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Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Elektromotors in einem externen Magnetfeld sowie ein System aus einer Vorrichtung, die ein externes Magnetfeld erzeugt, und einem in dem externen Magnetfeld angeordneten Elektromotor. Der Elektromotor umfasst einen ein magnetisches Statorfeld erzeugenden Stator mit genau einem Polpaar und einen sich relativ zu dem Stator bewegenden Rotor, wobei Stator und Rotor zwischen sich einen Luftspalt begrenzen oder der Stator einen Luftspalt begrenzt, in dem der Rotor läuft.
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Derartige Elektromotoren sind grundsätzlich bekannt und dienen als Antrieb für unterschiedlichste Anwendungen. Bei der Verwendung eines Elektromotors innerhalb eines starken externen Magnetfelds kann es zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Elektromotors aufgrund der Wechselwirkung des externen Magnetfelds mit dem internen magnetischen Funktionsprinzip des Elektromotors kommen. So wird insbesondere das Statorfeld des Elektromotors durch das externe Magnetfeld gestört. Für Anwendungen innerhalb starker Magnetfelder werden daher nicht magnetische Antriebsverfahren verwendet, beispielsweise auf der Basis von Piezo-Motoren oder hydraulischen bzw. pneumatischen Systemen. Derartige Antriebe sind jedoch meist sehr komplex.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nutzung von Elektromotoren innerhalb starker externer Magnetfelder zu ermöglichen.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Verwendung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein System gemäß Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Die erfindungsgemäße Verwendung eines wie eingangs beschriebenen Elektromotors in einem externen Magnetfeld, das am Ort des Elektromotors stark genug ist, um zumindest einen innerhalb des Luftspalts liegenden Teil des Statorfeldes derart zu beeinflussen, dass die Funktion des Elektromotors wesentlich beeinträchtigt ist, sieht vor, dass der Elektromotor derart in dem externen Magnetfeld angeordnet ist, dass das externe Magnetfeld das Statorfeld verstärkt.
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Das erfindungsgemäße System umfasst eine Vorrichtung, die ein externes Magnetfeld erzeugt, und einen in dem externen Magnetfeld angeordneten, wie eingangs beschriebenen Elektromotor, wobei das externe Magnetfeld am Ort des Elektromotors stark genug ist, um zumindest einen innerhalb des Luftspalts liegenden Teil des Statorfeldes derart zu beeinflussen, dass die Funktion des Elektromotors wesentlich beeinträchtigt ist, wobei der Elektromotor innerhalb des durch die Vorrichtung erzeugten externen Magnetfelds derart angeordnet ist, dass das externe Magnetfeld das Statorfeld verstärkt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Elektromotor innerhalb des externen Magnetfelds derart anzuordnen, dass das externe Magnetfeld das Statorfeld verstärkt. Insbesondere erfolgt die Anordnung so, dass das externe Magnetfeld den innerhalb des Luftspalts liegenden Teil des Statorfelds verstärkt. Dies bedeutet, dass das resultierende Feld als Überlagerung des externen Magnetfeldes und des Statorfeldes zumindest im Luftspalt eine größere Feldstärke aufweist als die einzelnen Felder. Der Luftspalt bezeichnet dabei in bekannter Weise die Region, in der die magnetische Interaktion zwischen Stator und Rotor stattfindet. Zumindest hier tritt also die Verstärkung auf. Der Luftspalt kann je nach Ausgestaltung des Elektromotors durch den Stator begrenzt sein, beispielsweise zwischen einem inneren Statormagnet und einem äußeren Statorgehäuse liegen, wobei dann der Stator in den Luftspalt aufgenommen ist, oder der Luftspalt kann zwischen Stator und Rotor bestehen. Das externe Magnetfeld ist dabei zumindest im Bereich des Elektromotors derart stark, dass die Funktion des Elektromotors wesentlich beeinträchtigt ist. Unter einer wesentlichen Beeinträchtigung wird dabei eine Beeinträchtigung verstanden, welche die bestimmungsgemäße Verwendung des Elektromotors behindert. Insbesondere kann eine wesentliche Beeinträchtigung der Funktion des Elektromotors eine Abschwächung zumindest des innerhalb des Luftspalts liegenden Teils des Statorfelds durch das externe Magnetfeld um 30% oder mehr bedeuten. Das externe Magnetfeld kann insbesondere eine Stärke von 0,2 Tesla oder mehr aufweisen, beispielsweise eine Stärke im Bereich von 