Napredni pristopi načrtovanja, modeliranja in optimizacije po meri prilagojenih magnetnih materialov za vgradnjo v električne naprave, izdelanih s postopki dodajnih tehnologij

Raziskava obravnava enega najkompleksnejših interdisciplinarnih izzivov na področju znanosti o materialih, metalurgije in načrtovanja elektromagnetnih naprav: »Kako v celoti izkoristiti in prilagoditi magnetne lastnosti materialov za načrtovanje najboljših možnih elektromagnetnih naprav z vidika prihrankov energije, materiala in pri stroških?« Nujno je poiskati nove poti za premostitev velike vrzeli med metalurškim izdelkom (tj. silicijevo elektropločevino, trajnimi magneti itn.), proizvodnjo magnetnih jeder (s štancanjem, laserskim rezanjem in drugimi postopki obdelave), in sodobnimi pristopi načrtovanja elektromagnetnih naprav. Konvencionalni postopek izdelave magnetnega jedra za elektromagnetne naprave je dolg, tog, energetsko, materialno in stroškovno intenziven, do neke mere pa celo poslabšuje ključne elektromagnetne lastnosti materiala. Za postopek ocenjujemo, da je dosegel fazo zrelosti in zato ne obeta več veliko možnosti za izboljšave. Lastnosti vgrajenih materialov in komponent so omejene z osnovnimi fizikalnimi zakoni (proizvodnih) procesov in jih ni mogoče prilagajati po meri. Pri načrtovanju elektromagnetnih naprav te lastnosti predstavljajo večinoma nefleksibilne vhodne podatke. Na drugi strani, se pri načrtovanju za opisovanje raznolikih in zapletenih fizikalnih mehanizmov v različnih magnetnih materialih in komponentah pogosto uporabljajo zelo poenostavljene metode. Omejitve uporabe in netočnosti najsodobnejših metod so splošno priznane, vendar še vedno v rabi zaradi izjemno zapletene narave obravnavanih problemov. To otežuje modeliranje, načrtovanje in optimizacijo elektromagnetnih komponent in naprav ter ovira njihovo večjo uporabnost.

Prav tu obstaja velik potencial za premostitev predstavljenih omejitev konvencionalnih postopkov načrtovanja in izdelovanja elektromagnetnih naprav. Izdelavo naprednih magnetnih materialov in komponent ter zasnovo nove generacije lahkih, ultraučinkovitih električnih strojev bi lahko revolucionirali s 3D tiskanjem materialov kompleksnih geometrij z ničelnim odpadom materiala, brez robnega učinka, z bistveno nižjim številom delov in časom izdelave. To bi omogočilo predelavo tudi visokosiliciranih zlitin in prihranek materialov, zlasti kritičnih surovin, kot so redke zemlje.

Projekt obsega raziskave novih, obetavnih tehnologij za izdelavo magnetnih jeder po meri, z uporabo dodajnih tehnologij in selektivnega laserskega taljenja (DT-SLT). Za raziskovanje naprednih magnetnih materialov izdelanih z DT-SLT je potreben celostni, interdisciplinarni pristop in poglobljeno razumevanje zapletenih temeljnih zakonitosti s področij metalurgije/znanosti o materialih ter elektromagnetike/načrtovanja elektromagnetnih naprav. Razvijamo ustrezne, izboljšane modele dinamične magnetizacije in izgub energije za opis lastnosti magnetnih komponent. Posledično bomo z uporabo postopkov načrtovanja nove generacije dobili bistveno natančnejše informacije o zahtevanih magnetnih lastnostih magnetnih materialov, kar bomo uporabili za 3D tiskanje magnetnih materialov in komponent, izdelanih po meri.

Glavni cilj projekta je razvoj novih postopkov za izdelavo mehkomagnetnih materialov na osnovi zlitin Fe-Si-X (X = Al, Mn in/ali P, Sn, Sb…), ki bodo omogočili razvoj specifičnih elektromagnetnih lastnosti in geometrij, prilagojenih načrtovanim električnim napravam. To vključuje tudi analizo in optimizacijo DT-SLT postopkov magnetnih materialov in komponent v okviru opisanega interdisciplinarnega pristopa.

Rezultati raziskovalnega dela bodo omogočili izdelavo in optimizacijo naprednih magnetnih materialov in komponent ter optimalnejše načrtovanje, ki vodi do večje učinkovitosti elektromagnetnih naprav v smislu čiste energije, manjšega vpliva na podnebne spremembe, inovativnih materialov ter odgovorne porabe in proizvodnje.

