Identifikation eines Materialmodells geschichteter Blechpakete im Rahmen einer Zwei-Skalen-Modellierung

Identification of a material model of sheet-layered lamination stacks within a two-scale model

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-167152
  • Elektrische Maschinen und Motoren sind in unserem heutigen Leben allgegenwärtig und Bestandteil vieler Gebrauchsgüter sowie zentrales Betriebsmittel für die Produktion in Industrie und Gewerbe. Jeder elektrische Motor beinhaltet einen Rotor und einen Stator, deren Eisenkern zur Bündelung des magnetischen Flusses jeweils kein Vollmaterial darstellt, sondern eine geschichtete Struktur aufweist. Diese sogenannten Blechpakete, welche aus einzelnen weichmagnetischen, gegeneinander isolierten und paketierten Elektroblechen bestehen, werden eingesetzt, um Wirbelstromverluste zu minimieren und die Effizienz der gesamten Maschine zu erhöhen. Durch den geschichteten Aufbau des Blechpakets ist dieElektrische Maschinen und Motoren sind in unserem heutigen Leben allgegenwärtig und Bestandteil vieler Gebrauchsgüter sowie zentrales Betriebsmittel für die Produktion in Industrie und Gewerbe. Jeder elektrische Motor beinhaltet einen Rotor und einen Stator, deren Eisenkern zur Bündelung des magnetischen Flusses jeweils kein Vollmaterial darstellt, sondern eine geschichtete Struktur aufweist. Diese sogenannten Blechpakete, welche aus einzelnen weichmagnetischen, gegeneinander isolierten und paketierten Elektroblechen bestehen, werden eingesetzt, um Wirbelstromverluste zu minimieren und die Effizienz der gesamten Maschine zu erhöhen. Durch den geschichteten Aufbau des Blechpakets ist die strukturmechanische Materialmodellierung, die Simulation und die damit verbundenen Vorhersagen für diese Komponenten und für die gesamte elektrische Maschine deutlich erschwert, sodass sich diese Arbeit mit der Identifikation eines Materialmodells geschichteter Blechpakete beschäftigt. Im Zuge dessen wird die Interaktion der Einzelbleche auf mikroskopischer Ebene miteinbezogen, da im Rahmen einer Homogenisierung die große Relevanz der akkuraten Erfassung der Mikrostruktur für die makroskopischen Eigenschaften des gesamten Blechpakets aufgezeigt wird. Anhand des angewendeten Fügeverfahrens wird hierbei zwischen zwei Arten von Blechpaketen unterschieden, die jeweils eine unterschiedliche Modellierung der Mikrostruktur bedingen. Dies umfasst zum einen vollflächig verklebte Blechpakete, bei denen hier exemplarisch das Backlackverfahren betrachtet wird. Zum anderen wird sich mit Blechpaketen befasst, die nur punktuell, beispielsweise durch Klammern oder Schweißnähten, fixiert sind und deren Blechinteraktion von einem rauen Oberflächenkontakt charakterisiert wird. Für beide Klassen von Blechpaketen werden (linearisierte) äquivalente transversal isotrope Materialparameter unter Berücksichtigung der vorliegenden Mikrostruktur identifiziert und im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse der Einfluss der mikroskopischen Eingabeparameter auf die makroskopischen Ergebnisse untersucht. Hierbei wird für vollflächig verklebte Blechpakete die große Relevanz der Schichtdicke des dünnen Backlacks für die makroskopischen Materialparameter offengelegt, sodass eine experimentelle Charakterisierung dieser Beschichtung mithilfe zweier Verfahren erfolgt, der Laserscanning-Mikroskopie und der Nanoindentierung. Die auf diese Weise bestimmten Größen können durch einen Abgleich einer experimentellen und numerischen Modalanalyse einer Teststruktur vollumfänglich bestätigt werden. Bei Blechpaketen mit rauem Oberflächenkontakt hingegen ist keine Zwischen- bzw. Klebeschicht präsent, sodass die verwendeten, phänomenologischen konstitutiven Kontaktgesetze zur Beschreibung der Blechinteraktion sorgfältig ausgewählt werden müssen. Dabei wird mithilfe einer analytischen und numerischen Homogenisierung ein (nichtlineares) makroskopisches Materialmodell identifiziert, das bei einer Simulation des Paketiervorgangs mithilfe der Methode der finiten Elemente eingesetzt wird. Mit diesen Ergebnissen wird aufgezeigt, wie äquivalente Materialparameter durch eine Linearisierung um einen Punkt, um den das Blechpaket betrieben wird und verbaut ist, identifiziert werden können. Wichtige Einflussgrößen diesbezüglich sind das konstitutive Kontaktgesetz, der maximal aufgebrachte Paketierdruck und die Anzahl der Fixierungen.show moreshow less
