами, называются постоянными магнитами. Свойства постоянных магнитов могут быть объяснены особой ориентировкой внутремолекулярных токов.

В настоящее время постоянные магниты активно применяются в различных отраслях: экология (магнитные системы очистки промышленных газовых и жидкостных выбросов, магнитные ловушки и зонды, сепараторы для линий переработки техногенных отходов и отработавшего оборудования), транспортные системы (магнитные системы, позволяющие перемещать магнитные материалы или специальные контейнера в различных плоскостях, не допускающих присутствия человека по тем, или иным причинам), компьютерная (моторы драйверов и компакт-дисков, шаговые двигатели дисководов).

Для большинства этих целей раньше применялись электромагниты. Это объяснялось тем, что по энергетическим и массогабаритным показателям постоянные магниты долгое время значительно уступали электромагнитам. Отметим два недостатка электромагнитов. Во-первых, электромагнит требует присоединения к мощному внешнему источнику питания. Во-вторых, при случайном разрыве питающей цепи удерживающая сила исчезает, что может привести к аварии.

Указанных недостатков лишены постоянные магниты. Постоянные магниты изготавливаются из магнитотвердых, с широкой петлей гистерезиса, материалов. Для магнитопроводов применяются магнитомягкие материалы. Основная особенность магнитных материалов состоит в том, что они способны сохранять запас магнитной энергии после воздействия на них достаточно сильного магнитного поля. [2] С развитием применения редкоземельных металлов появились высокоэнергетические постоянные магниты, пригодные для создания сильных магнитных полей. Постоянные магниты из порошковых материалов (спеченные и магнитопласты) на основе интерметаллического соединения Nd2Fe14B обладают наивысшими значениями магнитных свойств среди высококоэрцитивных материалов. Необходимые для производства магнитопластов высококоэрцитивные порошки обычно получают закалкой из жидкого состояния с последующей скоростной термической обработкой. Последнее необходимо для распада полученной при закалке расплава аморфной фазы.

Спеченные постоянные магниты на основе сплавов типа Nd-Fe-B обладают следующими преимуществами с точки зрения миниатюризации магнитных и электротехнических устройств.

-более высокие магнитные параметры по сравнению с литыми и ферритовыми магнитами (NdFeB в 8-10 раз мощнее ферритов)

-возможность создания сильных магнитных полей при малых габаритах

-одно из наилучших отношений энергетического произведения к цене

Эти обстоятельства позволяют существенно расширить область применения магнитных грузозахватных устройств.При проектировании таких устройств основное внимание следует уделить определению удерживающей силы.

В данной дипломной работы рассматриваются два устройства с постоянными магнитами NdFeB: магнитная пружина и магнитный держатель. Широкого применения в промышленности «магнитная пружина» пока не получила, но в будущем может быть использована там, где обычная пружина не применима. Уже сейчас спроектирована магнитная кровать голландским архитектором Janjaap Ruijssenaars. В ней содержится достаточно магнитов, чтобы удержать в воздухе до 900 кг.

Магнитный держатель предназначен для установки и фиксации деталей, в процессе сборочных и монтажных работ. Рассматривалось реальное устройство, для которого необходимо определить его удерживающую силу.


Глава I. Основные положения метода конечных элементов для решения электромагнитных задач

1.1 Постановка задач расчета электромагнитного поля электротехнического устройства

Математическим описанием непрерывных в пространстве и во времени процессов электромагнитного поля в технических объектах и системах являются дифференциальные уравнения в частных производных (уравнения математической физики). Различают стационарные (не меняющиеся во времени) и нестационарные (переменные, меняющиеся во времени) процессы. Стационарные процессы описываются эллиптическими уравнениями, а нестационарные – уравнениями параболического и гиперболического типов.

Эти уравнения для электромагнитных полей относительно характеристик поля (векторов напряженности электрического и магнитного полей E и H ; векторов электрической и магнитной индукции D и B ; векторного магнитного потенциала A, скалярного электрического потенциала φ получают из преобразования уравнений Максвелла.

