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Tutorial para uso do software FEMM no ambito de magneticos
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Não perca as partes importantes!
Professor: Braz J. Cardoso Filho, PhD Material elaborado por: Rodrigo R. Bastos Belo Horizonte, 1° semestre de 2018
Esse exemplo está disponível no site do desenvolvedor (http://www.femm.info/wiki/ACForceExample). Aqui será mostrado todo o processo de obtenção dos resultados de uma forma mais detalhada do que no exemplo pronto. O objetivo desse exemplo é mostrar como podem ser calculadas forças utilizando o FEMM. A geometria a ser desenhada está mostrada na figura 1. Ela mostra um indutor com núcleo em forma de EI, com as seguintes dimensões (’’ significa polegadas^1 ):
A tela inicial do FEMM está mostrada na figura 2. Para começar uma nova simulação, basta clicar no ícone de uma folha em branco. (^1) Poderia ter sido usado milímetros ao invés de polegadas, mas os valores em polegadas são muito mais fáceis de lidar, por exemplo: 1, 0,5, etc.
A primeira coisa a ser feita é definir as coordenadas e unidade de dimensão do desenho. Isso pode ser feito clicando em Problem , sendo que aparecerá a janela mostrada na figura 5. Para esse caso, pode-se escolher Problem Type como Planar , Length Units como Inches e Depth como 1’’ – uma vez que a unidade foi definida como polegadas. Para essa simulação não é necessário mudar mais nada. Ao final, é necessário clicar em OK. Figura 5 : Definições básicas para a simulação. Uma vez definidas as condições básicas da simulação, pode-se começar a desenhar. A figura 6 mostra as ferramentas básicas de desenho do FEMM. Figura 6 : Ferramentas básicas de desenho. O primeiro ícone é para a colocação de pontos no espaço. Uma vez colocados dois ou mais pontos, pode-se fazer a conexão entre eles com segmentos retos (segundo ícone) ou com segmentos curvos (terceiro ícone). O quarto ícone é para a colocação de materiais no desenho, por exemplo, ar, cobre, ferro, etc. O quinto ícone é para a seleção de pontos, retas, curvas e materiais no desenho. Essa seleção múltipla pode ser feita para deletar, mover ou copiar partes do desenho. Então, pode-se fazer o desenho da figura 1 começando pela disposição de pontos no espaço e depois conectando-os por retas. Clicando no ícone do ponto e apertando a tecla TAB, a janela mostrada na figura 7 aparece. Figura 7 : Janela que aparece ao apertar a tecla TAB do teclado tendo previamente selecionado a opção de ponto no FEMM.
Existem duas opções para posicionar um ponto no espaço: a primeira é clicando com o botão esquerdo do mouse em qualquer posição da janela de desenho do FEMM. A segunda é definindo as coordenadas do ponto pela janela mostrada na figura 7. Será definido que a parte de baixo do I está localizado em y = 0. O desenho começará em x = 0 e será completado em direção à x e y positivos. Portanto, para se desenhar o I, os pontos serão:
Como o FEMM resolve um problema no espaço, é necessário desenhar uma região que englobe o indutor para que seja definido o espaço a ser simulado. Esse quadrado terá 0,5” a mais que o indutor em todas as dimensões:
Definindo o quadrado externo como ar, define-se também o material do entreferro, uma vez que não há nenhum segmento ligando as partes E e I. Nesse momento serão escolhidos quais materiais serão usados nessa simulação. Para isso, é necessário clicar em Properties e, então, em Materials Library. A figura 14 mostra a janela que é aberta. Figura 14 : Janela para definição dos materiais a serem usados na simulação. Do lado esquerdo estão todos os materiais que o FEMM tem como default. Do lado direito deverão ser colocados os materiais a serem usados na simulação. Para isso, basta puxar um material (com o botão esquerdo do mouse) do lado esquerdo e soltar no lado direito. O ar (air) já está mostrado na figura 14. Para achar o cabo AWG 14, deve-se clicar em Copper AWG Magnet Wire e então puxar o AWG 18 para o lado direito. Ao clicar duas vezes com o botão esquerdo em cima do material, é possível ver as suas informações. Por exemplo, a figura 15 mostra as informações do AWG 18. Por motivos de aprendizagem, o material magnético será criado como um não existente na biblioteca do FEMM. Será usado o aço M-50 como base para se fazer isso. Esse material fica em Metals Handbook DC Magnetization Curves. A figura 16 mostra as informações do M-50.
𝜇𝑥 quanto 𝜇𝑦 serão definidos como 2500, concluindo a definição do material. A figura 17 mostra o resultado. Figura 17 : Resultado da configuração do aço. Após isso, basta clicar em OK e OK novamente na janela de Materials Library. Para definir cada “none” da figura 13 como o correto material daquela área, é necessário estar com o ícone de materiais da figura 6 selecionados e clicar com o botão direito do mouse em algum dos “none”. Depois disso, é só apertar a barra de espaços do teclado que a seguinte janela de configuração aparecerá. Figura 18 : Definição das regiões com seus respectivos materiais. O “none” selecionado fica vermelho. O mostrado na figura, especificamente, representa uma região de ar, então, deve-se selecionar air em Block Type e apertar OK.
