Software: SimX - Nadelantrieb - Geometrie und Waerme - Modellverifizierung

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Nun kommt das schwierigste Problem: die richtigen Simulationsergebnisse in Hinblick auf die im Modell berücksichtigten Effekte zu erhalten (Verifizierung="richtige" Berechnung nachweisen):

• Hinweis: Das "richtige" Berechnen bedeutet nicht, dass das Modell in Hinblick auf die Realität ein hinreichend genaues Verhalten zeigt. Nur durch zusätzliche Validierung kann man die gewünschte Glaubwürdigkeit des Modellverhaltens "absichern".
• Da im Rahmen der Lehrveranstaltung nur begrenzt Zeit ist, soll das Modellverhalten anhand folgender Parameter und mit der vorgegebenen Simulationssteuerung überprüft werden (nicht aufgeführte Werte wie in vorherigen Etappen präzisiert!):

Bauelement- und Betriebsparameter:

Hysterese              : wie in Etappe2 vorgegeben
Anf.Werte              : mit Fixierung von Zustandsgrößen (wie abschließend in Etappe2c ermittelt)
Anschlag               : elastischer Anschlag (k1,2 = 1e10 N/m und d1,2 = 1e6 Ns/m)
Diode in Elektronik    : "Reale Diode" mit Standardparametern
Elektronik.R_Schutz    = 1000 Ohm
Elektronik.V_el        = 24 V
Nadel.x0               = CAD.d_Papier (Ruhelage direkt auf Papier)
Feder.k                = 20 N/mm      (mit Vorspannung für 20g!)

CAD-Parameter:

CAD.d_Anker            = 10 mm        [Ankerdurchmesser                 ]
CAD.w_Spule            = 500          [Windungszahl der Spule           ]
CAD.R20_Spule          = 4 Ohm        [el. Widerstand der Spule bei 20°C]
CAD.d_Magnet           = 20 mm        [Magnetdurchmesser                ] 
CAD.K_FeInnen          = 0.1          [L_FeInnen/L_Eisen=0.1xx          ]
CAD.K_Wickel           = 0.8          [Wickelfaktor Spule: A_ Cu/A_ges  ]
CAD.SpulWand           = 0.3 mm       [Wandstärke des Wickelkörpers     ]
CAD.Restspalt          = 50 µm        [Restluftspalt zw. Anker und Kern ]
CAD.d_Papier           = 0.2 mm       [Papierdicke                      ]
CAD.d_Praegung         = 0.1 mm       [Papier-Restdicke geprägt         ]
CAD.x_Matrix           =-0.65 mm      [Papier-Position im Matrixboden   ]
CAD.x_Riss             =-0.39 mm      [Papier-Rissposition              ]
CAD.Re_Eisen           = 1.5 mOhm     [Wirbelstromwiderstand            ] 
CAD.rho_Fe             = 7.8 g/cm³    [Massedichte Eisen                ]
CAD.rho_Cu             = 1.6E-8 Ohm*m [spez. ohm. Widerstand Kupfer     ]
CAD.kth_Cu             = 0.0039 (1/K) [Temperaturkoeff. ohm. Wid. Kupfer]
CAD.kth_Kuehl          = 12 W/(K*m²)  [Konvektionskoeff. Magnetfläche   ]
CAD.T_Spule            = 100°C        [Spulentemperatur für R_Spule     ]

CAD-Ergebnisse:

// Flussweg:
CAD.Deckel             = 2.5 mm       [Dicke Deckel bzw. Topfboden      ]
CAD.Wand               = 1.33975 mm   [Wandstärke Magnettopf            ]
// Spulenwicklung
CAD.h_Wickel           = 3.36025 mm   [Wicklungshöhe                    ]
CAD.d_innen            = 10.6 mm      [Durchmesser innerste Windung     ]
CAD.d_aussen           = 17.3205 mm   [Durchmesser äußerste Windung     ]
CAD.L_innen            = 33.3009 mm   [Länge einer inneren Windung      ]
CAD.L_aussen           = 54.414 mm    [Länge einer äußeren Windung      ]
CAD.L_mittel           = 43.8574 mm   [Mittlere Windungslänge           ]
CAD.d_Draht            = 0.334189 mm  [Drahtdurchmesser Cu              ]
CAD.L_Wickel           = 16.3148 mm   [Länge der Wicklung               ]
// Eisenabschnitte:
CAD.L_Anker            = 8.23826 mm   [Anker-Länge                      ]
CAD.L_Kern             = 11.1765 mm   [Kern-Länge                       ]
CAD.L_Eisen            = 58.8296 mm   [Eisenweg-Länge                   ]
CAD.L_Magnet           = 21.9148 mm   [Magnet-Länge                     ]
CAD.L_FeInnen          = 5.8830 mm    [Eisen in Spule mit 100% Fluss    ]
CAD.L_FeAussen         = 52.9466 mm   [Eisen nach Spulenstreuung        ]
CAD.Re_FeInnen         = 15 mOhm      [Wirbelstromwiderstand            ]
CAD.Re_FeAussen        = 1.66667 mOhm [Wirbelstromwiderstand            ]
// Luftspaltfläche und Ankermasse:
CAD.A_Anker            = 0.785398 cm² [Ankerquerschnitt                 ]
CAD.V_Anker            = 0.647031 cm³ [Ankervolumen                     ]
CAD.m_Anker            = 5.04684 g    [Ankermasse                       ]
// elektrische Eigenschaften:
CAD.R_Spule           = 5.248 Ohm     [Drahtwiderstand                  ]
// thermische Eigenschaften:
CAD.A_Kuehl           = 20.0526 cm²   [Kühlfläche                       ]
CAD.Rth_Kuehl         = 41.5573 K/W   [Therm. Widerstand Kühlfläche     ]

===>>> Der folgende Abschnitt wird noch überarbeitet !!!

Ergebnisse der Dynamiksimulation: (Klammerwerte für "Draht" anstatt Diode)

Messung.Praegungsmasz = 1.000
Messung.t_Zyklus      = 4.92 ms (4.94 ms)
Messung.t_Riss        = 2.134 ms 
Elektronik.vMax       =-159.26 V (-158.64 V)
Elektronik.iMax       = 0.7225 A (0.7464 A)

Ergebnisse der Spulen-Erwärmung: (Klammerwerte für "Draht" anstatt Diode)

EW_Spule.y = 3.54 mWs
PW_Mittel.y= 0.719 W (0.716 W)
dT_Spule.y = 29.9 K (29.8 K)

Hinweis: Die letzten Ergebnisstellen sind teilweise gerundet. Auch kleine Abweichungen von den aufgelisteten Werten deuten auf Fehler im Modell! Bei den Ergebnissen der Dynamiksimulation, zu denen auch die Wärme-Werte gehören, kann man eine Abweichung in der 3. Ziffernstelle akzeptieren. Ursache ist das numerische Rauschen beim Lösen der Differentialgleichungen im Zeitbereich:

Achtung: Teilnehmer der Lehrveranstaltung "Optimierung" erzeugen von dem verifizierten Simulationsmodell eine Kopie Etappe_xx_verifiziert.isx mit xx=Teilnehmernummer 01..99 zum Nachweis der exakten Funktion des Modells.

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