EP3513483A1 - Segmentmagnet und permanentmagnetmotor mit segmentmagneten - Google Patents

Segmentmagnet und permanentmagnetmotor mit segmentmagneten

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Publication number
EP3513483A1
EP3513483A1 EP17784918.9A EP17784918A EP3513483A1 EP 3513483 A1 EP3513483 A1 EP 3513483A1 EP 17784918 A EP17784918 A EP 17784918A EP 3513483 A1 EP3513483 A1 EP 3513483A1
Authority
EP
European Patent Office
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magnet
segment
radius
function
segment magnet
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17784918.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Elmar Hoppach
Sunny Zhang
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Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Original Assignee
Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Brose Fahrzeugteile SE and Co KG filed Critical Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Publication of EP3513483A1 publication Critical patent/EP3513483A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/278—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • H02K1/2781—Magnets shaped to vary the mechanical air gap between the magnets and the stator
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/02—Permanent magnets [PM]
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    • H01F7/021—Construction of PM
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present invention relates to a segment magnet, in particular a segment magnet for a permanent magnet ⁇ motor, and a permanent magnet with segment magnets.
  • the course of the magnetic field in an air gap ei ⁇ nes electric motor between the rotor and stator influenced in a decisive way the performance of the engine.
  • the performance of the engine is affected by the variation of the magnetic field, the Leis ⁇ tung dense, the torque uniformity and Ge ⁇ the noise levels of the engine. It is the goal of a permanent magnetic excitation of the magnetic field in the air gap to maximize the flux fundamental while minimizing interfering upper fields.
  • Magnetic segments with radial and parallel magnetization are known for permanently excited electric motors.
  • This effect is particularly pronounced at radially magnetized Magnetseg ⁇ elements, wherein opposite paral lel magnetized magnet ⁇ a higher flux linkage can be achieved in this case.
  • the edges of the magnet segments are variously beveled. This leads to a reduction of the magnetic flux density. As a result, the utilization of the refrigerator to favor ⁇ a lower noise emission decreases.
  • a variety of courses for the magnetic flux can be realized in recent times. A possible course is described, for example, by the so-called Halbach structure.
  • a magnet array of several sub-segments of permanent magnets is assembled, the magnetization direction is tilted against each other by 90 ° in the direction of a longitudinal axis. The field lines move closer together on one side, while on the opposite side the field lines are farther apart and the magnetic field is weakened.
  • segment magnets for electric motor, which allows an optimized utilization of the magnetic material at the same time improved Be ⁇ operating characteristics, such as reduced noise.
  • segment magnets which can be parameterized as freely as possible, the parameterization of which can be supplied both to a field calculation in the design of the electric motor and to the required manufacturing method for the corresponding segment magnet.
  • the present invention in one aspect, provides a segment magnet for a permanent magnet motor.
  • the segment magnet is characterized in that a magnetization vector of the segment magnet ⁇ along an outer edge of the Seg ment ⁇ magnets having an angle-dependent direction. This angle-dependent direction is described here by a continuous, cyclic function.
  • the present OF INVENTION ⁇ dung relates to a permanent magnet motor.
  • the permanent magnet motor comprises a stator and a rotor rotatably mounted on the stator.
  • Rotor or stator comprise a magnet with multiple magnetic poles.
  • the magnet of the rotor or stator includes several inventive segment Magne ⁇ te.
  • the present invention is based on the recognition that conventional segment magnets, as they are widely used in permanent magnet motors, due to constructive measures to minimize the noise in general, the magnetic material used can exploit only Unzu ⁇ reaching.
  • constructive measures ⁇ taken such as the bevel of the edges of the magnet lead to a reduced magnetic flux density.
  • the present invention is therefore based on the idea to take this finding into account and provide a Segmentmag ⁇ net for a permanent-magnet electric motor, in addition to optimized operating characteristics, such as a reduced noise, improved utilization of the required magnetic material and thus a high magnetic flux density in relation to allows the used magnetic material. Further, the present invention provides a segment magnet whose Para ⁇ metrization be described mathematically. In this way, the parameters of the segment magnet can be easily supplied to a field calculation, for example, for the development or construction of electric motors, and moreover, the parameters of such a segment magnet can also be easily fed to a manufacturing process. As a result, both time and cost advantages can be realized.
