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Hallo!

Leider bin ich an einem "toten Punkt" angekommen und weis jetzt nicht mehr weiter. Ich hoffe, es hat jemand eine Idee zu meinem Problem:

Ich versuche nun schon seit geraumer Zeit ein homogenes Magnetfeld in Luft zwischen zwei Spulen zu erzeugen. Die Spulen sollen werden mit einem RACE-Macro erzeugt werden. Drumherum soll eine Sphäre aus Luft sein. Das Feld muss 3-D modelliert werden, um später darin Prüflinge einzubringen und induzierte Spannungen messen zu können.

Wenn die Berechnung abgeschlossen ist, erhalte ich leider nicht das erwartete Magnetfeld, sondern überall in der Sphäre die Feldstärke 0.

Als Quellen habe ich "FEM für Praktiker, Bd.4: Elektrotechnik", S. 160 und das VM233-Listing der Ansys-Hilfe verwendet. Leider konnte ich damit nicht viel anfangen.

Ich habe wahrscheinlich ein Verständnisproblem, da ich noch keine Erfahrungen mit Ansys habe. Könnte mir bitte jemand helfen?

Vielen Dank!

Thomas

Input:

! Homogenes Magnetfeld zwischen Helmholtzspulen

/filname,3d_leer
/title,3-D Helmholtzanordnung

!--------Variablen
I=5 !Strom durch Spulen in A
N=100 !Windungsanzahl
wira=0.4 !Spulenradius
widi=0.03 !Wicklungsdicke
wiho=0.03 !Wicklungshoehe
beradin=2 !Radius der umgebenden Sphaere

/prep7

emunit,mks
et,1,solid97 !Luft
et,2,infin111 !Rand

mp,murx,1,1 !Luft
mp,murx,2,1 !Spule

!----Geometrie

!----Macro Spule 1
wpoffs,0,0,wira/2
race,wira,wira,0,n*i,wiho,widi,,,'Spu1'
wpoffs,0,0,-wira/2

!----Macro Spule 2
wpoffs,0,0,-wira/2
race,wira,wira,0,n*i,wiho,widi,,,'Spu2'
wpoffs,0,0,wira/2

!----Körper Spule 1
wpoffs,0,0,wira/2-widi/2
block,wira-widi/2,wira+widi/2,-wira+widi/2,wira-widi/2,0,widi
block,-wira+widi/2,-wira-widi/2,-wira+widi/2,wira-widi/2,0,widi
block,wira-widi/2,-wira+widi/2,wira-widi/2,wira+widi/2,0,widi
block,wira-widi/2,-wira+widi/2,-wira+widi/2,-wira-widi/2,0,widi
cyl4,wira-widi/2,wira-widi/2,0,0,widi,90,widi
cyl4,-wira+widi/2,wira-widi/2,0,90,widi,180,widi
cyl4,-wira+widi/2,-wira+widi/2,0,180,widi,270,widi
cyl4,wira-widi/2,-wira+widi/2,0,270,widi,360,widi
vadd,1,2,3,4,5,6,7,8
wpoffs,0,0,-wira/2+widi/2
numcmp,volu
*status

!-----Körper Spule 2
wpoffs,0,0,-wira/2-widi/2
block,wira-widi/2,wira+widi/2,-wira+widi/2,wira-widi/2,0,widi
block,-wira+widi/2,-wira-widi/2,-wira+widi/2,wira-widi/2,0,widi
block,wira-widi/2,-wira+widi/2,wira-widi/2,wira+widi/2,0,widi
block,wira-widi/2,-wira+widi/2,-wira+widi/2,-wira-widi/2,0,widi
cyl4,wira-widi/2,wira-widi/2,0,0,widi,90,widi
cyl4,-wira+widi/2,wira-widi/2,0,90,widi,180,widi
cyl4,-wira+widi/2,-wira+widi/2,0,180,widi,270,widi
cyl4,wira-widi/2,-wira+widi/2,0,270,widi,360,widi
vadd,2,3,4,5,6,7,8,9
wpoffs,0,0,+wira/2+widi/2
numcmp,volu
*status

!------Luftumgebung
sphere,0,beradin,0,360
vovlap,all
numcomp,volu

!------Vernetzung

!------Spulen
type,1 $mat,1
mshkey,0
mshape,1,3d
esize,widi/2
vmesh,1,2

!------Luft
type,1 $mat,2
mshkey,0
smrtsize,10
mshape,1,3d
esize,beradin/4
vmesh,3

!-----Rand
csys,2
nsel,s,loc,x,beradin
esln
emodif,all,type,2
sf,all,inf
csys,0

allsel

!-----Loesung
/solu
solve

!----Feldverlauf entlang der Z-Achse
/post1
path,zachse,3
ppath,1,,0,0,2
ppath,2,,0,0,0
ppath,3,,0,0,-2
pdef,hzachs,h,sum
/grid,1
plpath,hzachs

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Ohne das Programm anzusehen:
Für induzierte Ströme kommen nur die Beispiele des Abschnitts 4 (im angesprochenen Buch) in Frage z.B. 4.7 (Die Modellierung muss mittels Vektorpotential erfolgen.)

