CH662680A5 - Dauermagnet-gleichstrommaschine. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dauermagnet-Gleichstromma-schine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Begriff Dauermagnet-Gleichstrommaschine umfasst sowohl Dauermagnet-Gleichstrommotoren als auch Generatoren. Zum Zwecke der Illustration beschränkt sich die Beschreibung auf die Darstellung von Motoren.

Dauermagnet-Gleichstrommotoren haben eine weite Verbreitung gefunden, da mit einer vergleichsweise kleinen und leichten Struktur eine vergleichsweise grosse Leistung erreicht wird. Dieser Motorentyp befindet sich in einem Gehäuse, welches das Motorengehäuse bildet. Das Gehäuse kann kreisförmig oder quadratisch sein oder andere, von der Zahl der Pole abhängige Querschnittsformen aufweisen. Auf den Innenflächen des Gehäuses sind Dauermagnete befestigt, die genügend Raum frei lassen, damit ein darin angeordneter Anker in naher, jedoch räumlich getrennter Lage zu den Magneten rotieren kann. Bei Rotoren mit einem kreisförmigen Gehäuse sind die Magnete im allgemeinen gebogen, so dass sie der Innenseite des Gehäuses entsprechen. Bei quadratischen Gehäusen sind die Magnete auf einer Seite flach und auf die ebene Innenfläche des Gehäuses geklebt. Die Magnete können auch dreieckig sein und in den Ecken des Gehäuses befestigt sein.

Der Anker des Motors besitzt üblicherweise mehrere Windungen, die mit Schleifbürsten und einem mechanischen Kommutator oder mit einem der vielen Arten bürstenloser Kommutatoren mit einer externen Leistungsquelle verbunden sind. Der Kommutator bewirkt, dass die Spannung an den Ankerwindungen selektiv angelegt wird, so dass das im Anker erzeugte magnetische Feld im Durchschnitt mit dem magnetischen Feld des Stators einen Winkel von 90° bildet. Da der Winkel zwischen dem Ankerfeld und dem Statorfeld in einem Gleichstrommotor im Durchschnitt 90° ist, ist das Drehmoment am Anker theoretisch maximal.

Da das magnetische Feld des Stators in einem Dauermagnetmotor durch Dauermagnete erzeugt wird, ist für die Aufrechterhaltung des Feldes keine Leistung erforderlich. Der magnetische Fluss des Stators bleibt deshalb bei allen Ankerstromstärken konstant, so dass über einen weiteren Bereich eine lineare Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und dem Drehmoment besteht. Für viele Anwendungen ist dies ein wesentlicher Vorteil gegenüber einem vergleichbaren Drehstrommotor. Besonders beim Nebenmotor besitzt der Reaktionsfluss des Ankers die Tendenz, dem niedrigohmigen Weg über den Polschuh zu folgen. Höhere Stromstärken bewirken eine Winkel Verschiebung in der Polposition und ein niedrigeres Niveau im effektiven Fluss. Da die in Dauermagnetmotoren benützten Dauermagnete eine sehr hohe Koerzitivkraft besitzen, widersteht das Material des Magnets allen Flussänderungen beim Angriff des Reak-tionsfeldes des Ankers. Da bei Dauermagnetmotoren keine elektrische Leistung für die Erzeugung des magnetischen Flusses des Stators erforderlich ist, sind die Leistungsanforderungen geringer, da in den Windungen eine Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie immer einen Wärmeverlust in den Windungen selbst bewirkt. Der Dauermagnetmotor vereinfacht deshalb die Anforderungen an die Leistungszufuhr und erfordert gleichzeitig weniger Kühlung.

Wegen der Fähigkeit der Gleichstrommotoren, bei Betriebsgeschwindigkeit ein vergleichsweise grosses Drehmoment zu erzeugen, werden sie immer mehr für Anwendungen, wie beispielsweise Roboter, benötigt, wo der Motor in einem kleinen Raum ein vergleichsweise grosses Drehmoment erzeugen muss.

