EP3215964A2 - Calculation method for designing reluctance systems, and computer program - Google Patents

Calculation method for designing reluctance systems, and computer program

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Publication number
EP3215964A2
EP3215964A2 EP15778204.6A EP15778204A EP3215964A2 EP 3215964 A2 EP3215964 A2 EP 3215964A2 EP 15778204 A EP15778204 A EP 15778204A EP 3215964 A2 EP3215964 A2 EP 3215964A2
Authority
EP
European Patent Office
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calculation method
calculation
magnetic
energy
reluctance
Prior art date
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Pending
Application number
EP15778204.6A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Hans-Jürgen Remus
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REMUS, HANS-JUERGEN
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP3215964A2 publication Critical patent/EP3215964A2/en
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations
    • G06F17/11Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10Geometric CAD
    • G06F30/15Vehicle, aircraft or watercraft design
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00Synchronous motors or generators
    • H02K19/02Synchronous motors
    • H02K19/10Synchronous motors for multi-phase current
    • H02K19/103Motors having windings on the stator and a variable reluctance soft-iron rotor without windings
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/03Machines characterised by aspects of the air-gap between rotor and stator

Definitions

  • the invention relates to a calculation method for the design of reluctance systems by balancing the inner and outer
  • the invention relates to a computer program according to the tenth claim.
  • Linear motors conventional traction devices. To do so, there are more and more complex geometries
  • Magnetostriction As far as M is concerned, this is an expression of a fact. In terms of is it a calculation rule; the actual process can be divided into two parts:
  • V the electrical
  • V the magnetic el m
  • V el the electric
  • V m the magnetic
  • the specific area force p, at an interface between substances with different permeabilities, is equal to the difference of the energy densities in these permeable
  • the graphic representation (FIG. 6) alone shows the strong influence of the internal energy density in the permanent magnet, while it is negligible in the case of the electromagnet. If one applies the Maxwellian stress tensor to one of the separating surfaces of the magnet then the difference of the fictitious tensions becomes on the left and on the right side of the interface, to determine the perceptible force.
  • the following expression for the force results:
  • the energy balance requires a combination of voltage source equivalent circuit for the circuit and a current source equivalent circuit for the permanent magnet.
  • the energy distribution of the permanent magnet and the electromagnet alone are also included as special cases in it. In the usual
  • the invention is based on the object, a precise
  • This object is according to claim 1 by a calculation method for the design of reluctance systems by balancing the internal and external energy system with
  • Material selection dimensioning of the electromagnet consisting of coil and core (length, height, width, shape, number of turns,
  • Coil conductor thickness choice of material
  • dimensioning of the air gap positioning of permanent magnet and electromagnet to each other
  • energizing the electromagnet energizing the electromagnet
  • H e and H * are contrary to the state of science and technology:
  • the aim of such a calculation is the calculation of a
  • a value that is approaching 1 is to be understood as minimum.
  • the rating value is understood to be any value that increases as the sum of the energy balance increases. This can be done, for example, by multiplying at least one of the values by a random number or by adding a value to at least one of the values (I).
  • the change is proportional to the valuation value and inversely proportional to the number of changes, so that after a large number of changes, the optimization of the valuation pattern is almost completed.
  • the significant change in arousal takes place at the beginning of the optimization.
  • Rating value delays the end of the optimization, but can also restart the near-completed optimization. If the rating is ideally minimal, then the energy balance goes to 1 and a new calculation no longer takes place.
  • Consists e.g. a Relunktanzsystempartner from an electromagnet with a toothed structure, is after the
  • Integral equation method of the equivalent magnetic conductance or the attractive force and thrust known for a particular position To get unknown intermediate values from these ordered
  • interpolation In the narrower sense, we mean the reconstruction of a function f (x) from values f (xi) given at discrete places xi. From the technical
  • this space is represented by the air gap zone.
  • the edge is formed by the stator and rotor surfaces. On the surfaces are then the
  • the fictitious stress state in the nonlinear medium can be described as follows: For each area unit perpendicular to the field H, a normal train of magnitude acts along the field lines:
  • the stress tensor p can be represented by different expressions:
  • Magnetizing function always be greater than the angle ⁇ between the magnetic field strength H and the
  • the reluctance system consists of rotor and stator of an electric motor.
  • the term "electric motor” also includes linear motors.
  • the stator lamination shown in FIG 23 has twelve toothed poles with ten teeth each.
  • the resulting tooth pitch corresponds to a total number of teeth of 132 teeth, since the gap between each two poles equals a Stator leopard whatsoever.
  • Statornuten housed three-phase winding generated under
  • FIG. 25 shows the partial development of rotor and stator. In the air gap zone 1, the teeth of rotor and stator are exactly opposite. For this position, the magnetic conductance reaches its maximum value. Now moves the rotor from stator tooth 1 to stator tooth 2, the shifts
  • the rotor has the way
  • This reduction factor R is dependent exclusively on the number of rotor and stator teeth, which results in a synchronous rotor speed which represents a fraction of the rotating field speed of the stator.
  • the air gap can be divided into constant air gap zones, from which the magnetic conductance can be calculated
  • the previous calculation step follows the determination of its torque by the induced voltage of the electric motor.
  • This has the advantage, in particular for geometrically complex reluctance systems, that all reluctance components are taken into account in the calculation.
  • you can reverse the calculation so that you can calculate various possibilities to geometrically design a reluctance system so that the motor achieves the required performance characteristics. Under performance characteristics is thereby achievement and
  • a corresponding equivalent equivalent circuit is shown in FIG 29, 30.
  • the representation of the energy densities. Based on the permanent magnet volume, in the B (H) diagram proves to be advantageous to compare the energy ratios of the electromagnet and permanent magnet can.
  • the equations (063) to (066) are used and the energies on the
  • Computer program with program code means in particular a computer program stored on a machine-readable carrier, for
  • the computer may in particular be a microprocessor or microcontroller. Accordingly, the computer program is then executed on this computer software.
  • Computer program can then be stored in a memory of the microprocessor or the microcontroller.
  • the computer program may also be stored on other machine-readable carriers, e.g. on removable carriers such as CD-ROM or memory stick.
  • FIG. 4 shows the change in permeability despite a constant external field.
  • FIG. 8 shows a simple sketch of a permanent magnet with exciting coil.
  • FIG. 10 shows a spare diagram to be counted with the state of the art in science and technology with ⁇ a and ⁇ b which has hitherto been used.
  • FIG. 11 shows a spare diagram to be counted with the state of the art in science and technology with ⁇ a and ⁇ b which has hitherto been used.
  • FIG 12 shows the magnetization characteristics of electric and permanent magnet, and the shear line with the corresponding geometric relationships.
  • FI6 13 also shows the magnetization characteristic of electric
  • Permanent magnet as well as the shear line and measured values for different air gap sizes.
  • FIG. 14 shows a variant of a flowchart for calculating
  • FIG. 15 shows a further variant of a flowchart for calculating the reluctance system partners.
  • FIG. 16 shows a compilation of polygonal
  • FIGS. 18, 19 show the occurrence of transverse pressure and longitudinal tension in relation to the magnetization function.
  • FIG. 22 shows a two-dimensional vector diagram for a non-linear magnetization function of iron.
  • FIG. 23 shows a stator lamination section of a three-phase motor.
  • FIG. 24 Shows a partial section of a stator pole and an opposite rotor.
  • FIG. 26 shows the statically measured torque which has been plotted over various currents as a function of the angle ⁇ .
  • FIGS. 27, 28 show the current profile over the time that was related to the motor steps.
  • 29 shows the conventional representation of voltage sources and power source replacement diagram.
  • FI6 31, 32 shows the energy density distribution of electric and permanent magnet.
  • 33, 34 shows the mechanical work related to the magnetic volume of the electric and permanent magnet.
  • FIG. 1 shows a linear magnetization function in the air
  • FIG. 2 shows a non-linear magnetization function for soft iron
  • FIG. 3 shows a permanent magnetization function for permanent magnets.
  • FIG. 5 shows a comparison of electric and permanent magnet. With the air gap dimensions l e / 2 and the inner dimension l i / 2 at a current I and a number of turns N. The same also applies to the permanent magnet.
  • FIG. 6 shows a graphic representation of the mechanical work related to the magnetic volume of the electric and permanent magnet, which are compared here.
  • FIG. 10 shows a spare diagram to be counted in the state of science and technology with Oa and Ob which has hitherto been used.
  • FIG. 11 Shows a model of an electromagnet with a yoke 1, a core 2 and two anchors 3,4 and an air gap 5.
  • FIG 12 shows the magnetization characteristics of electric and permanent magnet, and the shear line with the corresponding geometric relationships.
  • geometric ob corresponds. 5 is the corresponding point on the ordinate.
  • FIG. 14 shows a flowchart of a calculation algorithm with which geometrically complex reluctance systems can be calculated.
  • Air gap reactances must be considered. It starts with Entering the geometries of the positions of the system partners (angle and distance) taking into account the respective model. The result is a frame file that determines resistance in the iron parts. After input, these are output as constant values or as spline functions. Based on the considered rotor position a n , the air gap resistances are determined. All resistors and magnetic voltage sources serve as input data for the calculation program. The calculation of the nonlinear
  • the start value is the zero vector.
  • the output values include potentials, flux values and resistances of the magnetic circuit. This is repeated for every angle. At the conclusion of the calculation, all results are summarized and the voltage induced in the coils and strings as well as the torque of the system are determined.
  • FIG. 15 shows the more concrete variant for calculating a
  • the electric motor The electric motor.
  • FIG. 16 Vendeutlicht the discontinuity of a traverse to the final derivative.
  • FIG. 18, 19 shows the unfreezing of quench and longitudinal traction with respect to the magnetizing function B, H.
  • Dnuck voltages of one another are different.
  • FIGS. 2O, 21 illustrate the linear case and the nonlinear case of FIG.
  • FIG. 22 shows a two-dimensional vector diagram for a nonlinear magnetization function of iron.
  • FIG. 23 shows a staton plate section of a diphasic motone.
  • FIG. 24 shows a partial section of a stator pole and an opposite rotor.
  • FIG. 25 shows a stator / rotor development.
  • FIG. 26 shows the statically measured torque that has been plotted over various currents as a function of the angle ⁇ .
  • FIGS. 27, 28 show the current variation over time, which was related to the motor steps.
  • FIG. 31, 32 shows the energy density distribution of electric and permanent magnet.
  • 33, 34 shows the mechanical work related to the magnetic volume of the electric and permanent magnet.

Abstract

The invention relates to a calculation method for designing reluctance systems by balancing the inner and outer system energy using the equation W=½Λ (Θa 2b 2+2ΘaΘb), where 2ΘaΘb≠0, according to claim 1. The invention further relates to a computer program comprising program code means, in particular a computer program stored on a machine-readable medium, for carrying out the disclosed calculation method when the computer program is executed on a computer.

Description

Berechnungsverfahren zur Auslegung von Reluktanzsystemen und ein Computerprogramm Calculation method for designing reluctance systems and a computer program
Die Erfindung betrifft ein Berechnungsverfahren zur Auslegung von Reluktanzsystemen durch Bilanzierung der inneren und äußeren The invention relates to a calculation method for the design of reluctance systems by balancing the inner and outer
Systemenergie mit ist, gemäß des System energy is with, according to
ersten Anspruchs. first claim.
Zudem betrifft die Erfindung ein Computerprogramm gemäß des zehnten Anspruchs. In addition, the invention relates to a computer program according to the tenth claim.
Zwischen Trägern elektrischer Ladungen, zwischen Magneten, zwischen stromdurchflossenen Leitungen, sowie zwischen Magnetpolen und elektrischen Leitungsströmungen existieren Kräfte. Der Einsatz von Elektromotoren im Automobilbereich gewinnt eine immer größer werdende Bedeutung. In der Transporttechnologie verdrängen Between carriers of electric charges, between magnets, between current-carrying lines, and between magnetic poles and electrical line currents exist forces. The use of electric motors in the automotive sector is becoming increasingly important. Displace in transport technology
Linearmotoren herkömmliche Zugvorrichtungen. Dazu müssen für die immer zahlreicher und geometrisch komplexer werdenden Linear motors conventional traction devices. To do so, there are more and more complex geometries
unkonventionellen Energiewandler neue Berechnungsmethoden unconventional energy converters new calculation methods
bereitgestellt werden. to be provided.
