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<div class="csl-entry">Hanser, V. (2021). <i>Numerical computation of the Eddy Current problem in ferromagnetic sheets by the multiscale finite element method using the vector preisach model</i> [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2021.87241</div>
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dc.identifier.uri
https://doi.org/10.34726/hss.2021.87241
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http://hdl.handle.net/20.500.12708/17041
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dc.description
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
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dc.description.abstract
Um den Entwurf elektrischer Maschinen und Transformatoren wesentlich zu erleichtern und den heutigen ökonomischen als auch ökologischen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine effiziente Simulation der elektromagnetischen Felder mit der Finiten-Elemente-Methode (FEM) unumgänglich. Der Eisenkern elektrischer Maschinen und Transformatoren wird aus vielen sehr dünnen Blechen mit ausgezeichneten magnetischen Eigenschaften hergestellt, um die Wirbelströme und die damit verbundenen Verluste möglichst klein zu halten und um den magnetischen Fluss optimal zu führen. Würde man jedes einzelne Blech im Finite-Elemente-Modell auflösen, wäre ein extrem großes nichtlineares Gleichungssystem zu lösen, was routinemäßige Simulationen der Wirbelströme praktisch relevanter Probleme unmöglich machen würde. In der vorliegenden Arbeit wurde eine gemischte Mehrskalen-FEM (GMSFEM) verwendet, um das Problem geblechter Kerne zu lösen. Ein Vektor-Preisach-Modell wurde entwickelt, um die Hysteresis ferromagnetischer Materialen möglichst genau und mit wenig Rechenaufwand zu berücksichtigen. Die Integration der Hysteresis in die FEM erfolgt durch eine differentielle Permeabilität, um singuläre Punkte wie sie bei der Permeabilität auftreten, zu umgehen. Für Simulationen von Problemen in der Magnetostatik und von Wirbelstromproblemen (WSP) wurde ein magnetisches Skalarpotential bzw. eine gemischte Formulierung mit dem elektrischen Vektorpotential verwendet. Damit kann unmittelbar aus den Potentialformulierungen die magnetische Feldstärke ermittelt werden und somit das Preisach-Modell effizient im sogenannten forward mode genutzt werden. Das nichtlineare Gleichungssystem wurde mit einer Fixpunktmethode gelöst. Zur Verifikation der entwickelten Hysterese-Modelle wurde ausgehend von linearen über nichtlineare Materialien mit gegebener Magnetisierungskennlinie hin zu Materialien mit skalarer und vektorieller Hysteresis, Schritt für Schritt vorgegangen und in einem Schema festgehalten. Simulationsergebnisse mit der GMSFEM wurden anhand von Referenzlösungen, in denen jedes einzelne Blech im Finite-Elemente-Modell für die Lösung mit der Standard-FEM berücksichtigt wurden, überprüft. Letztlich wurde mit großem Erfolg das WSP eines praktisch relevanten Einphasentransformators unter Berücksichtigung von vektorieller Hysteresis simuliert. Die Ergebnisse wurden auf dem internationalen IGTE Symposium 2020 in Graz präsentiert und zur Veröffentlichung in das international peer-reviewed Journal COMPEL eingereicht.
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dc.description.abstract
To facilitate the design of electrical machines and transformers and to meet today’s economic as well as ecological requirements, an efficient simulation of the electromagnetic fields using the finite element method (FEM) is indispensable. The iron core of electrical machines and transformers is composed of many very thin sheets with excellent magnetic properties in order to keep the eddy currents and the associated losses as small as possible and to optimally guide the magnetic flux. Modelling of each single sheet by finite elements requires the solution of huge nonlinear equation systems which would make routine simulations of practically relevant problems impossible. In the present work, a mixed multiscale finite element method (MMSFEM) was used to cope with the problem of laminated cores. A vector Preisach model was developed to account for hysteresis of ferromagnetic materials as accurately as possible with little computational effort. The integration of hysteresis into the FEM is carried out by a differential permeability to avoid singular points occurring in case of the permeability. For simulations of magneto-static problems and eddy current problems (ECPs), a magnetic scalar potential or a mixed formulation with the current vector potential were used, respectively. This allows to directly determine the magnetic field strength from the respective potential formulation and, thus, to efficiently use the Preisach model in the so-called forward mode. The nonlinear equation system was solved by a fixed-point method. Starting from linear via nonlinear materials with a given magnetisation curve to materials with a scalar and vector hysteresis, the developed hysteresis models were verified step-by-step as described in a scheme. Simulations with the MMSFEM were verified using reference solutions in which each single sheet was considered in the finite element model for the solution with the standard finite element method. Finally, the ECP of a practically relevant single-phase transformer considering vector hysteresis was simulated with great success. The results were presented at the international IGTE Symposium 2020 in Graz and submitted for publication in the international peer-reviewed journal COMPEL.
en
dc.language
English
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dc.language.iso
en
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dc.rights.uri
http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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dc.subject
Differentielle Permeabilität
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dc.subject
ferromagnetische Bleche
de
dc.subject
Fixpunktmethode
de
dc.subject
gemischte Mehrskalen-Finiten-Elemente-Methode
de
dc.subject
nichtlineares Gleichungssystem
de
dc.subject
numerische Berechnung
de
dc.subject
Vektor-Preisach-Modell
de
dc.subject
Wirbelstromproblem
de
dc.subject
Differential permeability
en
dc.subject
eddy current problem
en
dc.subject
ferromagnetic sheets
en
dc.subject
fixed-point method
en
dc.subject
mixed multiscale finite element method
en
dc.subject
nonlinear equation system
en
dc.subject
numerical computation
en
dc.subject
vector Preisach model
en
dc.title
Numerical computation of the Eddy Current problem in ferromagnetic sheets by the multiscale finite element method using the vector preisach model
en
dc.title.alternative
Numerische Berechnung des Wirbelstromproblems in ferromagnetischen Blechen mit der Mehrskalen-Finiten-Elemente-Methode unter der Verwendung des Vektor-Preisach-Modells
de
dc.type
Thesis
en
dc.type
Hochschulschrift
de
dc.rights.license
In Copyright
en
dc.rights.license
Urheberrechtsschutz
de
dc.identifier.doi
10.34726/hss.2021.87241
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dc.contributor.affiliation
TU Wien, Österreich
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dc.rights.holder
Valentin Hanser
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dc.publisher.place
Wien
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tuw.version
vor
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tuw.thesisinformation
Technische Universität Wien
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dc.contributor.assistant
Hollaus, Karl
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tuw.publication.orgunit
E101 - Institut für Analysis und Scientific Computing
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dc.type.qualificationlevel
Diploma
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dc.identifier.libraryid
AC16165748
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dc.description.numberOfPages
101
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dc.thesistype
Diplomarbeit
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dc.thesistype
Diploma Thesis
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In Copyright
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Urheberrechtsschutz
de
tuw.advisor.staffStatus
staff
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tuw.assistant.staffStatus
staff
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item.languageiso639-1
en
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with Fulltext
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Open Access
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application/pdf
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master thesis
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item.grantfulltext
open
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item.openairecristype
http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc
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item.cerifentitytype
Publications
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crisitem.author.dept
E101-03-1 - Forschungsgruppe Computational Mathematics in Engineering
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crisitem.author.orcid
0000-0002-1879-9418
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crisitem.author.parentorg
E101-03 - Forschungsbereich Scientific Computing and Modelling