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Wie ist das gemeint?
Wird die Verwendung des Vektorpotentials nicht durch den Elementtyp solid97 bestimmt?
Oder kann ich das RACE-Makro(sourc36, Skalarpotential) nicht zur Erzeugung eines Feldes verwenden, in dem dann Prüflinge mit dem VP berechnet werden sollen?

Alternativ würde mir auch eine 2-D-Felderzeugung nach S.160 des Buches    helfen. Wenn ich allerdings statt dem dort modellierten Viertelkreis den ganzen Kreis modelliere und die entsprechenden Stromdichten auf die Spulenquerschnitte vorgebe, erhalte ich nicht die notwendigen Feldstärken, da die nicht modellierten 3-D-Zweige der Spulen auch zur Feldstärke beitragen.

Danke schonmal.

Thomas

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dertom_2.txt

Wenn das Problem schon dreidimensional modelliert werden soll, ist es mit dem Quelltext im Anhang machbar. Der liefert mit seiner groben Vernetzung natürlich schlechtere Ergebnisse, als eine ordentliche zweidimensionale rotationssymmetrische Modellierung.
Zur Untersuchung eines Prüflings im ursprünglich homogenen Feld (ehe der Prüfling da war) kann viel zweckmäßiger ein Volumen (Würfel, Quader, Zylinder, Kugel) modelliert werden, das eine homogene Feldstärke durch Vorgabe der Randbedingungen auf den Rändern des Volumens erzielt.

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dertom_1.txt

Wenn es nur darum geht, das Feld der Spulen dreidimensional zu ermitteln, kann das natürlich auch über das skalare magnetische Potential gemacht werden, wie der Quelltext im Anhang zeigt.

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Hallo wosch!

!!! Ganz herzlichen Dank für Ihre Hilfe !!!

Ich habe hierzu noch eine Frage:
Neben dem Bewegen eines Prüflings durch das Feld möchte ich auch noch ein zeitabhängiges Feld über Wechselstrom in den Spulen erzeugen.
Ist es dafür besser, die Stromdichte des obigen Beispiels zeitabhängig zu ändern, oder ist es besser, die Spulenelemente direkt mit Wechselstrom zu belasten?

Freundliche Grüsse 

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Dazu wäre vorher zu klären, ob eine harmonische Lösung (quasistationäre Lösung) ausreicht oder ob transient gerechnet werden muss.
Weiterhin ist zu klären, ob die Spulen zur Felderzeugung mit modelliert werden müssen, oder ob ein Bereich mit homogenem Feld (durch Randbedingungen vorgegeben) als Prüfraum für den Prüfling ausreicht. (viel einfacher zu realisieren)
(Ist es wirklich notwendig, den Prüfling zu bewegen? Das könnte die Lösung wesentlich erschweren.)

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Eine quasistationäre Lösung nach Abschluss des Einschwingvorganges und ein Bereich (nicht unbedingt die Spulen) mit homogenem 3d-Feld würde erstmal reichen. Die Bewegung des Prüflings ist auch erstmal nicht so wichtig.

Hintergrund ist der folgende: Meine Seminargruppe soll einen Praktikumsplatz aufbauen: ein paar Leute bauen die Spulen und machen die Feldmessungen, einige beschäftigen sich mit den analytischen Lösungen und ich versuche mich an der Modellierung. Untersucht werden sollen die induzierten Spannungen in Prüflingen.

Vielen Dank für Ihre Hinweise!

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Und wie sieht ein typischer Prüfling aus?
Das ist doch sicher eine Spule?

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Es gibt zwie Arten von Prüflingen:
Der einfachere Prüfling ist ein Massivleiter in geöffneter Ringform. Abgenommen werden soll der Spannungsunterschied  zwischen den beiden Enden. Z. B.:
torus,0,1,15,0,300

Der zweite Prüfling ist Koax-Kabel-ähnlich und auch in Ringform:
torus,0,1,15,0,300 !innerer Leiter
torus,1,2,15,0,300 !innere Isolation
torus,2,3,15,0,300 !aeusserer Leiter
torus,3,4,15,0,300 !aeussere Isolation
Abgenommen werden soll hier der Spannungsunterschied zwischen inneren und äusseren Leiter.

