DD282550A5

DD282550A5 - Permanentmagnetische rotierende dynamoelektrische maschine

Info

Publication number: DD282550A5
Application number: DD88319782A
Authority: DD
Inventors: Peter B Clark
Original assignee: ��@��@��@��k��
Priority date: 1987-09-15
Filing date: 1988-09-14
Publication date: 1990-09-12
Also published as: GR880100584A; PT88506A; AR247958A1; MX167573B; YU174488A; US4924125A; NZ221822A; ES2008585A6; CA1309450C; IL87764A0; ZA886772B; IE882785L; IN175021B; CN1028273C; PT88506B; GB8821355D0; IE63233B1; CN1035398A; GB2209884A; MY103607A

Abstract

Eine permanentmagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) wie zum Beispiel ein dreiphasiger buerstenloser Motor fuer hohe Geschwindigkeit weist mindestens einen Stator (16) und mindestens einen Rotor (11) auf, welche durch einen zylindrischen Luftspalt (28) zwischen ihnen voneinander getrennt sind. Es wird eine Vielzahl permanentmagnetischer Pole (27) durch eine Vielzahl Magneten aus seltenen Erden (27) geschaffen, welche nebeneinander auf der Innenseite eines becherfoermigen Rotors (11) angeordnet sind und parallel zur Rotorachse (13) ausgerichtet sind. Der Stator weist eine Vielzahl von gewickelten Polen (25) mit einer geringen Tiefe auf, welche auf oder dicht an der Oberflaeche eines Substrats (24) mit niedriger magnetischer Permeabilitaet (weniger als das zwanzigfache derjenigen von Luft) aufgewickelt sind. Die gewickelten Pole (25) sind angrenzend an den zylindrischen Luftspalt (28) angeordnet, derart, dasz sie die Wege des magnetischen Flusses der benachbarten permanentmagnetischen Pole schneiden.{Permanentmangel; dynamoelektrische Maschine; buerstenloser Motor; Luftspalt; Magnete}

Description

Permanentmagnet lache rotierende dynamoelektrische Maschine

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich aif permanentmagnetische rotierende dynamoelektrische Maschinen von der Art, bei welchen eine relative Rotation zwischen einer Vielzahl von permanentmagnet ischen Polen und einer Vielzahl von gewickelten Polen vorhanden ist. Die gewickelten P0I9 sind in dem Sinne gewickelt, daß sie mit ihnen zusammenwirkende elektrischen Strom führende Leiter aufweisen. "Permanentmagnetisehe Pole" werden im allgemeinen durch Permanentmagnete mit hoher"Feldstärke geschaffen, welche aus Keramik-Ferriten oder seltenen Erden-Magneten gebildet werden, aber sie können auch durch geschlossene Einzeloder Mehrwindungsspulen aus Supraleitern geschaffen werden, bei welchen der magnetische Pol so lange permanentmagnetisch ist, so lange der Leiter betrieben wird und in einem stromleitenden Zustand verbleibt. Der Ausdruck "permanentmagnetische rotierende dynamoelektrische Maschinen" schließt sowohl Motoren und Generatoren für Gleichspannung als auch für Wechselspannung ein und schließt deshalb Gleichspannungsgeneratoren genau so ein wie Wechselspannungsgeneratoren.

Stand der Technik

Elektrische Motoren und Generatoren/Wechaelspannungsgeneratoren w:\rden traditionell in einer koaxialen zylindrischen Formation mit einem zentralen Rotor konstruiert, welcher eine Vielzahl gewickelter Pole aufweist, welche durch Wicklungen auf Stahllamellen oder auf einen weichen Eisenkern gebildet wurden. Der Stator bildet ein zylindrischen Gehäuse,

welches den Rotor umgibt und erfordert eine präzise Konstruktion, weil nur din enger zylindrischer Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator vorhanden ist, welcher normalerweise für kleine Maschinen mit weniger als 5 kW weniger als 0,25 nun beträgt. Der Stator weiot auch eine Vielzahl gewickelter Pole auf, welche durch Wicklungen in Lamellen im Innern eines Stahlgehäuses gebildet werden«. Derartige Siliziumstahl-Lamellenanordnungen weiten im allgemeinen eine hohe magnetische Permeabilität auf, in der Größenordnung von 2000 'im Verhältnis zu Luft)· Die magnetische Permeabilität eines Materials wird herkömmlich als ein numerischer Wert ausgedrückt, welcher angibt um ein wievielfaches er größer ist, als die magnetische Permeabilität von Luft.

Im Falle von Synchronmotoren und Universalmotoren werden die Verbindungen zum Rotor mit Hilfe eines Kommutators und Bürsten oder mit Hilfe von Schleifringen und Bürsten hergestellt, welche dazu neigen, sich abzunutzen. Diese traditionellen Elektromotoren und in einem geringeren Umfange auch Wechselstromgeneratoren leiden an den Problemen, welche von der Verwendung von Eisen in den gewickelten Polen entweder im Rotor oder im Stator oder noch typischer in beiden ausgehen. Das Eisen legt eine Begrenzung der Frequenzen auf, typischerweise ist ein Gleichspannungsmotor auf eine innere Betriebsfrequenz von nicht mehr als 500 Hertz begrenzt, wsil die induzierten Wirbelströme, welche von dem vorhandenen Eisen ausgehen, ansteigen»

Zum Beispiel können die kleinen elektrischen Hochgesch\ indigkeitsmotoren, welche in Staubsaugern Verwendung finden, bis zu 30 000 Umdrehungen pro Minute erreichen (das sind 500 Hertz), aber sie sind auf eine Betriebsdauer von ungefähr 1 Stunde

begrenzt, weil Probleme der Aufheizung durch die Wirbelströme, welche mit den Eisenlamellen verbunden sind, die mit den gewickelten Polen sowohl dea Rotors als auch dea Stators in Verbindung stehen, auftreten,.

Mit dem Ziel diese hohen Geschwindigkeiten zu erreichen, innerhalb der Begrenzungen der Frequenzen, welche durch die Eisenlamellen auferlegt werden, verwenden sie lediglich zwei Bürsten. Wenn die Anzahl der Bürsten erhöht wird, wurden sowohl viel größere Verluste auftreten, als auch eine größere Komplexität in der Schaltung zur Steuerung des Motors erforderlich werden.

Es wurden Versuche unternommen, rotierende elektrodynamische Maschinen mit Permanentmagneten zu bauen, welche eine ähnliche zylindrische Konfiguration aufweisen, wobei jedoch allgemeine herkömmliche Konstruktionstechnologien Verwendung fanden, derart, daß ein enger Luftspalt zwischen den Permanentmagneten eines äußeren Stators und den gewickelten Polen vorhanden ist, welche auf die Eisenlamellen eines innenliegendon Rotors aufgewickelt sind. Die nachfolgenden US-Patentschilften enthalten Beispiele von Maschinen mit Permanentmagneten:

1 958 043 Keintz, 1934

2 104 707 Rawlings, 1938

3 296 471 Cochardt, 1967 3 531 670 London, 1970

3 564 306 Ott, 1971

3 818 586 Hochneß und andere, 1974

4 303 843 Arnour und andere, 1981 4 417 167 Ishii und andere, 1983 4 471 252 West, 1984

4 636 671 Terada, 1987 4 638 201 Feigel, 1987 4 651 066 Gritter und andere 1987.

