DE102014203526A1 - Method for determining a design of a magnet arrangement, magnet arrangement and electrical machine - Google Patents

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Abstract

Ein verlässliches Verfahren (100), optimierend eine magnetische und/oder mechanische Gestaltung einer permanentmagnetischen Werkstoff (210, 310) aufweisenden Magnetanordnung (200, 300), insbesondere für elektrische Maschinen, für gesteigerte Kraftwirkung, Effizienz bzw. Leistungsfähigkeit, umfasst: Festlegen einer Anfangsgestaltung (201, 301) der Magnetanordnung in einem vorgegebenen Raumbereich (202, 302), Gliedern von Raumbereich einschließlich Magnetanordnung in ein eine Anzahl von Zellen (209) aufweisendes Finite-Elemente-Modell, Festlegen magnetischer und/oder mechanischer Eigenschaften jeder Zelle als Optimierungsparameter, Festlegen einer eine magnetische und/oder mechanische Eigenschaft der Magnetanordnung in Abhängigkeit von den magnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften der Zellen beschreibenden Zielfunktion für Magnetanordnung und Raumbereich, Bildung eines Gradienten der Zielfunktion nach allen Optimierungsparametern, Bestimmen von Werten aller Optimierungsparameter bei einem Extremwert der Zielfunktion, Glätten von Konturen von Zellen und/oder Gruppen aneinander angrenzender Zellen durch Anpassen der Werte der Optimierungsparameter benachbarter Zellen und/oder Gruppen von Zellen aneinander, sowie Bilden der daraus resultierenden magnetischen und/oder mechanischen Gestaltung der Magnetanordnung.A reliable method (100) optimizing a magnetic arrangement (200, 300) having a magnetic and / or mechanical design of a permanent magnet material (210, 310), in particular for electrical machines, for increased force action, efficiency, comprises: determining an initial design (201, 301) of the magnet arrangement in a given spatial area (202, 302), dividing the spatial area including magnet arrangement into a finite element model having a number of cells (209), determining magnetic and / or mechanical properties of each cell as optimization parameter, Defining a target function for magnet arrangement and spatial area describing a magnetic and / or mechanical property of the magnet arrangement as a function of the magnetic and / or mechanical properties of the cells, forming a gradient of the objective function after all optimization parameters, determining values of all optimization parameters at an extreme value of the objective function, smoothing contours of cells and / or groups of adjacent cells by adjusting the values of the optimization parameters of adjacent cells and / or groups of cells to each other, and forming the resulting magnetic and / or mechanical design of the magnet assembly.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Gestaltung einer Magnetanordnung. The invention relates to a method for determining a design of a magnet arrangement.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine gemäß einem derartigen Verfahren gestaltete Magnetanordnung sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Magnetanordnung. The invention further relates to a magnet arrangement designed in accordance with such a method and to an electrical machine having such a magnet arrangement.

Stand der Technik State of the art

Aus der Druckschrift DE 698 23 239 T2 ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor mit einem drehbar angeordneten Rotor mit einem Rotoreisenkern und in der Nähe des Außenumfangsrandes des Rotoreisenkerns angeordneten Permanentmagneten bekannt. Die Permanentmagnete weisen je einen Hauptmagnetpolabschnitt und Hilfspolabschnitte auf. Die Hilfspolabschnitte sind an Magnetpolendabschnitten mit je einem der Hauptmagnetpolabschnitte integral ausgebildet und auf die gleiche Polarität polarisiert wie der Hauptmagnetpolabschnitt, so dass die magnetischen Wege an den Magnetpolendabschnitten durch die aus den Hilfspolabschnitten herausfließenden magnetischen Flüsse gesättigt sind. Insbesondere weisen die Hilfspolabschnitte schräge Abschnitte auf. In mehreren Abschnitten in der Umfangsrichtung des Rotoreisenkerns sind den Permanentmagneten angepasste Öffnungen mit schrägen Abschnitten ausgebildet. Die Permanentmagnete sind in den Öffnungen einzeln angeordnet und werden durch die schrägen Abschnitte gehalten. From the publication DE 698 23 239 T2 is a permanent magnet synchronous motor with a rotatably mounted rotor with a rotor iron core and arranged in the vicinity of the outer peripheral edge of the rotor iron core permanent magnet known. The permanent magnets each have a main magnetic pole section and auxiliary pole sections. The auxiliary pole portions are integrally formed at magnetic pole end portions each having one of the main magnetic pole portions and polarized to the same polarity as the main magnetic pole portion, so that the magnetic paths at the magnetic pole end portions are saturated by the magnetic fluxes flowing out of the auxiliary pole portions. In particular, the auxiliary pole sections have oblique sections. In several sections in the circumferential direction of the rotor iron core, the permanent magnet adapted openings are formed with oblique sections. The permanent magnets are arranged individually in the openings and are held by the oblique sections.

Aus der Druckschrift DE 10 2008 032 172 A1 ist eine Permanentmagnet-Elektromaschine bekannt, die eine optimale Effizienz im Motor-Betriebsmodus aufweisen soll und insbesondere für eine Verwendung in einem Antriebsstrang eines Hybrid-Elektrofahrzeuges ausgelegt ist. In einem Rotor der Permanentmagnet-Elektromaschine wird ein asymmetrisches Verteilungsmuster eines magnetischen Flusses erzeugt. Dies soll zu einer Verbesserung der Betriebseffizienz der Permanentmagnet-Elektromaschine führen, wenn sich diese in einem Motor-Betriebsmodus befindet. Im Einzelnen sind dazu ein Rotor und ein elektrische Statorwicklungen aufweisender Stator vorgesehen. Eine Mehrzahl von Magneten ist in den Rotor in unmittelbarer Nähe zu den Statorwicklungen eingebettet. Im Rotor vorgesehene, im Wesentlichen dreieckig ausgebildete Öffnungen dienen einem diese durchströmenden Kühlmedium und/oder einer Gewichtsreduzierung. Die Statorwicklungen und die Magnete erzeugen jeweils derart miteinander in Wechselwirkung stehende Verteilungsmuster des magnetischen Flusses, dass zwischen jeder Öffnung und einem angrenzenden Magneten ein resultierendes Flussströmungsmuster ausgebildet wird. Durch die im Wesentlichen dreieckige Form der Öffnungen wird eine Minimierung einer mittleren Flusssättigung des magnetischen Flusses pro Rotorlängeneinheit in Bereichen auf dem Rotor zwischen den Magneten und den Öffnungen ermöglicht und eine Rotationsmasse des Rotors reduziert. From the publication DE 10 2008 032 172 A1 For example, a permanent magnet electric machine is known which is said to have optimum efficiency in the engine operating mode and is particularly designed for use in a powertrain of a hybrid electric vehicle. In a rotor of the permanent magnet electric machine, an asymmetrical distribution pattern of a magnetic flux is generated. This is to improve the operating efficiency of the permanent magnet electric machine when it is in an engine operating mode. In detail, a rotor and a stator having electrical stator windings are provided for this purpose. A plurality of magnets are embedded in the rotor in close proximity to the stator windings. Provided in the rotor, substantially triangular openings designed for this flowing through a cooling medium and / or a weight reduction. The stator windings and the magnets each produce such mutually interacting magnetic flux distribution patterns that a resultant flux flow pattern is formed between each aperture and an adjacent magnet. The substantially triangular shape of the openings minimizes mean flux saturation of the magnetic flux per rotor length unit in areas on the rotor between the magnets and the openings and reduces rotational mass of the rotor.

Eine weitere Optimierung der magnetischen Flussdichte in Bereichen des Rotors zwischen den Öffnungen und den Magneten unter Verbesserung der Effizienz bei Betreiben der Maschine in einem Motor-Betriebsmodus soll gemäß den Ausführungen in der Druckschrift DE 10 2008 032 172 A1 dadurch erzielt werden, dass die Öffnungen in Bezug auf angrenzende Paare von Magneten asymmetrisch angeordnet sind. Nach einer anderen dort beschriebenen Maßnahme sind eine Mehrzahl benachbart angeordneter Paare von Magneten vorgesehen und eine an jedes Paar angrenzende Öffnung asymmetrisch in Bezug auf eine Symmetrielinie, welche durch eine geometrische Mitte der Öffnung verläuft, angeordnet. Dabei ist eine Spitze einer im wesentlichen dreieckförmigen Öffnung bogenförmig gegenüber der Symmetrielinie versetzt, wodurch die effektive Flusssättigung in dem Flussströmungspfad zwischen der Öffnung und einem angrenzenden Magneten unter Verbesserung der Effizienz bei Betreiben der Maschine in einem Motor-Betriebsmodus optimiert werden soll. Auch soll ein asymmetrischer elektrischer Flussströmungspfad um die Öffnungen herum dadurch aufgebaut werden, dass eine Mehrzahl benachbarter Paare von Magneten symmetrisch in Bezug auf eine radiale Symmetrielinie angeordnet ist, wobei die Öffnungen asymmetrisch in Bezug auf die Symmetrielinie angeordnet sind. Ferner soll dadurch ein Flussströmungsmuster optimaler Flussdichte in Bereichen des Rotors zwischen den Öffnungen und benachbarten Magneten während des Betriebs der Maschine in einem Motor-Betriebsmodus aufgebaut werden, dass die in Mehrzahl vorhandenen benachbarten Paare von Magneten symmetrisch in Bezug auf eine radiale Symmetrielinie angeordnet sind, wobei die Öffnungen asymmetrisch in Bezug auf die Symmetrielinie versetzt sind. Gemäß einer weiteren Maßnahme sind die Paare von Magneten asymmetrisch in Bezug auf eine radiale Symmetrielinie angeordnet, welche sich zwischen den Magneten der Paare erstreckt, wodurch die Flussdichte in Bereichen des Rotors zwischen den Öffnungen und den Magneten unter Verbesserung der Effizienz bei Betreiben der Maschine in einem Motor-Betriebsmodus optimiert werden soll. A further optimization of the magnetic flux density in areas of the rotor between the openings and the magnets to improve the efficiency in operating the engine in an engine operating mode according to the statements in the document DE 10 2008 032 172 A1 be achieved in that the openings are arranged asymmetrically with respect to adjacent pairs of magnets. According to another measure described therein, a plurality of adjacently arranged pairs of magnets are provided and an opening adjacent each pair is arranged asymmetrically with respect to a line of symmetry passing through a geometric center of the opening. In this case, a tip of a substantially triangular-shaped opening is offset arcuately with respect to the symmetry line, whereby the effective liquid saturation in the flow flow path between the opening and an adjacent magnet is to be optimized to improve the efficiency in operating the engine in an engine operating mode. Also, an asymmetrical electrical flow flow path around the openings is to be constructed by arranging a plurality of adjacent pairs of magnets symmetrically with respect to a radial line of symmetry, the openings being arranged asymmetrically with respect to the line of symmetry. It is also intended to construct a flow flow pattern of optimum flux density in areas of the rotor between the openings and adjacent magnets during operation of the machine in a motor operating mode such that the plurality of adjacent pairs of magnets are symmetrically disposed with respect to a radial line of symmetry the openings are offset asymmetrically with respect to the line of symmetry. According to another measure, the pairs of magnets are arranged asymmetrically with respect to a radial symmetry line extending between the magnets of the pairs, whereby the flux density in areas of the rotor between the openings and the magnets to improve the efficiency in operating the machine in a Motor operating mode should be optimized.

Bei den bekannten Permanentmagnet-Elektromaschinen werden Permanentmagnete zumindest im Wesentlichen quaderförmig mit vollständig geschlossenem Querschnitt eingesetzt. So zeigt die Druckschrift DE 10 2008 032 172 A1 einen Magneten, der einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist. In the known permanent magnet electric machines permanent magnets are used at least substantially parallelepiped with completely closed cross-section. This is how the document shows DE 10 2008 032 172 A1 a magnet having a rectangular cross section.