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DerTom.jpg

Das Einbringen eines massiven Ringes in den durch die Helmholtz-Spulen erzeugten homogenen Feldraum kann man am besten zweidimensional untersuchen.

Wenn der Ring offen ist, (Vorstellung: einfach durchgesägt) (also keine Ringströme fließen können) lässt sich das dadurch nachbilden, dass in einem geschlossenen Ring der Summen-Strom null erzwungen wird. (Siehe Quelltext: dertom_3_offen.txt) Dann muss der Strom der Innenseite an der Außenseite zurück fließen.
Wenn der Ring geschlossen ist, wird kein Summen-Strom vorgegeben und der Strom fließt entsprechend Lenz-scher Regel entgegen dem verursachenden Strom (in den Spulen). (Siehe Quelltext: dertom_3_gesch.txt)
(Phasenlage der Ströme beachten!)

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Hallo wosch!

Können Sie bitte die Quelltexte dertom_3_offen.txt und dertom_3_gesch.txt mit anhängen, dass ich mir die mal anschauen kann.

Vielen Dank!

Thomas

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dertom_3_offen.txt dertom_3_gesch.txt

Die Dateien sind hochgeladen, werden aber nicht angezeigt.
Jetzt klappt es.

[Diese Nachricht wurde von wosch am 18. Mrz. 2005 editiert.]

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3D_m_Pruef.txt

Hallo wosch,

mit Ihren zahlreichen Hilfestellungen (Vielen Dank dafür!) konnte ich die Modellierung weiter vorantreiben.
Ich muss leider bei der 3-d-Modellierung bleiben (ist halt so gefordert).

Ich habe hierzu noch eine abschließende Frage:

Im Prüfling erhalte ich eine induzierte Spannung, die leider um den Faktor 10^6 vom analytischen Wert abweicht.

Es würde mich freuen, wenn Sie noch eine Idee hätten, woran das liegen könnte? (Das den Prüfling umgebende Feld hat die gewünschte Stärke.)

Vielen Dank!

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Die Last für den Prüfling (hier im Programm) ist dem Trick - in 2D einen offenen Ring zu modellieren - nachempfunden.
Das geht so in 3D nicht. Da muss der Ring eben offen modelliert werden, wenn er offen sein soll.

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Das war nur zu Testzwecken. Wenn der Ring nur zu 330° geschlossen ist, ändert dies auch nichts am Ergebnis. Habe es mehrmals mit unterschiedlichen Öffnungen versucht.

Ist die Last für den 3-D Prüfling so richtig aufgebracht (alle Knoten des Prfl. hinsichtlich VOLT koppeln und in einem den Strom 0 aufsetzen)?

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nein
einfach nichts vorgeben!

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Ok. Danke. Ich versuchs mal damit.

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Hallo,

ich hätte auch noch eine Frage zu den hier eingestellten Beispielen.
Ich möchte einen Permalloy bzw. Mu-Metall Zylinder in einem homogenem Magnetfeld untersuchen,
besser gesagt dessen Schirmungseigenschaften.
Sehe ich das richtig das ich die hier genannten Beispiele anwenden kann und dann meinen Zylinder
in Feld hinzufüge?
Was muss ich weiter noch beachten?

Michael

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Hallo,

ich nochmal. Ich konnte das Beispiel von oben an meine Bedürfnisse anpassen und habe den
Permalloy-Zylinder zwischen den Spulen plaziert. Was ich, mit meinen nicht vorhandenen Ansys
Kenntnissen, nicht ganz verstehe ist die Ergebnissdarstellung.
Wie bekomme ich Ansys dazu den mag. Fluss in meinem Zylinder bzw. die restliche Feldstärke im inneren des Zylinders dazustellen?

Michael

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Um Ergebnisse zu interpretieren braucht man physikalisches Verständnis, aber keine Ansys-Kenntnisse, diese wohl aber zur Erstellung eines Modells, das man mit Ansys rechnen möchte.
Der Betrag der Flussdichte lässt sich z.B. mit plnsol,b,sum darstellen.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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1.txt.txt

Hallo,

und schon mal vielen Dank für den Hinweis. Ich bin inzwischen etwas
vorangekommen, allerdings kommen mir die Ergebniss recht komisch vor.
Sollte bei dieser Anordnung das Feld bzw. die Flussdichte im Zylinder nicht recht gleichmäßig sein?

Zusätzlih hätte ich nich eine weitere Frage. Wie kann ich den Zylinder
drehen? Also z.B. in Richtung der X-Achse ausrichten?

Michael

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Die hier für die Vernetzung angenommene Volumennummerierung stimmt nicht mit der Realität überein, deshalb ist Unsinn im Ergebnis zu erwarten.