AlIe diese Patente beinhalten Motoren/Generatoren, welche Permanentmagnete mit unterschiedlichen Konfigurationen verwenden. Das älteste Patent zeigt eine Ma^ue+.zünivorrichtung, das Patent von Rawlings beschreibt einen Fahrraddynamo und die anderen Patente enthalten verschiedene Motoren/Generatoren, meist mit Permanentmagneten, welche mit ihren Achsen mit der Rotorwelle ausgerichtet sind. Das Patent von West beschreibt einen Anlasser-Motor mit Permanentmagneten, welcher einen konventionellen lameliierten (Bisen) gewickelten Rotor aufweist und nur vier bogenförmige Permanentmagnete besitzt. Dieses Patent ist mit Schilden fur die Permanentmagnete ausgerüstet, welche an der Innenseite des umgebenden Stators angeordnet sind, derart, daß sie eine Entmagnetisierung der Ecken der Magneten verhindern. Die anderen US-Patentbeschreibungen, welche im vorangegangenen aufgelistet sind, enthalten Motoren, welche zwischen vier und zwölf Permanentmagneten enthalten, welche alle herkömmliche lamellierte Eisenrotoren aufweisen, mit gewickelten Polen, welche in Schlitze in den Lamellen hineingewickelt sind·

Diese Konstruktionen leiden alle unter den gleichen Wirbelströmen und Hystereseverlusten, wegen der Notwendigkeit von Eisenlamellen in Verbindung mit den gewickelten Polen,

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, diese Verluste zu vermeiden«,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte rotierende dynamoelektrische Maschine zu schaffen, welche Permanentmagnete besitzt, oder eine solche, welche wenigstens die Öffentlichkeit mit einem brauchbaren Vorteil versorgtο

2 β 2 5 5

In einer AusfuhrungaVariante der Erfindung stellt diese eine rotierende dynamoelektribche Maschine ml·¹; Permanentmagneten zur Verfügung, welche enthält: mindestens einen im allgemeinen zylindrischen Stator und wenigstens einen zylindrischen Rator, welcher um eine Achse drehbar ist und eine zylindrische Oberfläche aufweint, welche dem genannten im allgemeinen zylindrischen Stator gegenüber angeordnet ist und von diesem durch einen zylindrischen Luftspalt getrennt ist| eine Vielzahl permanentmagnetischer Pole auf der genannten Oberfläche des Rotors und in geringen Abständen voneinander auf der Oberfläche des Rotors angeordnet, in der Nachbarschaft des genannten zylindrischen Luftspalts, wobei der genannte Stator eine Vielzahl gewickelter Pole aufweist, auf oder in einem Substrat angeordnet, und die genannten gewickelten Pole in der Nachbarschaft des genannten zylindrischen Luftspaltes angeordnet sind; wobei die Konfiguration der in kurzen Abständen angeordneten permanentmagnet ischen Pole um den Rotor eine derartige ist, daß verhältnismäßig kurze Wege für den magnetischen Fluß zwischen den auf dem Umfang benachbarten permanentmagnetischen Polen vorhanden sind und die verhältnismäßig kurzen Wege für den magnetischen Fluß sich ein einem Bereich erstrecken, welcher durch can genannten Stator durchschnitten wird, wobei der genannte Bereich und das Substrat des Stators sowohl eine niedrige relative magnetische Permeabilität besitzen, als auch im wesentlichen nicht leitfähig sind·

Vorzugsweise ist eine verhältnismäßig große Anzahl von Polen sowohl auf dem Rotor, als auch auf dem Stator eines Rotor/ Stator-Paares vorgesehen, derart, daß ein entsprechend kurzer Weg für den magnetischen Fluß zwischen benachbarten magnetischen Polen erzeugt wird·

Vorteilhaft sind zwischen 4 und 30 in kurzem Abstand voneinander angeordnete permanentmagnet isehe Pole im wesentlichen gleichmäßig um den Umfang des Rotors angeordnet.

Als besonders zweckmäßig wird ea angesehen, wenn ungefähr permanentmagnetische Pole gleichmäßig um den Umfang das Rotors angeordnet sind.

In den meisten Fällen wird ein einziges Rotor/Stator-Paar genUgen, obwohl diese Erfindung auch auf mehrfache Rotor/ Stator-Paare angewendet werden kann«,

Die einfachste Lösung besteht darin, daß wenigstens ein Rotor ein äußerer Rotor ist, mit den permanentmagnet ischen Polen auf der inneren zylindrischen Oberfläche djs Rotors.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn wenigstens eir äußerer Rotor becherförmig ausgeführt ist und aus einem Material ausgebildet ist, welches eine höhere Zugspannung aufweist, als die Zugspannung des Materials, welches die permanentmagnet ischen Pole enthalten.

Es kann aber auch zweckmäßig sein, daß der wenigstens eine Rotor ein innenliegender Rotor ist.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß die gewickelten Pole eine geringe Tiefe aufweisen und auf oder dicht an der Oberfläche des Substrats gewickelt sind. Das Substrat kann aus irgendeinem Material hergestellt sein, welches eine geringe magnetische Permeabilität aufweist, zum Beispiel aus Holz, Paserglas, Plaste, Kunstharz oder in einigen Fällen aus Ferriten. Vorzugsweise beträgt die magnetische Permeabilität des Substrats weniger als 20 (im Verhältnis zur Luft). Die

gewickelte Pole können auf eine entfernbare Form gewickelt und dann in Kunstharz eingebettet werden, derart, daß das Kunstharz das Substrat bildete

Vorzugsweise sind die gewickelten Pole auf oder dicht an der äußeren zylindrischen Oberfläche eines Stators angeordnet, derart, daß die permanentmagnetischen Pole auf der inneren Oberfläche eines diesen umgebenden becherförmigen Rotors angeordnet sind₀

Alternativ dazu kann der Rotor im Inneren des Stators angeordnet sein, das heißt, die Position ist umgekehrt, in welchem Falle die permanentmagnetischen Pole auf der Außenseite des Rotors angeordnet sein werden und die gewickelten Pole auf der inneren zylindrischen Oberfläche des Stators angeordnet sind₀

Wenn die permanentmagnetischen Pole auf der inneren Oberfläche eines sich drehenden äußeren Zylinders angeordnet sind, wurde es allgemein zweckmäßig sein, eine Vielzahl von Stabmagneten höherer Feldstärke zu verwenden, wie zum Beispiel Keramik-Magneten oder Magnete aus seltenen Erden, welche angrenzend aneinander, mit ihren Achsen parallel zur Achse des Rotors angeordnet oind, Y/enn sie auf der Innenseite des Rotors angeordnet sind Ui⁺, es möglich, größeren rotierenden Geschwindigkeiten zu widerstehen, als dieses möglich wäre, wenn die Magneten auf der äußeren Oberfläche des Rotors angeordnet wären.

Nichtdestoweniger ist es möglich, einen elektrischen Motor oder Generator/Wechselstromgenerator in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung herzustellen, bei welchem die Magnete auf der äußeren Oberfläche eines Rotors angeordnet

sind, welcher im Innern eines zylindrischen Stators angeordnet ist. In einem solchen Falle würde es im allgemeinen zweckmäßig sein, einen einzigen keramischen Ringmagneten zu verwenden, welcher auf eine solche Weise magnetisiert ist, daß der Ring Bereiche wechselnder Polarität aufweist.

Vorzugsweise ist der zylindrische Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator größer als derjenige, welcher bei herkömmlichen elektrischen Motoren oder herkömmlichen Generatoren/Wechselstromgeneratoren Verwendung findet, bei welchen das Vorhandensein von Eisen innerhalb des Stators erforderlich ist, mit dem Ziel einen W_eg von den Magnetfluß in dem Stator zu schaffen.

Zweckmäßigerweise weist die Maschine Mittel zum Erfassen der Position des Rotors auf, und ochaltmittel zur Verbindung einer elektrischen Leistungsquelle, sequentiell zu der oder jeder Phase einer Wicklung, welche die gewickelten Pole des Stators bilden.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Schaltmittel eine elektronische LeistungsschaltVorrichtung für jede Phase der Wicklung aufweisen, wobei die oder jede Vorrichtung in der Lage ist durch ein entsprechendes Steuersignal in Abhängigkeit von den Mitteln zur Erfassung der Rotorposition, eingeschaltet" zu werden«.

Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die Maschine eine dreiphasige Maschine ist, welche drei Sätze Wicklungen aufweist, welche um 120 elektrische Grad verschoben sind und die Mittel zur Erfassung der Rotorposition Mittel für die Erfassung von drei Positionen besitzen, wobei jede Position von der nächsten Position um 120 elektrische Grad getrennt ist₀

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Maschine Mittel zur Pulsbreitenmodulation aufweist, um die Geschwindigkeit der Maschine zu steuern.

Darüber hinaus weist die permanentmagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine eine Bremse für die Maschine auf, die vorteilhafte Mittel zur elektrischen Abbreinsung der Maschine aufweist,,

Weiterhin ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß die Maschine Mittel zum "Abschalten" der Maschine in Abhängigkeit der Anzeige eines/zu niedrigen Pegels einer zugeführten Spannung aufweist, sowie Mittel zum "Abschalten" der Maschine in Abhängigkeit von einer Überhitzung*

Die Mittel zur Erfassung der Rotorposition schließen vorteilhaft geschlitzte optische Schalter ein.

Ausführungsbeispiele

Di.e Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführuugsbeisüielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Pig» 1a: eine Aussicht auf die Antriebsseite (wobei das Lagerschild weggelassen wurde) einer permanentmagnetischen rotierenden elektrischen Maschine, welche die äußere Rotorkonstruktion zeigt, bei welcher Stabmagnete Vorwendung fanden;

Pig. 1b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der Figur 1 (mit dem Lagerschild an seiner Position), welche die Anordnung der Stabmagnete im äußeren Rotor zeigt und die relative Position des Stators im Innern des Rotors}

Pige 2a: eine Ansicht auf die Antriebsseite einer permanentmagnetischen rotierenden dynamoelektrischen Maschine, welche einen äußeren Rotor aufweist, der von einem einstückigen Ringmagneten gebildet wird (die Statorkonstruktion wurde bei dieser Zeichnung weggelassen)}

Fig. 2b: eine Schnittdar3tellung entlang der Lirie B-B in der Figur 2a, welche nur die Konstruktion des Rotors zeigt}

Fig. 3a: ein Flußdiagramm für eine typische permanentmagnet iache dynamoelektrische Maschine entsprechend der vorliegenden Erfindung}

Fig. 3b: einen Spannungsverlauf für eine typische permanentmagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine entsprechend der vorliegenden Erfindung}

Fig. 4: einen dreiphasigen Wicklungsaufbau für eine typische permanentmagnetische dynamoelektrische Maschine entsprechend der vorliegenden Erfindung}

Fig. 5a, 5b und 5c: drei Segmente eines Schaltplans für den Betrieb eines dreiphasigen Motors, welcher in Übereinstimmung mit den Figuren 1a/1b konstruiert ist, unter Verwendung einer Gleichspannungsversorgung}

Fig. 6: ein Bloc.'idia,gramm für den Motorbetrieb entsprechend den Figuren 1a/1b, wobei eine GleichspannungsVersorgung Verwendung findet}

Fig. 7a: eine Ansicht auf die Antriebaaeite (die Seitenabdeckung entfernt) einer permanentmagnetiachen rotierenden dynamoelektrischen Maschine, welche eine innere Rotorkonatruktion zeigt, bei welcher ein zylindrischer Magnet Verwendung findet}

Fig. 7b: eine Schnittdaratellung entlang der Linie C-C der Fig. 7a, in einer auaeinandergezogenen Darstellung, der Endabdeckung, des inneren Rotora und des äußeren Stators;

Figo 8: die Verhältnisse der Länge dos Magnetfluasea zu der Größe der Magnete.

Der Motor/tfechaelatromgenerator, entsprechend der vorliegenden Erfindung, iat vorzugsweise unter Verwendung einer Reihe benachbarter Stabmagnete im Innern eines stählernen Kreisrings konstruiert, welcher den Rotor bildet, wie dieaes in der Figur 1a dargestellt ist. Der stählerne Kreisring weist zv/ei wichtige Funktionen auf:

1, Br bildet einen mechanischen Träger für die Magnete gegen die hohen zentrifugalen Kräfte, welche auftreten, wenn sich der Motor mit einer hohen Geschwindigkeit dreht«, Ea ist offensichtlich, daß Magnete aus Keramik und aus seltenen Erden eine geringe Zugfestigkeit aufweisen, wenn sie mit dem becherförmigen Stahlrotor der Figur 1b verglichen werden₀

2o Er bildet einen Weg für den Magnetfluß zwischen benachbarten Magneten,, Die Stabmagneten könnten gleichermaßen gut durch einen zylindrischen "Ring"-Magneten ersetzt werden, wie diesea in der Figur 2a dargestellt ist, welcher um seinen Umfang herum abwechselnd Nordpole und Südpole aufweist,,

Der Motor/V/echselatromgenerator entsprechend der vorliegenden Erfindung icann auch derart konstruiert sein, daß der Rotor das innere Element bildet und der Stator das äußere Element, siehe Figuren 7a und 7b, aber diese Ausführung ist nicht so vorteilhaft wie die Konstruktion mit dem äußeren Rotor, wegen der geringeren maximalen Drehzahl, welche der Rotor entsprechend der Figur 7a auf Grund der geringeren Zugspannung der Magnete aus Keramik oder aus seltenen Erden aushalten kann, wenn man ihn mit dem becherförmigen Stahlmagneten entsprechend der Figur 1b vergleicht«

Die Konstruktion mit dem innenliegenden Rotor hat ihr Anwendungsgebiet im Bereich der niedrigen und mittleren Geschwindigkeiten, da sie sich selbst zu Strom-Konstruktionstechniken eignet, wie sie zur Herstellung kleiner Induktionsmotoren und Wechselstromgeneratoren Verwendung finden,.

Bei den folgendem Beispielen ist es am zweckmäßigsten, wenn die Permanentmagnete auf dem Rotor angeordnet werden, so daß die elektrischen Verbindungen leicht zu den gewickelten Polen auf dem Stator geführt werden können. Eine derartige Konstruktion sann als Hinweis auf einen Motor/ Wechselstromgenerator mit einem eisenlosen Stator gewertet werden. Es sind auch andere Konfigurationen möglich· Wenn zum Beispiel die Konstruktion des koaxialen eisenlosen Gleichspannungsmotors mit Hilfe von Kohlebürsten und einem Kommutator gesteuert wird, würde er die Magnete stationär haben (Stator) und die Wicklungen und den Kommutator rotierend (Rotor) und würde aus diesem Grunde einen eisenlosen Rotor aufweisen, anstatt eines eisenlosen Stators,

Wenn der koaxiale Gleichspannungamotor mit eisenlosen Stator mit Hilfe elektronischer Mittel gesteuert wird, würfle die Konstruktion entsprechend der Figur 1 oder der J'^tir ausgeführt werden und aus diesem Grunde würden *^:.ie Ma^/iete rotieren (Rotor) und die Wicklungen warden static^³'· sein

(Stator)o

Bei den folgenden Beispielen wurden geschlitzte optische Schalter verwendet, um einwandfrei die Position des Rotors zu ermitteln und die Transistoren zu steuern, um die Gleichspannung zu den dreiphasigen Statorvvicklungen zuzuschalten, siehe Figuren 3, 4, 5 und 6. Der Rotor v/eist eine Reihe von Portsätzen auf, eine pro Magnetpol und mit 120 Grad elektrischer Verschiebung, um eine aufeinanderfolgende Erregung in den Statorwicklungen zu erzeugen. Es werden drei Optokoppler mit logischen Gattern verwendet, um Steuersignale für die Transistoren zu erzeugen, wie dieses in den Figuren 5a, 5b und 5c dargestellt ist. Es wird darüber hinaus eine nichtüberlappende Logik verwendet, derart, daß lediglich eine Windung zu einem Zeitpunkt einen Stromfluß aufweist. Wenn es gewünscht wird, können zwei oder mehr Phasen Verwendung finden, aber im allgemeinen ergeben drei Phasen ein Optimum bezüglich des Wirkungsgrades mit einer Stromleitung von 120 Grad elektrischer Verschiebung pro Phaseο

Beispiel 1 - Figuren 1a und 1b

Bei diesem Beispiel ist ein koaxialer Motor oder Wechselstromgenerator dargestellt, welcher eine außen angeordnete Rotorkonstruktion aufweist, bei welcher Stabmagnete Verwendung finden. Ob die Einheit als Motor oder als Wechselstromgenerator Verwendung findet, hängt von dem erforderlichen Anwendungsgebiet ab und davon, ob ein Strom von diesem, von den Statorwicklungen abgenommen wird, oder ob ein Strom zu den Statorwicklungen zugeführt wird, um die Einheit als Motor zu betreiben.