Es gilt, solche technischen Systeme mit komplexer Geometrie und unter Einfluss der mag. Sättigung optimal zu dimensionieren.  It applies, such technical systems with complex geometry and under the influence of mag. Saturation to be optimally dimensioned.
Zur Beschreibung der statischen und dynamischen Eigenschaften von variablen Reluktanz-Systemen gibt es bislang drei Methoden: To describe the static and dynamic properties of variable reluctance systems, there are currently three methods:
Die Berechnung durch Verwendung des Maxwellschen Spannungstensors, die Berechnung durch Energiebilanzierung, sowie eine von einem Ersatzschaltbild ausgehende Berechnung. The calculation by using the Maxwellian stress tensor, the calculation by energy balancing, as well as an emanating from an equivalent circuit calculation.
Voraussetzung aller drei Methoden ist es, die Feldverteilung des Systems zu kennen, um die Kräfte und oder Momente berechnen zu können. Während beim Maxwellschen Spannungstensor die Volumenkräfte auf äquivalente Oberflächenspannungen zurückgeführt werden, lassen sich bei der Energiebilanz die Energieaufteilungen durch The prerequisite of all three methods is to know the field distribution of the system in order to be able to calculate the forces and or moments. While with Maxwell's stress tensor the volume forces can be attributed to equivalent surface tensions, can be in the energy balance, the energy split by
Volumenintegrale eindeutig beschreiben. Das Ersatzschaltbild als diskrete, idealisierende Vorstellung einer Energieaufteilung, beschreibt das technische System unter einschränkenden Clearly describe volume integrals. The equivalent circuit as a discrete, idealizing idea of an energy distribution describes the technical system under restrictive
Voraussetzungen. Requirements.
Allerdings liefern bei gleichen Voraussetzungen die drei  However, given the same conditions, the three deliver
Berechnungsansätze verschiedene Ergebnisse. Folgend wird die Calculation approaches different results. The following will be the
Energiebilanzierung dem Stand von Wissenschaft und Technik folgend näher erläutert. Energy balancing explained in more detail following the state of science and technology.
So gilt es grundsätzlich festzustellen, dass ein So it is basically to determine that a
Berechnungsverfahren solcher Reluktanz-Systeme maximal variabel aufzubauen ist, so dass nicht von Materialkonstanten, sondern von Materialfunktionen ausgegangen werden kann. Hierbei wird von einer empirisch gegebenen Funktion D = D(E) oder auch inverse E = E(D) als Elektrisierungsfunktion ausgegangen. H = H(B) oder auch die inverse B = B(H), die ebenfalls empirisch ist und als  Calculation method of such reluctance systems can be set up as variable as possible, so that it can be assumed not by material constants, but by material functions. Here, an empirically given function D = D (E) or inverse E = E (D) is assumed as the electrification function. H = H (B) or also the inverse B = B (H), which is also empirical and as
Magnetisierungsfunktion angenommen wird, wird dabei zugrundegelegt. (FIG 1,2,3) Diese Funktionen sind Grundlagen einer allgemeineren Theorie, wie dies die werkstofftechnischen Konstanten ε Magnetizing function is assumed is used as the basis. (FIGS. 1, 2, 3) These functions are the foundations of a more general theory, such as the material-technical constants ε
(Permitivität) und μ (Permeabilität) der Proportionaltheorie sind.. Allerdings darf dabei wegen der Nichtlinearität der (Permittivity) and μ (permeability) of the Proportionaltheorie are .. However, because of the nonlinearity of the
Weicheisenmagnetisierungsfunktion nicht das Superpositionsprinzip angewendet werden. Bei der Entwicklung eines entsprechenden Soft iron magnetizing function does not apply the superposition principle. In the development of a corresponding
Berechnungsverfahrens werden weiterhin eindeutige Calculation method will continue to be unique
Materialfunktionen keine Hysteresis und Isotropie vorausgesetzt. Der allgemeine Ansatz beschreibt Material functions assuming no hysteresis and isotropy. The general approach describes
- die Proportionaltheorie mit - the proportionality theory with
- die magnetisch weichen Substanzen mit M = O, B=B(H) eindeutige Funktion mit dem Punkt (O,O) positive Funktionen - the magnetically soft substances with M = O, B = B (H) unique function with the point (O, O) positive functions
- die stabilisierten Permanentmagnete mit - The stabilized permanent magnets with
μ = const und die sekundären Schleifen mit μ = const and the secondary loops with
- die remanentmagnetischen Zustandskurven mit - The remanentmagnetischen state curves with
Hinzukommen die Größen: Added the sizes:
dabei ist μ(Η) die Permeabilität, die Funktion μd(Η) die where μ (Η) is the permeability, the function μ d (Η) is the
differentielle Permeabilität.  differential permeability.
Entsprechendes lässt sich für die Elektrisierungsfunktion ableiten The same can be derived for the electrification function
Es gilt die Ausdrücke für die Funktionen, aus denen die Feldkräfte sowie die Induktivitäts- und Kapazitätskoeffizienten bestimmt werden, feldtheoretisch, also durch die Maxwellschen Gleichungen und aus dem Prinzip von der Erhaltung der Gesamtenergie eines geschlossenen Systems abzuleiten. Voraussetzung hierfür sind in einem endlichen Volumen τ Träger mit elektrischen Ladungen,  The expressions for the functions from which the field forces as well as the inductance and capacitance coefficients are determined must be derived in terms of field theory, ie by Maxwell's equations and from the principle of the conservation of the total energy of a closed system. Prerequisite for this are in a finite volume τ carrier with electrical charges,
Leitungsströmungen, permanente Magnetisierung sowie die  Line currents, permanent magnetization and the
Verteilungen der ε und μ. Da die Arbeit der Feldkräfte bei Verrückungen der Körper zu bestimmen ist, ist die Maxwellsehen Gleichungen in der Form: Distributions of ε and μ. As the work of field forces at Deformations to determine the body is the Maxwell's equation in the form:
anzusetzen, oder in ausgeschriebener Form: to be applied or in an advertised form:
Multipliziert man die erste Gleichung aus 004 mit die zweite mit und addiert Multiply the first equation from 004 by the second with and added
und integrieren über das Volumen und wendet den Satz von Gauss an und nimmt für diesen die Normale π jedes Flächenelements dÄ nach innen, so erhält man dem Stand von Wissenschaft und Technik folgend: and integrate about the volume and applies the theorem of Gauss and takes for this the normal π of each surface element dÄ inward, one obtains following the state of science and technology:
Nimmt man dabei an, dass die Hüllfläche unendlich ist (das System selber ist endlich und vollständig) im Grenzfall: Assuming that the envelope is infinite (the system itself is finite and complete) in the limit:
lautet die Energiebilanz des Systems:  is the energy balance of the system:
Hierin ist  Here is
als der gesamte Energieverlust im Volumen durch Stromwärme t in der Zeitspanne dt bekannt. Schließt man nicht quasistationäre Vorgänge aus, so können die zwei weiteren Integrale in der vorherigen  as the total energy loss in volume by current heat t in the time span dt known. If one does not exclude quasi-stationary processes, then the two further integrals in the previous one can
Energiebilanz des Systems erklärt werden als: Energy balance of the system can be explained as:
infinitasimale Zunahme der elektrischen, der infinitasimale increase of the electric, the
magnetischen Feldenergie, infinitesimale Arbeit magnetic field energy, infinitesimal work
ddeerr eelleekkttrriisscchheenn,, der magnetischen Feldkräfte bei ddeerr eelleekkttrriisscchheenn ,, magnetic field forces
Verrückungen der Träger. displacements the carrier.
Schließt man solche Verrückungen vorbereitend aus: daher überall an Stelle d`/dt erhält man: If one excludes such displacements preparatory: therefore everywhere in place d` / dt one obtains:
Darin bedeutet That means
die räumliche Dichte der elektrischen und the spatial density of the electrical and
die räumliche Dichte der magnetischen Feldenergie Die Feldenergien sind damit bestimmt durch: the spatial density of the magnetic field energy The field energies are thus determined by:
Treten Verrückungen in Folge der FBldkräfte auf, Kicking displacements as a result of the FBld forces,
müssen für die Bestimmung derneed for the determination of
Annahmen getroffen werden, dass  Assumptions are made that
- der Skalar μ - the scalar μ
- der Magnetisierungsvektor - The magnetization vector
- der räumliche Stromdichtevektor an der Materie haften. Also du = 0 für konstantes H - the spatial current density vector adhere to the matter. So you = 0 for constant H
wo eine in der Materie festliegende Fläche bezeichnet. where a fixed surface in matter called.
Bezüglich μ bedeutet dieser Ansatz eine Vernachlässigung der kleinen Änderungen, die μ durch die Gestaltänderung eines With respect to μ, this approach means neglecting the small changes, the μ by the change of shape of a
Körperelementes erfährt, und damit der geringen Kräfte der Body element experiences, and thus the low forces of
Magnetostriktion. Was M betrifft ist dies Ausdruck einer Tatsache. Bezüglich ist es eine Rechenregel; der tatsächliche Vorgang kann dabei in zwei Teile zerlegt werden: Magnetostriction. As far as M is concerned, this is an expression of a fact. In terms of is it a calculation rule; the actual process can be divided into two parts:
- Verschiebung der Materie mit an ihr haftender Strömung  - Displacement of matter with adhering flow
- Verschiebung der Strömung gegen die Materie.  - Shift of the flow against the matter.
Nur die Änderung von Vm wird bei dem ersten Teilvorgang in die Rechnung einbezogen. Diese Annahmen gelten nunmehr für alle weiteren Betrachtungen. Gleiche Überlegungen können dann für das elektrische Feld durchgeführt werden. Only the change of V m is included in the calculation in the first sub-operation. These assumptions now apply to all further considerations. Similar considerations can then be made for the electric field.
Dann müssen in den Gleichungen 009 die dWel und dWn eindeutig die. in Gleichungen Q10 bis 013 gefundenen Ausdrücke sein« Daher ergibt sich: Then in equations 009 the dW el and dWn must unambiguously be the. Expressions found in equations Q10 to 013 ". Hence:
Die Ausrechnung ergibt dabei The calculation results
Analogie zu den Feldenergien wird diese zu und bezeichnen V als die elektrische, V als die magnetische el m Analogy to the field energies is this too and denote V as the electrical, V as the magnetic el m
KRAFTEFUNKTION, denn aus diesen Funktionen werden über dV = dW , dV = dW die Feldkräfte bei Verdickungen el el mec m mmec  FORCE FUNCTION, because of these functions, the dV = dW, dV = dW from these functions, the field forces at thickening el el mec m mmec
materieller Körper berechnet.  calculates material body.
Für die einerseits, andererseits gilt nach For the one hand, on the other hand applies after
Und bezeichnen Vel als die elektrische, Vm als die magnetische And denote V el as the electric, V m as the magnetic
Kräfte-Funktion, denn aus diesen Funktionen werden über dVei = dWei mec dVm = dWmmec die Feldkräfte bei Verrückungenmaterieller Körper berechnet. Für die Wel, Vel einerseits, Wm, Vm andererseits gilt Forces function, because from these functions the field forces at displacements of material bodies are calculated via dVei = dWei mec dV m = dW m mec. For the W el , V el on the one hand, W m , V m on the other hand
Sind die thermischen Verluste Pth dt= 0 in der Energiebilanz Gl.007 muss nach dem Energieerhaltungssatz für ein abgeschlossenes System dWeimec der Arbeitszuwachs der Feldkräfte gleich der Abnahme der Feldenergien sein. If the thermal losses P th dt = 0 in the energy balance Gl.007, according to the energy conservation law for a closed system dWeimec, the increase in the force of the field forces must be equal to the decrease in the field energies.
