FEMM: CALCOLO DELL'INDUZIONE E DELLA FORZA DI UN MAGNETE

I) Cos'è FEMM?

FEMM è un software gratuito che consente di creare circuiti magnetici e simulare linee di campo utilizzando il metodo degli elementi finiti. FEMM ti consente di visualizzare l'induzione che attraversa il tuo sistema e di quantificarla in Gauss o Tesla. La sorgente può essere un magnete permanente in ferrite morbida o dura, neodimio da N38 a N52 o gradi meno comuni come AlniCo e Somarium-Cobalt. La sorgente di induzione magnetica può essere anche un elettromagnete con bobina in rame, alluminio , ecc. L'ambiente attorno alla sorgente di induzione sarà costituito da aria o un circuito in acciaio. Di seguito alcune righe, ma le opzioni offerte da FEMM sono molto più numerose: Calcolo della dissipazione del calore per convezione, elettromagneti a frequenza alternata, ecc. Il nostro obiettivo qui non è scrivere un manuale di 200 pagine...

Ad esempio, vuoi calcolare la forza di un magnete su una massa di acciaio , o visualizzare le linee del campo magnetico generato dal tuo elettromagnete ? Puoi investire qualche decina di migliaia di euro in un software di simulazione 3D di ultima generazione oppure... scarica gratuitamente il software FEMM qui

II) Quali forme di circuito magnetico con FEMM?

Qualsiasi forma! Se hai davvero una forma 3D stravagante, semplificala ed estrai una sezione o taglia. FEMM funziona in 2D e non in 3D, ma è possibile dare spessore al proprio sistema magnetico. Ad esempio, si disegna e si configura la sezione di una piastra magnetica e quindi si definisce la sua profondità. Per i circuiti cilindrici, puoi simula una rivoluzione della tua semisezione lungo un asse.

III) Come disegnare il suo circuito magnetico su FEMM?

Ci sono due modi:

1) Importa geometria Dxf...

...da AutoCAD o dal tuo software di progettazione. Pensaci bene prima di importare, per rimuovere tutto il superfluo come testi, quote, tratteggi, e controlla che non ci siano righe sovrapposte. L'importazione di una sezione è il modo più semplice e veloce.

2) Crea la geometria direttamente in FEMM...

Sei tornato nel 1995! La prima volta che dobbiamo disegnare una geometria, siamo persi. Per evitarlo, disegna prima la tua sezione su un foglio . Prendi il punto in basso a sinistra come riferimento. In un sistema di coordinate cartesiane, questo punto avrà le coordinate X=0 e Y=0. Ora, come quando eri in prima media, segna ogni punto della tua geometria con le coordinate (X;Y) . È fatta ? Allegria.

In FEMM , fai clic sull'icona del punto e quindi premi il tasto TAB sulla tastiera. Viene visualizzata una finestra e si immettono le coordinate del nuovo punto . Ripetere l'operazione per tutti gli altri punti. Il peggio ora è dietro di te!

Fare clic sull'icona Linea , quindi collegare i punti . La sezione del tuo circuito magnetico è finita!

Solidworks, Inventor o Catia ti appaiono improvvisamente come software ergonomici e potenti! Anche AutoCAD sembra improvvisamente facile da usare.

IV) Definire i parametri del problema.

1) L'ambiente ei suoi limiti

Hai precedentemente definito la tua sezione. Non dimenticare di disegnare anche un grande rettangolo attorno alla tua geometria. Usa sempre il metodo dei punti e delle linee. Questo grande rettangolo simboleggia l'ambiente oi limiti in cui verranno eseguiti i calcoli e verranno rappresentate le linee di campo. Per riassumere, non puoi chiedere un calcolo infinito, devi dare dei limiti. Quando questo rettangolo viene disegnato, deve essere indicato che è il limite e che è pieno d'aria. Per il materiale, vedremo di seguito, ma per definire un confine, seleziona il perimetro e fai clic su Proprietà poi Confine. Di seguito è riportato un esempio su un circuito cilindrico. Aggiungi con Aggiungi proprietà quindi nella finestra "Proprietà limite", imposta tutto su 0.

2) Assunzioni di base del problema

Quando fai clic su Problema, si apre una finestra molto importante. Si specificheranno le ipotesi del problema da risolvere:

• piano (con uno spessore) o un asse di simmetria (rivoluzione)
• unità: millimetro
• Frequenza: 0 Hz se si utilizza un magnete permanente o corrente continua
• Spessore: Da definire in base alle proprie esigenze. Questo è lo "spessore" della tua sezione.
• gli altri parametri possono rimanere di default.

