Magnetische Dipolkollektive zur Darstellung des ferromagnetischen Materialverhaltens in elektrischen Maschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ingo Hahn
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 393466659

Bei der numerischen Berechnung elektromagnetischer Felder in elektrischen Maschinen werden heutzutage zur Beschreibung der nichtlinearen, ferromagnetischen Materialeigenschaften der Eisengebiete Magnetisierungskennlinien verwendet. Diese werden aus Hysteresemessungen an Ringproben oder am Epsteinrahmen ermittelt.Zur Prädiktion des Hystereseverhaltens sind aus der Literatur einige Ansätze für die Modellierung bekannt, die entweder auf mathematischen oder physikalischen Zusammenhängen basieren oder auch von phänomenologischer Natur sind. Einige bekannte Modelle sind z.B. das Preisach-Modell, das Jiles-Atherton-Modell oder auch das Landau-Lifshitz-Modell. Die ersten beiden Modelle beschreiben das makroskopische, dynamische Verhalten der Magnetisierung in Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke in Form von Differenzialgleichungen. Allerdings vernachlässigen das Preisach- und das Jiles-Atherton-Modell die lokale Feldverteilung innerhalb der Eisengebiete.Das Landau-Lifhshitz-Modell befasst sich dagegen mit dem mikroskopischen Verhalten von ferromagnetischen Materialien. Auf der Basis verschiedener Wechselwirkungen wird die Ausrichtung von elementaren Dipolen (Magnetisierungsvektoren) derart mathematisch optimiert, dass die freie Energie im System minimal wird. Die Wechselwirkungen lassen sich dabei auf physikalische Zusammenhänge zurückführen, die sich aus der Kristallstruktur und dem atomaren Aufbau des Materials ableiten.Das Modell, welches in dieser Arbeit detailliert untersucht werden soll, abstrahiert die physikalischen Zusammenhänge des Landau-Lifhsitz-Modelles und überträgt diese auf ein makroskopisches Gitter. Dazu wurden umfangreiche Vorarbeiten mit zwei-, sowie dreidimensionalen magnetischen Dipolkollektiven durchgeführt. Die Ergebnisse der Vorarbeiten zeigen qualitativ sehr gute Übereinstimmungen zwischen der simulierten und der gemessenen Hysterese. Die einzelnen Dipole des Kollektivs interagieren dabei über die Wechselwirkungen magnetischer Feldbeiträge, welche dem Landau-Lifhsitz-Modell entnommen wurden.Durch die gerade erwähnte Abstraktion des Landau-Lifshitz-Modells geht die physikalische Grundlage des Modellparametersatzes für das in dieser Arbeit vorgestellte Modell zunächst verloren. Um diese physikalischen Beziehungen wiederherzustellen ist es zuerst notwendig, einen standardisierten Parameteridentifikationsprozess zu entwickeln, der sich soweit wie möglich an den physikalischen Beobachtungen an der Probe, sowie den Gegebenheiten der Messsituation orientiert. Hierfür muss zunächst genauestens eingegrenzt werden, welche physikalischen Effekte zum aktuellen Zeitpunkt bereits modelliert sind oder ob es einer Ergänzung des Modells bedarf. Anschließend soll auf Basis der Messergebnisse für unterschiedliche Materialien ein quantitativer Vergleich zwischen Modellparametersatz und realen physikalischen Größen erfolgen.Ziel ist es insgesamt eine umfassende Prüfung der Dipolkollektivmethode hinsichtlich ihrer Verwendung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen