DE10318278A1

DE10318278A1 - Antrieb mit Permanentmagneterregung

Info

Publication number: DE10318278A1
Application number: DE10318278A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Amrhein
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2003-11-06
Also published as: AU2003229718A1; WO2003092143A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wechsel- oder Drehfeldsynchronantrieb mit einem elektromagnetischen Stator und einem Permanentmagnetrotor, dessen Permanentmagnetmaterial in Form eines oder mehrerer band-, ring-, segment- oder scheibenförmigen Werkstücke am Rotor angebracht sind, wobei in dem aus mindestens einem Werkstück gebildeten Permanentmagnetmaterial mindestens zwei Pole (51, 52) so durch mindestens eine kontinuierlich oder unterbrochen verlaufende Polgrenze magnetisch abgetrennt oder durch eine Anordnung von magnetisch sich unterscheidenden Teilflächen bzw. Teilvolumina (61, 61) gebildet werden, und wobei die Statorwicklungen so angeordnet sind, dass sich bei einer Drehung des Rotors durch Kopplung des permanentmagnetischen Flusses mit den Antriebssträngen in den Antriebssträngen sinusförmige Flussverkettungen mit überlagerten Harmonischen ergeben.

Description

Der internationale Wettbewerb im Bereich der elektrischen Antriebe, insbesondere der elektrischen Kleinantriebe, hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Bei den Verkaufsverhandlungen mit den Kunden rückt immer mehr die Forderung nach niedrigen Herstellkosten bei gleichzeitig sehr hohen Ansprüchen an das Betriebsverhalten in den Vordergrund. Wichtige Anforderungen an das Antriebsprodukt sind hierbei neben den niedrigen Kosten häufig ein guter Gleichlauf des Motors verbunden mit niedrigen akustischen Betriebsgeräuschen. Dies gilt ganz besonders für den Bereich der Lüfter, Gebläse, Ventilatoren, Pumpen, aber auch für viele andere Bereiche wie beispielsweise für elektrische Antriebe in Kraftfahrzeugen, in der Computertechnik und in der Heizungstechnik.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Konzept für einen Antrieb bereitzustellen, der einerseits im Betrieb eine sehr geringe Drehmomentwelligkeit aufweist, anderseits aber auch mit einem kleinen mechanischen und elektrischen Aufwand zu fertigen ist.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Der erfindungsgemäße elektrische Antrieb, es handelt sich hierbei um einen bürstenlosen Permanentmagnetsynchronantrieb, wird mit einfachen, preisgünstig herstellbaren Komponenten für die elektromagnetische Drehmomenterzeugung ausgestattet. Kernbausteine der Erfindung sind hierbei band-, ring-, segment- oder scheibenförmige Permanentmagnetwerkstücke, die zur Erfüllung der erfindungsmäßigen Aufgabe eine besondere Magnetisierung erfahren und mit geeigneten Statorwickungen, die ferromagnetisch oder auch nichtferromagnetisch sein können, kombiniert werden. Die Magnetisierung erfolgt, wie nachfolgend noch beschrieben wird, so, dass sich bei einer Drehung des Rotors in den Wicklungssträngen im wesentlichen sinusförmige Flussverkettungen und somit bei konstanter Drehzahl im Idealfall unabhängig von der Wicklung sinusförmige rotatorisch induzierte Spannungen ergeben.
Bisherige technische Ausführungen unterscheiden sich von den vorgeschlagenen Lösungen dadurch, dass derzeit für die Realisierung der permanentmagnetischen Luftspaltpole entweder einzelne homogen magnetisierte Permanentmagnetsegmente verwendet werden, die einen großen Montageaufwand sowie eine meist sehr hohe Unwucht des Rotors bewirken, oder aber band-, ring-, segment- oder scheibenförmige Permanentmagnetsegmente verwendet werden, die aufgrund ihrer Magnetisierung annähernd dreiecksförmige Flussverkettungen und bei konstanter Drehzahl und ungesehnten Wicklungen rechteck- oder trapezförmige rotatorisch induzierte Spannungen bewirken. Dies führt in der Regel trotz geeigneter rechteckförmiger bzw. trapezförmiger Bestromung zu unerwünschten Drehmomentschwankungen und Kommutierungsgeräuschen.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Lüfterantrieb,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Rotormagnet mit Ringen, Bändern oder Segmenten,
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Rotormagnet mit Scheiben,
Fig. 4 eine Seitenansicht auf ein abgewickeltes Rotormagnetband,
Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Rotormagnetband
Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der für die Berechnung erforderlichen Größen,
Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Innenrotor mit magnetischen Teilbändern oder Segmenten,
Fig. 8 eine Seitenansicht auf ein abgewickeltes Rotormagnetband mit partiellen Magnetisierungsbereichen ohne Überlappung,
Fig. 9 eine Seitenansicht auf ein abgewickeltes Rotormagnetband mit drei hinsichtlich der Magnetisierung unterschiedlichen Bereichen,
Fig. 10 eine Seitenansicht auf ein weiteres abgewickeltes Rotormagnetband mit drei hinsichtlich der Magnetisierung unterschiedlichen Bereichen,
Fig. 11 eine Seitenansicht auf ein abgewickeltes Rotormagnetband mit wechselförmig ausgebildeten Polen,
Fig. 12 eine Seitenansicht auf ein abgewickeltes Rotormagnetband, bei dem jeweils eine magnetisierte einer unmagnetisierten Teilfläche gegenüberliegt,
Fig. 13 eine Seitenansicht auf ein abgewickeltes Rotormagnetband,
Fig. 14 eine Draufsicht auf ein abgewickeltes Rotormagnetband,
Fig. 15 eine Draufsicht auf einen Innenrotor,
Fig. 16 eine Draufsicht auf eine dreischenklige Statorwicklung,
Fig. 17 eine Draufsicht auf eine vierschenklige Statorwicklung,
Fig. 18 eine Prinzipdarstellung einer Durchmesser-Drehfeldwicklung,
Fig. 19 eine Prinzipdarstellung einer verteilten und gesehnten Drehfeldwicklung, und
Fig. 20 eine Prinzipdarstellung einer Schaltung für bifilar gewickelte Stränge.

Antrieb mit Stator und Rotor

Fig. 1 zeigt als ein mögliches Außenläufer-Ausführungsbeispiel den Querschnitt eines Lüfterantriebes, in dem einige erfindungsgemäße Lösungsvorschläge technisch realisiert und implementiert sind.
Der Lüfterantrieb weist ein wahlweise band- oder ringförmiges Permanentmaterial 10, eine ferromagnetische Statorwicklung 11, einen Luftspalt 3, einen glockenförmigen Rotorrückschluss 12, ein inneres (Kunststoff-)Teil 13 eines Axiallüfterrades, einen Flansch 14, ein Lagertragrohr 16 zur Lageraufnahme sowie ein Kugellager 15 auf.

Rotormagnet

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Rotormagnet 10 mit ringförmigen Segmenten, und Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Rotormagnet 10 mit Scheiben 21a, 21b, 21c, 21d. Insbesondere bei ringförmige Permanentmagnetmaterialien lassen sich bei dünnwandigen Ringen und größeren Durchmessern keine großen axialen Längen erzielen. Daher kann das Permanentmagnetmaterial 10 auch aus axial mechanisch zusammengeführten Ringen, Bändern oder Segmenten 20a, 20b, 20c (Fig. 2) oder auch aus Scheiben 21a, 21b, 21c, 21d (Fig. 3) bestehen.
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht auf ein (gedanklich) in die Ebene abgewickeltes Rotormagnetband 10 mit einem möglichen Ausführungsbeispiel für die Magnetisierung des Permanentmagnetmaterials 10 eines zweipoligen Permanentmagnetrotors. Das Rotormagnetband 10 wird dabei von der Innenseite des Rotormagneten her betrachtet.
Das Rotormagnetband weist eine Konturlinie 30 zwischen den Bereichen (Polen) 31a und 31b einer Magnetisierungsrichtung und dem Bereich (Gegenpol) 32 einer entgegengesetzten Magnetisierungsrichtung sowie eine Bandlängsachse 33, ein linkes Ende 34 und ein rechtes Ende 35 auf.
Bei einer ebenfalls zweipoligen Statorwicklung 11 (vgl. Fig. 1), die als Durchmesserwicklung, als gesehnte Wicklung oder als verteilte Wicklung ausgeführt sein kann, ergibt sich eine sinusförmige Flussverkettung mit den Statorsträngen. Bei konstanter Drehzahl stellt sich dementsprechend auch eine sinusförmige rotatorisch induzierte Spannung ein. Die ausgeführte Konturlinie 30 kann näherungsweise als eine auf die Bandlängsachse 33 gelegte Sinuslinie betrachtet werden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel endet das Band beidseitig (34, 35) an den Maxima 34, 35 der Sinuslinie, in der Mitte ist ein Minimum 36. Dies ist jedoch rein willkürlich gewählt. Eine Winkelverschiebung der Sinuslinie in Bandlängsrichtung hat praktisch keinen Einfluss auf das Betriebsverhalten der Maschine, da das Band durch ein Aufrollen an beiden Seiten zu einem Kreis geschlossen wird, vgl. Fig. 5.
Verschiedene Einflüsse, wie beispielsweise die magnetische Streuung im Permanentmagnetmaterial, im Eisen und in der Luft, Eisensättigung, unterschiedliche (axiale) Längen des Permanentmagnetmaterials 10, des Rückschlussjoches 12 oder des Blechpaketes, Nutungseinflüsse, große Luftspalte, unscharfe Magnetisierungskanten und/oder inhomogene Magnetisierung können eine Anpassung der Konturlinie 30 an die Verhältnisse notwendig machen. In diesen Fällen wird vorgeschlagen, die Konturlinie 30 oder die Form der Pole 31a, 31b und 32 so zu bestimmen, dass die Gleichung

für die verketteten Strangflüsse i(1. . .m) näherungsweise erfüllt wird. Hierbei ist

- m die Strangzahl des Stators,
- δ der Drehwinkel des Rotors,
- dh infinitesimal kleine Höhenabschnitte,
- rdφ infinitesimal kleine Bogenabschnitte des Statorumfangs,
- B(h(φ), φ, δ) zugehörige Flussdichte an der luftspaltseitigen Statoroberfläche,
- φ_1i, φ_2i die Winkel, die die mittlere wirksame Polweite eines Stranges begrenzen,
- h₁, h₂ die Begrenzungshöhen der Statorwicklung bzw. des zugehörigen Statorblechpaketes,
- k(δ) ein Faktor, der die Streueinflüsse des Magnetkreises berücksichtigt,
- A eine Konstante, und
- α ein Rotoroffsetwinkel.

Für die Auslegung des Magnetisierungsprofils ist hierbei die Flussdichteänderung an der Statoroberfläche über die Bogenlänge in Umfangsrichtung sowie über die Höhe entscheidend.
Fig. 6 zeigt eine Übersicht über die in der Formel verwendeten Größen.
Das Magnetband muss nicht - wie in Fig. 4 dargestellt - den Umfang von 360 Grad umschließen. Fig. 7 zeigt beispielsweise eine Draufsicht auf einen Rotor eines Innenläufermotors, bei dem das Magnetband in magnetische Teilbänder 141, 142, 143 und 144 aufgeteilt ist. Es sind zwei Ausführungsformen dargestellt. Die Teilbänder 141 und 142 sind an der Stelle 148 eng aneinandergefügt. Die Teilbänder 143 und 144 sind dagegen mit einem mechanischen Zwischenspalt 149 am Rotor montiert worden. Statt Magnetbänder können hierbei auch Magnetsegmente 143, 144 verwendet werden.
Zwei benachbarte Magnete können so magnetisiert sein, dass sie gemeinsam einen Pol bilden, so z. B. die Magnete 145 und 147, oder aber auch so, dass sie Gegenpole bilden, so z. B. die Magnete 145 und 146. Es ist auch eine konstruktive Variation möglich, wobei die Grenzen der beiden Werkstücke 141 und 142 verschmelzen. Somit wird nur ein Werkstück mit bei der Herstellung variabel einstellbarer Polzahl benötigt. In Fig. 7 würde in diesem Fall die Trennungslinie 148 entfallen.
Aus Einfachheitsgründen wurden in Fig. 7 unterschiedliche Permanentmagnetvarianten auf einem Rotorschnitt dargestellt.
Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht auf ein weiteres abgewickeltes Rotormagnetband. Wie in Fig. 4 sind alle Bereiche 31a, 31b und 32 magnetisiert. Während sich jedoch in Fig. 4 die Pole 31a, 31b und 32 über den gesamten Winkelbereich mit Ausnahme der Extrema 34, 35, 36 überlappen, gibt es in Fig. 8 Winkelbereiche, in denen nur jeweils eine Magnetisierungsrichtung vorherrscht. Eine derartige Magnetisierung mit nichtsinusförmiger Polgrenzlinie kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn die Permanentmagnetmaterialien infolge großer Luftspalte 3 oder unterschiedlicher Magnet/Blechpaketlängen an den axialen Stirnseiten sehr stark streuen, Magnet- und Blechpaketlänge unterschiedlich sind oder Sättigungseffekte eine Rolle spielen.
Fig. 9 zeigt eine Seitenansicht auf ein abgewickeltes Rotormagnetband 10 mit drei hinsichtlich der Magnetisierung unterschiedlichen Bereichen: Pol 51, Gegenpol 52 und unmagnetisierte Bereiche 53a, 53b. Weiterhin ist eine obere Begrenzungslinie 54 und eine untere Begrenzungslinie 55 dargestellt.
In dem Magnetisierungsprofil nimmt die Breite der magnetisierten Zone über die Bandlänge sinusförmig zu, und das Rotormagnetband 10 bewirkt ebenfalls eine sinusförmige Flussverkettungen.
Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht analog zu Fig. 9, bei der jedoch die obere und untere Begrenzungslinie 54, 55 stellenweise verschoben wurde. Die sinusförmige Breitenänderung der magnetisierten Zone ist trotz dieser Verschiebung immer noch gegeben.
Auf der rechten Seite ist die obere Begrenzungslinie 56 (54 in Fig. 9) auf die äußere Magnetkante gelegt worden, die Linie 57 (55 in Fig. 10) ist mit winkelabhängig gleichem Abstand zu der Linie 56 wie im oberen Bild nachgezogen worden. Allgemein ist daher im wesentlichen die annähernd sinusförmige Zunahme der magnetisierten Fläche über den Winkelbereich, nicht aber unbedingt die Lage oder Form dieser Fläche oder deren Magnetisierungsstruktur maßgebend. Flächenlage, Form und Struktur können unterschiedlich variiert werden.
In den angegebenen Figuren für die Magnetisierung des Permanentmaterials 10 sind vereinfachend jeweils nur zwei Pole dargestellt. Dies ist nur als beispielhaft zu sehen. Für höhere Polzahlen erfolgt eine periodische Fortsetzung der Magnetisierungskurven.
Weiterhin gelten die Bilder auch entsprechend für die Magnetisierung von Ringen, Segmenten oder Scheiben.
In den bisherigen Beispielen sind die Pole 51 und Gegenpole 52 gleichförmig und somit homogen magnetisiert. Dies ist nicht zwingend erforderlich. Eine ähnliche Wirkung wird erzielt, wenn die Pole 51, 52 über den ganzen Bereich oder einen Teilbereich wechselförmig, d. h. mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen ausgebildet sind.
Fig. 11 zeigt eine Seitenansicht auf ein abgewickeltes Rotormagnetband mit zwei wechselförmig ausgebildeten Polen 51, 52. Die Pole 51, 52 weisen jeweils Teilbereiche 61 mit einer Magnetisierungsrichtung, z. B. Nord, und Teilbereiche 62 mit einer von der Magnetisierungsrichtung der Teilbereiche 61 unterschiedlichen Magnetisierungsrichtung, z. B. Süd, auf. Da im Bereich des Pols 51 die Teilbereiche 62 überwiegen, ist der Pol 51 ein Südpol, und durch das Überwiegen der Zonen 61 im Bereich 52 ist der Pol 52 ein Nordpol.
