J7-3152 - 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): 10
• Strokovnih člankov: 2
• Znanstveni prispevki na konferenci: 7
• Znanstveni prispevek na konferenci brez natisa (predavanje ali poster): 3
• Povzetki znanstvenih prispevkov na konferenci: 7
• Vabljeno predavanje na konferenci brez natisa: 1
• Doktorska disertacija: 1

Znanstveni prispevki v revijah (odprti dostop):

1. 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]
2. STEINER PETROVIČ, Darja, DONIK, Črtomir, PAULIN, Irena, GODEC, Matjaž, VONČINA, Maja, PETRUN, Martin. Solidification behavior of Fe-6.5Si alloy powder for AM-SLM processing, as assessed by differential scanning calorimetry. Materials. 2023, vol. 16, iss. 12, [article no.] 4229, 12 str. ISSN 1996-1944. DiRROS - Digitalni repozitorij raziskovalnih organizacij Slovenije, Digitalna knjižnica Univerze v Mariboru – DKUM, DOI: 10.3390/ma16124229. [COBISS.SI-ID 156517635]
3. GARMUT, Mitja, STEENTJES, Simon, PETRUN, Martin. Parameter identification for MTPA control based on a nonlinear d-q dynamic IPMSM model. Compel. 2023, vol. 42, no. 4, str. 846-860. ISSN 0332-1649. DOI: 10.1108/COMPEL-09-2022-0331. [COBISS.SI-ID 133021955]
4. RAHMANOVIĆ, Ermin, PETRUN, Martin. Modelling of unit differential reversal curves in the G2E hysteresis model. Physica. B, Condensed matter. 15. March 2024, [article no.] 415694, vol. 677, 8 str., ilustr. ISSN 1873-2135. Digitalna knjižnica Univerze v Mariboru – DKUM, DOI: 10.1016/j.physb.2024.415694. [COBISS.SI-ID 182586883]
5. GARMUT, Mitja, STEENTJES, Simon, PETRUN, Martin. Optimization of an IPMSM for constant-angle square-wave control of a BLDC drive. Mathematics. 2024, vol. 12, no. 10, [article no.] 1418, 25 str. ISSN 2227-7390. Digitalna knjižnica Univerze v Mariboru – DKUM, DOI: 10.3390/math12101418. [COBISS.SI-ID 194790659]
6. RAHMANOVIĆ, Ermin, PETRUN, Martin. Analysis of higher-order bézier curves for approximation of the static magnetic properties of NO electrical steels. Mathematics. 2024, vol. 12, no. 3, [article no.] 445, 23 str. ISSN 2227-7390. Digitalna knjižnica Univerze v Mariboru – DKUM, DOI: 10.3390/math12030445. [COBISS.SI-ID 183297539]
7. GARMUT, Mitja, STEENTJES, Simon, PETRUN, Martin. Evaluating the thermal stability of an interior permanent magnet synchronous machine through iterative multi-physics simulation. International journal of numerical modelling : electronic networks, devices and fields. [Online ed.]. 2024, vol. 37, iss. 5, [article no.] e3294, 12 str. ISSN 1099-1204. Digitalna knjižnica Univerze v Mariboru – DKUM, DOI: 10.1002/jnm.3294. [COBISS.SI-ID 211890691]
8. PETRUN, Martin, ČERNELIČ, Jernej. Sensitivity analysis of MTPA control to angle errors for synchronous reluctance machines. Mathematics. 2025, vol. 13, iss. 1, [article no.] 38, 23 str. ISSN 2227-7390. Digitalna knjižnica Univerze v Mariboru – DKUM, DOI: 10.3390/math13010038. [COBISS.SI-ID 222381059]
9. PETRUN, Martin, RAHMANOVIĆ, Ermin. Parameter estimation for the basic Zirka-Moroz history-dependent hysteresis model for electrical steels. Materials. Apr. 2025, vol. 18, iss. 9, [article no.] 2104, 26 str., ilustr. ISSN 1996-1944. Digitalna knjižnica Univerze v Mariboru – DKUM, DOI: 10.3390/ma18092104. [COBISS.SI-ID 234980355]
10. GARMUT, Mitja, STEENTJES, Simon, PETRUN, Martin. Computationally efficient multi-objective optimization of an interior permanent magnet synchronous machine using neural networks. Engineering applications of artificial intelligence. [Online ed.]. 15 Nov. 2025, vol. 160, [article no.] 111753, 15 str., ilustr. ISSN 1873-6769. Digitalna knjižnica Univerze v Mariboru – DKUM, DOI: 10.1016/j.engappai.2025.111753. [COBISS.SI-ID 244872195]

