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Hallo zusammen!

Im Rahmen meiner Studienarbeit versuche ich die resultierende Kraft auf den Anker eines elektromagnetischen Injektors mit ANSYS Workbench 12 zu berechnen. Ich bin Anfänger in der FEM und habe mich mithilfe von Tutorials und Büchern in ANSYS WB eingearbeitet. Leider bekomme ich keine realitätsnahen Ergebnisse.

Zu meiner Vorgehensweise:
1. Habe das CAD-Modell des Injektors aus Pro/E per .iges-File importiert und zu einem Part (8 Bodies) zusammengefügt, Materialien zugewiesen
2. Modell an der Symmetrieebene halbiert
3. 'Enclosure' eingefügt
4. Netz generieren lassen
5. Spulenkörper als 'Source Conductor' definiert
6. Strom (20 A) und Spannung (0 V) auf die beiden Schnittflächen aufgeprägt
7. 'Magnetic Flux Parallel' Bedingung auf alle Außenflächen der Enclosure gelegt
8. Lösen lassen

Es kommen total realitätsfremde Ergenbisse raus. Aus einem Prüfstandsversuch ist die Kraft, die herauskommen muss, in etwa bekannt.

Soweit ich das nachvollziehen kann, liegt es an der Modellierung bzw. Definition der Spule. Die Spule besteht aus einem beschichteten Kupferdraht (d=0,4 mm) mit 480 Windungen. Die Windungen liegen also sowohl neben- als auch übereinander. Diese Spule wird mit 20 A (24 V) gespeist. Im CAD-Modell ist die Spule nur als 'Platzhalter' ausgeführt, es sind keine Windung o. ä. modelliert.

Meine Frage nun: Wie modelliere ich so eine Spule am besten mit Workbench? Habe beide Methoden ('solid' und 'stranded') ausprobiert und komme mit beiden nicht weiter.

Ich wäre um jede Hilfe oder Anregung dankbar.

Grüße
Christoph

[Diese Nachricht wurde von Christoph-0815 am 13. Okt. 2010 editiert.]

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Hallo,

die Vorgehensweise ist zunächst mal richtig. Die Spule wird einfach als Volumenkörper modelliert. Vermutlich ist das Ergebniss, dass eine zu kleine Kraft berechnet wird.
Das liegt daran, das der Strom in Windungsampere vorgegeben werden muss. Also der Strom der pro Windung fließt multipliziert mit der Windungsanzahl. Allerdings kann ich mir schwer vorstellen, dass bei einem Drahtdurchmesser von d=0.4mm ein Strom von 20 A fließen soll.
Der Unterschied zwischen Solid und Stranded liegt darin, dass bei Stranded eine konstante Stromdichte über den gesamten Querschnitt angenommen wird. Wäre in deinem Fall die bessere Wahl.

Viele Grüße
simulmi

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Matthias Ulmer
Institut für Feinwerktechnik
Universität Stuttgart

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Spulen_AWE2.0.0.pdf

siehe Anhang

wobei man nicht für jeden Spulenkörper eine eigene Spule definieren muss, mann kann alle Spulenkörper zu einer Spule zusammenfassen (Einfach alle Spulenkörper bei der Geometrieauswahl markieren).

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Viele Grüße         
Achim              PS: Als Anerkennung für einen Beitrag freu' nicht nur ich mich über Unities

Was ist der Unterschied zwischen Theorie und Praxis?
Theorie ist, wenn man alles weiß und nichts funktioniert
Praxis ist, wenn alles funktioniert und keiner weiß warum (Autor nicht bekannt)

[Diese Nachricht wurde von Achim007 am 14. Okt. 2010 editiert.]

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Zunächst mal vielen Dank.

Der Strom, der fließt, müsste ja theoretisch in jeder Windung konstant sein. Damit würde ich auf eine Durchflutung von 480 Windungen * 20 Ampere = 9600 Windungsampere kommen. Ist das korrekt?

Soweit ich es nachvollziehen kann, muss man bei der Option 'stranded' mindestens eine Windung geometrisch modellieren. Nun ist die Geometrie der Windungen bei 480 Windungen nicht konstant. Müsste ich dann eine "gemittelte" Windung modellieren? Ich kann ja nicht hergehen und 480 Windungen modellieren.

Zu der Option 'solid'. Ich habe bei 'Number of turns' jetzt mal 480 eingegeben (Current = 20 A; Voltage = 0 V) und bekomme mit diesem Wert zumk ersten mal vernünftige Ergebnisse. Ist diese Vorgehensweise richtig? Ich dachte immer, dass bei 'solid' die Spule als Block aufgefasst wird und somit 'Number of turns' immer gleich 1 ist.

@simulmi: Im Idealfall sollten nachher 20 Ampere bei dieser Drahtdicke (d=0,42 mm) fließen. Falls sich die Spule zu stark aufheizt, müssen noch Änderungen vorgenommen werden. Momentan werden Versuche mit 480 Windungen, d=0,42 mm und 7 Ampere (Peak) gefahren und das funktioniert ganz gut. Das Steuergerät und der Verstärker werden wohl eh nicht in der Lage sein, in der kurzen Zeit beim Boosten (t=1...1,5 ms) 20 Ampere zur Verfügung zu stellen. Realistsich ist eher 5 bis 7 Ampere.

