The finite element method in engineering simulations  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
73242
Type PD
Principal investigator Kuczmann, Miklós
Title in Hungarian A végeselem-módszer alkalmazása mérnöki szimulációkban
Title in English The finite element method in engineering simulations
Keywords in Hungarian elektromágneses tér, végeselem-módszer, hiszterézis karakterisztika
Keywords in English electromagnetic fields, finite element methd, hysteresis characteristics
Discipline
Electro-technology (Council of Physical Sciences)70 %
Ortelius classification: Electronics
Information Technology (Council of Physical Sciences)30 %
Ortelius classification: Informatics
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Department of Telecommunication (Széchenyi István University)
Starting date 2008-04-01
Closing date 2010-09-30
Funding (in million HUF) 4.704
FTE (full time equivalent) 1.81
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás célja olyan korszerű, a végeselem-módszeren alapuló eljáráscsomag kidolgozása, amely alkalmas a mérnöki gyakorlatban fellelhető problémák numerikus szimulációjára és analízisére.
A villamosmérnöki gyakorlatban a stacionárius áram keltette mágneses tér, az örvényáramú elektromágneses tér, a nagyfrekvenciás elektromágneses hullámterjedés, valamint antennák és antennarendszerek vizsgálata a cél, amely témakörökbe foglalható problémák számítógéppel támogatott tervezése (CAD-Computer Aided Design) rendkívül bonyolult és számításigényes. Különösen igaz ez az első két problémakörre, ha a mágneses anyag nemlineáris hiszterézis karakterisztikáját is figyelembe kívánjuk venni.
Az elektromágneses térelmélet alapvető összefüggéseit a Maxwell-egyenletek foglalják össze, melyek megoldására sok esetben potenciálokat alkalmaznak. Az irodalomból ismert potenciálformalizmusok elemzése után a cél a formalizmusok átdolgozása oly módon, hogy azok a nemlineáris hiszterézis karakterisztika figyelembe vételére is alkalmasak legyenek. Az így kapott nemlineáris parciális differenciálegyenletek megoldása iteratív módon végezhető el, amely a tapasztalatok szerint nagyon időigényes. Cél az egyes iteratív módszerek tanulmányozása és implementálása, végül az ismeretek ötvözésével olyan új eljárások kidolgozása, amelyek a feladatok megoldásának sebességét növelik, ugyanakkor stabilak és konvergensek. A kidolgozott eljárások helyességét a szakma nemzetközileg elismert képviselői által kiírt un. TEAM feladatok megoldása kapcsán lehet és célszerű ellenőrizni.
A mikrohullámú eszközök, valamint antennák és antennarendszerek vizsgálatára egyetemünkön egy akkreditált laboratórium áll rendelkezésre. Az itt elvégezhető mikrohullámú mérések jó alapot szolgáltatnak a korszerű végeselemes tervezési eljárások és számítástechnikai módszerek helyességének és pontosságának igazolására.
Laboratóriumomban a fenti témakörökben jelenleg négy BSc hallgató végzi Tudományos Diákköri kutatását, akik diplomamunkájukat és későbbi tanulmányaikat is vezetésem mellett tervezik végezni. Egyikük egy induktivitások gyártásával foglalkozó cég ösztöndíjasa is, ahol a végeselem-módszert alkalmazza a tervezésben.
Summary
The aim of the actual research work is to implement a state of the art system which is based on the finite element method, and is able to simulate and to analyze problems in engineering fields.
The most important areas in electrical engineering are: stationary magnetic field generated by currents flowing in coils, electromagnetic field induced by eddy currents, wave propagation in high frequency applications, antennas and system of antennas. The computer aided design (CAD) of these applications and devices is a time consuming task.
The analysis of nonlinear stationary magnetic field and of nonlinear eddy current field is especially a time consuming task when hysteresis is taken into account.
