Wirbelströme in laminierten ferromagnetischen Materialien

Ein auf der Finite Elemente Methode basierender Algorithmus, welcher dreidimensionale Modelle von geschichteten Eisenkernen zu behandeln in der Lage ist und sowohl die Eisenverluste als auch die Streuverluste berücksichtigt, soll entwickelt werden. Die Eisenverluste beinhalten die Wirbelstromverluste und die Hystereseverluste, welche durch das magnetische Feld, das parallel zu den Blechen verläuft, verursacht werden. Hingegen werden die Streuverluste infolge des magnetischen Streufeldes mit einer beträchtlich Normalkomponente zu den Blechen verursacht. Die Streuverluste werden durch ein Finite Elemente Modell mit anisotroper Leitfähigkeit oder einem einkomponentigen Strömungsvektorpotentials untersucht. Die daraus resultierenden Wirbelströme sind im wesentlich darauf beschränkt parallel zu den Schichten zu fließen. Diese Simulation wird unter Berücksichtigung der Sättigung durchgeführt werden. Modelle im Zeitbereich (transiente Vorgänge) und Frequenzbereich werden entwickelt werden. Die Untersuchung läuft auf eine Bestimmung der globalen Feldverteilung hinaus. In einem zweiten Schritt wird eine Störung der zuvor erhaltenen globalen Feldverteilung durch die extrem engen Wirbelstromschleifen infolge des magnetischen Feldes parallel zu den Blechen berücksichtigt werden. Zu diesem Zweck werden dreidimensionale analytische Modelle, versehen sowohl mit Nichtlinearität als auch Hysteresis, beabsicht aufzustellen. Vom Algorithmus, der entwickelt werden soll, wird erwartet, daß er den gleichen Berechnungsaufwand erfordert, welcher notwendig ist, um eine dreidimensionale Wirbelstromuntersuchung in nicht laminierten Eisenkernen derselben Geometrie durchzuführen. Die Ergebnisse werden mit Hilfe von Berechnungen überprüft, welche durch die viel anspruchsvollere Modellierung einer jeden Schichte erhalten werden, überprüft. Die Ergebnisse des Projekts sollten die umfangreiche Untersuchung von Wirbelströmen und den damit verbundenen gesamten Verlusten in laminierten Eisenkernen, welche häufig in elektrischen Einrichtungen vorkommen, ermöglichen.

Die Mehrheit energietechnischer Einrichtungen, wie z.B. Motoren und Transformatoren, beinhaltet Stahlstrukturen um den magnetischen Fluß zu führen. Solche Strukturen werden meistens aus vielen parallelen, dünnen, voneinander isolierten Blechen hergestellt, es entstehen dadurch sogenannte geschichtete Anordnungen. Der Grund dafür ist die Vermeidung von großen Verlusten, die durch die Wirbelströme verursacht werden, welche wegen der Zeitabhängigkeit des magnetischen Flusses entstehen. Beim Entwurf der Anlagen ist es für den Ingenieur wichtig, die in geschichteten Strukturen generierten Verluste voraussagen zu können. Das Ziel und das Ergebnis des Projektes war die Entwicklung von Softwarewerkzeugen, welche dem Konstrukteur bei der Bewältigung dieser Herausforderung helfen. Als Ergebnis dieses Projektes ist es nun möglich, durch Verwendung herkömmlicher Methoden zuerst die Gesamtverteilung des magnetischen Flusses zu bestimmen, und daraus die Verluste in jeder Blechschicht zu ermitteln, ohne auf extrem leistungsfähige Computer zurückgreifen zu müssen, welche meist dem Designer nicht zur Verfügung stehen. Dadurch ist es nun möglich energietechnische Einrichtungen mit kleineren Abmessungen, geringerem Gewicht und, daraus resultierend, mit niedrigeren Kosten zu entwerfen. Langfristig ist dies ein Beitrag zur Senkung des Energieverbrauches und somit zu einer umweltfreundlicheren Industrie.