Magnetomechanische Effekte in rotierenden elektrischen Maschinen : Einfluss von mechanischer Spannung auf die magnetischen Eigenschaften von Elektroband

Karthaus, Jan; Hameyer, Kay (Thesis advisor); Hanitsch, Rolf (Thesis advisor); Jacobs, Georg (Thesis advisor)

Düren : Shaker (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Schriftenreihe zur elektromagnetischen Energiewandlung 39
Seite(n)/Artikel-Nr.: xi, 180 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Die Forderung nach hohen Leistungen bei gleichzeitiger Reduzierung des Bauraums sowie Erhöhung des Maschinenwirkungsgrads bedingt den Einsatz von elektrischen Hochdrehzahlmaschinen. Einhergehend mit den hohen Umfangsgeschwindigkeiten treten aufgrund von hohen Fliehkräften große statische und zyklische mechanische Belastungen im Rotor auf. Die während des Betriebs der elektrischen Maschine erzeugten mechanischen Belastungen überlagern sich mit den mechanischen Vorbelastungen aus der Fertigung und Herstellung des Rotors bzw. des Rotorblechpakets. Abhängig von Herstellung, Verarbeitung und Betriebspunkt der Maschine stellen sich unterschiedlich hohe mechanische Belastungen in Stator- und Rotorblechpaketen ein. Bei der Auslegung elektrischer Maschinen wird der Einfluss von mechanischer Beanspruchung auf die magnetischen Eigenschaften des Elektrobandmaterials bislang kaum bzw. gar nicht berücksichtigt. Der gegenseitige Einfluss zwischen mechanischer Spannung und magnetischen Eigenschaften wird Villari-Effekt genannt. Die Frage nach einer einheitlichen Modellierungsmethodik, die die Bedingungen bei Betrieb der elektrischen Maschine berücksichtigt, bleibt bisher unbeantwortet. Diese muss sich in diesem Fall mit der Frage auseinandersetzen, wie sich der magnetomechanische Effekt während des Betriebs der elektrischen Maschine in Bezug auf lokale und globale Maschinencharakteristika auswirkt und wie eine Maschinenauslegung diese Größen gezielt beeinflussen kann. In dieser Dissertationsschrift wird gezeigt, dass die in elektrischen Maschinen eingesetzten Elektrobandmaterialien für verschiedene Frequenzen sensitiv auf statische oder zyklische externe mechanische Belastungen reagieren. Um die Auswirkungen von statischer mechanischer Belastung auf Elektrobandsorten zu untersuchen, werden in dieser Arbeit Materialvermessungen mit einem Tafelmessgerät durchgeführt, mit dem mechanisch belastete Proben magnetisch charakterisiert werden. Ebenfalls wird ein Messverfahren entwickelt und vorgestellt, das die Zusammenhänge von zyklischer mechanischer Beanspruchung, die einen Ermüdungsprozess im Elektrobandmaterial einleitet, und magnetischen Eigenschaften ermittelt. Die Ergebnisse der Vermessungen werden mit Hinblick auf die Berücksichtigung der Effekte in der elektrischen Maschine analysiert (z. B. Frequenzabhängigkeit). Die anschließende Modellbildung integriert die hierdurch gewonnenen Erkenntnisse und ermöglicht somit die Nutzung in der elektromagnetischen Simulation. Ein Zusammenhang zwischen statischer mechanischer Spannung und magnetischen Materialverhalten für exemplarisch betrachtete Elektrobänder konnte nachgewiesen und modelliert werden. Ein signifikanter Effekt tritt für zyklisch beanspruchte Proben für hohe mechanische Spannungsniveaus schon bei geringen Zyklenzahlen auf. Mit Hilfe der entwickelten Modellierungsmethode konnten mittels mechanischer und elektromagnetischer Simulation die Effekte in den elektrischen Maschinen nachgewiesen werden.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Elektromagnetische Energiewandlung und Institut für Elektrische Maschinen [614410]