Strokovni članki:

1. PETRUN, Martin. MOdeling of electromagnetic phenomena within non-oriented electrical steel shets. ICS newsletter. 1 nov. 2023, vol. 30, no. 3, str. 5-16. ISSN 1026-0854. [COBISS.SI-ID 171190019]
   
2. GARMUT, Mitja, PETRUN, Martin. Metodološki pristop k večkriterijski optimizaciji električnih strojev s praktičnim primerom. Ventil : revija za fluidno tehniko, avtomatizacijo in mehatroniko. nov. 2025, letn. 31, št. 5, str. 286-292, ilustr. ISSN 2630-4090. https://revija-ventil.si/wp-content/uploads/garmut-10-2025.pdf, Digitalna knjižnica Slovenije - dLib.si, Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL, DOI: 10.5545/Ventil-31-2025-5.10. [COBISS.SI-ID 255583491] - odprti dostop

Znanstveni prispevek na konferenci:

1. GARMUT, Mitja, PETRUN, Martin. Parameter identification of a nonlinear d‐q dynamic model of a IPMSM by using a FEM mode. V: XXVII Symposium on Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits : conference proceedings : Hamburg, Germany, June 28 -July 2, 2022. Hamburg: Helmut Schmidt University: University of the Federal Armed Forces Hamburg, cop. 2022. Str. 12-13, ilustr. https://epub.sub.uni-hamburg.de/epub/volltexte/2023/160899/pdf/openHSU_14897.pdf. [COBISS.SI-ID 203828483]
2. RAHMANOVIĆ, Ermin, PETRUN, Martin. Approximation of nonlinear properties of soft-magnetic materials with Bézier curves. V: 2023 IEEE International Magnetic Conference - Short Papers (INTERMAG Short Papers) : proceedings. Piscataway: IEEE: = Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2023. 2 str., ilustr. ISBN 979-8-3503-3836-2. DOI: 10.1109/INTERMAGShortPapers58606.2023.10228761. [COBISS.SI-ID 171141379]
3. OGRIZEK, Pavel, GARMUT, Mitja, PETRUN, Martin. Performance analysis of an IPMSM when applying heavy rare-earth-free NdFeB PMs. V: XVIII Symposium on Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits : conference program : Portorož, Slovenia, June 18th to June 21st, 2024. [S. l.: s. n.], 2024. [2] str., ilustr. https://epnc.put.poznan.pl/wp-content/uploads/056.pdf. [COBISS.SI-ID 202275843]
4. GARMUT, Mitja, STEENTJES, Simon, PETRUN, Martin. Neural network based optimization of an IPMSM within a BLDC drive. V: XVIII Symposium on Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits : conference program : Portorož, Slovenia, June 18th to June 21st, 2024. [S. l.: s. n.], 2024. [2] str., ilustr. https://epnc.put.poznan.pl/wp-content/uploads/048.pdf. [COBISS.SI-ID 202290691]
5. RAHMANOVIĆ, Ermin, KERNDL, Matej, POLAJŽER, Boštjan, ČERNELIČ, Jernej, PETRUN, Martin. Modelling of nonlinear magnetic properties of current transformers with piecewise Bézier curves. V: XVIII Symposium on Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits : conference program : Portorož, Slovenia, June 18th to June 21st, 2024. [S. l.: s. n.], 2024. [2] str., ilustr. https://epnc.put.poznan.pl/wp-content/uploads/045.pdf. [COBISS.SI-ID 202278915]
6. GARMUT, Mitja, STEENTJES, Simon, PETRUN, Martin. A comparative study of meta-modeling approaches for ipmsm performance prediction with neural networks. V: IEMDC 2025 : [proceedings] : International Electric Machines & Drives Conference, May 18-21, 2025, Houston, Texas. Denver: IEEE XPLORE, cop. 2025. Str. 152-156, ilustr. ISBN 979-8-3503-7659-3. DOI: 10.1109/IEMDC60492.2025.11061145. [COBISS.SI-ID 242777091]
7. OGRIZEK, Pavel, GARMUT, Mitja, PETRUN, Martin. Impact of partially demagnetized permanent magnets on operating range of an interior permanent magnet synchronous machine. V: 2024 27th International Conference on Electrical Machines and Systems : ICEMS 2024 [Fukuoka, Japan, November 26 to 29, 2024]. Danvers: IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2025. Str. 3057-3062. DOI: 10.23919/ICEMS60997.2024.10921469. [COBISS.SI-ID 230268931]