Aus  Out
wird in den Fällen ε = const, μ = const in the cases ε = const, μ = const
Die Arbeit ist ebenso groß wie der Zuwachs an Feldenergie: wird dem nicht abgeschlossenen System von außen Energie zugeführt, so verteilt sich der Überschuss über die Stromwärmeverlustenergie zu gleichen Teilen auf die Arbeit der Feldkräfte und die Vermehrung der Feldenergien. Ausgehend von der abgeleiteten Energiebilanz (Gl.020) und den dort getroffenen Voraussetzungen, werden die mechanischen Kräfte magnetischen Ursprungs im stationären The work is just as large as the increase in field energy: if energy is supplied to the incomplete system from the outside, the excess over the current heat loss energy is equally distributed to the work of the field forces and the propagation of the field energies. Starting from the derived energy balance (Eq.020) and the prerequisites met there, the mechanical forces of magnetic origin become stationary
magnetischen Feld, unter Anwendung des Prinzips der virtuellen Verrückung bestimmt. Die mechanische Arbeit, die bei Verrückungen von Körpern in Folge der Feldkräfte aufgebracht wird, errechnet sich aus der Kräftefunktion. magnetic field, determined using the principle of virtual displacement. The mechanical work involved in displacements of bodies as a result of the field forces is calculated from the force function.
Treten Verschiebungen in einem konstanten äußeren Magnetfeld auf, (FIG. 4) so ist zu beachten, dass sich die Permeabilität μ im festen Raumpunkt ändert, trotz des konstanten Feldes If displacements occur in a constant external magnetic field (FIG. 4), it should be noted that the permeability μ changes in the fixed spatial point, despite the constant field
Kennzeichnet man  Indicates one
- die Veränderung im festen Raumpunkt mit - the change in the fixed space point with
- die Veränderung im festen substantiellen Punkt mit d - the change in the fixed substantial point with d
- die unendlich kleine Verrückung mit so ergibt sich rein geometrisch für einen Skalar u - the infinitely small displacement with this results purely geometrically for a scalar u
und für einen Vektor U der schon benutzte Ausdruck in Gl.003 and for a vector U, the already used expression in Eq.003
mit  With
Mit den getroffenen Annahmen unter (Gl.003-007) und With the assumptions made under (Gl.003-007) and
da quasistationäre Vorgänge vorausgesetzt wurden, ergibt since quasi-stationary processes were assumed results
Es ist also bei Konstanter magnetischer Feldstärke 8 So it's at constant magnetic field strength 8th
Mit With
errechnet sich nun die mechanische Arbeit durch the mechanical work is calculated by
Für das erste Glied im Volumenintegral erhält For the first term in the volume integral receives
Das dritte Glied wird zu The third link becomes too
Vereinfacht man das zweite Glied des Volumenintegrals Simplifies the second member of the volume integral
und addiert es, so erhält man and add it, you get
mit With
die die Kraft bezogen auf die Volumeneinheit beschreibt.which describes the force related to the volume unit.
Sie setzt sich aus drei Anteilen zusammen: einer Kraft auf StromträgerIt is composed of three parts: a force on electricity carriers
einer Kraft auf Träger magnetischer Mengen a force on carriers of magnetic quantities
- einer Kraft, welche auch auf nicht durchströmte und nicht permanent magnetische Körper wirkt, sondern auf Körper, die sich in ihrem magnetischen Verhalten von ihrer Umgebung - A force that acts on non-perfused and non-permanent magnetic bodies, but on bodies that are in their magnetic behavior of their environment
unterscheiden. differ.
Zur Aufstellung einer Energiebilanz wird dabei vom Prinzip der virtuellen Verschiebung ausgegangen. Das erfordert eine To establish an energy balance, the principle of virtual displacement is assumed. That requires one
Energiebilanz im nicht abgeschlossenen System. Energy balance in the unfinished system.
Wird nun der Anker des Elektromagneten (FIG 11) um ein kleines Stück δχ verschoben und der Strom I in der Wicklung dabei konstant gehalten, so nimmt der Induktionsfluss Φ im Doch, Kern, Anker und Luftspalt um einen Betrag δΦ und die magnetische Flussdichte B2 um einen Betrag δB2 zu Now, when the armature of the electromagnet (FIG 11) by a small distance δ χ shifted and the current I kept constant in the winding, the magnetic flux Φ decreases at However, core, armature and the air gap by an amount δΦ and the magnetic flux density B 2 by an amount δB 2
Dadurch wird im Stromkreis eine Quellenspannung induziert. Zu ihrer Überwindung muss der Spule die elektrische Arbeit zugeführt werden. Die im Weicheisenkern gespeicherte magnetische Energie ist As a result, a source voltage is induced in the circuit. To overcome this, the coil must do the electrical work be supplied. The magnetic energy stored in the soft iron core is
Bei der Verschiebung nimmt sie um den Betrag In the shift, it decreases by the amount
zu. to.
Infolge der Verlängerung δx erhöht sich die. innere Energie um den Betrag: As a result of the extension δ x increases. internal energy by the amount:
Im Luftspalt wird die gespeicherte Energie infolge der Zunahme von Β1 und δΒ11 =B2) vermehrt und infolge der Verkleinerung des Luftspaltes um δχ vermindert. Insgesamt nimmt damit die im Kern und Luftspalt gespeicherte Energie um In the air gap, the stored energy is increased due to the increase of Β 1 and δΒ 11 = B 2 ) and reduced by δ χ due to the reduction of the air gap. Overall, this reduces the energy stored in the core and air gap
zu. to.
Schließlich wird bei der Verrückung die mechanische Arbeit Finally, in the displacement, the mechanical work
aufgebracht. Die Energiebilanz  applied. The energy balance
ergibt results
Daraus folgt It follows
Dabei ist die spezifische Flächenkraft p, an einer Grenzfläche zwischen Stoffen mit unterschiedlichen Permeabilitäten, gleich der Differenz der Energiedichten in diesen permeablen  Here, the specific area force p, at an interface between substances with different permeabilities, is equal to the difference of the energy densities in these permeable
Substanzen. Unter diesen einschränkenden Annahmen wird die  Substances. Under these restrictive assumptions, the
Energieaufteilung beim Elektromagneten sowie beim Dauermagneten betrachtet. Dabei gilt es zu beachten, dass beim Dauermagneten die innere Energie einen größeren Einfluss auf die Kraft hat, als es beim Elektromagneten der Fall ist. Um diese Energieaufteilung zu untersuchen, setzt man die gleichen Hypothesen voraus, wie anfangs beschrieben bei kleinem Luftspalt. Beim dauermagnetischen Kern ist es dem Stand von Wissenschaft und Technik folgend üblich, bei allgemeinen Energiebetrachtungen nur zwischen interner (Index i) und externer Energie (Index e) zu unterscheiden (FIG.5). Für FIG.5 gilt dabei Energy distribution in the electromagnet and the permanent magnet considered. It should be noted that in the permanent magnet, the internal energy has a greater influence on the force, as it is the case with the electromagnet. In order to study this energy distribution, one assumes the same hypotheses as initially described with a small air gap. In the case of the permanent-magnetic core, it is common practice in science and technology to distinguish between internal (index i) and external energy (index e) in general energy considerations (FIG. 5). For FIG.5 applies
Eine Gegenüberstellung von Elektro- und! Dauermagnet zeigt die vorliegende Zusammensetzung der Feldstärken:  A comparison of electrical and! Permanent magnet shows the present composition of field strengths:
Daraus folgt die externe und interne magnetische Feldstärke From this follows the external and internal magnetic field strength
Die Luftapaltenergie (extern) The air snap energy (external)
und EleKtromagnet Dauermagnet and Elektromagnet permanent magnet
Die Interne Energie The internal energy
mit With
Die Gesamtenergie (externe + interne) The total energy (external + internal)
Die verschiedenen Ausdrücke werden nun durch die magnetischen Leitwerte dargestellt.The different terms are now represented by the magnetic conductivities.
Allein aus der graphischen Darstellung (FIG 6) erkennt man den starken Einfluss der inneren Energiedichte beim Dauermagneten, während sie beim Elektromagneten vernachlässigbar ist. Wendet man den Maxwellschen Spannungstensor auf eine der Trennflächen des Magneten an dann werden die Differenz der fiktiven Spannungen linksseits und rechtsseits der Trennfläche gebildet., um die wahrnehmbare Kraft zu bestimmen. Es ergibt sich folgender Ausdruck für die Kraft: The graphic representation (FIG. 6) alone shows the strong influence of the internal energy density in the permanent magnet, while it is negligible in the case of the electromagnet. If one applies the Maxwellian stress tensor to one of the separating surfaces of the magnet then the difference of the fictitious tensions becomes on the left and on the right side of the interface, to determine the perceptible force. The following expression for the force results:
da nur Normalkomponenten der magnetischen Feldstärken vorausgesetzt wurden. Die magnetischen Feldstärken werden nun durch die Größen des Stromquellen- Ersatzschaltbildes ersetzt. Durch Integration über die Teilfläche ergibt sich die Kraft:  since only normal components of the magnetic field strengths were assumed. The magnetic field strengths are now replaced by the sizes of the current source equivalent circuit diagram. Integration over the face gives the force:
Entsprechende Überlegungen ergaben für den Elektromagneten Corresponding considerations resulted for the electromagnet
Dem Stand von Wissenschaft und Technik folgend erscheint in der Gleichung 058 ein "Korrekturglied", das ausschließlich von den geometrischen Abmessungen des Luftspaltes μr und der Dauermagnetlänge abhängt. Dem Stand von Wissenschaft und Technik folgend überlagern sich die Kräfte, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Um dies zu erklären, wird der Permanentmagnet mit einer stromdurchflossenen Spule umgeben (FIG 8). Sie wird dabei so erregt, dass das Feld des Permanentmagneten und das Feld der Spule im Luftraum gleichgerichtet sind. Following the current state of science and technology, in equation 058 a "correction term" appears, which is based exclusively on the geometric dimensions of the air gap μ r and the Permanent magnet length depends. Following the state of science and technology, the forces overlap without influencing each other. To explain this, the permanent magnet is surrounded by a current-carrying coil (FIG 8). It is so excited that the field of the permanent magnet and the field of the coil in the air space are rectified.
Dabei gilt: Where:
Die Feldgleichungen schreiben sich für die Normalkomponenten der magnetischen Feldstärke  The field equations are written for the normal components of the magnetic field strength
Daraus folgt die externe und interne magnetische Feldstärke mit This is followed by the external and internal magnetic field strength
Der ve rgleich nach dem Stand von Wissenschaft und Technik zeigt:  The comparison according to the state of science and technology shows:
Die Teilfelder, die von der Spule (Θb) herrühren, und die The subfields that come from the coil (Θ b ), and the
Teilfelder, die vom Permanentmagneten (M) herrühren, überlagern sich ohne sich gegenseitig zu beeinflussen:  Subfields that originate from the permanent magnet (M) are superimposed without influencing each other:
Für die Luftspaltenergie (extern) erhält man dem Stand von Wissenschaft und Technik folgend, somit den Ausdruck For the air gap energy (external) one gets the state of science and technology following, thus the expression
Die interne Energie berechnet sich dann folgendermaßen: The internal energy is then calculated as follows:
Hieraus ergibt sich dem Stand der Wissenschaft und Technik folgend die Gesamtenergie (extern+ intern) This results in the state of science and technology following the total energy (external + internal)
Und als magnetische Leitwerte: And as magnetic conductivities:
und damit and thus
61.066 61066
Beim Vengleich mit Gleichung 065 folgert der Stand von Wissenschaft und Technik., dass die Gesamtenergie des kombinierten Feldes gleich der Summe der einzelnen Energiebeträge ist, die sich ergeben, wenn man erst M = 0 und dann Θb - 0 setzt. Zwischen Spule und Permanentmagnet existiert keine wechselseitige Energie. Um die Wechselwirkung dieses elektromechanischen Systems eindeutig in einem Ersatzschaltbild (FIG 10) darzustellen, fordert die Energiebilanz eine Kombination von Spannungsquellen- Ersatzschaltbild für den Stromkreis und ein Stromquellen- Ersatzschaltbild für den Permanentmagneten. Die Energieaufteilung des Permanentmagneten sowie des Elektromagneten allein sind als Spezialfälle gleichfalls darin enthalten. Im gewohnten When compared with Equation 065, the state of science and technology concludes that the total energy of the combined field is equal to the sum of the individual amounts of energy that result when first sets M = 0 and then Θ b - 0. There is no mutual energy between coil and permanent magnet. To clearly illustrate the interaction of this electromechanical system in an equivalent circuit diagram (FIG. 10), the energy balance requires a combination of voltage source equivalent circuit for the circuit and a current source equivalent circuit for the permanent magnet. The energy distribution of the permanent magnet and the electromagnet alone are also included as special cases in it. In the usual
Ersatzschaltbild (FIG 10) gilt für eine wechselseitige Energie:  Equivalent circuit diagram (FIG. 10) applies to a mutual energy:
Dies wird von Remus in „Analyse von variablen Reluktanzsystemen anhand von Integralgleichungen" S. 48 erwähnt. Fischer lehrt in „Abriss der Dauermagnetkunde" S.80 ebenfalls eine Energiebilanzierung., und kommt wie Remus zu dem Schluss> dass aufgrund mangelnder gegenseitiger Beeinflussung von Elektro- und Dauermagnet der letzte Term „ 2ΘaΘb " der Energiebilanz zu vernachlässigen ist, da er = 0 wird. This is mentioned by Remus in "Analysis of Variable Reluctance Systems Using Integral Equations" on page 48. Fischer also teaches in "Demolition of Permanent Magnetic Resonance," p Energy balance., And comes, as Remus concludes > that due to lack of mutual influence of electric and permanent magnet, the last term "2Θ a Θ b " of the energy balance is negligible, since it = 0.