Vorzugsweise weist der kotor/Wechselstromgenerator 10 eine zylindrische Hülse 11 auf, welche zweckmäßig in der Form

einea Bechers ausgeführt ist, welcher eine Endoberfläche 12 besitzt, die an einer zentralen Welle 13 befestigt ist. Diese Welle ist vorzugsweise in Lagern 14} 15 im Innern eines Stators 16 angeordnet. Zweckmäßigerweise weist die Welle ein abgeschrägtes Ende 17 für die Verbindung mit einer anderen Maschine auf₀

Vorzugsweise ist die innere Oberfläche 20 der Hülse 11 mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Stabmagneten 27 versehen, welche mit ihren Achsen parallel zu der Achse des Rotors ausgerichtet sind. Es ist offensichtlich, daß die Anzahl der in dichtem Abstand angeordneten Magneten eine gerade Zahl ist, derart, daß die Polarität der permanentmagnetischen Pole abwechselt, wenn man um den inneren Umfang herumwandert, welcher durch diese Magnete dargestellt wird_e (Dieses unterscheidet sich von den traditionellen Motorkonstruktionen, bei welchen die magnetischen Pole mit weiten Abständen voneinander angeordnet sind und bei denen viel längere Wege für den Magnetfluß durch das Eisen des Stators/ Kerns vorhanden sind).

Die Magnete sind vorzugsweise Stabmagnete aus seltenen Erden oder Keramik und zwanzig derartiger Magnete sind der Figur 1A zum Zwecke der Illustration dargestellte Es Kann jede gerade Anzahl derartiger Magnete Verwendung finden, abhängig von den Konstruktionskriterien, wie zum Beispiel der Größe, dem Gewicht, dem Preis, der Verfügbarkeit und der Frequenz. Für Maschinen für mittlere Geschwindigkeiten werden vorzugsweise 12 bis 30 Pole verwendet, wobei 20 permanentmagnet isehe Pole eine optimale Betriebsweise für einen Motor ergeben, wie er in den Figuren 1a und 1b dargestellt ist_e

Bei Magneten, welche mit engen Abständen um den Umfang dea Motors herum angeordnet sind, kann das optimale Verhältnis der Länge 1 des magnetischen Pols zur Dicke t des Magneten derart gewählt werden, wie dieses in der Figur 8 dargestellt ist. Die freien Flußlinien in der Luft sind halbkreisförmig dargestellt, während der metallische Rotor R einen metallischen Weg für den Rückfluß ergibt₀

Die maximale Länge der Magnetflußlinien f nähert sich halbkreisförmigen Wegen an, wenn eine höhere Anzahl von Polen vorhanden ist und aus diesem Grunde nähert sich der Rotor entsprechend der Figur 8 einem unendlich großen Radxus, Die maximale Länge der Magnetflußlinien f kann wie folgt ausgedrückt werden:

2 t = pi / 2x1 daraus t = 0,785 I₀

Dieses Verhältnis gilt für Stront-iumfarrit-Magnete, Magnete aus seltenen Erden, wie zum Beispiel Samarium-.Iobalt und Neodym-Eisen, und ebenso für Elektromagnete mit Supraleitern mit einer oder mehreren Verbindungen und Luftkernen_o

Vorzugsweise werden die Stabmagnete entweder durch Magnete aus seltenen Erden oder als lieramikmagnete gebildet und haben eine hohe Feldstärke, was sie in die Lage versetzt einen höheren Magnetfluß über einen viel breiteren Luftspalt zu erzeugen, als dieses mit herkömmlichen Magneten möglich ist, aber zur gleichen Zeit wird es bevorzugt, daß die benachbarten parmanentmagnetischen Pole in engen Abständen voneinander angeordnet sind, um einen kurzen Weg für den Magnetfluß zwischen beaachbarten Magnetpolen zu erreichen.

Vorzugaweise werden die Rotorhülae und die Endoberfläche aua Stahl hergeatellt, obwohl andere Materialien Verwendung finden

Der Stator 16 iat vorzugsweise mit einer Befeotigungaplatte verbunden, welche außerdem geschlitzte optische Schalter 23 tragen kann (ea iat nur einer von ihnen dargeatellt), mit dem Ziel die Position der Magneten anzuzeigen. Die geschlitzten optischen Schalter 23 zeigen zweckmäßigerweiae die Poaition der Fortaätze 26 auf der Endoberfläche der Hulas an. welche Fortsätze mit magnetiachen Polen einer bestimmten Polarität zusammengehören können.

Ea wird bevorzugt, daß der Rotor und der Stator durch einen verhältniamäßig breiten zylindrischen Luftspalt 28, in der Größenordnung von 0,25 mm bis 1,5 mm, voneinander getrennt sind, und vorzugsweise von 0,75 mm, für den Motor/Wechaelstromgenerator dieses Beispiels mit zwanzig Polen. Dieaea ermöglicht es den gewickelten Polen den Magnetfluß so zuschneiden, wie ea in der Figur 3a dargestellt ist. Der Luftspalt ist vorzugsweise geringer als die Tiefe 'der Magneten und sollte eine derartige Breite aufweisen, daß er die normalen technischen Spielräume und Toleranzen ermöglicht.

Der Stator weiat einen ringförmigen im allgemeinen zylindrischen Träger 24 aua einem Material mit geringer magnetischer Permeabilität mit einer Vielzahl gewickelter Pole 25 auf seiner äußeren zylindrischen Oberfläche auf. Ein bevorzugt verwendetes Material ist glaefaaerveratärktes Plastmaterial, weil dieses in eine geeignete feste zylindrische Oberfläche geformt werden kann, welche bei einem Proto-

typ der Maschine ohne Ventilator bei der Verwendung nicht zerstört wurde. Dia Anzahl der gewiegelten Pole ist auf die Anzahl der permanentmagnetiachen Pole auf der Innenseite des Rotors bezogen. Die gewickelten Polse sind verhältnismäßig flach ausgebildet, insofern, als die auf oder dicht an der Oberfläche des Substrats ausgebildet sind (im Gegensatz zu den konventionellen gewickelten Polen, welche in Schlitze gewickelt werden, die in den Stahllamellen ausgebildet sind). Die Tiefe der gewickelten Pole auf oder dicht an der Oberfläche des Stators hängt von der Größe des Stators ab und von der erforderlichen Klasse des Motors« Bei dem gezeigten Beispiel würde die Tiefe in der Größenordnung von 1 mm bis 10 mm liegen und vorzugsweise um 3 mm.

Es wird im allgemeinen zweckmäßig sein, die gewickelten Pole als Wellenwicklungen auf der Oberfläche des Stators auszuführen, welche den permanentmagnetischen Polen gegenüberliegt ο Die Figur 4 zeigt zum Beispiel Wellenwicklungen W1, W2 und W3 von denen jede eine Vielzahl von gewickelten Polen 201 bis 211, 201A bis 211A und 201B bis 211B auf der Oberfläche eines Substrats für eine Dreiphasen-Stator-Wicklung ergibt, wie sie bei dem Motor/ Wechselstromgenerator der Figuren 1a/1b Verwendung findete Wie im nachfolgenden erläutert wird wird eine Dreiphasenwicklung für die meisten Anwendungsgebiete bevorzugt, aber andere Phaaenzahlen finden auch ihre Verwendung für bestimmte Anwendungsgebiete_e Sie können der Luft ausgesetzt sein oder in einem Kunstharz eingekapselt sein, welches eine geringe magnetische Permeabilität aufweist.