  • the angle-dependent variation of the magnetization vector according to a continuous cyclic function allows a suitable parameterization of the direction of the magnetization vector.
  • the magnetization direction can be well adapted to the contour of a motor housing.
  • the cyclic function for describing the direction of the magnetization vector along the outer curve of the segment magnet comprises a sum of a plurality of cyclic terms.
  • Cyclic terms are special ⁇ periodic functions, such as a sine or cosine function.
  • the cyclic function for describing the direction v ( ⁇ ) of the magnetization vector along the outer edge of the segment magnet is formed according to the following formula: n
  • ⁇ ( ⁇ ) represents the angle of the direction of the magnetization vector towards ⁇ above the respective radius vector.
  • p corresponds to the number of pole pairs to be realized permanent magnet motor,
  • n is an integer modeling degrees for the Magneti ⁇ s istsvektor on.
  • ak are the modeling coefficients of the magnetization vector. The above-described formula thereby describes a Fourier representation of the direction of the magnetization vector along the outer edge of the Seg ment ⁇ magnets.
  • the first modeling ⁇ coefficient ai an angular range between 10 degrees and 50
  • the other modeling coefficients a2 to a n are preferably smaller than the first Modellie ⁇ approximately coefficient ai.
  • an outer edge of the Seg ment ⁇ magnet on an angle-dependent outer radius is described by a further cyclic function.
  • the further cyclic function for describing the radius for the outer edge of the segment magnet comprises a sum of a plurality of cyclic terms.
  • Cyclic Terme include, as already explained above, the special ⁇ periodic functions, such as a sine function or a cosine function.
  • the further cyclic function for describing the radius R (cp) of the outer edge for the segment magnet is formed according to the following formula: m
  • ⁇ describes an angle of the radius vector with respect to a given direction.
  • R (cp) represents the angle-dependent function of the radius of the outer edge of the segment Magne ⁇ th.
  • P indicates the number of pole pairs of the permanent magnet motor, for which the segment magnets are used sol ⁇ len, m defining an integer modeling degree of
  • Radius function, bk are the modeling coefficients of
  • Radius function indicates an inner diameter of a pole pot of the permanent magnet motor.
  • the formula described above describes a Fourier representation for the development of the shape of the outer edge of the segment magnet.
  • the first modeling ⁇ coefficient bi of the radius function in a range of values from 0.03 to 0.12.
  • the others can Modeling coefficients b2 to b m the radius function preferably be smaller than the selected first Modellie ⁇ coefficient approximately the radius function.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a cross section through a permanent magnet motor with segment magnets according to an embodiment
  • Figure 2 is a schematic representation of a cross section through a segment magnet according to an embodiment
  • Figure 3 is a schematic representation of a field curve for a magnetic field in a permanent magnet motor with ⁇ segment magnets according to an embodiment.
  • 1 shows a schematic representation of a Perma ⁇ nentmagnetmotors according to an embodiment.
  • the Perma ⁇ nentmagnetmotor comprises a housing 2 are arranged at the four segment magnets. 1 These four segment magnets 1 bil ⁇ here the stator of the motor. Further, the permanent magnet motor 2 comprises a rotatable rotor 3.
  • the permanent magnet motor 2 comprises a rotatable rotor 3.
  • the following description of a four-pole motor is for illustrative purposes only and does not limit the present invention to a predetermined number of poles.
  • the facing in the direction of the rotor 3 inside of Seg ⁇ ment magnets 1 has an at least approximately circular surface, so that each segment magnet 1 in the direction of the rotor 3, the surface of a cylinder segment.
  • the shape of the facing in the direction of the housing outside of the segments 1 is formed in accordance with a steady cyclic function ⁇ cally. This steady cyclical radio ⁇ tion is explained below in more detail.
  • the housing 2 is adapted to the housing 2 facing side of the segment magnets 1.
  • the cyclic function which describes the outer side of the segment magnets 1 facing the housing 2 it can be, in particular, a shape which according to a Fourier representation can be described as the sum of a plurality of cyclic terms.