Die kombinierte Dicke des Permanetmagneten und des Gehäuses war bisher ein wichtiger einschränkender Faktor bei der Konstruktion von kleineren und leistungsfähigeren Dauermagnet-Gleichstrommotoren. Die Entwicklung eines Elektromotors basiert auf der Anordnung von Leitern in einem magnetischen Feld. Jede Drehung in einer Leiterschleife in einer Spule erhöht die Intensität des magnetischen Feldes in dem von der Spule umschlossenen Raum. Die Leistung eines Motors hängt deshalb weitgehend davon ab, wieviel Magnetismus oder magnetischer Fluss im Raum um den Dauermagneten oder in Luftspalt des Motors vorhanden ist. Der magnetische Fluss hängt anderseits von mehreren Faktoren ab. Dies sind beispielsweise die magnetische Flussdichte, die Permeabilität und die im Motor vorhandene Intensität des magnetischen Feldes. Die magnetische Flussdichte ist ein Mass für die Konzentration des magnetischen Flusses in einem bestimmten Volumen. Die Permeabilität ist ein Mass für die Verstärkung eines magnetischen Feldes durch ein Medium. Die relative Permeabilität wird benützt, um die magnetischen Verstärkungseigenschaften unterschiedlicher Materialien zu beschreiben. Luft besitzt eine relative Permeabilität von 1, während ferromagnetische Materialien, wie beispielsweise Eisen oder Stahl, eine relative Permeabilität besitzen, die mehrere hundert mal grösser ist. Die meisten Motoren werden deshalb mit Eisen oder Stahl hergestellt, da ein magnetischer Kreis, der ferromagnetisches Material enthält, einen um mehrere hundert mal grösseren Fluss besitzt als einer ohne ferromagnetisches Material. Die magnetische Feldintensi5

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tät beschreibt, wie die magnetomotorische Kraft in einem magnetischen Kreis benützt wird.

Alle diese Faktoren beeinflussen die Konstruktion des Motorengehäuses. Selbst wenn Materialien mit ausreichenden Festigkeitseigenschaften gefunden werden könnten, könnte das Gehäuse nicht zu dünn gemacht werden, da die Masse des Gehäuses und die magnetische Permeabilität des Gehäusematerials ausreichend gross sein müssen, damit der vom Dauermagnet und vom Anker erzeugte Fluss weitergeleitet wird.

Die von einem Motor erzeugte Leistung ist proportional zum Quadrat des Ankerdurchmessers multipliziert mit der Länge des Ankers. Um die Leistung eines Motors zu erhöhen, kann dieser deshalb bei gleicher Querschnittsgrösse verlängert werden. In vielen Fällen kann jedoch die Länge des Motors aus Raumgründen nicht verlängert werden. Vielfach ist der einzige realisierbare Weg zur Vergrösserung der Leistung eines Motors deshalb die Vergrösserung des Querschnittes des Motors, so dass ein Anker mit einem grösseren Querschnitt eingebaut werden kann. Auch hier wird eine Verbesserung der Leistung nur mit grösseren Massen erreicht. Die Erfindung befasst sich deshalb mit der Verminderung der Dicke des Motorgehäuses durch angeordnete Auflagen für die Dauermagnete. Durch die Anordnung der Magnetauflagen wird die Leitung und der Fluss des Flusses durch den Motor bei verschiedenen Punkten geändert, woraus eine grössere Motorenleistung resultiert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Dauermagnet-Gleich-strommaschine zu entwickeln, die bezüglich der inneren und äusseren Dimensionen des Gehäuses einen grösseren und leistungsfähigeren Anker aufnehmen kann.

Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, einen Dauermagnet-Gleichstrommotor zu entwickeln, der Mittel zur Veränderung des Flusses vom Anker zu Teilen des Motorengehäuses aufweist, so dass im Luftspalt ein grösserer Fluss besteht.

Es ist ausserdem Aufgabe der Erfindung, einen Dauermagnet-Gleichstrommotor zu schaffen, der eine viel höhere Wärmezerstreuungscharakteristik besitzt.

Diese Aufgabe wird mit einer Dauermagnet-GIeichstromma-schine der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Gemäss dem weiter unten beschriebenen erfindungsgemäs-sen Ausführungsbeispiel ist' das Verhältnis des maximalen Ankerdurchmessers zur Aussenlänge einer Seite des Gehäuses etwa 0,81 : 1.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemässen Dauermagnet-Gleichstrom-motor mit einem quadratischen Gehäuse,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Dauermagnet-Gleichstrommotors mit einem kreisförmigen Gehäuse,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Motor gemäss Fig. 1, wobei der Anker nicht dargestellt ist,

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Motor gemäss Fig. 2, wobei der Anker nicht dargestellt ist,

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Motor gemäss Fig. 1, wobei ein Teil des Ankers im Querschnitt dargestellt ist.