0,2 T bis 7 T, insbesondere eine Stärke von 0,2 T, 0,35 T, 1,5 T, 3 T oder 7 T. Das externe Magnetfeld kann insbesondere durch einen Magnetresonanztomographen (MRT) erzeugt werden. Der Elektromotor kann also insbesondere innerhalb eines MRT verwendet werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verwendung von Elektromotoren als Antrieb innerhalb eines starken externen Magnetfeldes bisher vor allem deswegen nicht möglich war, da das starke externe Magnetfeld das Statorfeld des Elektromotors zu stark abschwächt oder völlig zum Erliegen bringt. Dieses Problem tritt auf, wenn das innere Statorfeld in seinem Verlauf zu stark von dem externen Magnetfeld abweicht. Bei der Anordnung eines Elektromotors in einem externen Magnetfeld kommt es insbesondere deswegen zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Elektromotors, da das externe Magnetfeld das Gehäuse des Elektromotors in eine lokale Sättigung führt, also ein magnetischer Rückschluss auftritt, wie der Erfinder erkannt hat. So ist die Wandstärke der Gehäuse ist bei den meisten Elektromotoren gerade groß genug, um den eigenen Statorfluss zu führen. Ist der Elektromotor ungünstig in dem externen Magnetfeld ausgerichtet, führt der zusätzliche Fluss in die Sättigung und der Fluss im Luftspalt geht zurück oder verschiebt die Richtung. Diese Probleme können durch die erfindungsgemäße Ausrichtung des Elektromotors umgangen werden. Das externe Magnetfeld führt dann nicht zur einer Abschwächung, sondern vielmehr zu einer Verstärkung des Statorfeldes. Der Elektromotor kann somit weiterhin in der bestimmungsgemäßen Weise betrieben werden. Dies kann durch eine bestimmte Überlagerung der Feldlinien erreicht werden, wie später noch erläutert wird. Hierfür sollte das Statorfeld nur eine im Wesentlichen eindeutige Richtung zumindest für den im Luftspalt verlaufenden Teil aufweisen. Daher sind nur Elektromotoren mit einem Polpaar geeignet. Zudem muss das Statorfeld im Raum feststehend sein, darf also insbesondere nicht rotieren oder die Polarität wechseln.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verwendung bzw. des Systems werden im Folgenden gemeinsam erläutert.
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Nach einer Ausgestaltung ist der Elektromotor derart in dem externen Magnetfeld angeordnet, dass das Statorfeld zumindest im Luftspalt dieselbe Vorzugsrichtung aufweist wie das externe Magnetfeld am Ort des Elektromotors. Mit derselben Vorzugsrichtung ist gemeint, dass die effektive Richtung des Statorfelds, also insbesondere die Summe über alle Vektoren des Statorfelds, zumindest innerhalb des Luftspalts und die effektive Richtung des externen Magnetfelds zumindest am Ort des Elektromotors dieselben sind. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Verstärkung des Statorfelds durch das externe Magnetfeld erreicht werden. Beispielsweise kann der Elektromotor derart in dem externen Magnetfeld angeordnet sein, dass die Mehrheit der Magnetfeldlinien zumindest des innerhalb des Luftspalts liegenden Teils des Statorfeldes und die Mehrheit der Magnetfeldlinien des externen Magnetfeldes am Ort des Elektromotors im Wesentlichen parallel zueinander gleichsinnig verlaufen. Die Anordnung des Elektromotors in dem stärkeren externen Magnetfeld erfolgt also nach dieser Ausgestaltung derart, dass zumindest der Großteil der Magnetfeldlinien, insbesondere alle Magnetfeldlinien, zumindest des innerhalb des Luftspalts liegenden Teils des Statorfeldes und des externen Magnetfeldes vor der Überlagerung, also vor der Ausbildung eines resultierenden Feldes, im Wesentlichen parallel zueinander gleichsinnig verlaufen. Im Wesentlichen parallel zueinander bedeutet hierbei, dass die Magnetfeldlinien des externen Magnetfelds und des internen Teils des Statorfelds nicht unbedingt exakt parallel zueinander verlaufen, jedoch bevorzugt zwischen sich nur einen Winkel von maximal 10°, bevorzugt maximal 5°, einschließen. Diese Winkelwerte bezeichnen dabei, wie erwähnt, die Ausrichtung der Felder vor Überlagerung, also vor Bildung des resultierenden Feldes. Gleichsinnig verlaufend bedeutet, dass der magnetische Fluss im Bereich der Überlagerung von internem Teil des Statorfeldes und externem Magnetfeld im Wesentlichen in derselben Richtung verläuft, die Magnetfeldlinien also insbesondere nicht gegensinnig verlaufen. Somit kann dieselbe Vorzugsrichtung und letztlich die Verstärkung des Statorfeldes erreicht werden.
