Studiu numeric și experimental al electromagnetului cu plonjor

INTRODUCERE

Am ales să studiez comportamentul în regim dinamic al electromagnetului de curent continuu în mediul de simulare FLUX® deoarece electromagneții sunt probabil cele mai răspândite dispozitive electromagnetice, având o importanță însemnată în majoritatea ramurilor industriale iar înainte de orice proiectare fizică a unui produs este necesară o proiectare virtuală urmată de o simulare pentru a-i putea analiza diferiți parametri fără a fi necesară o investiție majoră.

Electromagnetul este un magnet temporar a cărui stare de atracție sau respingere al unui material feromagnetic, este determinată de prezența curentului electric într-un circuit de excitație.

Importanța simulării în mediul virtual și studierii regimului dinamic al unui electromagnet înaintea proiectării fizice și analitice rezidă în abilitatea de a analiza cu ușurință potențialele zone de îmbunătățire a geometriei sau a specificațiilor electrice. Această analiză poate duce la verificarea și optimizarea electromagneților încă din faza de proiectare fără a fi necesară construirea prototipurilor fizice. Acest lucru este posibil datorită versatilității mediului de simulare și abilității sale de a segmenta și împărți sarcina de lucru către mai multe nuclee ale calculatorului, lucru care ne permite folosirea unui număr mai mare de noduri.

Obiectivul acestei lucrări de licență este de a modela și simula în mediul FLUX® un electromagnet de reținere de curent continuu cu plonjor cu cap tronconic pentru a-i studia comportamentul în regim dinamic. Modelul numeric realizat a fost validat experimental. Modelul simulat a fost folosit pentru analiza parametrilor în regim dinamic. Această analiză în regim tranzitoriu poate fi urmată de către o fază de optimizare care la rândul ei ne va permite să realizăm electromagneți cu specificații superioare doar prin modificarea geometriei fără a modifica cantitatea de materie primă folosită în proiectarea fizică a produsului. De asemenea, într-un mediu de simulare virtuală putem testa o multitudine de materiale, fiecare având proprietățile sale iar costul realizării acestui lucru este inferior costului pentru a realiza acest studiu comparativ folosind modelul experimental. Odată validat modelul numeric realizat în FLUX® vom putea modifica parametri în funcție de necesități însă trebuiesc luate în calcul erorile. Ca și soluție a acestei erori pe care am întâlnit-o în momentul comparării rezultatelor celor două moduri de simulare, cel virtual și cel experimental, ar fi fost determinarea experimentală a curbei de saturație a materialului și compararea sa cu cea dată de producător, pentru a putea determina eroarea și pentru a o include ulterior în comparațiile dintre determinările numerice și determinările experimentale.

CAPITOLUL 1

Noțiuni introductive

Un electromagnet este un tip de magnet al cărui câmp magnetic este produs de un curent electric. Câmpul magnetic dispare când alimentarea este întreruptă. Electromagneții sunt constituiți dintr-un număr mare de spire care creează câmpul magnetic. Spirele sunt înfășurate în jurul unui miez magnetic construit dintr-un material ferimagnetic sau feromagnetic ca de exemplu fierul; miezul magnetic are rolul de a concentra fluxul magnetic astfel făcând magnetul să fie mai puternic, având dimensiuni mai mici. [1] [10]

1.1 Electromagneți și noțiuni generale

Forţele de interacţiune între electromagneţi şi corpurile din materiale feromagnetice sau conductoarele parcurse de curenţi, situate în câmpul magnetic al acestora sunt denumite forţe electromagnetice.

Mecanismul format din înfășurări (bobine) de excitaţie şi corpuri feromagnetice acţionate prin forţe electromagnetice este denumit mecanism electromagnetic. Partea fixă a mecanismului, din material feromagnetic, supusă polarizării magnetice produse de câmpul magnetic al bobinei de excitaţie este denumită armătură fixă, iar partea mobilă, armatură mobilă .

Fig. 1.1 – Electromagnet [16]

Forţa electromagnetică corespunzătoare distanţei maxime (întrefier maxim) între armătura mobilă şi cea fixă este denumită forţă de atracţie inițială iar forţa corespunzătoare distanţei minime între armătura mobilă şi cea fixă este denumita forţă de atracţie finală sau forţă portantă.

Drumul străbătut de armătura mobilă, din poziţia deschis până la poziţia închis a electromagnetului, este denumit cursa electromagnetului. [10]

Electromagneţii sunt utilizaţi atât în construcţia aparatelor de comutaţie, cât şi a unor echipamente de ridicare şi transport, la realizarea cuplelor electromagnetice, la fixarea pe maşini unelte a unor piese ce urmează a suferi prelucrări etc.

În construcţia aparatelor electrice de comutaţie, electromagneţii sunt utilizaţi ca organ motor al contactoarelor, ruptoarelor, declanşatoarelor, întreruptoarelor, servind la stabilirea sau întreruperea mecanică a unor contacte, în mod direct, sau prin intermediul unui percutor care eliberează energia unui resort precomprimat. De asemenea, electromagneţii intră in construcţia electrovalvelor şi a dispozitivelor de acţionare ale aparatelor electrice. [2]