Fig. 6 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäss quadratisches Motorengehäuse sowie einen Anker, wobei die gestrichelt eingezeichneten Linien den Flussverlauf in den Magneten und im Anker verdeutlichen,

Fig. 7 eine Teildarstellung eines erfindungsgemässen Motors in auseinandergezogener Anordnung, und

Fig. 8 Querschnitte durch drei Motorengehäuse mit Anker gleicher Grösse, wobei das erfindungsgemässe Motorengehäuse links und die konventionellen kreisförmigen und quadratischen Motorengehäuse in der Mitte und rechts dargestellt sind.

In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemässer Dauermagnet-Gleichstrommotor mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Der

Motor besitzt im allgemeinen einen mit Nuten versehenen Kernanker 12 bekannter Bauart, der drehbar auf einer Welle 13 montiert ist. Der Anker 12 ist am einen Ende durch eine Abschlusskappe 14 und am andern Ende durch ein zusätzliches Gehäuse 16 eingeschlossen, wobei im Gehäuse 16 ein Kommutator 17 und andere hier nicht dargestellte Komponenten eingeschlossen sind. Gemäss Fig. 1 sind zwischen der Kappe 14 und dem zusätzlichen Gehäuse 16 zwei Gehäusemodule 20 aus Metall angeordnet. Das zusätzliche Gehäuse 16, die Kappe 14 und die beiden Gehäusemodule 20 werden mit magnetisch durchlässigen Bolzen 22 zusammengehalten. Die Bolzen 22 sind durch geeignet positionierte und passend anliegende Löcher 21 gesteckt, die mit Muttern 23 gesichert sind. Während der in Fig. 1 dargestellte Motor 2 Gehäusemodule 20 aufweist, kann ein erfindungsgemässer Motor auch einen, zwei oder mehrere Module aufweisen oder ein einziges Metallgehäuse mit mehreren Magnetsegmenten aufweisen, dies entsprechend der Länge des Ankers sowie anderen Bedingungen.

Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Gehäusemodul 20. Der Gehäusemodul 20 ist im wesentlichen quadratisch mit abgerundeten inneren und äusseren Ecken und besitzt eine innere Ausnehmung 24. Eine vertiefte Auflagefläche 24 wird auf jeder der vier ebenen Innenflächen des Gehäusemoduls 20 durch ein geeignetes Verfahren gebildet. Jede Auflagefläche 25 ist bogenförmig ausgebildet und bezüglich der anderen Auflageflächen regelmässig angeordnet, d.h. die Auflageflächen eines Gehäusemoduls 20 liegen auf einem Kreis. Die Dicke der Wände eines Gehäusemoduls 20 ist im Bereich des Scheitelpunktes einer Auflage 25 etwa halb so gross wie die Dicke der Wände zwischen den Auflageflächen 25. Ein bogenförmiger Dauermagnet 27 ist auf jeder Auflagefläche 25 angeordnet und mit einem Klebstoff, beispielsweise Rexite P2SB darauf befestigt. Die Magnete können beispielsweise aus Aluminium-Nickel-Kobalt, Keramik oder Samarium-Kobalt sein. Der Aufbau ist auch in der Fig. 7 dargestellt. Die Magnete 27 und der Gehäusemodul oder die Gehäusemodule 20 umfassen gemeinsam die Statoranordnung des Motors.

Die Fig. 5 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen Gehäusemodul 20 mit einem darin angeordneten Anker 12. Wie die Fig. 5 zeigt, bilden die vier inneren Ecken A des Gehäusemoduls 20 vergleichsweise grosse Lufträume. Diese Anordnung ergibt eine grössere effektive Distanz zwischen dem Anker 12 und dem Gehäusemodul 20. Daraus resultiert, dass die Wirkung des Ankerflusses auf das Gehäusemodul 20 und den Fluss des Dauermagneten geringer ist, da die Wechselwirkung umgekehrt proportional zum Abstand ist. Zusätzlich bewirkt die Anordnung gemäss Fig. 5 einen grösseren Kühleffekt, da zwischen den Magneten 27 und zwischen dem Anker 12 und dem Gehäusemodul 20 ein grösserer Zwischenraum vorhanden ist.

