Ermittlung und Modellierung der Fertigungseinflüsse auf die Eisenverluste in elektrischen Maschinen

Abstract

The current thesis deals with the question of the influence of manufacturing processes on the magnetic properties of ferromagnetic materials, which are widely used in electric motor production. The focus of the investigations is on the systematic comparison between mechanical and laser cutting, as they represent the most important cutting techniques in the construction of electrical machines. Scientific research points a different physical background of the occurring damage for these two cutting methods. The damage mechanism in case of mechanical cutting are mainly caused by shear stresses in the cut edge region, whereas the laser induced thermal stresses propagate deep into the interior region of the material. A number of material parameters have been distinguished, to which the damaging effect can be attributed. Based on a set of samples, in which the damage effect is gradually increased by more and more narrowly becoming sample strips, a loss increase of up to 37% was measured in case of mechanical cutting. In case of laser cutting, a power loss of about twice as high is achieved at lower flux densities. The hysteresis loss coefficient of laser cut samples, as opposed to mechanically cut, has a steeper slope of up to 32% for completely damaged samples. The dynamic eddy current coefficient is as expected less affected by the two cutting processes. In addition, it has been determined in the course of the work that the measurement methods used to record the electromagnetic quantities in accordance with standards can themselves have a measurement uncertainty of up to 10%. By means of a calculation tool integrated in ANSYS Maxwell, the iron losses could be divided into "process-free" and those due to the cutting process. The sum of these two components is then compared with the measured data. As long as the simulation has been set up correctly and the input data has been entered accurately (with the latter being given particular attention), the relative deviation at 50 Hz is on average 5%. This indicates a good applicability of the considered model. On the contrary, the use of the usual iron loss mark-up factors in machine simulations can overestimate the measured values at higher flux densities of up to 30%.

Die aktuelle Arbeit beschäftigt sich mit der Frage über den Einfluss der Fertigungsverfahren auf die magnetischen Eigenschaften ferromagnetischer Werkstoffe, die in der Elektromotorenproduktion eine breite Anwendung finden. Im Fokus der Untersuchungen steht ein systematischer Vergleich zwischen dem mechanischen- und Laserschneiden, da sie die wichtigsten Schneidtechniken beim Bau von elektrischen Maschinen darstellen. Die Forschungsergebnisse weisen auf einen unterschiedlichen physikalischen Hintergrund der auftretenden Schädigung für diese zwei Schneidmethoden hin. Die Schädigungsmechanismen im Fall vom mechanischen Schneiden sind hauptsächlich durch Scherspannungen in der Randzone verursacht, während sich die durch den Laser induzierten thermischen Spannungen bis tief in das Materialinnere ausbreiten. Es wurde eine Reihe von Materialparametern ausgegliedert, auf die sich der Schädigungseffekt zurückführen lässt. Anhand eines Probensatzes, in dem der Schädigungseffekt durch immer schmaler werdende Probenstreifen schrittweise verstärkt wird, wurde im Fall von mechanischem Schneiden eine Verlustzunahme von bis zu 37% gemessen. Im Fall vom Laserschneiden wird bei geringeren Flussdichten eine etwa doppelt so große Verlustleistung erreicht. Der Hysterese-Verlustkoeffizient der lasergeschnittenen Proben weist im Gegensatz zu den mechanisch geschnittenen einen steileren Anstieg bis zu 32% für völlig beschädigte Proben auf. Der dynamische Wirbelstrom-Koeffizient wird, wie auch erwartet, durch die beiden Schneidprozesse weniger beeinflusst. Außerdem wurde im Laufe der Arbeit festgestellt, dass die Messmethoden, mit denen die elektromagnetischen Größen normgemäß aufgenommen werden, selbst eine Messunsicherheit bis etwa 10% aufweisen können. Mittels eines in ANSYS Maxwell integrierten Berechnungstools konnten die Eisenverluste in Verluste ohne Bearbeitung und die durch den Schneidprozess bedingten Verluste unterteilt werden. Die Summe dieser zwei Komponenten wird anschließend mit den Messdaten verglichen. So lange die Simulation korrekt aufgesetzt und die Eingangsdaten akkurat eingegeben sind (in der Arbeit wurde hierauf ein besonderes Augenmerk gelegt), beträgt die relative Abweichung bei 50 Hz im Schnitt 5%. Das weist auf eine gute Anwendbarkeit des betrachteten Modells hin. Hingegen kann die Verwendung der üblichen Eisenverluste-Aufschlagsfaktoren in Maschinensimulationen die tatsächlich gemessenen Werte bei höheren Flussdichten bis um 30% überschätzen.