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Wirbelstromsimulation eines induktiven Näherungssensors

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Anwendungen

Gebrauchte Werkzeuge:

Induktiver Näherungssensor

Der induktive Sensor ist dafür verantwortlich, die Position eines beweglichen Ziels durch Messen der Änderung der Induktivität einer PCB-Spule genau zu erfassen. Durch Anschließen dieser Spule an einen geeigneten Stromkreis kann eine Korrelation zwischen der gemessenen Nähe und der gemessenen Induktivität hergestellt werden. EMS wird verwendet, um die Induktivität der PCB-Spule an verschiedenen Positionen des Targets zu berechnen. Dies kann den Schaltungsentwicklern helfen, eine Schaltung zu erstellen, die diese Änderung der Induktivität genau messen kann.

SolidWorks-Modell eines induktiven Näherungssensors

Induktive Sensoren werden üblicherweise zur Positionserfassung eingesetzt. Sie bestehen aus einer Spule, die mit einem hochfrequenten Wechselstrom erregt wird. Das Grundprinzip eines induktiven Sensors basiert auf dem Faradayschen Induktionsgesetz. Die Amplitude des Stroms ist sehr gering und liegt in der Größenordnung von mA. Wenn sich, wie in Abbildung 1 gezeigt, kein Ziel in der Nähe befindet, ist die Induktivität der Spule bekannt und kann durch EMS berechnet werden. Bei einem Ziel, wie in Abbildung 2 direkt über der Spule dargestellt, ändert sich die Induktivität der Spule, und dieser neue Induktivitätswert hilft dem Sensor, ein Ziel zu erkennen. Diese Art von Sensoren funktioniert nur für Ziele, die Leiter sind.


Ziel nicht in unmittelbarer Nähe
Abbildung 1 - Ziel nicht in unmittelbarer Nähe

Ziel direkt über dem Sensor

Abbildung 2 - Ziel direkt über dem Sensor

Sie fragen sich vielleicht, warum sich die Induktivität der Spule ändert. Wenn sich über der Spule ein metallisches (leitfähiges) Target befindet (siehe Abbildung 2), erzeugt der hochfrequente Wechselstrom in der Spule Wirbelströme im Target. Diese Wirbelströme erzeugen ein Magnetfeld, das dem von der Spule erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist. Das Ergebnis ist eine Verringerung des Netzfeldes in der Nähe der Spule. Dadurch ändert sich die Induktivität der Spule. Diese Induktivitätsänderung ist das Grundprinzip der induktiven Näherungssensoren. EMS berechnet die Induktivität der Spule an verschiedenen Positionen des Ziels.

EM-Simulation des induktiven Näherungssensors

Im EMS werden diese Sensortypen mithilfe der magnetischen Wechselstromsimulation untersucht. Bei der magnetischen Wechselstromsimulation löst EMS das Problem im Frequenzbereich und gibt als Ausgangssignal Folgendes an: Induktivität der Spule, Widerstand der Spule, magnetische Flussdichte, magnetische Feldstärke und Wirbelstromdichte. Da die Lösung im Frequenzbereich gelöst wird, können alle Feldgrößen als Funktion des Phasenwinkels erhalten werden.
In dieser Simulation (Abbildung 3) wurde die Frequenz der magnetischen Wechselstromstudie auf 1 MHz festgelegt. EMS kann bis zu einer Frequenz von einigen hundert Megahertz lösen.

Wechselstromsimulation im EMS
Abbildung 3 - Magnetische Wechselstromsimulation in EMS

Spule

Die Spule ist als Solid Coil modelliert. Der Strom in der Spule beträgt 1 mA und die Richtung des Stroms ist in Abbildung 4 dargestellt. EMS kann eine Spule sowohl als Massivspule als auch als Litzenspule modellieren. Feste Spule unterstützt Wirbelstrom, aber verseilte Spule nimmt keine Wirbelströme an. Bei dieser Simulation werden die Wirbelströme in der Spule vernachlässigt. Die Wirbeleffekte werden jedoch für das bewegliche Targetmaterial aus Kupfer berücksichtigt.

Stromrichtung in der Solid-Spule
Abbildung 4 - Stromrichtung in der Solid-Spule

Materialien

In dieser Simulation gibt es drei Komponenten: Die Spule und das Target bestehen aus Kupfer, und die Luftregion ist, wie der Name schon sagt, Luft. Abbildung 5 zeigt die verschiedenen Teile, die für diese Simulation modelliert wurden. Die Luftregion ist ein wichtiger Bestandteil jeder mit EMS durchgeführten EM-Simulation. Es hilft Ihnen, die Feldgrößen im Luftraum um die Spule und das Ziel zu ermitteln. EMS wird mit einer vollständig anpassbaren Materialbibliothek ausgeliefert, die Hunderte häufig verwendeter Materialien der Elektrotechnik enthält.