Der eingeschlagene Weg ist wegen der Größenverhältnise nicht zu empfehlen.
Hier wäre es sicher besser, ein homogenes Feld durch Vorgabe von Randbedingungen zu erzeugen und in den so aufbereiteten Raum das Rohr zu legen.

Vielleicht ließe sich das Problem auch zweidimensional axialsymmetrisch behandeln.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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25_11.txt

Hallo,

und danke. Die Nummerierung war falsch. Ich habe diese angepasst, wobei
ich bei dem Abschnitt -->Vernetung --> FL3 100 immer noch Probleme habe.
Wieso wird der Block nun aus 4 Teilen erstellt? Und wie kann ich diesen
mit z.B. plnsol,b,z plotten lassen? Wähle ich den Stab mit vsel an und nutze dann plnsol wird nichts geplottet. ( in der angehöngten Datei deswegen auskommentiert );

Zu dem anderen Ansatz: Ich habe in einem anderen Beitrag Beispiele für ein hom. B-Feld gefunden bei dem das Feld in einem Zylinder erzeugt wird? Kann ich dies als  Ansatz verwenden oder gibt es noch eine andere Lösung ohne Zusatzgeometrie ( also reine Randbedingungen für meinen Zylinder ) ?

Mit freundlichen Grüßen

Michael

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pro_2_4_1_4_3.txt

Ja, nun sind aber die Spulen nicht mit einer Stromdichte versorgt.

Ich empfehle doch die Variante mit einem durch Randbedingungen beaufschlagten Raum.
Auf der CD zum FEM für Praktiker Band4: Elektrotechnik 2. Auflage befindet sich die angehängte Datei. Mit ihr wird der Raum mit dem B-Feld versorgt. Dort lässt sich ein Körper (Rohr) einbringen und das resultierende Feld viel einfacher berechnen.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Hallo,

OK,soweit komme ich zurecht. Das Beispiel generiert ein Feld in Z-Richtung, ich bringe darin meinen Zylinder und einen Stab in der Mitte des Zylinders ein ( Zylinder soll die Shcirmstruktur sein (murx,2,50000 ) , der Stab soll denn Messsensor darstellen.
Jedoch habe ich am Stab immer noch die volle Feldstärke in der Simulation. Liegt das daran das der Quader das Feld an jedem Punkt erzeugt, also auch im inneren des Zylinders?

Mit freundlichen Grüßen

Michael

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Das kann ich mir nicht so recht vorstellen,
aber wenn ich den Quelltext bekomme, schaue ich ihn mir an.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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rohr1.txt

Hier eine Anregung für die Abschirmung.
Es gibt zwei Wirkungen:
1. durch hohes µ_rel des Rohres auch bei niedrigsten Frequenzen (auch bei Gleichfeld)
2. durch Wirbelströme bei guter elektrischer Leitfähigkeit des Rohres (nur bei Wechselfeld)
(Für weitere Betrachtungen sollte die Vernetzung dichter gemacht werden.)

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Hallo!

Ich bin gerade auf diese  Diskussion gestoßen und dabei sind mir direkt zwei Fragen eingefallen:

1. Wie könnte ich am geschicktesten ein Wechselfeld (z.B. 10Hz-1kHz) erzeugen?
2. Welche Spuleneigenschaften (Windungszahl, Wicklungshöhe/Breite etc.) bestimmen die Größe des Bereichs in dem das Feld (nahezu) homogen ist?

Viele Grüße
tose

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Ein näherungsweise homogenes Feld kann mit Helmholtz-Spulen erzeugt werden. (Beispiel dazu in FEM für Praktiker Band 4)

Die Frequenz ist eine Vorgabe für die Lösung und wird bei einer harmonischen Analyse nur angegeben und bei einer transienten Analyse als Zeitverlauf vereinbart.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Vielen Dank für die schnelle Antwort.
Ich habe die Aufgabe im Band 4: Anfang der Woche bearbeitet und frage mich welche Faktoren den Grad der Homogenität beeinflussen.

Mein Ziel ist einen Aufbau zu simulieren bei dem das Feld mit möglichst wenigen Windungen erzeugt wird, da ich darauf achten muss die Ladezeit der Spule möglichst gering zu halten. Ein kleines L ist daher wünschenswert. In meinen Berechnungen komme ich auf (nur) 5-10 Windungen und frage mich ob sich das negativ auf mein Feld auswirkt.

Viele Grüße
tose

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Die Anzahl der Windungen hat überhaupt keinen Einfluss auf die Feldausbildung.
Einen geringfügigen Einfluss hat der Querschnitt der Wicklungen.
Die Feldstärke in der Systemmitte wird durch die Abmessungen und die Durchflutung bestimmt.

(Vielleicht sollte man mal das Beispiel dazu analytisch (Grundlagen der Elektroechnik) rechnen.)

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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