  • the configuration of this Fourier representation will be described below with reference to FIG. In this case, the distance R (cp) of the outer edge of the housing 2 side facing the segment magnet 1 to a center of the motor according to the following formula be written ⁇ m
  • the angle ⁇ describes the angle between a current radius vector and a center axis of the segment magnet 1 shown in dashed lines in FIG. 2.
  • the number of pole pairs of the motor is described by d, d0 describes the inside diameter of a pole pot of the motor to be realized.
  • the coefficients bk represent Modell istskoeffi ⁇ coefficient represents the radius function R (cp), which describes the the housing 2 of the engine-facing side of the segment magnets. 1
  • the upper limit m of the summation function represents the degree of modeling. As a rule, a single- digit modeling degree of, for example, three, four or five coefficients is sufficient here. In addition, however, any higher modeling levels are possible.
  • the first modeling coefficient bi may preferably be in
  • Range between 0.03 and 0.12 are chosen.
  • values of 0.05, 0.07 or 0.1, for example, are suitable for a first modeling coefficient bi.
  • Modeling coefficients b2 to b m generally indicate
  • Modeling coefficients with increasing atomic number a decreasing value In addition to the previously described shaping of the segment magnets 1, the direction of the magnetization vector in the segment magnets can also be represented by a cyclic function, in particular by a Fourier series. The here asked before ⁇ magnetization direction of the segment magnets 1 differs from conventional doing magnetization ⁇ insurance forms, such as a radial, parallel or Halbach magnetization.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a Magneti ⁇ tion of a magnetic circuit using the example of a four-pole motor.
  • the direction ⁇ ( ⁇ ) of the magnetization vector ent ⁇ long an outer edge of the segment magnet 1 can be ⁇ example described according to the following formula: n
  • ⁇ describes the angle of the radius vector.
  • ⁇ Rich processing of the magnetization vector in relation to the Radiusvek ⁇ gate is described by ⁇ ( ⁇ ).
  • p represents the number of pole pairs of the electric motor
  • the first model ⁇ l istsko steep ai for example, a value between 10 degrees and 50
  • a segment magnet 1 with the above-described external geometry and magnetization direction of the segment magnets may be formed of a permanent-magnet electric motor which can be achieved with a reduced use of materials for the magnetic material optimized Radioei ⁇ properties for an electric motor.
  • the running properties, such as the noise can be improved.
  • the present invention relates to an optimized segment magnet for a permanent magnet motor.

Landscapes

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Abstract

Die die vorliegende Erfindung schafft einen optimierten Segmentmagneten für einen Permanentmagnetmotor. Durch das Einstellen eines Magnetisierungsverlaufs innerhalb des Segmentmagnets gemäß einer stetigen zyklischen Funktion können bei verringertem Materialeinsatz optimierte Betriebseigenschaften für den Elektromotor erzielt werden. Die zyklische Ausbildung der Magnetisierungsrichtung in dem Segmentmagnet kann darüber hinaus mit einer Formgebung gemäß einer weiteren zyklischen Funktion kombiniert werden, um diesen Effekt weiter zu verstärken.

Description

Segmentmagnet und Permanentmagnetmotor mit Segmentmagneten
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Segmentmagnet, insbesondere einen Segmentmagnet für einen Permanentmagnet¬ motor, sowie einen Permanentmotor mit Segmentmagneten.
Stand der Technik
Der Verlauf des magnetischen Feldes in einem Luftspalt ei¬ nes Elektromotors zwischen Rotor und Stator beeinflusst in entscheidender Weise das Betriebsverhalten des Motors. Insbesondere wird durch den Verlauf des Magnetfelds die Leis¬ tungsdichte, die Drehmomentgleichförmigkeit sowie die Ge¬ räuschentwicklung des Motors beeinflusst. Dabei ist es das Ziel einer permanentmagnetischen Erregung des magnetischen Felds im Luftspalt, die Flussgrundwelle zu maximieren und gleichzeitig störende Oberfelder zu minimieren.