Dieser Term wird ebenfalls von Multon in ENS Cachan - Antenne de Bretagne „Application des aimants aux machines electriques" S.6 2005 vernachlässigt. This term is also neglected by Multon in ENS Cachan - Antenna de Bretagne "Application of the aimants aux machines electriques" p.6 2005.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein präziseres The invention is based on the object, a precise
Berechnungsverfahren zur Auslegung von Reluktanzsystemen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 durch ein Berechnungsverfahren zur Auslegung von Reluktanzsystemen durch Bilanzierung der inneren und äußeren Systemenergie mit To provide calculation methods for designing reluctance systems. This object is according to claim 1 by a calculation method for the design of reluctance systems by balancing the internal and external energy system with
Unter Auslegung wird dabei verstanden: Dimensionierung der Dauermagneten (Länge, Höhe, Breite, Form),  By design is meant: dimensioning of the permanent magnets (length, height, width, shape),
Werkstoffwähl, Dimensionierung des Elektromagneten bestehend aus Spule und Kern (Länge, Höhe, Breite, Form, Windungszahl, Material selection, dimensioning of the electromagnet consisting of coil and core (length, height, width, shape, number of turns,
Spulenleiterdicke, Werkstoffwahl), Dimensionierung des Luftspalts (Positionierung von Dauermagnet und Elektromagnet zueinander), Bestromen des Elektromagneten.  Coil conductor thickness, choice of material), dimensioning of the air gap (positioning of permanent magnet and electromagnet to each other), energizing the electromagnet.
die magnetische Durchflutung des Dauermagneten ist und Θb = N I die magnetische Durchflutung des Elektromagneten ist und Λ die Permanenz darstellt. Dabei verhält sich He und H* entgegen des Standes von Wissenschaft und Technik nach: the magnetic flux of the permanent magnet is and Θ b = NI is the magnetic flux of the electromagnet and Λ represents the permanence. Here, H e and H * are contrary to the state of science and technology:
Entgegen des Standes von Wissenschaft und Technik fließt der zweite Term der Energiebilanz 2ΘaΘb in die Berechnung ein. In vielen messtechnischen Veröffentlichungen wird darauf hingewiesen dass ein gewisser Zusammenhang zwischen Luftspaltlänge und Contrary to the state of science and technology, the second term of the energy balance 2Θ a Θ b is included in the calculation. In many metrological publications it is pointed out that a certain relationship between air gap length and
Dauermagnetlänge besteht. Um die Kraft trotzdem ungefähr berechnen zu können, führte man einen "Korrekturfaktor" - Erhöhung des  Permanent magnet length exists. Nevertheless, in order to be able to calculate the force approximately, one led a "correction factor" - increase of the
Streufaktors - ein. Dabei werden die Streuflüsse zu groß  Scattering factors - one. The leakage fluxes are too big
angenommenj wie dies schon andererseits bei anisotropen Materialien beobachtet wurde. Ein Blick auf die Magnetisierungskennlinie B Uber H verdeutlicht die geometrischen Verhältnisse. (FIG 12) Die Scherungsgrade 2 verbindet den Nullpunkt mit dem Punkt der Magnetisierungskennlinie des Dauermagneten für I = 0. Es entsteht der Schnittpunkt 3, der als Arbeitspunkt bezeichnet wird. Nullpunkt (B/H) Arbeitspunkt 3 und Schnittpunkt der Magnetisierungslinie 1 mit der Ordinate B spannen ein Dreieck auf. Dieses Dreieck  as already observed on anisotropic materials. A look at the magnetization curve B over H clarifies the geometric conditions. (FIG. 12) The degrees of shear 2 connect the zero point to the point of the magnetization characteristic curve of the permanent magnet for I = 0. The result is the intersection point 3, which is referred to as the operating point. Zero point (B / H) operating point 3 and intersection of the magnetization line 1 with the ordinate B create a triangle. This triangle
beschreibt die externe Energie (Dichte) des Dauermagneten. Hinzu kommt nun die externe Energie (Dichte) des Elektromagneten, die jedoch die Gesamtenergie des Dauermagneten beeinflusst, sodass die Gesamtenergie des Reluktanzsystems bestehend aus der Gesamtenergie des Dauermagneten und der Gesamtenergie des Elektromagneten um den Betrag 2ΘaΘb wächst. Dies sind die beiden Parallellogramme mit der Breite zwischen den Punkten 4 und 5. Wobei 6 der neue Arbeitspunkt des Reluktanzsystems, und 7 der um Θb / I1 verschobene Wert auf der Abzisse H darstellt. FIG 12 zeigt dabei, dass zwei Parallelogramme 2ΘaΘb entstehen, die die Fläche 2ΘaΘb aufspannen. Dies haben zudem Messergebnisse bestätigt (FIG 13). Nach einer bevorzugten Berechnungsvariante wird dabei das describes the external energy (density) of the permanent magnet. in addition Now comes the external energy (density) of the electromagnet, which, however, affects the total energy of the permanent magnet, so that the total energy of the reluctance system consisting of the total energy of the permanent magnet and the total energy of the electromagnet by the amount 2Θ a Θ b grows. These are the two parallel loops with the width between the points 4 and 5. Where 6 represents the new operating point of the reluctance system, and 7 the value shifted on the abscissa H by Θ b / I 1 . FIG. 12 shows that two parallelograms 2Θ a Θ b are formed which span the surface 2Θ a Θ b . This has also confirmed measurement results (FIG 13). After a preferred calculation variant is doing the
magnetische Potential eines Elektromagneten Θb, das ein vom Strom (I) abhängiger Wert ist, so gewählt, dassmagnetic potential of an electromagnet Θ b , which is a value dependent on the current (I), chosen such that
und folgende Berechnungsschritte vorgenommen werden: a) Verwendung eines Startwertes mit 1=0 und eines zweiten and the following calculation steps are performed: a) Use of a starting value with 1 = 0 and a second one
Wertes I1 der zwischen 1=0 und I=Isättigung (für Θb) liegt, b) Berechnung eines Bewertungswertes Β1, der ein Maß für die Nivellierung der Bilanzierung zwischen Θa und Θb ist mit Value I 1 which is between 1 = 0 and I = I saturation (for Θ b ), b) calculation of an evaluation value Β 1 , which is a measure for the leveling of the balancing between Θ a and Θ b with
c) Berechnung eines zweiten Bewertungswertes B2 für ein I2 mit der Annahme c) Calculation of a second evaluation value B 2 for an I 2 with the assumption
I1 < I2 < Isättigung für Θb, I 1 <I 2 <I saturation for Θ b ,
d) bei B21 setzen von B2 als neuen Bewertungsstandard. d) at B 21 set B 2 as the new valuation standard.
Ziel einer solchen Berechnung ist die Berechnung eines The aim of such a calculation is the calculation of a
Arbeitspunktes bei dem Working point at the
(FIG 13) Unter minimal ist dabei ein Wert der gegen 1 geht zu verstehen. Unter dem Bewertungswert wird jeder Wert verstanden, der größer wird, wenn die Summe der Energiebilanz zunimmt. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass mindestens einer der Werte der mit einer Zufallszahl multipliziert oder dass zu mindestens einem der Werte (I) ein Wert hinzuaddiert wird. Das Maß der (FIG. 13) A value that is approaching 1 is to be understood as minimum. The rating value is understood to be any value that increases as the sum of the energy balance increases. This can be done, for example, by multiplying at least one of the values by a random number or by adding a value to at least one of the values (I). The measure of
Änderung erfolgt proportional zum Bewertungswert und umgekehrt proportional zur Anzahl der Veränderungen, so dass nach einer Vielzahl von Veränderungen die Optimierung des Bewertungsmusters nahezu abgeschlossen ist. Die maßgebliche Veränderung der Erregung erfolgt zu Beginn der Optimierung. Ein schnell sich ändernderThe change is proportional to the valuation value and inversely proportional to the number of changes, so that after a large number of changes, the optimization of the valuation pattern is almost completed. The significant change in arousal takes place at the beginning of the optimization. A fast changing one
Bewertungswert verzögert das Optimierungsende, kann jedoch auch die nahezu abgeschlossene Optimierung wieder in Gang setzen. Ist der Bewertungswert idealerweise minimal, dann geht die Energiebilanz gegen 1 und eine neue Berechnung findet nicht mehr statt. Der Arbeitspunkt eines entsprechenden Systems wurde dem Stand der Technik folgend durch den Punkt bestimmt, der Schnittpunkt von Schergraden und Magnetisierungskennline des Dauermagneten ist, mit der Annahme, dass 1=0 ist. Unter Berücksichtigung von 2ΘaΘb wird nun der Arbeitspunkt nicht auf der Magnetisierungskennline, sondern auf der Scherungsgraden gesucht. Rating value delays the end of the optimization, but can also restart the near-completed optimization. If the rating is ideally minimal, then the energy balance goes to 1 and a new calculation no longer takes place. The operating point of a corresponding system has been determined according to the prior art by the point which is the intersection of shear rates and the magnetization characteristic of the permanent magnet, with the assumption that 1 = 0. Considering 2Θ a Θ b , the operating point is now searched for not on the magnetization curve but on the degrees of shearing.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführung wird vor der  According to another preferred embodiment, before the
beschriebenen Energiebilanzierung described energy balance
a) eine Eingabe der Daten der Reluktanzsystempartner,  a) an input of the data of the reluctance system partners,
b) eine Bestimmung der magnetischen Widerstände in Anhängigkeit der eingegebenen Daten,  b) a determination of the magnetic resistances as a function of the entered data,
c) Ausgabe der Werte der unter b) erhaltenen Werte als  c) output the values of the values obtained under b) as
Splinefunktionen,  spline functions,
d) eine Ermittlung der magnetischen Zwischenbereichsreluktanzen e) die Aufstellen wenigstens eines nichtlinearen d) a determination of the magnetic Zwischenereichu reluctances e) the establishment of at least one nonlinear
Gleichungssystems mit den durch die Schritte b)-d)  Equation system with the steps b) -d)
generierten Werten,  generated values,
f) eine Nivellierung der Nichtlinearität des Gleichungssystems nach e) durch ein mathematisches Modell, um die Ausgabewerte zu erhalten vorgenommen.. f) a leveling of the nonlinearity of the system of equations according to e) made by a mathematical model to obtain the output values.
