Master's Thesis

Structured magnetic circuit with low losses manufactured by 3D metal printing method

Final Thesis 5.76 MB Appendix 14.03 MB

Author of thesis: Bc. Vojtěch Rosecký

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Michal Kubík, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D.

Abstract:

This master’s thesis focuses on the design of a structured magnetic circuit manufactured using PBF-LB technology in order to reduce eddy current losses. The thesis also describes the influence of geometric and operating parameters on the resulting properties of the magnetic circuit and develops a methodology for designing structures for additively manufactured magnetic circuits.
The solution is based on numerical simulations of the magnetic field and on the development of a custom element-based method enabling systematic comparison of individual structures. Two geometric element concepts were tested: square and hexagonal structures. The study evaluates the influence of element size, connection method, insulation, and frequency on eddy current losses and average magnetic induction.
Based on the obtained results, advantageous geometric structures exhibiting low eddy current losses while maintaining the required magnetic induction were identified. Relationships between structure size, frequency, and magnetic circuit efficiency were determined. Selected structures were applied to a toroidal core, optimized for printing, and experimentally tested. Preliminary toroidal samples made of FeCo powder were also printed and tested before and after heat treatment.
The main contribution of the thesis lies in a systematic approach to the design of magnetic circuit structures for additive manufacturing and in the development of a methodology enabling efficient evaluation of structures from the perspective of electromagnetic properties. The acquired findings may be applied in the design of electrical devices with high demands on efficiency.

Keywords:

structured magnetic circuit, eddy current loss, FeCo, PBF-LB

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaEznamka

Grading

E

Process of defence

Student prezentoval výsledky své závěrečné práce a zodpověděl následující otázky oponenta: Otázka č. 1: Mohl by autor podrobněji popsat „metodu elementů“ použitou pro numerické simulace, jaký je rozdíl mezi touto metodou a využitím reprezentativního objemového prvku? - ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO; Otázka č. 2: Při experimentech byl uvnitř strukturovaných toroidů nezpracovaný prášek? Neovlivní tato skutečnost výrazně pozitivní efekt vnitřních struktur? - ZODPOVĚZENO; prof. Hutař: Co tedy reprezentuje použitý element ve vztahu k celé struktuře? - ZODPOVĚZENO; prof. Hutař: Může to být jeden z důvodů, proč neseděl numerický model s experimentem? - ZODPOVĚZENO; prof. Hutař: Nebylo by vhodné zahrnout nezpracovaný prášek i do numerického modelu? - NEZODPOVĚZENO; doc. Maňas: Metodika je postavená na metodě elementů. Jak jste ověřil, že element se chová tak, jako by se choval v reálu? - ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO; doc. Maňas: Když jste skládal strukturu z elementů dohromady, měl jste pod kontrolou okrajové podmínky? - ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO; doc. Mazůrek: Zkuste vysvětlit metodu elementů a co to přináší oproti konzervativním současným metodám? - NEZODPOVĚZENO; doc. Mazůrek: Mají současné metody řešení nějaký nedostatek? - ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO; doc. Mazůrek: Můžeme mít jádro s profilem jednorožce, proč ho musím rozsegmentovat? - ČÁSTEČNĚ ZODPOVĚZENO; Dr. Čermák: Čím se projeví ztráty? - ZODPOVĚZENO; Dr. Čermák: A jsou i jiné projevy než ohřívání? - ZODPOVĚZENO

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Michal Hajžman, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Čermák, Ph.D., MBA (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Michal Kubík, Ph.D.

Student byl poměrně aktivní, svéhlavý a dle mého názoru postrádá kritické myšlení a praktické uvažování. Za zásadní považuji skutečnost, že student nedokázal dostatečně rozlišovat mezi podstatnými a méně podstatnými aspekty řešené problematiky.

Výrazně se to projevilo zejména při tvorbě numerického magnetického modelu. Student vygeneroval více než 1 TB výsledků pro různé varianty modelu, avšak nevěnoval dostatečnou pozornost ověření jeho správnosti. Numerický model vykazoval odlišné trendy i absolutní hodnoty ve srovnání s analytickým modelem, a to již na velmi jednoduché geometrii lamely, kde by bylo možné očekávat rozdíly pouze v jednotkách procent. Na tento problém jsem studenta opakovaně upozorňoval. Přesto v práci uvádí následující závěr: „Vzhledem k řádové podobnosti hodnot lze předpokládat, že numerický model je v pořádku.“ Tento způsob argumentace ve mně nevzbuzoval dostatečnou důvěru ve věrohodnost vytvořeného modelu.

Za další významný nedostatek považuji skutečnost, že student neprovedl porovnání výsledků numerického modelu s experimentálními daty. Na základě údajů uvedených v práci jsem se o toto porovnání pokusil sám a zjistil jsem velmi výrazný rozdíl mezi výsledky modelu a měřením. Zatímco model predikoval ztráty přibližně (hrubý odhad) 24 W/kg, experimentálně byla stanovena hodnota přibližně 160 W/kg. Tento rozdíl podle mého názoru potvrzuje, že vytvořený model nebyl dostatečně validován a jeho vypovídací schopnost je omezená.