The theory of electromagnetic fields can be given by partial differential equations based on Maxwell’s equations which can be solved by introducing potentials. After analysing and understanding the potential formulations in the literature, the aim is to reformulate the equations to take into account the nonlinear and hysteretic relatoinships. The obtained nonlinear and partial differential equations can be solved by iterative solvers which is a time consuming task, too. The aim is to analyse and to implement the iterative solvers, finally the aim is to find a solver which is convergent however faster than the other solutions. There are TEAM Workshop problems which can be used to test the solvers; these are defined by well known scientists in the world.
There is a state of the art laboratory in our university to analyse and to measure microwave devices, antennas. The measurements performed in the laboratory can be used to test the theoretical knowledge and the results simulated by the finite element method.
In the Laboratory of Electromagnetic Fields founded by me, there are four BSc students working on their scientific work. One of them is working on the simulation of inductances which work has been ordered by a company, i.e. our results are used in the industry.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A kutatás során a villamosmérnöki gyakorlatban fellelhető alacsonyfrekvenciás és rádióhullámú eszközök numerikus analízise volt a fő feladat. Összegyűjtöttük és tematikusan összefoglaltuk a nemlineáris stacionárius mágneses tér és a nemlineáris örvényáramú problémák megoldására alkalmas formalizmusokat, és azokat a végeselem-módszer keretében implementáltuk. Egységes keretbe foglaltuk a fixpontos iterációs sémát, amelynek segítségével tetszőleges formalizmus tetszőleges direkt, vagy inverz hiszterézis modellel összekapcsolható. Az eljárás alkalmazhatóságát nemzetközileg kiírt TEAM-feladatok megoldásával igazoltuk. A nemlineáris eljárás gyorsítására párhuzamos számítási eljárásokat használtunk. Mérési elrendezést javasoltunk a skalár hiszterézis karakterisztika és a vektoriális hiszterézis karakterisztika mérés útján történő felvételére. A mérési eredmények szimulációjára a Preisach-modellt alkalmaztuk, melynek identifikációja is megtörtént. Megtörtént az izotróp és az anizotróp modell kiterjesztése is. A mérési elrendezés tervezése során a kidolgozott numerikus technikákat alkalmaztuk. A Rádiófrekvenciás Vizsgáló Laboratóriumban számos antenna mérése, valamint végeselemes analízise megtörtént. Megvizsgáltuk a momentum-módszer alkalmazhatóságát és pontosságát is. Az antennák egyszerű forgásszimmetrikus elrendezések (dipól, konika), melyek analízise kétdimenzióban megoldható volt.
Results in English
The aim of the project is to work out and to analyze the numerical techniques for the simulation of low frequency applications and radio wave equipments. The different potential formulations for the solution of static magnetic field problems as well as eddy current field problems have been collected in the frame of a book. The finite element method has been applied to solve the problems. The fixed point iteration scheme has been used to solve the nonlinear equations, and all the possible formulations can be connected to any direct or inverse hysteresis models. TEAM problems have been solved by the proposed methods, and parallel techniques have been applied to speed up the simulations. Scalar hysteresis characteristics and vector hysteresis characteristcs can be measured by the proposed measurement set-up. The Preisach hysteresis model has been implemented and improved to simulate the phenomenon. Isotropic and anisotropic vector hysteresis models have been realized and identified. The measurement system has been developed by the help of the proposed numerical technique. The measurement and simulation of simple antennas have been worked out in the Radio Frequency Test Laboratory. The finite element method and the method of moments have been realized, tested and compared.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=73242
