Software: FEM - Tutorial - Magnetfeld - Einfuehrungsbeispiel

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Einführungsbeispiel

Die magnetische Domäne wird als "Magnetics Problem" im Programmsystem FEMM behandelt. Der zugehörige Programm-Modul ermöglicht die Berechnung von 2D- und axialsymmetrischen Problemen für niederfrequente magnetische Felder basierend auf dem Wirbelfeld-Ansatz. "Niederfrequent" bedeutet, dass die Stromverdrängung im elektrischen Leiter infolge hochfrequenter magnetischer Felder nicht im Gleichungssystem berücksichtigt wird.

In Hinblick auf die Einarbeitung in die Magnetfeld-Simulation sollte man unbedingt zuerst das Beispiel "Luftspule" bearbeiten. Die Arbeit mit der grafischen Oberfläche wird Schritt für Schritt in der Datei tutorial-magnetic.pdf erläutert, welche man zusätzlich zum manual.pdf auch im FEMM-Programmordner befindet. Folgt man den Anweisungen im Tutorial, so kann man kaum etwas falsch machen.

An dieser Stelle erfolgen deshalb nur einige Hinweise in Bezug auf die Interpretation der Simulationsergebnisse.

Vektorpotential (Contour Plot)

• Das nach der Berechnung im Postprocessing standardmäßig generierte Feldlinienbild repräsentiert Iso-Potentiallinien des Vektorpotentials
• Die Anzahl der dargestellten Linien sowie den Darstellbereich kann man über den Dialog des Contour-Plot-Buttons ändern.
• Die Symmetrieachse von axisymmetrischen Problemen besitzt immer das Vektorpotential 0 V·s/m.
• Das höchste Vektorpotential existiert in der Nähe des äußeren Spulenrandes ("Bergkuppe").
• Beachte:
  Nur für 2D-Probleme handelt es sich bei den dargestellten Linien um Equipotentiallinien des Vektorpotentialfeldes A (d.h. gleiche Potentialdifferenzen zwischen benachbarten Linien). Bei axialsymmetrischen Problemen wird stattdessen die Funktion 2·π·r·A mit Equipotentiallinien abgebildet!

Flussdichte (Density Plot)

• Der Dialog des Density Plot bietet die Möglichkeit, die magn. Flussdichte im Sinne der Contour-Darstellung von FEMAP abzubilden (cyan=kleine Werte ... magenta=große Werte).
• Im oberen Bild erkennt man deutlich, dass es sich bei den dargestellten Feldlinien nicht um Equipotentiallinien von A handelt, denn trotz größerer Linienabstände ist die Induktion B im Spulenzentrum (magenta) größer als in den unteren Wicklungslagen (rot bzw. gelb).

Feldstärke/Induktion (Vector Plot)

• In Form von skalierten Vektoren kann man entweder die magnetische Induktion oder die Feldstärke darstellen lassen.
• Wählt man die Induktion B (Bildausschnitt der rechten Spulenseite), so erkennt man, dass der Betrag von B vom Anstieg des Vektorpotentialfeldes abhängt. Die Richtung von B steht in jedem Punkt senkrecht auf dem Gradientenvektor des steilsten Abstiegs.
• Wählt man die Feldstärke H (unteres Bild), so ist der Betrag der Feldstärke der Induktion proportional (H=B/µ₀) und besitzt die gleiche Richtung. Die Wicklung der Spule wirkt magnetisch wie Luft.

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