  • Electric machines and motors are omnipresent in modern life and integral parts of many final goods as well as essential tools for production in industry. Every electric motor incorporates a rotor and a stator, whose iron core for concentrating the magnetic flux is not a monolithic material but instead exhibits a layered structure. These so-called lamination stacks, which consist of individual magnetically soft electrical sheets that are stacked and insulated from each other, are used to minimize eddy current losses and increase the efficiency of the entire machine. Due to the layered structure of the lamination stack, the mechanical material modeling, simulation and associated predictionsElectric machines and motors are omnipresent in modern life and integral parts of many final goods as well as essential tools for production in industry. Every electric motor incorporates a rotor and a stator, whose iron core for concentrating the magnetic flux is not a monolithic material but instead exhibits a layered structure. These so-called lamination stacks, which consist of individual magnetically soft electrical sheets that are stacked and insulated from each other, are used to minimize eddy current losses and increase the efficiency of the entire machine. Due to the layered structure of the lamination stack, the mechanical material modeling, simulation and associated predictions for these components and for the entire electrical machine are significantly complicated, thus this work deals with the identification of a material model of sheet-layered lamination stacks. In this context, the interaction of the individual sheets is included on the micro-scale, since within the scope of a homogenization the high relevance of the accurate coverage of the microstructure is shown for the macroscopic properties of the entire lamination stack. Based on the applied joining process, a distinction is made between two types of lamination stacks, which require different modeling strategies of the microstructure in each case. On the one hand, this covers full-surface bonded lamination stacks, for which the bonding varnish process is exemplary considered here. On the other hand, lamination stacks are considered which are only selectively fixed, for example by clamps or welds, and whose sheet interaction is characterized by a rough surface contact. For both classes of lamination stacks, (linearized) equivalent transversely isotropic material parameters are identified, taking into account the present microstructure. Additionally, the influence of the microscopic input parameters on the macroscopic results is investigated within the framework of a sensitivity analysis. For full-surface bonded lamination stacks, the importance of the layer thickness of the thin bonding varnish for the macroscopic material parameters is revealed. Thus, an experimental characterization of this coating is performed by two methods, the laser scanning microscopy and the nanoindentation. The quantities determined in this way can be completely confirmed by a comparison of an experimental and numerical modal analysis of a test structure. In the case of lamination stacks with rough surface contact, however no intermediate or adhesive layer is present, so that the phenomenological constitutive contact laws used to describe the lamination interaction have to be carefully selected. In doing so, an analytical and numerical homogenization is used to identify a (nonlinear) macroscopic material model that is used in a simulation of the packaging process employing the finite element method. With these results, it is demonstrated how equivalent material parameters can be identified by a linearization around a point at which the lamination stack is operated and installed. In this regard, major influencing factors are the constitutive contact law, the maximum applied stacking pressure and the number of fixations.show moreshow less

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Metadaten
Author:Maximilian Volkan BalogluORCiD
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-167152
Series (Volume number):Schriftenreihe Technische Mechanik (40)
Publisher:Lehrstuhl für Technische Mechanik (LTM)
Place:Erlangen
Referee:Kai Willner, Wolfgang Seemann
Advisor:Kai Willner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2021
Date of online publication (Embargo Date):2021/06/27
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2021/05/12
Release Date:2021/06/28
Tag:Blechpaket; Elektrische Maschine; Finite-Elemente-Methode; Homogenisierung; Kontaktmechanik; Materialmodellierung; Modalanalyse; Nanoindentierung
contact mechanics; electric machine; finite element method; homogenization; lamination stack; material modeling; modal analysis; nanoindentation
Length/size:225
Institutes:Technische Fakultät
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Technische Mechanik (LTM)
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International
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