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
Aus der Druckschrift
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
Bei den bekannten Permanentmagnet-Elektromaschinen werden Permanentmagnete zumindest im Wesentlichen quaderförmig mit vollständig geschlossenem Querschnitt eingesetzt. So zeigt die Druckschrift
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
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.
- 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 „
Wie hierzu aus der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt "
Ferner kann der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt "
Weiterhin ist aus der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt "
Schließlich ist der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt "
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 A further advantageous embodiment of the method according to the invention is characterized by an objective function according to the formulas
Dabei ist T der Maxwell’sche Spannungstensor, der sich nach aus den elektromagnetischen Feldgrößen berechnen lässt, und S der Poynting’sche Vektor, der sich nach
-
- 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
-
- 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
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:
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Preferred embodiment of the invention
Die
Nach Beginn
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
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
Die
In
Da die in
Während die Glättung der Konturen der räumlichen Verteilungen der Werkstoffe
In dem Beispiel der Gestaltung der Magnetanordnung
Die
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 of200 - 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 of206 - 208 208
-
Zweiter Schenkel von
206 Second leg of206 - 209 209
-
Zellen des Finite-Elemente-Modells von
202 Cells of the finite element model of202 - 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 of300 - 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 of306 - 308 308
-
Zweiter Schenkel von
306 Second leg of306 - 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
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