Software: SimX - Nadelantrieb - Struktur-Optimierung - Nennwert-Optimierung

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Nennwert-Optimierung

Vorbereitung des SimulationX-Modells

• Bei der folgenden Optimierung soll untersucht werden, welchen maximalen Strom der Magnetantrieb tatsächlich benötigen würde.
• Deshalb soll die technische Begrenzung im SimulationX-Modell von bisher 1,5 A auf 3,0 A erhöht werden:

CAD.i_Grenz_Spule = 3,0 A

• Dieser Stromwert resultiert aus den unseren Erfahrungen, dass damit bereits die magnetische Sättigung des Eisenkreises erreicht wird.
• Eventuelle Stromspitzen kurz vor dem Abschaltvorgang würden damit auf 3,0 A begrenzt. Dieser Stromwert kann von einem Netzteil problemlos bereitgestellt werden.
• Das SimulationX-Modell ist mit diesem erhöhten Stromgrenzwert zu speichern!

Modifizierter Experiment-Workflow

Bei der Nennwert-Optimierung brauchen wir im Experiment-Workflow des OptiY-Versuchsstands Etappe5_xx_Nennwert.opy nur noch vier Entwurfsparameter berücksichtigen:

Am schnellsten gelangt man zu diesem Versuchsstand, wenn man eine Datei-Kopie von der Datei Etappe3_xx.opy erzeugt und im OptiY öffnet:

1. R_Schutz-Entwurfsparameter (für den Abschaltvorgang) im Workflow löschen.
2. v_Max-Restriktionsgröße (mit zugehöriger Ausgangsgröße) im Workflow löschen
3. Etappe5_xx.isx-Datei anstatt Etappe3_xx.isx im SimulationX-Modell des Workflows öffnen.
4. k_Feder-Entwurfsparameter mit CAD.k_Feder verbinden.
5. B_max-Restriktionsgröße (mit zugehöriger Ausgangsgröße) im Workflow ergänzen und mit Modell verbinden
6. Etappe5_xx_Nennwert.opy-Datei speichern.
7. Definierter Abschluss der Änderungen → OptiY und SimulationX beenden.

Konfiguration der Restriktionsgrößen:

• i_Max dient nur noch zur Information (mit unwirksamen Grenzwerten versehen!)
• B_max soll auf Obergrenze=1.65 T begrenzt werden. Da das Eisenmaterial möglichst weit magnetisch ausgesteuert werden soll, kann man z.B. als Untergrenze=1.2 T vorgeben.
• d_Draht soll anfangs ohne Wirkung bleiben, um den "exakten Wert" des optimalen Drahtdurchmesser zu erkunden.

Konfiguration der Entwurfsparameter (Nennwerte):

• Der Suchbereich aus der Etappe3 kann weiterhin genutzt werden.
• Zur Erzielung einer höheren Konvergenzgeschwindigkeit hat es sich als günstig erwiesen, die Startschrittweite für die Optimierungsschritte auf ungefähr 1/100 des Startwertes des jeweiligen Entwurfsparameters zu setzen. Die Startschrittweite für die Windungszahl sollte bei 1 bleiben!

Optimierung mit unterschiedlichem Maximalstrom

Die Nennwert-Optimierung erfolgt vorläufig ohne der Berücksichtigung der Draht-Normreihe. Mit einer Strombegrenzung auf 3 A im Simulationsmodell ergibt sich z.B. der folgende Bestwert:

• Auffallend ist, dass im Vergleich zum Bestwert aus Etappe3 die optimale Spule nur noch ungefähr die Hälfte der Windungen besitzt!
• Dieses Ergebnis hätte man nach gründlicher Vorüberlegung erwarten können, denn entscheidend ist das Produkt i*w für die sich aufbauende magnetische Spannung.
• Die Simulation der optimalen Lösung zeigt, dass keine Eisen-Sättigung kurz vor dem Abschaltvorgang auftritt:
  

Anscheinend kann man innerhalb eines weiten Strombereiches immer eine passende optimale Spule dimensionieren und erreicht damit ein ähnliches Bewegungsverhalten. Allerdings darf dabei infolge einer resultierenden größeren Induktivität die elektrische Zeitkonstante nicht zu groß werden:

• Wir lassen im Simulationsmodell die Strombegrenzung auf dem Wert von i_Grenz = 3 A (entspricht einer Strombegrenzung im Netzteil)
• Innerhalb des Optimierungsexperiments setzen wir für die Restriktion i_Max die Obergrenze = 1.5 A.
• Die erneute Optimierung ergibt wieder eine optimale Lösung mit fast identischen funktionellen Eigenschaften. Allerdings besitzt die Spule jetzt ziemlich exakt die doppelte Windungszahl, natürlich mit dünnerem Draht:

• Auch hier zeigt die Simulation der optimalen Lösung, dass keine Eisen-Sättigung kurz vor dem Abschaltvorgang auftritt:
  
• Hinweis: Der Versuch einer Optimierung mit einem auf 1 A verringerten Maximalstrom führte zu einer wesentlich höheren Zykluszeit von über 3.4 ms → Wir haben uns also dem minimal möglichen Maximalstrom mit 1.5 A schon hinreichend genau genähert!

Wichtig:

• Die beiden hier im Detail betrachteten Lösungen verhalten sich im mechanischen Bewegungsablauf unter den idealen Nennwert-Bedingungen gleich.
• Die für einen Maximalstrom von 1.5 A optimierte Magnet-Spule besitzt jedoch Reserven. Wird für das Prägen etwas mehr Kraft benötigt, so kann ein Stromimpuls mit bis zu 3 A doch noch ein Prägen des Papiers bewirken. Das dabei der Eisenkreis kurzzeitig in der Sättigung betrieben wird, stört nicht.
• Aus diesem Grund wählen wir die zweite Lösung mit 1.5 A als Grundlage für die weitere Bearbeitung!

Im Beispiel ergibt sich ein optimaler Drahtdurchmesser von 0.49 mm:

• Wir streben in bekannter Art und Weise den nächsten Normdraht-Durchmesser von 0.5 mm an.
• Da die mögliche Magnetlänge noch nicht ausgeschöpft war, sollte der etwas dickere Draht bequem in den verfügbaren Wickelraum passen.

Für den Bestwert mit Normdraht führen wir abschließend eine Simulation durch und speichern diese Konfiguration als Grundlage für die nachfolgende probabilistische Simulation.

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