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Beispiel 5 Drei abgeschirmte Leiter - IGTE

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<strong>Beispiel</strong> 5<br />

<strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong><br />

<strong>Beispiel</strong> TET1V ES <strong>Drei</strong>elektrodenproblem<br />

In einer metallischen Abschirmung mit den Abmessungen 8.5 cm mal 7 cm sind drei <strong>Leiter</strong> angeordnet<br />

(Bild 5.1). Zwei <strong>Leiter</strong> haben einen quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge<br />

von 2 cm, die Abrundung der Ecken ist 2.5 mm. Der dritte <strong>Leiter</strong> hat einen kreisförmigen<br />

Querschnitt mit einem Radius von 5 mm.<br />

Die quadratischen <strong>Leiter</strong> haben einen Abstand von 1 cm vom linken Rand, einen gegenseitigen<br />

Abstand von 1 cm und der untere <strong>Leiter</strong> einen Abstand von 0.5 cm vom Boden der<br />

Abschirmung. Der <strong>Leiter</strong> mit dem kreisförmigen Querschnitt befindet sich auf gleicher Höhe<br />

wie der obere quadratische <strong>Leiter</strong> und hat von diesem einen horizontalen Abstand von 2 cm.<br />

Es soll die Teilkapazitätsmatrix (bzw. die Kapazitätskoeffizienten) der Anordnung bestimmt<br />

werden. Im speziellen soll der Fall untersucht werden, wo zwischen den beiden quadratischen<br />

<strong>Leiter</strong>n eine Spannung U anliegt und der kreisförmige <strong>Leiter</strong> sich auf freiem Potenzial befindet.<br />

Bild 5.1: <strong>Drei</strong> <strong>Leiter</strong> mit rechteckiger Abschirmung<br />

100


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Modellierung des Problems<br />

5.1 Modellierung des Problems<br />

5.1.1 Anlegen des Problem Ordners<br />

Es wird ein neuer Problemordner mit dem Namen TET1V ES <strong>Drei</strong>elektrodenproblem angelegt.<br />

5.1.2 Aufrufen von Tiler2D und erste Eingaben<br />

Mit dem Untermenüpunkt PreProcess/Graphic Preprocessor oder mit der Symbol-Schaltfläche<br />

wird der grafische Präprozessor Tiler2Dgestartet.<br />

Im Dialogfeld Initialize Grid Properties wird die Anzahl der Gitterelemente auf 10 x 10 gesetzt,<br />

da für die entwickelnde Struktur eine höhere Anzahl als 5 x 5 nötig sein wird. Eine genaue<br />

Kenntnis der Anzahl der Gitterelemente ist nicht nötig, da diese später nach Bedarf geändert<br />

werden kann.<br />

Im Dialogfeld Boundary Conditions wird auf allen vier Seiten das Potenzial Null vorgegeben<br />

(homogene Dirichlet’sche Randbedingungen).<br />

5.1.3 Änderungen der Gitterabmessungen<br />

Im Dialogfeld Grid Structure wird mittels der Schaltfläche X - Direction das Dialogfeld<br />

Grid Column Editing aufgerufen. Hier wird aus dem Listenfeld die erste Spalte durch Anklicken<br />

ausgewählt und danach im Bearbeitungsfeld Delta-X1 die Breite der ersten Spalte auf 0.0075 m<br />

reduziert. Diese Änderung wird durch Anklicken der Schaltfläche Update im Gruppenfeld Update<br />

gespeichert, wobei der Radio-Button global gedrückt bleibt. Auf dieselbe Weise werden<br />

die Gitterspalte 2 auf eine Breite von 0.005 m, die Spalte 3 auf 0.015 m und die Spalte 4 auf<br />

0.005 m gesetzt (Dialog 5.1).<br />

Danach wird im Dialogfeld Grid Structure mittels der Schaltfläche Y - Direction das Dialogfeld<br />

