Einsatz kornorientierter Elektrobleche in flussschaltenden elektrischen Maschinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kornorientierte Bleche weisen im Vergleich zu nicht kornorientierten Blechen erhebliche Verbesserungen in deren magnetischen Eigenschafen auf. Es können höhere maximale Flussdichtewerte erreicht werden, während die Ummagnetisierungsverluste deutlich kleiner ausfallen. Solche Materialien könnten die Effizienz elektrischer Maschinen in hohem Maße steigern. Nicht nur aufgrund der geringeren Ummagnetisierungsverluste, sondern auch aufgrund des elektrischen Stroms für eine Erregung, der aufgrund der höheren magnetischen Permeabilität geringer ausfallen kann. Zusätzlich kann das Maschinenvolumen durch die höhere Sättigungspolarisation kleiner ausfallen, oder die Leistungsdichte gesteigert werden. Die Verbesserung der Eigenschaften führen jedoch zu starken magnetischen Anisotropien, die in Transformatoren weitestgehend unproblematisch, bei elektrischen Maschinen jedoch eher unerwünscht sind. Für den Einsatz solcher Materialien in elektrischen Maschinen müssen die jeweiligen magnetischen Vorzugsrichtungen des Materials, entsprechend den zu erwartenden Feldverläufen, ausgerichtet werden. Dies ist nur über eine starke Segmentierung der magnetisch flussführenden Bauteile möglich, wodurch Luftspalte zwischen den Segmenten nötig sind, die einen magnetischen Widerstand darstellen. Testobjekt für einen Prototypen ist eine flussschaltende Permanentmagnetmaschine, deren Stator aus kornorientierten Blechen aufgebaut wird. Die anisotropen Eigenschaften des verwendeten Materials werden mit einem Anisometer ermittelt. Es wurde ein Prototyp dieses Messgeräts aufgebaut, der die getrennte Messung longitudinaler und transversaler magnetischer Felder ermöglicht. Über die Ergebnisse einer Epsteinrahmenmessung von Proben in der magnetischen Vorzugsrichtung des Bleches und der Anisometer Ergebnisse, konnte die magnetische Permeabilität in Form eines nichtlinearen Tensors aufgestellt werden. Die Beschreibung als Tensor ermöglicht die Simulation des anisotropen Materials mit Berücksichtigung der Richtungsunterschiede zwischen Feldstärke- und Flussdichtevektor. Die Tensor-Permeabilität wurde in der Finite Elemente Software Comsol umgesetzt. Eine grundlegende Berechnung anisotroper Materialien wurde mittels Reluktanznetzwerken getestet, da sie eine vielversprechende Alternative zu Finiten Elementen darstellt, die eine einfache Implementierung anisotroper Eigenschaften ermöglicht und im Bereich der magnetischen Felder eine vergleichsweise hohe Genauigkeit zeigte. Auf Basis einer semianalytischen Erstauslegung des Maschinen-Prototyps wird eine Finite Elemente Simulation aufgebaut. In diese Simulation wird das kornorientierte Blech über den Permeabilitäts-Tensor integriert. Über die Simulation werden die Parameter der Erstauslegung nochmals variiert, um das mittlere Drehmoment zu erhöhen und das Rastmoment zu verringern. Anschließend wurde der Maschinenprototyp entsprechend der finalen Simulationsergebnisse realisiert.