Der Pol 51 weist dabei eine Magnetisierungsstruktur ähnlich dem Verfahren der elektrischen Pulsweitenmodulation auf, die Grenzen zwischen den Teilbereichen 61 und 62 verlaufen also quer zum Rotormagnetband (Umfang). Dabei entspricht jeweils die Summe der Breite eines Teilbereichs 61 und eines Teilbereichs 62 der eingezeichneten Breite 64. Je feiner hierbei die Zonenbreite ist, um so weniger wird man die Übergänge im Motorbetrieb spüren.
Der Pol 52 weist eine Magnetisierungsstruktur auf, bei der die Teilbereiche 61 und 62 jeweils die eingezeichnete Breite 64 aufweisen, und die Summe der Höhe (axialen Länge) der jeweiligen Teilbereiche 61 und 62 der Gesamthöhe des Rotormagnetbands entspricht. Die Magnetisierung des Pols wird durch das jeweilige Höhenverhältnis zwischen den Teilbereichen 61 und 62 bestimmt, welche hier sinusförmig bewertet wurden.
Der Einfluss der Übergänge auf das Betriebsverhalten kann weiterhin reduziert werden, wenn die Teilpolkanten statt senkrecht schräg zur Magnetkante angeordnet werden.
In dieser Weise sind sehr unterschiedliche Konfigurationen realisierbar, beispielsweise mit schräg statt senkrecht verlaufenden Magnetkanten oder mit unförmigen (nicht rechteckförmigen) Pol- und Teilpolbegrenzungsflächen, deren Kanten auch nicht in einer Linie liegen müssen. Die gezeigten Ausführungen sind daher nur beispielhaft zu sehen und wurden - um den Zeichnungsaufwand klein zu halten - in Fig. 11 und in Fig. 12 in einem Magnetstreifen nebeneinander dargestellt.
Fig. 12 zeigt eine Seitenansicht auf ein abgewickeltes Rotormagnetband, bei dem neben den magnetisierten Teilbereichen 62, 61 jeweils unmagnetisierte Teilbereiche 63 angeordnet sind. Anstelle der vorangegangenen Konfigurationen aus Fig. 11 mit wechselförmiger Polmagnetisierung sind auch entsprechende Magnetisierungen möglich, in denen wie in Fig. 12 auf der linken Seite die Bereiche 62 beispielsweise Südpole darstellen, die Bereiche 63 unmagnetisiert bleiben, und auf der rechten Seite die Bereiche 61 Nordpole darstellen und die Bereiche 63 unmagnetisiert bleiben.
Auch Kombinationen von unterschiedlichen Varianten sind realisierbar. So kann das Polmagnetisierungsbild kontinuierlich oder in begrenzten Teilflächen derart aus Teilflächen, die in die eine oder andere Richtung magnetisiert sind, und aus Teilflächen, die nicht magnetisiert sind, zusammengesetzt werden, dass die gewünschte winkelabhängige Flussverkettung erreicht wird. Diese wird in der Regel sinusförmig gewählt, muss aber nicht grundsätzlich sinusförmig sein.
Weitere Konstruktionsvariationen sind gegeben, wenn sich entlang einiger oder aller Pol- oder Teilpolgrenzlinien mechanische Trennstellen befinden, das Permanentmaterial also in mehrere Teile zerlegt oder aus mehreren Teilen gebildet ist. Bei stark schwankenden Grenzverläufen, wie beispielsweise bei dem Pol 52 in Fig. 11 dargestellt, kann die Trennungslinie auch zweckmäßigerweise einer geglätteten Kurve folgen.
Weitere Varianten zur Erzielung sinusförmiger Strangflussverkettungen über das Permanentmagnetmaterial sind in Fig. 13 bis Fig. 15 dargestellt.
In Fig. 13 ist die Höhe des Magnetmaterials in axialer Richtung sinusförmig variiert. Diese Variante ist materialsparend und daher insbesondere für teure band-, ring- oder scheibenförmige Magnetwerkstoffe interessant. Es wird die Ansicht auf die Luftspaltseite bzw. die ferromagnetische Rückschlussseite dargestellt.
In Fig. 14 ist die Magnetbreite des Bandes bzw. des gedanklich abgewickelten Rings entsprechend variiert. Die Luftspaltbreite ist mit 112 und die ferromagnetische Rückschlussseite mit 113 bezeichnet. Die Breitenvariation lässt sich ebenso auf Scheiben übertragen, indem dort winkelabhängig der Durchmesser variiert wird.
Fig. 15 zeigt eine Draufsicht auf einen vierpoligen Rotormagnet 10 eines Innenläufermotors, bei dem die sinusförmige Magnetisierung durch eine Variierung der Magnetbreite 121 über den Winkelbereich erreicht wird.
Neben den bisher ausgeführten sinusförmigen Magnetisierungen des Permanentmagnetmaterials ist es auch möglich, beliebige Strangflussverkettungen (Grundschwingungen mit Harmonischen) zu realisieren. Analog zu der Realisierung der Sinusfunktion müssen die winkelabhängigen Magnetisierungsflächen entsprechend der geforderten Flussverkettung bewertet werden. Für die Berechnung der nichtsinusförmigen Flussverkettung kann wiederum das oben angeführte Integral der Flussdichte zum Einsatz kommen.
Für die nichtsinusförmigen Flussverkettungen lassen sich oberschwingungsbehaftete Strangströme berechnen, die auch zu einem winkelunabhängigen Drehmoment führen.
Die Magnetisierung der vorgestellten Permanentmagnetmaterialien kann durch entsprechend ausgeführte Magnetisierungsvorrichtungen mit geformten ferromagnetischen Pol- oder Teilpolschuhen bzw. nicht ferromagnetischen Pol- oder Teilpolschuhen (z. B. Luftspulen) erfolgen. Hierbei kann die gesamte Magnetisierung in einem Kondensator-Entladezyklus erfolgen, es können jedoch auch die Pole oder auch die partiellen Flächen der Teilpole in einzelnen Schritten magnetisiert werden.