Für innovative elektrische Antriebe mit Permanentmagnet-Synchronmotoren sind Permanentmagnete vorgesehen, die eine sehr hohe Magnetisierung aufweisen und mit besonderen, sehr kostspieligen Werkstoffen ausgebildet sind. Daher machen herkömmlich gestaltete Permanentmagnete einen schwerwiegenden Kostenanteil derartiger Antriebe bzw. Motoren aus. Eine weitere Verbesserung der Effizienz bzw. Leistungsfähigkeit der Permanentmagnet-Synchronmotoren ist, wie die zahlreichen in der Druckschrift DE 10 2008 032 172 A1 beschriebenen Einzelmaßnahmen zeigen, mit aufwendigen Optimierungen einzelner Parameter der Motoren, d.h. einzelner Merkmale, Gestaltungen und Abmessungen, verbunden. Dabei ist erforderlich, sowohl elektrische und magnetische als auch mechanische Eigenschaften der Motoren zu optimieren. Insbesondere konnte dabei noch keine Konstruktion gefunden werden, die zu einer deutlichen Verminderung der Kosten für die Permanentmagnete geführt hätte. For innovative electric drives with permanent magnet synchronous motors permanent magnets are provided, which have a very high magnetization and are formed with special, very expensive materials. Therefore, conventionally designed permanent magnets make a serious cost share of such drives or motors. A further improvement in the efficiency or performance of the permanent magnet synchronous motors, as the numerous in the document DE 10 2008 032 172 A1 show individual measures, with elaborate optimizations of individual parameters of the motors, ie individual features, designs and dimensions connected. It is necessary to optimize both electrical and magnetic and mechanical properties of the engines. In particular, no construction could be found that would have led to a significant reduction in the cost of the permanent magnets.

Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile DESCRIPTION OF THE INVENTION: Problem, Solution, Advantages

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein verlässliches, systematisches Verfahren zu schaffen, mit dem Permanentmagnete bzw. permanentmagnetischen Werkstoff enthaltende Magnetanordnungen, insbesondere für elektrische Antriebe mit Permanentmagnet-Synchronmotoren der beschriebenen Art, in ihrer Gestaltung gezielt weiter optimiert, d.h. für eine weitere Steigerung ihrer Kraftwirkung und damit insbesondere für eine weitere Verbesserung der Effizienz bzw. Leistungsfähigkeit der Permanentmagnet-Synchronmotoren gestaltet werden können. The invention has the object to provide a reliable, systematic method, with the permanent magnets or permanent magnetic material containing magnet assemblies, in particular for electric drives with permanent magnet synchronous motors of the type described, specifically further optimized in their design, i. be designed for a further increase in their power and thus in particular for a further improvement in the efficiency or performance of permanent magnet synchronous motors.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen einer magnetischen und/oder mechanischen Gestaltung einer wenigstens mit permanentmagnetischem Werkstoff ausgebildeten Magnetanordnung, insbesondere für eine elektrische Maschine, umfassend die Verfahrensschritte:

  • i. in einem ersten Verfahrensschritt Festlegen einer Anfangsgestaltung der Magnetanordnung in einem vorgegebenen Raumbereich,
  • ii. in einem zweiten Verfahrensschritt Gliedern des vorgegebenen Raumbereichs einschließlich der darin enthaltenen Magnetanordnung in ein eine Anzahl von Zellen aufweisendes Finite-Elemente-Modell,
  • iii. in einem dritten Verfahrensschritt Festlegen vorgebbarer magnetischer und/oder mechanischer Eigenschaften für jede einzelne der Zellen des Finite-Elemente-Modells als Optimierungsparameter,
  • iv. in einem vierten Verfahrensschritt Festlegen einer Zielfunktion für die Magnetanordnung und den vorgegebenen Raumbereich, wobei die Zielfunktion eine magnetische und/oder mechanische Eigenschaft der Magnetanordnung in Abhängigkeit von den vorgebbaren magnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften der Zellen des Finite-Elemente-Modells beschreibt,
  • v. in einem fünften Verfahrensschritt Bildung eines Gradienten der Zielfunktion nach den Optimierungsparametern aller Zellen,
  • vi. in einem sechsten Verfahrensschritt Bestimmen von Werten für die Optimierungsparameter aller Zellen, bei denen die Zielfunktion einen Extremwert annimmt,
  • vii. in einem siebten Verfahrensschritt Glätten von Konturen von Zellen und/oder von Gruppen, die eine vorgebbare Anzahl aneinander angrenzender Zellen umfassen, durch Anpassen der im Verfahrensschritt vi bestimmten Werte der Optimierungsparameter einzelner der Zellen und/oder einzelner Zellen der Gruppen von Zellen an Werte der Optimierungsparameter weiterer, den Zellen und/oder Gruppen von Zellen benachbarter Zellen und/oder Gruppen von Zellen, sowie
  • viii. in einem achten Verfahrensschritt Bilden der daraus resultierenden magnetischen und/oder mechanischen Gestaltung der Magnetanordnung.
This object is achieved by a method for determining a magnetic and / or mechanical design of a magnet arrangement formed at least with permanent-magnetic material, in particular for an electrical machine, comprising the method steps:
  • i. in a first method step, determining an initial design of the magnet arrangement in a predetermined spatial area,
  • ii. in a second method step, dividing the predetermined spatial area including the magnet arrangement contained therein into a finite element model having a number of cells,
  • iii. in a third method step, defining predefinable magnetic and / or mechanical properties for each of the cells of the finite element model as an optimization parameter,
  • iv. in a fourth method step, specifying a target function for the magnet arrangement and the predefined spatial area, the objective function describing a magnetic and / or mechanical property of the magnet arrangement as a function of the predeterminable magnetic and / or mechanical properties of the cells of the finite element model,
  • v. in a fifth method step, formation of a gradient of the objective function according to the optimization parameters of all cells,
  • vi. in a sixth method step, determining values for the optimization parameters of all cells in which the objective function assumes an extreme value,
  • vii. in a seventh method step, smoothing contours of cells and / or groups comprising a predeterminable number of contiguous cells by adapting the values of the optimization parameters of individual cells and / or individual cells of the groups of cells determined in method step vi to values of the optimization parameters another, the cells and / or groups of cells of adjacent cells and / or groups of cells, as well as
  • viii. in an eighth method step, forming the resulting magnetic and / or mechanical design of the magnet assembly.

Als Anfangsgestaltung wird bevorzugt eine einfache, aus Erfahrung gewonnene Gestaltung einer zu optimierenden Magnetanordnung festgelegt. Diese weist in einem vorgebbaren Raumbereich eine bestimmte räumliche Verteilung eines permanentmagnetischen Werkstoffs mit einer bestimmten räumlichen Verteilung einer Magnetisierung, d.h. eines durch den permanentmagnetischen Werkstoff hervorgerufenen magnetischen Feldes bzw. Flusses, auf. As an initial design, preference is given to defining a simple configuration of a magnet arrangement to be optimized, which has been gained from experience. In a predeterminable spatial region, this has a certain spatial distribution of a permanent magnetic material with a specific spatial distribution of a magnetization, i. a magnetic field or flux caused by the permanent magnetic material.

Weiterhin ist wahlweise ein magnetisch leitender Werkstoff, d.h. ein Werkstoff mit einem hohen Wert seiner relativen magnetischen Permeabilitätskonstanten, z.B. Eisen, mit einer diesem zugeordneten räumlichen Verteilung in dem vorgebbaren Raumbereich vorhanden. In einer Abwandlung können mehrere permanentmagnetische Werkstoffe bzw. mehrere magnetisch leitende Werkstoffe mit je einer zugeordneten räumlichen Verteilung in dem vorgebbaren Raumbereich vorgesehen sein, oder die magnetischen Eigenschaften der Werkstoffe können innerhalb ihrer räumlichen Verteilungen vorgebbar variieren. Abschnitte des vorgebbaren Raumbereichs, in denen weder permanentmagnetische noch magnetisch leitende Werkstoffe vorgesehen sind, werden als magnetisch nichtleitend, d.h. mit einem Wert ihrer relativen magnetischen Permeabilitätskonstanten von wenigstens nahezu Eins, wie z.B. Luft oder Vakuum, vorausgesetzt. Außerdem umfasst die Anfangsgestaltung zugeordnet zu den räumlichen Verteilungen der vorgenannten Werkstoffe im vorgebbaren Raumbereich vorteilhaft auch eine räumliche Verteilung mechanischer Eigenschaften dieser Werkstoffe, z.B. deren Gewicht und Zugfestigkeit. Furthermore, optionally a magnetically conductive material, ie a material with a high value of its relative magnetic permeability constants, eg iron, with a spatial distribution associated therewith in the predeterminable spatial region is present. In a modification, a plurality of permanent-magnetic materials or a plurality of magnetically conductive materials, each with an associated spatial distribution, may be provided in the predeterminable spatial region, or the magnetic properties The materials can vary within their spatial distributions specifiable. Sections of the predeterminable space range in which neither permanent-magnetic nor magnetically conductive materials are provided are assumed to be magnetically nonconductive, ie having a value of their relative magnetic permeability constants of at least nearly one, such as air or vacuum. In addition, the initial design assigned to the spatial distributions of the abovementioned materials in the predeterminable spatial area advantageously also includes a spatial distribution of mechanical properties of these materials, eg their weight and tensile strength.

Das im zweiten Verfahrensschritt vorgenommene Gliedern des vorgegebenen Raumbereichs einschließlich der darin enthaltenen Magnetanordnung in die Zellen eines Finite-Elemente-Modells erfolgt insbesondere unter Berücksichtigung von Grenzen zwischen den einzelnen räumlichen Verteilungen der unterschiedlichen Werkstoffe. Derartige Zellen sind in einer bevorzugten Ausbildung viereckig bzw. räumlich betrachtet hexaedrisch geformt. Damit lassen sich den einzelnen Zellen die unterschiedlichen magnetischen bzw. mechanischen Eigenschaften der Anfangsgestaltung einfach zuordnen. In the second method step, the predetermined spatial area, including the magnet arrangement contained therein, is divided into the cells of a finite element model taking into account, in particular, boundaries between the individual spatial distributions of the different materials. Such cells are hexahedral shaped in a preferred embodiment quadrangular or spatially viewed. This makes it easy to assign the individual cells the different magnetic or mechanical properties of the initial design.

Für jede einzelne dieser Zellen des Finite-Elemente-Modells werden im dritten Verfahrensschritt die vorgegebenen magnetischen bzw. mechanischen Eigenschaften gemäß der vorbeschriebenen Anfangsgestaltung festgelegt. Diese magnetischen bzw. mechanischen Eigenschaften der einzelnen Zellen bilden für die nachfolgenden Verfahrensschritte Optimierungsparameter des Finite-Elemente-Modells, d.h. dass die beabsichtigte Optimierung der Magnetanordnung bzw. ihrer Gestaltung durch Variation der Optimierungsparameter vorgenommen wird. Zu den Optimierungsparametern zählen auch Werkstoffeigenschaften der vorbezeichneten Werkstoffe wie magnetische Permeabilität, Magnetisierung nach Betrag und räumlicher Ausrichtung und mechanische Festigkeit. For each of these cells of the finite element model, the predetermined magnetic or mechanical properties are determined according to the above-described initial design in the third method step. These magnetic or mechanical properties of the individual cells form optimization parameters of the finite element model for the subsequent method steps, i. the intended optimization of the magnet arrangement or its design is carried out by varying the optimization parameters. The optimization parameters also include material properties of the aforementioned materials, such as magnetic permeability, magnetization according to magnitude and spatial orientation, and mechanical strength.