Die gewickelten Pole können in einer Vielfalt von Formen hergestellt v/erden und sie können für eine oder mehrere Phasen vorgesehen werden. Da das Substrat eine geringe magnetifiche Permeabilität aufweist, ist folglich kein Bisen vorhanden (zumindest im äußeren Teil des Substrats), um einen Weg für den Magnetfluß im Stator zu bilden. Die gewickelten Pole auf der Oberfläche des Stators sind derart

angeordnet, daß sie die Magnetflußlinien, welche die benachbarten Keramikmagnete verbinden, achneiden, da die Magnetflußlinien im wesentlichen eine Reihe von Schleifen von einem Magneten zum anderen bilden, wenn man um den inneren Umfang des Rotors wanderte Dieses ist in der !Figur 3a dargestellt, welche die relative Position von zwei gewickelcen Polen, zum Beispiel 201 und 202 der Wellenwicklung auf der Oberfläche des Stators veranschaulicht und die verhältbiamäßig kurzen Wege des Magnetflusses zwischen benachbarten permanentmagnetischen Polen auf dem Rotor, welcher einen äußeren Ring auf dem Stator durchdringt, der die gewickelten Pole enthält.

Es wird bevorzugt, daß die durchschnittliche Länge H^s Weges des Magnetflusses, die in der Figur 3a als eine Reihe von Halbkreisen dargestellt ist, zum Beispiel vom Punkt "X" zum Punkt "Y", sich in der Größenordnung von 16 mm bewegt, wenn der Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor 0,75 mm beträgt und die Tiefe der gewickelten Pole ungefähr 3 mm beträgt. Die durchschnittliche Länge des Weges des Magnetflusses zwischen benachbarten permanentmagnetischen Polen wird kürzer sein, als die durchschnittliche Länge des Weges des Magnetflusses bei einem herkömmlichen Synchronmotor, bei welchem die Länge i.:i erster Linie durch die Größe und die Geometrie der Stahllamellen bestimmt ist, welche die gewickelten Po!f.e umgeben»

Die Figur 3b zeigt die Statcrspannung für verschiedene Rotorpositionen für nur eine Phase der dreiphasigen Stator" wicklungen des Motora/Wechselstromgenerators entsprechend der Figuren 1a und Ib₀

Stiiokliste der elektronischen Komponenten-Figuren 5a« 5b und

Der Schalt plan der Figuren 5a, 5b und 5c ist aus Gründen der Bequemlichkeit auf drei verschiedenen Blättern dargestellt. Die Buchataben, welche in Kreisen dargestellt sind, zum Beispiel a bis k zeigen, wie die Komponenten der Figur 5-mit den Komponenten sowohl der Figur 5b als auch der Figur 5c verbunden sind. Fur den besseren Überblick aollte die Zeichnung mit der Figur 5a links von der Zeichnung mit der Figur 5b ausgelegt werden und die Zeichnung mit der Figur 5c sollte in einer Position unterhalb derjenigen der Figuren 5a und 5b ausgelegt werden. Diese drei Zeichnungen 5a bis 5c weiden die folgenden Komponenten auf·

1o Halbleiter

D	1	bis	D	12	Diode	IW4148	75V	0,2A
D 1	3	bi3	D	16	Diode	BYV 42-50	50 V	30 A
D 1	7	bis	D	19	Diode	IN4148	75 V	0,2A
ZD1					Zenerdiode		5,6V	1W
ZD2					Zenerdiode		15 V	1W

LED1 bis LED3 lichtemittierende Diode 3 mm, grün, hoher Wirkungsgrad

Tr1 bis Tr4 Transistor BG 640 100 V 1A

Tr5 und Tr6 Transistor BC 639 100 V 1A

Tr7 und Tr26 Transistor BUZ 11 50 V 30A

Tr 27 bis Tr 28 Transistor BG 639 100 V 1A

0PT01 bis 0PT03 geschlitzter optischer Schalter 0P865 T 51

0PT04 Optoisolator AN25

IG1 Inverter CD4O69

IC 2	Vierfach-UND	CD4081
IG 3	Vierfach-Excluaiv-ODER	GD4O7O
104	Vierfach-Operationsverstärker	LM324
105	Treiber	NE555
106	PulBbreitenmodulation	TL494
107	Timer	TLC555
Kondensatoren
G1 und G?	0,1 Mikrofarad 50 V
C3	0,01 Mikrofarad 50 V
C4	10 Mikrofarad 16V
C5 bia G8	0,01 Mikrofarad 50V
C9 bis 015	0,1 Mikrofarad 50V
016	6,8 Mikrofarad 50 V
C17 bis 019	0,1 Mikrofarad 50V
G20	10 Mikrofarad 16V
G21 bia C23	0,1 Mikrofarad 50V
V/ider stände
R1	220 0hm
R2 bis R4	1 Kiloohm
R5 bis R7	10 Kiloohm
R8	390 0hm
R9	220 0hm
R',0 bis R15	10 Kiloohm
R16	560 0hm
R17	220 Kiloohm
R18	330 Kiloohm
R19	10 Kiloohm
R2O bis R22	1 Kiloohm
R23 bia R38	10 Kiloohm
R39	120 Kiloohm

R4O und R41	10 Kiloohm
R42 und R43	330 Ohm
R44	100 Kiloohm
R45	100 Kiloohm
R46 bis H5O	56 0hm
R51 bis R53	10 Kiloohm
R54	33 Kiloohm
R55	1 Kiloohm
R56 und R57	10 Kiloohm
R58	1,2 Kiloohm
R59	10 Kiloohm
R6O	300 Mikroohm
R61	100 Kiloohm
R62	560 0hm
R63	10 Kiloohm
R64	2,2 Megohm
R65	390 0hm
4o Transformator
T U15-Kern	Wicklung 1-2 60 Windungen
	Wicklung 3-4 40 Windungen
	Wicklung 5-6 10 Windungen
5. Induktor
L U25-Kern	4-Windungen 3 mm Luftspalt
6, Schalter
SW1 "ein"	Schalter SPST
SW2 "Leistung"	Schalter, augenblicklich ein

Betrieb: 12V Gleichapannung} Elektroniacher Schaltkreia - Figuren 5a, 5b und.

Ea soll nun der Betrieb einea Dreiphasen-Mo tora beochrieben werden, wie er in den Figuren 1a/1b dargestellt iat, wobei Bezug auf die Figuren 5aj 5bj 5c und 6 genommen wird_e Das Blockdiagramm der Figur 6 zeigt die Verwandachaft der folgenden Untersyateme im Verhältnis zum Motor:

100 - Di? Anzeigemittel für die Rotorposition (geschaffen durch die geschlitzten optischen Schalter)

110 - Mittel zur Pulsbreiten-modulation zum Starten und zum Steuern der Geschwindigkeit

120 - Leiatungatransistoren und Mittel zur Wideratandabremaung

130 - allgemeine Steuermittel für

- ein/aus Anlaßsteuerung

- Unterapannungaabaehaltung

- Übertemparaturabschaltung

- Anzeige der Motorrotation.