Für permanenterregte Elektromotoren sind Magnetsegmente mit einer radialen und parallelen Magnetisierung bekannt. Der Anstieg der Flussdichte an den Kanten der Magnete ruft da¬ bei über einen Anstieg der Kraftdichte ein ungleichförmiges Moment hervor, was mit einer Geräuschentwicklung verbunden ist. Dieser Effekt ist bei radial magnetisierten Magnetseg¬ menten besonders ausgeprägt, wobei hierbei gegenüber paral¬ lel magnetisierten Magneten eine höhere Flussverkettung erreicht werden kann.
Zur Verbesserung der Geräuschentwicklung in dem Motor werden vielfältig die Kanten der Magnetsegmente abgeschrägt. Dies führt zu einer Verringerung der magnetischen Flussdichte. In der Folge sinkt die Ausnutzung der Magnete zu¬ gunsten einer geringeren Geräuschemission. Neben einer rein parallelen und radialen Magnetisierung der Magnetsegmente sind in jüngster Zeit vielfältige Verläufe für den magnetischen Fluss realisierbar. Ein möglicher Verlauf wird beispielsweise durch die sogenannte Halbach- Struktur beschrieben. Hierbei wird ein Magnetarray aus mehreren Teilsegmenten von Permanentmagneten zusammengesetzt, deren Magnetisierungsrichtung gegeneinander jeweils um 90° in Richtung einer Längsachse gekippt ist. Dabei rücken die Feldlinien auf einer Seite enger zusammen, während auf der gegenüberliegenden Seite die Feldlinien weiter auseinanderliegen und hierbei das magnetische Feld abgeschwächt ist.
Konventionelle Verfahren können zwar die Geräuschentwicklung eines Motors reduzieren, wobei dies in der Regel zu einer schlechteren Ausnutzung des verwendeten Magnetmaterials führt.
Es besteht daher ein Bedarf nach Segmentmagneten für einen permanenterregten Elektromotor, der eine optimierte Ausnutzung des Magnetmaterials bei gleichzeitig verbesserten Be¬ triebseigenschaften, wie zum Beispiel einer verminderten Geräuschentwicklung ermöglicht. Insbesondere besteht ein Bedarf nach möglichst frei parametrisierbaren Segmentmagneten, dessen Parametrisierung sowohl einer Feldberechnung bei der Konstruktion des Elektromotors als auch dem erforderlichen Herstellungsverfahren für den entsprechenden Segmentmagnet zugeführt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt einen Segmentmagnet für einen Permanentmagnetmotor. Der Segment- magnet zeichnet sich dadurch aus, dass ein Magnetisierungs¬ vektor des Segmentmagnets entlang einer Außenkante des Seg¬ mentmagnets eine winkelabhängige Richtung aufweist. Diese winkelabhängige Richtung wird hierbei durch eine stetige, zyklische Funktion beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin¬ dung einen Permanentmagnetmotor. Der Permanentmagnetmotor umfasst einen Stator und einen an dem Stator drehbar angeordneten Rotor. Rotor oder Stator umfassen einen Magnet mit mehreren Magnetpolen. Insbesondere umfasst der Magnet des Rotors oder Stators mehrere erfindungsgemäße Segmentmagne¬ te .
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass konventionelle Segmentmagnete, wie sie vielfältig in Permanentmagnetmotoren eingesetzt werden, aufgrund konstruktiver Maßnahmen zur Minimierung der Geräuschentwicklung in der Regel das verwendete Magnetmaterial nur unzu¬ reichend ausnutzen können. Insbesondere konstruktive Ma߬ nahmen, wie zum Beispiel die Abschrägung der Kanten des Magnetes führen dabei zu einer verminderten magnetischen Flussdichte .