V) Quali materiali sono disponibili?

C'è di tutto: magneti permanenti, materiali conduttivi e non, diversi tipi di acciaio, acciaio inossidabile, rame e alluminio, ecc. C'è anche l'aria che è essenziale.

Visita la libreria dei materiali in Proprietà / Libreria dei materiali.

A sinistra i materiali disponibili. A destra i materiali da utilizzare nella nostra simulazione. Prendi i materiali necessari trascinandoli da sinistra a destra . È facile !

Quindi torna al disegno.

Per posizionare ogni materiale in ogni parte: prima clicca sull'icona "cerchi verdi" , poi clicca con il tasto sinistro per posizionare il materiale. Quindi fare clic con il pulsante destro del mouse vicino al punto "nessuno" appena creato, quindi tasto Spazio per aprire le proprietà di questo blocco di materiale. Scegli il materiale di questa parte e specifica la direzione di magnetizzazione se si tratta di un magnete permanente. Nel caso di una bobina a filo, specificare la direzione della magnetizzazione ma anche il numero di giri di questo solenoide. Specificare anche a quale circuito fa parte questa bobina. Non entreremo in questo dettaglio, le informazioni sono disponibili nella Guida.

Cosa succede se il mio materiale non è nella libreria? Aggiungi nella colonna di destra un materiale simile, ne modifichi le proprietà e lo rinomina.

VI) Creazione della mesh.

A questo punto hai già:

• importato o disegnato il tuo sistema (senza duplicare punti o linee)
• definito i materiali (senza dimenticare l'aria)
• imposta il confine (Rettangolo o Raggio)
• indicato le proprietà del problema (Piano, mm, profondità, ...)

Ora puoi fare clic su questa icona gialla la cui forma è difficile da percepire... :-)

Il processore calcola e crea la mesh. Questo di solito richiede meno di 30 secondi a meno che non sia stata definita una mesh fine nelle proprietà del blocco di materiale. (Punto verde). In effetti, puoi farlo per essere più preciso su parti sottili. In questo caso il tempo di calcolo sarà più lungo... anche molto lungo.

Ecco fatto, la mesh è visibile! Avviare il calcolo magnetico ruotando la manovella e l'ingranaggio. Sto parlando dell'icona...

VII) Calcolo e visualizzazione del flusso magnetico.

Al termine del calcolo, viene visualizzata una nuova scheda in basso. Quello a sinistra è il tuo sistema con la sua mesh, e quello a destra è... il risultato del tuo duro lavoro. Allegria !

Per rendere più visibile il risultato , 3 consigli:

• Regola il numero di righe di campo in base alle tue esigenze. Per fare ciò, fai semplicemente clic sull'icona " Quadrato nero tratteggiato ". Si apre una finestra di dialogo e aumenta o diminuisce il "numero di contorni" a piacere.

• L'icona seguente, che sembra un arcobaleno , colorerà la tua visione del flusso e delle aree in cui la sua densità è importante . Mostra la trama della densità! Regola anche i valori Punto basso e Punto alto della scala della densità del flusso. Da 0 a 1,6 Tesla per esempio. Mantenendo la stessa scala sui tuoi diversi calcoli, ciò ti consente di confrontare le configurazioni dei tuoi sistemi.
• Aggiungi i vettori per visualizzare l'importanza e la direzione dei flussi che attraversano la tua soluzione di magnete o elettromagnete. Basta fare clic sull'icona della freccia nera .

Ora hai il supporto grafico per interpretare:

• le linee di campo convergenti o utili. È questo il risultato che speravo?
• le linee di campo divergenti, che sono perdite . Queste perdite sono insignificanti o rappresentano una perdita inaccettabilmente grande?
• geometrie inutili in cui il flusso è molto basso. Riduco le dimensioni della mia parte, la smusso, ne riduco lo spessore, elimino una parte, ecc.
• geometrie sovrasollecitate che sono magneticamente sature . Cambio la loro forma, aumento lo spessore o perché no, diminuisco la tonalità del mio magnete o l'intensità della mia bobina.
• Direzioni e intensità dei flussi in un determinato luogo .

È molto lavoro interpretare, correggere le ipotesi, confrontare le soluzioni . Preferisci un "Salva con nome" per creare una copia del tuo sistema e quindi modificarlo.

VIII) Calcola la forza di attrazione in Newton.

Hai notato che il nostro esempio è composto da un foglio sottile posizionato a distanza dai nostri magneti. Il traferro è importante e vuoi conoscere la forza di attrazione o di sollevamento? Basta cliccare sull'area interna del foglio dopo aver attivato l'icona " Cerchio verde ". L'icona integrale "S" offre un gran numero di calcoli disponibili. Divertiti. Qui prenderemo solo qui Forza .

Il risultato corrisponde alle forze in Newton lungo X e Y. Dettaglio importante, se in precedenza hai indicato una profondità al tuo problema di Plan, il risultato ne tiene conto. È proporzionale.  

Congratulazioni, hai il tuo risultato! Conosci la forza che il tuo sistema distribuisce! Quindi, la capacità del tuo magnete è sovradimensionata o sei arrivato vicino al disastro?

IX) Alcune funzioni aggiuntive

1) Crea una sezione e analizza la densità del flusso magnetico.

Per analizzare le densità di flusso nelle diverse parti e ricavarne una bella curva in un marker (X:Y), devi tornare alla scheda della geometria e creare 2 punti aggiuntivi . Questi punti saranno le estremità del segmento del tuo taglio. Riavvia i calcoli , altrimenti questi punti non saranno visibili nella scheda dei risultati. La prossima volta creerai questi punti insieme alla geometria del tuo sistema magnetico. La chiamiamo esperienza!

Tornando alla schermata di visualizzazione del flusso, collega i 2 punti utilizzando la funzione Segmento . L' icona della curva apre un menu in cui sei libero di scegliere cosa vuoi visualizzare . Inizia con... Bn o B per visualizzare l'evoluzione della densità durante la sezione

.

2) Recuperare informazioni da un circuito elettromagnetico.

Se hai realizzato un sistema elettromagnetico, dotato ad esempio di una bobina di rame che eroga I ampere in N giri, puoi conoscere le informazioni elettriche come la corrente totale, la tensione, le perdite di flusso, la potenza. Per fare ciò, utilizzare l'icona "giri" situata subito dopo l'icona degli integrali. Il nostro esempio era basato sui magneti permanenti ma è facile sostituire questo magnete in ferrite con una massa di rame per la quale inserisci le caratteristiche della tua bobina (IxN). Piccolo consiglio utile: metà della tua bobina sarà +NI e l'altra metà sarà -NI. Scava, ci arriverai e poi potrai recuperare i dati dal circuito elettromagnetico.

3) Flusso di calore e dissipazione del calore

Se hai familiarità con le simulazioni magnetiche relative a un elettromagnete, sarà abbastanza facile per te affrontare i flussi di calore. Inoltre, è abbastanza complementare: un elettromagnete è dotato di una bobina che genera calore. È interessante conoscere la temperatura di questa bobina ma anche studiare il modo migliore per dissiparla attraverso in particolare resine o materiali che conducono il calore. La durata e le prestazioni della bobina possono essere influenzate negativamente da temperature eccessive. Una resina isolante invecchia molto più velocemente quando subisce una temperatura oltre il ragionevole, con conseguente degrado delle sue proprietà dielettriche e quindi la comparsa di problemi come curve di cortocircuito o una terra pulita.

Il metodo non verrà sviluppato qui. Questo è un altro argomento.

X) CONCLUSIONE SU FEMM.

Uno strumento gratuito , ed è importante specificarlo perché i software di simulazioni 3D agli elementi finiti di volume hanno un prezzo a 5 cifre.

FEMM nasce da un progetto iniziato nel 1993 ma il cui ultimo aggiornamento è nel 2019 ! Piccole cose vengono aggiunte regolarmente, come le ultime generazioni di N55 al neodimio.

Certo, FEMM è poco ergonomico ed è noioso se non si ha una geometria in dxf, eseguita inizialmente su un CAD moderno e veloce. Questo è il suo principale difetto, per molti vantaggi. Possiamo biasimarlo per essere in 2D, tranne per il fatto che possiamo simulare una profondità o una rivoluzione. Possiamo anche biasimarlo per la mancanza di letteratura in lingua francese su di lui.

Ci siamo soffermati sulle sue capacità in relazione alla nostra necessità di calcolo della forza. Ma ci sono possibilità di calcolo molto più ampie , che è possibile scoprire attraverso le istruzioni ma soprattutto attraverso il forum anglofono dedicato .

Ricorda che tutti i software sono strumenti di simulazione che forniscono approssimazioni e che la realtà è leggermente diversa. Simula, calcola, approssima ma pensa a realizzare un prototipo per verificare le tue ipotesi con in particolare... un gaussmetro o un teslametro!

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www.tesla-gaussmeter.fr