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e & i Elektrotechnik und Informationstechnik

, Volume 136, Issue 2, pp 184–194 | Cite as

Der Einfluss des Schneidens von Elektroblechlamellen und die geeignete numerische Modellierung

  • Nora LeuningEmail author
  • Silas Elfgen
  • Hannes A. Weiss
  • Wolfram Volk
  • Kay Hameyer
Originalarbeit
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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.

Schlüsselwörter

elektrische Maschinen Schnittkanteneffekt FE-Simulation 

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

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.

Keywords

electrical machines cut-edge effects FE-simulation 

Notes

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“.

Literatur

  1. 1.
    Arshad, W. M., Ryckebusch, T., Magnussen, F., Lendenmann, H., Soulard, J., Eriksson, B., Malmros, B. (2007): Incorporating lamination processing and component manufacturing in electrical machine design tools. In Conference Record of the 2007 42nd IEEE Industry Applications Conference (S. 94–102). Google Scholar
  2. 2.
    Bali, M., De Gersem, H., Muetze, A. (2014): A finite-element modeling of magnetic material degradation due to punching magneticss. IEEE Trans. Magn., 50, 745–748. CrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    Bertotti, G. (1984): Space-time correlation properties of the magnetization process and eddy current losses: applications. I. Fine wall spacing. J. Appl. Phys., 55(12), 4339–4347. CrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    Bertotti, G. (2008): Connection between microstructure and magnetic properties of soft magnetic materials. J. Magn. Magn. Mater., 320(20), 2436–2442. CrossRefGoogle Scholar
  5. 5.
    Bertotti, G. (1988): General properties of power losses in soft ferromagnetic materials. IEEE Trans. Magn., 24(1), 621–630. CrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    Bertotti, G. (1998): In Magnetism: For Physicists, Materials Scientists, and Engineers, Houston: Gulf Professional. Google Scholar
  7. 7.
    Betz, B., Rauscher, P., Siebert, R., Schaefer, R., Kaestner, A., Van Swygenhoven, H., Lehmann, E., Grünzweig, C. (2015): Visualization of bulk magnetic properties by neutron grating interferometry. Phys. Proc., 69, 399–403. CrossRefGoogle Scholar
  8. 8.
    Bozorth, R. M. (1951): Ferromagnetism. Princeton: Van Nostrand. Google Scholar
  9. 9.
    Breuer, S., Rohrbach-Kerl, A. (2015): Fahrzeugdynamik: Mechanik des bewegten Fahrzeugs. Berlin: Springer. CrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    Cao, H., Hao, L., Yi, J., Zhang, X., Luo, Z., Chen, S., Li, R. (2016): The influence of punching process on residual stress and magnetic domain structure of non-oriented silicon steel. J. Magn. Magn. Mater., 406, 42–47. CrossRefGoogle Scholar
  11. 11.
    Clerc, A. J., Muetze, A. (2012): Measurement of stator core magnetic degradation during the manufacturing process. IEEE Trans. Ind. Appl., 48(4), 1344–1352. CrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    Cullity, B., Graham, C. (2003): Introduction to Magnetic Materials (2. Aufl.). New York: Wiley–IEEE Press. Google Scholar
  13. 13.
    Crevecoeur, G., Sergeant, P., Dupré, L., Vandenbossche, L., van de Walle, R. (2008): Analysis of the local material degradation near cutting edges of electrical steel sheetss. IEEE Trans. Magn., 40(11), 3173–3176. CrossRefGoogle Scholar
  14. 14.
    Eckstein, L. (2015): Längsdynamik von Kraftfahrzeugen. Vorlesungsumdruck Fahrzeugtechnik I. Aachen: Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH. Google Scholar
