Entwicklung eines Messsystems zur Datenermittlung weichmagnetischer Materialien für die mathematische Beschreibung mittels Preisachoperator

Abstract

Da Aufgrund steigender Computerleistung in vielen Bereichen der Produktentwicklung eine Simulation der Vorgänge, für die zu früheren Zeiten noch Prototypen hergestellt werden mussten, interessant wurde, entstand die Notwendigkeit auch auf dem Gebiet des Magnetismus geeignete Modelle zu finden.<br />Das Preisach-Modell, welches bereits in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts von F. Preisach, aufgestellt wurde, eignet sich zur Beschreibung magnetischen Materialien, da es deren spezifischen Hysteresen modellieren kann. Da die Verwendung eines mathematischen Modells, welches zur Beschreibung eines vorhandenen Werkstoffes eingesetzt wird, auch Kenntnisse über diesen voraussetzt, mussten Möglichkeiten geschaffen werden, um diese Parameter aus einer vorhandenen Probe zu messen.<br />Im Unterschied zu vielen anderen mathematischen und physikalischen Modellen, welche zum Teil von bereits bekannten Materialkonstanten als variable Parameter ausgehen, werden für das Preisach-Modell spezifische Hysteresekurven benötigt.<br />Die bereits vorhanden Implementierung des Preisach-Modells in MATLAB, basierend auf den numerischen Algorithmen von Mayergoyz, setzte zusätzlich einige Nebenbedingungen voraus, die durch kein bestehendes Messprogramm erfüllt wurden. Das, im Zuge dieser Diplomarbeit, entstandene Messprogramm kann nun die spezifischen Materialparameter für dieses Modell bestimmen und macht somit eine Modellierung mit dem bereits vorhandenen MATLAB Algorithmus möglich. Dieses Programm entstand auf einem PXI-System der Firma National Instruments und wurde mit LabVIEW 7.1 programmiert.<br />Des weiteren wurde das Programm so konzipiert, das sich wichtige magnetische Materialkonstanten, wie das Koerzitivfeld, die Remanenz sowie die maximale Permeabilität sofort aus der Messung ergeben. Die Darstellung der Hysteresekurve (B - H) wurde noch um die Alternativen (mu - H) und (dB/dt - H) ergänzt, da diese zusätzliche Darstellungsformen um Teil Details in der Hystereskurve besser wiedergeben und somit eine genauere Aussage über die vorhandene Probe möglich machen.<br />Ergänzt werden diese Funktionen durch eine Datenverwaltung, welche das Ablegen und Auffinden bereits erstellter Messungen und Materialien einfacher und schneller gestalten soll.<br />Im Zuge der Testung des Programmes mit diversen Proben, wurde unter anderem das Material VitroVAC 6025 von Vacuumschmelze vermessen. Dabei wurden einige zum Teil unvorhergesehen große Relaxationszeiten gemessen, welche auf den magnetischen Aftereffect zurückzuführen sind, und sowohl zu einer Adaptierungen des vorhandenen Programmes als auch einer Betrachtung bei tieferen Temperaturen (77 K) mit sich zog.<br />Das somit entstanden Messsystem ist in der Lage, sowohl grundlegende Messungen an Ringkernen magnetischer Materialen, als auch spezifischere Messungen, wie jene des Aftereffects durchzuführen. Dazu wurden eine Reihe von unterschiedlichen Signalformen entwickelt, um bei der Durchführung einer Messung diese in sinnvollem Rahmen variieren zu können und somit materialspezifische Parameter zu erfassen. Die, bei diesen Messungen anfallenden Daten, werden durch das Programm verwaltet und könnten zum Zweck der Modellierung oder sonstigen Weiterverarbeitung an MATLAB übergeben werden. bei diesen Messungen anfallenden Daten, werden durch das Programm verwaltet und könnten zum Zweck der Modellierung oder sonstigen Weiterverarbeitung an MATLAB übergeben werden.<br />

As a result of increasing computer power, a simulation of many areas in product development, where in earlier times prototypes had to be produced, got interesting. Because of that, there was a need to find suitable models in the field of magnetism.<br />The Preisach-model, which was described already in the first half of the last century by F. Preisach, is suitable to describe magnetic materials, since it can reproduce their specific hysteresis curves. Since the use of a mathematical model, which is used for the description of an existing material, presupposes knowledge of these, possibilities had to be created, in order to measure these parameters from an existing sample.<br />In contrast to many other mathematical and physical models, which proceed partially from already well-known material constants as variable parameters, the Preisach-model needs specific hysteresis curves.<br />The already available implementation of the Preisach-model in MATLAB, based on the numeric algorithms of Mayergoyz, presupposed additionally some conditions, which were not fulfilled by any existing measuring program. The measuring program that has been developed in the course of this thesis can intend the specific material parameters for this model and thus make modelling with the already existing MATLAB algorithm possible. This program has been developed on a PXI system of the company National Instruments with LabVIEW 7.1.<br />The moreover the program was conceived in such a way, that all important magnetic material constants, as the coercive field, the remanence as well as the maximum permeability can be taken from the measurement immediately. The representation of the hysteresis curve (B - H) has been extended by the additional alternatives (mu - H) and (dB/dt - H), since these representations show partially details in the hysteresis curve better and make thus a more exact statement about the existing sample possible.<br />These functions are supplemented by some data administration which is designed to simplify the placing and a finding of already taken measurements and materials.<br />In the course of testing the program with various samples, among other things the material VitroVAC 6025 of Vacuumschmelze has been measured.<br />Some partially unexpectedly large relaxation times were seen, which are due to the magnetic after effect, and lead to adaptations of the existing program and a view at lower temperatures (77 K).<br />The developed measuring system is able to do fundamental measurements of cores of magnetic materials, and more specific measurements, to accomplish as those of the after effects. In addition a set of different signal forms were developed, in order to be able to vary a measurement within a meaningful framework in order to get the material specific parameters. Those, when these measurements resulting data, are administered by the program and can be handed over for the purpose of the modelling or other treatment on MATLAB.