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen Segmentmag¬ net für einen permanenterregten elektrischen Motor bereitzustellen, der neben optimierten Betriebseigenschaften, wie zum Beispiel einer verminderten Geräuschentwicklung, eine verbesserte Ausnutzung des erforderlichen Magnetmaterials und somit eine hohe magnetische Flussdichte in Bezug auf das eingesetzte Magnetmaterial ermöglicht. Ferner schafft die vorliegende Erfindung einen Segmentmagnet, dessen Para¬ metrisierung mathematisch beschreibbar ist. Hierdurch können die Parameter des Segmentmagneten in einfacher Weise einer Feldberechnung, beispielsweise für die Entwicklung oder Konstruktion von Elektromotoren zugeführt werden, und darüber hinaus können die Parameter eines solchen Segmentmagneten auch in einfacher Weise einem Herstellungsprozess zugeführt werden. Hierdurch können sowohl Zeit- als auch Kostenvorteile realisiert werden.
Die winkelabhängige Variation des Magnetisierungsvektors gemäß einer stetigen zyklischen Funktion ermöglicht dabei eine geeignete Parametrisierung der Richtung des Magnetisierungsvektors .
Insbesondere kann durch eine winkelabhängige Ausrichtung des Magnetisierungsvektors die Magnetisierungsrichtung gut an die Kontur eines Motorgehäuses angepasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zyklische Funktion zur Beschreibung der Richtung des Magnetisierungsvektors entlang der Außenkurve des Segmentmagnets eine Summe von mehreren zyklischen Termen. Zyklische Terme sind dabei ins¬ besondere periodische Funktionen, wie beispielsweise eine Sinus- oder Kosinusfunktion.
Gemäß einer Ausführungsform wird die zyklische Funktion zur Beschreibung der Richtung v (φ) des Magnetisierungsvektors entlang der Außenkante des Segmentmagneten gemäß der folgenden Formel gebildet: n
ν(φ) = ^ fc s (pk<p)
k=l
Dabei wird durch φ der Winkel eines Radiusvektors in Bezug auf eine vorgegebene Richtung beschrieben. ν(φ) stellt den Winkel der Richtung für den Magnetisierungsvektors gegen¬ über dem jeweiligen Radiusvektor dar. p entspricht der Polpaarzahl des zu realisierenden Permanentmagnetmotors, n gibt einen ganzzahligen Modellierungsgrad für den Magneti¬ sierungsvektor an. ak sind die Modellierungskoeffizienten des Magnetisierungsvektors. Die oben beschriebene Formel beschreibt dabei eine Fourier-Darstellung für die Richtung des Magnetisierungsvektors entlang der Außenkante des Seg¬ mentmagnets .
Gemäß einer Ausführungsform weist der erste Modellierungs¬ koeffizient ai einen Winkelbereich zwischen 10 Grad und 50
Grad auf. Die weiteren Modellierungskoeffizienten a2 bis an sind dabei vorzugsweise kleiner als der erste Modellie¬ rungskoeffizient ai. Durch eine derartige Parametrisierung des Segmentmagneten werden Segmentmagnete mit sehr guten Betriebseigenschaften bei optimierter Ausnutzung des eingesetzten Magnetmaterials erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Außenkante des Seg¬ mentmagneten einen winkelabhängigen Außenradius auf. Der winkelabhängige Außenradius wird dabei durch eine weitere zyklische Funktion beschrieben. Durch das Ausbilden einer winkelabhängigen Richtung des Magnetisierungsvektors und einer gleichzeitigen Anpassung der Außenkante des Segmentmagneten gemäß zyklischen Funktionen können Richtung des Magnetisierungsvektors und Außenkante optimal aufeinander abgestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die weitere zyklische Funktion zur Beschreibung des Radius für die Außenkante des Segmentmagneten eine Summe von mehreren zyklischen Termen. Zyklische Terme umfassen, wie oben bereits ausgeführt, ins¬ besondere periodische Funktionen, wie beispielsweise eine Sinusfunktion oder eine Kosinusfunktion.
