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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen
Drehstrom-Synchronmotor, mit einem Stator enthaltend mindestens
eine Statorwicklung zur Erzeugung eines Statorfeldes, mit einem
in Wechselwirkung mit dem Statorfeld stehenden Rotor und mit einer
Antriebswelle, die mit dem Rotor drehfest verbunden ist, dass der
Rotor einen drehfest über einen Rotorkörper mit
der Antriebswelle verbundenen permanentmagnetischen Magnetring umfasst,
der in Umfangsrichtung mindestens vier abwechselnd in entgegengesetzter
Richtung orientierte Magnetpolbereiche aufweist und dass der permanentmagnetische
Magnetring einen magnetfreien zentralen Innenraum umgibt.
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Aus
der
DE 10 2005
059 162 A1 ist ein üblicher Elektromotor als Antrieb
bekannt, der neben einem Stator zur Erzeu gung eines Statorfeldes
einen über einen Luftspalt getrennten Rotor aufweist, der sich
in radialer Richtung innerhalb des Stators erstreckt. Der Rotor
ist drehfest mit einer Antriebswelle verbunden, so dass das von
dem Elektromotor erzeugte Drehmoment an der Antriebswelle abgenommen
werden kann. Der Rotor weist üblicherweise Rotorpakete
auf, wobei bei permanent erregten Synchronmotoren Magnete auf der
Oberfläche des Rotorpaketes oder in das Rotorpaket eingebettet
angeordnet sein können. Nachteilig an bekannten permanent
erregten Elektromotoren ist, dass bei Ausführung der Antriebswelle
als massive Welle dieselbe bzw. bei Ausbildung der Antriebswelle
als Hohlwelle der Innenraum derselben fast vollständig
von dem sich ausbildenden magnetischen Fluss erfasst wird. Hierdurch
können beispielsweise bei im Innenraum der Hohlwelle angeordnete
Bauteile, deren Drehzahl sich signifikant von der Hohlwelle unterscheiden,
unerwünschte Ummagnetisierungsverluste entstehen.
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Aus
der
DE 10 2005
043 873 A1 ist eine elektrische Maschine mit einem Stator
und einem einen Magnetring aufweisenden Rotor bekannt, dessen äußere
Umfangsfläche in Umfangsrichtung wellenförmig
ausgebildet ist. Durch die Formgebung der äußeren
Umfangsfläche des Magnetrings erfolgt jedoch lediglich
eine Verringerung von hohen Wellenkomponenten des magnetischen Flusses
auf einer dem Stator zugewandten Außenseite. Eine Beeinflussung bzw.
Vermeidung von Magnetflusslinien auf einer Innenseite des Magnetrings
ist nicht vorgesehen.
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Aus
der
EP 1 489 721 A2 ist
eine elektrische Maschine mit einem Stator enthaltend einen permanentmagnetischen
Magnetring bekannt. Dieser Magnetring weist abwechselnd angeordnete
und in entgegengesetzter Richtung orientierte Magnetpolbereiche
auf mit jeweils einem eine maximale Magnetisierung aufweisenden
Spitzenabschnitt sowie anschließenden Seitenabschnitten,
in denen die Magnetisierung stetig ansteigt oder abnimmt. Der Ring
ist auf einer Außenseite eines hülsenförmigen
Rotorkörpers befestigt, der drehfest mit einer Antriebswelle
verbunden ist. Ein Innenraum der Antriebswelle ist im Wesentlichen
magnetfrei gehalten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine
derart weiterzubilden, dass ein von dem Rotor umgebener zentraler
Innenraum der Maschine weitgehend magnetfeldfrei ausgebildet ist.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass
der permanentmagnetische Magnetring in Umfangsrichtung sinusförmig
magnetisiert ist.