Glavni cilj je razvoj novih mehkomagnetnih materialov na osnovi zlitinskih sistemov Fe-Si-X (X = Al, Mn in/ali P, Sn, Sb ...) s postopki DT, ki omogočajo specifične elektromagnetne lastnosti materiala in geometrijo po meri, za optimalno prilagojenost načrtovanim električnim napravam. Vse to vključuje analizo in optimizacijo postopkov izdelave materialov in komponent z DT z vidika metalurgije/materialov in z vidika elektromagnetike/načrtovanja električnih naprav.

Specifični cilji so:

1. Identifikacija zlitinskih sistemov, ki kažejo potencial za postopke DT in elektromagnetne aplikacije.
2. Verifikacija rezultatov s proizvodnjo novih zlitin s tehniko DT-SLT v laboratorijskem merilu in preučevanjem njihovih glavnih mehanskih in elektromagnetnih lastnosti. Izvedli bomo obsežno primerjavo novih materialov s konvencionalnimi mehkomagnetnimi zlitinami, tj. NO silicijevimi elektropločevinami.
3. Nove geometrije materialov z izboljšanimi magnetnimi in mehanskimi lastnostmi, ki presegajo trenutno stanje in temeljijo na uporabi novih pristopov načrtovanja materialov in komponent z uporabo DT s ciljem prebojnih rešitev in novih pristopov načrtovanja električnih naprav; tanjše lamele z mikrostrukturnimi lastnostmi po meri. Vse doseženo bomo primerjali s konvencionalnimi magnetnimi materiali in komponentami.
4. Razvoj in validacija modelov magnetizacije/izgub tako za pulzirajoča kot tudi rotacijska PŠM popačena vzbujanja (za konvencionalne silicijeve elektropločevine in komponente in za tiste, izdelane z DT).
5. Boljše razumevanje korelacije med popačenimi magnetnimi vzbujanji in izgubami znotraj magnetnih materialov tako za pulzirajoča kot tudi vrtilna magnetna polja.
6. Neposredna in preprosta identifikacija parametrov obravnavanih modelov (identifikacija mora temeljiti na fizikalnih parametrih, kolikor je le mogoče).
7. Optimizacija po meri prilagojenih komponent z vidika elektromagnetne naprave, npr. izbira in razvoj najprimernejše magnetne komponente za določeno napravo.
8. Razširjanje rezultatov. Dodano vrednost projekta bomo širili z objavo člankov v znanstvenih revijah z visokim faktorjem vpliva in z aktivnim sodelovanjem na konferencah in drugih komunikacijskih kanalih.

Na sliki je prikazan sistematičen pristop k uresničevanju predstavljenih ciljev predlagane interdisciplinarne raziskave. Predstavljena metodologija odraža medsebojno povezanost in interdisciplinarno naravo raziskave, kar bo privedlo do sinergijskih učinkov.

UM FERI

IMT

Znanstveni prispevki v revijah (odprti dostop):

• GARMUT, Mitja, PETRUN, Martin. Influence of stator segmentation on iron losses in PMSMs for traction applications. Compel. 2022, vol. 41, iss. 2, str. 644-658. ISSN 0332-1649. DOI: 10.1108/COMPEL-06-2021-0224. [COBISS.SI-ID 104372739]
• GARMUT, Mitja, STEENTJES, Simon, PETRUN, Martin. Parameter identification for MTPA control based on a nonlinear d-q dynamic IPMSM model. Compel. Article publication date: 12 December 2022, 15 str. ISSN 0332-1649. DOI: 10.1108/COMPEL-09-2022-0331. [COBISS.SI-ID 133021955]

Znanstveni prispevek na konferenci (predavanje):

• STEINER PETROVIČ, Darja, SEVER, Tina, DONIK, Črtomir, PAULIN, Irena, GODEC, Matjaž, PETRUN, Martin. Thermal behavior of Fe-6.5Si alloy powder for AM-SLM processing as assessed by differential scanning calorimetry (DSC): 48th North American Thermal Analysis Society Conference, August 1–5, 2022 Case Western Reserve University, Cleveland. [COBISS.SI-ID 120915971]

Znanstveni prispevek na konferenci (poster):

• SEVER, Tina, STEINER PETROVIČ, Darja, DONIK, Črtomir, PAULIN, Irena, GODEC, Matjaž, PETRUN, Martin. MS1-P-2852 influence of melting and AM-SLM processing on microtexture of Fe-Si soft magnetic materials: is one-step manufacturing of electrical steels possible? V: KRZYŽÁNEK, Vladislav (ur.). 16th Multinational Congress on Microscopy,16MCM, 04-09, September 2022, Brno Czech Republic: book of abstracts. 13th Multinational Congress on Microscopy, September 24-29, 2017, Rovinj, Croatia. Brno: Czechoslovak Microscopy Society, 2022. Str. 359. ISBN 978-80-11-02253-2. [COBISS.SI-ID 122019331]