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 der Bereich, wo die Permeabilität viel schneller sinkt, als in der Realität → das berechnete Verhalten des Magnetantriebes wird also tendenziell ungenauer! Aufgrund der beschränkten unserer Modellgenauigkeit sollte man diesen Bereich der Sättigung bei der Optimierung möglichst vermeiden.
• Der reale Betrieb eines Magneten-Antriebs in Bereichen der Sättigung ist kein "verbotener Zustand". Allerdings erhält man in der Sättigung im Verhältnis zum Stromanstieg weniger Kraft, es sinkt also der Wirkungsgrad.
• Für uns ergibt sich die Schlussfolgerung, dass der Magnetantrieb zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades im Normalfall nicht den Zustand der Sättigung erreichen sollte. Im Spezialfall ist es dann aber nicht schlimm, wenn dadurch die Prägung des Papiers unter ungünstigen Umständen noch stattfinden kann.

Fazit:

• Die voreilige Fixierung auf die klassische Schutzbeschaltung der Magnetspule mit einem Parallelwiderstand führte trotz "erfolgreicher" Nennwert-Optimierung in eine Sackgasse.
• Diese auf den ersten Blick kostengünstige Lösung führt unter realen Betriebsbedingungen mit großer Wahrscheinlichkeit infolge Spannungsdurchschlag der Magnetspule zum Totalschaden!
• Eine "Rettung" dieser Lösung bestände in einer schaltungstechnischen Strombegrenzung auf iMax und eine entsprechende Dimensionierung des Schutzwiderstands R_Schutz=vMax/iMax zur sicheren Vermeidung unzulässiger Spannungen:
  1. Da der Abschaltstrom bei der optimierten Lösung meist unterhalb des zulässigen Maximalstroms liegt, verschenkt man Zeit beim Abfallvorgang, weil die maximal mögliche Abschaltspannung nicht ausgenutzt wird.
  2. Um eine möglichst kleine Zykluszeit zu erreichen, sollte man den maximal zulässigen Strom höher wählen, als die bisherigen 1,5 A. Damit steigt jedoch auch die Gefahr, dass der Magnetkreis in die Sättigung gelangt.
• Nach Möglichkeit sollte der einfache "Schutzwiderstand" zum Schutz gegen Überspannung durch eine robustere Lösung ersetzt werden, auch wenn diese etwas teurer in der Realisierung wird.

Ziele der Struktur-Optimierung:

1. Sichere Begrenzung der Spulenspannung auf den zulässigen Wert.
2. Sichere Begrenzung des Spulenstroms auf einen realisierbaren Wert.
3. Vermeidung von magnetischer Sättigung im Eisenkreis.
4. Trotzdem Erreichen eines möglichst kurzen Prägezyklusses.

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