Ein Beitrag zur Effizienzsteigerung von elektromechanischen Antrieben, basierend auf einem mathematischen Modell ferrofluidaler Strömungen

This  thesis  discusses  the  approach  of  efficiency  increase  in  electromechanical  drive
systems  by  magnetically  controllable  fluids,  based  on  a  mathematical  model  of  fer-
rofluidic flows including the magnetic field and heat flow. A comprehensive analysis of the state of the art gives an overview of magnetic and rheological fluids and shows the application possibilities  of  magnetically  controllable  fluids.  In  preliminary  investiga- tions the force-enhancing influence of the ferrofluid in the air gap of an iron circuit is shown and simulated and calculated by means of the FEM simulation tool COMSOL. The focus of the work is on mathematical-mechanical modeling, in which the Taylor-Couette  system  forms  the  basis and  the  Navier-Stokes  equations  describe  the  flow behavior  in  the  system. Calculations of  the  velocity  field  at  constant  and  variable viscosity  are  performed  and  a  temperature  model  analogous  to  the  electric  motor is  derived  analytically.  The theoretical investigations  on  the  Taylor-Couette  model as  an  abstraction  stage  for  an  electric  motor  are  followed  by  an  experimental  evaluation  on  the  prototype  of  a  ferrofluid-supported  permanently  excited  synchronous machine. According to the design electric winding process, the sheet metal cut of the prototype is imported into COMSOL and simulated calculations are performed. The measurement results for heating and endurance run are presented in detail. Finally, an innovative prototype is presented in which, unlike the drives presented in chapters 3 and 4, a magnetically controllable rheological fluid is a function-determining element.

Der Gegenstand der Arbeit ist die Effizienzsteigerung von elektromechanischen An-
trieben durch magnetisch kontrollierbare Fluide, basierend auf einem mathematischen Modell ferrofluidaler Strömungen unter Einbeziehung des Magnetfeldes und des Wär- mestromes. Eine umfassende Analyse des Standes der Technik gibt einen Überblick über magnetische und rheologische Flüssigkeiten und zeigt die Anwendungsmöglichkeiten  magnetisch  kontrollierbarer  Fluide. In  Voruntersuchungen  wird  der  kraftverstärkende  Einfluss  des  Ferrofluids  im  Luftspalt eines Eisenkreises  dargestellt  und mittels des FEM-Simulationswerkzeuges COMSOL nachgebildet und berechnet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der mathematisch-mechanischen Modellierung, bei der  das Taylor-Couette-System  die  Basis  bildet  und  die  Navier-Stokes-Gleichungen das Strömungsverhalten  im  System  beschreiben. Berechnungen  zum Geschwindigkeitsfeld bei konstanter und variabler Viskosität werden durchgeführt und ein Temperaturmodell, angenähert an das Verhalten des Elektromotors, analytisch hergeleitet. Nach  den  theoretischen Untersuchungen am Taylor-Couette-Modell  als  Abstraktionsstufe für einen Elektromotor  folgt  die  experimentelle Evaluierung am Prototyp einer ferrofluidunterstützten permanenterregten Synchronmaschine. Dem konstruktiven Entwicklungsprozess folgend,  wird  eine  simulative Berechnung des Prototyps mit der FE-Software COMSOL durchgeführt. Die Messergebnisse zum Erwärmungs- und Dauerlauf werden detailliert dargestellt. Das Ferrofluid ist in diesem genannten Kontext ein effizienzsteigerndes Element. Im letzten Teil der Arbeit wird eine innovative Entwicklung vorgestellt, bei dem, im Cnterschied zu dem Antrieb aus den Kapiteln 3 und 4, eine magnetisch kontrollierbare rheologische Flüssigkeit ein funktionsbestimmendes Element ist. Die modellbasierte Cntersuchung und die Prototypenbeschreibung  sowohl  eines  rotatorischen, als auch translatorischen Antriebes schliegen die Arbeit ab.

 

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