Grid Row Editing aufgerufen. Hier wird aus dem Listenfeld die erste Gitterzeile durch<br />

Anklicken ausgewählt und danach im Bearbeitungsfeld Delta-Y1 die Höhe der ersten Gitterzeile<br />

auf 0.0025 m reduziert. Diese Änderung wird durch Anklicken der Schaltfläche Update im<br />

Gruppenfeld Update gespeichert, wobei der Radio-Button global gedrückt bleibt. (Dialog 5.2)<br />

Auf dieselbe Weise werden die Gitterzeile 2 auf eine Breite von 0.05 m, die Zeile 3 auf 0.015 m,<br />

die Zeile 4 auf 0.005 m, die Zeile 5 auf 0.005 m, die Zeile 6 auf 0.005 m, die Zeile 7 auf 0.015 m<br />

und die Zeile 8 auf 0.005 m gesetzt.<br />

Das Ergebnis dieser Eingaben ist im Bild 5.2 zu sehen.<br />

101 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Modellierung des Problems<br />

Dialog 5.1: Änderung der Breite<br />

der ersten vier Gitterspalten<br />

Dialog 5.2: Änderung der Höhe<br />

der ersten acht Gitterzeilen<br />

Bild 5.2: Ergebnis der Eingaben entsprechend Dialog 5.1 und Dialog 5.2<br />

102 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Modellierung des Problems<br />

5.1.4 Modellierung der quadratischen <strong>Leiter</strong> mit abgerundeten<br />

Kanten<br />

Als nächstes können nun die beiden quadratischen <strong>Leiter</strong> mit den abgerundeten Kanten modelliert<br />

werden. Dazu wird aus dem Dialogfeld Special Structures durch Anklicken des Buttons<br />

Rounded Rectangle das Dialogfeld Rounded Structure aufgerufen.<br />

Das Gebiet des ersten <strong>Leiter</strong>s wird festgelegt, indem im Gruppenfeld Select grid elements<br />

mittels der Editboxen die Werte für X-left, Y-down, X-right und Y-up mit 2, 2, 4 und 4 eingegeben<br />

werden. Durch Drücken des Buttons Add wird die Struktur in das Listenfeld Rounded<br />

structure items übernommen (Dialog 5.3 und Bild 5.3).<br />

Der im Dialogfeld Rounded Structure vorgeschlagene Radius ist mit 0.0025 m bereits der<br />

Gewünschte, dies hängt mit der Festlegung der entsprechenden Breiten bzw. Höhen der Gitterspalten<br />

bzw. Gitterhöhen zusammen. Ansonsten muss der gewünschte Radius in der Editbox<br />

Radius eingestellt werden.<br />

Dialog 5.3: Eingaben für den ersten quadratischen<br />

<strong>Leiter</strong> mit abgerundeten Kanten<br />

Bild 5.3: Erster quadratischen <strong>Leiter</strong> mit abgerundeten<br />

Kanten<br />

103 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Modellierung des Problems<br />

5.1.4.1 Randbedingung festgelegen<br />

Bevor der zweite quadratische <strong>Leiter</strong> modelliert wird, soll im ersten <strong>Leiter</strong> noch die Dirichletsche<br />

Randbedingung festgelegt werden. Dazu wird im Dialog Rounded Structure der Button<br />

Boundary Condition angeklickt, um den Dialog Boundary Condition zu öffnen. Hier wird<br />

sodann die Checkbox Enable BC aktiviert und in der Editbox Value inner rounded das Potenzial<br />

mit beispielsweise 1 V vorgegeben (Dialog 5.4).<br />

Durch Anklicken von OK wird der Dialog Boundary Condition geschlossen. Bevor der zweite<br />

quadratische <strong>Leiter</strong> modelliert werden kann, müssen im Dialog Rounded Structure die Eingaben<br />

mittels des Buttons Replace gesichert werden. Davor wird allerdings noch der Name<br />

der eingegebenen Struktur in der Editbox Item name auf <strong>Leiter</strong> 1 geändert und der Name<br />

