Software: FEM - Tutorial - Magnetfeld - Problemdefinition
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[bearbeiten] Bauform des Elektro-Magneten
Untersucht werden soll in diesem Übungskomplex der im Simulationspraktikum zur Lehrveranstaltung Konstruktionstechnik intensiv behandelte Topfmagnet für den Antrieb einer Präge-Nadel:
- Axial im Eisenkreis befindet sich eine Bohrung für den Stift der Präge-Nadel.
- Der bewegliche Anker erfordert im Deckel des Eisentopfes einen Führungsspalt von 0,1 mm.
- Zwischen Deckel und Topf existiert infolge unvermeidlicher Toleranzen und Oberflächen-Rauhigkeiten ein luftgefüllter Restspalt sDeckel im µm-Bereich
- Die Kraft im Arbeitsluftspalt s soll für einen Wertebereich von sMin≈0 mm bis sMax=4 mm untersucht werden.
- Die Spule besitzt eine Windungszahl wSpule=400.
- Die im Bild nicht dargestellte Spule füllt den Wickelraum fast vollständig aus. Zwischen den Drähten und dem Eisenkreis ist ein Spalt=0,5 mm.
- Die Gesamtdicke der Lackbeschichtung des Spulendrahtes wird zu dLack=60 µm angenommen.
- Es wird die nichtlineare Magnetisierungskurve des verwendeten Eisenwerkstoffes benutzt. Die Hysterese der BH-Kurve wird vernachlässigt.
- Die Wirbelströme im Eisenkreis werden nicht berücksichtigt
[bearbeiten] Experiment-Ziele
- Mittels der FEM-Simulation soll die Kraft F im Arbeitsluftspalt in Abhängigkeit von der Ankerposition s und dem aktuellen Strom i berechnet werden.
- Die Einflüsse von wesentlichen Fertigungstoleranzen auf die Haltekraft des Magneten sind zu untersuchen.
Wir entwickeln das erforderliche Modell sofort als LUA-Script unter Nutzung z.B. des Crimson-Editors. Die Verwendung der LUA-Console von FEMM ist auf Grund des großen Script-Umfangs und unserer bereits vorhandenen Erfahrungen für die Script-Entwicklung nicht mehr empfehlenswert!
[bearbeiten] Definition des Problem-Typs
Ein FEM-Script-Modell sollte grundsätzlich mit der Problem-Definition beginnen. Damit werden die Weichen für die eigentliche Modellbildung gestellt:
- Das Magnetic Problem konfigurieren wir als statisch und axialsymmetrisch mit der Längeneinheit Millimeter.
- Im FEMM-Programm werden zusätzlich grundlegende Eigenschaften der späteren Vernetzung und Berechnung festgelegt:
-------------------------------------------------------------------------------
-- Definition des Problem-Typs --
-------------------------------------------------------------------------------
create(0); -- 0=magnetic|1=electrostatic|2=heatflow|3=currentflow
-- mi_probdef(frequency,units,type,precision,(depth),(minangle))
mi_probdef(0,"millimeters","axi",1e-8,0,30);
-- 1e-8=Max.Fehler für Solver
-- 30° =Min.Winkel für Netz
Hinweis: Eine Frequenz=0 Hz beschreibt ein statisches Problem. Bei einem Wert>0 Hz würde eine harmonische Berechnung mit komplexen Zahlen durchgeführt, bei der alle Feldgrößen mit der gewählten Frequenz schwingen.
[bearbeiten] Parameter
Die geplanten Simulationsexperimente sind die Grundlage für die Definition einer Liste von Modellparametern. Durch Änderungen an diesen Modell-Parametern gewinnt der Modell-Anwender Erkenntnisse für die Lösung seines Entwurfproblems. Man unterscheidet zwei Klassen von Modellparametern:
1. Entwurfsparameter (Objektbezogen)
- Konstruktive Parameter (Abmessungen und geometrische Form, Material und Zustandsgrößen: z.B. Vorspannung, Magnetisierung)
- Technologische Parameter (Streuungen und Grenzwerte konstruktiver Parameter)
- Betriebsparameter (aktuelle Werte veränderlicher Zustandsgrößen: z.B. Strom, Positionen)
2. Numerische Parameter (Modellbezogen)
- Vernetzungsvorgaben (Elementgröße und -form)
- Solver-Parameter (Verfahren, Genauigkeit)
Da wir Millimeter als günstige Längeneinheit bei der Problem-Definition wählten, müssen Abmessungen konsequent in der Maßeinheit mm angeben werden:
------------------------------------------------------------------------------- -- Konstruktive, technologische und Betriebs-Parameter -- ------------------------------------------------------------------------------- dMagnet=40; -- Topf-Durchmesser [mm] hTopf=27.5; -- Topf-Höhe [mm] dAnker=10; -- Anker-Durchmesser [mm] lAnker=10; -- Anker-Länge [mm] hDeckel=2.5; -- Dicke des Deckels bzw. Topfbodens [mm] dStift=1; -- Durchmesser der Bohrung [mm] dWand=1; -- Wandstärke des Topfes [mm] wSpule=400; -- Windungen in der Spule dLack=0.06; -- Gesamtdicke der Drahtbeschichtung [mm] sWickel=0.5; -- Spalt zw. Spulendraht und Eisen [mm] sAnker=1; -- Arbeitsluftspalt [mm] sDeckel=0.01; -- Restspalt zw. Deckel und Topf [mm] sGleit=0.1; -- Führungsluftspalt für Anker [mm] iSpule=1; -- Spulenstrom [A]
