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Effektive Materialtransformation für ferromagnetische Bleche

Effective Material Transformation for Ferromagnetic Sheets

Karl Hollaus (ORCID: 0000-0002-0395-629X)
  • Grant-DOI 10.55776/P36395
  • Förderprogramm Einzelprojekte
  • Status laufend
  • Projektbeginn 01.11.2022
  • Projektende 31.10.2025
  • Bewilligungssumme 396.125 €
  • E-Mail

Wissenschaftsdisziplinen

Elektrotechnik, Elektronik, Informationstechnik (60%); Informatik (20%); Mathematik (20%)

Keywords

    Computer Aided Simulation, Eddy Currents, Electrical Devices, Material Modeling, Numerical Mathematics, Theory In Electrical Engineering

Abstract

Die Minimierung der Verluste in elektrischen Geräten wird aufgrund der zunehmenden Elektromobilität und der steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz immer wichtiger. Der Eisenkern elektrischer Geräte ist nicht aus einem Stück gefertigt, sondern besteht aus vielen dünnen ferromagnetischen Blechen um die Wirbelströme, die die Verluste verursachen, zu minimieren. Eine genaue und effiziente Berechnung der Wirbelströme in geschichteten Eisenkernen ist daher von enormer praktischer Bedeutung für die Auslegung elektrischer Geräte. Die Finite-Elemente-Methode wird vorzugsweise bei Problemen mit komplexer Geometrie und stark nichtlinearen Materialien eingesetzt. Die Gesamtabmessungen eines einzelnen Blechs liegen im Bereich von Metern, während die Dicke und die Eindringtiefe wesentlich kleiner als ein Millimeter sind. Daher würde ein detailliertes Finite-Elemente-Modell großer elektrischer Geräte zu extrem großen Gleichungssystemen führen, die mit vertretbarem Rechenaufwand nicht zu lösen wären. Daher wurden Mehrskalen- und Homogenisierungsmethoden entwickelt, die ein sehr grobes Finite- Elemente-Netz verwenden und so zu wesentlich kleineren Gleichungssystemen führen. Bestimmte Probleme führen jedoch nach wie vor zu steigenden Rechenkosten. Um beispielsweise eine geringe Eindringtiefe elektromagnetischer Felder aufzulösen, wächst die Zahl der Unbekannten linear mit der Ordnung des Mehrskalenansatzes. Starke Feldvariationen über die Dicke eines Bleches erfordern viele Integrationspunkte, was den Aufbau von Finite-Elemente-Gleichungssystemen teuer macht, insbesondere im Falle von Hysterese. Ziel ist es, Wirbelströme in dünnen, hochgradig nichtlinearen ferromagnetischen Blechen und auch damit verbundene magnetische Streufelder mit neuartigen Methoden zu berechnen, die wesentlich weniger Rechenaufwand erfordern. So sollen beispielsweise Finite-Elemente-Methoden entwickelt werden, die nur mit einem einzigen skalaren Potenzial arbeiten, statt mit Mehrskalenansätzen mit mehreren verschiedenen Potenzialen. Um die teure Assemblierung von Finite-Elemente-Systemen zu vermeiden, werden zu vernachlässigbaren Kosten äquivalente effektive Materialparameter bestimmt, die die sehr feine Struktur, wie sie z.B. in laminierten Eisenkernen vorhanden ist, und die stark nichtlinearen Materialeigenschaften einschließlich der Hysterese vereinen. Es wird eine Homogenisierung des Problems vorgenommen werden. Bei der Homogenisierung wird eine gegebene feine und heterogene Struktur durch eine homogene Struktur ersetzt, so dass bestimmte Größen, z. B. Reaktionsfelder und Verluste, annähernd gleichbleiben. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass die Forderung nach gleichen Verlusten und gleicher Blindleistung bei der Homogenisierung mit Hilfe eines Einheitszellenproblems zu nichtlinearen komplexwertigen Magnetisierungskurven führt. Gleichzeitig ändert sich die Natur der Physik, das zugrundeliegende Wirbelstromproblem wird zu einem komplexwertigen statischen Magnetfeldproblem.

Forschungsstätte(n)
  • Technische Universität Wien - 100%
Nationale Projektbeteiligte
  • Joachim Schöberl, Technische Universität Wien , nationale:r Kooperationspartner:in
Internationale Projektbeteiligte
  • Yilmaz Sozer, The University of Akron - Vereinigte Staaten von Amerika
  • Igor Tsukerman, University of Akron - Vereinigte Staaten von Amerika

Research Output

  • 1 Zitationen
  • 5 Publikationen
Publikationen
  • 2024
    Titel Effective Material and Static Magnetic Field for the 2D/1D-Problem of Laminated Electrical Machines
    DOI 10.1109/cefc61729.2024.10586159
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Hollaus K
    Seiten 01-02
  • 2024
    Titel Effective Interface Condition for Electromagnetic Shielding Using the T-F-Formulation in 3D
    DOI 10.1109/cefc61729.2024.10586151
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Schöbinger M
    Seiten 01-02
  • 2024
    Titel Effective Material Modeling for Laminated Iron Cores With a T, ? - ? Formulation
    DOI 10.1109/tmag.2024.3447126
    Typ Journal Article
    Autor Hanser V
    Journal IEEE Transactions on Magnetics
    Seiten 1-7
    Link Publikation
  • 2024
    Titel Effective Material and Static Magnetic Field for the 2-D/1-D-Problem of Laminated Electrical Machines
    DOI 10.1109/tmag.2024.3466289
    Typ Journal Article
    Autor Hollaus K
    Journal IEEE Transactions on Magnetics
    Seiten 1-4
  • 2024
    Titel A T,F-F Multiscale Finite Element Formulation for Eddy Current Problems in Open Magnetic Circuits
    DOI 10.1109/cefc65091.2024.10849241
    Typ Conference Proceeding Abstract
    Autor Hanser V
    Seiten 1-4

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