  15. 15.
    Elfgen, S., Steentjes, S., Böhmer, S., Franck, D., Hameyer, K. (2016): Continuous local material model for cut edge effects in soft magnetic materials. IEEE Trans. Magn., 52(5), 1–4. CrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    Emura, M., Landgraf, F. J. G., Ross, W., Barreta, J. R. (2003): The influence of cutting technique on the magnetic properties of electrical steels. J. Magn. Magn. Mater., 254–255, 358–360. CrossRefGoogle Scholar
  17. 17.
    Hug, E., Hubert, O., Van Houtte, J. J. (2002): Effect of internal stresses on the magnetic properties of non-oriented Fe-3wt.% Si and (Fe, Co)-2wt.% V alloys. Mater. Sci. Eng. A, 332(1–2), 193–202. CrossRefGoogle Scholar
  18. 18.
    Holopainen, T. u. a. (2017): Identification of magnetic properties for cutting edge of electrical steel sheets. IEEE Trans. Ind. Appl., 53, 1049–1053. CrossRefGoogle Scholar
  19. 19.
    Hofmann, M. J., Herzog, H. G. (2015): Modeling magnetic power losses in electrical steel sheets in respect of arbitrary alternating induction waveforms: theoretical considerations and model synthesis. IEEE Trans. Magn., 51(2), 1–11. CrossRefGoogle Scholar
  20. 20.
    Hofmann, M., Naumoski, H., Herr, U., Herzog, H.-G. (2016): Magnetic properties of electrical steel sheets in respect of cutting: micromagnetic analysis and macromagnetic modeling. IEEE Trans. Magn., 52(2), 1–14. CrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    Karthaus, J., Steentjes, S., Leuning, N., Hameyer, K. (2017): Effect of mechanical stress on different iron loss components up to high frequencies and magnetic flux densities. In COMPEL. Google Scholar
  22. 22.
    Leuning, N., Elfgen, S., Groschup, B., Bavendiek, G., Steentjes, S., Hameyer, K. (2018): Advanced soft- and hard-magnetic material models for the numerical simulation of electrical machines. IEEE Trans. Magn., 54, 1–8. CrossRefGoogle Scholar
  23. 23.
    Leuning, N., Steentjes, S., Schulte, M., Bleck, W., Hameyer, K. (2016): Effect of elastic and plastic tensile mechanical loading on the magnetic properties of NGO electrical steel. J. Magn. Magn. Mater., 417, 42–48. CrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    Maurel, V. u. a. (2003): Residual stresses in punched laminations: phenomenological analysis and influence on the magnetic behavior of electrical steels. J. Appl. Phys., 93(10), 7106–7108. CrossRefGoogle Scholar
  25. 25.
    Moses, A. J., Derebasi, N., Loisos, G., Schoppa, A. (2000): Aspects of the cut-edge effect stress on the power loss and flux density distribution in electrical steel sheets. J. Magn. Magn. Mater., 215–216, 690–692. CrossRefGoogle Scholar
  26. 26.
    Martin, F., Aydin, U., Sundaria, R., Rasilo, P., Belahcen, A., Arkkio, A. (2018): Effect of punching the electrical sheets on optimal design of a permanent magnet synchronous motor. IEEE Trans. Magn., 54(3), 1–4. Google Scholar
  27. 27.
    Naumoski, H., Maucher, A., Vandenbossche, L., Jacobs, S., Herr, U., Chassang, U. X. (2014): Magneto-optical and field-metric evaluation of the punching effect on magnetic properties of electrical steels with varying alloying content and grain size. In 4th International Electric Drives Production Conference (EDPC) (S. 1–9). Google Scholar
  28. 28.
    Pulnikov, A., Baudouin, P., Melkebeek, J. (2003): Induced stresses due to the mechanical cutting of non-oriented electrical steels. J. Magn. Magn. Mater., 254–255, 355–357. CrossRefGoogle Scholar
  29. 29.