Decision
Yes





 

List of publications

  
M. Kuczmann, A. Iványi: Finite Element Method in Magnetics, Akadémiai Kiadó, Budapest, p. 310, 2008
M. Kuczmann: Identification of the 2D Vector Preisach Hysteresis Model, Compel, közlésre elfogadott, 2011
M. Kuczmann: Vector Hysteresis Modeling of Uniaxial Anisotropy, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, közlésre elfogadott, 2011
M. Kuczmann: Vector Preisach Hysteresis Modeling: Measurement, Identification and Application, Physica B, közlésre elfogadott, 2011
M. Kuczmann: Using the Newton–Raphson Method in the Polarization Technique to Solve Nonlinear Static Magnetic Field Problems, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol. 46, No. 3, pp. 875-879, 2010
M. Kuczmann: Measurement and Simulation of Vector Hysteresis Characteristics, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol. 45, No. 11, pp. 5188-5191, 2009
D. Marcsa, M. Kuczmann: Comparison of the A* – A and T,Φ – Φ Formulations for the 2D Analysis of Solid-Rotor Induction Machines, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol. 45, No. 9, pp. 3329-3333, 2009
M. Kuczmann: Fourier transform and controlling of flux in scalar hysteresis measurement, Physica B, vol. 403, 2008, pp. 410-413, 2008
M Kuczmann: Measurement and Simulation of Vector Hysteresis Characteristics, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol. 45, No. 11, pp. 5188-5191, 2009
T. Ludvig, M. Kuczmann: Design of Active Magnetic Bearing, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Vol. 10, No. 7, July 2008, p. 1834 – 1836, 2008
Z. Pólik, M. Kuczmann: Measuring and Control the Hysteresis Loop by Using Analog and Digital Integrators, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Vol. 10, No. 7, July 2008, p. 1861 – 1865, 2008
M. Kuczmann: Scalar Hysteresis Measurement Using FFT, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Vol. 10, No. 7, July 2008, p.1828 – 1833, 2008
M. Kuczmann: Analysis of a Vector Hysteresis Measurement System, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Vol. 10, No. 7, July 2008, p.1823 – 1827, 2008
M. Kuczmann: Simulation of a vector hysteresis measurement system taking hysteresis into account by the vector Preisach model, Physica B, vol. 403, 2008, pp. 433-436, 2008
M. Kuczmann: Modeling Feeds of Antennas in the Finite Element Method, Infocommunications Journal, Vol. LXV, pp. 31-35, 2010
M. Kuczmann: Finite Element Modeling of Antenna Feeding, Acta Technica Jaurinensis, Vol. 3, No. 1, pp. 127-136, 2010
G. Hegedűs, M. Kuczmann: Calculation of the numerical solution of two-dimensional Helmholtz equation, Acta Technica Jaurinensis, Vol. 3, No. 1, pp. 75-86, 2010
P. Csurgai, M. Kuczmann: Advanced Sensitivity measurement of Low Frequency RFID Transponder coils, Acta Technica Jaurinensis, Vol. 3, No. 1, 87-98, 2010
Z. Pólik, M. Kuczmann: RF Inductor Development by using the FEM, Acta Technica Jaurinensis, Vol. 3, No. 1, pp. 99-110, 2010
Z Pólik, M Kuczmann: Finite Element Simulation and Development of a Radio Frequency Inductor, POLLACK PERIODICA, Vol.4, No.2, pp. 25-36, 2009
Z Pólik, M Kuczmann: Potential Formulations for Solving TEAM problem 27, Przegląd Elektrotechniczny, Vol. 85, No. 12, pp. 137-140, 2009