Gemäß einer Ausführungsform wird die weitere zyklische Funktion zur Beschreibung des Radius R(cp) der Außenkante für den Segmentmagnet gemäß der folgenden Formel gebildet: m
d0 T1
R (<p = y + _, hk sin(P k Ψ)
k=l
Dabei beschreibt φ einen Winkel des Radiusvektors bezüglich einer vorgegebenen Richtung. R(cp) stellt die winkelabhängige Funktion für den Radius der Außenkante des Segmentmagne¬ ten dar. p gibt die Polpaarzahl des Permanentmagnetmotors an, für welchen die Segmentmagnete eingesetzt werden sol¬ len, m definiert einen ganzzahligen Modellierungsgrad der
Radiusfunktion, bk sind die Modellierungskoeffizienten der
Radiusfunktion, do gibt einen Innendurchmesser eines Poltopfes des Permanentmagnetmotors an. Die oben beschriebene Formel beschreibt dabei eine Fourier-Darstellung für die Entwicklung der Form der Außenkante des Segmentmagneten.
Gemäß einer Ausführungsform weist der erste Modellierungs¬ koeffizient bi der Radiusfunktion einen Wertebereich zwischen 0,03 und 0,12 auf. Darüber hinaus können die weiteren Modellierungskoeffizienten b2 bis bm der Radiusfunktion vorzugsweise kleiner sein als der gewählte erste Modellie¬ rungskoeffizient der Radiusfunktion.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinatio¬ nen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbes¬ serungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Permanentmagnetmotor mit Segmentmagneten gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Segmentmagnet gemäß einer Ausführungsform; und
Figur 3: eine schematische Darstellung eines Feldlinienverlaufs für ein Magnetfeld in einem Permanent¬ magnetmotor mit Segmentmagneten gemäß einer Ausführungsform. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Perma¬ nentmagnetmotors gemäß einer Ausführungsform. Der Perma¬ nentmagnetmotor umfasst ein Gehäuse 2, an dem vier Segmentmagnete 1 angeordnet sind. Diese vier Segmentmagnete 1 bil¬ den hierbei den Stator des Motors. Ferner umfasst der Permanentmagnetmotor 2 einen drehbaren Rotor 3. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen vierpoligen Motor. Die nachfolgende Beschreibung eines vierpoligen Motors dient jedoch nur zu Anschauungszwecken und stellt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung auf eine vorgegebene Anzahl von Polen dar.
Die in Richtung des Rotors 3 gewandte Innenseite der Seg¬ mentmagnete 1 weist eine zumindest annähernd kreisförmige Oberfläche auf, so dass jedes Segmentmagnet 1 in Richtung des Rotors 3 die Oberfläche eines Zylindersegments.
Die Formgebung der in Richtung des Gehäuses gewandten Außenseite der Segmente 1 ist dabei gemäß einer stetigen zyk¬ lischen Funktion ausgebildet. Diese stetige zyklische Funk¬ tion wird im Nachfolgenden näher erläutert. Insbesondere ist das Gehäuse 2 an die dem Gehäuse 2 zugewandte Seite der Segmentmagnete 1 angepasst.
Bei der zyklischen Funktion, welche die dem Gehäuse 2 zugewandte Außenseite der Segmentmagnete 1 beschreibt, kann es sich insbesondere um eine Form handeln, welche gemäß einer Fourier-Darstellung als Summe mehrerer zyklischer Terme beschrieben werden kann. Die Ausgestaltung dieser Fourier- Darstellung wird im Nachfolgenden unter Bezug auf Figur 2 beschrieben. Dabei kann der Abstand R( cp ) der Außenkante der dem Gehäuse 2 zugewandten Seite des Segmentmagneten 1 zu einem Mittelpunkt des Motors gemäß der folgenden Formel be¬ schrieben werden: m
d0 T1
R(<p = y + _, hk sin(P k Ψ)
k=l
Der Winkel φ beschreibt hierbei den Winkel zwischen einem aktuellen Radiusvektor und einer in Figur 2 gestrichelt eingezeichneten Mittenachse des Segmentmagneten 1. Durch p wird die Polpaarzahl des Motors beschrieben, do beschreibt den Innendurchmesser eines Poltopfs des zu realisierenden Motors. Die Koeffizienten bk stellen Modellierungskoeffi¬ zienten für die Radiusfunktion R(cp) dar, welche die dem Gehäuse 2 des Motors zugewandte Seite des Segmentmagneten 1 beschreibt. Die Obergrenze m der Summenfunktion stellt den Modellierungsgrad dar. In der Regel ist hierbei ein ein¬ stelliger Modellierungsgrad von beispielsweise drei, vier oder fünf Koeffizienten ausreichend. Darüber hinaus sind jedoch auch beliebige höhere Modellierungsgrade möglich.
