Multi-scale modeling for transformer optimization
- Reference number
- SM18-0022
- Start and end dates
- 190101-211231
- Amount granted
- 639 530 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The increase in global energy demand and call for sustainable energy production provides a challenge to the electrical grid. To efficiently transport electricity over large distances over the electrical grid, transformers are needed for sustained voltage. As an integral part of the electrical grid, the efficiency of transformers are crucial. The main goal of this project is to introduce an entirely new level of optimization, through improved computational models used to optimize transformer design. In particular, by incorporating microscopic details of the magnetization dynamics in the transformer core, materials can be tailored to minimize so-called hysteresis losses. In this project, this is achieved through a bottom up multi-scale approach: 1) Extracting microscopic information of how interatomic exchange, magnetocrystalline anisotropy and spin-stiffness is affected by microstructure from quantum mechanical calculations. 2) Using the information in atomistic spin-dynamics simulations, where magnetic domain-wall dynamics is accessible. Allowing us to investigate where energy losses occur on the nano-scale. 3) Incorporating the effective permeability, depending on the material microstructure as mapped out by the previous two steps, in existing classical models currently used to optimize transformer design. The results are expected to connect transformer design to electro-steel manufacturing, enabling a previously inaccessible level of optimization.
Popular science description
Den ökande globala efterfrågan på energi, samt de ökade kraven på hållbara energikällor som medför distribuerad produktion, ställer nya krav på distributionsnätet. För att effektivt transportera elektricitet över stora avstånd krävs transformatorer för att upprätthålla spänningen i nätet. Effektiviteten hos transformatorerna är alltså av yttersta vikt för en effektiv eldistribution. För att skapa effektiva transformatorer används ofta en magnetisk kärna, som förstärker det magnetiska fält som induceras av strömmen i den primära ledaren. Det förstärkta fältet inducerar en kraftigare ström i sekundärledaren än vad man skulle haft utan kärnan. En stor källa till effektförluster i transformatorn är så kallade hystereseffekter, som uppkommer då den magnetiska kärnan i transformatorn ska växla riktning på det interna magnetiska fältet. I dagsläget används elektroplåt, ett specialmaterial som ska minska hysteresförlusterna. Vid designen av en transformator optimeras också den makroskoposka geometrin för att för att hålla nere effektförluster. Just hysteresförluster är av stor vikt att minimera, då dom belastar strömkällan även om inte transformatorn själv driver någonting, det uppstår alltså passiva effektförluster. Huvudsyftet med det här projektet är att möjliggöra nya optimeringsformer för transformatorerna genom att tillgängliggöra materialens mikrostruktur och magnetiseringsdynamik i de modeller som används för att optimera transformatorerna. På så sätt kan transformatortillverkare som ABB samverka bättre med materialproducenter och arbeta fram transformatorer med mindre effektförluster. I det här projektet görs det genom en så kallad multi-skal metod, där fysikaliska fenomen som spänner 10 storleksordningar i längdskala vävs samman. De minsta längdskalorna som behandlas är på atom-nivå, där används kvantmekaniska modeller för att beskriva hur magnetismen förändras beroende på materialsammansättning, temperatur och externa magnetiska fält. Den erhållna karaktäristiken kan sen användas för att studera hur materialens mikrostruktur påverkar de förluster som uppstår när materialets magnetism byter riktning. Härifrån kan sedan härledas klassiska parametrar som i detalj beror på materialets mikrostruktur, temperatur och yttre magnetfält, som kan användas i existerande optimeringsmjukvara för att behandla fullskaliga transformatorer.