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Nach einer Ausgestaltung umfasst der Stator einen das magnetische Statorfeld erzeugenden Statormagnet und ein den Statormagnet umgebendes Statorgehäuse, wobei der Rotor zwischen dem Statormagnet und dem Statorgehäuse angeordnet ist. Der Rotor rotiert bei Betrieb des Elektromotors innerhalb des Statorgehäuses um den innenliegenden, feststehenden Statormagnet. Es handelt sich also um einen Innenläufer. Der Luftspalt bezeichnet hierbei insbesondere den gesamten Zwischenraum zwischen Statorgehäuse und Statormagnet, innerhalb dessen sich der Rotor bewegt. Nach einer Ausgestaltung ist der Rotor eisenlos. Der Rotor weist also keinerlei Eisen auf, insbesondere keinen Anker aus Eisen. Beispielsweise kann der Rotor lediglich aus Kupfer bestehen. Nach einer diesbezüglichen Ausgestaltung weist der Rotor eine eisenlose, freitragende Kupferspule auf. Insbesondere kann der Elektromotor ein Glockenankermotor sein. Die eisenlose Realisierung des Rotors verhindert das Auftreten von Reluktanzkräften, magnetischen Sättigungseffekten oder gesteigerten Wirbelstromverlusten beim Betrieb des Elektromotors. Somit wird die Antriebswirkung des Rotors trotz des starken externen Magnetfeldes nicht behindert. Glockenankermotoren sind hierfür besonders geeignet. Solche Motoren sind Außenläufer, bei denen der als Permanentmagnet ausgebildete Stator innen liegt und der Rotor den Stator umgebend als eisenlose, freitragende Kupferspule ausgebildet ist.
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Nach einer Ausgestaltung ist eine Steuereinheit vorgesehen, die den Elektromotor derart ansteuert, dass eine durch die Verstärkung des Statorfeldes bedingte, erhöhte magnetische Flussdichte kompensiert wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Überlagerung des Statorfeldes und des externen Magnetfeldes kann das Statorfeld, insbesondere innerhalb des Luftspalts, derart verstärkt werden, dass sich die magnetische Flussdichte des Statorfeldes im Bereich des Rotors, insbesondere innerhalb des Luftspalts, erhöht. In der Folge steigt zum einen die Drehmomentkonstante des Motors während sich zum anderen die Drehzahlkonstante verringert. Nach dieser Ausgestaltung wird dies durch die Steuereinheit verhindert. Die Steuereinheit kann hierzu die erhöhte magnetische Flussdichte durch Erhöhung der an dem Elektromotor anliegenden Spannung und/oder durch Verringerung des an dem Elektromotor anliegenden Stroms kompensieren. Somit kann in einfacher Weise über eine Steuereinheit ein Ausgleich unerwünschter Wirkungen, bedingt durch die Verstärkung des Statorfelds, ausgeglichen werden. Eine solche Ansteuerung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Drehzahl des Elektromotors unabhängig von dem externen Magnetfeld konstant gehalten werden soll.
