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!

Beachte:

• Bei Werten i_Grenz > 3 A kann die Simulation nach der Fehlermeldung "Der Löser kann keine konsistenten Anfangswerte berechnen" nicht mehr durchgeführt werden!
• Anscheinend ist kann für Ströme nahe Null damit die Exponenten-Funktion   R=| i / i_Grenz |⁵¹²   der Strombegrenzer-Kennlinie nicht mehr berechnet werden.

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:

• Wir lassen deshalb 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.

Wichtig:

• Die beiden betrachteten Lösungen verhalten sich 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 als Grundlage für die weitere Bearbeitung!

Im Beispiel ergibt sich ein optimaler Drahtdurchmesser von 0,49 mm.

===>>> der folgende Abschnitt wird noch bearbeitet !!!

• Die neue Verhaltensqualität kann man deutlich in den Signalverläufen des Nennwert-Optimums erkennen → dieses Optimum tendiert dazu, dass der Strom schnellstmöglich seinen zulässigen Maximalwert erreicht und ihn bis zum Abschalten beibehält:
  
• Wichtig:
  Übernahme des Nennwert-Optimums in das SimulationX-Modell durch Speichern des Modells nach dem durchgeführten Simulationslauf nicht vergessen!

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