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Vorteilhaft
ermöglicht die Erfindung mit mindestens vier Magnetpolbereichen,
die jeweils ein Maximum der Magnetisierung und einen stetigen Anstiegs-
und Abstiegsverlauf der Magnetisierung aufweisen, eine magnetische
Feldfreiheit in einem sich an den Magnetring in radialer Richtung
nach innen anschließenden Innenraum. Hierdurch kann dieser Innenraum
für die Anordnung von metallischen Bauteilen genutzt werden,
die vorteilhaft nicht mit Ummagnetisierungsverlusten des Magnetfeldes
beaufschlagt werden. Die in diesem Innenraum mit einer unterschiedlichen
Drehzahl zu dem Magnetring drehenden oder stillstehenden Bauteile
bleiben somit unbeeinträchtigt von dem Magnetfeld des Antriebs und
können ihre Funktion ausüben. Dadurch, dass der
Rotor kein Rotorpaket enthält, sondern lediglich einen
vergleichsweise mit einer geringen Ringbreite versehenen Magnetring
aufweist, kann der Rotor bzw. der Antrieb (Elektromotor) kompakt
und in radialer Richtung Platz sparend ausgebildet sein. Infolge der
reduzierten Masse des Rotors kann eine ansonsten anfallende Auswuchtung
des Rotors entfallen. Vorteilhaft können durch die mindestens
vierpolige Magnetisierung des Magnetrings Verluste im Rotor verringert
werden, was zu einer verringerten Verlustwärme sowie einem
höheren Wirkungsgrad des Antriebs führt.
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Erfindungsgemäß ist
der permanentmagnetische Magnetring derart ausgebildet, dass er
eine sinusförmige oder sinusformähnliche Magnetisierung in
Umfangsrichtung desselben aufweist. Die den Magnetring durchsetzenden
Magnetfeldlinien verlaufen nicht durchgehend in radialer Richtung,
sondern flachen von einem Spitzenabschnitt der in Umfangsrichtung
verteilt angeordneten Magnetpolbereiche zur Seite hin ab. Vorteilhaft
verlaufen die Magnetfeldlinien nur bis zu einem relativ dünnen
Ringbereich innerhalb des Magnetrings, so dass ein relativ großer zentraler
Innenraum magnetfeldfrei ausgebildet ist.
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Die
sinusförmige Magnetisierung des Magnetrings entspricht
einer idealisierten Magnetisierung, die in der Praxis nur schwer
zu verwirklichen ist. Die erfindungsgemäße Magnetisierungsform
in Umfangsrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie in den Magnetpolbereichen
keinen Wendepunkt bzw. keine Einsattelung aufweist. Der Verlauf
der Magnetisierung in den Magnetpolbereichen verläuft jeweils bogenförmig,
wobei die Magnetisierung lediglich einen einzigen betragsmäßigen
Maximalwert aufweist.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verläuft
eine radiale Richtungskomponente der Magnetisierung in Umfangsrichtung
des Magnetringes sinusförmig oder sinusformähnlich.
In einem Spitzenabschnitt der Magnetpolbereiche befinden sich die
Maxima und Minima der Magnetisierungsbeträge, während
in den Seitenabschnitten der Magnetpolbereiche die Magnetisierung
stetig ansteigt bzw. abfällt. Entsprechend einer Halbach-Konfiguration
von Permanentmagneten ergibt sich auf einer in radialer Richtung
inneren Seite des Magnetrings eine relativ geringe magnetische Flussdichte und
auf einem in radialer Richtung gesehen äußeren Seite
des Magnetringes eine relativ starke magnetische Flussdichte.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
permanentmagnetische Magnetring derart ausgebildet, dass eine radiale
Richtungskomponente der Magnetisierung in Umfangsrichtung einen
stufenförmigen Verlauf hat. In den benachbarten Magnetpolbereichen,
die sich in Umfangsrichtung erstrecken, entstehen Maxima und Minima
der betragsmäßigen Magnetisierung, wobei die Maxima
und Minima durch lineare Anstiegs- bzw. Abstiegsverläufe
der Magnetisierung verbunden sind. Vorteilhaft ergibt sich hierdurch
ebenfalls ein mehr oder weniger kontinuierlicher betragsmäßiger
Anstieg bzw. Abstieg der Magnetisierung in radialer Richtung.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist der permanentmagnetisierte
Magnetring auf einem mit einer Antriebswelle drehfest verbundenen
hülsenförmigen Rotorkörper befestigt,
so dass ein Innenraumbereich des Rotors zur Aufnahme eines weiteren
metallischen Bauteiles genutzt werden kann, ohne dass die magnetische
Flussdichte des Elektromotors einen störenden Einfluss
auf das Bauteil nehmen könnte. Das metallische Bauteil
befindet sich somit in einem magnetfeldfreien Raum.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
vergrößerter Vertikalschnitt eines hohlförmigen
Bauteils im Bereich eines Elektromotors,
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2a einen
Radialschnitt durch den erfindungsgemäßen Elektromotor
mit Darstellung der magnetischen Feldlinien,
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2b einen
Verlauf einer Radialkomponente der magnetischen Flussdichte Φ entlang
des Umfanges im Bereich des Rotors gemäß in 2a dargestellten
Ausführungsform eines permanentmagnetischen Magnetrings,
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2c einen
Verlauf der radialen Richtungskomponente der magnetischen Flussdichte Φ über den
Umfang des Rotors nach einer alternativen Ausführungsform
eines des permanentmagnetischen Magnetrings,
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3a einen
Radialschnitt durch den Elektromotor mit einem nach einer vorbekannten
Magnetisierung ausgebildeten Magnetring und
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3b einen
Verlauf der Radialkomponente einer magnetischen Flussdichte im Bereich
des Magnetringes gemäß 3a.
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Ein
erfindungsgemäßer Antrieb (Elektromotor) ist vorzugsweise
als Drehstrom-Synchronmotor ausgebildet. Er findet als Antrieb Verwendung
für Maschinen, die über zentrale Hohlräume
zur Aufnahme von feststehenden oder mit einer anderen Drehzahl als
die Antriebswelle laufenden Bauteilen verfügen. Beispielsweise
kann der Elektromotor für den Antrieb von Zentrifugen,
Spinnmaschinen oder Werkzeugmaschinen eingesetzt werden.
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Ein
hohlförmiges Bauteil weist einen drehenden oberen Bauteilabschnitt 2 und
einen feststehenden unteren Bauteilabschnitt 3 auf.
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In
einem mittleren Bereich zwischen dem oberen Bauteilabschnitt 2 und
dem unteren Bauteilabschnitt 3 ist ein Elektromotor 4 angeordnet.
Der Elektromotor 4 weist einen Stator 5 zur Erzeugung
eines Statorfeldes mit drei Ständerwicklungen auf, wobei
sechs um 60° gegeneinander versetzt angeordnete Wicklungsstränge 6, 6' bzw. 7, 7' bzw. 8, 8' vorgesehen
sind. Die gegenüberliegenden Wicklungsstränge 6, 6' bzw. 7, 7' bzw. 8, 8' sind
in Reihe geschaltet, siehe 2a. Die
Wicklungsstränge 6, 6' bzw. 7, 7' bzw. 8, 8' sind
in einem Statorblechpaket 9 integriert angeordnet.
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Innenseitig
des Stators 5 ist über einen Luftspalt getrennt
ein Rotor angeordnet, der einen permanentmagnetischen kreisförmigen
Magnetring 10 und einen hülsenförmigen
Rotorkörper 11 (Rückschlussring) umfasst.
Der Magnetring 10 ist auf einer Außenseite eines
hülsenförmigen Rotorkörpers 11 befestigt,
beispielsweise durch Verkleben. Der hülsenförmige
Rotorkörper 11 ist über ein Verbindungsteil 13 fest
mit einer Antriebswelle 12 verbunden. Die Antriebswelle 12 weist
einen geringeren Außendurchmesser auf als der Innendurchmesser
des hülsenförmigen Rotorkörpers 11.
Die Antriebswelle 12 ist in einer fest mit einem feststehenden
Gehäuse 14 des unteren Bauteilabschnitts 3 verbundenen
Hohlrohr 15 gelagert. Der Stator 5 ist an einem
Hohlzylinder 16 befestigt, der im Montagezustand in Schraubeingriff
mit dem unteren Bauteilabschnitt 3 steht.