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Nach einer Ausgestaltung ermittelt eine Positionsregelungseinheit eine Ausrichtung des externen Magnetfelds und den Elektromotor abhängig von der ermittelten Ausrichtung des externen Magnetfeldes derart in dem externen Magnetfeld anordnet, dass das externe Magnetfeld das Statorfeld verstärkt, insbesondere derart, dass die Magnetfeldlinien zumindest des innerhalb des Luftspalts verlaufenden Teils des Statorfeldes und die Magnetfeldlinien des externen Magnetfeldes im Wesentlichen parallel zueinander gleichsinnig verlaufen. Die ermittelte Ausrichtung des externen Magnetfeldes bezeichnet dabei insbesondere den Verlauf der Magnetfeldlinien des externen Magnetfeldes. Über die Positionsregelungseinheit kann eine automatische Ausrichtung des Elektromotors in dem externen Magnetfeld erfolgen. Zudem kann der Elektromotor über die Positionsregelungseinheit einem sich verändernden externen Magnetfeld nachgeführt werden und damit auch bei veränderlichem externem Feld eine zuverlässige Funktion des Elektromotors erreicht werden. Auch kann über die Positionsregelungseinheit eine Anordnung bzw. ein Nachführen des Elektromotors derart erfolgen, dass die magnetische Flussdichte sich nicht derart stark erhöht, dass eine wie oben erläuterte Steuerung notwendig wird.
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Nach einer Ausgestaltung ist der Elektromotor als Positionierantrieb ausgebildet. Der Elektromotor kann also dazu dienen, ein zu positionierendes Element zu bewegen und im Raum zu positionieren, insbesondere auszurichten. Der Positionierantrieb kann innerhalb eines geschlossenen Regelkreises arbeiten.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren erläutert. Es zeigen schematisch:
- 1 eine Querschnittsansicht eines Elektromotors,
- 2 eine erfindungsgemäße Verwendung des Elektromotors aus 1 in einem starken externen Magnetfeld,
- 3 eine erfindungsgemäße Verwendung des Elektromotors aus 1 in einem starken externen Magnetfeld in einer ersten Ausrichtung,
- 4 eine erfindungsgemäße Verwendung des Elektromotors aus 1 in einem starken externen Magnetfeld in einer zweiten Ausrichtung, und
- 5 einen Elektromotor angeordnet in einem MRT.
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Soweit nichts anderes angegeben ist, bezeichnen im Folgenden gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände.
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1 zeigt einen Elektromotor 10 mit einem Stator 12, der einen innenliegenden Statormagnet 12a und ein den Statormagnet 12a umgebendes Statorgehäuse 12b umfasst, sowie mit einem in einem Luftspalt 13 zwischen Statormagnet 12a und Statorgehäuse 12b angeordneten Rotor 14. Der Statormagnet 12a ist ein Permanentmagnet hohlzylindrischer Form mit einem Polpaar Nord-Süd (N-S), wobei in dem Statormagnet 12a eine Welle 18 aufgenommen ist. Das Statorgehäuse 12b besteht aus einem Ferromagneten und begrenzt den Elektromotor 10 nach außen. Das Statorgehäuse 12b fungiert hierbei als magnetischer Rückschluss. Der Rotor 14 ist als eisenlose, freitragende Kupferspule ausgebildet und umgibt den Statormagnet 12a vollständig, wobei in den Figuren lediglich beispielhaft nur einige der Leiterschleifen der Spule dargestellt sind. Die Leiterschleifen werden von einem Strom durchflossen, dessen Richtung in allgemein bekannter Notierung durch Kreuze bzw. Punkte dargestellt ist. In an sich bekannter Weise rotiert der Rotor 14 innerhalb des Luftspalts 13 und setzt somit elektrische in mechanische Leistung um.