Region01 in der Editbox Region name gelöscht.<br />

Dialog 5.4: Potenzialvorgabe für den ersten <strong>Leiter</strong><br />

5.1.4.2 Zweiter <strong>Leiter</strong><br />

Nach Anklicken des Buttons Replace kann der zweite <strong>Leiter</strong> modelliert werden. Dazu wird<br />

zuerst der Gitterbereich festgelegt, indem im Gruppenfeld Select grid elements mittels der<br />

Editboxen die Werte für X-left, Y-down, X-right und Y-up mit 2, 6, 4 und 6 eingegeben werden.<br />

Durch Drücken des Buttons Add wird die Struktur in das Listenfeld Rounded structure<br />

items übernommen. Der Name der eingegebenen Struktur in der Editbox Item name wird auf<br />

<strong>Leiter</strong> 2 geändert und der Name Region01 in der Editbox Region name gelöscht. Die Eingaben<br />

sind im Dialog 5.5 und das Ergebnis im Bild 5.4 zu sehen.<br />

Als letzter Schritt wird noch der Dialog Boundary Condition aufgerufen und der Wert des<br />

Potenzials in der Editbox Value inner region auf 0 geändert.<br />

Mit OK erfolgt der Ausstieg aus dem Dialog Boundary Condition und durch Anklicken<br />

der Buttons Replace und OK wird der Dialog Rounded Structure geschlossen.<br />

104 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Modellierung des Problems<br />

Dialog 5.5: Eingaben für den zweiten <strong>Leiter</strong><br />

Bild 5.4: Zweiter quadratischer <strong>Leiter</strong> mit abgerundeten<br />

Kanten<br />

5.1.5 Weitere Änderungen der Gitterabmessungen<br />

Im Dialogfeld Grid Structure wird mittels der Schaltfläche X - Direction das Dialogfeld<br />

Grid Column Editing erneut aufgerufen. Es wird aus dem Listenfeld die fünfte Gitterspalte<br />

durch Anklicken ausgewählt und danach im Bearbeitungsfeld Delta-X1 die Breite der Spalte<br />

auf 0.015 m erhöht. Diese Änderung wird durch Anklicken der Schaltfläche Update im Gruppenfeld<br />

Update gespeichert, wobei der Radio-Button global gedrückt bleibt. Auf dieselbe Weise<br />

werden die Gitterspalte 6 auf eine Breite von 0.015 m und die Spalte 7 auf 0.0225 m gesetzt.<br />

Zuletzt werden die Gitterspalten 8, 9 und 10 durch Anklicken der entsprechenden Zeilen im<br />

Listenfeld ausgewählt und mittels des Buttons Delete gelöscht. Der Radio-Button global im<br />

Gruppenfeld Delete bleibt dabei aktiviert. Alle Einstellungen sind im Dialog 5.6 gezeigt.<br />

Danach wird im Dialogfeld Grid Structure mittels der Schaltfläche Y - Direction das Dialogfeld<br />

Grid Row Editing aufgerufen. Hier wird aus dem Listenfeld die neunte Gitterzeile<br />

durch Anklicken ausgewählt und danach im Bearbeitungsfeld Delta-Y9 die Höhe der Gitterzeile<br />

auf 0.0125 m erhöht. Diese Änderung wird durch Anklicken der Schaltfläche Update im<br />

105 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Modellierung des Problems<br />

Gruppenfeld Update gespeichert, wobei der Radio-Button global gedrückt bleibt. Zum Schluss<br />

wird die nicht benötigte Gitterzeile 10 mittels des Buttons Delete gelöscht. Das Endergebnis<br />

ist im Bild 5.5 dargestellt.<br />

Dialog 5.6: Endgültige Einstellungen der Gitterstruktur<br />

in X-Richtung Bild 5.5: Endgültige Struktur ohne <strong>Leiter</strong> 3<br />

5.1.6 Modellierung des <strong>Leiter</strong>s 3 mit kreisförmigen Querschnitt<br />

Als letzter <strong>Leiter</strong> wird nun der kreiszylindrische <strong>Leiter</strong> 3 modelliert (siehe auch <strong>Beispiel</strong><br />

