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A contribution to the electromagnetic Finite Element Analysis of soft and hard magnetic materials in electrical machines

Erschienen am 14.09.2020
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Bibliografische Daten
ISBN/EAN: 9783844075670
Sprache: Englisch
Umfang: 190
Format (T/L/B): 21.0 x 14.0 cm
Auflage: 1. Auflage

Beschreibung

Damit die Ausnutzung elektrischer Maschinen weiter gesteigert werden kann ist eine genaue Kenntnis der späteren Eigenschaften bereits in der Designphase wünschenswert. Dafür ist eine elektromagnetische Simulation notwendig die zum einen auf grundlegenden elektromagnetischen Zusammenhängen, wie den Maxwell-Gleichungen, und zum anderen auf Modellen spezieller, beispielsweise materialabhängiger, Effekte, beruht. Insbesondere die Eigenschaften der eingesetzten Materialien haben einen starken Einfluss auf die erreichbare Effizienz und Leistungsdichte einer elektrischen Maschine. Die Genauigkeit der Finite-Elemente-Analyse als vorherrschende Lösungsmethode für elektromagnetische Simulationen in der Zeit- und Raumdomäne hängt in erster Linie von der gewählten Diskretisierung ab. Auch wenn sich diese auf modernen Computern erheblich steigern lässt, bringt dies keinen Gewinn an Genauigkeit, wenn die angewandten Materialmodelle die Effekte eines Materials nicht ausreichend abdecken. Aus diesem Grund existieren zwar verschiedenste Materialmodelle, welche jedoch auch Einschränkungen und Vereinfachungen unterworfen sind, die die Berücksichtigung relevanter Effekte in der Simulation einschränken. Insbesondere eine einfache Betrachtung von Anisotropie und Hysterese ist eine Herausforderung. Deswegen wird eine allgemeine Methodik für die Berücksichtigung von magnetischem Material in der Finite-Elemente-Methode diskutiert und dafür geeignete Materialmodelle aus dem Stand der Technik weiterentwickelt. Der Schwerpunkt liegt auf Modellen mit empirischen Gleichungen und physikalischen Parametern, die direkt aus Messungen extrahiert werden können. Auch ein direkter Gebrauch von Messdaten in der Simulation wird verfolgt. Dieser Ansatz bietet einen guten Kompromiss zwischen Anwendbarkeit und zuverlässiger Bewertung. Der Nutzen wird durch die Betrachtung von Simulationsbeispielen relevanter technischer Anwendungen unterstrichen. Als weichmagnetisches Material wird Elektroband betrachtet und dessen Anisotropie und Hysterese anhand von ein und zweidimensionalen Messungen diskutiert. Besonders hervorgehoben wird die Abweichung im Phasenwinkel, die nur mittels zweidimensionaler Messungen zwischen der magnetischen Flussdichte und der Magnetfeldstärke zu bestimmen ist. Ein Modell der anisotropen Magnetisierung ohne Hysterese wird hergeleitet sowie ein vektorielles pragmatisches algebraisches Modell von Hysterese mit verbesserter Anisotropie. Die Simulationen des T.E.A.M.-Problems 32 als auch die der zu Grunde liegenden Messaufbauten mit den Messungen stimmen gut überein. Das Simulationsbeispiel einer segmentierten Permanentmagnet-Synchronmaschine unter Berücksichtigung der Anisotropie zeigt den starken lokalen Einfluss der Anisotropie auf die Magnetfeld- und Flussdichteverteilung. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf hartmagnetischem Material, insbesondere hochenergetischen Seltenerd-Permanentmagneten, da sie für verschiedene elektrische Maschinen die vielversprechendste Wahl sind. Im Gegensatz zu weichmagnetischen Materialien sind Effekte wie Anisotropie und Hysterese viel ausgeprägter. Detaillierte Messreihen werden an den Permanentmagnetproben mittels eines Impulsmagnetometers durchgeführt. Die Messungen werden durch empirische Gleichungen mit physikalischen Parametren nachmodelliert. Dabei fließt die starke Abhängigkeit der Magnetisierungsgeschichte in die Modellierung der Hysterese ein. Daher wird die Abhängigkeit der Magnetisierungs- und Entmagnetisierungscharakteristik von der Magnetisierungsfeldstärke ausgiebig gemessen und modelliert. Das abgeleitete konsistente Modell für die Magnetisierung und Entmagnetisierung von Permanentmagneten wird für eine vollständige Hysterese erweitert, die kleinere Schleifen während nicht vollständiger Magnetisierungsprozesse abdeckt. Das Modell ermöglicht es, das Magnetfeld und die resultierende Magnetisierung eines Permanentmagneten während und nach einem beliebigen transienten Magnetisierungsprozess vorherzus

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