Durch das Festlegen der Zielfunktion für die Magnetanordnung und den vorgegebenen Raumbereich im vierten Verfahrensschritt wird das Ziel der angestrebten Optimierung der Magnetanordnung bestimmt. Die Zielfunktion beschreibt allgemein eine magnetische bzw. mechanische Eigenschaft der Magnetanordnung oder eine Kombination beider Eigenschaften in Abhängigkeit von den vorgegebenen magnetischen bzw. mechanischen Eigenschaften der Zellen des Finite-Elemente-Modells. Die Zielfunktion ist somit eine Funktion vorzugsweise der vorgegebenen magnetischen und mechanischen Eigenschaften der Zellen des Finite-Elemente-Modells in Kombination, so dass durch die angestrebte Optimierung sowohl eine magnetische und zugleich eine mechanische Optimierung kombiniert vorgenommen werden. Dies ist ein besonders vorteilhaftes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens, weil es einen wesentlich direkteren, gestrafften und verkürzten Verfahrensablauf ermöglicht im Vergleich zu einer Ausbildung einer Zielfunktion mit entweder ausschließlich magnetischen oder ausschließlich mechanischen Eigenschaften. Im letzteren Fall wird z.B. eine Optimierung der magnetischen Eigenschaften noch keine endgültige Gestaltung der Magnetanordnung liefern können, sondern es muss erst noch eine Optimierung der mechanischen Eigenschaften nachfolgend angeschlossen werden. Da durch diese aber in aller Regel die magnetischen Eigenschaften verändert und somit die optimale magnetische Gestaltung wieder verlassen wird, müsste sich eine weitere, nochmalige, erneute Optimierung der magnetischen Eigenschaften anschließen, der wiederum eine weitere Optimierung der mechanischen Eigenschaften folgen würde, usw. Diese wiederholten, wechselseitigen Optimierungsdurchläufe können durch die Festlegung der Zielfunktion als Funktion der vorgegebenen magnetischen und mechanischen Eigenschaften vermieden werden. By setting the target function for the magnet arrangement and the predetermined spatial area in the fourth method step, the goal of the desired optimization of the magnet arrangement is determined. The objective function generally describes a magnetic or mechanical property of the magnet arrangement or a combination of both properties in dependence on the predetermined magnetic or mechanical properties of the cells of the finite element model. The objective function is thus a function preferably of the predetermined magnetic and mechanical properties of the cells of the finite element model in combination, so that both a magnetic and a mechanical optimization are combined by the desired optimization. This is a particularly advantageous feature of the method according to the invention, because it allows a much more direct, streamlined and shortened process sequence compared to a formation of an objective function with either exclusively magnetic or exclusively mechanical properties. In the latter case, e.g. An optimization of the magnetic properties can not provide a final design of the magnet arrangement, but it must first be followed by an optimization of the mechanical properties subsequently. However, since this usually changes the magnetic properties and thus leaves the optimal magnetic design again, a further, repeated, re-optimization of the magnetic properties would have to follow, which would in turn be followed by further optimization of the mechanical properties, etc. These repeated Mutual optimization runs can be avoided by defining the target function as a function of the given magnetic and mechanical properties.

Als Beispiel für die vorbeschriebene Ausbildung wird die Magnetisierung des permanentmagnetischen Werkstoffs als magnetische Eigenschaft und die mechanische Festigkeit, vorteilhaft die Zugfestigkeit, des permanentmagnetischen Werkstoffs als mechanische Eigenschaft je einer der Zellen des Finite-Elemente-Modells vorgegeben. Die Zielfunktion ist bzw. umfasst dann z.B. die magnetische Kraft der Magnetanordnung bzw. die abgegebene Leistung bzw. das abgegebene Drehmoment der Maschine, in der die Magnetanordnung verwendet wird. As an example of the above-described training, the magnetization of the permanent magnetic material as a magnetic property and the mechanical strength, advantageously the tensile strength, of the permanent magnetic material is specified as a mechanical property of each of the cells of the finite element model. The objective function is then, e.g. The magnetic force of the magnet assembly or the output power or the output torque of the machine in which the magnet assembly is used.

Die Bildung des Gradienten der Zielfunktion nach den Optimierungsparametern aller Zellen im fünften Verfahrensschritt zielt auf eine besonders einfache Durchführung der Optimierung der Magnetanordnung ab, die im sechsten Verfahrensschritt durch Extremwertbestimmung der Zielfunktion in Abhängigkeit von den Optimierungsparametern aller Zellen vorgenommen wird. Ein solcher Extremwert ist sehr einfach durch Auffinden der Nullstellen des Gradienten der Zielfunktion zu ermitteln. Als ein solcher Extremwert wird vorteilhaft bei dem vorgenannten Beispiel für eine Zielfunktion ein Maximum der magnetischen Kraft der Magnetanordnung bzw. der abgegebenen Leistung bzw. des abgegebenen Drehmoments der Maschine, in der die Magnetanordnung verwendet wird, gebildet. The formation of the gradient of the objective function according to the optimization parameters of all cells in the fifth method step aims at a particularly simple implementation of the optimization of the magnet arrangement, which is carried out in the sixth method step by determining the extreme value of the objective function as a function of the optimization parameters of all cells. Such an extreme value can be determined very simply by finding the zeros of the gradient of the objective function. As such an extreme value, in the aforementioned example of an objective function, a maximum of the magnetic force of the magnet assembly and the output torque of the machine in which the magnet assembly is used is advantageously formed.

Durch konsequentes Ausführen der beschriebenen Optimierung ist eine Variation der magnetischen und der mechanischen Eigenschaften jeder der Zellen zum Erreichen des Extremwerts der Zielfunktion durchführbar und wird im allgemeinen auch durchgeführt, wobei grundsätzlich keine Angleichung der magnetischen bzw. mechanischen Eigenschaften benachbarter Zellen vorgenommen wird. Als Ergebnis der bisher beschriebenen Verfahrensschritte, insbesondere des sechsten Verfahrensschritts, kann sich eine Gestaltung der Magnetanordnung mit einer räumlichen Verteilung der unterschiedlichen Werkstoffe ergeben, die zwar ein magnetisches bzw. mechanisches Optimum darstellt, aus fertigungstechnischer Sicht jedoch sehr ungünstig, d.h. mit verfügbaren Fertigungsmitteln, d.h. Werkzeugen und Maschinen, nicht oder nur sehr aufwendig herzustellen sein kann. Um nun eine einerseits magnetisch bzw. mechanisch möglichst optimale, andererseits aber günstig zu fertigende Gestaltung zu erzielen, erfolgt im siebten Verfahrensschritt ein Glätten von Konturen der räumlichen Verteilungen der einzelnen Werkstoffe der Magnetanordnung, indem die Optimierungsparameter einander benachbarter einzelner Zellen oder Gruppen von Zellen des Finite-Elemente-Modells so aneinander angepasst werden, dass sich für die räumlichen Verteilungen der einzelnen Werkstoffe der Magnetanordnung vereinfache räumliche Konturen ergeben. Die räumliche Erstreckung, über die dieses Anpassen erfolgt, ist wählbar, so dass je nach gewünschtem Kompromiss zwischen optimalen magnetischen bzw. mechanischen Eigenschaften einerseits und einfacher Herstellung andererseits eine unterschiedlich weit gehende Glättung der Konturen erfolgt. By consistently carrying out the described optimization, a variation of the magnetic and mechanical properties of each of the cells to achieve the extreme value of the target function is feasible and is generally carried out, in principle, no approximation of the magnetic or mechanical properties of adjacent cells is made. As a result of the method steps described so far, in particular of the sixth method step, a design of the magnet assembly may result in a spatial distribution of the different materials, which represents a magnetic or mechanical optimum, but from a manufacturing point of view very unfavorable, ie with available manufacturing means, ie Tools and machines, not or can be very expensive to produce. In order to achieve a design that is both magnetically and mechanically as optimal as possible, but at the same time favorable to manufacture, in the seventh process step, smoothing of contours of the spatial distributions of the individual materials of the magnet assembly by the optimization parameters of adjacent individual cells or groups of cells of the finite Element models are adapted to each other so that there are simplistic spatial contours for the spatial distributions of the individual materials of the magnet assembly. The spatial extension over which this adaptation takes place is selectable, so that, depending on the desired compromise between optimum magnetic or mechanical properties on the one hand and simple production on the other hand, different degrees of smoothing of the contours takes place.

Mit den in dieser Weise geglätteten Konturen wird im achten Verfahrensschritt die daraus resultierende magnetische bzw. mechanische Gestaltung der Magnetanordnung, d.h. die Gestaltung bzw. Formgebung von Einzelteilen der Magnetanordnung aus unterschiedlichen Werkstoffen, gebildet, wobei dieser Schritt ggf. eine weitere Glättung und Vereinfachung der Konturen beinhalten kann. With the contours smoothed in this way, in the eighth method step, the resulting magnetic or mechanical configuration of the magnet arrangement, i. the design or shaping of individual parts of the magnet assembly of different materials, formed, this step may optionally include a further smoothing and simplification of the contours.

