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:

• 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):

• 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:

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):

• 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:

• 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.

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