CN102474169A - 具有永磁铁的串联电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种串联电动机，具有定子(26)和电枢，具有至少一个磁场绕组，所述磁场绕组与电枢绕组串联，以及具有至少一个永磁铁(34)，所述永磁铁的磁场与通过至少一个磁场绕组产生的主磁场叠加，其中，所述电动机在工作中持续地从直流电压源或从交流电压源中通过整流器供电。

Description

具有永磁铁的串联电动机
技术领域
本发明涉及一种串联电动机，具有定子和电枢，具有至少一个磁场绕组，其与电枢绕组串联，以及具有至少一个永磁铁，其磁场与通过至少一个磁场绕组产生的主磁场叠加。
背景技术
在现有技术中基本上公知(参见DD 109775，DD 145590，DE-PS 1181309，EP 0582416B1)的是，在永磁铁激励的直流电动机中设置辅助串联绕组，用以防止电动机由于电枢反馈而去磁。
此外通过DE 3729680A1公开了一种串联永磁铁电动机，其具有由两部分组成的针对每个换向极的换向极补偿绕组，由此应改善换向极的效率并且应防止永磁铁由于电枢反馈而去磁。
此外从EP 0615331A1中公开了一种具有制动装置的以通用电动机形式的串联电动机，其中，应通过永磁铁的使用可靠地导入自励磁的制动。此外在电动机工作中通过磁场绕组产生工作磁场，其与设立的电枢磁场共同得到为电动机工作所需而引起的磁场。在切换到制动工作时，将电动机从电网上断开且磁场绕组通过电枢被短路。为了确保通过自励磁可靠地导入制动，在极靴叠片组上额外地在凹槽中设置永磁铁，确切地说以如下方式设置，即引起在与电激励的主磁场的磁力线相同的方向上的磁场。永磁铁的强度如下测定，即其磁场为由于极靴叠片组的铁心中的剩余磁感应引起的磁场的至少两倍高。由此实现了在从电动机工作到发电机工作的切换时间点中的克服永磁铁的磁场的剩余磁感应的情况下，也存在永磁铁磁场的足够的剩余量，用以可靠地导入自励磁。为了在电动机起动时永磁铁不被去磁，设置起动电阻或者二极管，从而起动电流首先仅可以在一个方向上流动，直到一定的接通延时之后桥接二极管，从而使电动机直接从交流电网中被供电。
串联电动机特别是以在大量的应用中、特别是在电动工具中以通用电动机的形式使用。当然串联电动机具有缺点，(未调节的)空转转速明显高于负载工作中的(未调节的)额定转速。这意味着，转速-转矩-特性曲线相对陡峭，即转速相对较强地依赖于转矩。这导致了串联电动机在如下应用中的使用是有问题的，在这些应用中必须限定(未调节的)空转转速，比如出于安全原因。
发明内容
在该背景下本发明的目的在于，提出一种串联电动机，其相比于常见的串联电动机具有改善的转速-转矩-特性曲线并且其中特别是可以将(未调节的)空转转速限定到非临界的值。
该目的通过具有定子和电枢的串联电动机实现，该串联电动机具有至少一个磁场绕组，其与电枢绕组串联，并且具有至少一个永磁铁，其磁场与通过至少一个磁场绕组产生的主磁场叠加，其中，电动机在工作中持续地从直流电源或从交流电源中通过整流器供电。
本发明的目的以这种方式完全实现。由于利用由至少一个磁场绕组产生的主磁场持续地与永磁场叠加，增强了励磁场，特别是在空转中减弱的电励磁时，这导致了空转转速的减小。在电动机负载时电励磁变大，而励磁通过永磁铁保持不变。这样额定转速被降低到低于空转转速。由此得到平缓的转速-转矩-特性曲线，即转速较弱地依赖于转矩。
在本发明的一种优选的设计中，至少一个永磁铁容纳在极靴的凹槽中。
由此确保了简单的安装和可靠的固定。
在一种可替换的实施方式中，至少一个永磁铁容纳在极靴的内表面中。这里优选是非常平缓的实施方式(大约0.3至2mm)并且优选通过粘接固定。
在两种情况下永磁铁优选具有如此高的磁场强度，即至少补偿由于永磁铁的设置引起的磁场弱化。
在极靴上设置凹槽如同气隙一样起作用并且首先导致磁场弱化。磁场弱化可以通过叠加的永磁铁的磁场来补偿或者甚至过度补偿，前提是永磁铁具有足够高的磁场强度。
为此永磁铁优选由稀土材料构成。这种永磁铁比如由钴钐材料构成或由钕铁硼材料构成。其具有较高的剩余磁感应以及较高的矫顽磁场强度并且具有非常大的特有磁能。这种由稀土材料构成的永磁铁特别适合于在本发明中使用，因为由此可以甚至过度补偿由凹槽引起的磁场弱化。
