Informationen zur Magnetostriktion
Magnetostriktion ist eine Eigenschaft magnetischer Materialien, die während der Magnetisierung ihre Form oder Abmessungen verändert. Die Veränderung der Materialmagnetisierung durch das angelegte Magnetfeld verändert die magnetostriktive Spannung bis zum Erreichen des Sättigungswerts λ. Der Effekt wurde erstmals 1842 von James Joule bei der Untersuchung einer Eisenprobe entdeckt.
Magnetostriktion ist ein Phänomen, bei dem magnetische Materialien unter dem Einfluss eines Magnetfelds leichte Längenänderungen erfahren. Dieser Effekt kann in Generatoren Vibrationen und Geräusche (das sogenannte „100-Hertz-Brummen“) verursachen und die Effizienz beeinträchtigen. Verschiedene spezielle Generatorkonstruktionen und Materialtechnologien werden eingesetzt, um die Magnetostriktion in Generatoren zu verringern.
1. Materialauswahl:
*Weichmagnetische Stoffe: Die Wahl des richtigen Kernmaterials ist entscheidend. Es werden weichmagnetische Werkstoffe mit geringer Magnetostriktion verwendet. Dazu gehören:
*Silizium-Eisen-Legierungen (Elektroband):
Spezielle nicht kornorientierte (NGO) oder kornorientierte (GO) Elektrobleche mit hohem Siliziumgehalt werden eingesetzt. Silizium erhöht den spezifischen Widerstand des Materials, was Wirbelstromverluste reduziert, und beeinflusst gleichzeitig die magnetostriktiven Eigenschaften positiv. Kornorientiertes Elektroband wird so hergestellt, dass die leichte Magnetisierungsrichtung in der Walzrichtung liegt, was die Magnetostriktion in dieser Richtung minimiert.
*Nickel-Eisen-Legierungen (Permalloy):
Diese Legierungen weisen eine sehr geringe oder sogar negative Magnetostriktion auf und eignen sich daher gut für Anwendungen, bei denen geringe Geräusche und Vibrationen entscheidend sind.
*Amorphe und nanokristalline Legierungen:
Diese Materialien haben aufgrund ihrer ungeordneten Atomstruktur oft sehr geringe Magnetostriktion und geringe Ummagnetisierungsverluste.
2. Konstruktive Maßnahmen:
*Blechpaketierung:
Der Stator- und Rotorkern eines Generators besteht aus vielen dünnen, voneinander isolierten Blechen (Lamellen). Dies verhindert große Wirbelströme und reduziert dadurch die Verluste und die mit Magnetostriktion verbundene Wärmeentwicklung und Geräuschentwicklung.
*Spannungsarmglühen:
Nach dem Stanzen und Bearbeiten der Bleche können innere Spannungen im Material entstehen, die die magnetostriktiven Eigenschaften negativ beeinflussen. Ein anschließendes Spannungsarmglühen kann diese Spannungen abbauen und die magnetischen Eigenschaften verbessern.
*Imprägnierung und Verklebung:
Die Blechpakete werden oft unter Druck zusammengefügt und mit Harzen imprägniert oder verklebt. Dies erhöht die mechanische Stabilität des Kerns und dämpft Schwingungen, die durch Magnetostriktion verursacht werden könnten.
*Optimierung der Geometrie:
Zahnspulenwicklungen in permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMSM) können starke Statorluftspaltfeldharmonische aufweisen, die Rotorwirbelströme und damit auch Magnetostriktion verstärken. Durch die Optimierung der Wicklungs- und Rotorgeometrie kann die Ausprägung dieser Harmonischen reduziert werden.Die Form und Anordnung der Nuten im Stator und Rotor kann optimiert werden, um lokale magnetische Flussdichteschwankungen zu minimieren. Diese Schwankungen sind eine Hauptursache für Magnetostriktion.
Eine steife und resonanzarme Konstruktion des gesamten Generators ist wichtig, um die durch Magnetostriktion erzeugten Schwingungen effektiv zu dämpfen und eine Weiterleitung an das Gehäuse zu minimieren.
3. Aktive Dämpfungsmethoden (seltener in Generatoren):
Obwohl in Generatoren meist passive Maßnahmen bevorzugt werden, gibt es auch Ansätze zur aktiven Dämpfung, die jedoch komplexer sind:
*Aktive Geräusch- und Vibrationskontrolle:
In sehr speziellen Anwendungen können Sensoren Vibrationen erfassen, und Aktuatoren erzeugen Gegenschwingungen, um die durch Magnetostriktion verursachten Schwingungen zu neutralisieren.
Forschung und Entwicklung:
Der Forschungsschwerpunkt liegt weiterhin auf der Entwicklung neuer Legierungen mit noch geringerer Magnetostriktion und auf der Optimierung von Design- und Herstellungsprozessen, um magnetostriktive Effekte weiter zu minimieren und die Effizienz und Laufruhe von Generatoren zu verbessern.
Eine zunehmend wichtige Rolle in diesem Prozess spielt die multidisziplinäre Designautomatisierung, die elektromagnetische, thermische, strukturelle, rotordynamische und NVH-Aspekte (Lärm, Vibration und Rauheit) berücksichtigt.
