Numerische Analyse schnellwirkender elektromagnetischer Schaltventile

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Die Nachbildung der Schaltdynamik schnellwirkender elektromagnetischer Schaltventile mit ausreichender Genauigkeit erweist sich als hochgradig nichtlinear, da sowohl Materialnichtlinearitäten (magn. Sättigung) als auch geometrische Nichtlinearitäten (mechanischer Kontakt) berücksichtigt werden müssen. Die Lösung der Problemstellung erfordert weiterhin die Berücksichtigung dynamischer Effekte (magnetische Hysterese, Wirbelstrombildung). Sowohl der Magnetisierungszustand des Ankermaterials als auch die Wirbelstromverteilung im Anker während seiner beschleunigten Bewegung im inhomogenen Magnetfeld üben einen wesentlichen Einfluss auf die Dynamik des Aktors aus. Die Wirbelströme treten dabei sowohl (erwünscht) bei der Dämpfung der Ankerprellung als auch (unerwünscht) bei der Verzögerung der Ventilöffnung in Erscheinung.

Dynamische Kontaktprobleme sind im allgemeinen mit erheblichen Konvergenzschwierigkeiten behaftet. Die Kontaktflächen sind a priori im Voraus nicht bekannt (offene Randbedingungen) und müssen als Teil der Lösung bestimmt werden. Eine befriedigende Lösung kann nur durch die Erfüllung aller kinetischen und kinematischen Erhaltungssätze erfolgen (Totale Energie, Impuls sowie Drehimpuls). Die gegenwärtige Arbeit konzentriert sich daher auf die Entwicklung eines effizienten Kontaktalgorithmus innerhalb des Programmpaketes CAPA.

Magnetfelddiffusion im Elektromagneten (Axialsymmetrisches Modell)
Magnetfelddiffusion im Elektromagneten (Axialsymmetrisches Modell)

Zusätzlich erfordert die Analyse die Lösung des mechanischen Kontaktproblems innerhalb des magnetischen Feldgebietes. Die unzulässige Netzdeformation des diskretisierten Spaltraums beim Aufprall gegeneinander bewegter Körper muss umgangen werden. Indem das Kontaktproblem in den Luftspaltbereich vorverlagert wird, kann der mechanische Kontakt bei endlicher Deformation mit ausreichender Genauigkeit nachgebildet werden.

Schlagworte:

Nichtlineare Finite-Elemente-Simulation; Kontaktmechanik; Elektro-magneto-mechanische Kopplung; Wirbelstromeinfluss; Elektrodynamische Schaltventile