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Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik


Prof. Dr. rer. nat. Markus Clemens

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Zeitreihenanalyse Techniken für transiente elektro- und magneto-quasistatische Feldsimulationen

Projektnehmer:

Prof. Dr. rer. nat. Markus Clemens

Laufzeit:

01.04.2020 - 31.03.2023

Mitarbeiter:

Dr. Fotios Kasolis

Pressemitteilung

Projektbeschreibung:

Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, auf der Grundlage von Zeitreihenanalyseverfahren (Informationstheorie, nichtlineare Dynamik, statistische Methoden) verbesserte Modelordungsreduktionsverfahren für diskretisierte Modelle nichtlinearer transienter elektro- und magneto-quasistatischer Feldprobleme zu entwickeln und zu analysieren. Transiente elektro-quasistatische Feldsimulationen auf der Basis von Diskretisierungsmethoden wie z.B. der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden häufig für die Auslegung von Betriebsmitteln der elektrischen Energieübertragungstechnik eingesetzt, insbesondere bei der Verwendung von Materialien mit nichtlinearen elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften zur Steuerung der elektrischen Feldverteilungen. Transiente magnetisch-quasistatische Feldprobleme, so genannte Wirbelstromprobleme, werden oft numerisch mittels FEM-Simulationen in Konstruktionsprozessen von elektromechanischen oder elektrothermischen Energiewandlungssystemen wie z.B. elektrischen Maschinen, magnetischen Aktuatoren oder induktiven Heiz- und Ladegeräten berechnet. Hier trägt das Verhalten ferromagnetischer Materialien typischerweise zur Nichtlinearität der verwendeten FEM-Modelle bei. Da Phänomene, die mit der Zeit variieren und nichtlinearen Gesetzen unterliegen, im Allgemeinen eine komplexe, unsystematische Zeitentwicklung aufweisen können, kann die üblicherweise verwendete reduzierte Basis, die mit einer Singulärwertzerlegung z.B. in der diskreten empirischen Interpolationsmethode (DEIM), einer Variante der Proper Orthogonal Decomposition Methode (POD) zur Modellordnungsreduktion nichtlinearer Probleme, erhalten wird, aufgrund der schwachen Trennbarkeit einiger der Zeitbereichssignale versagen. In diesem Projekt sollen neuartige Modellreduktionsmethoden entwickelt werden, die auf informationstechnischen und statistischen Begriffen von Entropie und Divergenz basieren und die als Maß für den (relativen) Informationsgehalt eines Zeitsignals, hier in Form der zeitlich diskretisierten elektro- bzw. magneto-quasistatischen Feldlösung, verwendet werden. Dieser Ansatz beinhaltet die Entwicklung von Alternativen zur nicht optimalen Interpolationsknotenauswahl mit einem Greedy-Ansatz, der häufig im Rahmen nichtlinearer Modellreduktionsmethoden wie DEIM verwendet wird und in vielen Fällen zu unzuverlässigen reduzierten Modelle führt. Darüber hinaus zielt dieses Forschungsprojekt darauf ab, die Möglichkeiten der neu eingeführten Strategien, die in der nichtlinearen dynamischen Systemtheorie ihren Ursprung haben, in der transienten Signalanalyse zeitlich diskretisierter elektro- und magneto-quasistatischer Feldlösungen in FEM-Simulationen zu nutzen. Im Fokus stehen hierbei eine effektive Snapshot-Auswahl, eine automatisierte Domänenzerlegung des räumlich diskretisierten Feldproblems in Teilbereiche mit nur linearem oder schwach bzw. stark nichtlinearem Lösungsverhalten sowie mögliche Netzverfeinerungstechniken für adaptive räumlichen Diskretisierungen.

 

 

Veröffentlichungen:

F. Kasolis, M. Clemens, Entropy Snapshot Filtering for QR-based Model Reduction of Transient Nonlinear Electro-Quasistatic Simulations, IEEE Transactions on Magnetics. Early online publication. January 09, 2020, Januar 2020

F. Kasolis, M. Clemens, Information-Based Model Reduction for Nonlinear Electro-Quasistatic Problems, Journal on Computational Physics, November 2019. Early online publication, November 2019

F. Kasolis, M. Clemens Graph-based Local Refinements for the Reduction of Transient Nonlinear Electromagnetic Problems, The 13th International Conference on Scientific Computing in Electrical Engineering (SCEE 2020), 17.-20.02.2020, Eindhoven, The Netherlands. One page digest

F. Kasolis, D. Zhang; M. Clemens, Recurrent Quantification Analysis for Model Order Reduction of Nonlinear Transient Electro-Quasistatic Field Problems, 21st Edition of the International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications and 9th edition of the IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (ICEAA-IEEE APWC 2019), Granada, Spain, 9.-13.09.2019, 2019

F. Kasolis, M. Clemens, An Entropy-Based Sampling Framework for Reducing Large-Scale Nonlinear Field Problems in the Electro-Quasistatic Limit, Nineteenth Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation (CEFC 2020), 18.-22.04.2020, Pisa, Italy. One page digest, accepted, 2019

F. Kasolis, M. Clemens, Snapshot Selection Criteria for Model Order Reduction Eighteenth Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation, (CEFC 2018), 28.-31.10.2018, Hangzhou, VRC. Full paper submitted to IEEE Transactions on Magnetics, Oktober 2018