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Was man mit numerischer Strömungssimulation erreicht

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Entwicklung einer Methode zur Lichtbogenanalyse

Zu Beginn der Lichtbogenanalyse arbeiteten wir mit einem Lichtbogen zwischen einfachen stabförmigen Elektroden. Heute ist es möglich, die auf Produkte wie gekapselte Leistungsschalter, Luftleistungsschalter und Schutzschalter angewandte Spannung zu berechnen.

Ein Problem bei der Simulation besteht darin, dass die Ergebnisse konvergieren. Deswegen wurde eine Funktion zur Berechnung von Magnetfeldern auf der Grundlage des Biot-Savart’schen Gesetzes entwickelt. Während die Stabilität bei dieser Methode sehr hoch ist, steigt die Berechnungszeit in der Ordnung N2, auch bei paralleler Berechnung unter Einsatz von Grafikprozessoren.

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Zusätzlich wird für magnetische Werkstoffe wie Eisen die magnetisierende Stromstärke ermittelt und das Magnetfeld wird durch die Surface-Current-Methode berechnet − eine Art Boundary-Element-Methode. Man erhält Konvergenz, obwohl es einige Beschränkungen gibt, beispielsweise die Tatsache, dass der B-H-Wert und Wirbelströme nicht berücksichtigt werden können, da es sich um eine lineare Analyse handelt. Auch lässt sich die Anzahl der Oberflächenelemente nicht einfach steigern, weil bei der LU-Entmischung eine direkte Methode verwendet wird.

Hohe Erwartungen an Magnetfeldberechnungen mit FEM

Wenn der Magnet eine komplizierte Geometrie hat oder wenn eine große Anzahl von Teilen vorhanden ist, können große Abweichungen zu den Ergebnissen der Messungen auftreten. Dies unterstreicht die Einschränkungen der Surface-Current-Methode. Entsprechend gibt es hohe Erwartungen an die Magnetfeldberechnungen mit der Finiten Elemente Methode (FEM) in STAR-CCM+.

Man sagt, dass für Produkte für Überseemärkte häufig höhere Umweltstandards gefordert werden als für Produkte für den heimischen japanischen Markt. Dies gilt insbesondere für Elektrokomponenten für Schienen oder Fabriken, die im Freien betrieben werden. Deshalb darf Sand, Staub oder Schnee nicht in das Produkt eindringen.

Daher werden Untersuchungen mit Lagrange‘schen Zwei-Phasen-Strömungsmodellen durchgeführt. Wenn Filter als Mittel gegen Sand und Staub eingesetzt werden, ist es erforderlich, dass die innere Temperatur der Komponenten problemlos festgelegt werden kann.

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