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Integrierte Betrachtung magneto-mechanischer Effekte in der Entwicklung energieeffizienter rotierender Maschinen

Year: 2026

Type: article

Abstract: Zusammenfassung Magneto-mechanische Effekte beeinflussen das magnetische Verhalten ferromagnetischer Werkstoffe in rotierenden elektrischen Maschinen maßgeblich, insbesondere bei hohen Drehzahlen. Mechanische Spannungen, die aus Fertigungsprozessen oder aus Fliehkraftbeanspruchungen resultieren, verändern magnetische Kenngrößen wie Magnetisierung und Permeabilität und mindern dadurch die elektromagnetische Leistungsfähigkeit sowie den Wirkungsgrad. In der Praxis werden diese Wechselwirkungen in konventionellen Maschinenmodellen und Finite Elemente-Simulationen häufig vernachlässigt oder stark vereinfacht. In dieser Arbeit wird ein integrierter Ansatz zur Untersuchung der magneto-mechanischen Kopplung in permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMSM) vorgestellt. Hierzu werden spannungsabhängige Magnetisierungskurven experimentell mit einem Universal Single Sheet-Tester charakterisiert und in ein physikalisch motiviertes spannungs- und richtungsabhängiges Materialmodell überführt. Die Implementierung dieses Modells in eine FE-Simulationsumgebung ermöglicht eine gekoppelte magneto-mechanische Analyse. Dabei werden die mechanischen Spannungsverteilungen zunächst mittels strukturdynamischer Finite Elemente-Analyse (FEA) berechnet und anschließend als lokale Eingangsgröße für die magnetische Feldsimulation verwendet. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass magneto-mechanische Effekte lokal zu signifikanten Reduktionen der magnetischen Flussdichte sowie zu Verzerrungen der Flusspfade führen, insbesondere in mechanisch hochbelasteten Rotorbereichen bei erhöhten Drehzahlen. Darüber hinaus wird gezeigt, dass konstruktive Anpassungen, wie gezielte Aussparungen, Spannungsspitzen effektiv reduzieren und die magneto-mechanisch bedingte Degradation der magnetischen Eigenschaften minimieren können.

Source: e+i Elektrotechnik und Informationstechnik

DOI: 10.1007/s00502-026-01417-6

Authors: Achref Douiri, Danilo Aurich, Simon Steentjes, Nora Leuning

Institution: RWTH Aachen University

Language: German

Topic: Electric Motor Design and Analysis

Subfield: Electrical and Electronic Engineering

Field: Engineering

Domain: Physical Sciences

SDG: Industry, innovation and infrastructure

Open Access status: hybrid

Estimated APC paid: $3,490