TET1V ES Zylinderelektrode U - Bsp. 2). Dazu wird aus dem Dialogfeld Special Structures<br />

durch Anklicken des Buttons Circle das Dialogfeld Circular Structure aufgerufen, im Gruppenfeld<br />

Select Grid Element mittels der Editboxen X und Y das Gitterelement (6,7) ausgewählt<br />

und mit dem Button Add in das Listenfeld Circular structure items übernommen.<br />

Danach wird in der Editbox Item name der Name <strong>Leiter</strong> 3 eingegeben, in der Editbox Region<br />

name der Name Region01 gelöscht und in der Editbox Radius der Wert 0.005 m eingegeben.<br />

Abschließend wird noch der Dialog Boundary Condition aufgerufen und die Check-Box Enable<br />

BC aktiviert. Der in der Editbox Value inner circle angebotene Potenzialwert 0 V wird<br />

beibehalten.<br />

106 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Berechnung<br />

Bild 5.6: Endgültige Struktur<br />

Nach Drücken von OK und Anklicken von Replace und OK im Dialog Circular Structure<br />

sind alle Eingaben abgeschlossen.<br />

5.1.7 Beenden von Tiler2D<br />

Nach dem Schließen aller geöffneten Dialogfelder durch Anklicken der entsprechenden Schaltflächen<br />

OK wird mit dem Untermenüpunkt File/Exit im Hauptfenster von Tiler2D das<br />

Präprozessorprogramm Tiler2D beendet und es kann die Berechnung durch Anklicken der<br />

Symbol-Schaltfläche oder mittels der Untermenüpunkte Compute/Output Interactive bzw.<br />

Compute/Output to File durchführt werden.<br />

5.2 Berechnung<br />

Nach dem Modellieren des Problems mit Tiler2D und Ausstieg aus diesem sind der Menüpunkt<br />

Compute in der Menüleiste des Hauptfensters von EleFAnT2D bzw. die Symbol-Schaltfläche<br />

(dieser entspricht dem Untermenüpunkt Compute/Output Interactive) im darunter liegenden<br />

Toolbar nicht mehr ausgegraut, die Berechnung kann durch Anklicken der Symbol-<br />

Schaltfläche oder mittels der Untermenüpunkte Compute/Output Interactivebzw. Compute/Output<br />

to File durchführt werden.<br />

Die Anzahl der finiten Elemente kann mittels des Untermenüpunktes PostProcess/Problem<br />

Info wie schon in den vorangegangenen <strong>Beispiel</strong>en beschrieben, ausgegeben werden. Sie beträgt<br />

817, d.h. es kann mit der Demo-Version (800 finite Elemente) nur gerechnet werden,<br />

107 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Berechnung der Teilkapazitätsmatrix<br />

wenn z.B. in der ersten Gitterzeile im Tiler2D, Dialogfeld Grid Row Editing die finite Elementunterteilung<br />

von 3 auf 2 gesetzt wird (Dialog 5.7). Das Ergebnis ist im Bild 5.7 gezeigt,<br />

die Anzahl der finiten Elemente beträgt nun 793.<br />

Mit der Studentenversion lässt sich die Anzahl der finiten Elemente noch wesentlich erhöhen.<br />

Dialog 5.7: Die Unterteilung der ersten Gitterzeile wird auf 2 gesetzt<br />

5.3 Berechnung der Teilkapazitätsmatrix<br />

5.3.1 Berechnung der Teilkapazitäten durch Integration über die<br />

<strong>Leiter</strong>oberflächen<br />

Wie in ([1]) beschrieben, werden die Kapazitätskoeffizienten c ij durch Berechnung der Ladungen<br />

auf den <strong>Leiter</strong>oberflächen ermittelt, indem nur jeweils ein <strong>Leiter</strong> an einem Potenzial<br />

ungleich 0 V (günstigerweise 1 V) liegt.<br />

108 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Berechnung der Teilkapazitätsmatrix<br />

