Software: SimX - Nadelantrieb - Struktur-Optimierung - Schwachstellen-Analyse

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Schwachstellen-Analyse (Optimierungsziele)

Die Nennwert-Optimierung führte zu einer idealen Lösung, welche alle Forderungen erfüllte:

• Erst durch die anschließende probabilistische Simulation wurden die Schwächen dieser Lösung sichtbar:
  
• Infolge der Verhaltensstreuung arbeitet der Antrieb in über 50% der Fälle außerhalb der Spezifikation. Kritisch sind dabei die sehr selten auftretenden Maximalströme von ca. 4 A und vor allem die Spannungsspitzen von ca. 1 kV.
  

Das Optimierungsziel einer Struktur-Optimierung sollte darin bestehen, eine sichere Begrenzung von Maximalstrom und ‑spannung unter allen Umständen zu gewährleisten. Auch hier helfen uns die Ergebnisse der probabilistischen Simulation, einen Ansatz für eine Strukturänderung in unserem Magnetantrieb zu finden:

• Den größten Effekt (= größte Auswirkung) auf Maximalstrom und ‑spannung besitzt die Streuung der Papierdicke.
• Die Schnittdiagramme zeigen, dass insbesondere dickeres Papier (d_Papier → 0,3 mm) und eine steifere Feder (k_Feder -> 130 %) zu ungünstigeren elektrischen Maximalwerten führt:
  

In DOE-Tabelle der Moment-Methode findet man diese ungünstige Kombination sehr schnell, wenn man die Tabelle nach der Abschaltspannung vMax sortiert:

• Die Simulation dieser konkreten Parameter-Kombination zeigt nach dem Stromabfall infolge der Bewegungsinduktion einen steilen Stromanstieg (blaue Kurve) kurz vor dem Abschalten:

• Ursache für den steilen Stromanstieg ist das Erreichen der Sättigungsflussdichte im Magnetanker. Damit sinkt die relative Permeabilität schnell unter ihren Anfangswert, die Induktivität der Spule wird immer kleiner, was wiederum den Stromanstieg beschleunigt → dieser Prozess schaukelt sich schnell auf und führt zur messbaren Stromspitze:
  • Im Extremfall des Verklemmens der Präge-Nadel infolge eines harten Fremdkörpers im Papier, der das Prägen verhindert, würde der Maximalstrom nur durch den ohmschen Widerstand der Spule begrenzt.
  • In diesem Extremfall führt das Abschalten der Spule zu einer Abschaltspannung von mehreren kV, da dann dieser hohe Strom durch den Schutzwiderstand fließt!
• Zur Quantifizierung der magnetischen Flussdichte an diesem Kipp-Punkt wurde im obigen Diagramm die magnetische Flussdichte des inneren Eisenelementes eingeblendet und mit dem Mess-Cursor der Zeitpunkt des Stromanstiegs angesteuert.
• Die magnetische Flussdichte besitzt zu diesem Zeitpunkt einen Wert von ca. 1,65 T.

In der Etappe 2 benutzten wir das Modell Hysterese_Parameter.isx für die Einstellung der Hysterese-Parameter an den Eisen-Elementen:

• An dem dort konfigurierten Diagramm der myrel(B)-Kennlinie kann man mittels Mess-Cursor überprüfen, ob der Wert von B=1,65 T eine "tiefere" Bedeutung besitzt:

• Und tatsächlich markiert dieser Flussdichte-Wert ungefähr den Punkt, an welchem die Anfangspermeabilität des Eisenmaterials unterschritten wird!
• Beachte: In unserem konkreten Modell beginnt hier auch der Bereich, wo die Permeabilität viel schneller sinkt, als in der Realität → das berechnete Verhalten des Magnetantriebes wird also tendenziell ungenauer!

• Der Abschaltstrom liegt bei der optimierten Lösung meist zwischen dem halben und vollständigen Maximalstrom.
• Oberhalb des zulässigen maximalen Abschaltstroms erkennt man einen fast linearen Zusammenhang zwischen Maximalstrom und ‑spannung im Anthill-Plot der Sample-Methode.
• Infolge des verwendeten Schutzwiderstandes hängt die Abschaltspannung ursächlich vom Maximalstrom ab. Wenn der Maximalstrom nie überschritten wird, kann man bei richtig dimensionierten Schutzwiderstand gewährleisten, dass keine extremen Abschaltspannungen auftreten!

Ziele der Struktur-Optimierung:

1. Sichere Begrenzung der Spulenspannung auf den zulässigen Wert.
2. Sichere Begrenzung des Spulenstroms auf den zulässigen Wert.
3. Trotzdem Erreichen eines möglichst kurzen Prägezyklusses.

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