Návrh elektromagnetického stínění pro Thermo Fisher Scientific – od simulace k reálnému měření

Když má v nové budově vzniknout prostředí pro vývoj a výrobu citlivých elektronických přístrojů, nestačí řešit jen dispozice, technologie nebo energetickou náročnost. Důležitou roli může hrát i to, co není na první pohled vidět – elektromagnetické prostředí v okolí budovy.

Právě takovou výzvu řešila společnost Thermo Fisher Scientific při přípravě nového objektu v lokalitě ovlivněné provozem nedaleké železniční tratě. Střídavé magnetické pole o frekvenci 50 Hz zde mohlo dosahovat hodnot v řádu stovek nanotesla, zatímco pro stabilní provoz citlivých měřicích a vývojových pracovišť bylo potřeba dostat jeho úroveň výrazně níže.

Otázka tedy zněla jednoduše: Jak navrhnout budovu tak, aby dokázala citlivé technologie před okolním magnetickým polem dostatečně ochránit – a současně se vyhnout zbytečně nákladnému nebo nefunkčnímu řešení?

Když na prostředí záleží stejně jako na technologii

Při návrhu nové budovy proto bylo potřeba už v rané fázi zjistit, jak se bude magnetické pole z okolí šířit konstrukcí a jak účinně jej bude možné odstínit. Čekat až na dokončení budovy a následně zjišťovat, zda navržené stínění funguje, by znamenalo značné technické i finanční riziko.

Do řešení jsme měli možnost vstoupit my ze SVS FEM s nástrojem z rodiny Ansys.

Nejprve virtuálně, až potom na stavbě

Namísto metody pokus–omyl bylo možné vytvořit numerický model budovy a ještě před realizací prověřit různé varianty stínění.

Simulace umožnily sledovat například:

• Jaký vliv má počet a uspořádání ocelových stínících vrstev
• Co se stane v okolí dveří, oken a dalších prostupů
• Jak důležité je stínění podlahy a stropu
• Jak se mění účinnost stínění podle směru magnetického pole
• Kde se v konstrukci nacházejí potenciálně problematická místa

Výhodou bylo, že jednotlivé varianty bylo možné porovnávat virtuálně, bez nutnosti pokaždé fyzicky měnit konstrukci.

Právě u investičně náročných staveb je tento postup důležitý. Ještě před realizací pomáhá odhalit slabá místa návrhu a současně ukázat, kde naopak není potřeba konstrukci zbytečně předimenzovat. 

Simulace nestačila. Bylo potřeba dokázat, že funguje i ve skutečnosti

U podobného projektu ale samotný výpočet není konečným cílem. Aby bylo možné ověřit, že numerický model skutečně odpovídá reálnému chování konstrukce, vznikla také fyzická ověřovací maketa budovy o půdorysu 12 × 12 metrů se dvěma dodatečně stíněnými místnostmi. Na ní následně proběhla reálná měření magnetického pole. Výsledek byl pro další rozhodování zásadní.

V hlavním prostoru budovy numerický model předpovídal stínící faktor přibližně 0,85, zatímco ve více chráněné vestavěné místnosti přibližně 0,25. Experimentální měření následně ukázalo velmi podobné hodnoty. V hlavním prostoru dosahovalo magnetické pole přibližně 80 % hodnoty vně budovy, zatímco uvnitř stíněné vestavby přibližně 25 %. Predikce numerického modelu se tak podařilo experimentálně potvrdit. 

Právě kombinace simulace a následného fyzického ověření tak poskytla mnohem pevnější podklad pro rozhodování o skutečném provedení stínění.

Co simulace odhalila?

Studie ukázala několik praktických skutečností, které by při běžném návrhu nemusely být na první pohled zřejmé. Velký vliv měla například elektrická celistvost jednotlivých stínících ploch. Významným problémem se ukázala také absence stínění podlahy nebo stropu. Účinnost ovlivňovaly dveře, okna i další otvory v konstrukci a důležitou roli hrál také směr přicházejícího magnetického pole.

Simulace navíc umožnila zobrazit, co se uvnitř konstrukce skutečně děje – například rozložení indukovaných vířivých proudů, které se na výsledném stínícím efektu výrazně podílejí. Vizualizace z numerického modelu na stranách 3 a 4 odborného článku názorně ukazují, proč mohou zdánlivě malé konstrukční změny výrazně ovlivnit výsledné stínění. 

Co si toho odnést?

Případ Thermo Fisher Scientific dobře ukazuje, že numerické simulace nemusí sloužit pouze k vývoji samotného výrobku. Stejně dobře může pomoci při návrhu celého prostředí, ve kterém má citlivá technologie fungovat.

V tomto případě pomohla:

• Předem prověřit návrh stínění
• Porovnat varianty
• Identifikovat kritická místa
• Následně experimentálně potvrdit, že virtuální predikce odpovídají reálnému chování konstrukce

Výsledkem tak není jen barevný výpočetní model, ale především kvalitnější podklad pro technická a investiční rozhodnutí ještě před samotnou realizací. Detaily si můžete přečíst v odborné verzi článku.

Chcete vědět, jak byl model vytvořen a experimentálně ověřen?

V odborné verzi článku „Verifikace numerického modelu stínění budovy pro harmonické magnetické pole 50 Hz“, který nabízíme níže ke stažení, najdete kompletní popis:

• Geometrie a konstrukce ověřovacího modelu
• Nastavení elektromagnetické simulace
• Vlivu jednotlivých částí konstrukce na stínící účinek
• Rozložení indukovaných vířivých proudů
• Porovnání numerických a naměřených výsledků
• Konkrétní závěry využitelné při návrhu elektromagneticky stíněných prostor

Zajímá vás, jak funguje elektronový mikroskop?

Máte i vy v hlavě inovativní technický produkt nebo odvážnou vizi a narážíte na limity běžných výpočetních nástrojů?

Nemusíte na to být sami a nemusíte investovat miliony hned na začátku. Inženýrské multifyzikální simulace Ansys jsou díky zvýhodněným startupovým programům dostupné i pro začínající mikropodniky a garážové projekty jako je třeba tento. Podíváme se na Váš projekt a navrhneme optimální simulační nástroje.