Difference between revisions of "Féléves feladat"

From Maxwell
Jump to: navigation, search
(A féléves feladat)
Line 2: Line 2:
 
|-
 
|-
 
| colspan=2 align=center |
 
| colspan=2 align=center |
<font color='blue' size='+2'>Mágnesszelep vizsgálata</font>
+
<font color='blue' size='+2'>Analysis of Shunt Resistor</font>
 
{| align="left"
 
{| align="left"
 
  | __TOC__
 
  | __TOC__
Line 8: Line 8:
 
|- valign=top
 
|- valign=top
 
| width=50% |
 
| width=50% |
'''Oktató'''
+
'''Instructor'''
* [http://wiki.maxwell.sze.hu/index.php/Marcsa Marcsa Dániel] (óraadó)
+
* [http://wiki.maxwell.sze.hu/index.php/Marcsa Dániel Marcsa] (lecturer)
* Előadás: -
+
* Lectures: -
* Fogadóóra: egyeztetés alapján
+
* Office hours: by request
 
| width=50% |
 
| width=50% |
'''További oktatók:'''
+
'''Teaching Assistants:'''
 
* -
 
* -
* Fogadóóra: -.
+
* Office hours: -.
 
|}
 
|}
 +
<blockquote>
 +
=== Aim of Assignment ===
 +
Students will learn the basics of electromagnetic field calculations, their main steps, and gain practice in evaluating results and writing a Technical Report that meets international expectations.
  
=== A feladat célja ===
+
=== Knowledge needed to solve the problem ===
A hallgatók elsajátítsák az elektromágneses térszámítás alapjait, főbb lépéseit, valamint gyakorlatot szerezzen az eredmények kiértékelésében és a nemzetközi elvárásoknak megfelelő Műszaki Jelentés (Technical Report) írásában.
+
* The main steps of the finite element method;
 
+
* Theoretical knowledge of the static magnetic field (for defining materials, for excitation);
=== A feladat megoldásához szükséges ismeretek ===
+
* Knowledge of CAD system to create geometry;
* A végeselem-módszer lépései;  
+
* Download and install [https://www.ansys.com/academic/students/ansys-electronics-desktop-student Ansys Electronics Desktop Student].
* A sztatikus mágneses térre vonatkozó elméleti ismeretek (anyagok definiálásához, gerjesztés megadásához);
 
* A geometria elkészítéséhez CAD rendszer ismerete;
 
* Az [https://www.ansys.com/academic/free-student-products ANSYS AIM Student] vagy [http://www.femm.info/wiki/HomePage FEMM] letöltése és telepítése.
 
<div style="font-size:92%; line-height: 1.3em;">
 
<blockquote>
 
; '''ANSYS Discovery AIM Student rendszerkövetelmények:'''
 
* ''Operációs rendszer:''
 
** Microsoft Windows 10 (64-bit)
 
* ''Minimális hardvare követelmény:''
 
** Intel&reg; Core&trade; i7
 
** 4GB RAM
 
** 25GB szabad merevlemez-terület
 
** OpenGL-re képes
 
</blockquote>
 
</div>
 
  
=== A féléves feladat ===
+
=== The Semester Assignment ===
  
A feladat két részből áll, egy alapfeladatból, amely hibátlan megoldásával maximum 70%, és egy plusz feladatból, amivel további maximum 30% érető el.
+
The task consists of two parts, a basic task, with a faultless solution of up to 70%, and an extra task, with an additional maximum of 30%.
  
