Féléves feladat

Söntellenállás vizsgálata
Oktató Marcsa Dániel (óraadó) Előadás: - Fogadóóra: egyeztetés alapján	További oktatók: - Fogadóóra: -.

A feladat célja

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.

A feladat megoldásához szükséges ismeretek

• A végeselem-módszer lépései;
• Az elektromágneses térszámításhoz kapcsolódó elméleti ismeretek (anyagok definiálásához, gerjesztés megadásához);
• A geometria elkészítéséhez CAD rendszer ismerete;
• Az Ansys Electronics Desktop Student letöltése és telepítése.

A féléves feladat

A feladat két részből áll, egy alapfeladatból, amely hibátlan megoldásával maximum 80%, és egy plusz feladatból, amivel további maximum 20% érhető el.

Leadási határidő:	Lásd a feladatkiírásnál!
Leadás formája:	PDF formátumban. A színes ábrákat úgy kell elkészíteni, hogy fekete-fehérben kinyomtatva is világos legyen a tartalmuk az olvasó számára.
Benyújtás nyelve:	Magyar
Benyújtás helye:	A Moodle rendszerben kiírt feladatnál.
Késői benyújtás:	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).
Értékelés:	0 – 50% - Elégtelen (1)
	51 – 60% - Elégséges (2)
	61 – 70% - Közepes (3)
	71 – 85% - Jó (4)
	86 – 100% - Jeles (5)
A formai követelmények tekintetében itt is az áramlástan és a mechanika résznél megismert elvárások érvényesek.

Feladat I. része

A söntellenállás rezisztencia és veszteség számítása végeselem-módszerrel

Ábra 1. - A feladat geometriája és méretei.

A feladathoz tartozó geometriai méreteket a következő táblázatban találja: Féléves feladat.

Ez a feladat egy áramvezetése probléma. A megoldandó egyenlet

$$\nabla\cdot\sigma\nabla \varphi=0$$

a következő peremfeltételekkel

$$\vec{J}\cdot\vec{n}=-J_{\text{n}}$$ on $$\Gamma_{\text{J}}$$ (Ez a bemenet.)

és

$$\varphi=U_0 = \text{0 V}$$ on $$\Gamma_{\text{E}}$$ (Ez a kimenet.),

ahol

$$J_{\text{n}}$$ az előre megadott áramerősségből számított áramsűrűség.

A feladat: határozza meg a feladatra a feszültségesést, a rezisztenciát és az áram okozta veszteséget.
A feszültségesés a ki- és bemenetek közötti potenciálkülönbség. A rezisztencia az Ohm törvényből számítható:

$$R = \frac{U}{I}$$ ,

akkor a veszteség

$$P = I^2\cdot R$$

ahol

$$U$$ a feszültségesés, $$I$$ az áram és $$R$$ a rezisztencia.

Anyagok fajlagos vezetőképessége.

Anyag	Titánium	Réz	Alumínium	Réz mangán ötvözet
$$\sigma~[\text{MS/m}]$$	1.82	58	38	20.833

Feladatok

• Készítse el a geometriát a megadott méretekkel a Ansys Electronics Desktop Student szoftverben;
• Állítsa be az anyagtulajdonságokat és peremfeltételeket;
• Szimuláció futtatása;
• Eredmények kiértékelése.

A feladatban megadott mennyiségek a Maxwell 3D - DC Conduction megoldóval és a Q3D Extractor - DC megoldóval számíthatóak.

Ábra 2. - Lehetséges megoldások (Bal - Maxwell 3D, Jobb - Q3D Extractor).

A tesztfeladat eredményei.

Mennyiségek	Feszültségesés [mV]	Rezisztencia [ $$\text{n}\Omega$$ ]	Veszteség [W]
Maxwell 3D	10.9927	18.3211	6.5956
Q3D Extractor	10.9759	18.2931	6.5855

Ansys Maxwell 3D - Az áram okozta veszteség a söntellenállás felületén.	Ansys Q3D Extractor - Az áram okozta veszteség a söntellenállás felületén.

Videók a szoftverek használatához

• Geometria elkészítése
• Ansys Maxwell3D
• Ansys Q3D Extractor

Feladat II. része

Az Ansys EM diákverziójában az Icepak ad lehetőséget a termikus jelenségek vizsgálatára. Ansys Icepak egy általános áramlástani megoldó elektronikák (PCB / teljesítménymodul) melegedésének és hűtésének vizsgálatához fejlesztett specifikus képességekkel.

A feladatnál a hűtés természetes konvekció. A gerjesztés az elektromágneses szimulációból származó veszteség.

Anyagok termikus tulajdonságai.

Anyag	Titánium	Réz	Alumínium	Réz mangán ötvözet
$$\rho~[\text{kg}/\text{m}^3]$$	4500	8933	2689	8400
$$c_{\text{P}}~[\text{J}/(\text{kg}\cdot\text{°C})]$$	522	385	951	410
$$\lambda~[\text{W}/(\text{m}\cdot\text{°C})]$$	21	400	237.5	22

A termikus szimulációval kapott eredményeket mutatja a következő táblázat.

A tesztfeladat eredményei.

Mennyiségek	Max. hőmérséklet [°C]	Min. hőmérséklet [°C]	Max. sebesség [m/s]
Maxwell 3D + Icepak	75.9284	71.3658	0.2881
Q3D Extractor + Icepak	75.8669	71.3002	0.2880

Ansys Maxwell 3D + Ansys Icepak - Hőmérsékleteloszlás a söntellenállás felületén.	Ansys Q3D Extractor + Ansys Icepak - Hőmérsékleteloszlás a söntellenállás felületén.

A mintafeladat archivált változatát a következő linken találja: Shunt Resistor (Ansys EM Student 2021 R2).

Videó a szoftverek használatához

• Ansys Icepak