D Marcsa, M Kuczmann: Nonlinear two-dimensional motional finite element modeling of a rotational eddy current field problem, Przegląd Elektrotechniczny, Vol. 85, No. 12, pp. 110-113, 2009
D Marcsa, M Kuczmann: Direct Preisach Hysteresis Model for Finite Element Analysis of Magnetic Fields, Przegląd Elektrotechniczny, Vol. 85, No. 12, pp. 114-117, 2009
M Kuczmann: Vector Hysteresis Measurement and Simulation, Przegląd Elektrotechniczny, Vol. 85, No. 12, pp. 92-95, 2009
M Kuczmann: Identification of Dynamic Hysteresis Model, Przegląd Elektrotechniczny, Vol. 85, No. 12, pp. 88-91, 2009
É Katona, M Kuczmann: Analysis and Design of Electrical Circuits by ANA, Przegląd Elektrotechniczny, Vol. 85, No. 12, pp. 69-72, 2009
M. Kuczmann: Nonlinear Finite Element Method in Magnetism, Pollack Periodica, Vol. 4, No. 2, pp. 13–24, 2009
G. Kovács, M. Kuczmann: Simulation of a Developed Magnetic Flux leakage Method, Pollack Periodica, Vol. 4, No. 2, pp. 45–56, 2009
M. Kuczmann: Design of a 2D RRSST System by FEM and the T,Φ-Φ Potential Formulation, Pollack Periodica, Vol. 3, No. 1, pp. 67–80, 2008, 2008
M. Kuczmann: Nodal and Edge Finite Element Analysis of Eddy Current Field Problems, Przegląd Elektrotechniczny, No. 12, pp. 194-197, 2008
M. Kuczmann: The polarization method combined with the Newton-Raphson technique in magnetostatic field problems, Przegląd Elektrotechniczny, No. 12, pp. 198-201, 2008
G. Kovács, M. Kuczmann: Nonlinear Simulation of a Magnetic Flux Leakage Measurement System, Przegląd Elektrotechniczny, No. 12, pp. 184-187, 2008
D. Marcsa, M. Kuczmann: Numerical Analysis of Single- and Three-Phase Induction Motors, Przegląd Elektrotechniczny, megjelenés alatt, 2009
Z. Pólik, M. Kuczmann: Examination and Development of a Radio Frequency Inductor, Przegląd Elektrotechniczny, No. 12, pp. 230-233, 2008
G. Kovács, M. Kuczmann: Nonlinear Finite Element Simulation of a Magnetic Flux Leakage Tester, Pollack Periodica, Vol. 3, No. 1, pp. 81–90, 2008, 2008
M. Kuczmann: Handling Nonlinear Characteristics in Finite Element Simulations, Joint International Conference Materials for Electrical Engineering, MmdE & ROMSC, Bucuresti, Romania, June 16-18, 2008, pp. 66-71, 2008
D. Marcsa, M. Kuczmann: Analysis of Induction Motors with Ferromagnatic Hysteresis, Joint International Conference Materials for Electrical Engineering, MmdE & ROMSC, Bucuresti, Romania, June 16-18, 2008, pp. 120-123, 2008
É. Katona, M. Kuczmann: JAVA Software for Analyzing, Editing, and Real-Time Testing Networks and Systems, Proceedings of the 13th International IGTE Symposium on Numerical Field Calculation in Electrical Engineering and European TEAM Workshop, Graz, Austria, September 21-24, 2008
G. Kovács, M. Kuczmann: FEM Simulation of a MFL System, Proceedings of the 13th International IGTE Symposium on Numerical Field Calculation in Electrical Engineering and European TEAM Workshop, Graz, Austria, September 21-24, 2008
M. Kuczmann: Handling Nonlinearity by the Polarization Method and the Newton-Raphson Technique, Proceedings of the 13th International IGTE Symposium on Numerical Field Calculation in Electrical Engineering and European TEAM Workshop, Graz, Austria, September 21-24, 2008
Z. Pólik, M. Kuczmann: Increasing the Quality Factor of an RF SMT inductor by using the Vector Finite Element Method, Proceedings of the 13th International IGTE Symposium on Numerical Field Calculation in Electrical Engineering and European TEAM Workshop, Graz, Austria, September 21-24, 2008
M. Kuczmann: Dynamic Hysteresis Modeling in FEM, HYSTERESIS MODELING AND MICROMAGNETICS 2009 – NIST, GAITHERSBURG, MARYLAND, USA, 2009
Stoyan Gisbert (szerk.): Matlab, Interkönyv, Budapest, 2008
M. Kuczmann: Potential Formulations in Magnetics Applying the Finite Element Method, url,, 2009



Back »