Physikalisch korrekte Messung magnetischer Energieverluste

Die weltweit globalisierte Versorgung mit elektrischer Energie wird durch hunderte Millionen von Generatoren, Transformatoren und Shunt-Reaktoren aufrecht erhalten. Doch zeigen die meisten dieser Maschinen erhöhte Energieverluste, wegen veralteten magnetischen Kernen. Wegen Prognosen erhöhten Energiebedarfs durch Elektro-Mobilität hat u.a. die EU einen Ersatz durch neuartige, effizientere Kerne vorgegeben. Als ein Handicap erweist sich dabei, dass es zur exakten Bestimmung der Verluste eines Kernmaterials keine exakte Methode gibt. Zwei standardisierte Verfahren A und B zeigen bis zu 10% Abweichung ihrer Resultate. Seit etwa 30 Jahren werden die Fehlerquellen weltweit wissenschaftlich erforscht - ohne überzeugende Erfolge. In einer theoretischen Studie der Antragsteller wurde nun eine signifikante Fehlerquelle erkannt: Der Umstand, dass zeitliche Veränderungen der magnetischen Feldstärke - als kritischste Größe - nur indirekt erfasst werden. Nur in Japan werden sehr effektive, sogenannte Tangentialfeldspulen eingesetzt. Ansonsten werden diese "H-Spulen" wegen mangelnder Stabilität abgelehnt. Als weitere Problematik wird beim Typ A (Tafel-Meßgerät) eine weniger als 1 kg wiegende Probe durch ein fast 500 kg schweres, hydraulisch betätigtes Doppeljoch magnetisiert. Dagegen fallen beim Typ B (Epstein Tester) viele Probenstreifen an, die nur 3 cm breit sind. Aus mangelnder industrieller Relevanz wurde Typ B für hochwertiges Material im Okt. 2017 aus den Standards ausgeschlossen. Das Projekt betrifft eine Bereinigung aller genannten Probleme. Hauptmaßnahme ist die Erstellung präziser und stabiler H-Spulen durch automatische Druck-Technologien (entspr. laufendem FWF- Projekt). Für Typ A ermöglicht dies ein "leichtes", weniger als 100 kg wiegendes Einfachjoch, für Typ B eine Beschränkung auf nur acht Probenstreifen, bei verdreifachter Breite für industrielle Relevanz. Die obigen Konzepte liefern zwei neue Tester nach exakt gleichen physikalischen Prinzipien, die deutlich verbesserte Resultate versprechen. Tester A wird zudem viel leichter und kostengünstiger, u.a. durch Entfall der Hydraulik. Tester B wird direkt repräsentativ für kleine Maschinen (insb. Verteiler-Transformatoren). Beide Tester werden erschwinglich auch für kleine Betriebe, in gering entwickelten Ländern, und für Universitäten - mit so genanntem Experimentierfenster als besondere Attraktivität. Als Option plant das Projekt auch eine Weiterverwendung bestehender Tester A und B bei automatischer Korrektur von indirekt falsch erfassten Feld-Modifikationen. Geplant sind Korrekturen aufSoftware-Basis(unterstütztdurch numerische Modellierung), zumindest für Vergleichsmessungen. Erbringt das Projekt die erhofften Verbesserungen, so ist die Ausarbeitung eines "Standardization Concept Papers" geplant, als erster Schritt für eine angestrebte Normung. Zur vollen Berücksichtigung industrieller Anforderungen wird das Projekt in enger Kooperation mit zwei Partnern aus Schweden bzw. Österreich durchgeführt.

Eine elektrische Maschine - so wie etwa ein Generator, Motor oder Transformator - benötigt einen magnetischen Kern, um magnetische Flüsse optimiert durch die Maschine zu verteilen. Der Kern aber verbraucht auch selbst magnetische Energie, die wir als "Magnetverlust" bezeichnen. Weltweit sind diese relativ gesehen sehr geringen Verluste von gigantischer Bedeutung. Eine einprozentige Verminderung könnte eine große Stadt mit Energie versorgen. Paradoxerweise lassen sich die Verluste bis heute nur in Näherung messtechnisch bestimmen. Die Begründing klingt banal, ist aber technisch gesehen sehr komplex: Bisherige Tester scheiterten an der Messung der "magnetischen Feldstärke" und ersetzten sie durch eine nur näherungsweise proportionale Strommessung. Neuartige Verfahren, wie der 3D-Druck, aber schaffen Feldsensoren mit höchster Präzision und Empfindlichkeit. Im Projekt wurde mit automatisierter Komponenten-Herstellung und Einsatz gefinkelter Theorie ein sogenannter "Physical Consistent Single Sheet Tester" - in etwa "Physikalisch korrekter Einzelblech-Tester" entwickelt. Erstmals bestimmt er die Verluste mit hoher Genauigkeit, bei Umgehung jeglicher sogenannter Normungs-Konvention. Somit erhebt das neue Verfahren den Anspruch, international standardisiert zu werden, was aber jahrelange weltweite Debatten benötigen könnte. Als sehr wesentlicher Umstand war die Anwendung bisheriger Tester auf Magnetisierung mit so genannter Netzfrequenz von 50 Hertz beschränkt (außereuropäisch auch 60 Hz). Die im Projekt entwickelte neuartige Technology arbeitet erstmals für gesteigerte Intensität der Magnetisierung und bis hinauf zu mehreren Tausenden Hertz, wie es neuerdings für die Elektromobilität von Bedeutung ist. Ferner wiegt der im Projekt entwickelte Tester nicht mehrere Hunderte von Kilogramm, wie bisher üblich. Vielmehr ist der PC-SST relativ leicht, kompakt, und auch einfacher, sowie billiger in der Fertigung, im Vergleich zu herkömmlichen Testanlagen.