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Der
permanentmagnetische Magnetring 10 und der hülsenförmige
Rotorkörper 11 sind relativ dünnwandig
ausgebildet, wobei der Magnetring 10 und der hülsenförmige
Rotorkörper 11 zusammen eine Wanddicke d bilden,
die kleiner ist als 5 mm.
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Nach
einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform
kann der Rotor 10 auch an einer Hohlwelle direkt befestigt
sein, wobei der Magnetring 10 auf einer Außenfläche
der Hohlwelle anliegt.
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Wie
aus der Ausführungsform des Elektromotors gemäß den 2a und 2b deutlich
wird, erstreckt sich das magnetische Feld des Elektromotors 4 ausgehend
von dem Stator 5 lediglich in einem Bereich bis zu dem
hülsenförmigen Rotorkörper 11, während
ein in radialer Richtung nach innen an dem hülsenförmigen
Rotorkörper 11 anschließender Innenraum 17 magnetfeldfrei
verbleibt. Es können somit in diesem Innenraum 17 metallische
Bauteile positioniert werden, die stillstehend oder mit einer unterschiedlichen
Drehzahl zum Rotor 10 drehend keine Ummagnetisierungsverluste
erleiden.
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Der
Magnetring 10 weist vier Magnetpolbereiche 18, 19, 20, 21 auf,
die sich jeweils als ein Kreisringausschnitt unter Überstreichung
von jeweils 90° entlang eines viertelkreisförmigen
Umfangweges s erstrecken. Die bogenförmigen Magnetpolbereiche 18, 19, 20, 21 weisen
jeweils in einem mittleren Teil (Spitzenabschnitt 22) eine
in radialer Richtung betragsmäßig maximale Magnetisierung
Max auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 2a und 2b verläuft
die Magnetisierung bzw. die magnetische Flussdichte Φ in
radialer Richtung sinusförmig, wobei die Magnetisierung
bzw. die magnetische Flussdichte Φ in einem sich an dem
Spitzenabschnitt 22 anschließenden Seitenabschnitt 23 einen stetigen
Anstiegs- bzw. Abstiegsverlauf aufweist. In einem Grenzbereich zwischen
benachbarten Magnetpolbereichen 18 und 19, 19 und 20 bzw. 20 und 21 bzw. 21 und 18 ist
die radiale Richtungskomponente der Magnetisierung bzw. der magnetischen
Flussdichte Φ annähernd Null.
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Wie
aus 2a ersichtlich ist, durchsetzen magnetische Feldlinien
m lediglich den Statur 5, den Magnetring 10 sowie
den hülsenförmigen Rotorkörper 11.
Die Magnetfeldlinien m erstrecken sich somit lediglich bis zu einer
Innenwandung 46 des hülsenförmigen Rotorkörpers 11.
Der sich in radialer Richtung nach innen anschließende
zentrale Innen raum 17 ist magnetfeldfrei. Ein in radialer
Richtung nach innen über den Rotorkörper 10 hinausgehender
magnetisierter Ringbereich entspricht der Wandstärke r des
hülsenförmigen Rotorkörpers 11.
Aus 2a ist ferner ersichtlich, dass in einem zu dem
Spitzenabschnitt 22 korrespondierenden ersten Ringabschnitt R1
des Magnetrings 10 die magnetischen Feldlinien m in radialer
Richtung und in einem benachbarten zweiten Ringabschnitt R2 des
Magnetrings 10 die magnetischen Feldlinien m im Wesentlichen
tangential verlaufen. Die Anzahl der ersten Ringabschnitte R1 und
der zweiten Ringabschnitte R2 entspricht der Polzahl des Stators 5,
wobei die Anzahl der ersten Ringabschnitte R1 bzw. zweiten Ringabschnitte
R2 von der Polzahl des Stators 5 abhängig ist.