{| class="wikitable"
+
{| class = "wikitable"
| '''Leadási határidő:'''
+
| '''Deadline'''
| 2020. május 11., 23:59
+
| -
 
|-
 
|-
| '''Leadás formája:'''
+
| '''Output Form:'''
| PDF formátumban. A színes ábrákat úgy kell elkészíteni, hogy fekete-fehérben kinyomtatva is világos legyen a tartalmuk az olvasó számára.
+
| PDF format. Color drawings should be made so that their contents are clear to the reader in black and white.
 
|-
 
|-
| '''Benyújtás nyelve:'''
+
| '''Language'''
| Magyar
+
| English
 
|-
 
|-
| '''Benyújtás helye:'''
+
| '''Place of submission:'''
| <span style="color:red">A [https://szelearning.sze.hu/sze-login/index.html '''Moodle rendszerben'''] kiírt feladatnál.</span>
+
| <span style="color:red">In [https://szelearning.sze.hu/sze-login/index.html '''Moodle system'''].</span>
 
|-
 
|-
| '''Késői benyújtás:'''
+
| '''Late submission:'''
| Minden megkezdett nap után 5% levonás az elért eredményből (azaz pl. 5 nap késés után 100%-os leadandóra már csak max. 100% - 5x5% = 75%-ot lehet szerezni).
+
| After every day started, a 5% deduction from the achieved result (i.e. after 5 days delay 100% can only be obtained up to 100% - 5x5% = 75%).
 
|-
 
|-
| rowspan="5" | '''Értékelés:'''
+
| rowspan = "5" | '''Evaluation:'''
| 0 – 50% - Elégtelen (1)
+
| 0 - 48% - Insufficient ['''F'''] (1)
 
|-
 
|-
| 51 – 60% - Elégséges (2)
+
| 50 - 59% - Sufficient ['''D'''] (2)
 
|-
 
|-
| 61 – 70% - Közepes (3)
+
| 60 - 70% Satisfactory ['''C'''] (3)
 
|-
 
|-
| 71 85% - (4)
+
| 71 - 84% Good ['''B'''] (4)
 +
|-
 +
| 85 - 100% - Very good ['''A'''] (5)
 +
|- style = "color: red"
 +
| colspan = "2" | For the formal requirements, the requirements of CFD and mechanics are also valid here.
 +
|}
 +
</blockquote>
 +
 
 +
== Part I of the Assignment - 80% ==
 +
<blockquote>
 +
==== Calculating the resistance and the total loss of the shunt resistor by finite element method ====
 +
[[File: CAE_SA_ShuntResistor_2022Spring.png | 800px | thumb | left | alt = ''Figure 1.'' - The geometry and dimensions of the task. | The geometry and dimensions of the task.]]
 +
 
 +
The geometry dimensions for your task you can find in the following table: [https://docs.google.com/spreadsheets/d/1cieVgmu9ALZBLYRZyxL-eHe27nOpavBuOGftaLXCC9I/edit?usp=sharing '''Semester Assigment'''].
 +
 
 +
This task is a DC current conduction problem. The solved equation is
 +
 
 +
<math>\nabla\cdot\sigma\nabla \varphi=0</math>
 +
 
 +
with following boundary conditions
 +
 
 +
<math>\vec{J}\cdot\vec{n}=-J_{\text{n}}</math> on <math>\Gamma_{\text{J}}</math> (''This is the input'')
 +
 
 +
and
 +
 
 +
<math>\varphi=U_0 = \text{0 V}</math> on <math>\Gamma_{\text{E}}</math> (''This is the output''),
 +
 
 +
where <math>J_{\text{n}}</math> is the current density calculated from the specified current excitation.
 +
 
 +
The task: determine the voltage drop, the resistance and the ohmic loss of the problem.<br \>
 +
The voltage drop is the potential difference between the two terminals of the arrangement. You can determine resistance using Ohm's law:
 +
 +
<math>R = \frac{U}{I}</math>,
 +
 
 +
then the ohmic loss
 +
 +
<math>P = I^2\cdot R</math>
 +
 
 +
where <math>U</math> is the voltage drop, <math>I</math> is the current and <math>R</math> is the resistance.
 +
 
