Hackl, Yves (2017)
Effiziente Simulation magnetischer Bauteile.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der effizienten numerischen Modellierung magnetischer, passiver Bauteile. Praktische Beispiele sind Drosseln oder Transformatoren, welche in unterschiedlichen Bauformen und Leistungsklassen in der heutigen Elektronik eingesetzt werden. Dafür wird eine bestehende Methode zur Simulation gekoppelter Luftspulen um die Berücksichtigung linearer, magnetischer Materialien erweitert, wobei die Flexibilität der Gitterstrukturen, die Effizienz der Algorithmen und die konsistente Herleitung der zu Grunde liegenden Gleichungen priorisiert werden. Die Effizienz ist grundsätzlich dadurch gewährleistet, dass die magnetischen Materialien ausschließlich auf Basis einer Oberflächendarstellung beschrieben sind, welche das physikalische Verhalten repräsentiert. Dieses ist aufgrund der Vernachlässigung der Welleneffekte, der Nichtlinearität und der Inhomogenität möglich und resultiert aus einer niederfrequenten Approximation der Maxwell'schen Gleichungen. Die entwickelte Methode für die Simulation der magnetischen Bauteile wird anhand akademischer sowie praktisch relevanter Beispiele evaluiert. Dabei wird unter anderem auf Konvergenzanalysen, Breitbandsimulationen und Vergleiche mit Messergebnissen eingegangenen.

Die Arbeit beginnt mit der Wiederholung der Grundlagen der Elektrodynamik, wonach eine Einführung in die niederfrequenten Approximationen und die Herleitung der resultierenden Oberflächendarstellung an magnetischen Materialien folgt. Dabei ist Wert darauf gelegt, dass die Ausführungen konsistent durchgeführt sind und somit etwaige Abweichungen der Simulations- gegenüber den Messergebnissen erklärt und diskutiert werden können. Im Anschluss ist auf Basis der in dem vorherigen Kapitel hergeleiteten Darstellungen die neu eingeführte numerische Methode vorgestellt. Dazu werden die aus der Elektrodynamik resultierenden Gleichungen diskretisiert, effiziente Algorithmen und spezielle Gitterstrukturen vorgestellt. Abschließend ist die implementierte Methode anhand unterschiedlicher Beispiele evaluiert. Zum einen werden die Simulationsergebnisse mit Ergebnissen der FEM verglichen, wobei bemerkenswerte Geschwindigkeitsgewinne erzielt werden. Zum anderen werden anhand zwei praktisch relevanter magnetischer Bauteile die Simulationsergebnisse mit Messungen verglichen, wobei die Übereinstimmungen im Rahmen der Fertigungstoleranzen liegen.

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