Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Elektromagnet = Neodym-Magnet


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von Steven (muellermilch)


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Hallo Johann, gibt eine Funktion in FEMM den Abstand zwischen zwei 
Objekten/Punkten zu überprüfen/kontrollieren?

von Steven (muellermilch)


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Ich habe die Werte jetzt so nah wie möglich angepasst, das sie sowohl 
die Werte von supermagnete als auch meine realen Messwerte entsprechen. 
Das sieht soweit gut aus.

Allerdings würde ich nun gerne eine Verschiebung zwischen 2 Magneten 
betrachten und da passen die Werte nicht ganz so optimal wie meine 
realen Messwerte. Die Frage ist halt, ob das so einfach ist in FEMM wie 
ich es mir gemacht habe. Magst du mal bitte rüber schauen Johann, ob das 
so theoretisch in Ordnung ist?

von Steven (muellermilch)


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Steven schrieb:
> Ich habe die Werte jetzt so nah wie möglich angepasst, das sie sowohl
> die Werte von supermagnete als auch meine realen Messwerte entsprechen.
> Das sieht soweit gut aus.

Okay, ich muss mich korrigieren. Nach etwas Spielerei passt es doch 
nicht so wie es sein soll.

Ich habe mir den Haftkraftrechner von supermagnete geschnappt 
(https://www.supermagnete.de/adhesive-force-calculation/result?paramset=m/0/S-04-25-N) 
und die Kraft alle 0.5mm darüber messen lassen.
Das habe ich dann auch in FEMM gemacht und die Werte soweit angepasst, 
dass diese nahezu übereinstimmen.

Nun sagen mir die technichen Daten vom Magneten (siehe Anhang), dass Br 
bei 1.29 - 1.32T liegt. Nun sagt mir FEMM aber, dass Br bei etwa 1.185T 
liegt. Die wirkenden Kräfte sind aber fast gleich, wie kann das sein?

: Bearbeitet durch User
von Johann (hhonline)


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Steven schrieb:
> Bitte um Erklärung, was "virtuelle Verschiebung" ist.

Es gibt einige Regeln, die gelten immer und überall:
* Energieerhaltungssatz
* Erster Hauptsatz der Wärmelehre
* Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre
* Eins + Eins = Zwei  (ohne Beweis)

Hier zum Beispiel. Ein Magnet hat Energie gespeichert, zum Teil im 
Magnet als auch im Feld rundherum.
Nähert man sich jetzt mit einem Eisenstück, so wird dieses angezogen. 
Die Kraft integriert über den Weg ergibt eine gewisse Energiemenge, die 
im Magnetfeld jetzt fehlt. Entfernt man das Eisen, so muss man Energie 
aufwenden, die dann wieder im Feld landet.

Die Summe ist also immer gleich - siehe Einleitung.

Damit kann man über (Delta-Feldenergie)/Abstand die Kraft berechnen. 
Gilt natürlich nur für kleine Delta-Abstande, da sich ja die Kraft mit 
dem Abstand ändert.

Beispiel folgt.

von Johann (hhonline)


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Steven schrieb:
> Allerdings würde ich nun gerne eine Verschiebung zwischen 2 Magneten
> betrachten und da passen die Werte nicht ganz so optimal wie meine
> realen Messwerte. Die Frage ist halt, ob das so einfach ist in FEMM wie
> ich es mir gemacht habe. Magst du mal bitte rüber schauen Johann, ob das
> so theoretisch in Ordnung ist?

sorry, NULL Punkte für "verschiebung1.fem (4,74 KB)". Der untere Magnet 
ist ein Zylinder, der obere ein ROHR!!!

Die vertikale Achse ist die Rotationsachse!  Eine Achsenverschiebung 
kann man in Zylinderkoordination NICHT rechnen. Hier ist ein voller 3D 
Ansatz notwendig - aber nicht mit FEMM.

von Steven (muellermilch)


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Johann schrieb:
> sorry, NULL Punkte für "verschiebung1.fem (4,74 KB)". Der untere Magnet
> ist ein Zylinder, der obere ein ROHR!!!

Ah verstehe, danke dir! Was passiert denn, wenn ich es so baue...siehe 
Anhang. Was genau wäre das jetzt?^^

Johann schrieb:
> Die vertikale Achse ist die Rotationsachse!  Eine Achsenverschiebung
> kann man in Zylinderkoordination NICHT rechnen. Hier ist ein voller 3D
> Ansatz notwendig - aber nicht mit FEMM.