根据本发明的另一种实施方式，定子具有至少两个极靴，在极靴上分别设置一个凹槽，在凹槽中容纳永磁铁。
这里可以设置至少两个永磁铁，它们对称地布置在极靴上。
如果要针对旋转方向变换来设计电动机，则这种布置是有利的。
相反，如果电动机具有优选的旋转方向，则根据本发明的另一种设计优选将永磁铁非对称地布置在极靴上。
通过非对称的布置得到改善的换向。
根据本发明的另一种设计，至少一个永磁铁可在轴向上推入凹槽中。
由此实现了简易的安装。通过凹槽形状和永磁铁形状比如以燕尾形导轨形式的适当的匹配，可以同时实现型面配合的固定。
根据本发明的另一种设计，至少一个永磁铁在对应的极靴的整个轴向长度上延伸。
可替换的是，至少一个永磁铁也可以仅在对应的极靴的一部分轴向长度上延伸。
为了持久地确保磁场绕组和永磁铁的磁场的设计上的重叠，必须将永磁铁相应于主磁场的方向对准。为此在连接到交流电网时必须将交流电压通过整流器、优选桥式整流器转换成整流过的(必要时滤波过的)交流电压，通过磁场线圈和电枢供电。当然可选地可以直接以直流电压实现工作。通过二极管可以在任何情况下确保正确的极化，由此确保主磁场和永磁铁磁场的设计上的重叠。
根据本发明的另一种设计，磁场绕组的极性是可切换的。
由此可以实现磁场绕组和永磁铁的破坏性的重叠，从而得到磁场弱化。这导致了特别高的转速，这对于特殊应用可以是有利的。
根据本发明的另一种设计，通过电枢的电流方向是可切换的。
由此可以实现电动机的旋转方向变换，不会影响永磁铁和磁场线圈的磁场的持久的磁场增强的重叠。
通过本发明还提出了一种具有串联电动机的电动工具，其中，串联电动机如此设计，即确保将空转转速限定到允许的最大值上。
这特别是对于如下应用是有利的，在这些应用中必须限定(未调节的)空转转速。这样可以至少部分地补偿通用电动机的由设计引起的缺点，这些缺点导致相比于负载转速的较高的空转转速。
根据该实施方式的一种改进，通过在工作区域中绕组与转矩增加的匹配，在同时将空转转速降低到允许的值的情况下，采用由至少一个永磁铁引起的相比于不具有永磁铁的串联电动机的转速-转矩-特性曲线的平缓化。
通过改变的电动机绕组得到相比于不具有永磁铁的同一电动机而言在相同的转矩的情况下更高的额定转速。由此实现了更高的传动比，进而实现更大的转矩。可替换的是可以在相同的转速的情况下实现更大的转矩。
相反，在不变的绕组的情况下基本上维持额定转速，由此相比于不具有永磁铁的同一电动机减小了空转转速。由此可以将空转转速限定到允许的最大值上。这特别是在将电动工具实施成弯把手提砂轮机的情况下是有意义的，因为在电动马达失效时必须确保弯把手提砂轮机在空转中不会过快地运转。弯把手提砂轮机的砂轮的周向速度必须被限定到最大80m/s，用以安全地防止砂轮爆裂。
这样根据本发明的改善的转速-转矩-特性曲线可以特别有利地在弯把手提砂轮机中应用。
显而易见，前述的以及下文中还将阐述的特征不仅在各个给出的组合中，而且也可以在其它组合中或者单独应用，不会脱离本发明的范畴。
附图说明
下面参照附图从下文优选实施例的说明中阐述本发明的其它特征和优点。其中：
图1示出了根据本发明的串联电动机的第一实施方式的电路图；
图2示出了具有旋转方向转换的根据本发明的串联电动机的第二实施方式的电路图；
图3示出了常见的串联电动机与两个不同设计的根据本发明的串联电动机的不同的转速-转矩-特性曲线的比较；
图4示出了具有两个分别在一个极靴上的永磁铁的根据本发明的定子的第一实施方式，这两个永磁铁以对称布置的方式容纳在极靴的凹槽中；
图5示出了具有各一个永磁铁的根据图4的定子的变型的实施方式，这两个永磁铁以对称布置的方式在周向上在极靴的较大区域中延伸；
图6示出了具有非对称布置的两个永磁铁的根据本发明的定子的另一种实施方式，这两个永磁铁相对于中心布置朝两个极靴的上升(auflaufende)的边棱移动；以及
图7示出了具有根据本发明的串联电动机的以弯把手提砂轮机形式的电动工具的示意图。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的串联电动机的电路图，其整体上以10表示。
