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例題３８ ソレノイドアクチュエータ
本例題について
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ソレノイドアクチュエータの電磁力を計算します。
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本例題では一つのプロジェクト内に解析モデルが３つあります(Nonlinear_gap_sweep, Nonlinear_current_sweep, Linear_current_sweep)。
３つの解析モデルすべてでパラメトリック解析を使用します。
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解析モデルNonlinear_gap_sweepでは、
可動部の位置に対して非線形に電磁力が変化する様子をみることができます。
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解析モデルNonlinear_current_sweepと、Linear_current_sweepでは、
電流に対する電磁力の変化から、非線形解析と線形解析の違いを見ることができます。
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表に記載されていない条件は初期設定の条件を使用します。
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特に注意書きで指定がない条件は、３つの解析モデル共通の条件です。
解析モデルダウンロード
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プロジェクトファイルをダウンロード（右クリックし、名前を付けてリンク先を保存してください。）
解析空間
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項目 |
条件 |
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解析空間 |
軸対称 |
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単位 |
mm |
解析条件
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項目 |
条件 |
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ソルバ |
磁場解析[Gauss] |
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解析の種類 |
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解析オプション |
なし |
モデル図
coilに電流を流し、それによって磁性体内に磁束が流れ電磁力が発生するというモデルです。
Plungerに働く電磁力を求めたいのでPlungerとBase_coreの間には隙間(Air_gap)を設けます。
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Air_gapの部分は磁界が集中するため予めメッシュを細かく設定する必要があります。
詳細は、電磁力計算時の注意点を参照してください。
Air_gapの隙間の間隔を変化させてPlungerを上に動かしながら、各位置での電磁力を計算したいので、
隙間の間隔に「gap」という変数を設定し、値を0.1mmとしました。
具体的には下図のように、air_gapの高さとplungerの始点のｚ座標にgapを入れて設定しています。
plungerの始点のz座標は以下の図から、4+gapと設定しています。
後にパラメトリック解析でgapをスイープします。
ボディ属性および材料の設定
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ボディ No./ボディタイプ |
ボディ属性名 |
材料名 |
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4/Solid |
yoke |
softmag_nonL,※1 |
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7/Solid |
base_core |
softmag_nonL※1 |
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8/Solid |
coil |
008_銅Cu※3 |
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9/Solid |
plunger |
softmag_nonL※1 |
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10/Solid |
air_gap |
000_空気※3 |
※1 解析モデルNonlinear_gap_sweep, Nonlinear_current_sweepでの条件です。後述の非線形な磁化特性(B-Hカーブ)を入力しています（非線形解析）。
※2 解析モデルLinear_current_sweepでの条件です。後述の線形な磁化特性(一定の比透磁率)を入力しています(線形解析)。
※3 材料データベースを利用
解析モデルNonlinear_gap_sweep, Nonlinear_current_sweepにて、以下の材料定数を設定しています。
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材料名 |
タブ |
条件 |
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softmag_nonL |
透磁率 |
材料タイプ：軟磁性材 磁化特性タイプ：B-Hカーブをチェック B-Hカーブテーブル
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||||||||||||||||||||||||||||||
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導電率 |
導体の種類：導体 導電率：0.25 [S/m] |
解析モデルLinear_current_sweepにて、以下の材料定数を設定しています。
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材料名 |
タブ |
条件 |
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softmag_nonL |
透磁率 |
材料タイプ：軟磁性材 磁化特性タイプ：線形（一定値）をチェック 比透磁率：6500 |
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導電率 |
導体の種類：導体
導電率：0.25 [S/m] |
コイルに電流を流すため、ボディ属性は以下のように設定しています。
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ボディ属性名 |
タブ |
設定 |
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coil |
電流 |
波形：一定 電流値： current[A]※ 巻数： 840[Turn] 方向：手前向き |
※電流値は「current」という変数を設定し、値は0.1[A]としています。後にパラメトリック解析でcurrentをスイープします。
Plungerの電磁力を正確に計算するため、air_gapのメッシュサイズを「gap」の1/2以下の0.02に設定します。
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ボディ属性名 |
設定 |
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air_ gap |
メッシュサイズ： 0.02 |
境界条件
なし
パラメトリック解析の条件
以下が各解析モデル毎のパラメトリック解析の条件です。
設定方法の詳細は、パラメトリック解析の手順を参照してください。
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解析モデル |
スイープ設定 |
結果出力設定 |
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Nonlinear_gap_sweep |
変数名：gap タイプ：等間隔ステップ幅 スタート値：0.1 ストップ値：1 ステップ：0.1 |
タイプ：計算値 解析タイプ：磁場解析 モード：0：静解析 出力する値：電磁力のｚ成分[N], plunger |
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Nonlinear_current_sweep |
変数名：current タイプ：等間隔ステップ幅 スタート値：0 ストップ値：0.14 ステップ：0.02 |
タイプ：計算値 解析タイプ：磁場解析 モード：0：静解析 出力する値：電磁力のｚ成分[N], plunger |
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Linear_current_sweep |
解析結果
解析モデルNonlinear_gap_sweepの解析結果(出力された.csvファイル)をグラフ化したものを示します。
縦軸はPlungerに働く電磁力ｚ成分ですが、見やすくするために絶対値にしました。（|Fz|）
gapが大きくなると電磁力が非線形に小さくなっていくことがわかります。
解析モデルNonlinear_current_sweepとLinear_current_sweepの解析結果を一つのグラフにのせたものを示します。
縦軸は上図同様に電磁力z成分の絶対値（|Fz|）です。
0.08[A]から線形(Linear)と非線形(Non_Linear)の結果に差が表れているのがわかります。
これは、磁気飽和を線形では考慮していないことによるものです。
非線形の結果より、0.08 [A]以上の電流では電流上昇に対し電磁力が増えにくく、非効率的になってしまうことがわかります。