Die Stellung des Rotors wird durch die geschlitzten optischen Schalter OPTO1 bis 0PT03 angezeigt und diese Information wird durch eine logische Schaltung in drei 120-Grad nichtuberlappende Signale zur Steuerung der Leiatungstransiatoren umgewandelt. Die Leistungstransistoren Tr 17 b?s 21, Tr 12 bis 16 und Tr 7 bis 11 sind mit jeder der drei Phasenwicklungen auf dem Stator des Koaxialmotors verbunden,,

Wenn die Leistungatransistoren Tr17 bis 21 durch die logische Schaltung durchgesteuert v/erden, fließt ein Strom durch die Wicclung V/1, welche den Rotor magnetisch anzieht, welcher frei bewegbar ist und dreht ihn um 120 elektrische Grad_e Nachdem der Motor sich um 120 elektrische Grad gedreht hat, werden die Transistoren Tr17 bis 21 gesperrt und die Tranaistoren Tr12 bis 16 werden durchgesteuert₀ Nachdem der Rotor sich um weitere 120 elektrische Grad gedreht hat, werden die Transistoren Tr 12 bis 16 gesperrt und die Transistoren Tr 7 bis 11 werden durchgesteuert. Nachdem sich der Rotor wiederum um v/eitere 120 elektrische Grad gedreht hat, werden die Transistoren 7 bis 11 gesperrt und die Transistoren 17 bis 21 v/erden wiederum durchgesteuert, wodurch der Zyklus vollkommen durchgeführt ist«

Beim Anlaufen wird der Strom lediglich durch den Widerstand des Schaltkreises begrenzt, weil zu diesem Zeitpunkt keine Gegen-EMK-Spannung erzeugt wird, da der Rotor stillsteht» Der Anlaßstrom kann durch die Anwendung einer Pulsbreiten-Modulationstechnik (PWM) auf einen akzeptierbaren Wert verringert werden, 106 ist eine Vorrichtung zur Pulsbreitenmodulation, welche die Drehzahl und den maximalen Eingangsstrom für den Motor durch eine Veränderung der Pulsbreite steuern kann, was mit Hilfe einer Reihenschaltung Drosselspule und DC-DG Konverter geschieht, welche durch die Induktion L und die Transistoren Tr22 bis Tr26 gebildet wirdo

Die Begrenzung des Eingangsstromes für den Motor wird durch Erfassen des Spannungsabfalls über den Widerstand R60 erreicht, welcher durch IC6 über IC4/b und 0PT04 erfaßt wird

und die Pulabreite begrenzt, um die Strombegrenzung durchzuführen.

Die Begrenzung der Drehzahl des Motors wird erreicht, indem die Wechselspannung, welche in der Wicklung W3 erzeugt wird, gleichgerichtet wird und dieae Spannung durch 106 über IG4 und 0FÜ04 erfaßt wird, um eine Pulabreite für eine geeignete Betriebadrehzahl zu erzeugen.

Die fiotorpoaition wird durch die geachlitzten optiachen Schalter OPTO1 bis OPTO3 erfaßt, welche die Fortsätze 26 auf dem Rotor, alle 120 elektrische Grad anzeigen, IC1 und

102 ateuern die nichtüberlappende Logik derart, daß nur eine Wicklung zu jedem Zeitpunkt einen Strom führt. Außerdem bewirkt eine Zeitverzögerung beim Einschalten der Wideratände R11, R12 und R13 und der Kondensatoren 06, 07 und 08 zusätzlich eine "Tot"-Zeit, welche es dem Strom, welcher in der vorhergehenden Wicklung fließt gestattet, sich auf Null zu reduzieren, bevor die nächste Wicklung von einem Strom durchflossen wird,

103 schafft die logische Lotwendigkeit für die elektronische Bremsung, Während der Motor eingeschaltet ist, sind die Leiatungatranaiatoren Tr7 bia Tr21 nacheinander, durch die Steuerung der geachlitzten optischen Schalter OPTO1 bis 0PT03 durchgesteuert oder gesperrt«, Der Motor kann durch drei verschiedene Mittel ausgeschaltet werden»

1, Der Schalter SW1 wird durch das Bedienungspersonal ausgeschaltet,

2, Zu niedrige Batteriespannung veruraacht, daß I04/d "ausklinkt" und den Motor ausschaltet.

3. Zu hohe Temperatur in den Motorwicklungen oder den Haupt-Leistungstransistoren verursacht, daß IC4/c "ausklinkt" und den Motor ausschaltete

Wenn der Motor ausgeschaltet wird, steuert IC3 alle Leistungstransistoren für alle drei Motorwicklungen durch,. Dadurch wird ein Kurzschluß zwischen allen drei Wicklungen erzeugt, welcher die Rotation des Motors in 1 bis 2 Sekunden anhält, wodurch ein brauchbarer Bremsbetrieb für den Motor geschaffen wird.

Als zusätzliche Sicherheit schaffen die Vorrichtung IC7 und der Schalter SW2 eine drei Sekunden lange Möglichkeitsperiode, während welcher der Schalter SW1 betätigt werden muß, um den Motor anlassen zu können.

Steuerung der Rotorposition

Der Dreiphasenmotor entsprechend der Figur 1a/1b verwendet geschlitzte optische Schalter, um eine Information über die Rotorposition zu erhalten und damit den Schaltpunkt zu bestimmen, an welchem ein Strom zu den Motorwicklungen zugeführt werden muß. Außer der Technik, einen elektrischen Winkel für die Verbindungen von 120 Grad zu verwenden, welcher für diesen Entwurf Anwendung gefunden hat, gibt es noch andere Alternativlösungen für eine einwandfreie Erfassung der Rotorposition. Eine solche wird durch die Periode von 240 elektrischen Grad erreicht, bei welcher die Spannung über den Motorwicklungen die reine Gegen-EMK-Spannung ist, welche durch die Bewegung bei der Rotation des Rotors erzeugt wirdo

Durch Diffenzierung der Wellenform der Wicklung W2 während der nichtleitenden Winkelperiode bei 240 elektrischen Grad ist es möglich, ein einwandfreies Signal zu erzeugen, um den Punkt anzuzeigen, an welchem der Strom beginnen sollte in die Windungen des, sagen wir, gewickelten Poles 201 der V/icklung W1 zu fließen und wann der Stromfluß im gewickelten Pol 201B der Wicklung V/3 aufhören soll zu fließen«, Es kann auch der gewickelte Pol 201B der Wicklung 3 den Punkt anzeigen, an welchem der Strom beginnen sollte in die Windungen des gewickelten Poles 201A der Wicklung W2 zu fließen und wenn der Stromfluß im gewickelten Pol 201 der V/icklung 1 aufhören soll zu fließen. Dieses gilt für alle gewickelten Pole der Wicklungen, so daß im allgemeinen die Wicklung W1 den Punkt anzeigen kann, an welchem der Strom anfangen sollte lh der Wicklung W3 zu fließen und in der Wicklung W2 aufhören sollte zu fließen. Dieses kann für eine einwandfreie Schrittmotor-Steuerung durch Beschälten der verschiedenen Wicklungen Verwendung finden, um eine schrittweise Bewegung zu erhalten.

Eine andere Methode zur Bestimmung der Rotorposition aus der Gegen-EMK des Motors besteht darin, die Kreuzungspunkte der Wellenformen der drei Spannungen zu erfassen und diese Information dazu zu verwenden zu bestimmen, wann die entsprechende V/icklung zugeschaltet werdenmuß·

An Stelle von geschlitzten optischen Schaltern können unter günstigen Umgebungsbedingungen auch magnetische Sensoren, wie zum Beispiel Hall-Effekt-Vorrichtungen Verwendung finden, wenn Probleme bezüglich einer vollkommenen Kapselung des Motors vorhanden sind.

Mit der elektrischen Ausrüstung können auch folgende Möglichkeiten geschaffen werden:

(1) Unterapannungs-Abschaltung, wenn Batteriebetrieb vorhanden iat, um dann eine achädliche Überentladung der Batterie zu vermeiden. Die elektronischen Schalter achalten den Motoratrom ab, wenn die Batterieapannung unter 10,5V abfällt.

