Finite-Elemente-Simulation homogenisierter Feldmodelle für Folienwicklungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Herbert De Gersem; Professor Dr. Sebastian Schöps
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436819664

Folienwicklungen werden zunehmend in elektrischen Energiewandlern eingesetzt, wegen ihrer hohen Füllfaktor, niedrigen DC-Widerstandes und vorteilhafter thermischer Eigenschaften. Folienwicklungen weisen aber wegen der eindimensionalen Umverteilung der Ströme in Richtung der Folienspitzen durch spezifische Wirbelstromeffekte, und wegen der dünnen Isolationsschichten, eine vergleichsweise hohe verteilte Kapazität zwischen den Wicklungen auf. Heutzutage ist eine ausreichend genaue Simulation nur mittels dreidimensionaler Finite-Elemente-Modelle, in den alle geometrischen Details der Folienwicklung aufgelöst werden, möglich. Die unbeherrschbare Größe der resultierenden Gesamtmodelle verhindert eine weitere Verbesserung von Folienwicklungen in derzeitigen elektrotechnischen Entwürfen. Das Ergebnis dieses Forschungsvorhabens wird ein Finite-Elemente-Modell für Folienwicklungen sein, welches die entsprechende Wirbelstrom-, kapazitive und thermische Effekte mit einer Rechenzeit, die vergleichbar mit der für herkömmliche Drahtwicklungen ist, simulieren kann. Dieses Ziel wird durch eine geschickte Kombination von analytischen und numerischen Homogenisierungsansätzen, eine geeignete hybride Finite-Elemente und Spektral-Elemente-Diskretisierung, fehlergesteuerte Gitterverfeinerung, Feld-Netzwerk-Kopplung und Multiraten-Zeitintegration erreicht. Die Performanz und Zuverlässigkeit der entwickelten numerischen Methoden werden anhand von Folienwicklungen für Maschinen, einem Transformer mit Folienwicklungen und eines Kondensators mit metallischer Folie demonstriert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen