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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