Mit welcher Software könnte ich das denn umsetzen?

von Johann (hhonline)


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Steven schrieb:
> Mit welcher Software könnte ich das denn umsetzen?

Mein Vorschlag: https://gitlab.onelab.info/doc/models/-/wikis/Magnets

ABER!! Auf einer Skala von 1-10 hat FEMM Schwierigkeitsgrad (2)
Und ONELAB dann ~8.


https://freefem.org/

https://fenicsproject.org/

http://www.elmerfem.org/blog/

https://www.pdesolutions.com/index.html

zu "Verschiebung2.FEM (5,51 KB)" leider. Das Profil auf dem Bildschirm 
rotiert um die vertikale Achse und erzeugt einen Rotationskörper.
Man kann es leicht kontrollieren wenn man des Volumen der beiden Körper 
anzeigt.

von Paul (graumantel)


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du könntest deinen Magneten als Quader betrachten (mit gleicher 
Querschnittsfläche), und das als 2D kartesisches Problem rechnen. Ist 
aber eine Näherung.
Oder eben ein 3D FEM Tool verwenden. Ich nehme dazu immer Ansys 
Electronics Desktop (ehemals Ansys Maxwell) kostet aber erheblich Geld.

von Johann (hhonline)


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Paul schrieb:
> du könntest deinen Magneten als Quader betrachten (mit gleicher
> Querschnittsfläche), und das als 2D kartesisches Problem rechnen. Ist
> aber eine Näherung.
> Oder eben ein 3D FEM Tool verwenden. Ich nehme dazu immer Ansys
> Electronics Desktop (ehemals Ansys Maxwell) kostet aber erheblich Geld.

* Es bleibt aber immer ein 2D Problem mit FEMM, da man die 3. Dimension 
nicht bestimmen kann. Es wären dann 2 Platten und die Kraft wäre 
Newton/Meter. Ist aber von der Aufgabenstellung etwas entfernt.

* Kommerzielle tools können das. Aber man muss dafür €€.€€€,- einwerfen.

von Steven (muellermilch)


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Paul schrieb:
> Oder eben ein 3D FEM Tool verwenden. Ich nehme dazu immer Ansys
> Electronics Desktop (ehemals Ansys Maxwell) kostet aber erheblich Geld.

Ich hatte dann gestern noch ein bisschen gegoogelt und dann auch 
gesehen, wie teuer sowas ist :/
Echt belastend.
Besteht die Möglichkeit dass du mir für einen schmalen Taler eine kleine 
Simulation baust? Ich benötige nur ein Mal bestimmte Werte.

von Steven (muellermilch)


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Johann schrieb:
> Mein Vorschlag: https://gitlab.onelab.info/doc/models/-/wikis/Magnets
>
> ABER!! Auf einer Skala von 1-10 hat FEMM Schwierigkeitsgrad (2)
> Und ONELAB dann ~8.
> https://freefem.org/
>
> https://fenicsproject.org/
>
> http://www.elmerfem.org/blog/
>
> https://www.pdesolutions.com/index.html

Ach sorry Johann, hatte deine Nachricht übersehen am Handy. Danke dir!
Schaue ich mir alles mal an.

von Steven (muellermilch)


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Hallo Johann, ich hatte mir deinen Vorschlag mit onelab - gmsh 
angeschaut. Ich hatte es mir gestern nur ganz kurz angeschaut und es hat 
auch alles soweit geklappt. Heute wollte ich mehr daran arbeiten, aber 
er zeigt mir nun einfach nicht mehr die Objekte an und ich weiß einfach 
nicht warum.
Habe schon alles gelöscht und neu extrahiert, aber es funzt nicht. 
Kannst du mir bitte helfen?

von Steven (muellermilch)


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Grüße, hab es nun doch hinbekommen.
Die Werte kann man ja nun garnicht mit FEMM vergleichen. Also da gibt es 
echt krasse Unterschiede.

Ich habe die maximale angegebene Feldstärke von 955kA/m eingetragen und 
komme damit auf ca. 6,2N bei einem Abstand zwischen den Magneten von 
0,01mm. Angegeben ist aber eine Kraft von 6,7N.
Außerdem berechnet die Software eine Flussdichte von 1,20T. Angegeben 
ist aber eine Flussdichte von 1,29T - 1,32T. Wie das nun schon wieder 
sein kein, ist mir unklar.
Ein wirklich tolles Spielzeug und sehr komplex, aber es bleiben leider 
zu viele Fragen offen für mich, vermutlich auch aufgrund von 
Unwissenheit.