Bild 5.7: Struktur mit 793 finiten Elementen<br />

Dieser Zustand ist gerade eingegeben, das Bild 5.8 (mit Tracer2D erstellt) zeigt die Potenzialverteilung<br />

und die Vektoren der elektrischen Feldstärke. Im Dialog 5.8 sind die mit<br />

dem Postprozessor inTegrals2D berechneten Ladungen auf den drei <strong>Leiter</strong>n ersichtlich. Sie<br />

entsprechen, da das Potenzial V 1 des ersten <strong>Leiter</strong>s mit 1 V vorgegeben wurde, auch den Kapazitätskoeffizienten<br />

c 11 , c 12 und c 13 .<br />

Der Koeffizient c 11 ist positiv (da V 1 positiv), die anderen beiden sind dann negativ.<br />

Im nächsten Schritt wird der zweite <strong>Leiter</strong> auf das Potenzial 1 V gelegt und die anderen beiden<br />

auf 0 V. Das Ergebnis ist im Bild 5.9 und im Dialog 5.9 zu sehen.<br />

Hier ist c 22 positiv und c 21 sowie c 23 sind negativ.<br />

Bild 5.8: <strong>Leiter</strong> 1 auf 1 V, <strong>Leiter</strong> 2 und <strong>Leiter</strong> 3 auf 0 V<br />

109 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Berechnung der Teilkapazitätsmatrix<br />

Dialog 5.8: Die Ladungen entsprechen den Kapazitätskoeffizienten c 11 , c 12 und c 13<br />

Bild 5.9: <strong>Leiter</strong> 2 auf 1 V, <strong>Leiter</strong> 1 und <strong>Leiter</strong> 3 auf 0 V<br />

Im nächsten Schritt wird der zweite <strong>Leiter</strong> auf das Potenzial 1 V gelegt und die anderen beiden<br />

auf 0 V. Das Ergebnis ist im Bild 5.10 und im Dialog 5.10 zu sehen.<br />

Hier ist c 33 positiv und c 31 sowie c 32 sind negativ.<br />

5.3.2 Kapazitätskoeffizienten - Teilkapazitäten<br />

Eigentlich müsste die Teilkapazitätsmatrix symmetrisch sein [1], sie ist es aber wegen der numerischen<br />

Lösung nicht. Die Ladungen werden durch Integration der Flächenladungen über<br />

die Elektrodenoberflächen berechnet (siehe auch <strong>Beispiel</strong> TET1V ES Zylinderelektrode U -<br />

Dialog 5.9: Die Ladungen entsprechen den Kapazitätskoeffizienten c 21 , c 22 und c 23<br />

110 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Berechnung der Teilkapazitätsmatrix<br />

Bild 5.10: <strong>Leiter</strong> 3 auf 1 V, <strong>Leiter</strong> 1 und <strong>Leiter</strong> 2 auf 0 V<br />

Dialog 5.10: Die Ladungen entsprechen den Kapazitätskoeffizienten c 31 , c 32 und c 33<br />

Bsp. 2):<br />

[c] =<br />

=<br />

⎡<br />

⎤<br />

c 11 c 12 c 13<br />

⎢<br />

⎣ c 21 c 22 c 23<br />

⎥<br />

⎦ =<br />

c 31 c 32 c 33<br />

⎡<br />

⎤<br />

9.6652927 ∗ 10 −11 −2.0948836 ∗ 10 −11 −2.5039521 ∗ 10 −12<br />

⎢<br />

⎣ −2.0950101 ∗ 10 −11 7.2122600 ∗ 10 −11 −7.1144007 ∗ 10 −12<br />

⎥<br />

⎦ F/m<br />

−2.5071669 ∗ 10 −12 −7.1306476 ∗ 10 −12 3.0289847 ∗ 10 −11<br />

111 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Berechnung der Teilkapazitätsmatrix<br />

