Dieses Beispiel zeigt eine FEM-Analyse eines Leistungsschalters, der in einer Kohlefaserbox untergebracht ist. Es werden induzierte Wirbelströme und die Abschirmwirkung untersucht.
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Ausgangs-Situation
EMC-Abschirmung mit Fasermaterialien
In Branchen wie dem Energiemanagement von Gebäuden, aber auch in der Automobilindustrie (E-Autos) oder in Flugzeugen werden die Baugruppen und die umgebende Geometrie durch elektromagnetische Felder beeinflusst, die von elektronischen Komponenten wie Leistungsschaltern oder Elektromotoren erzeugt werden.
Bild: Typischer Aufbau eines Leistungsschalters
Für die Wahl der besten Geometrie, Kühlung, Werkstoffe und Betriebsbedingungen ist es notwendig zu wissen, wie groß die Feldstärken außerhalb von Abschirmgehäusen und in verschiedenen Abständen werden. Obwohl es wirksame Methoden zur EMV-Abschirmung gibt, z. B. durch Verwendung von Metallen, müssen heute viele Teile aus Kohlefaser oder anderen komplexen Materialien hergestellt werden. Prototypen sind teuer und zu zeitaufwendig, so dass Simulationen durchgeführt werden müssen.
Bild: CAD-Modell eines untersuchten Leistungsschalters
In dieser Studie wird ein Leistungsschalter unter Kurzschlussbedingungen hinsichtlich des elektromagnetischen Feldes und der Abschirmung dieses Feldes durch einen Kasten aus Kohlenstoff mit orthotropen Faserrichtungen analysiert. Ziel ist es, die Größe der magnetischen Flussdichte an verschiedenen Positionen innerhalb und außerhalb des Kastens zu bestimmen.
Geeignete Methode
Transiente Dynamik mit leitfähigen orthotropen Blechen
Die Analyse beginnt mit einem NX-CAD-Modell, das die Spule, den Stößel und mehrere kleine Bleche des Leistungsschalters enthält. Um den Leistungsschalter herum befindet sich ein geschützter Kasten mit Öffnungen für die Eingangs- und Ausgangsdrähte. Dieser Kasten ist ein Blechkörper, während der Rest eine feste Geometrie ist. Auch das Luftvolumen ist im CAD-Modell enthalten.
In NX werden mehrere Finite-Elemente-Netze erstellt. Allen Netzen werden Materialeigenschaften zugewiesen, wie es bei der elektromagnetischen Analyse mit NX Magnetics üblich ist.
Abbildung: 3D-FEM-Netze, die zur Modellierung der Geometrie des Leistungsschalters verwendet werden
Der Abschirmkasten wird mit 2D-Elementen vernetzt, wobei die physikalische Eigenschaft Conductive Sheet verwendet wird, die die Modellierung dünner leitender Platten ermöglicht. Die Koordinatensysteme definieren die Richtungen des orthotropen Materials.
Bild: FEM-Modell des Kastens. Aufgrund der dünnen Geometrie haben wir die Box mit 2D-Plattenelementen aufgebaut. Das Material ist orthotrop
Zur Modellierung der Kohlefaser verwenden wir ein orthotropes Material mit 3 verschiedenen elektrischen Leitfähigkeitswerten. In Richtung der Faser wird 200000 S/m angewendet, während die anderen Richtungen einen kleinen Wert haben. Unter Verwendung lokaler Koordinatensysteme wird das orthotrope Material an den 6 Flächen der Abschirmbox ausgerichtet. Das Bild zeigt diese Definition im Materialeditor von NX.
Bild: Die Materialeigenschaften, die wir den Box-Elementen geben
In der Sim-Datei definieren wir den transienten Strom an den Elektroden des Drahtes. Wir wenden die folgende analytische Formel an, die Kurzschlussbedingungen erzwingt:
2^0.5*100*(Sin[2*Pi*50*$Time-1.57]+Exp[-$Time/0.0455]*Sin[1.57])
Wir führen 30 Zeitschritte mit einer Schrittweite von 0,1/150 s aus. Das Modell hat etwa 500000 Freiheitsgrade, benötigt 16 GB Speicher und die Lösung dauert etwa 30 Minuten auf einem Intel i7 mit 4 Kernen.
Ergebnisse
Wirbelströme und B-Feld
Die berechnete Feldlösung enthält Ergebnisse für jeden Zeitschritt. Wir haben Wirbelströme und die magnetische Flussdichte abgefragt. Die folgenden Bilder veranschaulichen die Lösung.
Zuerst wollen wir die Wirbelströme auf dem Abschirmkasten sehen. Die nächsten Bilder zeigen sie in Kontur- und Vektordarstellung.
Bild: Wirbelströme auf der Carbon Shielding Box
Um zu verstehen, woher die induzierten Ströme im Kasten kommen, wollen wir den Leistungsschalter zusammen mit dem Kasten in einem Bild sehen. Dies wird im nächsten Bild gezeigt.
Bild: Wirbelströme auf der Kohlenstoffabschirmung und die Geometrie des Brechers
Als Nächstes wollen wir sehen, wie das Magnetfeld durch den Kohlekasten abgeschirmt wird. Dazu legen wir einen Ausschnitt der Ansicht und überlagern diesen in einem neuen Bild (siehe die nächsten beiden Bilder).
Abbildung: Ein Schnitt durch das Luftvolumen zeigt die magnetische Flussdichte. Die abschirmende Wirkung der Carbon Box ist sichtbar
Bild: Ein weiterer Schnitt durch das Luftvolumen zeigt die magnetische Flussdichte
