Übertragung von Unsicherheiten in elektromagnetischen Modellen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Kay Hameyer
• Subject Area: Electrical Energy Systems, Power Management, Power Electronics, Electrical Machines and Drives
• Term: from 2010 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 163824457

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Die fortschreitende Genauigkeit in der Simulation elektrischer Maschinen, realisiert durch eine konstante Weiterentwicklung der verwendeten Modellierungs-, Diskretisierungs- und Berechnungsverfahren, führt dazu, dass der Einfluss produktionsbedingter Abweichungen und Toleranzen in Bezug auf die bereits erreichte Rechengenauigkeit relevant geworden ist. Für eine weitergehende Optimierung der Simulationsgenauigkeit ist es daher erforderlich, die in der Produktion auftretenden Toleranzen in Material und Geometrieparametern bereits in der Maschinensimulation zu berücksichtigen. Die Auseinandersetzung mit stochastischen Methoden ist aus diesem Grunde in den Vordergrund gerückt. Ihre Anwendung erlaubt es, der weiteren Optimierung der Simulationstechnik eine existentielle Hürde zu nehmen und wirkungsvoll die benötigten Ressourcen für Berechnung und Fertigung elektrischer Maschinen zu minimieren. Im Verlauf der vorliegenden Arbeit wurden die Möglichkeiten zur Einbindung stochastischer Methoden in die Maschinenberechnung und -dimensionierung untersucht und umgesetzt. Insbesondere die Simulation mithilfe polynomieller Chaos Metamodelle erlaubt eine effiziente Umsetzung stochastischer Analysen im Entwicklungsprozess. Die untersuchten Analysemethoden wurden eine Validierungsumgebung erfolgreich eingebunden und weiterentwickelt. Umgesetzt wurde auch eine Fusion mit analytischen Ersatzmodellen, um abhängig vom Anwendungsfall hinreichend schnelle beziehungsweise genaue Simulationsverfahren anwenden zu können. Besonderes Augenmerk wurde auf die Untersuchung von schwankenden Magnetisierungen in Permanentmagnet Synchronmaschinen gelegt, um anhand von Simulationen und Messungen sowohl die epistemische als auch die aleatorische Unsicherheit erfolgreich zu verringern. Das Endprodukt ‚elektrische Maschine‘ profitiert von den entwickelten Methoden mehrfach: • Die Empfindlichkeit der relevanten Maschinengrößen gegenüber den auftretenden Toleranzen ist nun genau bestimmbar. Dieses Wissen ermöglicht den Entwurf von schwankungsunempfindlichen, robusteren Maschinen. • Die herkömmlich verwendeten Sicherheitsfaktoren führen zu einer Überdimensionierung der damit ausgelegten Maschinen. Genauere Zuverlässigkeitsanalysen, wie sie mit der vorgestellten Metamodellierung umsetzbar sind, machen diese Sicherheitsfaktoren obsolet und gestatten dadurch eine bessere Materialausnutzung. Dies führt zu geringeren Stückkosten und leichteren, materialeffizienteren Maschinen. • Unerwünschte Nebeneffekte, wie durch Materialschwankungen verursachte Kraftdichtewellen, welche zu unterwünschten Geräuschen und Vibrationen führen, können mit der beschriebenen Methodik vorhergesagt und minimiert werden. Eine konsequente Anwendung der entwickelten Methoden führt, bei hinreichender Kenntnis der Eingangsparameterunsicherheiten, letztendlich zu einer besseren Kontrolle beziehungsweise Reduktion der technologisch und ökonomisch relevanten parasitären Effekte und stellt einen signifikanten Fortschritt der Simulationstechnik im Vergleich zu herkömmlichen, deterministischen Verfahren dar.

Publications

• „Comparison of physical and non-physical stochastic magnetisation fault approaches“. XII-th International Workshop on Optimisation and Inverse Problems in Electromagnetism, OIPE. Gent, Belgien. Universiteit Gent, September 2012. ISBN 978-94-6197-069-5, S.156-157
  P. Offermann , K. Hameyer
  
• „Consideration of erroneous magnets in the electromagnetic field simulation“. Book of Anstracts: 15th International IGTE Symposium on Numerical Field Calculation in Electrical Engineering, IGTE. Graz, Österreich. Graz University of Technology, Institute for Fundamentals and Theory in Electrical Engineering, September 2012. S.64
  P. Offermann , I. Coenen , K. Hameyer
  
• „Magnet deviation measurements and their consideration in electromagnetic field simulation“. in Proceedigns: 15th International IGTE Symposium on Numerical Field Calculation in Electrical Engineering, IGTE. Graz, Österreich. Graz University of Technology, Institute for Fundamentals and Theory in Electrical Engineering, September 2012. S.305-309
  P. Offermann , I. Coenen , D. Franck , K. Hameyer
  
• „Non-linear stochastic variations in a magnet evaluated with Monte-Carlo simulation and a polynomial chaos meta-model“. XXIIth Symposium on Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits, EPNC. Pula, Kroatien. Poznan University of Technology, Faculty of Electrical Engineering, Juni 2012. ISBN 978-83-921340-9-1, S.21-22
  P. Offermann , K. Hameyer
  
• „A polynomial chaos meta-model for non-linear stochastic magnet variations“. COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 32.4, 2013, S. 1211-1218
  P. Offermann , K. Hameyer
  
• „Simulation of Magnetization Errors Using Conformal Mapping Field Computations“. IEEE Transactions on Magnetics, 49.7, 2013
  P. Offermann , M. Hafner , K. Hameyer
  (See online at https://doi.org/10.1109/TMAG.2013.2242196)
• „Simulation of Magnetization Errors using Conformal Mapping Field Computations“. in Proceedings: 12th Joint MMM/Intermag Conference Chicago, Illinois, USA. P. Crowell, Januar 2013. S. 339
  P. Offermann , M. Hafner , K. H Ameyer