该串联电动机10具有带电枢绕组的电枢12，该电枢绕组与两个磁场绕组14、16串联。电动机由交流电压源U～(例如230V，50Hz)供给交流电。电动机开关S1用作接通和切断。通过以桥式整流器形式的整流器18将交流电压整流，从而将其作为脉动的直流电压输送。桥式整流器还可以包括用于滤波的机构(比如电容器，未示出)。除了两个磁场绕组14、16(通过它们实现主励磁)之外，串联电动机10还具有永磁铁，其分别通入极靴的扁平的凹槽中。
下面参照附图4至6简短地描述永磁铁在定子26上的不同的可能的布置方式。
根据图4-6的定子26以横截面示出。为了概览起见，未示出磁场绕组和电枢。定子26具有两个极靴28、30。在每个极靴28、30上，以在周向上看对称的布置方式在极靴附近设置两个扁平的凹槽32，在凹槽中分别容纳一个永磁铁34。每个凹槽32仅具有比如0.3至1mm的极小的深度并且可以优选如此设计，即得到各永磁铁34在对应的凹槽32上的型面配合的固定。凹槽32在径向上看在极靴内表面上开出(ausmünden)。各凹槽32在定子26的整个轴向长度上延伸，从而使永磁铁34可以从轴向端部推入凹槽32中并且这样可以容易地安装。总共4个永磁铁34对称布置，从而使该串联电动机10适用于旋转方向转换。可替换的是永磁铁34可以仅在各极靴28、30的一部分轴向长度上延伸。
图5展示了定子的一种变型，其在此处整体上以26a表示。在相对于根据图4的实施方式的变型中，在每个极靴28、30上仅设置一个中心的凹槽36，其在极靴28、30的周向上看在极靴28或30的大部分区域上延伸。在凹槽36中容纳相应成形的永磁铁38。在相对立的极靴30上也设置具有相应的永磁铁的大小相同以及结构相同的凹槽，从而整体上又得到对称的布置方式。
在图6中展示了定子的另一种变型并且整体上以26b表示。这里永磁铁42的布置是非对称的，这对于具有从优磁化方向的电动机是有利的，因为由此可以实现改善的换向。在每个极靴28、30上设置一个具有对应的永磁铁42的凹槽40，但这里永磁铁40从中性区44反向于电枢42的旋转方向偏移。图6中串联电动机的旋转方向以46表示。
通过将永磁铁分别直接在极靴下方直接布置在凹槽中，首先得到额外的气隙，这导致通过磁场绕组14、16产生的主磁场的磁场弱化。由于永磁铁由稀土材料构成，其具有非常高的磁场强度、较高的剩余磁感应以及较高的矫顽磁场强度。这样可以过度补偿由于凹槽引起的磁场弱化，从而整体上在永磁铁34、38、42的磁场和由磁场绕组14、16产生的主磁场的设计上的重叠的情况下得到增强的总磁场。这里如此选择穿过磁场绕组14、16的电流方向，即永磁铁34、38、42的磁场和主磁场具有相同的极性。
下面借助于图3阐述使用永磁铁的效果。
图3以曲线20展示了常见的不使用永磁铁的通用电动机(针对由申请人经营的弯把手提砂轮机WSG14额定功率为1200W)的转速-转矩-特性曲线。根据曲线20得到在常见的电动机中转速n(单位为转/分钟)与转矩M(单位为Nm)的相对较强的依赖关系。在空转中得到近乎40000U/min的转速，而在以1.2Nm的负载下转速下降到大约17500U/min。
曲线22展示了根据图4的各两个永磁铁34对称布置的使用的效果图。这里根据曲线22得到明显平缓的转速-转矩-特性曲线。特别是在1.2Nm时几乎保持不变的负载转速的情况下空转转速明显下降到大约27000U/min的值上。在这种情况下额定功率大约为1100W。
曲线24展示了如何能够通过改变的绕组特性有利地匹配设计上相同构建的电动机。转速水平可以如此在整体上再次提高，即假设空转转速为更高的值，但其还可以位于不具有永磁铁的电动机的空转转速以下并且比如为大约36000U/min。同时在相同的转矩的情况下转速升高，从而在转速-转矩-曲线的整体上平缓的走向下得到向上的移动。在相同的电动机构造下额定功率升高到大约1400W。
如果电动机比如在根据图7的电动工具44中使用，则在该实施方式中可以采用更大的传动比。
图7展示了以弯把手提砂轮机形式的电动工具48的示意性俯视图。电动工具48具有根据图1的串联电动机10，其中，采用根据图6的定子26b，从而得到永磁铁的非对称的布置方式。通过永磁铁的使用以及匹配的绕组设计得到根据图3的曲线24的转速-转矩-特性曲线。这样将砂轮50的转速限定到最大允许的大约80m/s的周向速度上。