Besteht z.B. ein Relunktanzsystempartner aus einem Elektromagneten mit einer gezahnten Struktur, ist nach der  Consists e.g. a Relunktanzsystempartner from an electromagnet with a toothed structure, is after the
Integralgleichungsmethode der äquivalente magnetische Leitwert bzw. die Anziehungskraft und Schubkraft für eine bestimmte Stellung bekannt. Um unbekannte Zwischenwerte aus diesen geordneten  Integral equation method of the equivalent magnetic conductance or the attractive force and thrust known for a particular position. To get unknown intermediate values from these ordered
Wertepaaren zu erhalten, muss eine Interpolation vorgenommen werden. Beim Vergleich mit anderen Interpolations-Methoden zeigt sich, dass die Interpolation mittels Spline-Funktionen erhebliche Vorteile bietet. Unter Interpolation im engeren Sinn, versteht man dabei die Rekonstruktion einer Funktion f(x) aus Werten f(xi), die an diskreten Stellen xi gegeben sind. Aus der technischen To obtain value pairs, an interpolation must be made. Compared to other interpolation methods, interpolation using spline functions shows significant advantages. By interpolation in the narrower sense, we mean the reconstruction of a function f (x) from values f (xi) given at discrete places xi. From the technical
Problemstellung folgt im allgemeinen, dass es eine stetige Funktion f(x) geben muss, für die f(xi) =» fi gilt. Da nun f(x) bis auf die Stützwerte fi unbekannt ist, sucht man eine für Berechnungen vergleichsweise „einfache" Funktion für die an den Stützstellen The problem generally follows that there must be a continuous function f (x) for which f (xi) = »fi. Since f (x) is unknown except for the base values fi, one looks for a comparatively "simple" function for calculations at the interpolation points
Während der Fehler an den Stützstellen x1 While the error at the nodes x 1
verschwindet, kann Uber seinen Verlauf im Intervall [a,b] i.A. nichts ausgesagt werden. So trifft man die Annahme, dass / die unbekannte Funktion f(x) sich in [a,b] annähert. Die Ermittlung von Werten (x) zu Argumenten x ∈ [a, b], x xi wird dabei als Interpolation bezeichnet. Von einer Funktion f(x)j deren analytische Form nichts bekannt ist, sind aus dem Intervall [a,b] an endlich vielen Stützstellen xi deren Stützwerte fi in einem kartesischen Koordinatensystem gegeben. Nothing can be said about its course in the interval [a, b] iA. Thus one finds the assumption that / the unknown function f (x) approaches [a, b]. The determination of values (x) for arguments x ∈ [a, b], x x i is referred to as interpolation. From a function f (x) j whose analytic form is unknown, from the interval [a, b] at finitely many nodes x i are given their fundamental values fi in a Cartesian coordinate system.
Dabei sei definiert, dass xi monoton wachse. Eine Möglichkeit, diese Stützpunkte durch eine oft differenzierbare glatte Kurve zu verbinden, ist das dabei stets existierende LAGRANGE 'sehe It is defined that x i grow monotonously. One way to connect these points by an often differentiable smooth curve, is the always existing LAGRANGE 'see
Interpolationspolynom interpolation
oder auch das algebraische Polynom or the algebraic polynomial
.Jedoch schwanken diese Polynome mit wachsender Anzahl und Wahl der Stützstellen. Andererseits ist der kleinstmögliche Polynomgrad zwischen jeweils zwei Punkten der Polygonzug. Hierbei ist zwar die Schwankung der interpolierenden Funktion minimal, aber die  However, these polynomials vary with increasing number and choice of interpolation points. On the other hand, the smallest possible degree of polynomial between every two points is the polyline. Although the fluctuation of the interpolating function is minimal, but the
Unstetigkeit an den Knoten setzt schon bei der ersten Ableitung ein; außerdem sind diese Kurven nicht glatt, wie FIG 16 zeigt.  Discontinuity at the node begins at the first derivation; In addition, these curves are not smooth, as shown in FIG 16.
Besonders zweckmäßig ist ein Kompromiss zwischen Polygonzug und Interpolationspolynom höheren Grades: dabei werden Particularly useful is a compromise between polygon and interpolation polynomial higher degree: thereby
niedriggradige und daher schwach schwankende Polynome zu einer im ganzen Intervall [a,b] möglichst oft differenzierbaren Funktion verknüpft. Die Anwendung der rationalen Spline-Funktion zeigen die beim Linearmotor auftretenden Rand- und Längseffekte. (FIG 17) Besonders vorteilhaft ist es bei Auslegung eines entsprechenden Reluktanzsystems die auftretenden Nichtlinearitäten durch ein mathematisches Modell zu nivellieren. So wird bei der Anwendung der Integralgleichungsmethode low-grade and therefore weakly fluctuating polynomials to a function which is as often as possible differentiable throughout the interval [a, b] connected. The application of the rational spline function shows the edge and longitudinal effects of the linear motor. (FIG. 17) When designing a corresponding reluctance system, it is particularly advantageous to level the occurring nonlinearities by a mathematical model. This becomes true when using the integral equation method
vorausgesetzt, dass die Randbedingungen bekannt sind und der zu betrachtende Raum linear ist. provided that the boundary conditions are known and the space to be considered is linear.
In den betrachteten Fällen wird dieser Raum durch die Luftspaltzone dargestellt. Den Rand bilden die Stator- und Rotoroberflächen. Auf den Oberflächen sind dann die  In the cases considered, this space is represented by the air gap zone. The edge is formed by the stator and rotor surfaces. On the surfaces are then the
Randbedingungen vorzugeben. Dabei gilt allgemein:  Specify boundary conditions. In general:
Da Stator und Rotor in den betrachteten Fällen aus Since stator and rotor in the cases considered
ferromagnetischen Materialien bestehen, sind die Oberflächen von vornherein als "nichtlineare Ränder" zu betrachten. Das besagt, dass die vorzugebenden Randbedingungen vom Sättigungszustand abhängig sind. Vorzugsweise wird im Zuge eines Ferromagnetic materials are made, the surfaces are considered from the outset as "non-linear edges". This means that the boundary conditions to be specified depend on the saturation state. Preferably, in the course of a
Berechnungsverfahrens eine Nivellierung der Nichtlinearität des Gleichungssystems durch Verwendung des abgeleiteten Computation method a leveling of the nonlinearity of the equation system by using the derived
Spannungstensors vorgenommenstress tensor performed
Dabei wird um die Nichtlinearitäten theoretisch erfassen zu können, vom abgeleiteten Spannungstensor für nichtlineare In order to be able to theoretically detect the nonlinearities of the derived stress tensor for nonlinear
Materialfunktionen der Beziehung: Material functions of the relationship:
ausgegangen. Dabei gilt: went out. Where:
Mit diesem Tensor p lässt sich den fiktive Spannungszustand im nichtlinearen Medium folgendermaßen beschreiben: Auf jede zum Felde H senkrechte Flächeneinheit wirkt längs der Feldlinien ein normaler Zug vom Betrage:  With this tensor p, the fictitious stress state in the nonlinear medium can be described as follows: For each area unit perpendicular to the field H, a normal train of magnitude acts along the field lines:
und auf jede zum Felde H parallele Flächeneinheit wirkt quer zu den Feldlinien ein normaler Druck vom Betrage: and on each surface unit parallel to the field H, a normal pressure of the magnitude acts across the field lines:
Bei den gewöhnlichen nichtlinearen Magnetisierungsfunktionen ist also der Querdruck stets grösser als der Längszug (FIG 18, 19) d.h. Zug- und Druckspannungen sind also verschieden voneinander.  Thus, in the ordinary non-linear magnetizing functions, the transverse pressure is always greater than the longitudinal tension (FIGS. 18, 19). Tensile and compressive stresses are therefore different from each other.
L + Q = B H L + Q = B H
Es ist L die magnetische Energiedichte w und Q die It is L the magnetic energy density w and Q the
magnetische Kraftdichfcefunktion v. w + v = B H  magnetic force density function v. w + v = B H
überall, wo die Nagnetisierungsfunktion linear ist, wird everywhere where the Nagnetisierungsfunktion is linear, is
Dabei sind nur bei geradliniger Magnetisierungsfunktion die fiktiven magnetischen Zug- und Druckspannungen gleich. Legt man nun willkürlich eine Fläche - in beliebiger Lage - mit der Only the fictitious magnetic tensile and compressive stresses are the same for a straight-line magnetization function. If you place now arbitrarily a surface - in any position - with the
Flächeneinheitsnormale n in das magnetische Feld H, so lässt sich der Spannungstensor p durch verschiedene Ausdrücke darstellen: Area normal in the magnetic field H, the stress tensor p can be represented by different expressions:
Dies gilt, wenn α der Winkel zwischen der magnetischen Feldstärke H und der Einheitsnormale n ist. Das Vektordiagramm (FIG 20) zeigt diesen Zusammenhang. Der Vergleich mit der als konstant This is true if α is the angle between the magnetic field strength H and the unit normal n. The vector diagram (FIG. 20) shows this relationship. The comparison with the as constant
angenommenen Magnetisierungsfunktion zeigt dabei, dass sich nicht nur der Betrag von p ändert. Auch der Winkel ß zwischen p und der magnetischen Feldstärke H wird bei einer gewöhnlichen  assumed magnetization function shows that not only the amount of p changes. Also, the angle β between p and the magnetic field strength H is at a common
Magnetisierungsfunktion immer grösser sein als der Winkel α zwischen der magnetischen Feldstärke H und der  Magnetizing function always be greater than the angle α between the magnetic field strength H and the
Flächeneinheitsnormalen n. Um die mechanischen Spannungen  Area unit norms n. To the mechanical stresses
magnetischen Ursprungs an einer Trennfläche, gebildet durch zwei Körper mit verschiedenen nichtlinearen Magnetisierungsfunktionen., ermitteln zu können, werden Flächenströme und magnetische  magnetic origin at a separation surface, formed by two bodies with different nonlinear magnetization functions., be able to determine surface currents and magnetic
Flächenladungen ausgeschlossen.  Area charges excluded.