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Es handelt sich bei dem Elektromotor 10 um einen Glockenankermotor, beispielsweise einen Maxon-Motor oder einen Faulhaber-Motor. Magnetfeldlinien 20 stellen das durch den Permanentmagneten des Stators 12 erzeugte Magnetfeld 19 dar. Die Magnetfeldlinien 20 erstrecken sich außerhalb des Statormagneten 12a vom Nordpol ausgehend durch den Luftspalt 13 in das Statorgehäuse 12b hinein sowie teilweise auch durch das Statorgehäuse 12b hindurch und treten beim Südpol wieder in den Statormagnet 12 a ein. Zudem sind in 1 senkrecht von unten nach oben verlaufende Magnetfeldlinien 24 eines externen Magnetfeldes 22 ersichtlich, wobei der Verlauf der Magnetfeldlinien 24 vor Einbringung des Elektromotors, also im ungestörten Zustand dargestellt ist. Um die Übersichtlichkeit zu wahren, sind lediglich drei Feldlinien dargestellt. Innerhalb des Luftspalts 13 weisen das Statorfeld 19 und das externe Magnetfeld 22 dieselbe Vorzugsrichtung auf, verlaufen also vorliegend von unten nach oben. Das externe Magnetfeld kann eine Stärke von gleich oder mehr als 0,2 T aufweisen.
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In 2 ist das aus der Überlagerung der Felder 19, 22 resultierende Feld 23 ersichtlich. Das resultierende Feld 23 weist insbesondere im Luftspalt 13 eine erhöhte Feldstärke auf, es hat also das externe Magnetfeld 22 aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung des Elektromotors 10 das Statorfeld 19 verstärkt. Insbesondere ist ersichtlich, dass das externe Feld 22 den Elektromotor 10 durchdringt und sich konstruktiv mit dem eigenen Statorfeld 19 des Motors überlagert. Die Funktionsweise des Elektromotors wird somit grundsätzlich nicht beeinflusst. Es ist also trotz der Anordnung des Elektromotors in dem externen Magnetfeld möglich, den Elektromotor als Antrieb für unterschiedlichste Anwendungen einzusetzen. So kann auf komplexe Antriebe, wie beispielsweise Piezo-Motoren oder hydraulische oder auch pneumatische Systeme verzichtet werden.
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Die erfindungsgemäße Verstärkung des Statorfeldes durch das externe Magnetfeld wird erreicht durch Ausrichtung des Elektromotors in beliebiger Lage um die Achse der Magnetfeldlinien 24 des externen Feldes 22, wie in den 3 und 4 ersichtlich. Die 3 und 4 zeigen den Elektromotor nicht vollständig, sondern nur dessen Stator 12 sowie die den Stator 12 durchlaufende Welle 18. Beispielsweise kann der Stator 12, wie in 3, in einer ersten Ausrichtung oder wie in 4 in einer zu der ersten Ausrichtung senkrechten zweiten Ausrichtung in dem externen Magnetfeld 22 angeordnet sein. Der Elektromotor kann folglich in der Ebene senkrecht zu den Magnetfeldlinien 22 eine beliebige Lage einnehmen, um zu gewährleisten, dass die Magnetfeldlinien des externen Feldes und des innerhalb des Luftspalt liegenden Teils des Statorfeldes im Wesentlichen in dieselbe Richtung verlaufen.
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5 zeigt die Anordnung eines Elektromotors 10 innerhalb eines MRT 30. Ein MRT erzeugt üblicherweise ein Magnetfeld in Bereichen von 0,2 T bis 7 T. Das MRT 30 bildet ein für den Elektromotor 10 externes Magnetfeld, wie in 1 dargestellt. Erfindungsgemäß kann somit also ein Elektromotor auch innerhalb des starken äußeren Feldes eines MRT verwendet werden. Es kann zudem eine Positionsregelungseinheit vorgesehen sein zur automatischen Anordnung und Nachführung eine des Elektromotors abhängig von einer ermittelten Ausrichtung des externen Magnetfeldes. Der Elektromotor selbst kann als Positionierantrieb zur Positionierung eines Bauteils innerhalb des externen Feldes dienen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektromotor
- 12
- Stator
- 12a
- Statormagnet
- 12b
- Statorgehäuse
- 13
- Luftspalt
- 14
- Rotor
- 18
- Welle
- 19
- Statorfeld
- 20
- Magnetfeldlinien Statorfeld
- 22
- externes Magnetfeld
- 23
- resultierendes Feld
- 24
- Magnetfeldlinien externes Magnetfeld
- 30
- MRT