Eine noch grössere Wirkung wird durch die dünneren Wände hinter jedem der Magnete 27 erreicht. Wie bereits erwähnt, ist die Wanddicke am Scheitelpunkt jeder Auflagefläche 25 etwa halb so gross wie die Dicke der Wände an den anderen Stellen des Gehäusemoduls 20. Die Verkleinerung der Wanddicke besitzt eine Wirkung auf den Flussstrom während des Betriebes des Motors. Die Fig. 6 illustriert den Verlauf des Magnetflusses (obere Hälfte) und den Verlauf des Ankerflusses (untere Hälfte) des erfindungsgemässen Motors 10. Der eingeklammerte Bereich B illustriert, dass die Flussdichte im dünneren Wandbereich hinter der Ausnehmung viel höher ist als in irgendeinem anderen Bereich des Gehäuses.

Dieses «Zusammendrücken» des Ankerflusses bewirkt eine magnetische Sättigung in den dünnen Gehäusewänden hinter den Auflageflächen 26. Der Ankerfluss ist deshalb minimali-siert. Da der magnetische Fluss nicht beeinflusst ist, resusltiert daraus ein zusätzlicher Fluss im Luftspalt, was in einem Generator oder einem Motor mit hohem Drehmoment einen grösseren Spannungsausgang ergibt. Da der Fluss minimalisiert ist, ist

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die Funkenbildung während der Kummutation wesentlich reduziert.

In der Fig. 6 bezieht sich der eingeklammerte Bereich C auf den magnetischen Flussverlauf bei einer der Auflageflächen 25.

Der magnetische Flussverlauf konvergiert im rechten Winkel zum Magnet 27 und zur benachbarten Wand des Gehäusemoduls 20. Die Flusslinien sind symmetrisch und divergierend an der Stelle der kleinsten Wanddicke am Scheitelpunkt der Auflagefläche 25. Bei dieser Divergenzstelle ist der Fluss «null», so dass in dieser Domäne die magnetische Flussstärke null ist. Da an dieser Stelle kein magnetischer Fluss vorhanden ist, besteht hier kein entgegenwirkender Einfluss auf die magnetische Flussstärke.

Wie die Fig. 3 deutlich zeigt, ergibt die Rückversetzung der Magnete 27 in die Auflageflächen 25 einen grösseren Raum innerhalb des Gehäusemoduls 20, welcher einen Anker 12 aufnehmen kann. Ein Gehäusemodul 20 mit gleichen äusseren Dimensionen wie bei einem konventionellen Dauermagnet-Gleich-strommotor kann einen grösseren Anker 12 aufnehmen. So kann beispielsweise ein konventionelles quadratisches Motorengehäuse von 10 cm in der Praxis einen Anker mit maximal 7,5 cm Durchmesser aufnehmen. Bei einem erfindungsgemässen Motorengehäuse kann ein Anker mit einem Durchmesser von 8,1 cm (3 1/4 inches) eingebaut werden. Zusätzlich zur grösseren Kühlkapazität und anderen Vorteilen dieser Konstruktion kann ein leistungsfähiger Motor geschaffen werden, der die gleichen Dimensionen wie ein weniger leistungsfähiger Motor aufweist. Der Anker 12 selbst läuft kühler, da er eine grössere Oberfläche besitzt und die Wärme deshalb schneller entweicht. Ein Motor mit der gleichen Leistungsabgabe wie ein konventioneller Motor kann deshalb mit kleineren Dimensionen gebaut werden.

Dies ist in der Fig. 8 dargestellt, wo ein Gehäusemodul 20 und ein Anker 12 (links) im Vergleich mit einem kreisförmigen (Mitte) und einem rechteckigen (rechts) als bekannte Ausführungsbeispiele von Dauermagnetmotoren dargestellt sind. In allen drei Querschnitten besitzt der Anker exakt die gleiche Grösse. Bei gleichen äusseren Bedingungen wird jeweils die gleiche Leistung erzeugt. Wie aus der Figur deutlich hervorgeht, ermöglicht der Modul 20 einen weit kompakteren Motor. Dieser

