Simulation of Electromechanical Actuators Using the Finite Integration Technique

The coupling methods allow the use of two independent meshes for mobile and fixed armature within the simulation of an electrical machine. The technique is applicable when the air gap is cylindrical or planar for a rotational or translational device respectively. Hence, the modeling of the movement of particular magnetic relays or plungers is not possible with this technique. Although both meshes are independent, it is recommended that big differences in the grid resolution are avoided. This ensures that the interpolation error is acceptable and also that the FIT stiffness matrix structure is not significantly altered. The coupling by trigonometric interpolation leads to more accurate results than computed to the coupling by linear interpolation, but requires also substantially more computational time. The force calculation is carried out at a surface in the middle of the air gap. The accuracy of the field values is improved by computing local analytical solutions relaying upon FFTs. The more accurate field values leads to better results for the forces. The simulation of electromechanical system with body motion is possible, and mechanical and electromagnetical damping effect can be considered. The coupling techniques allow to calculate cylindrical and linear machines.

Mit Hilfe von Kopplungsmethoden können elektrische Maschinen unter Verwendung unterschiedlicher Gitter für die beweglichen und ortsfesten Bauteile simuliert werden. Dieses Verfahren ist bei einem Kreisförmigen Luftspalt in rotationssymmetrischen Geräten sowie bei einem ebenen Luftspalt in translatorisch symmetrischen Systemen anwendbar. Die Modellierung von Bewegungen in speziellen magnetischen Relais oder Schwingspulen ist nicht möglich. Obwohl die beiden zu koppelnden Gitter in den unterschiedlichen Bereichen voneinander unabhängig sind, sollten große Unterschiede zwischen den jeweiligen Gitterschrittweiten vermieden werden. Dadurch ist sichergestellt, dass der Interpolationsfehler gering bleibt und die Struktur der FIT-Systemmatrizen grundsätzlich erhalten wird. Die Kopplung mit Hilfe trigonometrischer Interpolation liefert im Vergleich zur linearen Interpolation genauere Ergebnisse, erfordert jedoch einen wesentlich größeren Rechenaufwand. Die Berechnung der Kräfte wird auf einer Fläche in der Mitte des Luftspaltes durchgeführt. Dabei kann die Genauigkeit durch den Einsatz eines auf der FFT basierenden analytischen Modells erhöht werden. Je genauer die Felder zur Verfügung stehen, desto bessere Ergebnisse können bei der Kraftberechnung erzielt werden. Mit dem beschriebenen Verfahren können elektromechanische Systeme mit beweglichen Teilen simuliert werden. Dabei kann die mechanische sowie die elektromagnetische Dämpfung in den Berechnungen berücksichtigt werden. Die Kopplungsverfahren sind geeignet, um zylindrische und lineare Maschinen zu simulieren.