Znanstveni prispevek na konferenci brez natisa (predavanje ali poster):

1. 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]
2. RAHMANOVIĆ, Ermin, PETRUN, Martin. Parameter identification of a basic history-dependent Zirka-Moroz hysteresis model : predstavitev na Compumag 2023 - the 24th International Conference on the Computation of Electromagnetic Fields, May 22-26 2023, Kyoto, Japan (online). [COBISS.SI-ID 171072003]
3. GARMUT, Mitja, STEENTJES, Simon, PETRUN, Martin. Evaluation of the thermally stable operation region of an IPMSM by using an iterative e-motor design tool chain : presentation at EMF 2023, Marseille, 29-31 august 2023. [COBISS.SI-ID 203848195]

Povzetek znanstvenih prispevkov na konferenci:

1. 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]
   
2. RAHMANOVIĆ, Ermin, PETRUN, Martin. Modelling of unit differential reversal curves in the G2E hysteresis model. V: Digital book of abstracts. TU Wien: Institute of Analysis and Scientific Computing, 2023. 1 str., ilustr. https://www.asc.tuwien.ac.at/hmm2023/?id=abstracts. [COBISS.SI-ID 171145475]
3. SEVER, Tina, RAHMANOVIĆ, Ermin, DONIK, Črtomir, STEINER PETROVIČ, Darja, PAULIN, Irena, PETRUN, Martin. How to tailor magnetic properties of high-silicon soft magnetic Fe-Si alloys with additive manufacturing?. V: GODEC, Matjaž (ur.), et al. 28. Mednarodna konferenca o materialih in tehnologijah : 11.–13. oktober 2023, Portorož, Slovenija : program in knjiga povzetkov = 28th International Conference on Materials and Technology : 11–13 October 2023, Portorož, Slovenia : program and book of abstracts. Ljubljana: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, 2023. Str. 74, ilustr. ISBN 978-961-94088-5-8. https://mater-tehnol.si/index.php/MatTech/article/view/1022/277. [COBISS.SI-ID 169023491]
4. RAHMANOVIĆ, Ermin, PAULIN, Irena, STEINER PETROVIČ, Darja, DONIK, Črtomir, PETRUN, Martin. Tailoring magnetic properties of a Fe-6.5Si alloy with additive manufacturing. V: Book of abstracts : ICM2024. [S. l.: s. n.], 2024. Str. 1940, ilustr. https://www.icm2024.org/wp-content/uploads/2024/06/BookofAbstract_full.pdf. [COBISS.SI-ID 204016899]
5. GARMUT, Mitja, STEENTJES, Simon, PETRUN, Martin. Multi-objective optimization of an IPM machine with simultaneous variation of magnet geometry and magnetic material properties. V: 27th Soft Magnetic Materials Conference : programme. [S. l.: s. n., 2025]. 1 str. https://smm27.polito.it/Programme_files/1139.pdf. [COBISS.SI-ID 250606851]
6. RAHMANOVIĆ, Ermin, STEENTJES, Simon, PETRUN, Martin. Experimental evaluation of Madelung’s rules for static magnetization curves. V: 27th Soft Magnetic Materials Conference : programme. [S. l.: s. n., 2025]. 1 str. https://smm27.polito.it/Programme_files/1065.pdf. [COBISS.SI-ID 250604035]
7. RAHMANOVIĆ, Ermin, PETRUN, Martin. Impact of experimental data distribution, quality and quantity on parameter estimation of the basic ZM history-dependent model. V: 14th International Symposium on Hysteresis Modeling and Micromagnetics : HMM, Torino, Italy, May 25-28, 2025 : poster and slides. [Torino: s. n., 2025]. 1 str., ilustr. https://virtual.symposium.it/storage/webinar/20/poster/poster-262.pdf. [COBISS.SI-ID 238435843]

Vabljeno predavanje na konferenci brez natisa:

1. PETRUN, Martin. Phenomenological history-dependent hysteresis models : invited talk at ELyTMaX mini-workshop on soft ferromagnetic materials at Tohoku University, Sendai, May 9, 2025. [COBISS.SI-ID 235904259]

Doktorska disertacija:

1. GARMUT, Mitja.Integrating multi-physics modeling within multi-objective optimization to enhance the performance and efficiency of permanent magnet synchronous machines : doktorska disertacija. Maribor: [M. Garmut], 2025. XXXIX, 145 str., ilustr. Digitalna knjižnica Univerze v Mariboru – DKUM. [COBISS.SI-ID 235945731]