Gekoppelte Feld- und Systemsimulation optimiert die Produktentwicklung

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Mehrere physikalische Domänen dressieren

Für den mechanischen Teil wird ein lineares Zustandsraummodell basierend auf einer modalen Reduktion erstellt. Die Definition der physikalischen Ein- und Ausgänge des Systems (Kräfte bzw. Verschiebungen an ausgewählten Stellen) erfolgt in der Modalanalyse bequem per Named Selections oder durch Remote Points; die resultierenden Zustandsraummatrizen werden mit einem vorgefertigten Makro (per SPMWRITE) extrahiert. Das generierte Zustandsraummodell antwortet also auf eine Kraft bzw. ein Drehmoment am Eingang mit einer Verschiebung bzw. einem Winkel am Ausgang. Mittels Simplorer-Blöcken mit angepassten Kontaktsteifigkeiten in den mechanischen Anschlägen ist das nichtlineare Verhalten sich öffnender bzw. schließender Kontakte darstellbar. Die elektromagnetische Domäne wird zweidimensional in Maxwell abgebildet und als Kennfeldmodell (ECE – Equivalent Circuit Extraction) in Simplorer implementiert. Dieses Kennfeld enthält den verketteten Fluss und das Drehmoment in Abhängigkeit von Strom und Ankerwinkel. Eine Ersatzschaltung mit einer Z-Diode bildet die im Lichtbogen umgesetzte Leistung ab, gesteuert über das Schließen der Kontaktfeder.

Systematische Variation der Parameter

Das initiale Design (Parameterset 1 aus Bild 3) liefert ein monostabiles Schaltverhalten des Relais – der Kontakt schließt für eine positive Spulenspannung, ansonsten ist er offen. Allerdings ist ein deutliches Prellen und damit verbunden das Auftreten von Schaltbögen sichtbar. Im Parameterset 2 wurde zur Reduktion der Leistung im Antrieb die Spulenspannung USp gesenkt. Der Kippwinkel der Ankerfeder ΦKipp ist ein Fertigungsparameter und die auftretenden Toleranzen können dazu führen, dass sich die Kontaktfeder zwar noch bewegt, jedoch der Kontakt wie in diesem Fall nicht mehr schließt (siehe mittleres Diagramm, blaue Kurve).

Zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs ist eine systematische Variation von Konstruktions- und Betriebsparametern sowie Fertigungstoleranzen unabdingbar. Die Kenngrößen Spulenspannung, Federvorspannung und Kippwinkel können parametrisiert werden, um sie dann mit der Software Optislang einer Sensitivitätsanalyse zu unterziehen. Diese zeigt deutlich die Abhängigkeit des Schließzeitpunktes tClose des Relais von der Spulenspannung USp und dem Kippwinkel der Ankerfeder ΦKipp. Die gestrichelte Linie in Bild 4 markiert die Grenze zwischen erfolgreichen und fehlgeschlagenen Designs in optiSLang – wenn das Relais nicht schließt, kann der Wert tClose nicht ermittelt werden und das Design gilt als fehlgeschlagen.

Reduzierter Lichtbogen durch Optimierung

Anhand der Sensitivitätsanalyse lässt sich also eine eindeutige Fertigungsvorschrift dafür ableiten, wie groß die Toleranz des Kippwinkels für eine bestimmte Spulenspannung sein darf. Eine Optimierung in optiSLang bezüglich minimaler Lichtbogenleistung und Leistung im Antrieb führt zu dem in Bild 3 dargestellten optimierten Parametersatz, bei dem das Relais kaum noch prellt. Dabei kann die im Lichtbogen umgesetzte Leistung gegenüber dem Originaldesign um mehr als 60 % reduziert werden. Außerdem sinkt die Antriebsleistung gegenüber dem Originaldesign um 20 %.

Durch die Systemsimulation basierend auf Verhaltensmodellen, die aus FE-Analysen extrahiert wurden, wird das Relais zu einem stromsparenden Dauerläufer. Die Systemsimulation eröffnet die Möglichkeit, das komplette Potenzial beim Zusammenspiel elektromagnetischer, mechanischer, thermischer und hydraulischer Komponenten auszuschöpfen. Ein optimales Verhalten mechatronischer Systeme wird nicht nur durch die Verbesserung einzelner Komponenten erzielt, sondern vor allem durch die Abstimmung der Parameter aufeinander.

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