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Der Einfluss des Schneidens von Elektroblechlamellen und die geeignete numerische Modellierung

The influence of and an appropriate numerical model to simulate cut-edge effects of electrical steel laminations

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e & i Elektrotechnik und Informationstechnik Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Das Schneiden von Elektroblech hat einen signifikanten Einfluss auf zentrale Betriebseigenschaften elektrischer Maschinen. Durch die Schädigung in den Randbereichen der Stator- und Rotorgeometrien können lokale Hotspots auftreten und die Gesamteffizienz herabgesetzt werden. Finite-Elemente (FE)-Maschinensimulationen sind grundlegende Werkzeuge für die Auslegung und die Bewertung neuer elektrischer Antriebskonzepte. In der Fachliteratur werden verschiedene Modelle zur Bewertung des Schnittkanteneffekts beschrieben, die jedoch alle unterschiedliche Schwächen aufweisen. Die hier präsentierte Studie basiert auf einem am IEM bereits etablierten numerischen Modell zur kontinuierlichen lokalen Beschreibung des Schneideinflusses, das es ermöglicht, Schneid- und Materialparameter zu bewerten. Die Betrachtung trägt zum Verständnis der physikalischen Auswirkungen des Schneidprozesses auf die Betriebseigenschaften von elektrischen Maschinen bei. Die lokale Modellierung der magnetischen Verschlechterung der Elektrobleche in Schnittkantenmodellen und deren Einbindung in die Berechnungsketten sind letztlich notwendig, um verbesserte Maschinensimulationen zu ermöglichen und optimale Schneidparameter zu bestimmen. Die weiterführenden Untersuchungen zum Verständnis der auftretenden physikalischen Effekte spielen eine zentrale Rolle in der Weiterentwicklung der Materialmodelle.

In diesem Paper wird der Einfluss verschiedener Schneidverfahren, und im Falle des vollkantigen Scherschneidens auch der Variation von Schneidverfahrensparametern, auf die magnetischen Eigenschaften von Elektroblechen untersucht und ihr Einfluss auf die Betriebseigenschaften eines elektrischen Traktionsantriebs analysiert. Durch eine Fahrzyklusbetrachtung werden die Auswirkungen im Hinblick auf den Entstehungsort – Eisenverluste im Rotor oder Stator sowie Kupferverluste – und auf die Höhe der Verluste quantifizierbar. Auch der Einfluss auf die erzielbaren Kilometer kann so verglichen werden. Die Wechselwirkungen der Bearbeitungsprozesse mit den magnetischen Eigenschaften und ihre Abbildung in einem kontinuierlichen Schnittkantenmodell werden im Kontext der physikalischen Materialschädigung diskutiert; und im Ausblick wird die Notwendigkeit der erweiterten Untersuchung der Schädigungsfunktion dargelegt. Hiermit wird ein Beitrag zum tiefer gehenden Verständnis des Einflusses der mechanischen Materialbearbeitung auf die Eigenschaften elektrischer Maschinen geleistet.

Abstract

The cutting of electrical steel laminations has a significant influence on the operational characteristics of electrical machines. Due to material degradation in the vicinity of the stator and rotor edges, local hot spots can arise and the overall efficiency of the machine is decreased. Finite-element (FE) machine simulations are common tools for the design and evaluation of new electrical drive concepts. In scientific literature, several different models are used for the evaluation of cut-edge effects. However, these models have different drawbacks. In this work the previously established continuous local cut-edge model is presented and used. It enables the evaluation of different cutting and material parameters. Thereby, an optimization of the cutting process can be enabled. Modelling the magnetic material degradation and its implementation in the calculation tool chain is necessary to enable advanced machine simulations. In this context, a thorough understanding of the fundamental physical effects is required for the improvement of distinct material models. In this paper, the influence of different cutting processes and in case of punching, its respective cutting parameters on magnetic properties of electrical steel is studied and their impact on the operational characteristics of an electrical traction drive are analyzed. The interdependencies between mechanical processing as well as magnetic properties and their translation to continuous local material model are discussed in the context of the physical mechanisms. With this work, a contribution to the understanding of the impact of material processing on the characteristics of electrical machines is presented and the necessity for further advancement of degradation function is motivated.

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Danksagung

Die Autoren bedanken sich für die Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in den Projekten 255713208, 218259799 „FOR 1897 – Verlustarme Elektrobleche für energieeffiziente Antriebe“ und dem Schwerpunktprojekt 1487/31-1 „SPP 2013 – Gezielte Eigenspannungsnutzung in Elektroblechen“.

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Authors and Affiliations

  1. Institut für Elektrische Maschinen (IEM), RWTH Aachen University, Schinkelstraße 4, 52062, Aachen, Deutschland

    Nora Leuning, Silas Elfgen & Kay Hameyer

  2. Institut für Metallumformung (utg), Technische Universität München, Walther-Meißner-Straße 4, 85748, Garching, Deutschland

    Hannes A. Weiss & Wolfram Volk

Authors
  1. Nora Leuning
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  2. Silas Elfgen
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  3. Hannes A. Weiss
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  4. Wolfram Volk
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  5. Kay Hameyer
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Leuning, N., Elfgen, S., Weiss, H.A. et al. Der Einfluss des Schneidens von Elektroblechlamellen und die geeignete numerische Modellierung. Elektrotech. Inftech. 136, 184–194 (2019). https://doi.org/10.1007/s00502-019-0722-z

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