Zwischen dem ersten Ringabschnitt R1 und dem zweiten Ringabschnitt
R2 weist der Magnetring 10 Zwischenringabschnitte Z auf,
in denen die magnetischen Feldlinien m sowohl eine tangentiale als
auch eine radiale Richtungskomponente aufweisen.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der
Magnetring 10 auch derart ausgebildet sein, dass er eine
im Wesentlichen stufenförmige Magnetisierung über
den Umfangsweg s aufweist, siehe 2c. Hierbei
weist die Radialkomponente der Magnetisierung im Unterschied zu
dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel einen relativ breiten
Spitzenabschnitten 22' und relativ kurze Seitenabschnitten 23' mit
einem großen linearen Anstiegs- bzw. Abstiegsverlauf auf.
Bei der stufenförmigen Magnetisierung handelt es sich um
eine sinusformähnliche Magnetisierung, die in der Praxis
einfacher zu realisieren ist. Wesentlich bei der erfindungsgemäßen
Magnetisierung ist, dass der Magnetisierungsverlauf bzw. der Flussverlauf Φ bezogen
auf die jeweiligen Magnetpolbereiche 18, 19, 20, 21 keinen Wendepunkt
aufweist. Ein Wendepunkt des Magnetisierungsverlaufes bzw. des Flussverlaufes
befindet sich lediglich in einem Grenzbereich zwischen den Magnetpolbereichen 18, 19, 20, 21.
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Aus
Vergleich der 2a und 3a wird deutlich,
dass der nach und nach ansteigende und abfallende Verlauf der Radialkomponente
der Magnetisierung des Magnetringes 10 mit mindestens vier Magnetpolbereichen 18, 19, 20, 21 bzw.
der magnetischen Flussdichte Φ bewirkt, dass der Innenraum 17 magnetfeldfrei
ist. Bei einem vorbekannten Elektromotor 40 gemäß 3a,
der im Unterschied zu dem in 2a dargestellten
Elektromotor 4 einen permanentmagnetisierten Magnetring 41 aufweist, der über
vier Magnetpolbereiche 42, 43, 44, 45 verfügt,
die jeweils über eine in radialer Richtung konstante Magnetisierung
bzw. magnetische Flussdichte Φ verfügen, entstehen
in dem Innenraum 17 des Elektromotors 40 magnetische
Feldlinien, die sich störend auf in diesem Bereich angeordnete
Bauteile auswirken können. In 3b ist
der Verlauf der magnetischen Flussdichte Φ über
180° des Magnetringes 41 dargestellt, die gleich
zu der Magnetisierung der weiteren 180° des Magnetringes 41 ausgebildet ist.
Pro Magnetpolbereich 42, 43 gibt es eine Flussdichte Φ mit
zwei Maxima Max', die über ein relatives Minimum Min' miteinander
verbunden sind. Der Magnetisierungsverlauf bzw. Flussdichteverlauf
je Magnetpolbereich 42, 43 weist somit zwei Wendepunkte auf.
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Der
erfindungsgemäße Magnetisierungsverlauf in Umfangsrichtung
des Magnetringes 10 weist lediglich ein einziges Maximum
Max auf, wobei sich die Magnetisierung in den sich an dem Spitzenabschnitt
anschließenden Seitenabschnitten nach und nach betragsmäßig
verringern. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Maxima
kann der stetige Verlauf der Magnetisierung in den Seitenbereichen
eine unterschiedlich starke Steigung aufweisen.
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Der
erfindungsgemäße Magnetring 10 kann beispielsweise
aus einem mit Magnetpulver durchsetzten Epoxidmaterial bestehen,
wobei zur Magnetisierung des Magnetringes 10 in Umfangsrichtung vier
verteilt angeordnete Magnetisierungsspulen angeordnet werden. Die
Magnetisierungsspulen weisen jeweils ein entsprechendes Magnetfeld
auf, das in radialer Richtung weist. Die Magnetisierungsspulen sind
außerhalb des Magnetringes 10 angeordnet und bewirken
die Magnetisierung des Magnetringes 10 unter Beeinflussung
von Streufeldern derselben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005059162
A1 [0002]
- - DE 102005043873 A1 [0003]
- - EP 1489721 A2 [0004]