Optimiertes Design von magnetischen Bauelementen

Stromversorgungsunternehmen wie Industriebetriebe waren schon immer auf der Suche nach Technologien zur Senkung ihrer Betriebs- und Energiekosten. Um diese Suche voran zu bringen, beschäftigten sich die Teilnehmer an diesem von der EU finanzierten Projekt mit der Entwicklung von optimierten Schweißstromversorgungen (Welding Power Supplies, WPS). Dabei entstanden kompakte thermische Modelle für magnetische Bauelemente, die eine große Hilfe bei der Entwicklung von Leistungselektronik- und Steuerungsschaltungen sein könnten, denn sie ermöglichen eine Steigerung der Zuverlässigkeit, eine hohe Leistungsdichte und die Realisierung kostengünstiger Anwendungen.

Industrielle Technologien

Beim Schweißen werden zwei oder mehr Metallteile durch Aufschmelzen des Grundwerkstoffs dauerhaft miteinander verbunden. Hierfür werden verschiedene Hitzequellen wie z.B. Gas, elektrische Lichtbögen oder Laserstrahlen verwendet, die alle eine zuverlässige und gut regulierbare Hochleistungs-Stromversorgung erfordern. Um hier nennenswerte Energieeinsparungen zu erzielen, richtet die Industrie ihr besonderes Augenmerk auf die Steigerung des Wirkungsgrades der bei den Schweißprozessen eingesetzten Stromversorgungen.

Dieses Projekt sollte die Enwicklungsingenieure während der gesamten WPS-Entwicklungsprozesses unterstützen und ihnen bei der Optimierung der Leistungen und Zuverlässigkeit von Schweißsystemen helfen. Dafür entstand im Projekt eine Reihe von neuen thermischen Modellen zur Verbesserung der Verfahren zur Entwicklung von magnetischen Bauelementen, die in WPS-Systemen verwendet werden. Von diesen verbesserten magnetischen Bauelementen erhofft man sich einen Ausgleich für die hochfrequenten Effekte, mit denen ein erhöhter Wirkungsgrad von Schweißanlagen erkauft werden muss.

Konkret gelang in diesem Projekt die Entwicklung kompakter thermischer Modelle, die nach den Erwartungen der Projektpartner eine bedeutende Verringerung der Größe und des Gewichts der Schweißanlagen einleiten werden. Diese kompakten Modelle basieren auf dem Einsatz von Computern und wurden anhand der geometrischen und thermischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe exakt parametriert. Darüber hinaus wurden kompakte Modelle im Hinblick auf den konvektiven Wärmetransfer durch die Medien der Bauelemente in Abhängigkeit von Luftströmungsverhältnissen wie der Geschwindigkeit, Viskosität und Dichte parameteriert.

Aus den Ergebnissen wurden zwei Modelle abgeleitet, die als resistive thermische Netzwerke in elektrischen Simulatoren wie dem in diesem Projekt eingesetzten System Simplorer verwendet werden können. Das erste Modell besteht aus zwei Temperatur-Knotenpunkten und drei thermischen Widerständen, während das zweite vier Untermodelle mit zwei bis acht Temperatur-Knotenpunkten und mehreren thermischen Widerständen beinhaltet. Die Modelle, die in unterschiedlichen Formen und mit verschiedenen Wicklungstypen angeboten werden, können während der Entwicklung von magnetischen Bauelementen für Schweißstromversorgungen zu erheblichen Einsparungen an Kosten, Zeit und Aufwand beitragen.