Da die Normalkomponente der magnetischen Flussdichte und die Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke zu beiden Seiten der Fläche jeweils gleiche Werte haben, erhält man As the normal component of the magnetic flux density and the tangential component of the magnetic field strength On both sides of the surface each have the same values, you get
als wahrnehmbare Kraft auf die Flächeneinheit  as a perceptible force on the area unit
Die wahrnehmbare Kraft ist dabei senkrecht zur Trennungsfläche gerichtet, ein Schub tritt nicht auf. Betrachtet man nun den Fall, bei dem der Körper (2) Eisen, der Körper (1) Luft ist, so erhält man  The perceptible force is directed perpendicular to the separation surface, a thrust does not occur. Considering the case in which the body (2) is iron and the body (1) is air, we obtain
Wenn α2 nicht zu nahe an einen rechten Winkel herankommt, sind w2 und V2 klein gegen W1 = v1 und es überwiegt das erste Glied mit W1, also If α 2 does not come too close to a right angle, w 2 and V 2 are small compared to W 1 = v 1 and the first term outweighs W 1 , ie
Wenn im Eisen die Kraftlinien streifend in die Oberfläche einfallen (α2 ungefähr 90°) , wird die Kraftliniendichte im Eisen bedeutend grösser als in der Luft; W2 und V2 werden daher neben When the lines of force in the iron are grazing into the surface (α 2 approximately 90 °), the density of the direct line in the iron becomes considerably greater than in the air; W 2 and V 2 are therefore next
W1 = v1. Die Feldlinien in der Luft bilden dann mit denen im Eisen fast einen rechten Winkel, und der Querdruck der Feldlinien im Eisen unterstützt den fast gleichgerichteten Längszug der W 1 = v 1 . The field lines in the air then form almost a right angle with those in the iron, and the transverse pressure of the field lines in the iron supports the almost rectilinear longitudinal course of the
Feldlinien in der Luft, der in gewöhnlichen Fällen allein Field lines in the air, which in ordinary cases alone
wahrgenommen wird, jetzt beträchtlich (FIG 22) also is perceived, now considerably (FIG. 22)
Dies erklärt, dass bei Elektromagneten die Zugkräfte so oft die Erwartungen übertreffen. Die nichtlineare Magnetisierungsfunktion des Eisens bewirkt, dass sich der Betrag von p2 und der This explains that with electromagnets, the tensile forces so often exceed expectations. The non-linear magnetization function of the iron causes the amount of p 2 and the
Ergänzungswinkel ß für diesen Einfallswinkel α2 vergrößern. Auf den daraus resultierenden Vektor p21 wirkt die Betragserhöhung in gleicher Richtung; sie unterstützt ihn. Dies ist die Erklärung dafür, dass man bei gesättigten Materialien eine größere Kraft oder ein größeres Moment erhalten kann, wie sie auch bei vielen Increase supplementary angle ß for this angle of incidence α 2 . On the resulting vector p 21, the increase in amount acts in the same direction; she supports him. This is the explanation that in saturated materials one can obtain a greater force or a greater moment, as with many
elektromechanischen Systemen beobachtet wurden. Man erkennt deutlich, dass die bei konstanter Permeabilität vollsymmetrischen Eigenschaften durch die nichtlineare Magnetisierungsfunktion verloren gehen. Vorteilhafterweise besteht das Reluktanzsystem aus Rotor und Stator eines Elektromotors. Unter dem Begriff des Elektromotors sind natürlich auch Linearmotoren zu subsumieren. Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform wird durch ein Berechnungsverfahren beschrieben, wobei die Ermittlung der Zwischenbereichsreluktanzen durch eine Ermittlung der Luftspaltreluktanzen in Abhängigkeit der Rotorposition αn ersetzt wird und zuletzt eine n-fache Wiederholung der Berechnungsschritte mit den nunmehr erhaltenen Werten für jede Rotorposition αn folgt. Exemplarisch wird dies an einem electromechanical systems were observed. It can be clearly seen that the properties which are fully symmetrical with constant permeability are lost due to the non-linear magnetization function. Advantageously, the reluctance system consists of rotor and stator of an electric motor. Of course, the term "electric motor" also includes linear motors. Another particularly advantageous embodiment is described by a calculation method wherein the determination of the Zwischenbereichsreluktanzen by determining the Luftspaltreluktanzen depending on the rotor position α n is replaced and last n-fold repetition of the calculation steps with the now obtained values for each rotor position α n follows. This is exemplified by a
Differential- Reluktanz Dreiphasen-Motor, dessen Statorblechschnitt in FIG 23 zwölf gezahnte Pole mit jeweils zehn Zähnen besitzt dargestellt. Die daraus resultierende Zahnteilung entspricht einer gesamten Zähnezahl von 132 Zähnen, da die Lücke zwischen jeweils zwei Polen einer Statorzahnteilung gleichkommt. Die in den Differential reluctance three-phase motor, the stator lamination shown in FIG 23 has twelve toothed poles with ten teeth each. The resulting tooth pitch corresponds to a total number of teeth of 132 teeth, since the gap between each two poles equals a Statorzahnteilung. The in the
Statornuten untergebrachte Dreiphasenwicklung erzeugt unter Statornuten housed three-phase winding generated under
Hinzunahme von Dioden ein vierpoliges Drehfeld. Addition of diodes a four-pole rotating field.
Der geblechte Rotor (FIG 24) mit seinen 130 Zähnen, der weder eine Wicklung noch einen Käfig trägt, dreht mit synchroner The bladed rotor (FIG 24) with its 130 teeth, which carries neither a winding nor a cage rotates with synchronous
Winkelgeschwindigkeit von n = 23,08 1/min. Durch diese von vornherein festgelegte Zahnstruktur kann also die Rotor- Winkelgeschwindigkeit ohne zusätzliches Getriebe herabgesetzt werden. Ein Motor mit diesen Eigenschaften wird Differential- Reluktanz-Motor genannt. Dabei wird eine gemeinsame Rotor- und Statorabwicklung festgelegt. FIG 25 zeigt die Teilabwicklung von Rotor und Stator. In der Luftspaltzone 1 stehen sich die Zähne von Rotor und Stator genau gegenüber. Für diese Position erreicht der magnetische Leitwert seinen Maximalwert. Bewegt sich nun der Rotor von Statorzahn 1 nach Statorzahn 2, so verschiebt sich die Angular velocity of n = 23.08 1 / min. As a result of this tooth structure defined from the outset, the rotor angular velocity can thus be reduced without additional gear. An engine with these characteristics is called a differential reluctance motor. In this case, a common rotor and Statorabwicklung is determined. FIG. 25 shows the partial development of rotor and stator. In the air gap zone 1, the teeth of rotor and stator are exactly opposite. For this position, the magnetic conductance reaches its maximum value. Now moves the rotor from stator tooth 1 to stator tooth 2, the shifts
magnetische Achse zur Luftspaltzone 2 hin. Der Rotor hat den Weg magnetic axis to the air gap zone 2 out. The rotor has the way
zurückgelegt, während sich die magnetische Achse um die covered, while the magnetic axis around the
Statorzahnstellung weiter bewegt hat. Setzt man in Gleichung 078 die Zähnezahl des Rotors Nr und des Stators Ns ein, bildet den Quotienten aus der Drehfelddrehzahl der magnetischen Achse und der Rotordrehzahl, so erhält man Statorzahnstellung has moved on. Substituting in equation 078 the number of teeth of the rotor N r and the stator N s , forms the quotient of the rotating field speed of the magnetic axis and the rotor speed, we obtain
Dieser Reduktionsfaktor R ist ausschließlich von der Rotor- und Statorzähnezahl abhängig, wodurch man eine synchrone Läuferdrehzahl erhält, die einen Bruchteil der Drehfelddrehzahl des Stators darstellt.  This reduction factor R is dependent exclusively on the number of rotor and stator teeth, which results in a synchronous rotor speed which represents a fraction of the rotating field speed of the stator.
Zur konkreten Berechnung dieses Differential Reluktanz-Motors werden dabei folgende Annahmen getroffen: - das verwendete Material ist homogen und isotrop  For the concrete calculation of this differential reluctance motor, the following assumptions are made: The material used is homogeneous and isotropic
- die Permeabilität im Eisen ist unendlich  - The permeability in iron is infinite
- das auftretende asynchrone Drehmoment ist vernachlässigbar  - The occurring asynchronous torque is negligible
- der Luftspalt lässt sich in konstante Luftspaltzonen aufteilen, von denen der magnetische Leitwert berechnet werden kann  - The air gap can be divided into constant air gap zones, from which the magnetic conductance can be calculated
- Streuungseinflüsse sind vernachlässigbar. Unter diesen Bedingungen wird der magnetische Leitwert jeder - Scattering influences are negligible. Under these conditions, the magnetic conductance of each
Luftspaltzone berechnet; mit einer in Position 4 FIG 25 schraffiert gezeichneten Zone, bei einer gewissen Rotorstellung, für die jetzt nach der Integralgleichungsmethode der äquivalente magnetische Leitwert berechnet werden kann. Um den dazugehörigen analytischen Ausdruck zu erhalten, werden diese errechneten Leitwerte mittels einer ausgleichenden periodischen Splinefunktion interpoliert. Calculated air gap zone; with a hatched area in FIG. 4 FIG. 25, with a certain rotor position for which the equivalent magnetic conductance can now be calculated according to the integral equation method. To obtain the associated analytical expression, these calculated guide values are interpolated by means of a compensating periodic spline function.
Das gemessene statische Drehmoment ist für verschiedene Ströme als Funktion des Winkels aufgetragen. Für I = 600 mA beträgt das maximale Moment T = 14,10 Nrn. Die Rechnung ergibt für den gleichen Strom T = 15,48 Nm. (FIG 26) The measured static torque is plotted for different currents as a function of angle. For I = 600 mA, the maximum torque is T = 14.10 Nos. The calculation gives T = 15.48 N · m for the same current. (FIG 26)
Für das dynamische Verhalten wurde der Strom gemessen und  For the dynamic behavior, the current was measured and
berechnet. Der Rotor bewegt sich um zwei Schritte weiter. Der stationäre Strom beträgt 1=600 mA. Somit besteht eine calculated. The rotor moves two steps further. The stationary current is 1 = 600 mA. Thus there is one
Übereinstimmung zwischen Rechnung und Messung. (FIG 27) Match between calculation and measurement. (FIG. 27)
Nach einer bevorzugten Variante der Erfindung folgt dem vorherigen Berechnungsschritt, nach der n-fache Wiederholung der Berechnung der Luftspaltwiderstände mit den nunmehr erhaltenen Werten für jede Rotorposition an durch die induzierte Spannung des Elektromotors die Ermittlung dessen Drehmomentes. Dies hat insbesondere für geometrisch komplexe Reluktanzsysteme den Vorteil, dass sämtliche Reluktanzanteile in der Rechnung berücksichtigt werden. Genauso kann man aber auch die Rechnung umkehren, sodass man verschiedene Möglichkeiten errechnet ein Reluktanzsystem geometrisch so zu gestalten, dass der Motor die benötigten Leistungskennwerte erreicht. Unter Leistungskennwerte ist dabei Leistung und According to a preferred variant of the invention, following the n-fold repetition of the calculation of the air gap resistances with the now obtained values for each rotor position, the previous calculation step follows the determination of its torque by the induced voltage of the electric motor. This has the advantage, in particular for geometrically complex reluctance systems, that all reluctance components are taken into account in the calculation. In the same way, you can reverse the calculation so that you can calculate various possibilities to geometrically design a reluctance system so that the motor achieves the required performance characteristics. Under performance characteristics is thereby achievement and
Drehmoment des Motors zu verstehen. Einer besonders vorteilhaften Ausführung folgend wird zur Ermittlung der Spline- Funktionen ein Ersatzschaltbild verwendet, das aus einer Kombination aus Spannungsquellen-Ersatzschaltbild und Stromquellen-Ersatzschaltbild besteht. Hierbei werden bevorzugt die innere und äußere Energie, sowie die gesamte Energie im Torque of the engine to understand. Following a particularly advantageous embodiment becomes Determining the spline functions uses an equivalent circuit diagram, which consists of a combination of voltage source equivalent circuit diagram and power source equivalent circuit diagram. Here are preferred the inner and outer energy, as well as the total energy in the
Ersatzschaltbild dargestellt; darin repräsentieren die jeweiligen magnetischen Leitwerte die entsprechenden Energien. Dem Stand von Wissenschaft und Technik folgend wird ersichtlich, dass der dauermagnetischen Kreis als Spannungsquellen-Ersatzschaltbild die innere Energie und die gesamte Energiebilanz unvollständig wiedergibt. Equivalent circuit diagram shown; The respective magnetic conductivities represent the corresponding energies. Following the state of science and technology, it can be seen that the permanent magnet circuit as a voltage source equivalent circuit is incomplete in terms of internal energy and overall energy balance.
Ein entsprechend adäquates Ersatzschaltbild ist dabei in FIG 29, 30 dargestellt. Ausgehend von der Zugkraft, die auf die eine Ringhälfte des Dauermagneten ausgeübt wird, erweist sich die Darstellung der Energiedichten., bezogen auf das Dauermagnetvolumen, im B(H) -Diagramm als vorteilhaft, die Energieverhältnisse beim Elektromagneten und Dauermagneten vergleichen zu können. Dazu wird auf die Gleichungen (063) bis (066) zurückgegriffen und die Energien auf das A corresponding equivalent equivalent circuit is shown in FIG 29, 30. Based on the tensile force exerted on the one half of the ring of the permanent magnet, the representation of the energy densities., Based on the permanent magnet volume, in the B (H) diagram proves to be advantageous to compare the energy ratios of the electromagnet and permanent magnet can. For this purpose, the equations (063) to (066) are used and the energies on the
Dauermagnetvolumen bezogen. Relative permanent magnet volume.