Würde mich echt freuen, wenn jemand von euch mir eine bessere Simulation 
erstellen könnte. Natürlich bin auch bereit dafür zu zahlen.

: Bearbeitet durch User
von Roland D. (roland_d284)


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Moin,

Steven schrieb:
> ....

Kenne das Programm nicht, aber...

> Ich habe die maximale angegebene Feldstärke von 955kA/m

wo kommt die Zahl her? Aus dem Datenblatt der Herstellers von 
Permanentmagneten? jHc oder bHc?

> eingetragen und
> komme damit auf ca. 6,2N bei einem Abstand zwischen den Magneten von
> 0,01mm. Angegeben ist aber eine Kraft von 6,7N.

Wer sagt 6,7N? Der Hersteller? Hat der das gemessen? Oder hat er die 
Kraft vielleicht einfach nur mit einer einfachen Näherung aus den 
Materialdaten und der Größe des Magneten berechnet?

> Außerdem berechnet die Software eine Flussdichte von 1,20T. Angegeben
> ist aber eine Flussdichte von 1,29T - 1,32T. Wie das nun schon wieder
> sein kein, ist mir unklar.

1,29T mag die maximale Flussdichte sein, die in diesem Magnetmaterial 
auftreten kann - wenn der magnetische Kreis geschlossen ist oder der 
Magnet unendlich groß ist. Ein Materialkennwert halt. Wegen des 
magnetischen Widerstands drumherum ist bei einem realen Magnet endlicher 
Größe die Flussdichte jedoch kleiner.

Aber allgemein: Dein Ergebnis zeigt, das die Summer der Kräfte auf beide 
Magneten nicht Null ist. Perpetuum Mobile? Ich glaube eher, das die 
Umgebung in der Simulation eine Rolle spielt. Immerhin haben die beiden 
Magneten eine Länge von 50mm zusammen, die "Air box" ist aber nur 100mm 
groß. Gibt es da noch Anziehungskräfte zur Umgebung? Wie ist der Rand 
des Rechengitters, also diese Air box definiert? Etwa, dass dort die 
Flussdichte Null sein muss? Das würde real bedeuten, dass die Box von 
vielen Magneten umgeben sein müsste die alle genau so abgestimmt sind, 
dass der Fluss an genau dieser Kastenoberfläche verschwindet.

Und zuletzt, in der Realität wundert man sich selten, wenn im 
Zusammenhang mit Magneten Ungenauigkeiten von +/-10% auftreten. Da zuckt 
man höchstens mit der Schulter und geht weiter:-)

Gruß, Roland

von Steven (muellermilch)


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Hallo Roland,

Roland D. schrieb:
> wo kommt die Zahl her? Aus dem Datenblatt der Herstellers von
> Permanentmagneten? jHc oder bHc?

ja richtig. Das entsprechende Datenblatt hänge ich dir nochmal an, da 
findest du alles :)

Roland D. schrieb:
> Wer sagt 6,7N? Der Hersteller? Hat der das gemessen? Oder hat er die
> Kraft vielleicht einfach nur mit einer einfachen Näherung aus den
> Materialdaten und der Größe des Magneten berechnet?

Die 6,7N habe ich von hier: 
https://www.supermagnete.de/adhesive-force-calculation/result?paramset=m/0/S-04-25-N

Der Hersteller holt sich diese Werte wohl von der Software FEMM.
Ich selbst habe aber auch reale Werte mit den gleichen Magneten gemessen 
und komme in etwa auf 6,5N.

Roland D. schrieb:
> 1,29T mag die maximale Flussdichte sein, die in diesem Magnetmaterial
> auftreten kann - wenn der magnetische Kreis geschlossen ist oder der
> Magnet unendlich groß ist. Ein Materialkennwert halt. Wegen des
> magnetischen Widerstands drumherum ist bei einem realen Magnet endlicher
> Größe die Flussdichte jedoch kleiner.

Verstehe. Also sollte ich nicht allzu viel Wert auf die Flussdichte 
legen?

