Software: FEM - Tutorial - Magnetfeld - Kennfeld-Nutzung zur System-Simulation

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Kennfeld-Nutzung zur System-Simulation
(Kein Bestandteil der Lehrveranstaltung FEM )

Elektromagneto-mechanischer Wandler (C-Code)

Beide Kennfelder dienen zusammen zur Nachbildung des mittels FE-Modell simulierten konkreten Elektro-Magneten in einem dynamischen Systemmodell des kompletten elektromagnetischen Antriebs. Zur Demonstration wird dafür im Folgenden das Beispiel des Blindenschrift-Prägers aus dem Tutorial zur System-Simulation verwendet.

Hinweis:
Wer nicht über dieses SimulationX-Modell verfügt, kann es (mit bereits gelöschten Magnetkreis-Elementen) als ZIP-Archiv laden. Den RSM_Wandler als neuen lokalen Element-Typ definiert man dann wie im Folgenden beschrieben.

  • Wir öffnen das verifizierte SimulationX-Modells der Etappe3(mit Wirbelstrom und Magnet-Hysterese) und speichern es unter dem neuen Bezeichner Magnet_xx.ism:
Software FEM - Tutorial - Magnetfeld - SimX-Kennfeld - basis-netzmodell.gif
  • Der markierte farbige Bereich entspricht dem elektromagneto-mechanischem Wandler (E-Magnet ohne Ankermasse).
  • Nachdem wir für den elektromagneto-mechanischen Wandler einen neuen lokalen Element-Type RSM_Wandler definiert haben, können wir die beiden externen Funktionen mittels Drag&Drop in diesen lokalen Type hinein kopieren (mit gedrückter Strg-Taste):
Software FEM - Tutorial - Magnetfeld - SimX-Kennfeld - copy ext-fkt.gif
Software SimX - Nadelantrieb - Wirkprinzip - rsm-magnet symbol.gif
  • Als Symbol für den RSM_Wandler kann man nebenstehendes Bild verwenden.
  • Alle Netzwerk-Elemente innerhalb des farbig markierten Wandler-Bereiches können gelöscht werden.
  • An Stelle der Magnetkreis-Elemente platzieren wir in der Modellstruktur den RSM_Wandler als Magnet_RSM:
Software FEM - Tutorial - Magnetfeld - SimX-Kennfeld - magnet rsm0.gif

Nun bleibt uns nur noch die Aufgabe diesen Element-Typ zum richtigen Verhalten zu führen. Die mechanische Seite des Wandlers realisiert man durch die Definition zweier mechanisch-translatorischer Anschlüsse (ctr1 und ctr2):

Software FEM - Tutorial - Magnetfeld - SimX-Kennfeld - wandler mech.gif
  • Da am mechanischen Anschluss die Potentialgrößen der Bewegung (x, v, a) als Werte eingespeist werden, können wir in einem Algorithmus den Luftspalt s als Differenz der Anschluss-Positionen berechnen.
  • Die aus der externen Funktion berechnete Kraft F=f(s,i) muss als Wert an beide Anschlüsse übergeben werden.
  • Der Wert des Stromes i entstammt der elektrischen Seite des Wandlers.

Die elektrische Seite des Wandlers realisiert man durch die Definition zweier elektrischer Anschlüsse. Diese erhielten standardmäßig die Bezeichnung ctr3 und ctr4:

Software FEM - Tutorial - Magnetfeld - SimX-Kennfeld - wandler elektr.gif
  • Der Spannungsabfall u zwischen den beiden Anschlüssen ergibt sich aus der Summe von Induktionsspannung u_ind und dem Spannungsabfall uR über dem ohmschen Widerstand R_Spule des Spulendrahtes. Das kann man nur durch eine Gleichung erzwingen.
  • Der Strom i ist ebenfalls innerhalb des Element-Typs algorithmisch nicht berechenbar. Auch dafür benötigen wir eine Gleichung.
  • Deshalb wurde wegen der Übersichtlichkeit der komplette elektrische Teil des Wandlers in einem Gleichungsabschnitt definiert. Der Wert des Luftspalts s entstammt dem mechanischen Teil des Wandlers.

Achtung:
Hier soll auf eine Schwachstelle unseres Demo-Beispiels hingewiesen werden:

  1. Die identifizierten Kennfelder sind nur für eine konkrete Geometrie und Windungszahl (wSpule=400) gültig.
  2. Der im Wandlermodell benötigte Wert des Spulenwiderstandes muss aus den konkreten Werten von Geometrie und Windungszahl berechnet werden. Deshalb muss man im SimulationX-Modell die gleichen Geometriebeziehungen und -werte verwenden wie im FE-Modell (Magnet_RSM.R_Spule=Geometrie.R_Spule).
  3. Damit hat man innerhalb des SimulationX.Modells leider keine Freiheitsgrade zur Optimierung der Wicklungsdaten für einen konkreten Eisenkreis! Die Optimierungsschleife müsste sich immer über die Kennfeld-Identifikation erstrecken, was zurzeit nicht praktikabel ist!


Hinweis:
Wahrscheinlich hat der Solver numerische Probleme, den Abschaltvorgang zu berechnen. Dieses Problem lösen wir pragmatisch, indem wir die Diode in der Schutzbeschaltung entfernen und durch einen Leiter ersetzen.