Es muss halt eine bestimmte Kraft auf den Anker arzeugt werden. Wie der Kompromiss aus Windungsanzahl, Drahtdicke, Stromstärke etc. aussieht, ist noch offen. Nur der Bauraum der Spule und das Steuergerät/Endstufe ist vorgegeben.

Vielen Dank schonmal!
Christoph

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Hallo,

die Spule prinzipiell immer als ein Volumenkörper mit den Abmessungen der Spule modellieren. Dann kannst du entscheiden ob Solid oder Stranded. Bei Stranded hast du eine konstante Stromdichte über deinen Querschnitt. Solid solltest du nur nehmen wenn auch ein massiver Kupferleiter vorliegt. In deinem Fall also stranded.
Ob du nun die Windungsanzahl vorgibst und den Strom pro Windung oder ob du bei einer Windung die Windungsampere vorgibst ist im Prinzip egal.

Wie in der Anleitung von Achim bereits erwähnt darauf achten, dass je nach Spulengeometrie ein entsprechendes Koordinatensystem definiert wird.

Viele Grüße
simulmi

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Matthias Ulmer
Institut für Feinwerktechnik
Universität Stuttgart

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Ok, danke. Ich muss die Spule also 'stranded' modellieren.

Wieviele Windungen muss ich denn jetzt als geometrischen Körper modellieren? Eine gemittelte (z.B. mit mittlerem Durchmesser)? Oder alle 480 (das hoffe ich nicht)?

Reicht es denn z.B. auch, wenn ich dem Spulenkörper ein lokales KS in Zylinderkoordinaten (y-Richtung in Stromrichtung) zuweise, die Querschnittsfläche des Kupferdrahts (Conducting area) und die Windungszahl (Number of turns) angebe?

Eine exakte geometrische Nachbildung der Spule mit allen Windungen etc. wäre ja sehr, sehr aufwendig.

Grüße
Christoph

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Hallo,

einfach die Spule mit ihren Außenabmessungen als Volumenkörper Modellieren.

Beim KOS kommt es darauf an wie die Geometrie deiner Spule ausschaut. Wie schaut den die Geometrie aus? Ggf. einen Screenshot hier einstellen.

Gruß simulmi

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Matthias Ulmer
Institut für Feinwerktechnik
Universität Stuttgart

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Hier sind Screenshots. Im ersten sieht man die die Geometrie der Spule und im zweiten die Koordinatensysteme.

Grüße
Christoph

[Diese Nachricht wurde von Christoph-0815 am 15. Okt. 2010 editiert.]

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Hallo,

bei dieser rotationssymmetrischen Anordnung das Spulen-Koordinatensystem im Ursprung belassen und wie bereits geschehen die y-Achse als Rotationsachse definieren.

Gruß simulmi

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Matthias Ulmer
Institut für Feinwerktechnik
Universität Stuttgart

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Hallo,

das Koordinatensystem habe ich in den Ursprung verschoben. Das müsste jetzt passen. Muss ich jetzt noch Windungen modellieren oder nicht bzw. wie komme ich am besten zu meinem fertigen 'Spulenmodell'?

Vielen Dank für die Hilfe!

Grüße
Christoph

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Die Spule ist fertig!

Den Volumenkörper als Source Conductor definieren, dann als Stranded markieren, Windungsanzahl eingeben und einen Strom definieren.

Es werden keine Windungen oder ähnliches gebraucht!

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Matthias Ulmer
Institut für Feinwerktechnik
Universität Stuttgart

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Vielen Dank erst mal!

Ich habe die Spule jetzt mit folgenden Daten gefüttert:

Conductor Type: Stranded
Number of Turns: 480
Conducting Area: 1,3854e-007 m^2 (Kreisfläche Draht mit d=0,42 mm)
Current: 20 A

--> Die resultierende Kraft ist viel zu hoch.

Wenn ich den Strom durch die Anzahl der Windungen teile:

Current: 20/480 A,

die anderen Angaben so belasse wie oben:

Conductor Type: Stranded
Number of Turns: 480
Conducting Area: 1,3854e-007 m^2 (Kreisfläche Draht mit d=0,42 mm)

und es nochmals rechnen lasse, bekomme ich ein sinnvolles Ergebnis (juhu!).

Ich muss also den Strom durch die Anzahl der Windungen teilen (Strom pro Windung?)?
Ist das richtig?

Grüße
Christoph

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Hallo,

nein die Conducting Area ist falsch. Diese Conducting Area ist die Spulenquerschnittsfläche, nicht die Kreisfläche vom Draht.

Gruß simulmi

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Matthias Ulmer
Institut für Feinwerktechnik
Universität Stuttgart

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Tausend Dank! Jetzt funktioniert mein Modell und ich bekomme sinnvolle Ergebnisse. Ich dachte immer, die 'Conducting Area' wäre die Querschnittsfläche vom Draht...

Vielen Dank für Ihre schnelle Hilfe!!! Ich bin so glücklich 

Viele Grüße und ein schönes Wochenende!!!
Christoph

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