Indirekte Bestimmung magnetischer Werkstoffkennwerte aus dem Vergleich von Messung und FE-Berechnung , Martin Baun und Kim Städtler

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1 Indirekte Bestimmung magnetischer Werkstoffkennwerte aus dem Vergleich von Messung und FE-Berechnung , Martin Baun und Kim Städtler

2 Inhalt 1) Motivation 2) Beschreibung des Verfahrens 3) Nutzung geeigneter Software 4) Messtechnische und numerische Anordnung 5) Steuerung des Programmablaufs/Optimierung 6) Darstellung der Ergebnisse 7) Berechnung von Verlusten mit identifizierten Materialkoeffizienten 8) Zusammenfassung und Ausblick 2

3 1) Motivation Ergebnisse aus der FE-Analyse sind nur so gut wie die definierten Eingangsdaten Möglichst genaue numerische Abbildung von Materialdaten notwendig Übliches Vorgehen zur Abstraktion der Materialdaten Experimentelle Ermittlung an einer Ersatzanordnung Definition eines repräsentativen Aufbaus mit möglichst geringer Unsicherheit Einigung auf Standards Epsteinrahmen (Quelle: magnet-physik) geschichtete Blechringe 3

4 1) Motivation Aus der Messung sind nun die Eisenverlustkoeffizienten für genormte Proben bekannt, bspw. für 30mm breite Blechstreifen Einflüsse der Schnittkanten fließen in die Koeffizienten mit ein (aufgrund der großen Streifenbreite jedoch nur geringfügig) Anwendung an realer Anordnung Auswirkung der mechanischen Bearbeitung auf dünne Strukturen? Berücksichtigung der Stanzkanten im FE-Modell? Bereich der Stanzkanten Detailaufnahme der Blechkante Messung der resultierenden Eigenschaften Resultierende Eigenschaften für dünne Strukturen 4 drahterodiert gestanzt

5 2) Beschreibung des Verfahrens Annahme FE-Analyse ch, cw P v,fe Ψ i, f i Messung Ψ i, f i P v,fe - F 5 Optimierung F 0

6 3) Nutzung geeigneter Software Umsetzung des Verfahrens bedingt Automatisierung Anforderung an die Software: FEM Sinusförmiger Flussverkettung bei versch. Frequenzen Eisenverlustberechnung Ablaufsteuerung und Optimierung Optimus (kommerziell) Matlab (kommerziell) Python (quelloffen) 6

7 3) Nutzung geeigneter Software quelloffene (freie) Skriptsprache, plattformunabhängig modern (high-level, gute Lesbarkeit des Codes, objektorientiert / prozedural) Grafische Oberflächen (GUI) über übliche frameworks (GTK, QT, ) Erweiterungsmodule, bspw. numpy, scipy, matplotlib (scientific python stack) Array- und Vektoroperationen vergleichbar mit Matlab Umfangreiche numerische Bibliotheken (fft, Optimierung/fitting, Integratoren, Datenaustausch (csv, txt, xls, hdf5, json, xml, ), Datenvisualisierung, ) Graphische Ausgabe, Plots, Beispiele: Wissenschaftliche Berechnungen: Arrays und numerische Operationen: Python-Distributionen mit technisch/wissenschaftlichen Modulen: 7

8 4) Messtechnische und numerische Anordnung Annahme FE-Analyse ch, cw P v,fe Ψ i, f i Messung Ψ i, f i P v,fe - F 8 Optimierung F 0

9 4) Messtechnische und numerische Anordnung Beispiel: Identifikation Eisenverlustkoeffizienten Messung der Eisenverluste mit jochbewickelter Statoranordnung P v,fe Messung Äquivalenter Aufbau des FEMAG-Modells P v,fe Modell 9 Teilmodell der Messanordnung

10 4) Messtechnische und numerische Anordnung Ermittlung der Stromform für Eisenverlustberechnung in FEMAG: Ψ mess Ψ i Ψ i t i I i I i 10 t i

11 5) Steuerung des Programmablaufs/Optimierung Steuerung des Ablaufs mit Python Script Optimierungsalgorithmen in Optimiererbibliothek PyOptBib Für jedes Ψ i, f i PyOptBib ch, cw Python Script ch, cw.poc MLOG/ FSL FEMAG P v,fe Modell Python Script F Ergebnisdateien Grafische Darstellung (Python) Ψ i, f i Messung P v,fe Messung Messung 11

12 ch Logarithm. Abweichung log10(err) Pv [W] Indirekte Bestimmung magnetischer Werkstoffkennwerte 6) Darstellung der Ergebnisse Ausgabe der Optimierungsergebnisse während der Laufzeit oder nach der Optimierung: Verlauf der Entwicklung der zu minimierenden Zielgröße Vergleich der Messwerte mit den aus der Optimierung resultierenden Werten Verteilung Varianten im Parameterraum 12 cw

13 7) Berechnung von Verlusten mit identifizierten Materialkoeffizienten Beispiel M400-50A Jochbreite [mm] Ummagnetisierungsverluste bei 50 Hz/1,5 T [W/kg] 6,5 5,9 13,5 5,4 19 4,5 Aus Datenblatt 3,4 13

14 8) Zusammenfassung und Ausblick Alternatives Verfahren zur Ermittlung von Verlustkoeffizienten an Serienstatorpaketen Verfahren Umgesetzt mit FEMAG in the loop Ermittelte Materialkoeffizienten beschreiben die Eisenverluste bei der Motorberechnung deutlich besser als Datenblattkennwerte Verfahren auf andere Problemstellungen anwendbar (bspw. Identifikation Neukurve ) 14

15 Vielen Dank