Die Erfindung ermöglicht somit auf einfache und direkte Weise eine Optimierung der Magnetanordnung, d.h. eine Gestaltung für eine maximale magnetische Kraftwirkung und zugleich maximale mechanische Festigkeit und optimale Herstellbarkeit. Damit lassen sich bevorzugt weiter effizienzgesteigerte Permanentmagnet-Synchronmaschinen und andere elektrische Maschinen ähnlicher Gestaltung aufbauen. Durch den direkten Verfahrensablauf ist diese Optimierung einfach, schnell, kostengünstig und umfassend ausführbar; es werden bisher nötige, langwierige und teure Entwicklungsstufen vermieden. The invention thus enables a simple and direct optimization of the magnet arrangement, i. a design for maximum magnetic force and at the same time maximum mechanical strength and optimum manufacturability. In this way, it is preferable to further build up efficiency-enhanced permanent magnet synchronous machines and other electrical machines of similar design. Due to the direct procedure, this optimization is simple, fast, inexpensive and comprehensively executable; It will be avoided so far necessary, lengthy and expensive stages of development.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im vierten Verfahrensschritt die Zielfunktion als eine magnetische und/oder mechanische Eigenschaft der Magnetanordnung wenigstens eine Menge des permanentmagnetischen Werkstoffs, mit dem die Magnetanordnung ausgebildet ist, umfassend festgelegt, und umfasst der im sechsten Verfahrensschritt durch die Zielfunktion angenommene Extremwert ein Minimum dieser Menge des permanentmagnetischen Werkstoffs, mit dem die Magnetanordnung ausgebildet ist. Nach dieser Weiterbildung ist somit die Zielfunktion vorteilhaft derart formuliert, dass die eine magnetische bzw. mechanische Eigenschaft der Magnetanordnung bildende Menge des in der Magnetanordnung verwendeten permanentmagnetischen Werkstoffs minimiert wird. Die Menge des permanentmagnetischen Werkstoffs ist mit anderen Worten Teil der Zielfunktion bzw. von dieser umfasst. In einer Abwandlung dieser Weiterbildung bildet wahlweise oder zusätzlich die Menge eines in der Magnetanordnung verwendeten magnetisch leitenden Werkstoffs, d.h. eines Werkstoffs mit einem hohen Wert seiner relativen magnetischen Permeabilitätskonstanten, z.B. Eisen, eine magnetische bzw. mechanische Eigenschaft der Magnetanordnung, so dass durch die Extremwertbildung der Zielfunktion auch eine Optimierung der Menge des in der Magnetanordnung verwendeten magnetisch leitenden Werkstoffs, d.h. deren Minimierung, erzielt wird. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims. According to a preferred embodiment of the method according to the invention, in the fourth method step, the target function as a magnetic and / or mechanical property of the magnet assembly at least a set of permanent magnetic material with which the magnet assembly is formed, comprising, and includes the assumed in the sixth step by the objective function Extreme value is a minimum of this amount of permanent magnetic material with which the magnet assembly is formed. According to this development, the objective function is thus advantageously formulated in such a way that the amount of the permanent magnetic material used in the magnet arrangement, which constitutes a magnetic or mechanical property of the magnet arrangement, is minimized. In other words, the quantity of the permanent magnetic material is part of the target function or comprises it. In a modification of this development, optionally or additionally, the amount of a magnetically conductive material used in the magnet assembly, i. a material having a high value of its relative magnetic permeability constants, e.g. Iron, a magnetic or mechanical property of the magnet assembly, so that by optimizing the target function also optimizes the amount of magnetically conductive material used in the magnet assembly, i. their minimization is achieved.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens das Bestimmen von Werten für die Optimierungsparameter aller Zellen, bei denen die Zielfunktion einen Extremwert annimmt, gemäß dem sechsten Verfahrensschritt mittels einer Iteration, bevorzugt gemäß einem sogenannten SNOPT-Verfahren, ausgeführt. In a further preferred embodiment of the method according to the invention, at least the determination of values for the optimization parameters of all cells in which the objective function assumes an extreme value is carried out according to the sixth method step by means of an iteration, preferably according to a so-called SNOPT method.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass aus der Veröffentlichung „ SNOPT: An SQP Algorithm for Large-Scale Constrained Optimization“, publiziert im Jahr 2005 von der „Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM)“ im SIAM REVIEW, Band 47, Nr. 1, Seiten 99 bis 131 , bzw. elektronisch unter der Internetadresse http://www.siam.org/journals/sirev/47-1/44609.html , ein als „Sparse Nonlinear Optimizer (SNOPT)“ bezeichnetes Berechnungs- und Optimierungsverfahren bekannt ist. Dieser Veröffentlichung zufolge haben sich sogenannte „Sequential quadratic programming (SQP)“-Verfahren als hocheffektiv zur Lösung von Optimierungsaufgaben mit Grenzwertbedingungen mit geglätteten nichtlinearen Funktionen in Zielfunktion und Grenzwertbedingungen erwiesen. In der Veröffentlichung werden Aufgabenstellungen mit allgemeinen Ungleichheits-Grenzwertbedingungen – linear und nichtlinear – behandelt. Dabei wird von der Voraussetzung ausgegangen, dass erste Ableitungen verfügbar und dass die Gradienten der Grenzwertbedingungen dünn verteilt sind. Ferner wird dabei vorausgesetzt, dass zweite Ableitungen entweder nicht verfügbar oder zu aufwendig zu berechnen sind. In der Veröffentlichung wird ein SQP-Verfahren dargestellt, das eine geglättete, vergrößerte Lagrange’sche Gütefunktion verwendet und explizite Vorkehrung trifft gegen eine Unausführbarkeit in der ursprünglichen Aufgabenstellung und zur Anwendbarkeit der sogenannten „Quadratic programming“ (QP)-Unteraufgabenstellungen. Die Hesse-Matrix der Lagrange’schen Gütefunktion wird durch Verwendung eines speicherbegrenzten Quasi-Newton-Verfahrens angenähert. At this point it should be mentioned that from the publication " SNOPT: An SQP Algorithm for Large-Scale Constrained Optimization ", published in 2005 by the Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM) in SIAM REVIEW, Vol. 47, No. 1, pp. 99-131 , or electronically under the Internet address http://www.siam.org/journals/sirev/47-1/44609.html , a calculation and optimization method called "Sparse Nonlinear Optimizer (SNOPT)". According to this publication, so-called "sequential quadratic programming (SQP)" methods have proven to be highly effective for solving optimization tasks with limit conditions with smoothed nonlinear functions in objective function and limit conditions. The paper deals with problems with general inequality limit conditions - linear and nonlinear. It depends on the requirement assume that first derivatives are available and that the gradients of the limiting conditions are sparsely distributed. Furthermore, it is assumed that second derivatives are either not available or too expensive to calculate. The publication presents an SQP method which uses a smoothed, enhanced Lagrangian merit function and makes explicit provision for inability to perform the original task and for the applicability of so-called quadratic programming (QP) sub-tasks. The Hesse matrix of Lagrange's merit function is approximated by using a memory-constrained quasi-Newton method.

Wie hierzu aus der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt " http://de.wikipedia.org/wiki/Hesse-Matrix ", Eintrag gelesen am 18.12.2013 um 10:46 Uhr – entnehmbar, ist die Hesse-Matrix in der mehrdimensionalen reellen Analysis ein Analogon zur zweiten Ableitung einer Funktion. Hesse-Matrizen spielen eine Rolle bei der Approximation mehrdimensionaler Funktionen, unter anderem im Zusammenhang mit der Optimierung von durch mehrere Parameter beschriebenen Systemen im Bereich der Ingenieurwissenschaften. As for this from the Internet encyclopedia "Wikipedia" - cf. the internet appearance " http://de.wikipedia.org/wiki/Hesse-Matrix ", Read on 18.12.2013 at 10:46 - The Hesse matrix in multidimensional real analysis is an analogue to the second derivative of a function: Hessian matrices play a role in the approximation of multi-dimensional functions, among others in context with the optimization of multi-parameter systems in engineering.

Ferner kann der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt " http://de.wikipedia.org/wiki/Quasi-Newton-Verfahren ", Eintrag gelesen am 18.12.2013 um 10:57 Uhr – entnommen werden, dass es sich bei Quasi-Newton-Verfahren um eine Klasse numerischer Verfahren zur Lösung nichtlinearer Minimierungsprobleme handelt. Die Verfahren beruhen auf dem Newton-Verfahren, berechnen die Inverse der Hesse-Matrix jedoch nicht direkt, sondern nähern sie lediglich an, um den Rechenaufwand pro Iteration zu verringern. Furthermore, the Internet encyclopedia "Wikipedia" - cf. the internet appearance " http://de.wikipedia.org/wiki/Quasi-Newton-Verfahren ", Entry read at 18.12.2013 at 10:57 - it can be seen that Quasi-Newton's method is a class of numerical methods for solving nonlinear minimization problems.The methods are based on the Newton method, calculate the inverse of the Hesse matrix, however, not directly, but approach it only to reduce the computational effort per iteration.

Weiterhin ist aus der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt " http://de.wikipedia.org/wiki/Newton-Verfahren ", Eintrag gelesen am 18.12.2013 um 11:03 Uhr – entnehmbar, dass unter dem Newton-Verfahren ein mathematisches Standardverfahren zur numerischen Lösung nichtlinearer Gleichungen und Gleichungssysteme verstanden wird. Im Fall einer Gleichung mit einer Variablen lassen sich zu einer gegebenen stetig differenzierbaren Funktion Näherungen der Nullstellen dieser Funktion finden. Grundlegende Idee dieses Verfahrens ist, in einem Ausgangspunkt die Tangente der Funktion zu bestimmen und die Nullstelle der Tangente als verbesserte Näherung der Nullstelle der Funktion zu verwenden. Die erhaltene Näherung dient als Ausgangspunkt für einen weiteren Verbesserungsschritt, und auf diese Weise erfolgt eine Iteration, bis die Änderung in der Näherungslösung eine festgesetzte Schranke unterschritten hat. Furthermore, from the Internet encyclopedia "Wikipedia" - cf. the internet appearance " http://de.wikipedia.org/wiki/Newton-Verfahren ", Read on 18/12/2013 at 11:03 am - can be deduced that the Newton method is a standard mathematical method for the numerical solution of nonlinear equations and systems of equations In the case of an equation with a variable can be added to a given continuously differentiable function The basic idea of this method is to determine the tangent of the function in a starting point and to use the tangent of the tangent as an improved approximation of the function's zero, which serves as the starting point for a further improvement step In this way, an iteration is carried out until the change in the approximate solution has fallen below a specified limit.

Schließlich ist der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt " http://en.wikipedia.org/wiki/Sequential_quadratic_programming ", Eintrag gelesen am 17.12.2013 um 14:29 Uhr – noch entnehmbar, dass es sich beim sogenannten „Sequential quadratic programming (SQP)“-Verfahren um ein iteratives Verfahren für nichtlineare Optimierungen handelt. SQP-Verfahren werden verwendet bei Aufgabenstellungen, für welche die Zielfunktion und die Grenzwertbedingungen zweimal stetig differenzierbar sind. SQP-Verfahren lösen eine Folge von Optimierungs-Unteraufgabenstellungen, von denen jede ein quadratisches Modell der Zielfunktion abhängig von einer Linearisierung der Grenzwertbedingungen optimiert. Falls die Aufgabenstellung keinen Grenzwertbedingungen unterliegt, reduziert sich das SQP-Verfahren auf das Newton-Verfahren zum Auffinden eines Punktes, an dem der Gradient der Zielfunktion verschwindet. Sofern die Aufgabenstellung lediglich Gleichheits-Grenzwertbedingungen aufweist, ist das SQP-Verfahren äquivalent zu einer Anwendung des Newton-Verfahrens auf die Optimalitätsbedingungen erster Ordnung der Aufgabenstellung. SQP-Verfahren werden im Rahmen des vorgenannten SNOPT-Verfahrens durchgeführt. Finally, the internet encyclopedia "Wikipedia" - cf. the internet appearance " http://en.wikipedia.org/wiki/Sequential_quadratic_programming ", Read on 17.12.2013 at 14:29 - can still be deduced that the so-called" sequential quadratic programming (SQP) "method is an iterative method for nonlinear optimizations SQP methods are used for tasks, for SQP methods solve a series of optimization sub-tasks, each of which optimizes a quadratic model of the objective function as a function of a linearization of the constraint conditions, and if the task is not subject to limit conditions, the SQP method is reduced. Method to the Newton Method for Finding a Point at which the Gradient of the Target Function Disappears If the task has only equality constraint conditions, the SQP method is equivalent to applying the Newton method to the first-order optimality conditions of the task ng. SQP methods are carried out in the context of the aforementioned SNOPT method.

Gemäß der vorgenannten Veröffentlichung „SNOPT: An SQP Algorithm for Large-Scale Constrained Optimization“ handelt es sich bei diesem SNOPT-Verfahren um eine besondere Realisierung, die ein reduziert-Hesse’sches halbbestimmtes QP-Lösungsverfahren – abgekürzt: SQOPT – für die QP-Unteraufgabenstellungen verwendet. Es ist als für Aufgabenstellungen mit vielen tausend Grenzwertbedingungen und Variablen ausgelegt bezeichnet, jedoch als bestens geeignet für Aufgabenstellungen mit einer mittleren Anzahl von Freiheitsgraden, d.h. bis etwa 2000. According to the above-mentioned publication "SNOPT: An SQP Algorithm for Large-Scale Constrained Optimization", this SNOPT method is a special implementation which uses a reduced Hesse semi-determined QP solution method - abbreviated to SQOPT - for the QP method. Sub-tasks used. It is said to be designed for tasks with many thousands of limit conditions and variables, but is best suited for tasks with an average number of degrees of freedom, i. until about 2000.