Bild 5.11: Teilkapazitäten C ij<br />

Die Teilkapazitäten C ij werden aus den Kapazitätskoeffizienten entsprechend<br />

C ij = −c ij i ≠ j und C ii = ∑ j<br />

c ij<br />

berechnet. Sie sind im Bild 5.11 eingezeichnet.<br />

Damit ergibt sich folgende Teilkapazitätsmatrix:<br />

[C] =<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎤<br />

7.3200139 ∗ 10 −11 2.0948836 ∗ 10 −11 2.5039521 ∗ 10 −12<br />

2.0950101 ∗ 10 −11 4.4058099 ∗ 10 −11 7.1144007 ∗ 10 −12<br />

2.5071669 ∗ 10 −12 7.1306476 ∗ 10 −12 2.0652034 ∗ 10 −11<br />

⎥<br />

⎦ F/m<br />

Die Teilkapazitäten C 11 , C 22 und C 33 können direkt mit inTegrals2D berechnet werden,<br />

in dem im Dialogfeld Select Domain Items alle drei <strong>Leiter</strong> (<strong>Leiter</strong> 1, <strong>Leiter</strong> 2 und <strong>Leiter</strong> 3 )<br />

selektiert werden. Das Oberflächenintegral über alle drei <strong>Leiter</strong> entspricht genau der Beziehung<br />

C ii = ∑ j<br />

c ij<br />

Die Teilkapazität C 11 erhält man dabei aus der Verschaltung nach Bild 5.8, C 22 aus der<br />

Verschaltung nach Bild 5.9 und C 33 aus der Verschaltung entsprechend Bild 5.10.<br />

5.3.3 Berechnung der Teilkapazitäten über die elektrische Energie<br />

Um die sechs Teilkapazitäten aus der elektrischen Energie zu bestimmen, müssen diese zu<br />

sechs verschiedenen Zweipolen verschaltet werden, deren Kapazitäten C i dann aus der Energie<br />

folgen. Aus den Bildern 5.12 bis 5.17 sind diese sechs Schaltungen ersichtlich.<br />

112 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Berechnung der Teilkapazitätsmatrix<br />

Bild 5.12: Parallelschaltung von C 11 , C 12 und<br />

C 13 ergibt die Kapazität C 1<br />

Bild 5.13: Parallelschaltung von C 11 , C 22 , C 13<br />

und C 23 ergibt die Kapazität C 2<br />

Bild 5.14: Parallelschaltung von C 11 , C 22 und<br />

C 33 ergibt die Kapazität C 3<br />

Bild 5.15: Parallelschaltung von C 22 , C 12 und<br />

C 23 ergibt die Kapazität C 4<br />

Bild 5.16: Parallelschaltung von C 22 , C 33 ,<br />

C 12 und C 13 ergibt die Kapazität C 5<br />

Bild 5.17: Parallelschaltung von C 33 , C 13 und<br />

C 23 ergibt die Kapazität C 6<br />

113 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Berechnung der Teilkapazitätsmatrix<br />

Damit können die sechs unbekannten Teilkapazitäten durch Invertieren des Gleichungssystems<br />

