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Elektromagnetisches System, insbesondere für einen Gleichstrommotor
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches System mit permanenter Felderregung,
insbesondere für einen Gleichstrommotor.
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Es ist bekannt, elektromagnetische Systeme, insbesondere für zweipolige
Gleichstrommotoren, so aufzubauen, daß im Stator zwei Permanentmagnete angeordnet
sind, deren Fluß parallel zwei gemeinsame, weichmagnetische Polschuhe durchdringt.
Durch diese parallele Anordnung der Permanentmagnete läßt sich der in den Rotor
dringende Fluß und damit die Leistung der Maschine verdoppeln.
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Bei dieser bekannten Anordnung ist jedoch nachteilig, daß eine hohe
magnetische Spannung am gesamten, durch die Polschuhe gebildeten Statorrahmen liegt.
Daher sind bei dieser Anordnung die Streuflüsse sehr aroß und der Wirkungsgrad der
Maschine ist dementsprechend klein. Außerdem ist nachteilig, daß der Stator, besonders
bei Verwendung der neuen Oxydmagnete, in einer Richtung ungewöhnlich langgestreckt
ist. Hinzu kommt noch, daß die Anordnung von Wendepolen, wie bei gewissen Gleichstrommotoren
erforderlich, erschwert ist.
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Diese Nachteile werden vermieden, indem erfindungsgemäß ein elektromagnetisches
System, insbesondere für einen Gleichstrommotor, vorgesehen ist, das einen Stator
und einen Rotor enthält, in dem im Stator Permanentmagnete angeordnet sind, deren
Fluß parallel den gemeinsamen Polschuh durchdringt, dadurch gekennzeichnet, daß
der Rotor, die Polschuhe und die Permanentmagnete von einem gegebenenfalls geschlossenen,
z. B. im wesentlichen rechteckigen oder quadratischem Statorrahmen aus magnetisch
leitendem Stoff umgeben sind und die Permanentmagnete mit deren Polflächen direkt
am Statorrahmen bzw. an den Polschuhen anliegen und daß am gleichen Polschuh anliegende
Permanentmagnete einen von 180° verschiedenen Winkel miteinander bilden. Durch die
parallele Anordnung der Permanentmagnete und durch die Vermeidung der aufgezählten
Nachteile der bekannten Anordnung lassen sich insbesondere Gleichstrommotoren bauen,
die eine ungewöhnlich große Leistung und hohen Wirkungsgrad aufweisen. Diese eignen
sich besonders für Leistungen von mehr als 200 Watt. Die Verbesserung gegenüber
der bekannten Anordnung besteht zum Teil darin, daß erfindungsgemäß keine oder nur
eine geringe magnetische Spannung am Statorrahmen liegt und daß dadurch der Streufluß
wesentlich erniedrigt ist. Zum anderen Teil besteht die Verbesserung darin, daß
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Konstruktion vie kleiner und kompakter als die
bekannte Anordnung ist. Weitere Vorteile sind aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.
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Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind an Hand der
Zeichnungen näher beschrieben.
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Fig. 1. zeigt einen Schnitt durch einen zweipoligen Gleichstrommotor;
Fig. 2 ist der Schnitt A -A der Fig. 1; Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch
einen vierpoligen Gleichstrommotor; Fig. 4. zeigt einen Schnitt durch einen zweipoligen
Gleichstrommotor mit Magnetisierungsspulen, Wendepolen und Kompensationswicklungen;
Fig. 5 zeigt einen Polschuh mit Schlitzen; Fig. 6 ist ein Schnitt durch einen zweipoligen
Gleichstrommotor mit nur zwei Permanentmagneten. Der Gleichstrommotor der Fig. 1
besteht aus einem Stator 1 und einem Rotor 2. Im Stator 1 sind vier Permanentmagnete
3, 4, 5 und 6 so angeordnet, daß ihre Polflächen direkt an dem, im Schnitt quadratförmigen
Statorrahmen 7 bzw. an den Polschuhstücken 8, 9, 10 und 11 anliegen. Der Rotor 2
besteht aus der Welle 12, dem Blechpaket 13 mit Nuten 14 und Zähnen 15. Die Ankerwicklung
ist in Fig. 1 nicht gezeigt. Die beiden Polschuhstücke 8 und 9 bilden den einen
gemeinsamen Polschuh und die beiden Polschuhstücke 10 und 11 den anderen gemeinsamen
Polschuh. Sie können natürlich auch aus einem Stück gefertigt sein. Die Spalte 16
und 17 sind hauptsächlich deswegen vorgesehen, um die Flußverdrängung in den Polschuhen
durch Ankerquerfelder zu erschweren. Die vier Permanentmagnete 3, 4, 5 und 6 sind
so magnetisiert, wie durch die Symbole N und S angedeutet. Die beiden Permanentmagnete
3 und 4 bzw. 5 und 6 sind parallel zueinander angeordnet.
Durch
diese parallele Anordnung ist der in den Rotor dringende Fluß und somit die Leistung
des Motors etwa verdoppelt.
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Am Statorrahmen 7 liegt keine oder nur eine geringe magnetische Spannung.
Daher zeichnet sich die Anordnung der Fig. 1 durch einen wesentlich kleineren Streufaktor
und einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als die erwähnte, bekannte Anordnung aus.
