Modelling of Electromechanical Devices

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Modelling of Electromechanical Devices Aldo Canova Dipartimento Ingegneria Elettrica - Politecnico di Torino CSPP LIM Politecnico di Torino Corso Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino (Italy) aldo.canova@polito.it

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Items U-shape actuator Hysteresis couplers

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 U-shape actuators: mechatronic apparatuses A mechatronic application of two U shaped electromagnets to act a vibrating beam Rotor vibration control using a set of four (two axes) U shaped electromagnets

Data CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Iron Type: UI30+ (leg lenght 50mm) Iron cross section: 10x10mm 1 coils of 138 turns each Wire diameter 1.0 mm Nominal Airgap 1.0 mm

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 2D 3D model 2D Fem Model 3D CST EM Studio Model Z X Y X Y

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Results B-Field map 2D Fem model 3D CST EM Studio Model

B [T] CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 B-Field line distribution 2D Fem model 3D CST EM Studio Model 0.09 0.06 0.03 0-0.03-0.06-0.09 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 X [m] Z Y X B-Field in Y direction is computed along a line (in X direction) in the middle of the airgap between the two legs

Bx (y) [T] B-Field line distribution CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 2D Fem model 3D CST EM Studio Model 0-0.005-0.01-0.015 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Y=0 Y [mm] B-Field in X direction is computed along a line (in Y direction) between of the two legs

Force [N] Force [N] Inductance [H] CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Experimental test comparison Force vs. airgap: comparison among of the different models for 0.5 A and 1 A 100 0.5 Inductance vs. airgap: comparison among of the different models 75 50 Analytical FEM 2D CST 3D Measure 0.4 0.3 Analytical FEM 2D CST 3D Measure 25 200 150 100 0 0 1 2 3 4 50 Airgap [mm] 0 0 1 2 3 4 Airgap [mm] Analytical FEM 2D CST 3D Measure 0.2 0.1 0.0 0 1 2 3 4 Airgap [mm] Three different models are compared with experimental results: Reluctance networ model (analytical) Two dimensional Finite element model (FEM 2D) Three dimensional CST-EMStudio (CST) Conclusions: The force can be evaluated with sufficient accuracy with all the models The inductance evaluation requires a 3D model and CST EM Studio provide very good results compared with experimental ones

Flux linage [Wb] CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Dynamic modelling A batch procedure allows the evaluation of two grids: Force and Flux versus current and moving part position 0,035 0,030 0,025 0,020 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 Force [Nm] 0,015 0,08 0,010 0,06 0,005 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 Current [A] 0,000 5 4 1 2 3 Displacement [deg] 0,04 0,02 0,025 0,020 0,015 0,010 Current [A] 0,005 0,000 5 4 3 2 1 Displacement [deg]

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Electric and mechanical model i di dt d dt d dt 1 1 1 i V T e R di dt J i d dt d dt d, i d t di t d, i t, i i const const [I1] [I2] [X] [I1] [I2] [X] [I1] [I2] [X] Pulse Generator5 -K- -K- -K- Mux Mux Mux tensione alim1 Tens_alim1 To Worspace15 [VEL] MATLAB Function Derivazione flusso1 x Sum2 MATLAB Function Derivazione flusso1 corrente1 MATLAB Function Derivazione flusso1 corrente2 [di2] prodotto con velocit1 0.137 Resistenza bobina1 1 u Inverso2 Product2 Divisione der. flusso corrente1 1 s Integrazione corrente1 [di1] Goto4 [I1] Goto3 derflusso1 corrente1 Electric To Equation Worspace11 0 Constant1 Loo-up table Flux derivatives Integration of the Manual Switch corrente1

Corrente [A]..dynamic analysis of an electromagnetic actuator.. CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 0.030 0.025 0.020 0.015 Calculated corr_max 0.010 Measured corr_misurata 0.005 0.000 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 Time t [s]

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Giunto ad isteresi: configurazioni Flusso tangenzial e Due ruote dentate sfasate di un passo polare per realizzare l inversione del campo in direzione tangenziale nel SHMM Flusso radiale Poli magnetici Nord-Sud affacciati direttamente al SHMM

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Isteresi magnetica: SHMM Semi Hard VAC Magnetic Material Yuxiang magnetic

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Giunto ad isteresi magnetica: configurazione a claw poles Configurazione flusso radiale Configurazione flusso tangenziale - Usata in alcuni freni e frizioni ad isteresi (ZF, (20)) e negli alternatori auto - Sfruttamento ottimale degli ingombri e migliore smaltimento del calore - Facilità di assemblaggio

B tan [T] CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Procedura di progetto: flowchart CST EM Studio T Energia Energy Volume 2 p 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 B=B(x ) 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5 X [mm]

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Definizione ed ottimizzazione giunto ad isteresi magnetica - È stata utilizzata una procedura di analisi parametrica atta a massimizzare la coppia elettromagnetica trasmessa dal giunto. -Si è fatto uso della possibilità offerta da CST EM Studio di costruire modelli parametrici facilmente modificabili. -Analisi effettuata considerando le configurazioni claw poles radiale e tangenziale. - Parametri di progetto: - p numero di coppie polari - Spessore SHMM - Geometria del dente

Torque [Nm] T [Nm] By [T] Bx [T] CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Esempio: numero di coppie polari 0.6 0.4 0.2 0.0-0.2-0.4-0.6-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 1.2 Claw poles radiale X [mm] p=8 p=10 p=12 p=14 p=16 Claw poles tangenziale 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0 1.2 p = 8 p = 6 p = 10 p = 12-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 X [mm] 1.1 1.1 1.0 1.0 0.9 0.9 0.8 0.7 0.8 6 8 10 12 14 16 18 p 0.6 6 8 10 12 p [-]

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Claw poles radiale Claw poles tangenziale SHMM: FeCrCo (Yuxiang Magnetic) Crovac (VAC)

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Realizzazione prototipi: configurazioni a) Configurazione tangenziale a) b) Configurazione radiale c) Assemblaggio corone b) d) Puleggia con anello SHMM

CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Banco prova giunti ad isteresi Motore asincrono trifase Cella di carico HBM Giunto ad isteresi - Coppia prodotta misurata con misura della forza tangenziale. - Valutazione dell influenza della velocità - Misura a velocità di scorrimeno nulla utilizzando la cella di carico per applicare un tiro alla puleggia del giunto

T [Nm] T [Nm] CST-EM Studio Worshop Milano, 22 September 2010 Configurazione flusso tangenziale: risultati sperimentali Velocità scorrimento = 0 rpm 2.0 1.5 I = 0.5 A I = 1 A I = 2 A I = 3 A 2 Experimental tests Design procedure 1 1.0 0.5 0.0 0 1000 2000 3000 Shaft Speed [RPM] 0 0 1 2 3 Supply Current [A] I NI T model T exp diff [A] [A] [Nm] [Nm] [%] 1 700 0.45 0.56 24 2 1400 0.98 1.12 14 3 2100 1.29 1.36 5