 +
{| class="wikitable"  style="text-align: center; width: 1000px; height: 80px;"
 +
|+ Bulk conductivity of materials.
 +
! Material
 +
! Titanium
 +
! Copper
 +
! Aluminum
 +
! Copper-manganin alloy
 
|-
 
|-
| 86 – 100% - Jeles (5)
+
! <math>\sigma~[\text{MS/m}]</math>
|- style = "color:red"
+
| 1.82 || 58 || 38 || 20.833
| colspan="2" | A formai követelmények tekintetében itt is az áramlástan és a mechanika résznél megismert elvárások érvényesek.
 
 
|}
 
|}
  
== Feladat I. része ==
+
'''Tasks'''
==== A mágnesszelep dugattyujára ható erő számítása végeselem-módszerrel ====
+
* Draw the geometry based on the specified dimensions.
[[File:ProblemGeometry.png|360px|thumb|left|alt=A feladat geometriája és méretei.|A feladat geometriája és méretei.]]
+
* Define the problem based on the given material parameters and boundary conditions;
A feladat hengerszimmetrikus a függőleges (<math>z</math>) tengelyre, így ennek megfelelően kell elkészíteni a háromdimenziós geometriát a megadott méretek szerint (lásd az ábrán).
+
* Creating and specifying the task geometry in [https://www.ansys.com/academic/students/ansys-electronics-desktop-student Ansys Electronics Desktop Student];
 +
* Run the FEM simulation;
 +
 
 +
The parameters listed in the task can be calculated with the '''Maxwell 3D - DC Conduction''' solver and the '''Q3D Extractor - DC''' solver.
  
'''Elvégzendő feladatok'''
+
{| width = 100%
 +
|-
 +
| align = center |
 +
[[Image: CAE SA EMSolutions 2022Spring.png | 650px]]
 +
|-
 +
| align = center | <span style="font-size:88%;>''' ''Figure 2.'' - Possible solution (''Left - Maxwell 3D, Right - Q3D Extractor).'''</span>
 +
|}
  
* A megadott paraméterek alapján meghatározni a feladat típusát;
+
{| class="wikitable"  style="text-align: center; width: 1000px; height: 80px;"
* A feladat geometriájának elkészítése és specifikálása az [https://www.ansys.com/products/3d-design/ansys-aim ANSYS Discovery AIM]('''3D''') vagy [http://www.femm.info/wiki/HomePage FEMM]('''2D''') programban;
+
|+ Results of the test example.
* A FEM szimuláció futtatása;
+
! Quantities
* Az eredmények validálása 2mm-es légrés esetében.
+
! Voltage drop [mV]
{| class="wikitable"  style="text-align: center; width: 600px; height: 100px;"
+
! Resistance [<math>\text{n}\Omega</math>]
|+ A szimulációval kapott eredmények.
+
! Ohmic loss [W]
! Szoftver
+
|-
! Discovery AIM
 
 
! Maxwell 3D
 
! Maxwell 3D
! FEMM
+
| 10.9927 || 18.3211 || 6.5956
! Maxwell 2D
 
 
|-
 
|-
! Erő [N]
+
! Q3D Extractor
| 3,586 || 3,582 || 3,542 || 3,587
+
| 10.9759 || 18.2931 || 6.5855
 +
|}
 +
 
 +
{| width=100%
 
|-
 
|-
! Induktivitás [mH]
+
| align=center |
| 39,88
+
[[File:CAE SA ShuntResistor Maxwell Loss.png|750px]]
| 39,84
+
| align=center |
| 39,71
+
[[File:CAE SA ShuntResistor Q3D Loss.png|750px]]
| 39,84
+
|-
 +
|align=center | <span style="font-size:88%;">'''''[https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-maxwell Ansys Maxwell 3D]'' - Ohmic loss on the surface of shunt resistor.'''</span>
 +
|align=center | <span style="font-size:88%;">'''''[https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-q3d-extractor Ansys Q3D Extractor]'' - Ohmic loss on the surface of shunt resistor.'''</span>
 
|}
 
|}
  
* A megoldó beállításainak vizsgálata (''Solution performance tuning'', ''Curved surface meshing'') az erő függvényében ('''AIM'''); A lezárás méretének és a háló sűrűségének (csomópontok [''Nodes''] vagy háromszögek [''Elements''] száma) vizsgálata az erő függvényében ('''FEMM''');
+
</blockquote>
* A végeselemek száma (''Tetrahedra''; ''Elements''), az energia (''Total Energy''), az energiahiba (''Energy Error'' - '''AIM''') és az energiahiba megváltozása (''Delta Energy'' - '''AIM''') az adaptív lépések függvényében a két szélső esetben;
+
 