Stator

Im Folgenden wird auf die Wicklungen des Antriebes eingegangen, die gemeinsam mit den vorgeschlagenen Magnetisierungen im wesentlichen sinusförmige Flussverkettungen bewirken.
Fig. 16 zeigt für einen Außenläufermotor einen mechanisch und elektrisch sehr einfachen Aufbau einer dreischenkligen Statorwicklung 71 mit Spulen 72a, 72b, 72c, die auch gleichzeitig die drei Motorstränge bilden. Der dreischenklige Stator mit konzentrierter Wicklung eignet sich für einen zweipoligen Permanentmagnetrotor. Die sinusförmigen Strangströme oder -spannungen werden vorteilhafterweise rotorwinkelabhängig eingeprägt. Die Winkelerkennung kann hierbei in bekannten Weise über entsprechende Sensoren oder sensorlos durch Auswertung der elektrischen Stranggrößen erfolgen.
Analog können auch Statorwicklungen mit vier, fünf, sechs oder mehr gleich- oder ungleichförmig über den Umfang von 360 Grad verteilten Schenkeln gebildet werden, die ebenfalls konzentrierte Wicklungen tragen, oder Spulen aufweisen, die mehrere Schenkel einschließen. Ab der Schenkelzahl vier sind auch Kombinationen mit vierpoligen Rotoren, ab der Schenkelzahl sechs auch Kombinationen mich sechspoligen Rotoren realisierbar. Hierbei kann jeweils zwischen einsträngigen Wechselfeldmotoren und mehrsträngigen Drehmotoren unterschieden werden.
Fig. 17 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Variante mit vier Schenkeln 132a, 132b, 132c, 132d, mit vier konzentrierten Spulen 131a, 131b, 131c, 131d, die gegebenenfalls durch bifilar gewickelte Spulen 133a, 133b, 133c, 133d (nur angedeutet) ergänzt werden können. Elektrisch ergeben sich verschiedene Betriebsvarianten, beispielsweise:

