Einleitung
In den vergangenen Jahren wurden in allen technischen Bereichen die physikalisch-technischen Grenzen für Isolierstoffe ausgelotet. Dies führte und führt dazu, dass die Anforderungen für Isoliersysteme stets nach oben gesetzt werden. Herkömmliche, lineare Isolierstoffe stoßen dabei an Limitierungen, die u.U. eine Entwicklung komplizierter gestalten, bspw. stehen kleine Baugrößen und hohe Spannungen in starkem Widerspruch zueinander, weshalb konventionelle Isolierkonzepte entweder das eine oder das andere erreichen können.
Um diesen Limitierungen zu entkommen, haben wir unser Know-how in Forschungs- und Entwicklungsarbeit zum Thema nichtlinear-leitfähige Materialien (nonlinear conductive materials, NLCM) gesteckt, mit deren Hilfe es möglich ist dem engen Korsett der o.g. Einschränkungen ein Stückweit zu entkommen.
Die komplexe Funktionsweise dieser Materialien erlaubt es Isolierstoffsysteme in Bereichen zu optimieren, die zuvor technisch nur schwer möglich waren. Bevor jedoch die genauen Details und Funktionsweisen erläutert werden, ist es von Bedeutung die Grundlagen aufzuzeigen.
Diese Blog-Serie beschäftigt sich zum einen mit den Grundlagen von Feldberechnung und schlägt im weiteren Verlauf den Bogen zur umfassenden Beschreibung der o.g. NLCM.
Was ist Feldberechnung?
Die elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Felder besitzen meist nur geringe oftmals sogar keine Symmetrie, wenn es um technische Komponenten bzw. Geräte geht. Dies analytisch zu berechnen, ist mit einem hohen Aufwand verbunden, der in keinem Verhältnis zu den Kosten oder dem Nutzen steht. Die Alternative dazu bieten rechnergestützte numerische Verfahren, wobei je nach Komplexität der Problemstellung mit einem erhöhten Einarbeitungsaufwand zu rechnen ist.
Für Simulationen nutzen wir, bei der CRW Engineering, ein Programm, welches nach dem Prinzip der Finite-Elemente-Methode (FEM) arbeitet. Der Ablauf einer Simulation wird idR. nach dem folgenden Schema durchgeführt, wobei die einzelnen Schritte je nach Modell unterschiedlich komplex ausfallen können. Anschließend erfolgt das sogenannte Postprocessing, bei dem die Ergebnisse in aussagekräftige Grafiken und/oder Diagramme verarbeitet werden. Dieser Schritt ist vollkommen individuell und muss bedarfsgerecht an die jeweiligen Anforderungen der Analyse vorgenommen werden.
Abbildung 1: Prinzipieller Ablauf einer Simulation
Bei der FEM wird das natürliche Phänomen genutzt, dass sich das elektrische Feld genau so ausbildet, dass sein Gesamtenergieinhalt minimal wird. Das zu lösende Funktional, welches die Energie in einem Volumen VV berechnet, sieht wie folgt aus:
Da jedoch in der Praxis das Volumen des Feldraumes mitunter sehr komplexe Formen annimmt, muss für diesen Umstand noch eine Abhilfe geschaffen werden. Um komplexe Formen des Volumens zu vereinfachen, wird das gesamte Gebiet in sehr kleine Teilvolumen unterteilt, welche eine so einfache Gestalt haben, sodass die Berechnung des Feldes für jedes Teilelement deutlich einfacher wird. Hieraus wird dann auch der Name „Finite Elemente Methode“ ersichtlich.
Das „Zerteilen“ des Feldraums nennt man Diskretisieren. Meist werden hierfür Dreieckelemente (2D) oder Tetraeder (3D) verwendet. Ein Beispiel ist im Folgenden dargestellt:
Abschließende Bemerkungen
ie Verwendung von Simulationsprogrammen ist ein komplexes Themenfeld, bei dem z.T. sehr tiefgründiges Verständnis zu elektrischen Feldern benötigt wird, um die Zusammenhänge fassen zu können.
Gerade die Nutzung von nichtlinearen Isolierstoffen macht Simulationen unabdingbar. Die komplexe Natur der NLCM sorgt dafür, dass eine Feldverteilung nicht so einfach vorhersagbar ist, wie dies bei linearen Materialien der Fall ist. Die nächsten Blog-Artikel hierzu sollen diesen Sachverhalt verdeutlichen. Auch die Frage nach dem „Warum?“ in Bezug auf die Nutzung von NLCM wird im Laufe der Blog-Serie beantwortet.
Die Kenntnis über grundlegende Geometrien und deren Feldverteilung ist ein unabdingbares Werkzeug, zum allgemeinen Verständnis über die Funktion von NLCM. Aus diesem Grund lernen wir im kommenden Beitrag Bilder, wie das Folgende zu interpretieren
Es bleibt also (hoch-)spannend.