Die vorgenannte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung macht sich nun dieses Verfahren zunutze und verwendet es für eine Optimierung der magnetischen und/oder der mechanischen Eigenschaften der Magnetanordnung, bevorzugt für eine kombinierte Optimierung sowohl der magnetischen als zugleich auch der mechanischen Eigenschaften zum Erzielen einer höchstmöglichen magnetischen Kraftwirkung bei zugleich höchstmöglicher mechanischer Festigkeit der Magnetanordnung. Dabei wird in vorteilhafter Weise von dem Umstand Gebrauch gemacht, dass zumindest wesentliche magnetische und mechanische Eigenschaften ähnlich bzw. identisch formulierbaren physikalisch-mathematischen Gesetzmäßigkeiten gehorchen, wodurch das Verfahren der Gestaltung der Magnetanordnung sowohl nach magnetischen als auch mechanischen Eigenschaften aufwandsparend vereint werden kann. The aforementioned preferred embodiment of the invention now makes use of this method and uses it for optimizing the magnetic and / or mechanical properties of the magnet arrangement, preferably for a combined optimization of both the magnetic and the mechanical properties to achieve the highest possible magnetic force effect at the same time the highest possible mechanical strength of the magnet assembly. In this case, use is advantageously made of the fact that at least essential magnetic and mechanical properties obey similar or identifiable physical-mathematical laws, whereby the method of designing the magnet arrangement can be combined to save both magnetic and mechanical properties.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Zielfunktion gemäß den Formeln

Figure DE102014203526A1_0002
A further advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized by an objective function according to the formulas
Figure DE102014203526A1_0002

Dabei ist T der Maxwell’sche Spannungstensor, der sich nach

Figure DE102014203526A1_0003
aus den elektromagnetischen Feldgrößen berechnen lässt, und S der Poynting’sche Vektor, der sich nach S = E × H ergibt. Dabei ist mit

  • F
    die Kraft,
    q
    die Ladung,
    E
    die elektrische Feldstärke,
    Ei
    eine erste Komponente der elektrischen Feldstärke E,
    Ej
    eine zweite Komponente der elektrischen Feldstärke E,
    v
    die Geschwindigkeit,
    B
    die magnetische Flussdichte,
    Bi
    eine erste Komponente der magnetischen Flussdichte B,
    Bj
    eine zweite Komponente der magnetischen Flussdichte B,
    O
    die Oberfäche,
    V
    das Volumen ([V] = 1m3),
    µ0
    die absolute Permeabilitätskonstante,
    e0
    die absolute Dielektrizitätskonstante,
    dij
    das Kronecker-Delta und
    H
    die magnetische Feldstärke
bezeichnet. Where T is the Maxwellian stress tensor, which follows
Figure DE102014203526A1_0003
from the electromagnetic field quantities and S the Poynting vector, which follows S = E × H results. It is with
  • F
    the power
    q
    the charge,
    e
    the electric field strength,
    E i
    a first component of the electric field strength E,
    E j
    a second component of the electric field strength E,
    v
    the speed,
    B
    the magnetic flux density,
    B i
    a first component of the magnetic flux density B,
    B j
    a second component of the magnetic flux density B,
    O
    the surface,
    V
    the volume ([V] = 1m 3 ),
    μ 0
    the absolute permeability constant,
    e 0
    the absolute dielectric constant,
    d ij
    the Kronecker delta and
    H
    the magnetic field strength
designated.

Damit ist die Zielfunktion entweder beschrieben durch die Lorentzkraft, die sich formulieren lässt als Produkt aus Ladung q multipliziert mit der Stärke des elektrischen Feldes E addiert mit der Kraftkomponente auf die Ladung die aus der Bewegung im magnetischen Feld B mit der Geschwindigkeit v resultiert. Alternativ lässt sich eine Kraft durch Integration des Maxwell’schen Spannungstensors T über die Oberfläche des betrachteten Körpers ermitteln. Zu berücksichtigen ist weiter die zeitlich Veränderung des Poynting’schen Vektors im Volumen. In beiden Fällen lässt sich demnach die Zielfunktion in Abhängigkeit von den elektromagnetischen Feldgrößen formulieren. Thus, the objective function is either described by the Lorentz force, which can be formulated as the product of charge q multiplied by the strength of the electric field E added to the force component on the charge resulting from the movement in the magnetic field B at the velocity v. Alternatively, a force can be determined by integration of Maxwell's stress tensor T over the surface of the considered body. The temporal change of the Poynting vector in volume must also be taken into account. In both cases, therefore, the objective function can be formulated as a function of the electromagnetic field variables.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Magnetanordnung, die nach einem Verfahren der vorbeschriebenen Art und Ausbildung gestaltet ist. Diese Magnetanordnung ist einfach und direkt gestaltbar und konstruierbar und gewährleistet eine hohe magnetische Kraftwirkung bei sparsamstem und effizientestem Werkstoffeinsatz. The above object is further achieved by a magnet assembly which is designed according to a method of the type and design described above. This magnet arrangement is simple and directly designed and constructed and ensures a high magnetic force effect with the most economical and efficient material use.

Ferner wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit wenigstens einer Magnetanordnung der vorbeschriebenen Art und Gestaltung. Eine solche Maschine ermöglicht ein Maximum an Leistungs- bzw. Drehmomentabgabe und Energieeffizienz bei minimalem Werkstoffeinsatz und Gewicht sowie kostengünstiger Entwicklung und Fertigung. Furthermore, the above object is achieved by an electric machine with at least one magnet arrangement of the type and design described above. Such a machine allows a maximum of output or torque output and energy efficiency with minimum material usage and weight as well as cost-effective development and production.

Außerdem wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, das Programmteile zum Ausführen eines Verfahrens der vorbeschriebenen Art aufweist, durch eine maschinenlesbare, insbesondere computerlesbare, Datenstruktur, erzeugt durch ein derartiges Verfahren und/oder durch mindestens ein Computerprogrammprodukt der vorgenannten Art, sowie durch einen maschinenlesbaren, insbesondere computerlesbaren, Datenträger, auf dem mindestens ein Computerprogrammprodukt der vorbeschriebenen Art aufgezeichnet und/oder gespeichert ist und/oder auf dem mindestens eine Datenstruktur der vorbeschriebenen Art zum Abruf bereit gehalten ist. In addition, the above object is achieved by a computer program product having program parts for carrying out a method of the type described above, by a machine-readable, in particular computer-readable, data structure generated by such a method and / or by at least one computer program product of the aforementioned type, as well as by a machine-readable, in particular computer-readable, data carrier on which at least one computer program product of the type described above is recorded and / or stored and / or on which at least one data structure of the type described above is kept ready for retrieval.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben, wobei übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Es zeigen: Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail below, with matching elements in all figures are given the same reference numerals and a repeated description of these elements is omitted. Show it:

1 ein grobschematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Verfahren, 1 1 is a rough flowchart of a method sequence of an embodiment of a method according to the invention;

2a bis 2e ein erstes Beispiel für eine Gestaltung einer Magnetanordnung mit dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens nach 1, und 2a to 2e a first example of a design of a magnet assembly with the embodiment of the inventive method according to 1 , and

3a und 3b ein zweites Beispiel für eine Gestaltung einer Magnetanordnung mit dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens nach 1. 3a and 3b a second example of a design of a magnet assembly with the embodiment of the inventive method according to 1 ,

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Preferred embodiment of the invention

Die 1 zeigt ein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnetes, grobschematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrensablaufs eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, das hier zum Bestimmen einer magnetischen und mechanischen Gestaltung einer Magnetanordnung eingerichtet ist, die sowohl mit permanentmagnetischem als auch mit magnetisch leitendem und mit magnetisch nichtleitendem Werkstoff in jedem der Werkstoffe zugeordneten räumlichen Verteilungen in einem vorgegebenen Raumbereich ausgebildet ist. Eine solche Magnetanordnung ist vorzugsweise für einen Einsatz in einer elektrischen Maschine bestimmt. The 1 shows a by the reference numeral 100 referred to, rough schematic flow diagram of a process flow of an embodiment of the method according to the invention, which is set up here for determining a magnetic and mechanical design of a magnet assembly, both permanent magnetically as well as magnetically conductive and magnetically non-conductive material in each of the materials associated spatial distributions in a given Space is formed. Such a magnet arrangement is preferably intended for use in an electrical machine.

Nach Beginn 101 des Verfahrensablaufs wird im ersten Verfahrensschritt i eine Anfangsgestaltung der Magnetanordnung im vorgegebenen Raumbereich festgelegt. Dieser Raumbereich umschließt bevorzugt die gesamte Magnetanordnung sowie deren räumliche Umgebung, soweit diese für die Ausbildung wesentlicher Abschnitte bzw. Anteile eines durch die Magnetanordnung hervorgerufenen bzw. diese beeinflussenden magnetischen Feldes bzw. Flusses bedeutsam ist. Die Anfangsgestaltung der Magnetanordnung und eventuelle Gegenmagnete zum Ausbilden gegenseitiger magnetisch bedingter Kraftwirkungen wird bevorzugt nach Erfahrungswerten intuitiv gewählt und weist insbesondere einfache, gerade und glatte Konturen der räumlichen Verteilungen der permanentmagnetischen, magnetisch leitenden und mit magnetisch nichtleitenden Werkstoffe auf. After the beginning 101 In the first method step i of the method sequence, an initial design of the magnet arrangement is defined in the predetermined spatial area. This area of space preferably encloses the entire magnet arrangement as well as its spatial environment, insofar as this is significant for the formation of essential sections or portions of a magnetic field or flux caused or influenced by the magnet arrangement. The initial design of the magnet assembly and any counter magnets to form mutual magnetic force effects is preferably chosen intuitively based on experience and has in particular simple, straight and smooth contours of the spatial distributions of permanent magnetic, magnetically conductive and magnetically non-conductive materials.

Im zweiten Verfahrensschritt ii wird der vorgegebene Raumbereich einschließlich der darin enthaltenen Magnetanordnung in ein eine Anzahl von Zellen aufweisendes Finite-Elemente-Modell gegliedert. Für jede einzelne dieser Zellen des Finite-Elemente-Modells werden im dritten Verfahrensschritt iii vorgegebene magnetische und/oder mechanische Eigenschaften als Optimierungsparameter festgelegt, z.B. die Stärke und Richtung eines magnetischen Flusses, die relative magnetische Permeabilitätskonstante, die mechanische Zugfestigkeit des Werkstoffs. In the second method step ii, the predetermined spatial area, including the magnet arrangement contained therein, is subdivided into a finite element model having a number of cells. For each of these cells of the finite element model, predetermined magnetic and / or mechanical properties are defined as optimization parameters in the third method step iii, e.g. the strength and direction of a magnetic flux, the relative magnetic permeability constant, the mechanical tensile strength of the material.

Im vierten Verfahrensschritt iv wird eine Zielfunktion für die Magnetanordnung und den vorgegebenen Raumbereich festgelegt. Dabei beschreibt die Zielfunktion eine magnetische oder eine mechanische, bevorzugt aber wenigstens eine magnetische und zusätzlich wenigstens eine mechanische Eigenschaft der Magnetanordnung in Abhängigkeit von den vorgebbaren magnetischen bzw. mechanischen Eigenschaften, d.h. den Optimierungsparametern, der Zellen des Finite-Elemente-Modells. Die Zielfunktion wird also als Funktion der Optimierungsparameter beschrieben. Beispielsweise umfasst die Zielfunktion als magnetische Eigenschaft eine magnetisch bedingte Kraftwirkung der Magnetanordnung oder als mechanische Eigenschaft eine mechanische Festigkeit bzw. Steifigkeit der Magnetanordnung. Eine Menge des permanentmagnetischen oder des magnetisch leitenden Werkstoffs, mit dem die Magnetanordnung ausgebildet ist, oder die Mengen beider Werkstoffe bilden bevorzugt Nebenbedingungen. In the fourth method step iv, an objective function for the magnet arrangement and the predetermined spatial area is defined. In this case, the objective function describes a magnetic or a mechanical, but preferably at least one magnetic and additionally at least one mechanical property of the magnet arrangement as a function of the predefinable magnetic or mechanical properties, i. the optimization parameters, the cells of the finite element model. The objective function is thus described as a function of the optimization parameters. By way of example, the objective function as a magnetic property comprises a magnetically induced force effect of the magnet arrangement or, as a mechanical property, a mechanical strength or rigidity of the magnet arrangement. A quantity of the permanent magnetic or the magnetically conductive material, with which the magnet arrangement is formed, or the quantities of both materials preferably form secondary conditions.

Im fünften Verfahrensschritt v wird ein Gradient der Zielfunktion nach den Optimierungsparametern aller Zellen gebildet. Dies dient der Vorbereitung auf den sechsten Verfahrensschritt vi, in dem nun Werte für die Optimierungsparameter aller Zellen, bei welchen Werten der Optimierungsparameter die Zielfunktion einen Extremwert annimmt, bestimmt werden. Ein solcher Extremwert ist dadurch leicht ermittelbar, dass dort der Gradient verschwindet. Umfasst z.B. die Zielfunktion als magnetische Eigenschaft eine magnetisch bedingte Kraftwirkung der Magnetanordnung, wird als Extremwert ein Maximum dieser Kraftwirkung in Abhängigkeit von allen Optimierungsparametern ermittelt. In the fifth method step v, a gradient of the objective function is formed according to the optimization parameters of all cells. This serves to prepare for the sixth method step vi, in which now values for the optimization parameters of all cells, at which values of the optimization parameters the objective function Extreme value assumes, be determined. Such an extreme value can be easily determined by the fact that the gradient disappears there. If, for example, the objective function includes a magnetically induced force effect of the magnet arrangement as the magnetic property, a maximum of this force effect is determined as a function of all optimization parameters.

