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Simulation Gekoppelte Feld- und Systemsimulation optimiert die Produktentwicklung

Autor / Redakteur: Hanna Baumgartl und Martin Hanke / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Die gekoppelte Feld- und Systemsimulation in der Entwicklung von Relais führt dazu, dass die kleinen Bauteile zu wahren Dauerläufern werden. Bei dem beschriebenen Beispiel konnte die im Lichtbogen umgesetzte Leistung gegenüber dem Originaldesign um mehr als 60 % reduziert werden. Außerdem sinkt die Antriebsleistung um 20 %.

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Komplexe Vorgänge wie sie zum Beispiel innerhalb eines Relais stattfinden, werden durch die gekoppelte Feld- und Systemsimulation berechenbar und können auf diese Weise optimiert werden.
Komplexe Vorgänge wie sie zum Beispiel innerhalb eines Relais stattfinden, werden durch die gekoppelte Feld- und Systemsimulation berechenbar und können auf diese Weise optimiert werden.
(Bild: Cadfem)

Das unscheinbare Bauteil Relais wird in der Regel erst dann bemerkt, wenn es ausfällt. Um das zu verhindern, muss gewährleistet werden, dass sie auch nach enorm vielen Schaltzyklen und trotz fertigungsbedingter Parameterstreuungen möglichst energiesparend den Strom an- und abschalten.

Da es sich um mechatronische Systeme mit elektromagnetischen und mechanischen Komponenten handelt, sind die Wechselwirkungen aller Teile und der zulässige Streubereich der Fertigungstoleranzen nicht mehr mit einem Blick zu erfassen. Zur Konstruktion eines stromsparenden Dauerläufers ist es unerlässlich, nicht nur die Einzelteile zu untersuchen, sondern auch das Gesamtverhalten zu erfassen und mittels geeigneter Methoden den Einfluss von Parameterstreuungen zu untersuchen.

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Reduzierter Leistungseintrag

Der Strom durch die Spule des Relais erzeugt eine magnetische Kraft, die auf den Anker wirkt. Dieser klappt in Abhängigkeit der Stromrichtung in die geöffnete oder geschlossene Position (Bild 1). Das Feld der Permanentmagnete im Eisenkreis hält den Anker auch bei ausgeschaltetem Strom in der geschlossenen Position. Ein kurzer entgegengesetzter Spannungspuls hebt den Anker an, die Vorspannung zwischen Kontakt- und Ankerüberhubfeder sowie der montagebedingte Kippwinkel der Ankerfeder sorgen dafür, dass der Anker umklappt und der elektrische Kontakt geöffnet wird.

Die Auslegung der Vorspannungen und der Einbau eines Trennblechs erzwingen ein monostabiles Verhalten – der Kontakt schließt hier nur ab einer bestimmten Spulenspannung – bei gleichzeitiger Absenkung des Leistungseintrags gegenüber monostabilen Relais ohne Elektromagnete. Bei diesen schließt der Kontakt auf Grund des geringeren Felds erst bei höheren Spannungen.

Was verursacht Verschleiß?

Beim Öffnen des elektrischen Kontakts entsteht ein Lichtbogen, der zum Verschleiß der Kontaktflächen beiträgt und diese im ungünstigsten Fall verschweißen lässt. Durch das mechanische Prellen der Kontaktfeder wird dieser Lichtbogen für jeden Schaltvorgang mehrfach gezündet. Ziel der Auslegung ist es, neben dem Leistungseintrag das Prellen zu reduzieren. Hier stellt sich also die Frage, bei welcher minimalen Spannung in Kombination mit Vorspannung und Kippwinkel das gewünschte Verhalten erzielt werden kann.

Die Systemsimulation wird in Ansys Simplorer realisiert. Dabei erfolgt die Verknüpfung der Feldsimulationen mit elektrischen Schaltungen, magnetischen, mechanischen, thermischen oder hydraulischen Elementen sowie Blockdiagrammen, Zustandsgraphen und VHDL-Elementen (Bild 2). Zur Reduktion der Simulationszeit werden die Feldlösungen hier in Form von reduzierten Modellen berücksichtigt; diese bilden das Verhalten der einzelnen Komponenten ab und werden deswegen auch als Verhaltensmodelle bezeichnet.

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