    Rasilo, P., Aydin, U., Holopainen, T. P., Arkkio, A. (2016): Analysis of iron losses on the cutting edges of induction motor core laminations. In IEEE XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM) (S. 1312–1317). Google Scholar
  30. 30.
    Ruf, A. (2018): Thermische Ausnutzung von elektrischen Maschinen unter Berücksichtigung der Lebensdauer am Beispiel eines Toraktionsantriebs. Aachen: Shaker. Google Scholar
  31. 31.
    Schoppa, A., Schneider, J., Wuppermann, C.-D., Bakon, T. (2003): Influence of welding and sticking of laminations on the magnetic properties of non-oriented electrical steels. J. Magn. Magn. Mater., 254–255, 367–369. CrossRefGoogle Scholar
  32. 32.
    Siebert, R., Schneider, J., Beyer, E. (2014): Laser cutting and mechanical cutting of electrical steels and its effect on the magnetic properties. IEEE Trans. Magn., 50(4), 123. CrossRefGoogle Scholar
  33. 33.
    Siebert, R., Wetzig, A., Beyer, E., Betz, B., Grünzweig, C., Lehmann, E. (2013): Localized investigation of magnetic bulk property deterioration of electrical steel: analysing magnetic property drop thorough mechanical and laser cutting of electrical steel laminations using neutron grating interferometry. In 3rd International Electric Drives Production Conference (EDPC) (S. 1–5). Google Scholar
  34. 34.
    Schoppa, A. P. (2001): Einfluss der Be- und Verarbeitung auf die magnetischen Eigenschaften von schlussgeglühtem, nichtkornorientiertem Elektroband. Dissertation, RWTH Aachen University, Aachen. Google Scholar
  35. 35.
    Steentjes, S., Eggers, D., Leßmann, M., Hameyer, K. (2012): Iron-loss model for the FE-simulation of electrical machines. In Inductica Technical Conference (S. 239–246). Berlin: CWIEME Berlin. Google Scholar
  36. 36.
    Vandenbossche, L. (2013): Iron loss modelling which includes the impact of punching, applied to high-efficiency induction machines. In Electric Drives Production Conference (EDPC) 3rd International. Google Scholar
  37. 37.
    Weiss, H. A., Leuning, N., Steentjes, S., Hameyer, K., Andorfer, T., Jenner, S., Volk, W. (2017): Influence of shear cutting parameters on the electromagnetic properties of non-oriented electrical steel sheets. J. Magn. Magn. Mater., 421, 250–259. CrossRefGoogle Scholar
  38. 38.
    Weiss, H. A., Trober, P., Golle, R., Steentjes, S., Leuning, N., Elfgen, S., Hameyer, K., Volk, W. (2018): Impact of punching parameter variations on magnetic properties of non-grain oriented electrical steel. IEEE Trans. Ind. Appl., 54(6), 5869–5878. CrossRefGoogle Scholar
  39. 39.
    Weiss, H. A., Steentjes, S., Tröber, P., Leuning, N., Neuwirth, T., Schulz, M., Hameyer, K., Golle, R., Volk, W. (2019): Neutron grating interferometry investigation of punching-related local magnetic property deteriorations in electrical steels. J. Magn. Magn. Mater., 474, 643–653. CrossRefGoogle Scholar
  40. 40.
    Yamazaki, K., Mukaiyama, H., Daniel, u. L. (2018): Effects of multi-axial mechanical stress on loss characteristics of electrical steel sheets and interior permanent magnet machines. IEEE Trans. Magn., 54(3), 1–4. Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Austria, ein Teil von Springer Nature 2019

Authors and Affiliations

  • Nora Leuning
    • 1
    Email author
  • Silas Elfgen
    • 1
  • Hannes A. Weiss
    • 2
  • Wolfram Volk
    • 2
  • Kay Hameyer
    • 1
  1. 1.Institut für Elektrische Maschinen (IEM)RWTH Aachen UniversityAachenDeutschland
  2. 2.Institut für Metallumformung (utg)Technische Universität MünchenGarchingDeutschland

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