(2) Thermische Abschaltung, wenn die Wicklungen oder Leiatungatranaiatoren überhitzt werden«, Die elektroniachen Schalter schalten dann den Motoratrom ab,

(3) Strombegrenzung, zur Begrenzung des Drehmomente und dea AnIaufströmea.

BeJ8piel 2 - Figuren 2a und 2b

Dieae Anordnung iat gleichartig zu der dea Beiapiels 1 mit der Ausnahme, daß ein einziger zylindrischer Ringmagnet 30 Verwendung findet, der auf der Innenseite des becherförmigen Rotors 31 angeordnet ist. Ea sind gleichartige Portsätze 32 um die Kante des Rotora herum vorgesehen, um die Positionen der permanentmagnetiachen Pole dea Ringmagneten zu beatimmen, waa mit Hilfe einea geachlitzten optischen Schaltera geschieht, wie dieaea in der Figur 1b dargestellt ist. Der Stator (nicht dargestellt) kann der gleiche sein, wie derjenige entaprechend der Figur 1b.

Beiapiel 3 - Figuren 7a und 7b

Dieae Anordnung weiat einen einzigen zylindrischen Ringmagneten 41 auf einem innenliegenden Rotor 40 auf, das heißt, die permanentmagnet ischen Pole befinden sich auf der äußeren Oberfläche dea Rotors 40 und sind von den gewickelten Polen

42 auf der inneren zylindriachen Oberfläche dea Statora

43 umgeben. Die gewickelten Pole 42 wurden auf einem Subatrat 44 mit geringer Magnetisierung angeordnet, welches einen Teil dea Stators bildet. Der Rotor ist auf einer Welle _N

2 6 2

4ü angeordnet, welche in Lagern 461 47 montiert ist, welche sich in Lagerschilden 48j 49 befinden. Das Lagerschild 48 weist einen inneren gepchlitzten optischen Schalter 50 auf, welcher die Position der Fortsätze 51 auf den Kanten des Rotors anzeigt.

Vorteile der bevorzugten Maschinen entsprechend der vorliegenden Erfindung

1. Da im Stator keine Stahllamellen Verwendung finden, treten keine "Wirbelströme" und Hysterese-Reibungsverluste auf, Daä erlaubt zum Teil eine höhere Leistungsfähigkeit oder eine geringere Energiezuführung zu der Maschine,

2. Da im Stator keine Stahllamellen Verwendung finden, tritt kein herausragendes ^ltAusbrech"-Drehmoment auf, welches normalerweise mit permanentmagnetiachen Ma'-chinen verbunden ist. Dieses ist in Bereichen von Bedeutung in denen das Drehmoment bei geringen Geschwindigkeiten niedrig ist und möglicherweise nicht ausreicht, um die Maschine anlaufen zu lassen,

3. Die sehr geringe Eigeninduktanz der Sfcatorwicklungen, bedingt durch den sehr breiten .Luftspalt zwischen den abwechselnden Magnetpolen, gestattet eine gute Ausgangsregulierung der Spannung, wenn die Drehzahl konstant ist, Dieaea ermöglicht außerdem eine sehr einfache Steuerung durch Transistoren bei der Anwendung des Motors.

4„ Sehr hohes Leistunga/Gewichtsverhä'ltnia im Vergleich zu äquivalenten Induktionsmotoren und "Universal"-Bürstenmotoren, wodurch sich eine definitive Gewichtseinsparung ergibt (da kein Eisen im Stator vorhanden ist).

Die elektronische Steuerung gestattet eine Verringerung dea AnlaßBfciomea auf jeden gewünschten Pegel. Vorhandene Elektromotor») nehmen im allgemeinen den fünf- bis zehnfachen Strom ihrea normalen Betriebsatromea auf, wenn aie angelassen werden₀

Veraoliiedene Phaaen

In den in, vorangegangenen aufgeführten Beispielen iat ein dreiphaaiger Motor, iVechaelatromgenerator beachrieben, aber ea können auch andere Phaaenwicklungen Verwendung finden und inabeaondere aoxlen nachfolgend 1,2 uid 4-Phaaen-Konfigurationen beachrieben werden,

Elnphasen-Koaxial-Motoren/Wechaelatromgeneratoren

1, Einphaaen-Koaxial-Wechaelatromgeneratoren bilden die einfachate Konfiguration dea Statora für derartige Maschinen und aie können dort Verwendung finden, v/o die Einfachheit ihrer Konatruktion gegenüber der absoluten Auagangaleistung überwiegt, Daa dreiphaaige Äquivalent erzeugt die doppelte Ausgangaleiatung bei den gleichen Wideratandaverluaten und benötigt 50 % zusU+%-lichea Kupfer in den Statorwicklungen»

2. Einphasen-Koaxialmotoren bilden die einfachate iLonfiguration dea Statora für derartige Maschinen, aber sie machen einige Hilfamittel für daa Anlassen erforderlich (gleichermaßen, wie Einphaaen-lnduktionamotoren) und erfordern aua diesem Grunde eine zusätzliche Wicklung oder mechaniache Hilfsmittel, um das Anlaufen sicherzustellen,. In Bereichen, wo ein geringes Anlaßdrehmoment erforderlich ist, daa heißt, bei direkt gekuppelten Ventilatoren, lieg'-ein Anwendungagebiet für Einphasenmotoran«

Zweiphaaen-Koavial-Motoren/Wechselstromgeneratoren

1, Zweiphaaen-Koaxial-V/echselatromgeneratoren, Dieae Maschinen erreichen einen 40%igen Anstieg der Auagangslsiatung bei den gleichen Wideratandsverlusten, wie sie eine einphasige Maschine aufweist,

2, Zweiphaaen-Koaxialmotoreno Aufgrund den zweiphasigtn Betriebes treten keinerlei Anlaufschwieriglceiten auf, aber wenn, die Maschine von einer Gleichstromversorgung elektronisch gesteuert werden soll, dann kann der Wirkungsgrad gering sein, da eiae 180 Grad-Stromeinspeisung Verwendung findete Der Zweiphasenraotor könnte elektronisch gesteuert werden, um die 180 Grad-Stromeinspeisung nur für das Anlassen zu verwenden und sie dann fur den normalen Lauf betrieb auf 120 Grad, oder weniger zu verringert

Dreiphaaen-Koaxial-Motoreti/Wechaelstromgeneratoren

1, Dreiphasen-Wechselstromgeneratoren, Dieae Maschinen erreichen einen Anstieg der Ausgangsleistung bei den gleichen Widerstandsverlusten, wie sie bei einer einphasigen oder zweiphasigen Maschine auftreten. Da die dreiphasige Maschine die gleiche Menge an Kupfer verwendet, wie eine zweiphasige Maschine und die Statorwicklungen bei beiden Maschinen die vollen verfügbaren 360° einnehmen, kann die dreiphasige Maschine bei den gleichen Widerstandsverlusten eine um weitere 7 % gesteigerte Ausgangsleistung gegenüber der zweiphasigen. Maschine erzeugen (das aind 47 % Anstieg gegenüber der einphasigen Maschine),

2 O 2 55b

2, Dreiphasen-Koaxialmotor. Aufgrund des dreiphasigen Betriebes treten keinerlei Anlaufschwierigkeiten auf und die Maschine kann von einer Gleichstromversorgung leicht elektronisch gesteuert werden, wie dieses unter Bezugnahme auf die Figur 6 beschrieben wurde. Aufgrund des 120°-Zwischenraumea beim dreiphasigen Betrieb ist über die 120° eine ausreichende gegen EMK-Spannung vorhanden, um eine wirkungsvolle Einspeisung von feiner Gleichspannungsversorgung zu ermöglichen und dieser Ent-vuri gestattet eine einwandfreie Steuerung der Rotorposίτion zum Beiapiel für einen Schrittmotor·

Koaxialmotoren/Wechselstromgeneratoren mit mehr al& drei Phasen

Koaxialmotoren, Ea ist eine geringfügig höhere Wirksamkeit aufgrund des möglichen kleineren Winkels für die Stromzuführung möglich» Der vierphasige Motor weiet wegen der Einfachheit der elektronisch gesteuerten reversierbaren Drehrichtung des Rotors mögliche Anwendungsgebiet auf, wobei lediglich noch zwei geschlitzte optische Schalter erforderlich sind, um die Rotorposition zu erfassen,

2. Koaxial-Wechselstromgeneratoren. Kein zusätzlicher Nutzen außer einem geringfügig höheren Wirkungsgrad und einer weniger welligen Spannung, wenn der Ausgang des Wechselfltromgeneratora gleichgerichtet wird, um eine Gleichspannungsversorguig zu schaffen.