 +
== Part II of the Assignment - 20% ==
 +
<blockquote>
 +
In the student version of Ansys EM, Icepak provides an opportunity to study the thermal phenomena of the task. '''[https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-icepak Ansys Icepak]''' is a general CFD solver with specific capabilities for testing the heating and cooling of electronic circuits (PCB / power module).
  
* az eredmények feldolgozása (post-processing) [lentiek közül legalább kettő legyen a jelentésben]:
+
The task has a natural convection cooling. The excitation is the ohmic loss from the electromagnetic simulation.
::1) az erő és induktivitás meghatározása;
 
::2) az ekvipotenciális vonalak megjelenítése;
 
::3) a mágneses fluxussűrűség maximumának és minimumának megjelenítése;
 
::4) a mágneses térerősség értékének megjelenítése;
 
::5) a mágneses fluxussűrűség vektorok megjelenítése.
 
  
* Egy Műszaki Jelentés (Technical Report) elkészítése a megadott instrukciók alapján, a fenti eredmények felhasználásával.
+
{| class="wikitable"  style="text-align: center; width: 1000px; height: 80px;"
 +
|+ Thermal properties of materials.
 +
! Material
 +
! Titanium
 +
! Copper
 +
! Aluminum
 +
! Copper-manganin alloy
 +
|-
 +
! <math>\rho~[\text{kg}/\text{m}^3]</math>
 +
| 4500 || 8933 || 2689 || 8400
 +
|-
 +
! <math>c_{\text{P}}~[\text{J}/(\text{kg}\cdot\text{°C})]</math>
 +
| 522 || 385 || 951 || 410
 +
|-
 +
! <math>\lambda~[\text{W}/(\text{m}\cdot\text{°C})]</math>
 +
| 21 || 400 || 237.5 || 22
 +
|}
  
Megj.: A “Feladat I. részének” elemei a gyakorlat során részletesen áttekintésre kerülnek, hogyan kell egy elektromágneses feladat szimulációs modelljét elkészíteni és lefuttatni. Ez alapján a hallgatók könnyedén tudják a “Feladat I. részét” teljesíteni, ha látogatják a gyakorlatokat.
+
The table below shows the result of the thermal simulation.
  
'''Megj.:''' <span style="color:red">''A feladatban a vasmag ('''Core''') és a tekercs ('''Coil''') érintkezik. Ez kétdimenziós (hengerszimmetrikus) feladatnál nem okoz problémát, de a háromdimenziós példánál emiatt az áram nem csak a tekercsben hanem a vasmagban is folyik. Ennek kiküszöbölésére az ANSYS Discovery AIM szoftverben a '''Physics Definition - Electromagnetic Conditions - Insulating''' peremfeltételt kell alkalmazni a tekercsre (célszerű a tekercs térfogatára alkalmazni).''</span> <br />A valóságban is szigetelő veszi körül a tekercset, amit jellemzően nem modellezünk a feladatban, helyette peremfeltételt alkalmazunk.
+
{| class="wikitable"  style="text-align: center; width: 1000px; height: 80px;"
 +
|+ Results of the test example.
 +
! Quantities
 +
! Max. temperature [°C]
 +
! Min. temperature [°C]
 +
! Max. velocity [m/s]
 +
|-
 +
! Maxwell 3D + Icepak
 +
| 75.9284 || 71.3658 || 0.2881
 +
|-
 +
! Q3D Extractor + Icepak
 +
| 75.8669 || 71.3002 || 0.2880
 +
|}
  