图2展示了根据本发明的串联电动机的一种变型的电路图，其整体上以10a表示。该串联电动机10a针对旋转方向转换设计并且因此具有比如根据图4或5的定子26或26a。由于在旋转方向转换的情况下也应保持永磁铁和主磁场的磁场增强的效应，将电枢12的电流方向相对于旋转方向转换。为此比如设置两极的转换器S2。

Claims (18)

1.一种串联电动机，具有定子(26、26a、26b)和电枢(12)，具有至少一个磁场绕组(14、16)，所述磁场绕组与电枢绕组串联，以及具有至少一个永磁铁(34、38、42)，所述永磁铁的磁场与通过至少一个磁场绕组(14、16)产生的主磁场叠加，其中，所述电动机在工作中持续地从直流电压源或从交流电压源(U～)中通过整流器(18)供电。
2.根据权利要求1所述的串联电动机，其中，至少一个永磁铁(34、38、42)容纳在极靴的凹槽中。
3.根据权利要求1所述的串联电动机，其中，至少一个永磁铁容纳在极靴的内表面上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的串联电动机，其中，至少一个永磁铁具有如此高的磁场强度，使得至少补偿通过永磁铁的设置方式引起的磁场弱化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的串联电动机，其中，至少一个永磁铁(34、38、42)由稀土材料构成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的串联电动机，其中，定子(26、26a、26b)具有至少两个极靴(28、30)，在所述极靴上分别设置至少一个凹槽(32、36、40)，在所述凹槽中容纳永磁铁(34、38、42)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的串联电动机，其中，设置至少两个永磁铁(34、38)，所述永磁铁在极靴(28、30)上对称布置。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的串联电动机，其中，设置至少两个永磁铁(42)，所述永磁铁在极靴(28、30)上非对称布置。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的串联电动机，其中，至少一个永磁铁(34、38、42)能够在轴向上移入凹槽(32、36、40)中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的串联电动机，其中，至少一个永磁铁(34、38、42)在对应的极靴(28、30)的整个轴向长度上延伸。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的串联电动机，其中，至少一个永磁铁仅在对应的极靴的一部分轴向长度上延伸。
12.根据前述权利要求中任一项所述的串联电动机，其中，所述电动机通过桥式整流器(18)供电。
13.根据权利要求12所述的串联电动机，其中，所述桥式整流器(18)还包括用于电压滤波的机构。
14.根据前述权利要求中任一项所述的串联电动机，其中，为了旋转方向变换，穿过电枢(12)的电流方向是能够切换的。
15.根据前述权利要求中任一项所述的串联电动机，其中，至少一个永磁铁(34、38、42)的布置方式为，其以磁场增强的方式与主磁场叠加。
16.一种电动工具，具有根据前述权利要求中任一项所述的串联电动机，其中，所述串联电动机的设计方式为，确保将空载转速限定到允许的最大值，特别是低于40000转/分钟的值。
17.根据权利要求16所述的电动工具，其中，通过在工作区域中绕组与转矩增加的匹配，在同时将空转转速降低到允许的值的情况下，采用由至少一个永磁铁(34、38、42)引起的相比于不具有永磁铁的串联电动机的转速-转矩-特性曲线的平缓化。
18.根据权利要求16或17所述的电动工具，所述电动工具设计成弯把手提砂轮机(48)。
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