Roland D. schrieb:
> Aber allgemein: Dein Ergebnis zeigt, das die Summer der Kräfte auf beide
> Magneten nicht Null ist. Perpetuum Mobile? Ich glaube eher, das die
> Umgebung in der Simulation eine Rolle spielt. Immerhin haben die beiden
> Magneten eine Länge von 50mm zusammen, die "Air box" ist aber nur 100mm
> groß. Gibt es da noch Anziehungskräfte zur Umgebung? Wie ist der Rand
> des Rechengitters, also diese Air box definiert? Etwa, dass dort die
> Flussdichte Null sein muss? Das würde real bedeuten, dass die Box von
> vielen Magneten umgeben sein müsste die alle genau so abgestimmt sind,
> dass der Fluss an genau dieser Kastenoberfläche verschwindet.

Tatsächlich habe ich mich auch gewundert, warum die Summe der Kräfte 
beider Magnete nicht null ist. Du wirst recht haben, dass das vllt an 
der Umgebung liegen könnte. Auch die Werte der anderen Achsen sehen im 
Vergleich komisch aus.
Ich kann dir leider nicht sagen, wie iwas definiert ist. Ich kenne mich 
quasi null mit der Software aus und spiele selbst zum ersten Mal damit 
rum.
Wenn dich der Code interessiert, zeige ich ihn dir gerne.
Mittlerweile habe ich etwas mehr damit rum gespielt und auch ein 
bisschen mehr verstanden. Der Wert "mesh size on magnets" gibt die 
Genauigkeit der Magnete an. Der Magnet wird in Gitterflächen aufgeteilt 
und je kleiner der Wert ist, desto genauer wird die Berechnung. So 
verstehe ich es jedenfalls.
Apropos Berechnung. Die Software bietet 2 Formeln für die Berechnung an. 
Einmal die H-Methode und einmal die A-Methode. Was die H-Methode ist, 
weiß ich mittlerweile ganz grob, aber was die A-Methode bedeutet, keine 
Ahnung.

Roland D. schrieb:
> Und zuletzt, in der Realität wundert man sich selten, wenn im
> Zusammenhang mit Magneten Ungenauigkeiten von +/-10% auftreten. Da zuckt
> man höchstens mit der Schulter und geht weiter:-)

Die Ungenauigkeiten stören mich ja nicht, damit bin ich fein. Aber ich 
würde gerne wissen wie plausibel die Software bzw. die Berechnung ist. 
Damit tue ich mich halt schwer. Gerade wenn z.B. die Summe der Kräfte 
beider Magnete nicht null ist, dann stimmt doch iwas nicht...

: Bearbeitet durch User
von Johann (hhonline)


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Steven schrieb:
> Wenn dich der Code interessiert, zeige ich ihn dir gerne.

Ja, bitte.

Steven schrieb:
> Die Software bietet 2 Formeln für die Berechnung an.
> Einmal die H-Methode und einmal die A-Methode. Was die H-Methode ist,
> weiß ich mittlerweile ganz grob, aber was die A-Methode bedeutet, keine
> Ahnung.

siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetisches_Vektorpotential

welche der beiden Methoden besser ist, hängt von der Anwendung ab - kann 
ich spontan nicht beantworten.

von Steven (muellermilch)


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Johann schrieb:
> Ja, bitte.

Ich habe dir den Code einmal als Textdatei in den Anhang gepackt.
Alternativ auch gleich die geo-Datei.

Johann schrieb:
> welche der beiden Methoden besser ist, hängt von der Anwendung ab - kann
> ich spontan nicht beantworten.

Die Werte zwischen H- und A-Methode weichen schon stark ab, das macht es 
definitv nicht einfacher...

: Bearbeitet durch User
von Rainer W. (rawi)


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Steven schrieb:
> Bitte um Erklärung, was "virtuelle Verschiebung" ist.

Eine Berechnungsmethoden, auch als Prinzip der virtuellen Verrückung 
(PdvV) bezeichnet.

von Johann (hhonline)


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Steven schrieb:
> Ich habe dir den Code einmal als Textdatei in den Anhang gepackt.
> Alternativ auch gleich die geo-Datei.

ein kleiner Fehler passiert - die beiden Dateien sind identisch. Die PRO 
Datei noch dann geht's.

