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 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436819664

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Eine zunehmende Anzahl elektrischer Geräte enthält Folienwicklungen anstelle von Drahtwicklungen aufgrund ihrer besseren elektromagnetischen und thermischen Eigenschaften, insbesondere bei Betrieb mit erhöhten Frequenzen. Folienwicklungen sind von einem speziellen Skin-Effekt betroffen, der dazu führt, dass herkömmliche Finite-Elemente-Modelle unhandlich groß werden. In diesem Projekt wurde ein homogenisiertes Folienwicklungsmodell entwickelt, das die kleinskaligen Skin-Effekte angemessen durch eine dedizierte zusätzliche Diskretisierung der Spannungsverteilung durch Polynome mit globalem Support auflöst. Die Methode wurde anhand einer analytischen Lösung für das Kontinuummodell validiert. Darüber hinaus wurde eine Feld-Netzwerk-Kopplung entworfen, um externe leistungselektronische Geräte zu berücksichtigen. Eine schaltungskonsistente Verbesserung des Folienwicklungsmodells gewährleistet die Stabilität des Modells innerhalb Zeitschrittverfahren. Das homogenisierte Folienwicklungsmodell wurde erweitert, um die kapazitiven Effekte zwischen benachbarten Windungen zu berücksichtigen, die bei höheren Frequenzen relevant werden. Alle Methoden wurden im Python-Softwarepaket Pyrit implementiert und öffentlich zugänglich gemacht. Die Folienwicklungsmodelle wurden für zahlreiche technische Beispiele getestet.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• ‘Continuum models and analytical solutions for foil windings’. In: 27. Symposium on Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits (EPNC). conference contribution, June 2022
  J. Bundschuh; H. De Gersem & Y. Späck-Leigsnering
  
• ‘Foil-winding homogenization with polynomial shape functions with global support’. In: 19th International IGTE Symposium. conference contribution, Sept. 2022
  J. Bundschuh; Y. Späck-Leigsnering & H. De Gersem
  
• A modular Python-based finite element solver for multiphysics problems
  J. Bundschuh
  
• Pyrit: A finite element based field simulation software written in Python. COMPEL -The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering, 42(5), 1007-1020.
  Bundschuh, Jonas; Ruppert, M. Greta & Späck-Leigsnering, Yvonne
  
• ‘Analysis and stabilization of the foil conductor model’. In: 22nd European Conference on Mathematics for Industry (ECMI 2023). Ed. by K. Burnecki. conference contribution, European Consortium for Mathematics in Industry. 26th June 2023
  E. Paakkunainen; J. Bundschuh; I. Cortes Garcia; H. De Gersem & S. Schöps
  
• ‘Homogenization of foil windings with globally supported polynomials and including capacitive effects’. In: ENUMATH 2023. conference contribution, 4th Sept. 2023, p. 57
  J. Bundschuh; Y. Späck-Leigsnering & H. De Gersem
  
• A Stabilized Circuit-Consistent Foil Conductor Model. IEEE Access, 12, 1408-1417.
  Paakkunainen, Elias; Bundschuh, Jonas; Garcia, Idoia Cortes; De Gersem, Herbert & Schöps, Sebastian
  
• Homogenization of foil windings with globally supported polynomial shape functions. Archives of Electrical Engineering, 77-85.
  Bundschuh, Jonas; Späck-Leigsnering, Yvonne & De, Gersem Herbert