Será feito o mesmo procedimento para os núcleos E e I, em que deve ser selecionado “Aço". Nesse momento, poderia ser definido o tamanho da malha ( Mesh size ). Em condições normais, pode-se deixar o software fazer automaticamente a escolha desse valor. É necessário alterá-lo caso o usuário veja que os triângulos têm uma dimensão relativamente grande com relação ao objeto a ser simulado. Deve-se ter mais atenção à região do entreferro, devendo sempre ser uma região com uma malha bem fina (triângulos pequenos). Onde tem cobre é necessário incluir as informações de número de espiras e de sentido de corrente, mas, antes disso, é preciso criar um circuito e definir qual valor de corrente passará por ele. Isso pode ser feito ao clicar em Properties , depois em Circuits e em Add Property. A janela que aparece nesse momento está mostrada na figura 19. Figura 19 : Definição de um circuito para simulação. O nome do circuito será Coil , como no site do FEMM, e a corrente será definida inicialmente como 1 A. A corrente definida nessa forma é entendida pelo programa como uma corrente CC. Mesmo o software simulando somente um passo no tempo de cada vez, ele tem definições diferentes para correntes CA e CC. Voltando na tela de desenho e selecionando os materiais que devem ser definidos como cobre, deve-se mudar a opção In Circuit para Coil e o número de espiras ( Number of Turns ) para 66. O FEMM entende que é um enrolamento ao definir de um lado 66 e do outro - 66. Assim, será definido aqui o circuito da janela esquerda como tendo 66 espiras e o da janela direita como tendo - 66 espiras. A figura 20 mostra a configuração final do desenho.
de fluxo e a janela FEMM Output, que é relacionada com as características de algum ponto selecionado. Figura 22 : Tela de obtenção dos resultados. Nessa tela aparecem as seguintes ferramentas de geometria e de obtenção dos resultados. Figura 23 : Novos ícones para obtenção de resultados. Os ícones serão explicados da esquerda para a direita. O primeiro deles é de ponto, logo, ao se clicar nele e clicar em algum local do espaço simulado, informações serão mostradas na janela FEMM Output. A figura 24 mostra diversas informações sobre um ponto colocado em (0.75, 0.75). Figura 24 : Demonstração da análise por pontos.
Com o segundo item da figura 23 é possível traçar segmentos entre dois pontos na tela de resultados. Esses segmentos podem ser retos ou curvos, para definir isso, basta criar o segmento e apertar a tecla de espaço do teclado. Será traçada uma reta na primeira perna do E. Selecionando o ícone de segmentos da figura 23, deve-se apertar a tecla TAB para adicionar os pontos inicial (0, 0.5) e final (0.25, 0.5). Com isso, pode-se selecionar a ferramenta de gráficos do FEMM (quarto ícone da figura 23) para gerar um gráfico de B versus comprimento do segmento, por exemplo. A figura 25 mostra o segmento criado e a janela de configuração para criação do gráfico. Existem várias opções de gráficos a serem gerados. Nesse caso, há o interesse em avaliar o fluxo que cruza o segmento de reta, então será escolhido B. n (Normal flux density). O valor default de número de pontos é 150, mas será colocado 10000. Ao selecionar o ícone Write data to text file , o FEMM gera um arquivo de texto com os pontos da curva. Figura 25 : Segmento criado na primeira perna do E. Clicando OK na caixa mostrada na figura 25, tem-se o gráfico de B versus comprimento, figura 26.
Figura 27 : Análise de área. Como é o objetivo desse exemplo, será obtida a força produzida pelo indutor. Existem duas formas de calcular força e uma discussão sobre os dois métodos pode ser encontrada nesse exemplo no site do FEMM. Clicando em Force via Weighted Stress Tensor , o resultado obtido é mostrado na figura 28. O sexto ícone da figura 23 mostra informações dos circuitos contidos na simulação. Como nesse exemplo só há um circuito ( Coil ), só haverá um conjunto disponível de informações. A figura 29 mostra os resultados obtidos. São mostrados: valor de corrente, queda de tensão no enrolamento, fluxo concatenado, indutância (fluxo concatenado sobre corrente), resistência e potência de perdas no enrolamento.
Figura 28 : Força obtida pelo Weighted Stress Tensor. Figura 29 : Informações sobre o circuito presente no exemplo simulado. Os últimos 4 ícones da figura 23 são relacionados com a demonstração de certas informações gráficas na janela de resultados. O primeiro desses quatro mostra a malha utilizada para a resolução do problema. O segundo é para mostrar as linhas de fluxo (que já aparecem por default). O terceiro é para se fazer gráficos de distribuição de B ou de H na superfície do indutor (interessante para identificar pontos de saturação magnética). O quarto ícone mostra o sentido das linhas de fluxo. A figura 30 mostra a distribuição de B no indutor e o sentido das linhas de fluxo. A escala utilizada no gráfico de densidade foi de 0 T até 0.2 T.