Výhrady mám rovněž k textové části práce. Struktura práce nepůsobí dostatečně logicky a jednotlivé kapitoly na sebe často nenavazují. V některých částech bylo obtížné sledovat studentovu argumentaci a porozumět zamýšlenému sdělení, a to i přesto, že se dané problematice věnuji dlouhodobě. Za problematické považuji také používání různých jednotek pro vyjadřování ztrát v jednotlivých částech práce (W/kg, W/cm³ a J/cm³), což významně ztěžuje vzájemné porovnávání výsledků a jejich interpretaci.

Celkově hodnotím práci jako výrazně podprůměrnou. Na druhou stranu oceňuji, že student provedl experimentální měření a zpracoval získaná data. S ohledem na uvedené skutečnosti navrhuji výsledné hodnocení stupněm E.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání D
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod E
Vlastní přínos a originalita E
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry E
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii F
Logické uspořádání práce a formální náležitosti E
Grafická, stylistická úprava a pravopis E
Práce s literaturou včetně citací D
Samostatnost studenta při zpracování tématu C

Grade proposed by supervisor: E

Reviewer’s report
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D.

Předložená práce, která vznikla pod vedením doc. Michala Kubíka si klade za cíl navrhnout strukturovaný magnetický obvod vyrobitelný pomocí technologie 3D tisku z kovového prášku za účelem omezení ztrát vířivými proudy. Cíle práce jsou zajímavé a využití technologie PBF-LB pro vytvoření vnitřních struktur v magneticky měkkém materiálu je určitě aktuální téma, které míří k vyšší účinnosti magnetických obvodů.

Samotná práce se dělí na 7 hlavních kapitol. Po stručném úvodu následuje kapitola, která shrnuje současný stav poznání. Tato kapitola neobsahuje moc odkazů na relevantní literaturu (celkem je v práci odkazováno pouze na 11 literárních pramenů). Navíc jsou výsledky v literatuře popsány poměrně stručně, bez hlubší diskuse. Po rešeršní části jsou definovány cíle práce, diplomová práce cílí na vývoj nové struktury pro aditivně vyráběný magnetický obvod ve tvaru toroidu. Autor slibuje systematický přístup a obecnou metodiku návrhu podobných struktur. Následující kapitola „Koncepční návrh“ popisuje metodiku řešení. Mimo jiné zde autor představuje tzv. metodu elementů, což je jeden ze stavebních kamenů jeho numerického modelování. Výsledný numerický model pak vzniká spojením jednotlivých elementů. Metodu by bylo dobré podrobněji vysvětlit zejména z pohledu okrajových podmínek mezi elementy. V další kapitole jsou popsány podrobně jak experimenty, tak numerické modelování včetně většiny výsledků. Experimentálně je testovaný toroid vyroben z materiálu „FeCo“, z čehož není jasné, o jaký materiál přesně jde. Materiál je testován před a po doporučeném tepelném zpracování, které má evidentně výraznější vliv na sledované vlastnosti než geometrické úpravy buněk. Je tedy otázkou, jestli má smysl materiál používat bez doporučeného tepelného zpracování. Ve výsledném porovnání numerického modelu s experimentem nedošlo k dobré shodě. Sám autor shrnuje několik důvodů, proč není numerický model dobře srovnatelný s experimentem. V celém textu popisujícím výsledky se těžko orientuje a je to spíše představení různých výsledků než konzistentní popis vedoucí k finálnímu řešení. Samotná metodika návrhu struktury popsaná na straně 73 je poměrně triviální. Co oceňuji je alespoň shrnutí poznatků, které je třeba vzít v potaz, nicméně je škoda, že se nepromítly do výše zmíněné metodiky. Poslední kapitolou je shrnující závěr.

Celá práce je psána poměrně obecně, bez hlubšího popisu souvislostí a vysvětlení jednotlivých kroků. Práce obsahuje také řadu nepřesností v textu. Nicméně přes výhrady popsané výše doporučuji práci k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání D
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod D
Vlastní přínos a originalita D
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry E
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii E
Logické uspořádání práce a formální náležitosti D
Grafická, stylistická úprava a pravopis D
Práce s literaturou včetně citací D
Topics for thesis defence:
  1. Při experimentech byl uvnitř strukturovaných toroidů nezpracovaný prášek? Neovlivní tato skutečnost výrazně pozitivní efekt vnitřních struktur?
  2. Mohl by autor podrobněji popsat „metodu elementů“ použitou pro numerické simulace, jaký je rozdíl mezi touto metodou a využitím reprezentativního objemového prvku?

Grade proposed by reviewer: D

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová