Vektor-Hysterese Modellierung von ferromagnetischen Materialien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kay Hameyer
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 373150943

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die magnetische Hysterese ist für die Auslegung und Dimensionierung von elektromagnetischen Komponenten ein Thema mit großer technischer und physikalischer Relevanz. Obwohl bereits viel Forschungarbeit zur Modellierung der magnetischen Hysterese geleistet wurde, bleibt dies ein herausforderndes Thema, das noch nicht zur vollen Zufriedenheit gelöst ist. Dieses DFG-Projekt untersucht die Vektorhysterese Play und Stop Modelle und diskutiert FE Simulationen eines elektromagnetischen Kreises unter lokaler Betrachtung der Hysterese Effekte. Im Rahmen dieses Transferprojekts wurden Vektorhysterese Modelle auf Basis der von Bosch entwickelten quadratischen potentialen Basisfunktionen vom IEM aufgebaut und validiert. Die messtechnische Untersuchung der ferromagnetischen Materialien fand in Kooperation der Projektpartner statt. Die entwickelten Vektorhysterese Modelle wurden separat in Edyson (BOSCH inhouse FE Solver) und pyMOOSE (IEM inhouse FE Solver) integriert und analysiert. Die Ergebnisse wurden miteinander ausgetauscht, verglichen und validiert. Die Vektor Play und Stop Modelle basieren auf der thermodynamischen Konsistenz. Sie sind in der Lage, den vollständig vektoriellen Charakter der Magnetisierungsprozesse wiederzugeben. Bei der experimentellen Vermessung der Vektorhysterese am RSST wurden die praktisch relevanten ferromagnetischen Materialien untersucht. Die vektoriellen alternierenden Messdaten dienen zur systematischen Identifizierung der Modellparameter. Eine quantitative Validierung der Hysteresemodellierung mit Play und Stop Operatoren wurde hier durchgeführt, um einen besseren Einblick in das Potenzial und die Grenzen dieser Modelle zu erhalten. Das Vektor Stop Modell wird mit der schwachen Formulierung des elektromagnetischen Problems gekoppelt, um elektromagnetische Feldprobleme numerisch zu lösen. Mittels der Newton Methode ist die Simulation von elektromagnetischen Feldproblemen mit Hilfe des Vektor Stop Modells in der Vektorpotentialformulierung effizient möglich. Die positiv definite Konstruktion der lokalen Modelle stellt eine robuste Konvergenz der Newtoniterationen sicher. In FE Simulationen wurden die in den Messungen beobachteten Hystereseeffekte lokal reproduziert und die hysteretische Feldverteilung im ganzen Modell numerisch berechnet. Während dieses Projekts wurden die erworbenen Erkenntnisse durch wöchentliche Regeltermine zwischen den Partnern IEM und Bosch ausgetauscht. Die durch die Kooperation entwickelten Modelle sind für beliebige Erregungen geeignet und eröffnen die Möglichkeit, Hysterese Effekte in realen elektromagnetischen Anwendungen präzise zu bewerten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Magnetic anisotropy under arbitrary excitation in finite element models," in Archives of electrical engineering, vol. 68, no. 2, pp. 455-466, 2019
  G. Bavendiek, N. Leuning, F. Müller, B. Schauerte, A. Thul, K. Hameyer
  
• "Measurement and simulation of a rotational single sheet tester," in Archives of electrical engineering, vol. 68, no. 1, pp. 173-183, 2019
  F. Müller, G. Bavendiek, B. Schauerte, K. Hameyer
  
• “Vector hysteresis model in comparison to the anhysteretic magnetization model”, 19th International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronical Engineering ISEF 2019, Nancy, France
  Xiao, X., Müller, F., Bavendiek, G., Hameyer, K.
  
• "Analysis of vector hysteresis models in comparison to anhysteretic magnetization model," in Eur. Phys. J. Appl. Phys., vol. 91, no. 2, June 2020
  X. Xiao, F. Müller, G. Bavendiek, K. Hameyer
  
• "Consideration of ferromagnetic anisotropy in electrical machines built of segmented silicon steel sheets, " in IET science, measurement and technology, vol. 14, no. 3, pp. 242-249, 2020
  F. Müller, G. Bavendiek, N. Leuning, B. Schauerte, K. Hameyer
  
• Modeling of Scalar Dependencies of Soft Magnetic Material Magnetization for Electrical Machine Finite-Element Simulation," in IEEE Transactions on Magnetics, vol. 56, no. 2, pp. 1-4, Feb. 2020
  X. Xiao, F. Müller, G. Bavendiek, N. Leuning, P. Zhang, J. Zhou, K. Hameyer
  
• “Modeling of history‐dependent magnetization in the finite element method on the example of a postassembly rotor magnetizer,” in Int J Numer Model, vol. 33, no. 5, 2020
  G. Bavendiek, F. Müller, S. Steentjes, K. Hameyer