Difference between revisions of "1. lecke példája"

Üzemanyag befecskendező mágnesszelep

Oktató

• Marcsa Dániel (óraadó)
• Előadás: -
• Fogadóóra: egyeztetés alapján

További oktatók:

• -
• Fogadóóra: -.

• FEMM (Finite Element Method Magnetics) - Bevezető
• FEMM és Scilab összekapcsolása
  

"Nationalism is an infantile disease. It is the measles of mankind." [Albert Einstein]

• Geometria elkészítése ANSYS SpaceClaim-el
• Feladat specifikálása ANSYS Discovery AIM segítségével
• Ez eredmények kiértékelése / Paraméterezés.

Az üzemanyag befecskendező mágnesszelep geometriája FEMM-ben.

[math]J=\frac{N\cdot I}{A}[/math],

ahol [math]N[/math] a menetszám, [math]I[/math] az egy menetre jutó áramerősség és [math]A[/math] a tekercs keresztmetszete. A gerjesztés másik megadási módja a Properties/Circuits menünél definiálni a tekercset, majd megadni hozzá a menetszámot. Ebben az esetben a FEMM automatikusan számolja a tekercshez kapcsolódó paramétereket (pl. induktivitás, fluxuskapcsolódás). A peremfeltétel (Properties/Boundary) ennél a példánál a feladat megoldásához használt [math]\vec{A}[/math] mágneses vektorpotenciál közvetlen előírása (Prescribed A) a peremen (Dirichlet vagy elsőfajú). A vektorpotenciál értéke nulla a peremen, ami annyit jelent, hogy a [math]\vec{B}[/math] mágneses fluxussűrűségnek csak tangenciális irányú komponense van.
Ha definiáltuk az anyagokat és a peremfeltételt az Operation/Block menüre váltva megadjuk a feladat tartományait. Majd a tartományok (Block) vagy peremek (Segment) jobb egérgombbal történő kijelölése utána a Space lenyomásával tudjuk definiálni a tartományhoz / peremhez tartozó anyagot / peremfeltételt.
Ha mindezzel megvagyunk mentsük el a feladatot.

A feladat elkészítése után a diszkretizálás következik. A hálót a Mesh/Create Mesh menü segítségével tudjuk elkészíteni. A FEMM-ben is van lehetőség a tartományra/peremre megadni a végeselem méretét, de ebben az esetben megfelelő lesz az alapháló. A hálózást követően az Analyzis/Analyse menüvel tudjuk elindítani a megoldót.

A mágneses fluxussűrűség és az ekvipotenciális vonalak a mágnesszelepben.

A mágneses fluxussűrűség vektorok és a mágneses térerősség eloaszlása.

[math]L=\frac{2\cdot W_{\text{m}}}{I^2}[/math],

ahol [math]W_{\text{m}}[/math] a teljes rendszer mágneses energiája, [math]I[/math] a gerjesztőáram. Az induktivitás meghatározásához először meghatározzuk a mágneses energiát (Magnetic field energy), amit a FEMM segítségével számolunk. Ehhez az összes tartományt kijelöljük, majd az integrálás (Integrate menü) ablakban kiválasztjuk a mágneses energiát. Az így kapott értéket behelyettesítve kapjuk az tekercs induktivitását a vasmag adott pozíciójában.
A vasmagra ható erőt felületi és görbére vett integrálás segítségével is meghatározható. Felületi integrálás esetében azt a tartományt (vasmag) kell kijelölni, ahol szeretném az erőt meghatározni. Azonban az integrálásnál mindkét esetben a Maxwell-féle feszültségtenzorral (Force via Weighted Stress Tensor) kell számolni.

Az üzemanyag befecskendező mágnesszelep geometriájának keresztmetszete.

A feladat geometriájának elkészítése itt nem kerül részletezésre, csak a gerjesztéshez későbbi megadásához szükséges lépések, amelyek nem egyérteműek, kerülnek részletezésre. Azt azonban fontos megjegyezni, hogy a SpaceClaim tudja kezelni az ékezetes betűket (magyar ABC), de a Discovery AIM nem. Tehát fontos ügyelni arra, hogy csak az angol ABC betűi szerepeljenek az elnevezésekben.