; '''A feladathoz tartozó paraméterek:'''
 
: Levegő és tekercs relatív permeabilitása <math>\mu_r = 1</math>;
 
: A tekercs gerjesztése ('''Az eredmények validálásához''')): <math>I = 0.76~\text{A}</math>, <math>N = 789~\text{menet}</math> (''egyenfeszültség'');
 
: A vasmag és a szelep mágnesezési görbéje:
 
: {| class="wikitable" style="text-align: center;"
 
 
{| width=100%
 
{| width=100%
 
|-
 
|-
 
| align=center |
 
| align=center |
[[Image:BHCurve Steel1008 wData.png|650px]]
+
[[File:CAE SA ShuntResistor Maxwell Temp.png|750px]]
 +
| align=center |
 +
[[File:CAE SA ShuntResistor Q3D Temp.png|750px]]
 
|-
 
|-
|align=center | <span style="font-size:88%;>''' ''Ábra 1.'' - Steel 1008 acél mágnesezési görbéje.'''</span>
+
|align=center | <span style="font-size:88%;">''' ''[https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-maxwell Ansys Maxwell 3D] + [https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-icepak Ansys Icepak]'' - Temperature distribution on the surface of shunt resistor.'''</span>
 +
|align=center | <span style="font-size:88%;">''' ''[https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-q3d-extractor Ansys Q3D Extractor] + [https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-icepak Ansys Icepak]'' - Temperature distribution on the surface of shunt resistor.'''</span>
 
|}
 
|}
  
== Feladat II. része ==
+
Here you can find the archive file of test example: [https://drive.google.com/file/d/1-lZzCZwFssZxERUNK1P4iHuyRgSSROd3/view?usp=sharing Shunt Resistor] (''Ansys EM Student 2021 R2'').
  
A szelep mozgó részére ható erő és a tekercs induktivitásának meghatározása az elmozdulás függvényében.
+
</blockquote>
  
Megjegyzés: Ez a feladat a belsőégésű motorokban található mágnesszelepnek felel meg, ami a befecskendezést vezérli.
+
==References==
; Konkrét feladatok:
+
{{reflist}}
* A dugattyú mozgásának figyelembevétele a kezdeti állapothoz (2 mm-es légrés) képest <math>-1,8\text{mm-től}\, 10\text{mm-ig}</math> ('''legalább''' 7 pozícióban). Részletes instrukciók a megoldással kapcsolatban nem lesznek.
 
* Ez a részfeladat azt szándékozik lemérni, hogy mennyire önálló, kezdeményező és szorgalmas a hallgató, azaz:
 
*# képes-e a hallgató önálló munka elvégzésére;
 
*# a szimulációt egyedül megtervezni, összeállítani és lefuttatni.
 

Revision as of 13:28, 17 February 2022

Analysis of Shunt Resistor

Instructor

Teaching Assistants:

  • -
  • Office hours: -.

Aim of Assignment

Students will learn the basics of electromagnetic field calculations, their main steps, and gain practice in evaluating results and writing a Technical Report that meets international expectations.

Knowledge needed to solve the problem

  • The main steps of the finite element method;
  • Theoretical knowledge of the static magnetic field (for defining materials, for excitation);
  • Knowledge of CAD system to create geometry;
  • Download and install Ansys Electronics Desktop Student.

The Semester Assignment

The task consists of two parts, a basic task, with a faultless solution of up to 70%, and an extra task, with an additional maximum of 30%.

Deadline -
Output Form: PDF format. Color drawings should be made so that their contents are clear to the reader in black and white.
Language English
Place of submission: In Moodle system.
Late submission: After every day started, a 5% deduction from the achieved result (i.e. after 5 days delay 100% can only be obtained up to 100% - 5x5% = 75%).
Evaluation: 0 - 48% - Insufficient [F] (1)
50 - 59% - Sufficient [D] (2)
60 - 70% Satisfactory [C] (3)
71 - 84% Good [B] (4)
85 - 100% - Very good [A] (5)
For the formal requirements, the requirements of CFD and mechanics are also valid here.