Diese Energiedichten sind in der FIG 31, 32 dargestellt. Geht man nun von der Energiebilanz im nicht abgeschlossenen System aus und berücksichtigen dabei die als linear angenommenen These energy densities are shown in FIGS. 31, 32. If one now assumes the energy balance in the incomplete system, taking into account the assumptions assumed to be linear
Material-Funktionen, so ergeben sich für die mechanische Arbeit bezogen auf das Magnetvolumen die in FIG 33, 34 gezeigten Material functions, as shown in FIG 33, 34 for the mechanical work related to the magnetic volume
Diagramme. Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Charts. The object mentioned above is also by a
Computerprogramm mit Programmcodemitteln,, insbesondere auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichertes Computerprogramm, zur Computer program with program code means, in particular a computer program stored on a machine-readable carrier, for
Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Implementation of the method according to one of the preceding
Ansprüche, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird gelöst. Der Rechner kann insbesondere einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller sein. Dementsprechend ist das Computerprogramm dann eine auf diesem Rechner ausgeführte Software. Das Claims when the computer program is run on a machine is solved. The computer may in particular be a microprocessor or microcontroller. Accordingly, the computer program is then executed on this computer software. The
Computerprogramm kann dann in einem Speicher des Mikroprozessors bzw. des Mikrocontrollers gespeichert sein. Das Computerprogramm kann auch auf anderen maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, wie z.B. auf wechselbaren Trägern wie CD-Rom oder Speicherstick. Computer program can then be stored in a memory of the microprocessor or the microcontroller. The computer program may also be stored on other machine-readable carriers, e.g. on removable carriers such as CD-ROM or memory stick.
Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und zugehörigen Abbildungen näher erläutert. Dies dient allein der The invention is explained in more detail below with reference to examples and associated figures. This alone serves the
Veranschaulichung der Erfindung ohne Beschränkung der Illustrate the invention without limitation
Allgemeinheit. General public.
FIG 1, 2, 3 zeigen die Magnetisierungsfunktionen von Luftspalt, Weicheisen und Dauermagnet. 1, 2, 3 show the magnetization functions of the air gap, soft iron and permanent magnet.
FIG 4 zeigt die Änderung der Permeabilität trotz eines konstanten äußeren Feldes. FIG. 4 shows the change in permeability despite a constant external field.
FIG 5 zeigt eine Gegenüberstellung von Elektro- und Dauermagnet. 5 shows a comparison of electric and permanent magnet.
FIG 6 FIG. 6
Zeigt eine graphische Darstellung der mechanischen Arbeit bezogen auf das Magnetvolumen von Dauer- und Elektromagnet. Shows a graphic representation of the mechanical work related to the magnetic volume of permanent and electromagnet.
FIG 7 -fehlt- FIG. 7 - Missing
FIG 8 zeigt eine einfache Skizze eines Dauermagneten mit Erregerspule. 8 shows a simple sketch of a permanent magnet with exciting coil.
FIG 9 -fehlt- 9 FIG.
FIG 10 zeigt ein zum Stand von Wissenschaft und Technik zu zählendes Ersatzschaubild mit Θa und Θb welches bisher verwendet wurde. Figur 11 FIG. 10 shows a spare diagram to be counted with the state of the art in science and technology with Θa and Θb which has hitherto been used. FIG. 11
Zeigt ein Modell eines Elektromagnet. Shows a model of an electromagnet.
FIG 12 zeigt die Magnetisierungskennlinien von Elektro-und Dauermagnet, sowie die Scherungslinie mit den entsprechenden geometrischen Verhältnissen. FIG 12 shows the magnetization characteristics of electric and permanent magnet, and the shear line with the corresponding geometric relationships.
FI6 13 zeigt ebenfalls die Magnetisierungskennlinie von Elektro-und FI6 13 also shows the magnetization characteristic of electric and
Dauermagnet sowie die Scherungslinie sowie ermittelte Messwerte für verschiedene Luftspaltgrößen. Permanent magnet as well as the shear line and measured values for different air gap sizes.
FIG 14 zeigt eine Variante eines Flussdiagramms zur Berechnung von FIG. 14 shows a variant of a flowchart for calculating
Reluktanzsystempartnern . Reluctance system partners.
FIG 15 zeigt eine weitere Variante eines Flussdiagramms zur Berechnung der Reluktanzsystempartner. FIG. 15 shows a further variant of a flowchart for calculating the reluctance system partners.
FIG 16 zeigt eine Zusammenstellung aus Polygonzug und FIG. 16 shows a compilation of polygonal and
Interpolationspolynom. Interpolation.
FIG 17 FIG. 17
Darstellung einer Modulationsfunktion durch sechs Teilpolynome. Representation of a modulation function by six partial polynomials.
FIG 18, 19 zeigt das Auftreten von Querdruck und Längszug bezogen auf die Magnetisierungsfunktion . FIGS. 18, 19 show the occurrence of transverse pressure and longitudinal tension in relation to the magnetization function.
FIG 2O, 21 FIG. 2O, 21
Stellt den linearen Fall und den nichtlinearen Fall einer Represents the linear case and the nonlinear case of a
Magnetisierung in einem Vektordiagramm gegenüber. Magnetization in a vector diagram opposite.
FIG 22 zeigt für eine nichtlineare Magnetisierungsfunktion von Eisen ein zweidimensionales Vektor-Diagramm. FIG. 22 shows a two-dimensional vector diagram for a non-linear magnetization function of iron.
FIG 23 zeigt ein Statorblechschnitt eines Dreiphasen-Motors. FIG. 23 shows a stator lamination section of a three-phase motor.
FIG 24 Zeigt einen Teilausschnitt eines Statorpols und einen gegenüberliegenden Rotor. FIG. 24 Shows a partial section of a stator pole and an opposite rotor.
FIG 25 zeigt eine Stator/ Rotorabwicklung, 25 shows a stator / rotor development,
FIG 26 zeigt das statisch gemessene Drehmoment das über verschiedene Ströme das als Funktion des Winkels α aufgetragen wurde. FIG. 26 shows the statically measured torque which has been plotted over various currents as a function of the angle α.
FIG 27, 28 zeigt den Stromverlauf über die Zeit der zu den Motorschritten in Relation gesetzt wurde. FIGS. 27, 28 show the current profile over the time that was related to the motor steps.
FIG 29 zeigt die herkömmliche Darstellung von Spannungsquellen und Stromquellenersatzschaubild . 29 shows the conventional representation of voltage sources and power source replacement diagram.
FIG 30 zeigt das Ersatzschaltbild, das die Beeinflussung der 30 shows the equivalent circuit diagram, which influences the
Reluktanzsystempartner berücksichtigt . FI6 31, 32 zeigt die Energiedichteverteilung von Elektro- und Dauermagnet. Reluctance system partners considered. FI6 31, 32 shows the energy density distribution of electric and permanent magnet.
FIG 33, 34 zeigt die mechanische Arbeit bezogen auf das Magnetvolumen von Elektro-und Dauermagnet. 33, 34 shows the mechanical work related to the magnetic volume of the electric and permanent magnet.
FIG 1, 2, 3 zeigen die Magnetisierungsfunktionen von Luftspalt, Weicheisen und Dauermagnet. Dabei zeigt FIG 1 eine lineare Magnetisierungsfunktion in der Luft, FIG 2 eine nichtlineare Magnetisierungsfunktion für Weicheisen und FIG 3 eine permanente Magnetisierungsfunktion für Dauermagneten. 1, 2, 3 show the magnetization functions of the air gap, soft iron and permanent magnet. 1 shows a linear magnetization function in the air, FIG. 2 shows a non-linear magnetization function for soft iron, and FIG. 3 shows a permanent magnetization function for permanent magnets.
FIG 4 zeigt die Änderung der Permeabilität trotz eines konstanten äußeren Feldes. Bei Verschiebungen in einem konstanten äußeren Magnetfeld ändert sich die Permeabilität μ im festen Raumpunkt bei konstantem Magnetfeld 4 shows the change in permeability despite a constant external field. In the case of displacements in a constant external magnetic field, the permeability μ in the fixed spatial point changes with a constant magnetic field
FIG 5 zeigt eine Gegenüberstellung von Elektro- und Dauermagnet. Mit den Luftspaltmaßen le/2 und dem inneren Maß li/2 bei einem Strom I und einer Windungszahl N. Das gleiche gilt auch für den Dauermagnet. FIG. 5 shows a comparison of electric and permanent magnet. With the air gap dimensions l e / 2 and the inner dimension l i / 2 at a current I and a number of turns N. The same also applies to the permanent magnet.
FIG 6 zeigt eine graphische Darstellung der mechanischen Arbeit bezogen auf das Magnetvolumen von Elektro- und Dauermagnet, die hier gegenübergestellt sind. 6 shows a graphic representation of the mechanical work related to the magnetic volume of the electric and permanent magnet, which are compared here.
FIG 7 -fehlt- FIG. 7 - Missing
FIG 8 zeigt eine einfache Skizze eines Elektromagneten. 8 shows a simple sketch of an electromagnet.
FIG 9 -fehlt- 9 FIG.
FIG 10 zeigt ein zum Stand von Wissenschaft und Technik zu zählendes Ersatzschaubild mit Oa und Ob welches bisher verwendet wurde. FIG. 10 shows a spare diagram to be counted in the state of science and technology with Oa and Ob which has hitherto been used.
FIG 11 Zeigt ein Modell eines Elektromagneten mit einem Joch 1, einem Kern 2 und zwei Ankern 3,4 und einem Luftspalt 5. FIG. 11 Shows a model of an electromagnet with a yoke 1, a core 2 and two anchors 3,4 and an air gap 5.
FIG 12 zeigt die Magnetisierungskennlinien von Elektro-und Dauermagnet, sowie die Scherungslinie mit den entsprechenden geometrischen Verhältnissen. FIG 12 shows the magnetization characteristics of electric and permanent magnet, and the shear line with the corresponding geometric relationships.
Dabei ist It is
1 Schnittpunkt zwischen Magnetisierungskennlinie des Dauermagneten und der Abzisse, 2 ist die Schergrade des Reluktanzsystems, 1 intersection between the magnetization characteristic of the permanent magnet and the abscissa, 2 is the shear rate of the reluctance system,
3 ist der Schnittpunkt zwischen Magnetisierungskennlinie des 3 is the intersection between magnetization characteristics of
Dauermagneten und Schergraden mit I=O, Permanent magnets and shear rates with I = O,
4 ist der Punkt auf der Scherungsgraden der mit Punkt 5 4 is the point on the degrees of shear with the point 5
geometrische Ob entspricht. 5 ist der entsprechende Punkt auf der Ordinate. geometric ob corresponds. 5 is the corresponding point on the ordinate.
6 ist der neu berechnete Arbeitspunkt des Reluktanzsystems bei dem die Energiebilanz minimal wird. 6 is the newly calculated operating point of the reluctance system in which the energy balance is minimal.
7 ist der verschobene untere Eckpunkt des Parallelogramms 4-5 6-7 der Breite Θb und der Höhe Θa (oder umgekehrt). 7 is the shifted lower vertex of the parallelogram 4-5 6-7 of width Θb and height Θa (or vice versa).
FIG 13 zeigt die durch Messung erhaltenen Verhältnisse eines 13 shows the ratios obtained by measurement of a
Reluktanzsystem mit 1 Magnetisierungskennlinie Dauermagnet mit einer Schergraden Reluctance system with 1 magnetization characteristic permanent magnet with a shear rate
2 für eine Luftspaltweite von 2 mm 2 for an air gap width of 2 mm
3 ist die Magnetisierungskennlinie el. Magnet 3 is the magnetization characteristic el. Magnet
4 die Scherungsgraden eine Reluktanzsystems mit einer 4 the degrees of shear a reluctance system with a
Luftspaltweite von 4 mm. Air gap width of 4 mm.
5 zeigt eine Sammlung von Messwerten auf der 5 shows a collection of measurements on the
Magnetisierungsfunktion des Dauermagneten mit einer Luftspaltweite von 2 mm  Magnetizing function of the permanent magnet with an air gap width of 2 mm
6 sind die gemessenen Werte der Magnetisierungsfunktion des 6 are the measured values of the magnetization function of the
Elektromagneten. Electromagnet.