Der erste Modellierungskoeffizient bi kann vorzugsweise im
Bereich zwischen 0,03 und 0,12 gewählt werden. Insbesondere sind beispielsweise Werte von 0,05, 0,07 oder 0,1 für einen ersten Modellierungskoeffizienten bi geeignet. Die weiteren
Modellierungskoeffizienten b2 bis bm weisen in der Regel
Werte auf, welcher kleiner sind als die Werte des ersten
Modellierungskoeffizienten b_. Beispielsweise können die
Modellierungskoeffizienten mit zunehmender Ordnungszahl einen abnehmenden Wert aufweisenden. Neben der zuvor beschriebenen Formgebung der Segmentmagnete 1 kann auch die Richtung des Magnetisierungsvektors in den Segmentmagneten durch eine zyklische Funktion, insbesondere durch eine Fourier-Reihe dargestellt werden. Die hier vor¬ gestellte Magnetisierungsrichtung des Segmentmagneten 1 unterscheidet sich dabei von konventionellen Magnetisie¬ rungsformen, wie zum Beispiel einer radialen, parallelen oder Halbach-Magnetisierung.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Magneti¬ sierung eines Magnetkreises am Beispiel eines vierpoligen Motors. Die Richtung ν( φ) des Magnetisierungsvektors ent¬ lang einer Außenkante des Segmentmagnets 1 kann dabei bei¬ spielsweise gemäß der folgenden Formel beschrieben werden: n
ν(φ) = ^ fc s (pk<p)
k=l
Dabei beschreibt φ den Winkel des Radiusvektors. Die Rich¬ tung des Magnetisierungsvektors in Bezug auf den Radiusvek¬ tor wird durch ν( φ) beschrieben. Analog zu der Beschreibung der Außengeometrie des Segmentmagneten 1 stellt auch hier p die Polpaarzahl des Elektromotors dar. Durch ak werden die
Modellierungskoeffizienten für die Richtung des Magnetisierungsvektors beschrieben, und n stellt den Modellierungs¬ grad für die Richtung des Magnetisierungsvektors dar.
Für eine geeignete Ausbildung der Magnetisierungsrichtung in dem Segmentmagnet 1 kann beispielsweise der erste Model¬ lierungskoeffizient ai einen Wert zwischen 10 Grad und 50
Grad aufweisen. Beispielsweise sind Werte von 20 Grad, 30 Grad oder 45 Grad möglich. Die weiteren Modellierungskoef- fizienten a2 bis an können in der Regel kleiner gewählt werden als der erste Modellierungskoeffizient ai. Bei¬ spielsweise ist es möglich, dass die Modellierungskoeffi¬ zienten mit steigender Ordnungszahl jeweils kleinere Werte aufweisen .
Durch die Ausbildung eines Segmentmagneten 1 mit der zuvor beschriebenen Außengeometrie und Magnetisierungsrichtung können Segmentmagnete für einen permanenterregten Elektromotor gebildet werden, welche bei einem verringerten Materialeinsatz für das Magnetmaterial optimierte Betriebsei¬ genschaften für einen Elektromotor erzielt werden. Insbesondere können beispielsweise die Laufeigenschaften, wie zum Beispiel die Geräuschentwicklung, verbessert werden.