Varianten

.Bei allen diesen Beispielen sind die gewickelten Pole auf dem einen oder dem anderen Teil, dem Rotor oder dem Stator angeordnet und die permanentmagnetischen Pole sind

auf dem verbleibenden der beiden Teile Stator oder Rator vorgesehen. Ea ist jedoch möglich andere Konfigurationen zu schaffen. Zum Beispiel kann der Rotor mit einem Ban/¹, permanentmagnetischer Pole versehen sein, wie mit einem band gewickelter Pole (welche sich entlang seiner Länge wiederholen) und der Stator ist mit der entgegengesetzten xConfiguration versehen, derart, daß ein Band gewickelter Pole auf dem Stator gegenüber einem Band aus permanentmagneti3chen Polen auf dem Rotor angeordnet ist und ein Band aua permanentmagnetischen Polen auf dem Stator gegen über dem Band aus gewickelten Polen auf dem Rotor.

Das NichtVorhandensein von Eisen im Subatra«, angrenzend an den Luftspalt und di3 Vielzahl der permanentmagnet lachen Pole gestalten einen Weg für den Magnetfluß von einem Pol zum benachbarten Pol, welcher verhältnismäßig kurz ist, so daß ein zusammengesetzter Motor oder zusammengesetzter Generator/Wechselstromgenerator mit einem zylindrischen Stator innerhalb eines ringförmigen zylindrischen Rotors angßordnet ist, welcher seiner seits sich innerhalb eines ringförmigen zylindrischen Stators befindet (usw_o).

Letztlich soll -zwi Ausdruck gebracht werden, daß verschiedene andere Ausführungsvarianten oder Modifikationen zu dem vorangegangenen möglich sind, ohne vom Gebiet und vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie diese in oen folgenden Ansprüchen beschrieben ist, abzuweichen,.

Claims

-1- 71 126/17

Patentansprüche

1» Permanentmagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine enthaltend: wenigstens einen im allgemeinen zylindrischen Stator und wenigstens einen zylindrischen Rotor, welcher um eine Achse drehbar angeordnet ist und eine zylindrische Oberfläche aufweist, welche dem genannten im allgemeinen zylindrischen Stator gegenüber angeordnet ist und von diesem durch einen zylindrischen Luftspalt getrennt ist} eine Vielzahl permanentmagnetische Pole auf der genannten Oberfläche des Rotors und benachbart zu dem genannten zylindrischen Luftspalt angeordnet, wobei der genannte Stator eine Vielzahl von gewickelten Polen auf v/eist, welche auf oder in einem Substrc.t angeordnet sind, und die genannten gewickelten Pole benachbart zu dem genannten zylindrischen Luftspalt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die permanentmagnet ischen Pole (27) in kurzen Abständen um den Umfang der Oberfläche (20) des Rotors angeordnet sind, derart, daß verhältnismäßig kurze Wege für den Magnetfluß zwischen den auf dem Umfang benachbarten permanentmagnet ischen Polen (27) vorhanden sind; daß sich die verhältnismäßig kurzen Wege für den Magnetfluß auf einen Bereich erstrecken, welcher durch den genannten Stator (16) geschnitten wird, daß der genannte Bereich und das Substrat (24) des Stators (16) beide eine niedrige relative magnetische Permeabilität aufv/eisen und im wesentlichen nicht leitfähig sind«

2, Maschine, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ^ zwischen 4 und 30 in kurzem Abstand voneinander angeordnete permanentmagnetische Pole (27) im wesentlichen gleichmäßig um den Umfang des Rotors (11) angeordnet sind.

3· Maschine, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ungefähr 20 permanentmagnetische Pole (27) gleichmäßig um den Umfang des Rotors (11) angeordnet sind,

4. Maschine, nach jedem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (24) eine relative magnetische Permeabilität aufweist, welche kleiner als 20 ist (im Verhältnis zu Luft)»

Maschine, nach jedem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die permanentmagnetischen Pole (27) durch eine Vielzahl von Stabmagneten (27) mit hoher Feldstärke gebildet werden, welche benachbart zueinander mit ihnen magnetischen Achsen parallel zu der Achse (13) des genannten Rotors (11) angeordnet sind·

6« Maschine, nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die permanent magnet.⁴, sehen Pole (27) durch einen einzigen keramischen Ringmagneten (30) geschaffen werden, welcher auf eine derartige Weise magnetisiert ist, daß der Ring (30) Bereiche mit wechselnder magnetischer Polarität aufweist.

7· Maschine, nach jedem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Rotor (11) ein äußerer Potor (11} 31) ist, mit den permanentmagnetischen Polen (27) auf der inneren zylindrischen Oberfläche des Rotorsο

2 8 2 5
8. Maschine, nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein äußerer Rotor (11) becherförmig (12) ausgeführt ist und aus einem Material ausgebildet ist, welches ©ine höhere Zugspannung aufweist, als die Zugspannung des Materials, welches die permanentmagnetischen Pole enthalten,

9· Maschine, nach jedem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Rotor (11) ein innenliegender Rotor (40) ist.

10· Maschine, nach jedem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine Mittel zum Erfassen der Position des Rotors (100) aufweist, und Schaltmittel (Tr 17 bis 21, Tr 12 bis 16, Tr 7 bis 11) zur Verbindung einer elektrischen Leistungsquelle, sequentiell zu der oder jeder Phase einer Wickelung (W1, W2, W3), welche die gewickölten Pole (25) des Stators bilden·
11. Maschine, nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sclialtmittel eine elektronische Leistungsschaltvorrichtung (Tr 17 bis 21 j Tr 12 bis 16} Tr 7 bis 11) für jede Phase der Wicklung (W1, W2, W3) aufweisen, wobei die oder jede Vorrichtung in der Lage ist durch ein entsprechendes Steuersignal in Abhängigkeit von den Mitteln zur Erfassung (100) der Rotorposition, "eingeschaltet" «. werden»

2 8 2 5 5

12» Maschine, nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine eine dreiphasige Maschine ist, welche drei Sätze Wicklungen (W1, W2, W3) aufweist, welche um 120 elektrische Grad verschoben sind und die Mittel zur Erfassung der Rotorposition Mittel für die Erfassung von drei Positionen besitzen, wobei jede Position von der nächsten Position um 120 elektrische Grad getrennt ist,

13· Maschine, nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Pulsbreitenmodulation (110) aufweist, um die Geschwindigkeit der Maschine au steuern.

14· Maschine, nach jedem der vorangegangenen Ansprüche, und weiterhin eine Bremse für die Maschine enthaltend, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse Mittel zur elektrischen Abbremsung (120) der Maschine aufweist«

1?β Maschine, nach jedem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine Mittel zum "Abschalten" der Maschine in Abhängigkeit der Anzeige eines zu niedrigen Pegels einer zugeführten Spannung aufweist«

16o Maschine, nach jedem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine Mittel zum "Abschalten" (130) der Maschine in Abhängigkeit von einer überhitzung aufweist·

2 F 2 5 5 -5-

17· Maschine, nach jedem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gelcennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der Rotorposition geschlitzte optische Schalter (0PT01 bis 0PT03) einschiießen₀

Hierzu ^Seiten Zeichnungen