Наиболее часто используемые эллиптические уравнения – это уравнения Лапласа и Пуассона, которыми в теории электромагнетизма описываются задачи электростатики и магнитостатики. Простейшим эллиптическим уравнением является уравнение Лапласа:

 [1]

где лапласиан (оператор Лапласа) . Этот оператор может быть применен к скалярным и векторным функциям. В декартовой системе координат уравнение Лапласа имеет вид


[2]

где φ (x, y, z) скалярная функция.

В цилиндрической системе координат оно выглядит следующим образом:

[3]

где φ(R, α, z).

К уравнениям эллиптического типа относится уравнение Пуассона, которое для линейных изотропных (μх = μy = μz = μ = const) сред имеет вид:

 [5]

Где - векторный магнитный потенциал , - вектор плотности тока,

-абсолютная магнитная проницаемость среды моделирования.

Если речь идет о нелинейных средах моделирования, т.е. μ ≠ const, то из уравнений Максвелла получим

 [6]

или


 [7]

Вектор-потенциал  есть величина векторная и в декартовой системе координат

,

вектор плотности тока

.

Тогда уравнение Пуассона разбивается на три уравнения относительно скалярных величины Аx, Аy, Аz.

Если в модели ЭУ принять, что ток, а следовательно, и векторный магнитный потенциал имеют только z-составляющую, то получим плоскопараллельную или осесимметричную задачу. Для плоскопараллельного магнитного поля в декартовой системе координат можно записать уравнение Пуассона

 [8]

Решив данное уравнение и зная распределение векторного магнитного потенциала по области моделирования, можно найти распределение составляющих вектора магнитной индукции и результирующего значения (модуля) вектора магнитной индукции по выражениям


 [9]

Для того чтобы уравнения Лапласа-Пуассона имели единственное решение, они дополняются граничными (краевыми) условиями. На замкнутой границе Г модели ЭУ могут быть заданы следующие краевые условия.

1. Граничные условия первого рода (Дирихле) – на границе Г задается значение искомой функции, т.е. φ = f1 (x, y, z), где точки с декартовыми координатами (x, y, z) принадлежат границе Г. Условие φ = 0 является однородным.

2. Граничные условия второго рода (Неймана). Для них задается изменение искомой функции по нормали n к границе Г, т.е dφ /dn= f2 (x, y, z), где точки с координатами (x, y, z)

принадлежат границе Г. Условие dφ/dn = 0 является однородным.

3. Граничные условия третьего рода dφ /dn + f3 (φ) = f4 (x, y, z), где точки с координатами (x, y, z) принадлежат границе Г.

На границе модели могут быть заданы смешанные краевые условия, т.е. сочетание вышеприведенных первого, второго и третьего рода.

 

1.2 Основные положения метода конечных элементов для решения электромагнитных задач

В настоящее время электромагнитные задачи для электротехнических устройств со сложной геометрией как внешних, так и внутренних границ, наличием достаточного количества подобластей модели устройства с различными магнитными и проводящими свойствами решаются численными, как правило, проекционно-сеточными методами, к которым относится и метод конечных элементов как модификация проекционных методов (Ритца, Галеркина и т.д.). Суть проекционных методов состоит в попытке аппроксимировать решение дифференциального уравнения конечной линейной комбинацией базисных (пробных) функций (функций формы), т.е. в том, чтобы найти «проекцию» или приближенное решение в конечномерном пространстве для непрерывного решения в бесконечномерном функциональном пространстве. Форма базисной функции и критерий вычисления коэффициентов линейной комбинации определяют проекционный метод. [1]

Дискретная модель непрерывной области строится следующим образом.

1. В области моделирования фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узлами расчетной сети, которой покрывается область моделирования.

2. Значение непрерывной величины в каждой узловой точке считается переменной, которая и определяется.

3. Область моделирования непрерывной величины разбивается на конечное число подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узлы, аппроксимируют форму области и представляют собой расчетную или триангуляционную сеть.

4. Непрерывная величина аппроксимируется на каждом элементе полиномом, который определяется с помощью узловых значений этой величины. Для каждого элемента определяется свой полином. Они подбираются таким образом, чтобы вдоль границ элемента величина была непрерывна.