Háromdimenziós esetben a tekercs egy keresztmetszetére írom elő a gerjesztést. Ehhez először egy síkor hozunk létre a tekercs-vasmag elrendezés keresztmetszetében a Design - Plane ikon segítségével. Ezt követően a baloldalon található Szerkezet (Structure) ablakban a Tervkomponensre (struktúra fa gyökérébe) kattintva hozzáadunk egy új komponenst (New Component). Az új komponens tulajdonságai között (új komponensre kattintva Tulajdonságok (Properties)) a Topológia megosztása (Shared Topology) legyen Megosztásra (Shared) állítva. Ha ezt megtettük, a tekercset húzzuk bele (drag and drop) az új komponensbe. Majd a következő lépésként rajzoljuk meg a tekercs keresztmetszetét felhasználva az elrendezés metszeti nézetét. Ha megrajzoltuk a tekercs keresztmetszetét, annak is az új komponens fájában kell lennie. Ennek köszönhetően az ANSYS Discovery AIM a megrajzolt felületet a tekercs keresztmetszeteként fogja kezelni, így erre a felületre előírható a gerjesztés. Végül a Tervkomponensre kattintva jobbegérgombbal válasszuk ki az Aktív komponens (Active Component) lehetőséget, hogy a teljes geometria aktív legyen, ne csak az újonnan létrehozott komponens. Valamint itt lehet paraméterezni a geometria méreteit és egymáshoz képesti helyzetét, tehát például a vasmag mozgásának figyelembevételét.

Az ANSYS Discovery AIM elindítását követően válasszuk az Electromagnetics lehetőséget. Ezt követően a szoftver végigvezet minket a teljes szimuláción, emiatt minden lépés nem kerül részletezésre.

A geometria importálását követően a feladat típusa Electromagnetic, a forrás Applied current és DC. A feladat termikus viselkedése Constant temperature és opcióként válasszuk ki az erő (Compute force) és induktivitás (Compute inductance) számítást. Majd legvégül válasszuk a Create surround automatically opciót. Ez a lehetőség akkor fontos, ha a méretek vagy pozíció változni fog a szimuláció során.

Az első beállításokat követően az anyagokat kell definiálni az egyes tartományokra. Háromdimenziós feladatnál fontos, hogy térfogatokra (Volume) definiáljuk az anyagtulajdonságokat. Majd a Finish gombra kattintva létrehozzuk a feladatot. Azonban a Physics beállításainál még definiálni kell hol számoljuk az erőt és a gerjesztés megadása is hiányzik. Az erő számításánál a vasmagot kell kijelölni, a számítási mód a Virtual (Virtuális munka elve). Majd ezt követően a gerjesztés kell definiálni a tekercsbe berajzolt keresztmetszetre. Itt az áramerősséget és a menetszámot kell megadni, amiből a szoftver a FEMM-nél található képlet alapján az áramsűrűséget meghatározza. A keresztmetszet kiválasztásához javasolt a lezárás és a tekercs elrejtése (Hide Body).

Ha ezekkel készen vagyunk és mindent (megfelelően) definiáltunk, akkor a piros mező felkiáltójellel átvált sárga mezőre, benne egy fekete villámmal. Már csak a megoldás van hátra (Solve Physics). A megoldó beállításai maradhatnak az alapbeállításon, illetve a diszkretizálással se kell törődni, mert a megoldó adaptívan finomítja a felbontást.

A megoldást követően az eredményt (Results) is frissíteni kell. Ekkor történik meg az AIM-ben alapbeállításként definiált ábrákhoz a térváltozók és az általunk beállított mennyiségek kiszámítása. Tehát ebben az esetben az erő vagy az induktivitás meghatározása automatikusan történik az előzetes beállítások alapján. A különböző térváltozók tetszőleges felületre, térfogatra vagy előre definiált keresztmetszetre kirajzoltathatóak, ahogy a lenti két kép is mutatja. Az ábrák a mágnesszelep középében mutatják a térváltozókat, így összehasonlítható a FEMM-nél kapott eredményekkel.

A mágneses fluxussűrűség a mágnesszelepben.

A mágneses fluxussűrűség vektorok és a mágneses térerősség eloaszlása.

"Nationalism is an infantile disease. It is the measles of mankind." [Albert Einstein]

A FEMM esetében hosszú és fáradságos mindig újrarajzolni a geometriát, ahhoz, hogy vizsgálható legyen a két számolt mennyiségek a vasmag pozíciójának függvényében (De természetesen kézzel, egyesével is megoldható.). Ehelyett célszerűbb ezt egy szkript (Lua - ez a FEMM beépített programozási nyelve; Scilab; GNU Octave - ezek szabadon hozzáférhetőek) segítségével megoldani. Az eredeti feladaton annyit kell ehhez módosítani, hogy a Vasmag mint tartomány és annak vonalai, pontjai egy csoportban (In Group) legyenek. Majd ez a csoport már egyszerre kijelölhető a mi_selectgroup(csoport száma) paranccsal és az mi_movetranslate(dr,dz) paranccsal elmozgatható egy újabb pozícióba. A vasmag elmozgatásából kapott eredményeket a lenti kép mutatja. Az erőnek a z-irányú komponensét ábrázoltuk, ami előjelet is vált a két végállapot között. Az induktivitásnak pedig a vasmag 0 mm pozícióban van maximuma, mert akkor a legkisebb a mágneses ellenállása (reluktanciája) a rendszernek.