Durch die Kombination einer Außengeometrie in Form einer zyklischen Funktion und gleichzeitiger Anpassung der Richtung des Magnetisierungsvektors entsprechend einer weiteren zyklischen Funktion können optimierte Eigenschaften erzielt werden. Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, lediglich die Richtung des Magnetisierungsvektors in Form einer zyklischen Funktion auszubilden und dabei für die Außengeometrie des Segmentmagnets eine konventionelle Form zu wäh¬ len. Hierbei kann auch mit einer konventionellen Formgebung durch die Konfiguration der Richtung für den Magnetisierungsvektor bereits eine Optimierung der Segmentmagnete 1 erreicht werden. Aufgrund der verbleibenden konventionellen Formgebung können derartige optimierte Segmentmagnete 1 in bereits existierende Motorgeometrie eingebaut werden. Hier¬ durch können auch für bereits existierende Motorgeometrien optimierte Betriebseigenschaften erzielt werden. Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen optimierten Segmentmagnet für einen Permanentmagnetmotor. Durch das Einstellen eines Magnetisierungsverlaufs inner¬ halb des Segmentmagnets gemäß einer stetigen zyklischen Funktion können bei verringertem Materialeinsatz optimierte Betriebseigenschaften für den Elektromotor erzielt werden. Die zyklische Ausbildung der Magnetisierungsrichtung in dem Segmentmagnet kann darüber hinaus mit einer Formgebung gemäß einer weiteren zyklischen Funktion kombiniert werden, um diesen Effekt weiter zu verstärken.

Claims

Patentansprüche
Segmentmagnet (1) für einen Permanentmagnetmotor, wobei ein Magnetisierungsvektor des Segmentmagnets (1) entlang einer Außenkante (10) des Segmentmagnets (1) eine winkelabhängige Richtung gemäß einer stetigen zyklischen Funktion aufweist.
Segmentmagnet (1) nach Anspruch 1, wobei die zyklische Funktion der Richtung des Magnetisierungsvektors eine Summe mit mehreren zyklischen Termen umfasst.
Segmentmagnet (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zyklische Funktion der Richtung des Magnetisierungs¬ vektors gemäß der folgenden Formel ausgebildet ist: n
ν(φ) = ^ fc s (pk<p)
k=l
mit :
φ : Winkel eines Radiusvektors,
v ( φ) : Winkel des Magnetisierungsvektors gegenüber dem
Radiusvektor,
p : Polpaarzahl des Elektromotors,
n : ganzzahliger Modellierungsgrad des Magnetisie¬ rungsvektors, und
ak : Modellierungskoeffizienten des Magnetisierungs¬ vektors ;
Segmentmagnet (1) nach Anspruch 3, wobei der erste Mo¬ dellierungskoeffizient ai einen Wertebereich zwischen 10 Grad und 50 Grad aufweist. Segmentmagnet (1) nach Anspruch 4, wobei die weiteren Modellierungskoeffizienten a2 - an kleiner sind als der erste Modellierungskoeffizient ai .
Segmentmagnet (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Außenkante (10) des Segmentmagnets (1) ei¬ nen winkelabhängigen Außenradius gemäß einer weiteren zyklischen Funktion aufweist.
7. Segmentmagnet (1) nach Anspruch 6, wobei die weitere zyklische Funktion für den Radius des Segmentmagnets (1) eine Summe aus mehreren zyklischen Termen umfasst.
8. Segmentmagnet (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die weitere zyklische Funktion für den Radius einer Außenkante (10) des Segmentmagnets (1) gemäß der folgenden Formel ausgebildet ist: m
d0 T1
R(<p = y + _,hk sin(P k Ψ)
k=l mit :
φ : Winkel des Radiusvektors,
R((p) : winkelabhängiger Funktion des Radius der
Außenkante des Segmentmagnets,
p : Polpaarzahl des Elektromotors,
m : ganzzahliger Modellierungsgrad der
Radiusfunktion,
bk : Modellierungskoeffizienten der Radiusfunktion, do : Innendurchmesser eines Poltopfes des Perma¬ nentmagnetmotors .
9. Segmentmagnet (1) nach Anspruch 8, wobei der erste Mo¬ dellierungskoeffizient bi der Radiusfunktion einen Wertebereich zwischen 0,03 und 0,12 aufweist.
10. Segmentmagnet (1) nach Anspruch 9, wobei die weiteren Modellierungskoeffizienten b2 - bm der Radiusfunktion kleiner sind als der erste Modellierungskoeffizient bi der Radiusfunktion R( cp ) .
11. Permanentmagnetmotor (2) mit einem Stator und einem an dem Stator drehbar angeordneten Rotor, wobei der Stator oder der Rotor einen Magneten mit mehreren Magnetpolen umfasst, und wobei der Magnet mehrere Segment¬ magnete (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
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