- ein einsträngiger Motor mit vier in Serie verschalteten Spulen 131a, 131b, 131c, 131d, mit einem vierpoligem Permanentmagnetrotor und mit einer Halbbrücke oder einer Vollbrücke als elektrische Ansteuerung,
- ein zweisträngiger Motor mit jeweils in Serie verschalteten Spulen 131a, 131b, 131c, 131d und 133a, 133b, 133c, 133d, mit vierpoligen Magneten und mit zwei elektrischen Einzelschaltern (bifilare Ansteuerung)
- ein zweisträngiger Motor mit je zwei in Serie verschalteten Spulen 131a, 131d und 131b, 131c, mit einem zweipoligem Permanentmagnetmotor und zwei Halbbrücken oder zwei Vollbrücken als elektrische Ansteuerung
- ein viersträngiger Motor mit jeweils in Serie verschalteten Spulen 131a, 133d; 131d, 133a; 131b, 133c und 131c, 133b, mit einem zweipoligem Magneten und vier elektrischen Einzelschaltern (bifilare Ansteuerung)

In Fig. 18 ist beispielhaft das Wicklungsschema für eine Durchmesser-Drehfeldwicklung 81 und in Fig. 19 eine verteilte und gesehnte Drehfeldwicklung 82 angegeben, die wahlweise nutenlos oder genutet ausgeführt werden kann.
Für ein gleichförmiges, möglichst winkelunabhängiges Drehmoment eines Drehfeldantriebs ist bei sinusförmiger Strangflussverkettung die Einprägung sinusförmiger elektrischer Spannungen oder Ströme erforderlich. Bei Wechselfeldmotoren ist ein winkelunabhängiges Wicklungsmoment im allgemeinen nicht möglich. Dennoch wirken sich sinusförmige Spannungen sehr günstig auf das Geräusch aus.
Eine vorgeschlagene kostengünstige Wicklungsvariante im Zusammenhang mit dem Permamentmagnetmotor ist in Fig. 20 dargestellt. Hier handelt es sich um bifilar gewickelte Spulen bzw. Stränge 91, 92 des Motors (dargestellt, beispielhaft nur zwei), die jeweils nur über einen elektrischen Schalter 93, 94 angesteuert werden. Ein Antrieb kann mehrere solcher gewickelter Spulen enthalten.
Bei Wicklungen, die nicht symmetrisch zu den Hauptachsen der Statorebene sind (z. B. drei- oder fünfschenklige Statorwicklung), treten am Stator und am Rotor radiale Zugkraftkomponenten auf, die sich nicht - über den Umfang integriert - kompensieren. Insbesondere für Antriebe mit einem begrenzten Drehzahlbereich oder weitgehend konstanter Drehzahl, wie dies in vielen Fällen bei Lüftern oder Pumpen der Fall ist, wird vorgeschlagen, die umlaufende Radialkraftkomponente durch Aufbringen oder Abtragen zusätzlicher Wuchtmassen zu kompensieren. Im Gegensatz zu den geschalteten 3T- Ankern in Gleichstrommotoren verursacht die umlaufende Radialkraftkomponente bei sinusförmiger Speisung keine nennenswerten Geräusche, da der resultierende Kraftvektor nicht springt.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungen.

Claims

1. Wechsel- oder Drehfeldsynchronantrieb mit einem elektromagnetischen Stator (1) und einem Permanentmagnetrotor (2) dessen Permanentmagnetmaterial in Form eines oder mehrerer band-, ring-, segment- oder scheibenförmigen Werkstücke am Rotor angebracht sind, wobei in dem aus mindestens einem Werkstück gebildeten Permanentmagnetmaterial (10) mindestens zwei Pole (31, 32) so durch mindestens eine kontinuierlich oder unterbrochen verlaufende Polgrenze (30) magnetisch abgetrennt oder durch eine Anordnung von magnetisch sich unterscheidenden Teilflächen bzw. Teilvolumina (61, 61) gebildet werden, und wobei die Statorwicklungen (72) so angeordnet sind, dass sich bei einer Drehung des Rotors durch Kopplung des permanentmagnetischen Flusses mit den Antriebsträngen in den Antriebsträngen sinusförmige Flussverkettungen mit überlagerten Harmonischen ergeben.

2. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach Anspruch 1, wobei die Harmonischen gegenüber der Grundschwingung der Flussverkettung weitgehend oder ganz vernachlässigbar sind.

3. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mindestens ein permanentmagnetisches Werkstück den Rotorumfang von annähernd oder exakt 360 Grad umschließt und somit in dem Werkstück keine mechanische Aufteilung in einzelne durch Spalte räumlich getrennte ganzheitliche Polsegmente vorliegt.

4. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mindestens zwei permanentmagnetische Werkstücke einen Rotorumfangsbogen von insgesamt weniger als 360 Grad umschließen und somit eine mechanische Aufteilung in einzelne durch Spalte räumlich getrennte ganzheitliche Polsegmente vorliegt.

5. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in dem Permanentmagnetmaterial zumindest in einem Winkelbereich die Pole (31, 32) überlappen.

6. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in dem Permanentmagnetmaterial in keinem Winkelbereich die Pole (51, 52) überlappen.

7. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in dem Permanentmagnetmaterial bis auf eventuelle Übergänge in der Umgebung der Polgrenzlinien nahezu alle Abschnitte magnetisiert sind.

8. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in dem Permanentmagnetmaterial mindestens ein Teilabschnitt (53) nicht magnetisiert ist.

9. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in dem Permanentmagnetmaterial Pole über zumindest einen Teil der Polfläche gleichförmig (31, 32, 51, 52) magnetisiert sind.

10. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in dem Permanentmagnetmaterial Pole über zumindest einen Teil der Polfläche wechselförmig (61, 62), d. h. mit unterschiedlichen Richtungen magnetisiert sind.

11. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in dem Permanentmagnetmaterial Pole über zumindest einen Teil der Polfläche nicht magnetisierte Teilbereiche (63) aufweisen.

12. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in dem Permanentmagnetmaterial mindestens ein Werkstück entlang der Polgrenzlinie bzw. entlang der Teilpolgrenzlinie oder in deren Umgebung mindestens eine mechanische Trennstelle hat.

13. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die magnetischen Pol- bzw. Teilpolgrenzlinien um Magnetmaterial so verlaufen, dass die mit den Strängen i(1 . . . m) verketteten Flüsse

zumindest annähernd sinusförmige Verläufe annehmen, wobei m die Strangzahl des Stators, ä der Drehwinkel des Rotors, dh infinitesimal kleine Höhenabschnitte und rdφ infinitesimal kleine Bogenabschnitte des Statorumfangs und B(h(φ), φ, δ) die zugehörige Flussdichte an der luftspaltseitigen Statoroberfläche sind, die Winkel φ_1i, φ_2i die mittlere wirksame Polweite eines Stranges begrenzen und h₁, h₂ die Begrenzungshöhen der Statorwicklung bzw. des zugehörigen Statorblechpakets darstellen und mit dem Faktor k(δ) die Streueinflüsse des Magnetkreises berücksichtigt sind.

14. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Polgrenzlinien (30, 54, 55, 56, 57) zumindest annähernd sinusförmigen Verläufen folgen.

15. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Flächenintegral der Luftspaltflussdichte über den Rotorumfang zumindest annähernd eine Sinusfunktion ergibt.

16. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator zumindest eine konzentrierte Wicklung trägt.

17. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator mindestens eine verteilte, gesehnte oder verteilte und gesehene Wicklung trägt.

18. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator als dreischenkliger Stator (71) mit drei konzentrierten Spulen (72a, 72b, 72c) aufgebaut ist.

19. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator als vierschenkliger Stator mit vier konzentrierten Spulen aufgebaut ist.

20. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator als fünfschenkliger Stator mit fünf konzentrierten Spulen aufgebaut ist.

21. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator als sechsschenkliger Stator mit sechs konzentrierten Spulen aufgebaut ist.

22. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator allgemein als s-schenkliger Stator mit s konzentrierten Spulen aufgebaut ist, wobei s eine natürliche Zahl größer zwei ist.

23. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator mit Zähnen und Nuten mit darin enthaltenen ungesehnten, gesehnten oder/und verteilten Spulen aufgebaut ist.

24. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Statorwicklung nutenlos ausgeführt ist.

25. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wicklungen zu einem Strang verschaltet sind.

26. Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wicklungen zu zwei Strängen verschaltet sind.

27. Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wicklungen zu drei Strängen verschaltet sind.

28. Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wicklungen zu m Strängen verschaltet sind wobei m kleiner gleich der Spulenzahl ist.

29. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Stränge mit sinusförmigen Spannungen gespeist werden.

30. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Stränge mit sinusförmigen Strömen gespeist werden.

31. Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Stränge mit einem der Strangzahl entsprechenden Drehstrom- bzw. Drehspannungssystem gespeist werden.

32. Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Stränge mit einem der Strangzahl entsprechenden symmetrischen Drehstrom- bzw. Drehspannungssystem gespeist werden.

33. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Rotor zweipolig magnetisiert ist.

34. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Rotor vierpolig magnetisiert ist.

35. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Rotor sechspolig magnetisiert ist.

36. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Rotor n-polig magnetisiert ist, wobei die Zahl n geradzahlig und gleich der Wicklungspolzahl ist.

37. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Spulen (91, 92) der Wicklung bifilar ausgeführt werden.

38. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die bifilar gewickelten Spulen mit jeweils nur einem elektrischen Schalter (93, 94) pro Spule betrieben werden.

39. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei insbesondere bei einem unsymmetrischen Wicklungsaufbau die bei Bestromung auftretenden umlaufenden Radialkräfte für einen begrenzten Drehzahlbereich durch Aufbringen oder Abtragen zusätzlicher Wuchtmassen zumindest teilweise kompensiert werden.

40. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei insbesondere bei einem unsymmetrischen Wicklungsaufbau die bei Bestromung auftretenden umlaufenden Radialkräfte durch zusätzlich zu den in den Strängen eingeprägten Motorstromkomponenten Radialkraftstromkomponenten so überlagert werden, dass die umlaufenden Radialkräfte weitgehend kompensiert werden.

41. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Antrieb als Innenläufer, Außenläufer oder Scheibenläufer ausgeführt ist.

42. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Antrieb aus einem zweipoligen Motor mit einem dreischenkligen Stator mit drei konzentrierten Wicklungen und somit drei Strängen besteht.

43. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Antrieb aus einem zweipoligen Motor mit einem vierschenkligen Stator mit vier konzentrierten Wicklungen besteht, wobei zwei gegenüberliegende Wicklungen gleichsinnig zu jeweils einem Strang zusammengeschaltet werden, sodass insgesamt zwei Stränge entstehen.

44. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Antrieb aus einem zweipoligen Motor mit einem vierschenkligen Stator mit vier konzentrierten bifilaren Wicklungen besteht, wobei zwei gegenüberliegende Teilwicklungen gleichsinnig zu jeweils einem Strang zusammengeschaltet werden, sodass insgesamt vier Stränge entstehen.

45. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jeder Strang mit jeweils nur einem elektrischen Schalter betrieben wird.

46. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgenommen Anspruch 2, wobei sich die Magnethöhe (101) des Permanentmagnetmaterials (10) in radialer Richtung winkelabhängig so ändert, insbesondere annähernd sinusförmig ändert, dass eine nahezu sinusförmige Strangflussverkettung entsteht.

47. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgenommen Anspruch 2, wobei sich die Ringbreite (111) bzw. der Durchmesser des Permanentmagnetmaterials (10) in radialer Richtung winkelabhängig so ändert, dass eine nahezu sinusförmige Strangflussverkettung entsteht.

48. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgenommen Anspruch 2, wobei die links- und rechtsseitigen magnetischen Polgrenzlinien im Magnetmaterial so verlaufen, dass die mit den Strängen i(1 . . . m) verketteten Flüsse

von der Sinusform abweichende Verläufe annehmen, wobei m die Strangzahl des Stators, δ der Drehwinkel des Rotors, dh infinitesimal kleine Höhenabschnitte und rdφ, infinitesimal kleine Bogenabschnitte des Statorumfangs und B(h(φ), φ, δ) die zugehörige Flussdichte an der luftspaltseitigen Statoroberfläche sind, die Winkel φ_1i, φ_2i die mittlere wirksame Polweite eines Stranges begrenzen und h₁, h₂ die Begrenzungshöhen der Statorwicklung bzw. des zugehörigen Statorblechpakets darstellen und mit dem Faktor k(δ) die Streueinflüsse des Magnetkreises berücksichtigt sind.

49. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgenommen Anspruch 2, wobei die durch die Harmonischen der Flussverkettungen verursachten Drehmoment- oder Kraftschwankungen und daraus gegebenenfalls resultierenden Geräusche durch Hinzufügen von geeigneten Strom- bzw. Spannungsharmonischen kompensiert oder zumindest reduziert werden.

50. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Antrieb mit Winkelmesssensoren ausgestattet ist und somit die Erfassung der Rotorwinkellage mit Sensoren, insbesondere mit Sensoren beruhend auf magnetischen oder optischen Prinzipien, erfolgt.

51. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Winkelmessung der Rotorlage über ein Messglied für die Erkennung des Rotorpolwechsels, insbesondere mit einem Hall-IC mit digitalem Ausgang erfolgt und die Winkelzwischenwerte, insbesondere durch Schätzung oder Beobachtung der Winkelgeschwindigkeit, über einen Mikroprozessor berechnet werden.

52. Wechsel- oder Drehfeldantrieb nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Winkelmessung der Rotorlage über die Auswertung der elektrischen Stranggrößen und somit sensorlos erfolgt.