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

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Für die Berechnung und Auslegung elektrischer Maschinen spielt die Kenntnis des ferromagnetischen Materialverhaltens der verwendeten Elektrobleche eine entscheidende Rolle hinsichtlich der prognostizierbaren Betriebseigenschaften und der auftretenden Verluste in den eisenbehafteten Gebieten. Im Allgemeinen wird bei der numerischen Feldberechnung zur Berechnung elektrischer Maschinen eine Magnetisierungskennlinie verwendet, die sich aus den Schließpunkten gemessener Hystereseschleifen unterschiedlicher Aussteuerung ergibt (Kommutierungskurve). Die konkrete Form der jeweiligen Hysteresen wird dabei jedoch nicht berücksichtigt, obwohl diese sämtliche Information über die auftretenden Verluste beinhaltet. Für die Berechnung der in den eisenbehafteten Gebieten entstehenden Verluste durch Ummagnetisierung und Wirbelströme werden nach wie vor die klassischen Steinmetzgleichungen und deren Erweiterungen eingesetzt. Obwohl in den letzten Jahren auch weitere Modellierungsgleichungen (Bertotti, IEM-Model, Pry-and-Bean, usw.) vorgestellt wurden, die eine verbesserte Prädiktionsfähigkeit aufweisen, zeigen diese dennoch Abweichungen zu den real auftretenden Verlusten in einer elektrischen Maschine. Im Bereich der elektrischen Maschinen, führen Simulationen auf Mikromagnetismusebene zu einer extrem hohen algorithmischen Komplexität. Das Dipolkollektivmodell ist jedoch in der Lage die gemessene BH-Trajektorie mit moderatem zeitlichem Aufwand hinreichend genau vorherzusagen, so dass es für den untersuchten Anwendungsfall und für die Beschreibung des dynamischen ferromagnetischen Verhaltens in den aktiven Bauteilen elektrischer Maschinen sehr gut geeignet ist. Die Kernidee besteht darin die Weiß’schen Bezirke von ferromagnetischen Materialien durch magnetische Dipole, welche drehbar gelagert sind, zu approximieren. Beim Anlegen einer externen Feldanregung, wird die Dynamik der einzelnen Dipole mit Hilfe der Landau-Lifshitz-Gleichung modelliert, während die Drehbewegung durch die Newton-Mechanik realisiert wird. Die Verwendung der Newton-Mechanik erlaubt es die rechenaufwendige Präzessionsbewegung des Dipols (Quantenmechanik), die vom Landau-Lifshitz-Modell postuliert wird, zu umgehen. Das Dipolkollektivmodell erhebt daher keinen Anspruch auf physikalische Korrektheit, sondern ist eher im Bereich zwischen dem Mikro- und Makromagnetismus angesiedelt. Interessanterweise weisen die drehbar gelagerten Dipole trotz des vereinfachten Ansatzes ein Hystereseverhalten auf und sind in der Lage dieses adäquat nachzubilden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Influence of turning on the magnetic properties of electrical steel in the production of electrical machines. 2011 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), 83-88. IEEE.
  Boehm, Andreas & Hahn, Ingo
  
• Comparison of soft magnetic composites (SMCs) and electrical steel. 2012 2nd International Electric Drives Production Conference (EDPC), 1-6. IEEE.
  Boehm, Andreas & Hahn, Ingo
  
• A simple method for the parameter identification of the Jiles-Atherton model using only symmetric hysteresis loops. IECON 2013 -39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2571-2577. IEEE.
  Lindner, Andreas; Hahn, Ingo & Bohm, Andreas
  
• Messung magnetischer Materialeigenschaften und deren Berücksichtigung bei der Simulation elektrischer Maschinen. Zugl.: Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2015.
  A. Böhm
  
• “Erweiterung eines 3-dimensionalen magnetischen Dipol-Kollektivs zur Beschreibung ferromagnetischen Materialverhaltens,” Master Thesis, Lehrstuhl für Elektrische Antriebe und Maschinen, Universität Erlangen Nürnberg, Erlangen, 2015.
  Christoph Hittinger
  
• Phenomenological modelling of ferromagnetic hysteresis using three dimensional dipole collectives. 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM), 1983-1988. IEEE.
  Wagner, J.; Hahn, I. & Hittinger, C.
  
• Examining the unstable behaviour of a phenomenological three dimensional, dipole-based hysteresis model. 2017 20th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 1-6. IEEE.
  Wagner, Johannes; Hittinger, Christoph & Hahn, Ingo
  
• Influence of elementary model parameter variations on simulated ferromagnetic hysteresis using a ring-shaped 3D dipole collective. 2017 20th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 1-6. IEEE.
  Hittinger, Christoph; Wagner, Johannes & Hahn, Ingo