Der sechste Verfahrensschritt vi wird bevorzugt mit dem vorgenannten „SNOPT“-Verfahren iterativ ausgeführt, in Figur angedeutet durch das Bezugszeichen 102. Dabei ist in einer in 1 nicht dargestellten Ausgestaltung auch der fünfte Verfahrensschritt v in die iterativen Durchläufe einbezogen. The sixth method step vi is preferably carried out iteratively with the aforementioned "SNOPT" method, indicated in FIG. 1 by the reference symbol 102 , It is in an in 1 not shown embodiment, the fifth step v included in the iterative runs.

Im siebten Verfahrensschritt vii wird ein Glätten von Konturen von Zellen und/oder von Gruppen, die eine vorgebbare Anzahl aneinander angrenzender Zellen umfassen, vorgenommen. Dies wird durch Anpassen der im sechsten Verfahrensschritt vi bestimmten Werte der Optimierungsparameter einzelner der Zellen und/oder einzelner Zellen der Gruppen von Zellen an Werte der Optimierungsparameter weiterer, den Zellen und/oder Gruppen von Zellen benachbarter Zellen und/oder Gruppen von Zellen ausgeführt. Ziel ist dabei eine fertigungsbezogene Glättung der Konturen der räumlichen Verteilungen der unterschiedlichen Werkstoffe, so dass einfache Formen aus den unterschiedlichen Werkstoffen gebildet werden, aus denen sich die Magnetanordnung zusammensetzt. In einer Abwandlung kann der siebte Verfahrensschritt vii unmittelbar mit dem sechsten Verfahrensschritt vi in der Weise kombiniert werden, dass das Glätten in den Iterationsablauf einbezogen wird. In the seventh method step vii, smoothing of contours of cells and / or of groups comprising a predeterminable number of contiguous cells is undertaken. This is done by adjusting the values determined in the sixth method step vi of the optimization parameters of individual ones of the cells and / or individual cells of the groups of cells to values of the optimization parameters of further cells and / or groups of cells of neighboring cells and / or groups of cells. The aim is a production-related smoothing of the contours of the spatial distributions of the different materials, so that simple shapes are formed from the different materials that make up the magnet assembly. In a modification, the seventh method step vii can be combined directly with the sixth method step vi in such a way that the smoothing is included in the iteration sequence.

Im achten Verfahrensschritt viii wird aus der magnetischen und/oder mechanischen Gestaltung der Magnetanordnung, wie sie aus dem siebten Verfahrensschritt vii resultiert, eine endgültige, resultierende magnetische und/oder mechanische Gestaltung der Magnetanordnung derart gebildet, dass einfach zu fertigende Formen aus den unterschiedlichen Werkstoffen gebildet werden, aus denen in der Fertigung die Magnetanordnung leicht aufgebaut werden kann. Damit ist das Ende 103 des Verfahrensablaufs erreicht. In the eighth method step viii, from the magnetic and / or mechanical design of the magnet arrangement, as resulting from the seventh method step vii, a final, resulting magnetic and / or mechanical design of the magnet arrangement is formed such that forms that are easy to manufacture are formed from the different materials are from which the magnet assembly can be easily assembled in the production. This is the end 103 of the procedure achieved.

Die 2a, 2b, 2c, 2d und 2e zeigen ein erstes Beispiel für eine Gestaltung einer Magnetanordnung 200 mit dem Ausführungsbeispiel 100 des erfindungsgemäßen Verfahrens nach 1 in einer grobschematischen Schnittdarstellung. Darin ist in 2a eine Anfangsgestaltung 201 der Magnetanordnung 200 in einem vorgegebenen Raumbereich 202 dargestellt. Die Anfangsgestaltung 201 ist mit einfachen Konturen gebildet und umfasst einen massiven Eisenkern 203 als magnetisch leitenden Werkstoff und zwei Gegenmagnete 204, 205 entgegengesetzt ausgerichteter Magnetisierung als permanentmagnetischer Werkstoff. Diesen gegenüber ist ein Hufeisenmagnet 206 angeordnet, dessen Schenkel 207, 208 den Gegenmagneten 204, 205 entgegengesetzt gerichtet magnetisiert sind, so dass sich eine abstoßende Kraftwirkung zwischen dem Hufeisenmagneten 206 und der Anfangsgestaltung 201 der Magnetanordnung 200 ergibt. Die Darstellung gemäß 2a entspricht insoweit dem Ergebnis des ersten Verfahrensschritts i. The 2a . 2 B . 2c . 2d and 2e show a first example of a design of a magnet assembly 200 with the embodiment 100 of the inventive method 1 in a rough schematic sectional view. This is in 2a an initial design 201 the magnet arrangement 200 in a given space area 202 shown. The initial design 201 is formed with simple contours and includes a massive iron core 203 as a magnetically conductive material and two counter magnets 204 . 205 oppositely oriented magnetization as a permanent magnetic material. Opposite this is a horseshoe magnet 206 arranged, whose legs 207 . 208 the counter magnet 204 . 205 magnetized oppositely, so that a repulsive force effect between the horseshoe magnet 206 and the initial design 201 the magnet arrangement 200 results. The representation according to 2a corresponds to the result of the first method step i.

2b zeigt eine Gliederung des vorgegebenen Raumbereichs 202 einschließlich der darin enthaltenen Magnetanordnung 200 bzw. ihrer Anfangsgestaltung 201 in ein eine Anzahl von Zellen 209 aufweisendes Finite-Elemente-Modell als Ergebnis des zweiten Verfahrensschritts ii. Zu jeder einzelnen dieser Zellen 209 werden im dritten Verfahrensschritt iii magnetische und mechanische Eigenschaften als Optimierungsparameter festgelegt, insbesondere die Magnetisierung der Gegenmagnete 204, 205 und des Hufeisenmagneten 206, die relative magnetische Permeabilität des Eisenkerns 203 und diejenige des die Gegenmagnete 204, 205, den Hufeisenmagneten 206 und den Eisenkern 203 innerhalb des vorgegebenen Raumbereichs 202 umgebenden Werkstoffs, hier Luft, sowie die mechanischen Zugfestigkeiten der aufgeführten Werkstoffe. 2 B shows an outline of the given space area 202 including the magnet assembly contained therein 200 or their initial design 201 in a number of cells 209 having finite element model as a result of the second method step ii. To every single one of these cells 209 In the third method step iii, magnetic and mechanical properties are determined as optimization parameters, in particular the magnetization of the counter magnets 204 . 205 and the horseshoe magnet 206 , the relative magnetic permeability of the iron core 203 and the one of the counter magnets 204 . 205 , the horseshoe magnet 206 and the iron core 203 within the given space 202 surrounding material, here air, as well as the mechanical tensile strength of the listed materials.

In 2c ist die Gestaltung der Magnetanordnung 200 dargestellt, wie sie sich nach Festlegen der Zielfunktion im vierten Verfahrensschritt iv zur Beschreibung der magnetischen und mechanischen Eigenschaften der Magnetanordnung 200 in Abhängigkeit von den vorgegebenen magnetischen und mechanischen Eigenschaften der Zellen 209 des Finite-Elemente-Modells als Optimierungsparameter, Bildung eines Gradienten der Zielfunktion nach den Optimierungsparametern aller Zellen 209 im fünften Verfahrensschritt v und Bestimmen derjenigen Werte für die Optimierungsparameter aller Zellen 209, bei denen die Zielfunktion einen Extremwert annimmt, im sechsten Verfahrensschritt vi an dessen Ende ergibt. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass in diesem Verfahrensstadium noch keine Glättung der Konturen von Zellen 209 bzw. Gruppen von Zellen 209 bzw. räumlichen Verteilungen der verschiedenen Werkstoffe, nämlich des permanentmagnetischen Werkstoffs 210, des magnetisch leitenden Werkstoffs 211 und des magnetisch nichtleitenden Werkstoffs 212, stattgefunden hat. Dabei ist zu beachten, dass die Konturen und die magnetischen und mechanischen Eigenschaften des Hufeisenmagneten 206 sowie des den Hufeisenmagneten 206 und die Anfangsgestaltung 201 der Magnetanordnung 200 umgebenden Werkstoffs, hier ebenfalls dem magnetisch nichtleitenden Werkstoff 212 zugerechnete Luft, durch eine entsprechende Festlegung der Zielfunktion bei der Optimierung der Magnetanordnung nicht verändert worden sind. In einer Abwandlung des Verfahrens 100 lässt sich auch für diese Teile des Raumbereichs 202 eine Optimierung ausführen. In 2c is the design of the magnet assembly 200 shown how they are after determining the objective function in the fourth step iv to describe the magnetic and mechanical properties of the magnet assembly 200 depending on the given magnetic and mechanical properties of the cells 209 of the finite element model as optimization parameter, formation of a gradient of the objective function according to the optimization parameters of all cells 209 in the fifth method step v and determining those values for the optimization parameters of all cells 209 in which the objective function assumes an extreme value, in the sixth method step vi results in its end. It can be clearly seen that in this stage of the process no smoothing of the contours of cells 209 or groups of cells 209 or spatial distributions of the different materials, namely the permanent magnetic material 210 , the magnetically conductive material 211 and the magnetically non-conductive material 212 , has taken place. It should be noted that the contours and the magnetic and mechanical properties of the horseshoe magnet 206 as well as the horseshoe magnet 206 and the initial design 201 the magnet arrangement 200 surrounding material, here also the magnetically non-conductive material 212 attributed air, by an appropriate definition of the objective function in the optimization of Magnet arrangement have not been changed. In a modification of the method 100 can also be used for these parts of the room area 202 to perform an optimization.

Da die in 2c dargestellten Konturen der räumlichen Verteilungen des permanentmagnetischen Werkstoffs 210, des magnetisch leitenden Werkstoffs 211 und des magnetisch nichtleitenden Werkstoffs 212 zu unregelmäßig für eine kostengünstige Fertigung sind, erfolgt im siebten Verfahrensschritt vii eine fertigungsbezogene Glättung, deren Ergebnis 2d zeigt. Gegenüber dem Ergebnis der Gestaltung nach 2c sind in 2d eine vorgebbare Größe unterschreitende Bereiche der räumlichen Verteilungen je eines der Werkstoffe 210, 211, 212 benachbarten räumlichen Verteilungen anderer der Werkstoffe 210, 211, 212 angegliedert worden, so dass großräumigere Konturen der räumlichen Verteilungen der Werkstoffe 210, 211, 212 gebildet werden. Durch die so entstehende Gestaltung mit Fertigungsbezug wird eine Annäherung an eine leicht herstellbare Formgebung erhalten. Dabei ist im vorliegenden Beispiel eine Kombination des sechsten und siebten Verfahrensschritts vi, vii bereits bei der Optimierung der Konturen bzw. der Zielfunktion vorgenommen worden, wodurch sich bereits von vornherein andere Konturen ergeben als in dem Fall, in dem ausgehend vom Ergebnis nach 2c nur kleine Bereiche der räumlichen Verteilungen der Werkstoffe 210, 211, 212 bereinigt werden. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Optimierung trotz einfacher Konturen. Since the in 2c illustrated contours of the spatial distributions of the permanent magnetic material 210 , the magnetically conductive material 211 and the magnetically non-conductive material 212 are too irregular for cost-effective production, takes place in the seventh process step vii a production-related smoothing, the result 2d shows. Compared to the result of the design 2c are in 2d a predeterminable size underrun areas of the spatial distributions of each of the materials 210 . 211 . 212 adjacent spatial distributions of other materials 210 . 211 . 212 been affiliated, so that larger-scale contours of the spatial distributions of the materials 210 . 211 . 212 be formed. Due to the resulting design with manufacturing reference, an approximation to an easily manufacturable shape is obtained. In this case, in the present example, a combination of the sixth and seventh method step vi, vii already in the optimization of the contours and the objective function has been made, resulting in already from the outset different contours than in the case in which starting from the result 2c only small areas of spatial distribution of materials 210 . 211 . 212 be cleaned up. This results in an improved optimization despite simple contours.

Während die Glättung der Konturen der räumlichen Verteilungen der Werkstoffe 210, 211, 212 im siebten Verfahrensschritt vii bevorzugt bereits bei der Optimierung der Zielfunktion vorgenommen wird, erfolgt getrennt davon und dem siebten Verfahrensschritt vii nachgeordnet im achten Verfahrensschritt viii aus dem Ergebnis des Optimierens der Zielfunktion bzw. dem Glätten der Konturen ein Bilden der resultierenden magnetischen und mechanischen Gestaltung der Magnetanordnung 200. In diesem achten Verfahrensschritt erfolgt noch einmal eine Vereinfachung und Glättung der Konturen der räumlichen Verteilungen der Werkstoffe 210, 211, 212, allerdings jetzt nicht mehr unter Einbeziehen der Optimierung der Zielfunktion, sondern lediglich nach Fertigungsgesichtspunkten, d.h. zum Erzielen möglichst einfacher, d.h. einfach zu fertigender Konturen. Es handelt sich dabei somit um eine Begradigung bzw. Bereinigung der Gestaltung nach 2d. Das Ergebnis dieses achten Verfahrensschritts viii ist beispielhaft in 2e dargestellt. Dabei wird zwar eine geringfügige Verschlechterung der magnetischen bzw. mechanischen Eigenschaften der Magnetanordnung 200 eintreten, da jedoch in den voraufgehenden Verfahrensschritten eine sehr große Optimierung der Magnetanordnung 200 erzielt wurde, beeinträchtigt diese Verschlechterung das endgültige Resultat nicht wesentlich. While smoothing the contours of the spatial distributions of materials 210 . 211 . 212 in the seventh process step vii is preferably already carried out in the optimization of the objective function, takes place separately and the seventh process step vii downstream in eighth process step viii from the result of optimizing the objective function or the smoothing of the contours forming the resulting magnetic and mechanical design of the magnet assembly 200 , In this eighth process step, once again a simplification and smoothing of the contours of the spatial distributions of the materials takes place 210 . 211 . 212 , but not now with the inclusion of the optimization of the objective function, but only according to manufacturing aspects, ie to achieve as simple as possible, ie easy to produce contours. It is thus a straightening or cleansing of the design 2d , The result of this eighth process step viii is exemplified in 2e shown. In this case, although a slight deterioration of the magnetic or mechanical properties of the magnet assembly 200 occur, but since in the preceding process steps a very large optimization of the magnet assembly 200 achieved, this deterioration does not significantly affect the final result.

In dem Beispiel der Gestaltung der Magnetanordnung 200 nach 2a bis 2e wird in der Gestaltung nach 2e gegenüber derjenigen nach 2a eine Steigerung der magnetischen Abstoßungskraft zwischen der Magnetanordnung 200 und dem Hufeisenmagneten 206 um das 2,7-fache und eine Verringerung der Masse des magnetisch leitenden Werkstoffs 211 um 62% erzielt, wobei die Masse des permanentmagnetischen Werkstoffs 210 bedingt durch eine entsprechende Festlegung der Zielfunktion unverändert bleibt. In the example of the design of the magnet assembly 200 to 2a to 2e is reflected in the design 2e towards those after 2a an increase in the magnetic repulsion force between the magnet assembly 200 and the horseshoe magnet 206 by 2.7 times and a reduction in the mass of the magnetically conductive material 211 achieved by 62%, the mass of the permanent magnetic material 210 conditionally remains unchanged by a corresponding determination of the objective function.

Die 3a und 3b zeigen ein zweites Beispiel für eine Gestaltung einer Magnetanordnung 300 mit dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 nach 1 in einer grobschematischen Schnittdarstellung. Darin ist in 3a eine Anfangsgestaltung 301 der Magnetanordnung 300 in einem vorgegebenen Raumbereich 302 dargestellt. Die Anfangsgestaltung 301 ist mit einfachen Konturen gebildet und umfasst einen massiven Eisenkern 303 als magnetisch leitenden Werkstoff und zwei Gegenmagnete 304, 305 entgegengesetzt ausgerichteter Magnetisierung als permanentmagnetischer Werkstoff. Diesen gegenüber ist ein Hufeisenmagnet 306 angeordnet, dessen Schenkel 307, 308 den Gegenmagneten 304, 305 entgegengesetzt gerichtet magnetisiert sind, so dass sich eine abstoßende Kraftwirkung zwischen dem Hufeisenmagneten 306 und der Anfangsgestaltung 301 der Magnetanordnung 300 ergibt. Die Darstellung gemäß 3a entspricht insoweit dem Ergebnis des ersten Verfahrensschritts i. Außerdem ist die Anfangsgestaltung 301 nach 3a identisch zu der Anfangsgestaltung 201 nach 2a gewählt. The 3a and 3b show a second example of a design of a magnet assembly 300 with the embodiment of the method according to the invention 100 to 1 in a rough schematic sectional view. This is in 3a an initial design 301 the magnet arrangement 300 in a given space area 302 shown. The initial design 301 is formed with simple contours and includes a massive iron core 303 as a magnetically conductive material and two counter magnets 304 . 305 oppositely oriented magnetization as a permanent magnetic material. Opposite this is a horseshoe magnet 306 arranged, whose legs 307 . 308 the counter magnet 304 . 305 magnetized oppositely, so that a repulsive force effect between the horseshoe magnet 306 and the initial design 301 the magnet arrangement 300 results. The representation according to 3a corresponds to the result of the first method step i. Besides, the initial design is 301 to 3a identical to the initial design 201 to 2a selected.

3b zeigt für dieses zweite Beispiel die resultierende magnetische und mechanische Gestaltung der Magnetanordnung 300 nach Abschluss des achten Verfahrensschritts viii des Verfahrens 100. In diesem zweiten Beispiel wurden die als Nebenbedingungen formulierten Mengen der Werkstoffe vermindert. Während im Beispiel nach den 2a bis 2e die Masse des permanentmagnetischen Werkstoffs 210 bei der Optimierung konstant bleibt und ein Maximum der Kraftwirkung ermittelt wird, liegt dem Beispiel nach 3a und 3b die Optimierungsaufgabe zugrunde, mit z.B. 36% der Masse des permanentmagnetischen Werkstoffs 310 der Anfangsgestaltung 301 eine optimale Struktur der Magnetanordnung 300 zu schaffen. Ausgehend von der Anfangsgestaltung 301 der Magnetanordnung 300 gemäß 3a ergibt sich nach Ausführen des achten Verfahrensschritts viii für die resultierende magnetische und mechanische Gestaltung der Magnetanordnung 300 nach 3b eine Verminderung der Masse des permanentmagnetischen Werkstoffs 310 um 64% und des magnetisch leitenden Werkstoffs 311 um 75%, wobei trotzdem eine Steigerung der magnetischen Abstoßungskraft auf das 1,4-fache erzielt wird. 3b shows for this second example the resulting magnetic and mechanical design of the magnet assembly 300 after completion of the eighth step viii of the procedure 100 , In this second example, the amounts of materials formulated as constraints were reduced. While in the example after the 2a to 2e the mass of the permanent magnetic material 210 remains constant in the optimization and a maximum of the force is determined, the example 3a and 3b the optimization task is based, for example, with 36% of the mass of the permanent magnetic material 310 the initial design 301 an optimal structure of the magnet arrangement 300 to accomplish. Starting from the initial design 301 the magnet arrangement 300 according to 3a results after carrying out the eighth process step viii for the resulting magnetic and mechanical design of the magnet assembly 300 to 3b a reduction in the mass of the permanent magnetic material 310 around 64% and of the magnetically conductive material 311 75% while still achieving an increase in magnetic repulsion to 1.4 times.

Im Ergebnis wird somit ein verlässliches Verfahren, optimierend eine magnetische und/oder mechanische Gestaltung einer permanentmagnetischen Werkstoff aufweisenden Magnetanordnung, insbesondere für elektrische Maschinen, für gesteigerte Kraftwirkung, Effizienz bzw. Leistungsfähigkeit, geschaffen, welches umfasst: As a result, a reliable method, optimizing a magnetic and / or mechanical design of a permanent magnet material having magnet assembly, in particular for electrical machines, for increased power, efficiency and performance is thus provided, which comprises:

  • – Festlegen einer Anfangsgestaltung der Magnetanordnung in einem vorgegebenen Raumbereich, Setting an initial design of the magnet arrangement in a predetermined spatial area,
  • – Gliedern von Raumbereich einschließlich Magnetanordnung in ein eine Anzahl von Zellen aufweisendes Finite-Elemente-Modell, Dividing the space area including magnet arrangement into a number of cells having finite element model,
  • – Festlegen magnetischer und/oder mechanischer Eigenschaften jeder Zelle als Optimierungsparameter, Determining the magnetic and / or mechanical properties of each cell as an optimization parameter,
  • – Festlegen einer eine magnetische und/oder mechanische Eigenschaft der Magnetanordnung in Abhängigkeit von den magnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften der Zellen beschreibenden Zielfunktion für Magnetanordnung und Raumbereich, Setting a magnetic and / or mechanical target function describing a magnetic and / or mechanical property of the magnet arrangement as a function of the magnetic and / or mechanical properties of the cells;
  • – Bildung eines Gradienten der Zielfunktion nach allen Optimierungsparametern, Formation of a gradient of the objective function according to all optimization parameters,
  • – Bestimmen von Werten aller Optimierungsparameter bei einem Extremwert der Zielfunktion, Determining values of all optimization parameters at an extreme value of the objective function,
  • – Glätten von Konturen von Zellen und/oder Gruppen aneinander angrenzender Zellen durch Anpassen der Werte der Optimierungsparameter benachbarter Zellen und/oder Gruppen von Zellen aneinander, sowie Smoothing contours of cells and / or groups of contiguous cells by adjusting the values of the optimization parameters of adjacent cells and / or groups of cells to each other, as well
  • – Bilden der daraus resultierenden magnetischen und/oder mechanischen Gestaltung der Magnetanordnung. - Forming the resulting magnetic and / or mechanical design of the magnet assembly.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100
Verfahren und dessen Ablaufdiagramm Method and its flow chart
101 101
Beginn des Verfahrensablaufs Start of the procedure
102 102
Iterative Ausführung des „SNOPT“-Verfahrens Iterative execution of the "SNOPT" method
103 103
Ende des Verfahrensablaufs End of the procedure
200 200
Magnetanordnung (2) Magnet arrangement ( 2 )
201 201
Anfangsgestaltung von 200 Initial design of 200
202 202
Vorgegebener Raumbereich Preset space area
203 203
Eisenkern als magnetisch leitender Werkstoff Iron core as a magnetically conductive material
204 204
Erster Gegenmagnet als permanentmagnetischer Werkstoff First counter magnet as permanent magnetic material
205 205
Zweiter Gegenmagnet als permanentmagnetischer Werkstoff Second counter magnet as permanent magnetic material
206 206
Hufeisenmagnet Horseshoe magnet
207 207
Erster Schenkel von 206 First leg of 206
208 208
Zweiter Schenkel von 206 Second leg of 206
209 209
Zellen des Finite-Elemente-Modells von 202 Cells of the finite element model of 202
210 210
Permanentmagnetischer Werkstoff Permanent magnetic material
211 211
Magnetisch leitender Werkstoff Magnetically conductive material
212 212
Magnetisch nichtleitender Werkstoff bzw. Luft Magnetically non-conductive material or air
300 300
Magnetanordnung (3) Magnet arrangement ( 3 )
301 301
Anfangsgestaltung von 300 Initial design of 300
302 302
Vorgegebener Raumbereich Preset space area
303 303
Eisenkern als magnetisch leitender Werkstoff Iron core as a magnetically conductive material
304 304
Erster Gegenmagnet als permanentmagnetischer Werkstoff First counter magnet as permanent magnetic material
305 305
Zweiter Gegenmagnet als permanentmagnetischer Werkstoff Second counter magnet as permanent magnetic material
306 306
Hufeisenmagnet Horseshoe magnet
307 307
Erster Schenkel von 306 First leg of 306
308 308
Zweiter Schenkel von 306 Second leg of 306
310 310
Permanentmagnetischer Werkstoff Permanent magnetic material
311 311
Magnetisch leitender Werkstoff Magnetically conductive material
i i
Erster Verfahrensschritt First process step
ii ii
Zweiter Verfahrensschritt Second process step
iii iii
Dritter Verfahrensschritt Third procedural step
iv iv
Vierter Verfahrensschritt Fourth process step
v v
Fünfter Verfahrensschritt Fifth process step
vi vi
Sechster Verfahrensschritt Sixth procedural step
vii vii
Siebter Verfahrensschritt Seventh process step
viii viii
Achter Verfahrensschritt Eighth process step