Gesichtspunkt wird mehr und mehr wichtig, da Gleichstrommotoren mit Geschwindigkeitsregelung bei Industrierobotern und anderen Anwendungen eingesetzt werden, wobei hier das Gewicht und die Grösse wichtige begrenzende Faktoren sind. 5 Die gleichen oben beschriebenen grundlegenden Gedanken werden nachfolgend auch für kreisförmige Gehäusemotoren illustriert. Die Fig. 2 zeigt einen mit dem Bezugszeichen 40 bezeichneten kreisförmigen Gehäusemotor, der am einen Ende eine Kappe 41 und am anderen Ende ein zusätzliches Gehäuse 42 io aufweist. Zwei kreisförmige Gehäusemodule 24 sind konzentrisch zur Kappe 41 und zum zusätzlichen Gehäuse 42 angeordnet und mit Bolzen 45 zusammengehalten, wobei die Bolzen 45 durch ausgerichtete Bolzenlöcher 46 (Fig. 4) geschlossen in den Seiten wänden gesteckt sind. Ein geschlitzter Kernanker 24 ist 15 rotierbar in einer mittigen Ausnehmung 47 angeordnet, die durch die Innenseiten der Wände der Gehäusemodule 44 begrenzt ist. Wie bei dem in Fig. 1 dargestellten quadratischen Motor 10 ist die Darstellung von zwei Gehäusemodulen 44 in der Fig. 2 willkürlich. Je nach den speziellen gewünschten An-20 Wendungen können ein oder mehrere Module 44 mit irgendeiner gewünschten Länge verwendet werden.

In der Fig. 4 ist ein Gehäusemodul 44 im Querschnitt dargestellt. In jedem Quadrant der Innenseite des Gehäusemoduls 44 ist eine vertieft angeordnete Auflagefläche 50 vorgesehen. 25 Wie bei den Auflageflächen 25 im Gehäusemodul 20 ist jede Auflagefläche 50 senkrecht zu den benachbarten Auflageflächen 50. Die Auflageflächen 50 sind so ausgebildet, dass eine verlängerte imaginäre Linie senkrecht auf gegenüberliegenden Wänden jeder Auflagefläche 50 eher eine Tangente als einen 30 Radius zum Gehäusemodul 44 bildet.

Ein gebogener Dauermagnet 52 ist in jede Ausnehmung 50 eingepasst und darin befestigt. Die Dauermagnete 52 bilden gemeinsam die Statoranordnung des Motors. Wie beim quadratischen Gehäusemodul 20, erlaubt das Gehäusemodul 44 bei ei-35 nem Motor mit den genau gleichen Aussendimensionen wie ein konventioneller kreisförmiger Motor einen grösseren Anker 48 einzusetzen. Aufgrund der Symmetrie des kreisförmigen Gehäusemoduls 44 werden jedoch die Vorteile des niedrigeren Ankerflusses im Gehäusemodul 40 und die grössere Fühlungskapa-40 zität weitgehend nicht erreicht.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims (8)

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1. Dauermagnet-Gleichstrommaschine (10) mit einem in einem Gehäuse (20) angeordneten Anker (12), gekennzeichnet durch ein Gehäuse (20) aus Metall mit einer vorbestimmten Länge und zusammenhängenden Wänden, deren Innenflächen eine durchgehende Ausnehmung (24) bestimmen, mehrere gebogene, vertieft und im Abstand voneinander am Umfang der Innenflächen der Wände angeordnete Auflageflächen (25), wobei sich die Auflageflächen (25) über mindestens einen Teil der Länge des Gehäuses (20) erstrecken und die Wände im Bereich der Auflageflächen (25) eine verminderte Dicke aufweisen, und mehrere Dauermagnete (27), wobei jeder Dauermagnet (27) eine an einer der Auflageflächen (25) befestigbare konvexe Fläche und eine gegenüberliegende, zur Ausnehmung (24) hin gerichtete konkave Fläche aufweist, mit dem Zweck, bei gegebenen Dimensionen des Gehäuses (20) einen relativ grossen und leistungsfähigen Anker (12) unterzubringen.

2. Dauermagnet-Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen der Wände im Querschnitt kreisförmig sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Dauermagnet-Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen der Wände des Gehäuses (20) im Querschnitt zumindest angenähert quadratisch sind und in jeder der vier ebenen Seitenwände eine der vertieften Auflageflächen (25) angeordnet sind.

4. Dauermagnet-Gleichstrommaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren und äusseren Ecken des Gehäuses (20) abgerundet sind.

5. Dauermagnet-Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge jeder Seite des Gehäuses (20) 10 cm beträgt und das Gehäuse (20) einen Anker (12) mit einem Durchmesser von 8,1 cm (3 1/4 in-ches) aufnimmt.

6. Dauermagnet-Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wände des Gehäuses (20) im Scheitelpunkt der Auflageflächen (25) etwa halb so gross ist wie die Dicke der Wände zwischen . den Auflageflächen (25).

7. Dauermagnet-Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete aus Samarium-Kobalt sind.

8. Dauermagnet-Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zwei oder mehr Gehäusemodule umfasst.