ermittelt werden.<br />

⎛<br />

⎜<br />

⎝<br />

Matrix der Kapazitätskoeffizienten:<br />

[c] =<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎣<br />

Teilkapazitätsmatrix:<br />

[C] =<br />

1 1 1 0 0 0<br />

1 0 1 1 1 0<br />

1 0 0 1 0 1<br />

0 1 0 1 1 0<br />

0 1 1 1 0 1<br />

0 0 1 0 1 1<br />

⎞<br />

⎛<br />

∗<br />

⎟ ⎜<br />

⎠ ⎝<br />

⎞<br />

C 11<br />

C 12<br />

C 13<br />

C 22<br />

C 23<br />

⎟<br />

⎠<br />

C 33<br />

⎛<br />

=<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎞<br />

C 1<br />

C 2<br />

C 3<br />

C 4<br />

C 5<br />

⎟<br />

⎠<br />

C 6<br />

⎤<br />

9.7215653 ∗ 10 −11 −2.1063445 ∗ 10 −11 −2.5246132 ∗ 10 −12<br />

7.2558144 ∗ 10 −11 −7.1712495 ∗ 10 −12<br />

⎥<br />

⎦ F/m<br />

3.0534572 ∗ 10 −11<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎤<br />

7.3627595 ∗ 10 −11 2.1063445 ∗ 10 −11 2.5246132 ∗ 10 −12<br />

4.4323450 ∗ 10 −11 7.1712495 ∗ 10 −12<br />

⎥<br />

⎦ F/m<br />

2.0838710 ∗ 10 −11<br />

5.3.4 Berechnung der Teilkapazitäten bei einer feineren finiten Elementstruktur<br />

Zuerst wird die finite Elementunterteilung der Gitterspalten im Dialogfeld Grid Column Editing<br />

wie im Dialog 5.11 gezeigt geändert.<br />

Danach wird die finite Elementunterteilung der Gitterzeilen im Dialogfeld Grid Row Editing<br />

geändert (Dialog 5.12).<br />

Das Ergebnis ist im Bild 5.18 zu sehen.<br />

114 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Berechnung der Teilkapazitätsmatrix<br />

Dialog 5.11: Erhöhung der finiten Elementunterteilung<br />

in Gitterspalten<br />

Dialog 5.12: Erhöhung der finiten Elementunterteilung<br />

in Gitterzeilen<br />

Bild 5.18: Neue finite Elementunterteilung entsprechend Dialog 5.11 und Dialog 5.12<br />

115 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Berechnung der Teilkapazitätsmatrix<br />

5.3.4.1 Berechnung der Teilkapazitäten durch Integration über die <strong>Leiter</strong>oberflächen<br />

bei einer feineren finiten Elementstruktur<br />

Nun werden, wie bereits im <strong>Beispiel</strong> TET1V 1 1b 2002 - Abschnitt 3.1.2.1 für den Kreis<br />

beschrieben, die beiden quadratischen <strong>Leiter</strong> mit einem ”konzentrischen” Bereich von 0.5 mm<br />

Breite umgeben, um die finite Elementunterteilung in der unmittelbaren Umgebung der <strong>Leiter</strong><br />

optimal zu verfeinern. Dazu wird im Dialogfeld Rounded Structure im Listenfeld Rounded<br />

structure items z.B. der <strong>Leiter</strong> 1 ausgewählt. Danach wird in der Editbox Set number of regions<br />

durch Eingabe von 2 ein zweiter Bereich hinzugefügt und mit der Editbox Select region<br />

die Region02 ausgewählt. Da die Region02 0.5 mm breit sein soll, wird der Radius mit der<br />

Editbox Radius von 2.5 mm auf 3 mm erhöht. Abschließend wird noch die Unterteilung in<br />

der Editbox Subdivision auf den Wert 2 eingestellt und die Einstellungen durch Drücken der<br />

Schaltfläche Replace gesichert. Die Einstellungen sind im Dialog 5.13 gezeigt.<br />

Diese Prozedur wird anschließend auch für den <strong>Leiter</strong> 2 durchgeführt.<br />

Der <strong>Leiter</strong> 3 mit kreisförmigem Querschnitt wird ebenfalls mit einem konzentrischen Bereich<br />

mit 0.5 mm Breite umgeben. Diese Prozedur, die praktisch identisch mit der oben beschriebenen<br />

ist, wurde auch bereits im <strong>Beispiel</strong> TET1V ES Zylinderelektrode Q beschrieben, die<br />