Метод конечных элементов основан на аппроксимации непрерывной функции (потенциала, температуры и т.д.) дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей, которые называются конечными элементами. В качестве функции элемента чаще всего используется полином. Классификацию КЭ можно провести в соответствии с порядком этих полиномов. Рассматриваются три группы элементов: симплекс-, комплекс- и мультиплекс-элементы.[1]

Классическим описанием двумерного симплекс-элемента является треугольник с прямолинейными сторонами и тремя узлами, по одному в каждой вершине. Как правило, используется последовательная нумерация узлов против часовой стрелки, начиная от некоторого i-го узла, который выбирается произвольно. Узловые значения скалярной величины φφ обозначаются через , а координаты трех узлов – через , что позволяет определить функции формы через координаты узлов расчетной сети.


Глава II. Магнитная пружина

 

2.1 Численное решение

 

2.1.1 Постановка задачи расчета поля и силы магнитного поля исследуемой установки

Магнитная пружина представляет собой систему двух постоянных магнитов в подвижном корпусе из немагнитного материала. Корпус с одним из магнитов может перемещаться вдоль стального стержня, на верхнем конце которого зафиксирован второй магнит. Магнитная проницаемость и коэрцитивная сила постоянных магнитов равны µ=1,1, Нс=750. Магнитная проницаемость стального стержня равна µ=500.

В работе поставлены и решены следующие задачи для данного устройства с постоянными магнитами.

Расчет магнитостатического осесимметричного поля в кусочно-однородной изотропной области для различных значений воздушного зазора между постоянными магнитами. Построение эквипотенциальных линий магнитного поля.

Расчет силы магнитного поля на нижний магнит устройства методами программной системы конечно-элементного анализа ANSYS.

Исследование сходимости методов расчета силы магнитного поля в зависимости от величина воздушного пространства, окружающего магнитную систему.

Исследование сходимости методов расчета силы магнитного поля в зависимости от количества элементов модели.

Расчет силы магнитного поля на нижний магнит устройства методами программной системы конечно-элементного анализа ANSYS с использованием элементов, моделирующих затухание поля в дальней зоне (2d задача). Сравнение результатов.

Расчет магнитостатического трехмерного поля в кусочно-однородной трехмерной области. Расчет силы магнитного поля на нижний магнит устройства. Сравнение результатов.

2.1.2 Расчет магнитостатического осесимметричного поля в кусочно-однородной изотропной области для различных значений воздушного зазора между постоянными магнитами

Рис 2.1. Вид созданной КЭ модели, воздушный зазор между магнитами 4мм.

В силу осесимметричности модели задача решалась в плоской постановке. Для создания КЭ модели используется элемент Plane53 – восьмиузловой элемент, для которого как геометрия, так и неизвестная функция задаются полиномом второй степени. В каждом узле он имеет одну степень свободы z-составляющую магнитного векторного потенциала Az. Тот факт, что магнитный поток принимается не выходящим за области модели, подразумевает, что поток будет параллелен внешним границам модели. Это допущение возможно, если размеры моделируемого воздушного пространства, окружающего магнитную систему, достаточны для решения поставленной задачи. Это допущение моделируется “потокопараллельным” граничным условием. Задача решалась для различных значений длины воздушного зазора между постоянными магнитами от 1-го мм до 17мм. Вид созданной КЭ модели приведен на рис.2.1 при величине воздушного зазора равного 4 мм.

Данная модель имеет 41561 узел и 13600 элементов, обладает 41561 степенью свободы.

2d_flux0.bmp

Рис.2.2 Эквипотенциальные линии магнитной индукции при величине воздушного зазора между постоянными магнитами равного 4мм.


Рис 2.3 Эквипотенциальные линии магнитной индукции вблизи магнитной системы при величине воздушного зазора между постоянными магнитами равного 4мм.

Страницы: 1, 2, 3, 4


Новости

Быстрый поиск

Группа вКонтакте: новости

Пока нет

Новости в Twitter и Facebook

  бесплатно рефераты скачать              бесплатно рефераты скачать

Новости

бесплатно рефераты скачать

© 2010.