Rotierende Magnetisierung

Ein internationaler Forschungsschwerpunkt des letzten Jahrzehnts lag auf dem komplexen Phänomen rotierender Magnetisierung (RM). Damit ist gemeint, daß der Magnetisierungsvektor in der Ebene dünnen, weichmagnetischen Materials periodisch rotiert. Zur gezielten RM-Simulation wurden zahlreiche Varianten spezifischer Magnetisierungssysteme entwickelt und an kristallinen - aber auch amorphen - Maschinenkern-Materialien erprobt. Dabei zeigte sich, daß rotierende Magnetisierung gegenüber der alternierenden zu vervielfachten Energieverlusten und zu verzehnfachter Magnetostriktion führen kann - und damit auch zu verstärkter umweltbelastender Geräuschbildung. Bisher vorgenommene Verlustessungen betrafen meist idealisierte kreisförmig/ elliptische Rotationsmuster isotroper Materialien, an denen RM leicht erzeugbar ist. Experimentelle Analysen der an Maschinenkernen tatsächlich auftretenden Verhältnisse zeigen aber teils sehr spezifische Muster auf, speziell im Falle moderner, stark anisotroper, laserbehandelter Transformatorbleche. Doch selbst dort, wo Daten für praktisch relevante Muster vorliegen, ergibt sich eingeschränkte Rückschlußmöglichkeit, da diverse Fehlerquellen unterschiedlicher Meßsysteme ungewöhnlich hohe Datenstreuungen verursachen. Hinsichtlich der Magnetostriktion liegt nur spärliches Datenmaterial vor. Und letztlich ist es eine generelle Schwäche bisheriger Untersuchungen, daß sie gezielt ideale Betriebsbedingungen ansetzten. Vor allem bleibt unberücksichtigt, daß das Material aus thermischen und verfestigungstechnischen Gründen unter mechanischen Spannungen steht, welche die RM-Muster und deren Auswirkungen beeinflussen. Das obige bedeutet, daß die praktische Bedeutung der rotierenden Magnetisierung unbestritten ist - sowohl in ökonomischer als auch ökologischer Hinsicht bezüglich Energieverlusten und Materialbedarf. Umstritten und ungeklärt aber ist das Ausmaß der entsprechenden Erhöhungen von Energieverlusten und Kernvibrationen. Maschinenerzeuger sind an entsprechenden Optimierungen ihrer Konstruktionen interessiert. Dem steht aber entgegen, daß bisherige RM-Studien vorwiegend akademischer Art waren und daß quantitativ verwertbare Datenbanken fehlen. Das Ziel des vorliegenden Projektes liegt in einer quantitativen Klärung der tatsächlichen Auswirkung rotierender Magnetisierung und der Begründung einer allgemein zugänglichen Datenbank für die wichtigsten Materialtypen. Geplant ist, dieses Ziel durch folgende vier Arbeitsschritte zu erreichen: (A) Studium tatsächlich auftretender RM-Muster - Praxisübliche Magnetisierungsmuster und Spannungsverhältnisse sollen für Kerne von Transformatoren und drehenden Maschinen anhand von Literaturangaben, den vorliegenden Erfahrungen von zwei kooperierenden Maschinenerzeugern und gezielten Experimenen dokumentiert werden. Für letztere sollen in früheren FWF-Projekten entwickelte Meßeinrichtungen verwendet werden: Ein "hand-held" Sensor für Magnetisierungsmuster und eine vollautomatische Meßkammer, in der Modellkerne oberflächlich durch Sensoren abgetastet werden. (B) Simulation der Magnetisierungsmuster - Dazu dient ein in einem FWF-Projekt entwickelter Meßplatz, der dank dreiphasiger Erregung auch für stark anisotrope Materialien anwendbar ist. An den praktisch wichtigsten Materialtypen sollen unter (A) als relevant erkannte Muster simuliert werden. Die entsprechenden Energieverluste und 2D-Magnetostriktionsmuster sollen unter Berücksichtigung ebenfalls simulierter mechanischer Spannungen gemessen werden. Wegen der geringen absoluten Meßgenauigkeit sollen alle Resultate auf jene alternierender Magnetisierung bezogen werden. (C) Quantitative Abschätzung realer Beiträge zu Gesamtverlusten und Vibrationen repräsentativer Kerne - Dazu sollen die Meßwerte der Simulation (B) den unter (A) ermittelten Musterverteilungen lokal zugeordnet werden. Beiträge zu Gesamtverlusten sollen durch Aufsummieren aller Teilvolumina bestimmt werden, solche zu Vibrationen durch Aufsummieren in globale Hauptrichtungen. Mit den Kooperationspartnern sollen entsprechende Strategien der Kernoptimierung diskutiert werden. (D) Aufbau einer Datenbank - Alle über (A) und (C) als praktisch bedeutungsvoll erkannten Daten aus (B) sollen - aufgeschlüsselt nach Materialtypen - dokumentiert und allgemein zugänglich im Internet publiziert werden. Andere Laboratorien sollen zur Beisteuerung eigener Daten eingeladen werden. Die Projektierung sieht vor, daß das Arbeitsprogramm auf zwei Dissertanten aufgeteilt wird, wobei der vorliegende Antrag vor allem die entsprechenden Personalkosten betrifft.

Das Projekt betraf das leicht magnetisierbare Kernmaterial großer elektrischer Maschinen - texturiertes von Transformatoren, texturloses von Generatoren und Motoren. Das Material sollte geringe Energieverluste aufweisen - und sich so nur wenig erwärmen. Und es sollte geringe magnetostriktive Schwingungen zeigen - und somit geräuscharm sein. Im Normalfall oszilliert die "Alternierende Magnetisierung" in der Vorzugsrichtung des Materials. Seit etwa 1990 hingegen wird weltweit der Fall der "Rotierenden Magnetisierung" - im weiteren RM - erforscht, wobei sich die Magnetisierungsrichtung periodisch dreht. Für das wissenschaftlich faszinierende Phänomen zeigten sich starke Steigerungen von Verlusten und Schwingungen. Eine systematische Studie zur tatsächlichen praktischen Bedeutung aber war zunächst nicht gegeben. Sie sollte hier erarbeitet werden. In Kooperation mit dem weltweit größten Maschinenhersteller wurde zunächst untersucht, inwieweit das Phänomen der RM in der Praxis tatsächlich auftritt. In begrenzten Kernzonen drehender Maschinen zeigte sich zirkulare RM, in daran anschließenden elliptische. In Transformatoren hingegen erwies sich das Phänomen noch stärker begrenzt, wobei die Magnetisierung rhombisch ausfällt. Die resultierenden Verlustverteilungen wurden in einer spezifisch adaptierten Messkammer erfasst, wobei der untersuchte Kern in einem etwa 24-stündigen Prozess vollautomatisch durch einen hochempfindlichen Thermosensor abgetastet wird. Dabei zeigten sich "Hot Spots" von um mehr als 100% überhöhten Verlusten. Zur Erforschung innerer Verhältnisse wurde ein extrem dünner "Schichtsensor" entwickelt, der in den lamellierten Kern eingeschoben wird, ohne die magnetischen Verhältnisse wesentlich zu stören. Er zeigte auf, dass das Ausmaß der RM allgemein eher überschätzt worden war, indem die Natur das energetisch ungünstige Phänomen auf ein Minimum reduziert. Projektteil 2 betraf eine Simulation der Phänomene am sogenannten RSST. An etwa 16 cm großen, sechseckigen Materialproben wurden die beobachteten Magnetisierungsmuster exakt nachgebildet, mit der sogenannten "Spitzenmethode" kontrolliert, und die entsprechenden Energieverluste wurden ermittelt. Zirkulare Magnetisierung ergab für texturierte Materialien Verlustüberhöhungen bis zu 500%, für tatsächlich relevante Muster aber nur etwa 100%. Nicht texturierte ergaben bis zu 100% für den - hier auch praktisch relevanten - zirkularen Fall. Hochrechnungen auf die gesamte Kernmasse zeigten, dass das Phänomen der RM zwar lokale Überwärmungen erbringt, das Ausmaß der gemittelten Verlusterhöhung aber in einem Rahmen bleibt, der konstruktive Veränderungen des Kerndesigns nicht rechtfertigen würde. Simulationen bezüglich des magnetostriktiven Schwingungsverhaltens lieferten ähnliche Schlussfolgerungen. Wohl zeigten sich für zirkulare RM texturierter Materialien Überhöhungen um bis zu 10 000 %. Diesen unerwartet hohen Werten stehen aber bei linearer geometrischer Mittelung nur geringe, um etwa 20% gegenüber. Simulationen von praxisgerechten mechanischen Spannungen zeigten Schwingungsüberhöhungen eher schwachen Ausmaßes. Als wissenschaftlich interessantes Phänomen konnte beobachtet werden, dass die Schwingungsmuster bei nichttexturierten Materialien - einschließlich amorphen "Magnetgläsern" - synchron mit der Magnetisierung rotieren. Texturierte Materialien hingegen zeigen Schwingungsmuster wie im Fall alternierender Magnetisierung, wenngleich stark erhöhten Ausmaßes. Letztlich lieferte das Projekt umfangreiches, praktisch relevantes Datenmaterial, das auf einer WebSite zusammengestellt wurde. Es lieferte aber auch wissenschaftlich unerwartete Ergebnisse, vor allem zur schon erwähnten - praktisch attraktiven - Spitzenmethode. Weltweit zunehmend dient sie zur Detektion von Magnetisierungsmustern - wie auch im Rahmen dieses Projektes. Eine eingehende Analyse ergab aber, dass die Methode durch meist unbemerkt vorhandene, sogenannte planare Wirbelströme stark verfälscht wird, wovon auch das hier erarbeitete Datenmaterial zweifelsohne betroffen ist. Hingegen aber konnte eine Strategie entwickelt werden, durch Kombination mehrerer Spitzenpaare verschiedene Wirbelstromtypen zu separieren, ein Ausgangspunkt weiterer - industriell schon deutlich begrüßter - Forschungstätigkeit.