Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierung der Eisenverluste mittels mikromagnetischer Untersuchungen

Die Performance von elektrischen Maschinen hängt maßgeblich von den verwendeten Materialien ab. Die Eisenverluste in Elektroband sind abhängig von der Legierung und Mikrostruktur des Werkstoffs. Aktuelle im Einsatz für die Maschinenauslegung verwendete Verlustmodelle beschreiben die Eisenverluste nur im parametrierten Bereich zuverlässig, da sie lediglich auf mathematischen und nicht auf physikalischen Modellen basieren. Insbesondere in Hinblick auf neue Technologien für elektrische Antriebe können wichtige Betriebspunkte (hohe Frequenzen und hohe Induktionen) nicht standardmäßig gemessen werden, um die Modelle auch dort zu parametrieren. Zusätzlich zeigt die normgerechte Messung nicht unerhebliche Abweichungen zu den Eigenschaften von bearbeitetem Material.

Mittels der Erweiterung der bisher von der HS-Aalen erarbeiteten Methoden sollen die Zusammenhänge zwischen den Material- und den mikromagnetischen Eigenschaften anhand von Labormaterial erforscht und statistisch quantifiziert werden um sie in ein Verlustmodell zu übertragen. Hiermit sollen die jeweiligen Koeffizienten für Hysterese- und Excessverluste genauer vorausgesagt werden können. Das Modell basiert auf den Vorarbeiten der RWTH-Aachen und wird mittels Messtechnik und Wissen über die Genauigkeit der Messung aus bisherigen Arbeiten abgeglichen. Zusätzlich soll der Einfluss der Bearbeitung, wie Schnittkanten betrachtet werden.

Eine mikromagnetische Materialcharakterisierung von Elektroband gewährleistet eine Schärfung der Modelle, sodass wichtige Einflüsse berücksichtigt werden können. Das parametrierte Modell kann auch eine Extrapolation der Verlustvorhersage über den parametrierten Bereich hinaus erlauben. KMUs profitieren von den Ergebnissen, weil sie von den gewonnenen Erkenntnissen ihre E-Maschine optimieren können. Für die Anwender gilt dabei nahezu ohne Einschränkung, dass sie die Ergebnisse direkt in ihre Anwendungen einfließen lassen können und sich somit die Vorteile direkt nutzen lassen.

Ergebniszusammenfassung:

Das vordergründige Ziel, die magnetischen Eigenschaften von nicht kornorientierem Elektroband für den Einsatz in elektrischen Maschinen anhand von Mirkostrukturparametern beschreiben und quantifizieren zu können, ist erreicht worden. Das entwickelte Eisenverlustmodell stellt eine Verbesserung der Prädiktivität bestehender Modelle auf Grund der physikalisch motivierten Parametrierung dar; eine direkte Korrelation zwischen den Eisenverlustkomponenten mit mikrostrukturellen Kenngrößen nicht kornorientiertem Elektroband ist aufgezeigt worden. Die durchgeführten Untersuchungen zur Mikrostruktur und die Vermessung der magnetischen Eigenschaften der Werkstoffe wurden im Sinne des Projektvorhabens zusammengeführt und ausgewertet. Es wurde quantifiziert, welche Mikrostrukturparameter eines Werkstoffs mit den resultierenden magnetischen Eigenschaften hinsichtlich Magnetisierbarkeit und Ummagnetisierungsverulsten korrelieren. Ausgehend von der mikrostrukturellen und magnetischen Analyse wurde ein physikalisch motiviertes Verlustmodell parametriert, welches magnetisierungsabhängige Hysterese- und Wirbelstromverlustanteile berücksichtigt.

Zusätzlich wurden gemäß Projektvorhaben die Eisenverluste in einer elektrischen Maschine mit unterschiedlich gefertigten Eisenkernen betriebspunktabhängig verglichen, sodass der Einfluss unterschiedlicher Werkstoffe und Verarbeitungseffekte quantifiziert werden konnte.

Die Möglichkeit der industriellen Umsetzung der erzielten Ergebnisse ergibt sich durch die Nutzung der erarbeiteten Methodiken und des ermittelten Parameterraums des erweiterten Eisenverlustmodells. Hersteller von weichmagnetischen Werkstoffen für die Anwendung in elektrischen Maschinen können anhand der Verknüpfung zwischen den mikrostrukturellen und magnetischen Untersuchungen Prozessparameter zur anwendungsoptimierten Werkstofffertigung anpassen.