Coupled Numerical Analysis of Electrical Engineering Devices

Die Konstruktion elektrischer Maschinen und Maschinenkomponenten für industrielle Anwendungen (Transformatoren, Induktionsöfen, verschiedenste Aktuatoren, elektrophysikalische Apparaturen) stellt aufgrund der vielen verschiedenen Phänomene sowie deren komplexe Interaktionen, die es dabei zu berücksichtigen gilt, eine der herausforderndsten Aufgaben der angewandten Forschung dar. Die Entwicklung moderner, effektiver und billiger Geräte erfordert weitreichende Untersuchungen der verschiedenen physikalischen Effekte und Prozesse sowie deren komplizierte Wechselwirkungen. Ein Großteil dieser Untersuchungen kann jedoch anhand vergleichsweise kostengünstiger Computersimulationen (Stichwort "numerical analysis" und "computer modeling") anstelle aufwendiger Experimentalversuche durchgeführt werden. Für die Optimierung von Parametern, Strukturen oder des Betriebsverhaltens einer Maschine, dem letztlich übergeordneten Ziel angewandter Forschung, sind deshalb zuverlässige numerische Simulationen, unter Berücksichtigung aller "multiphysikalischen" Aspekte sowie fertigungs- und materialbedingter Parameterunsicherheiten, hilfreich und wünschenswert, wenn nicht sogar unerlässlich. Die Funktion elektrischer Maschinen beruht auf der Wirkung elektrischer und magnetischer Felder bzw. daraus resultierender Effekte wie Temperaturänderungen oder Kräften. Folglich muss der Entwicklungsprozess einer elektrischen Maschine sämtliche dieser physikalischen Teilaspekte, elektromagnetische Feldverteilungen, Temperaturverteilungen, Thermodynamik, Strömungsdynamik sowie die daraus resultierenden komplexen Interaktionen behandeln. Mit dem Ausdruck "multiphysikalisch" soll in diesem Projektantrag deshalb speziell auf den interdisziplinären Aspekt Bezug genommen werden. Multiphysikalische Analysen elektrischer Geräte mit Hilfe numerischer Methoden sollten auf Ergebnissen intensiver Grundlagenforschung, mit dem Ziel, hochwertige Beiträge für Grundlagen und Theorie moderner Anwendungen zu liefern, beruhen. Die Entwicklung und Simulation innovativer Geräte und Maschinen auf Basis neuer physikalischer Grundlagen erfordert eine Vielzahl von Arbeiten auf dem Gebiet der Grundlagenforschung. Diese beinhalten die Verbesserung bestehender Klassifizierungen "multiphysikalisch" gekoppelter Prozesse, die Bestimmung wesentlicher Phänomene und Effekte der verschiedene physikalischen Teilgebiete, welche für die gekoppelte, numerische Simulation eine Rolle spielen, die Entwicklung allgemeiner Algorithmen und Abläufe für gekoppelte thermisch- elektromagnetische Simulationen, die Verbesserung theoretischer Grundlagen für numerische Aspekte gekoppelter Simulationen sowie Vorschläge zur Wahl von Programm- und Strukturparametern für die praktische Anwendung der entsprechenden numerischen Methoden. Die Lösung dieser grundlegenden Probleme stellt das primäre Ziel des vorgeschlagenen Projekts dar. Nachdem die notwendige theoretische Basis für die verschiedenen Teilgebiete gefunden und validiert ist, soll damit die Entwicklung innovativer mathematischer Formulierungen, numerischer Methoden und Computeralgorithmen (Simulationswerkzeuge) für die gekoppelte Simulation elektrischer Maschinen vorangetrieben werden. Die Simulationswerkzeuge, die dabei im Rahmen des Projekts entwickelt werden, sollen anschließend für die numerische Berechnung komplexer Problemstellungen mit direktem Anwendungsbezug herangezogen werden. Durch eine detaillierte Analyse und Generalisierung numerischer Ergebnisse, sollen damit Empfehlungen für die Wahl sinnvoller Strukturen, Materialien und Betriebsarten für die untersuchten Komponenten und Maschinen ausgearbeitet werden. Die notwendigen Schritte zum Erreichen der genannten Projektziele können vier eng verknüpften Teilbereichen zugeordnet werden. Der erste Teilbereich beinhaltet die kritische Analyse und Weiterentwicklung der theoretischen Grundlagen auf dem Gebiet multiphysikalisch gekoppelter, numerischer Analysen, sowohl im Bereich der Grundlagen- als auch der anwendungsnahen Forschung. Der zweite Teilbereich befasst sich mit der Entwicklung von Methoden für die beteiligten physikalischen Domänen (thermische Probleme und elektromagnetische Probleme) im Einzelnen, getrennt von einander. Der dritte Teilbereich beinhaltet die Kopplung der Einzeldomänen, bzw. deren Berechungsmethoden, durch Berücksichtigung gegenseitiger Abhängigkeiten und Beeinflussungsmöglichkeiten. Schließlich sollen mit dem vierten Teilbereich konkrete Aufgabenstellungen für praktische Anwendungen numerisch berechnet und Empfehlungen für Konstruktion und Betrieb der entsprechenden Geräte und Maschinenkomponenten ausgearbeitet werden. Die theoretischen und anwendungsbezogenen Ergebnisse sollen Antworten auf noch ungelöste wissenschaftliche Fragestellungen liefern. Die Ergebnisse des Projekts sollen anhand von wissenschaftlichen Publikationen in anerkannten internationalen und ukrainischen Journalen sowie durch Präsentationen auf bekannten internationalen und inländischen Konferenzen und Symposien veröffentlicht werden. Es ist zu erwarten, dass die Ergebnisse sowohl auf dem Gebiet der Grundlagenforschung, als auch der anwendungsnahen Forschung, signifikante Beiträge für die österreichische, europäische und, nach Rückkehr des Antragsstellers, auch ukrainische Wissenschaft liefern werden.