Materialien können einfach aus einer anpassbaren Materialbibliothek in EMS übernommen werden

Abbildung 5 - Materialien können einfach aus einer anpassbaren Materialbibliothek in EMS übernommen werden

Gittergewebe

EMS wird mit einem vollautomatischen Netzgenerator geliefert, der die genaue Geometrie berücksichtigt, die in Ihrem CAD-System erstellt wurde. Dadurch müssen Sie Ihre CAD-Geometrie in keiner Weise ändern oder modifizieren. Um die Skin-Tiefe im Ziel zu erfassen, wenden wir ein Mesh-Steuerelement auf das Ziel an. Mithilfe der Netzsteuerung können Benutzer Regionen im Modell gezielt auswählen und eine Netzgröße angeben. Abbildung 6 zeigt das von EMS generierte Netz.

Automatische Netzgenerierung in EMS

Abbildung 6- Automatische Netzgenerierung in EMS

Berechnung der Induktivitätsänderung

Der Abschnitt Ergebnisse ist in 3 Teile unterteilt -

  1. Induktivitätsberechnung der Spule
  2. Widerstandsberechnung der Spule
  3. Felddiagramme (magnetische Flussdichte, magnetische Feldstärke, Wirbelströme im Target usw.)

Induktivität

Die Spuleninduktivität ist nützlich, da der Ingenieur diesen Wert verwendet, um eine Schaltung zu entwerfen, die die Bewegung erfassen kann. Die folgende Tabelle in Abbildung 7 zeigt die Induktivität der Spule an den beiden Positionen - wenn sich das Ziel der Spule nähert, sich jedoch nicht in der Nähe befindet und wenn sich das Ziel direkt auf der Spule befindet. Die Induktivität verringert sich, wenn sich das Ziel in der Nähe der Spule befindet, von 1,27 Mikro-Henry auf 1,07 Mikro-Henry. Dies entspricht einer Verringerung der Induktivität der Spule um 15,7%. Diese Werte helfen einem Ingenieur, eine Schaltung zu entwerfen, die empfindlich genug ist, um diesen Unterschied zu erfassen.

Induktivitätsvergleich zwischen den beiden Positionen
Abbildung 7 - Induktivitätsvergleich zwischen den beiden Positionen

Widerstand

Der Widerstand der Spule ist ihre intrinsische Eigenschaft und ändert sich nicht mit der Position des Ziels. EMS berechnet den Spulenwiderstand anhand seiner genauen Geometrie. Der Widerstand der Spule wird mit 0,35 Ohm berechnet (siehe Abbildung 8). Beachten Sie, dass dieser Widerstand der Gleichstromwiderstand der Spule ist.

EMS berechnet den Gleichstromwiderstand der Spule
Abbildung 8 - EMS berechnet den Gleichstromwiderstand der Spule

Von einem induktiven Näherungssensor erzeugte 3D-Felder

Die 9 und 10 zeigen die Auftragungen der Magnetfelddichte und der Magnetfeldintensität für Position 2 (wenn sich das Ziel in der Nähe befindet). Beachten Sie, dass für den Magnetflussdichtevektor die Größe der Vektoren, die durch das Target fließen, kleiner ist und dies auf induzierte Wirbelströme auf dem Target zurückzuführen ist. Die Wirbelströme auf dem Target wirken dem von der Spule erzeugten Feld entgegen. EMS kann 3D-Diagramme, Vektordiagramme und Schnittdiagramme erstellen. Einige dieser Darstellungen helfen Ihnen dabei, Ihre Felder genau zu visualisieren und zu verstehen, was in verschiedenen Situationen passiert.


Vektordiagramm der magnetischen Flussdichte
Abbildung 9 - Vektordiagramm der magnetischen Flussdichte

Schnittdarstellung der Magnetfeldstärke
Abbildung 10 - Schnittdarstellung der Magnetfeldstärke

Abbildung 11 zeigt die Verteilung der Wirbelströme im Target in der Nähe des Sensors (oder der Spule). Beachten Sie, wie die Vektoren des Stroms einen Fluss erzeugen, der dem von der Spule erzeugten Fluss entgegengesetzt ist.

Wirbelströme im Ziel

Abbildung 11 - Wirbelströme im Target

Fazit

In diesem Beispiel wird erläutert, wie EMS Ingenieuren beim Entwurf besserer induktiver Sensoren helfen kann. Der Hauptparameter, nach dem sie suchen, ist die Änderung der Induktivität, die ihnen hilft, eine empfindliche Schaltung zu entwerfen, die diese Änderung erfassen kann. Die Felddiagramme bieten eine Fülle von Informationen, anhand derer sie die Entwürfe genau untersuchen können, insbesondere im Hinblick auf das Verhalten der Felder.