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 69823239 T2 [0003] DE 69823239 T2 [0003]
  • DE 102008032172 A1 [0004, 0005, 0006, 0007] DE 102008032172 A1 [0004, 0005, 0006, 0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • SNOPT: An SQP Algorithm for Large-Scale Constrained Optimization“, publiziert im Jahr 2005 von der „Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM)“ im SIAM REVIEW, Band 47, Nr. 1, Seiten 99 bis 131 [0022] SNOPT: An SQP Algorithm for Large-Scale Constrained Optimization ", published in 2005 by the" Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM) "in SIAM REVIEW, vol. 47, no. 1, pages 99 to 131 [0022]
  • http://www.siam.org/journals/sirev/47-1/44609.html [0022] http://www.siam.org/journals/sirev/47-1/44609.html [0022]
  • http://de.wikipedia.org/wiki/Hesse-Matrix [0023] http://en.wikipedia.org/wiki/Hesse-Matrix [0023]
  • http://de.wikipedia.org/wiki/Quasi-Newton-Verfahren [0024] http://en.wikipedia.org/wiki/Quasi-Newton- method [0024]
  • http://de.wikipedia.org/wiki/Newton-Verfahren [0025] http://en.wikipedia.org/wiki/Newton-Method [0025]
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Sequential_quadratic_programming [0026] http://en.wikipedia.org/wiki/Sequential_quadratic_programming [0026]

Claims (9)

Verfahren (100) zum Bestimmen einer magnetischen und/oder mechanischen Gestaltung einer wenigstens mit permanentmagnetischem Werkstoff (210, 310) ausgebildeten Magnetanordnung (200, 300), insbesondere für eine elektrische Maschine, umfassend die Verfahrensschritte: i. in einem ersten Verfahrensschritt Festlegen einer Anfangsgestaltung (201, 301) der Magnetanordnung (200, 300) in einem vorgegebenen Raumbereich (202, 302), ii. in einem zweiten Verfahrensschritt Gliedern des vorgegebenen Raumbereichs (202, 302) einschließlich der darin enthaltenen Magnetanordnung (200, 300) in ein eine Anzahl von Zellen (209) aufweisendes Finite-Elemente-Modell, iii. in einem dritten Verfahrensschritt Festlegen vorgebbarer magnetischer und/oder mechanischer Eigenschaften für jede einzelne der Zellen (209) des Finite-Elemente-Modells als Optimierungsparameter, iv. in einem vierten Verfahrensschritt Festlegen einer Zielfunktion für die Magnetanordnung (200, 300) und den vorgegebenen Raumbereich (202, 302), wobei die Zielfunktion eine magnetische und/oder mechanische Eigenschaft der Magnetanordnung (200, 300) in Abhängigkeit von den vorgebbaren magnetischen und/oder mechanischen Eigenschaften der Zellen (209) des Finite-Elemente-Modells beschreibt, v. in einem fünften Verfahrensschritt Bildung eines Gradienten der Zielfunktion nach den Optimierungsparametern aller Zellen (209), vi. in einem sechsten Verfahrensschritt Bestimmen von Werten für die Optimierungsparameter aller Zellen (209), bei denen die Zielfunktion einen Extremwert annimmt, vii. in einem siebten Verfahrensschritt Glätten von Konturen von Zellen (209) und/oder von Gruppen, die eine vorgebbare Anzahl aneinander angrenzender Zellen (209) umfassen, durch Anpassen der im Verfahrensschritt vi bestimmten Werte der Optimierungsparameter einzelner der Zellen (209) und/oder einzelner Zellen (209) der Gruppen von Zellen (209) an Werte der Optimierungsparameter weiterer, den Zellen (209) und/oder Gruppen von Zellen (209) benachbarter Zellen (209) und/oder Gruppen von Zellen (209), sowie viii. in einem achten Verfahrensschritt Bilden der daraus resultierenden magnetischen und/oder mechanischen Gestaltung der Magnetanordnung (200, 300). Procedure ( 100 ) for determining a magnetic and / or mechanical design of at least one permanent-magnetic material ( 210 . 310 ) formed magnet assembly ( 200 . 300 ), in particular for an electrical machine, comprising the method steps: i. in a first process step, defining an initial design ( 201 . 301 ) of the magnet arrangement ( 200 . 300 ) in a given space area ( 202 . 302 ii. in a second method step, members of the predetermined spatial area ( 202 . 302 ) including the magnet arrangement contained therein ( 200 . 300 ) into a number of cells ( 209 ), finite element model, iii. in a third method step, predeterminable magnetic and / or mechanical properties for each of the cells ( 209 ) of the finite element model as an optimization parameter, iv. in a fourth method step, determining a target function for the magnet arrangement ( 200 . 300 ) and the given space area ( 202 . 302 ), wherein the objective function is a magnetic and / or mechanical property of the magnet arrangement ( 200 . 300 ) as a function of the predefinable magnetic and / or mechanical properties of the cells ( 209 ) of the finite element model, v. in a fifth method step, formation of a gradient of the objective function according to the optimization parameters of all cells ( 209 ), vi. in a sixth method step, determining values for the optimization parameters of all cells ( 209 ), where the objective function takes an extreme value, vii. in a seventh method step smoothing contours of cells ( 209 ) and / or groups having a predeterminable number of contiguous cells ( 209 ) by adjusting the values determined in step vi for the optimization parameters of individual cells ( 209 ) and / or individual cells ( 209 ) of the groups of cells ( 209 ) values of the optimization parameters of further cells ( 209 ) and / or groups of cells ( 209 ) of adjacent cells ( 209 ) and / or groups of cells ( 209 ), as well as viii. in an eighth method step, forming the resulting magnetic and / or mechanical design of the magnet arrangement ( 200 . 300 ). Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Verfahrensschritt die Zielfunktion als eine magnetische und/oder mechanische Eigenschaft der Magnetanordnung (200, 300) wenigstens eine Menge des permanentmagnetischen Werkstoffs (210, 310), mit dem die Magnetanordnung (200, 300) ausgebildet ist, umfassend festgelegt wird, und dass der im sechsten Verfahrensschritt durch die Zielfunktion angenommene Extremwert ein Minimum dieser Menge des permanentmagnetischen Werkstoffs (210, 310), mit dem die Magnetanordnung (200, 300) ausgebildet ist, umfasst. Procedure ( 100 ) according to claim 1, characterized in that in the fourth method step, the objective function as a magnetic and / or mechanical property of the magnet arrangement ( 200 . 300 ) at least a quantity of the permanent magnetic material ( 210 . 310 ), with which the magnet arrangement ( 200 . 300 ), is set comprehensively, and that the extreme value assumed by the objective function in the sixth method step is a minimum of this quantity of the permanent magnetic material ( 210 . 310 ), with which the magnet arrangement ( 200 . 300 ) is formed comprises. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das Bestimmen von Werten für die Optimierungsparameter aller Zellen (209), bei denen die Zielfunktion einen Extremwert annimmt, gemäß dem sechsten Verfahrensschritt (vi) mittels einer Iteration (102), bevorzugt gemäß einem sogenannten SNOPT-Verfahren, ausgeführt wird. Procedure ( 100 ) according to claim 1 or 2, characterized in that at least determining values for the optimization parameters of all cells ( 209 ), in which the objective function assumes an extreme value, according to the sixth method step (vi) by means of an iteration ( 102 ), preferably according to a so-called SNOPT method. Verfahren (100) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Zielfunktion gemäß den Formeln
Figure DE102014203526A1_0004
wobei T der Maxwell’sche Spannungstensor ist, der sich nach
Figure DE102014203526A1_0005
aus den elektromagnetischen Feldgrößen berechnet, S der Poynting’sche Vektor ist, der sich nach S = E × H ergibt, und wobei mit F die Kraft, q die Ladung, E die elektrische Feldstärke, Ei eine erste Komponente der elektrischen Feldstärke E, Ej eine zweite Komponente der elektrischen Feldstärke E, v die Geschwindigkeit, B die magnetische Flussdichte, Bi eine erste Komponente der magnetischen Flussdichte B, Bj eine zweite Komponente der magnetischen Flussdichte B, O die Oberfäche, V das Volumen ([V] = 1m3), µ0 die absolute Permeabilitätskonstante, e0 die absolute Dielektrizitätskonstante, dij das Kronecker-Delta und H die magnetische Feldstärke bezeichnet ist.
Procedure ( 100 ) according to claim 3, characterized by an objective function according to the formulas
Figure DE102014203526A1_0004
where T is the Maxwellian stress tensor that follows
Figure DE102014203526A1_0005
calculated from the electromagnetic field quantities, S is the Poynting vector, which follows S = E × H gives, and where with F the force, q the charge, E the electric field strength, E i a first component of the electric field strength E, E j a second component of the electric field strength E, v the velocity, B the magnetic flux density, B i a first component of the magnetic flux density B, B j a second component of the magnetic flux density B, O the surface area, V the volume ([V] = 1m 3 ), μ 0 the absolute permeability constant, e 0 the absolute dielectric constant, d ij the Kronecker delta and H the magnetic field strength.
Magnetanordnung (200, 300), gestaltet nach einem Verfahren (100) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche. Magnet arrangement ( 200 . 300 ), designed according to a method ( 100 ) according to one or more of the preceding claims. Elektrische Maschine, gekennzeichnet durch wenigstens eine Magnetanordnung (200, 300) nach Anspruch 5. Electric machine, characterized by at least one magnet arrangement ( 200 . 300 ) according to claim 5. Computerprogrammprodukt, aufweisend Programmteile zum Ausführen eines Verfahrens (100) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4. Computer program product comprising program parts for carrying out a method ( 100 ) according to at least one of claims 1 to 4. Maschinenlesbare, insbesondere computerlesbare, Datenstruktur, erzeugt durch ein Verfahren (100) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder durch mindestens ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 7. Machine-readable, in particular computer-readable, data structure generated by a method ( 100 ) according to at least one of claims 1 to 4 and / or by at least one computer program product according to claim 7. Maschinenlesbarer, insbesondere computerlesbarer, Datenträger, auf dem mindestens ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 7 aufgezeichnet und/oder gespeichert ist und/oder auf dem mindestens eine Datenstruktur gemäß Anspruch 8 zum Abruf bereit gehalten ist.  Machine-readable, in particular computer-readable, data carrier on which at least one computer program product according to claim 7 is recorded and / or stored and / or on which at least one data structure according to claim 8 is kept ready for retrieval.
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