Part I of the Assignment - 80%

Calculating the resistance and the total loss of the shunt resistor by finite element method

The geometry and dimensions of the task.

The geometry dimensions for your task you can find in the following table: Semester Assigment.

This task is a DC current conduction problem. The solved equation is

[math]\nabla\cdot\sigma\nabla \varphi=0[/math]

with following boundary conditions

[math]\vec{J}\cdot\vec{n}=-J_{\text{n}}[/math] on [math]\Gamma_{\text{J}}[/math] (This is the input)

and

[math]\varphi=U_0 = \text{0 V}[/math] on [math]\Gamma_{\text{E}}[/math] (This is the output),

where [math]J_{\text{n}}[/math] is the current density calculated from the specified current excitation.

The task: determine the voltage drop, the resistance and the ohmic loss of the problem.
The voltage drop is the potential difference between the two terminals of the arrangement. You can determine resistance using Ohm's law:

[math]R = \frac{U}{I}[/math],

then the ohmic loss

[math]P = I^2\cdot R[/math]

where [math]U[/math] is the voltage drop, [math]I[/math] is the current and [math]R[/math] is the resistance.

Bulk conductivity of materials.
Material Titanium Copper Aluminum Copper-manganin alloy
[math]\sigma~[\text{MS/m}][/math] 1.82 58 38 20.833

Tasks

  • Draw the geometry based on the specified dimensions.
  • Define the problem based on the given material parameters and boundary conditions;
  • Creating and specifying the task geometry in Ansys Electronics Desktop Student;
  • Run the FEM simulation;

The parameters listed in the task can be calculated with the Maxwell 3D - DC Conduction solver and the Q3D Extractor - DC solver.

CAE SA EMSolutions 2022Spring.png

Figure 2. - Possible solution (Left - Maxwell 3D, Right - Q3D Extractor).
Results of the test example.
Quantities Voltage drop [mV] Resistance [[math]\text{n}\Omega[/math]] Ohmic loss [W]
Maxwell 3D 10.9927 18.3211 6.5956
Q3D Extractor 10.9759 18.2931 6.5855

CAE SA ShuntResistor Maxwell Loss.png

CAE SA ShuntResistor Q3D Loss.png

Ansys Maxwell 3D - Ohmic loss on the surface of shunt resistor. Ansys Q3D Extractor - Ohmic loss on the surface of shunt resistor.

Part II of the Assignment - 20%

In the student version of Ansys EM, Icepak provides an opportunity to study the thermal phenomena of the task. Ansys Icepak is a general CFD solver with specific capabilities for testing the heating and cooling of electronic circuits (PCB / power module).

The task has a natural convection cooling. The excitation is the ohmic loss from the electromagnetic simulation.

Thermal properties of materials.
Material Titanium Copper Aluminum Copper-manganin alloy
[math]\rho~[\text{kg}/\text{m}^3][/math] 4500 8933 2689 8400
[math]c_{\text{P}}~[\text{J}/(\text{kg}\cdot\text{°C})][/math] 522 385 951 410
[math]\lambda~[\text{W}/(\text{m}\cdot\text{°C})][/math] 21 400 237.5 22

The table below shows the result of the thermal simulation.

Results of the test example.
Quantities Max. temperature [°C] Min. temperature [°C] Max. velocity [m/s]
Maxwell 3D + Icepak 75.9284 71.3658 0.2881
Q3D Extractor + Icepak 75.8669 71.3002 0.2880

CAE SA ShuntResistor Maxwell Temp.png

CAE SA ShuntResistor Q3D Temp.png

Ansys Maxwell 3D + Ansys Icepak - Temperature distribution on the surface of shunt resistor. Ansys Q3D Extractor + Ansys Icepak - Temperature distribution on the surface of shunt resistor.

Here you can find the archive file of test example: Shunt Resistor (Ansys EM Student 2021 R2).

References