7 der Schnittpunkt der Magnetisierungsfunktion mit der Ordinate. 7 shows the intersection of the magnetization function with the ordinate.
8 ist der gemessene externer Arbeitspunkt el. Magnet 8 is the measured external operating point el. Magnet
9 ist der herkömmlich berechnete Arbeitspunkt von Dauer und el. Magnet 10 Sättigungspunkt des el. Magnet 9 is the conventionally calculated working point of duration and el. Magnet 10 saturation point of the el. Magnet
11 ist der gemessene Arbeitspunkt von Dauer und el. Magnet 11 is the measured operating point of duration and el. Magnet
FIG 14 zeigt ein Flussdiagramm eines Berechnungsalgorithmusses mit dem geometrisch komplexe Reluktanzsysteme berechnet werden können. FIG. 14 shows a flowchart of a calculation algorithm with which geometrically complex reluctance systems can be calculated.
Für jede Position des Elektromagneten wird ein neues For each position of the electromagnet is a new
Gleichungssystem gelöst, da für jede Position andere Solved equation system, because for each position different
Luftspaltreluktanzen berücksichtigt werden müssen. Es beginnt mit der Eingabe der Geometrien der Positionen der Systempartner (Winkel und Abstand) unter Berücksichtigung des jeweiligen Models. Es entsteht eine Rahmendatei, die Widerstände in den Eisenteilen bestimmt. De nach Eingabe werden diese als konstante Werte oder als Splinefunktionen ausgegeben. Anhand der betrachteten Rotorposition an werden die Luftspaltwiderstände ermittelt. Sämtliche Widerstände und magnetische Spannungsquellen dienen als Eingabedaten für das Berechnungsprogramm. Die Berechnung des nichtlinearen Air gap reactances must be considered. It starts with Entering the geometries of the positions of the system partners (angle and distance) taking into account the respective model. The result is a frame file that determines resistance in the iron parts. After input, these are output as constant values or as spline functions. Based on the considered rotor position a n , the air gap resistances are determined. All resistors and magnetic voltage sources serve as input data for the calculation program. The calculation of the nonlinear
Gleichungssystems erfolgt in einer ausgelagerten Berechnungsdatei, die von der Rahmendatei aufgerufen wird und die die energetisch bilanzierten relevanten Größen erhält. Anschließend erfolgt eine Bewertung der erhaltenen Werte, was dazu führt, dass entweder die Berechnung der ausgelagerten Berechnungsdatei beendet wird oder mit einem neuen Startwert erneut erfolgt. In mehreren The system of equations takes place in an outsourced calculation file which is called by the frame file and which receives the energetically balanced relevant quantities. Subsequently, an evaluation of the values obtained, which results in either the calculation of the paged calculation file is terminated or takes place again with a new starting value. In several
Iterationsschritten kann dabei das Gleichungssystem gelöst werden. Als Startwert wird der Nullvektor gewählt. Die Ausgabewerte umfassen Potentiale, Flusswerte und Widerstände des magnetischen Kreises. Dies wird für jeden Winkel an wiederholt. Im Abschluss der Berechnung werden alle Ergebnisse zusammengefasst und die in den Spulen und Strängen induzierte Spannung sowie das Drehmoment des Systems bestimmt. Iterationsschritten while the equation system can be solved. The start value is the zero vector. The output values include potentials, flux values and resistances of the magnetic circuit. This is repeated for every angle. At the conclusion of the calculation, all results are summarized and the voltage induced in the coils and strings as well as the torque of the system are determined.
FIG 15 zeigt die konkretisierte Variante zur Berechnung eines FIG. 15 shows the more concrete variant for calculating a
Elektromotors. The electric motor.
FIG 16 Vendeutlicht die Unstetigkeit eines Polygonzuges nach den ensten Ableitung. FIG. 16 Vendeutlicht the discontinuity of a traverse to the final derivative.
FI6 17 FI6 17
Danstellung einen Modulationsfunktion durch sechs Teilpolynome Create a modulation function by six partial polynomials
FIG 18,19 zeigt das Auftneten von Quendnuck und Längszug bezogen auf die Magnetisienungsfunktion B üben H. Dabei sind Zug- und FIG. 18, 19 shows the unfreezing of quench and longitudinal traction with respect to the magnetizing function B, H.
Dnuckspannungen voneinanden venschieden. Dnuck voltages of one another are different.
FIG 2O,21 stellt den lineanen Fall und den nichtlineanen Fall einer FIGS. 2O, 21 illustrate the linear case and the nonlinear case of FIG
Magnetisienung in einem Vektordiagramm gegenüben. Magnetizing in a vector diagram.
FIG 22 zeigt fün eine nichtlineane Magnetisienungsfunktion von Eisen ein zweidimensionales Vektor-Diagramm. FIG. 22 shows a two-dimensional vector diagram for a nonlinear magnetization function of iron.
FIG 23 zeigt ein Statonblechschnitt eines Dneiphasen-Motons. FIG. 23 shows a staton plate section of a diphasic motone.
FIG 24 zeigt einen Teilausschnitt eines Statorpols und einen gegenüberliegenden Rotor. FIG. 24 shows a partial section of a stator pole and an opposite rotor.
FIG 25 zeigt eine Stator/ Rotorabwicklung. FIG. 25 shows a stator / rotor development.
FIG 26 zeigt das statisch gemessene Drehmoment, das über verschiedene Ströme das als Funktion des Winkels α aufgetragen wurde. FIG. 26 shows the statically measured torque that has been plotted over various currents as a function of the angle α.
FIG 27, 28 zeigt den Stromverlauf über die Zeit, der zu den Motorschritten in Relation gesetzt wurde. FIGS. 27, 28 show the current variation over time, which was related to the motor steps.
FIG 29 zeigt die Darstellung von Spannungsquellen und 29 shows the representation of voltage sources and
Stromquellenersatzschaubild, die die innere Energiedichten unter wechselseitiger Beeinflussung berücksichtigen.  Current source replica graph that takes into account the internal energy densities under mutual influence.
FIG 30 zeigt das Ersatzschaltbild, das die Beeinflussung der 30 shows the equivalent circuit diagram, which influences the
Reluktanzsystempartner berücksichtigt . Reluctance system partners considered.
FIG 31, 32 zeigt die Energiedichteverteilung von Elektro- und Dauermagnet. FIG. 31, 32 shows the energy density distribution of electric and permanent magnet.
FIG 33, 34 zeigt die mechanische Arbeit bezogen auf das Magnetvolumen von Elektro-und Dauermagnet. 33, 34 shows the mechanical work related to the magnetic volume of the electric and permanent magnet.
dabei gilt: where:

Claims

Patentansprüche claims
1. Berechnungsverfahren zur Auslegung von Reluktanzsystemen durch Bilanzierung der inneren und äußeren Systemenergie mit 1. Calculation method for the design of reluctance systems by balancing the internal and external energy system with
2. Berechnungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das magnetische Potential eines Elektromagneten Θb ein vom Strom (X) abhängiger Wert ist, der so zu wählen ist, dass minimal wird aber > 1 ist2. Calculation method according to the preceding claim, wherein the magnetic potential of an electromagnet Θ b is a current dependent on the current (X) value to be chosen so that is minimal but> 1
mit den Schritten: a) Verwendung eines Startwertes mit I=0 und eines zweiten Wertes I1 der zwischen I=0 und I=Isättigung (für Θb) liegt, with the steps: a) using a starting value with I = 0 and a second value I 1 which lies between I = 0 and I = I saturation (for Θ b ),
b) Berechnung eines Bewertungswertes Β1, der ein Maß für die b) calculation of a score Β 1 , which is a measure of the
Nivellierung der Bilanzierung zwischen Θa und Θb ist mit Leveling the balance between Θ a and Θ b is with
c) Berechnung eines zweiten Bewertungswertes B. für ein I. mit der Annahme  c) Calculation of a second evaluation value B. for an I. with the assumption
I1 < I2 < Isättigung für Θb, I 1 <I 2 <I saturation for Θ b ,
d) bei B21 setzen von B2 als neuen Bewertungsstandard. d) at B 21 set B 2 as the new valuation standard.
3. Berechnungsverfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche wobei vor der Energiebilanzierung a) eine Eingabe der Daten der Reluktanzsystempartner, 3. Calculation method according to at least one of the preceding claims, wherein prior to energy balancing a) an input of the data of the reluctance system partners,
b) eine Bestimmung der magnetischen Widerstände in Anhängigkeit der eingegebenen Daten, c) eine Ausgabe der Werte der unter b) erhaltenen Werte als Spline- Funktionen, b) a determination of the magnetic resistances as a function of the entered data, c) an output of the values of the values obtained under b) as spline functions,
d) eine Ermittlung der magnetischen Zwischenbereichsreluktanzen, e) das Aufstellen wenigstens eines nichtlinearen Gleichungssystems mit den durch die Schritte b)-d) generierten Werten,  d) a determination of the magnetic intermediate region reluctances, e) the establishment of at least one non-linear system of equations with the values generated by steps b) -d),
f) eine Nivellierung der Nichtlinearität des Gleichungssystems nach e) durch ein mathematisches Modell, erfolgt, um die Ausgabewerte zu erhalten. f) a leveling of the nonlinearity of the system of equations according to e) by a mathematical model is carried out in order to obtain the output values.
4. Berechnungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die. 4. calculation method according to the preceding claim, wherein the.
Nivellierung der Nichtlinearität des Gleichungssystems nach Anspruch 3 f) durch Verwendung des abgeleiteten Spannungstensors Leveling the non-linearity of the equation system according to claim 3 f) by using the derived stress tensor
erfolgt .  he follows .
5. Berechnungsverfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden 5. calculation method according to at least one of the preceding
Ansprüche, wobei das Reluktanzsystem ein aus Rotor und Stator bestehender Elektromotor ist.  Claims, wherein the reluctance system is an existing of rotor and stator electric motor.
6. Berechnungsverfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden 6. calculation method according to at least one of the preceding
Ansprüche 3,4 o. 5, wobei  Claims 3,4 o. 5, wherein
der Verfahrensschritt d) des dritten Anspruchs durch eine  the method step d) of the third claim by a
Ermittlung der Luftspaltwiderstände in Abhängigkeit der  Determination of the air gap resistances as a function of
Rotorposition αn ersetzt wird und dem letzten Schritt des dritten Anspruchs eine n-fache Wiederholung der Berechnung der Rotor position α n is replaced and the last step of the third claim an n-fold repetition of the calculation of
Luftspaltreluktanzen mit den nunmehr erhaltenen Werten für jede Rotorposition αn folgt. Air gap reactances with the values now obtained for each rotor position α n follows.
7. Berechnungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei dem letzten Schritt ein weiterer Schritt folgt, durch den die induzierte Spannung des Elektromotors sowie dessen Drehmoment ermittelt wird. 7. Calculation method according to the preceding claim, wherein the last step is followed by a further step, by which the induced voltage of the electric motor and its torque is determined.
8. Berechnungsverfahren nach Anspruch 3, wobei dem letzten Schritt ein weiterer Schritt folgt, durch den die Dimensionierung des Dauermagneten vorgenommen wird. The calculation method of claim 3, wherein the last step is followed by a further step by which the dimensioning of the permanent magnet is made.
9. Berechnungsverfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 3,4,5,6,7 oder 8 wobei zur Ermittlung der Spline- Funktionen ein 9. A calculation method according to at least one of claims 3,4,5,6,7 or 8 wherein for determining the spline functions a
Ersatzschaltbild verwendet wird, das aus einer Kombination aus Spannungsquellen-Ersatzschaltbild und Stromquellen- Ersatzschaltbild besteht.  Substitute circuit diagram is used, which consists of a combination of voltage source equivalent circuit diagram and power source equivalent circuit diagram.
10. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, insbesondere auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichertes Computerprogramm, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden 10. Computer program with program code means, in particular computer program stored on a machine-readable carrier, for carrying out the method according to one of the preceding
Ansprüche, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.  Claims when the computer program is run on a computer.
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