Johann

von Steven (muellermilch)


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Johann schrieb:
> ein kleiner Fehler passiert - die beiden Dateien sind identisch

Ja das war ja auch so gedacht von mir, wusste nicht in welchem Format du 
den Code haben wolltest^^

Im Anhang findest du beide pro-Dateien :)

von Johann (hhonline)


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Steven schrieb:
> Im Anhang findest du beide pro-Dateien :)

Korrektur:  Im "magnets.pro" von ONELAB ist Hc mit 800kA/m und µr mit 
1.00 definiert. Damit ergibt sich ein Br von 1.0T.
1
DefineConstant[
2
HC~{i} = {800e3, Min 0, Max 1e5, Step 1e3, Name Sprintf("Parameters/Magnet %g/0Coercive magnetic field [Am^-1]", i)},
3
4
BR~{i} = {mu0 * HC~{i}, Name Sprintf("Parameters/Magnet %g/0Remnant magnetic flux density [T]", i),  ReadOnly 1},
5
6
MUR~{i} = {1, Min 1, Max 1000, Step 10, Name Sprintf("Parameters/Magnet %g/01Relative permeability", i)}

Das entspricht NICHT unserem Beispiel (Hc = 955kA/m und Br = 1.25T)

BESSER wäre:
1
muRmagnet = 1.04;
2
3
DefineConstant[
4
HC~{i} = {955e3, Min 0, Max 1e5, Step 1e3, Name Sprintf("Parameters/Magnet %g/0Coercive magnetic field [Am^-1]", i)},
5
6
BR~{i} = {mu0 * muRmagnet * HC~{i}, Name Sprintf("Parameters/Magnet %g/0Remnant magnetic flux density [T]", i),  ReadOnly 1},
7
8
MUR~{i} = {muRmagnet, Min 1, Max 1000, Step 10, Name Sprintf("Parameters/Magnet %g/01Relative permeability", i)}


Wenn ich mal sehr viel Zeit habe, installiere ich ONELAB!

von Steven (muellermilch)


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Johann schrieb:
> Korrektur:  Im "magnets.pro" von ONELAB ist Hc mit 800kA/m und µr mit
> 1.00 definiert. Damit ergibt sich ein Br von 1.0T.

Grüß dich Johann, das sind nur die definierten Standardwerte. In der 
Oberfläche kannst du diese Werte beliebig verändern - siehe Anhang.

Johann schrieb:
> Wenn ich mal sehr viel Zeit habe, installiere ich ONELAB!

Super, ich danke dir.

von Michi S. (mista_s)


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Steven schrieb:
> komme damit auf ca. 6,2N bei einem
> Abstand zwischen den Magneten von 0,01mm.
> Angegeben ist aber eine Kraft von 6,7N.

Steven schrieb:
> Die 6,7N habe ich von hier:
> 
https://www.supermagnete.de/adhesive-force-calculation/result?paramset=m/0/S-04-25-N

Dort ist aber von einem Abstand von 0mm die schreibe.

> Ich selbst habe aber auch reale Werte mit
> den gleichen Magneten gemessen
> und komme in etwa auf 6,5N.

Bei einem Abstand von 0,01mm? Wie hastn diese Messung realisiert? War da 
auch sicher kein ferromagnetisches Material in der näheren Umgebung?

von Christoph M. (mchris)


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>Bei einem Abstand von 0,01mm?

Vielleicht hilft dieser Online-Calculator:

https://www.magnet-sdm.com/disc-magnet/

von Steven (muellermilch)


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Michi S. schrieb:
> Dort ist aber von einem Abstand von 0mm die schreibe.

Ich glaube kaum, dass der Unterschied zwischen 0mm und 0,01mm 0,5N 
beträgt. Jedenfalls nicht in diesem kleinen Bereich.
Aber das hat sich auch mittlerweile geklärt und du kannst meine Aussage 
ignorieren.

Michi S. schrieb:
> Bei einem Abstand von 0,01mm?

Natürlich nicht. Real klebten die Magnete aneinander, also 
dementsprechend 0mm.

von Steven (muellermilch)


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Christoph M. schrieb:
> Vielleicht hilft dieser Online-Calculator:

Dort wird leider nur zwischen Magent und Eisen betrachtet und nicht 
Magnet und Magnet.

von Roland D. (roland_d284)


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Moin,

Steven schrieb:
> Michi S. schrieb:
>> Bei einem Abstand von 0,01mm?
>
> Natürlich nicht. Real klebten die Magnete aneinander, also
> dementsprechend 0mm.

Na ja, so dick dürfte schon die Chromschicht sein. Und die abgerundeten 
Ecken des realen Magneten nicht vergessen. Aber egal, 0,01mm sind schon 
noch sehr wenig im Vergleich zum Durchmesser - und das ist hier die 
relevante Vergleichsgröße.

Gruß, Roland

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