Einstellungen sind im Dialog 5.14 zu sehen.<br />

Als Ergebnis ergibt sich die Matrix der Kapazitätskoeffizienten zu<br />

[c] =<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎤<br />

9.7164493 ∗ 10 −11 −2.1052593 ∗ 10 −11 −2.5233402 ∗ 10 −12<br />

−2.1052643 ∗ 10 −11 7.2521535 ∗ 10 −11 −7.1674979 ∗ 10 −12<br />

−2.5231389 ∗ 10 −12 −7.1674526 ∗ 10 −12 3.0519172 ∗ 10 −11<br />

und die Teilkapazitätsmatrix zu<br />

[C] =<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎤<br />

7.3588560 ∗ 10 −11 2.1052593 ∗ 10 −11 2.5233402 ∗ 10 −12<br />

2.1052643 ∗ 10 −11 4.4301213 ∗ 10 −11 7.1674979 ∗ 10 −12<br />

2.5231389 ∗ 10 −12 7.1674526 ∗ 10 −12 2.0828582 ∗ 10 −11<br />

⎥<br />

⎦ F/m<br />

⎥<br />

⎦ F/m<br />

116 Tutorial EleFAnT2D


5. <strong>Drei</strong> <strong>abgeschirmte</strong> <strong>Leiter</strong> Berechnung der Teilkapazitätsmatrix<br />

Dialog 5.13: Hinzufügen eines 0.5 mm<br />

breiten Gebietes um den <strong>Leiter</strong> 1<br />

Dialog 5.14: Hinzufügen eines 0.5 mm<br />

breiten Kreisringes um den <strong>Leiter</strong> 3<br />

5.3.4.2 Berechnung der Teilkapazitäten über die elektrische Energie bei einer<br />

feineren finiten Elementstruktur<br />

Bei der Berechnung mit der feineren finiten Elementstruktur ergibt sich die Matrix der Kapazitätskoeffizienten<br />

zu<br />

⎡<br />

⎤<br />

9.7215653 ∗ 10 −11 −2.1063445 ∗ 10 −11 −2.5246132 ∗ 10 −12<br />

[c] = ⎢<br />

⎣<br />

7.2558146 ∗ 10 −11 −7.1712495 ∗ 10 −12<br />

⎥<br />

⎦ F/m<br />

3.0534574 ∗ 10 −11<br />

und die Teilkapazitätsmatrix zu<br />

[C] =<br />

⎡<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎤<br />

7.36194200 ∗ 10 −11 2.1063445 ∗ 10 −11 2.5246132 ∗ 10 −12<br />

4.4321064 ∗ 10 −11 7.1712495 ∗ 10 −12<br />

⎥<br />

⎦ F/m<br />

2.0836596 ∗ 10 −11<br />

117 Tutorial EleFAnT2D


14. <strong>Beispiel</strong> - Ferromagnetische Platte im hom. Magnetfeld Ergebnisse<br />

14.2.2.2 Verluste in der Platte - Multi Conductor<br />

Die zweite Möglichkeit besteht in der Auswahl Multi Conductor aus der Dropdown-Liste Selected<br />

Quantity (Dialog 14.18) und der Auswahl All Conductors im Dialogfeld Select Domain Items<br />

(Dialog 14.19). Die Ergebnisse sind im Dialog 14.20 zu sehen. Der vorgegebene Strom ist<br />

tatsächlich Null und aus Symmetriegründen ist auch die Leerlaufspannung je Meter Null.<br />

Dialog 14.18: Die Auswahl Multi Conductor<br />

wird getroffen<br />

Dialog 14.19: Die Auswahl All Conductors<br />

wird getroffen<br />

Dialog 14.20: Ergebnisse für die Platte<br />

224 Tutorial EleFAnT2D


Literaturverzeichnis<br />

[1] Theorie der Elektrotechnik 1, Vorlesung - Skriptum<br />

225

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