Der Statorrahmen 7 braucht nicht geschlossen zu sein. Er kann an den Kanten 18 und
19 geöffnet sein, denn an diesen Stellen Hießt kein Fluß im Statorrahmen
7, da sich z. B. die Stellen 20 und 21 auf gleichem magnetischen Potential befinden.
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In Fig. 2 ist die Ankerwicklung 22 angedeutet. An den beiden Endplatten
23 und 24 können die Bürsten, Lager usw. (nicht gezeigt) befestigt sein. Wie aus
Fig.1 und 2 zu ersehen ist, sind die Polschuhstücke 8, 9, 10 und 11 in allen vier
Richtungen auf den Rotor zu verjüngt. Dadurch wird erreicht, daß der aus den Permanentmagneten
3, 4, 5 und 6 austretende Fluß auf den Rotor hin konzentriert wird. Es läßt sich
so die Flußdichte mehr als verdoppeln. In einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Konstruktion beträgt die Luftspaltflußdichte 7000
Gauß, ist also drei- bis sechsmal größer als die der zur Zeit weit verbreiteten
Gleichstrommotoren mit Oxydmagneten.
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Der Statorrahmen 7 besteht aus einem magnetisch gut leitendem Stoff,
wie z. B. Weicheisen oder einem Stahl mit relativ niedrigem Kohlenstoffgehalt. Die
Permanentmagnete 3, 4, 5 und 6 bestehen z. B. aus Strontiumferritmagnete. Sie haben
vorzugsweise die Form von technischen Quadern, denn derartige Permanentmagnete lassen
sich nur in dieser Form billig und mit ausgezeichneten Eigenschaften herstellen.
Sie sind vorzugsweise stark anisotrop und entlang ihrer magnetischen Vorzugsrichtungen
magnetisiert. Als Permanentmagnete eignen sich jedoch auch andere Stoffe, wie z.
B. eine Pt-23 11/o-Co-Legierung, sowie die bekannten Alnicolegierungen.
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Die Polschuhstücke 8, 9, 10 und 11 bestehen aus einem magnetisch gut
leitenden Stoff. Vorzugsweise wird hierfür Sintereisen verwendet, doch eignen sich
auch geschmiedete oder bearbeitete Eisen- oder Stahlstücke oder, sofern auf eine
Verjüngung in axialer Richtung verzichtet wird, übliche Blechpakete. Die Endplatten
23 und 24 können gegebenenfalls auch aus einem magnetisch gut leitenden Stoff gefertigt
sein. Dadurch wird dann erreicht, daß ein Teil des Rückflusses, durch die Endplatten
23 und 24 fließt. Der Motor läßt sich dann verkleinern, weil die Wandstärke des
Statorrahmens 7 in diesem Fall dünner gewählt werden kann.
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Der Zusammenbau des Motors der Fig. 1 und 2 erfolgt z. B. folgendermaßen:
Ein Stück Vierkantrohr wird für den Statorrahmen 7 abgeschnitten. Die vier Permanentmagnete
3, 4, 5 und 6 werden auf Maß an ihren unmagnetisierten Polflächen geschliffen. Die
anderen vier Flächen jedes Permanentmagneten bleiben ungeschliffen. Die vier Polschuhstücke
8, 9, 10
und 11 aus Sintereisen werden auf Maß nachgepreßt. Danach
werden die Permanentmagnete am Statorrahmen und die Polschuhstücke an den Permanentmagneten
durch Verklebung, Umspritzung usw. bebefestigt. Auf diese Weise läßt sich der Stator
besonders billig herstellen. Nötigenfalls wird der Statorinnendurchmess.er dann
auf genaues Maß abgedreht.
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Die Durchführung der Magnetisierung hängt von der Art der Permanentmagnete
und von der Größe des Motors ab. Bei Permanentmagneten mit hoher Koerzitivkraft
und konstanter differentieller Permeabilität und bei kleineren Motoren lassen sich
die Permanentmagnete vor dem Einbau in den Stator magnetisieren. Bei Permanentmagneten
mit einem Knick in der Magnetisierungskurve und bei kleineren Motoren erfolgt die
Magnetisierung der Permanentmagnete am besten nach dem Zusammenbau des Stators,
um eine teilweise bleibende Entmagnetisierung der Permanentmagnete zu vermeiden,
und vor dem Einbau des Rotors in den Stator. Dies hat außerdem den Vorteil, daß
der Statorrahmen 7 aus einem magnetisch relativ harten Stoff, wie z. B. Werkzeugstahl,
bestehen kann, denn dieser wird in diesem Fall mit magnetisiert.
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Bei größeren Motoren werden Magnetisierungsspulen an den einzelnen
Permanentmagneten bleibend befestigt, der Rotor wird in den unmagnetisierten Stator
eingeschoben und erst dann werden die Permanentmagnete magnetisiert. Auf diese Weise
treten die großen magnetischen Kräfte zwischen Stator und Rotor erst nach dem Zusammenbau
von Stator und Rotor auf. Zusätzlich bietet die Anbringung bleibender Magnetisierungsspulen
den Vorteil, daß dadurch das System an-, um- oder abschaltbar ausgebildet ist. Das
Auseinandernehmen von Rotor und Stator erfolgt bei größeren Motoren erst nach wenigstens
teilweiser Entmagnetisierung der Permanentmagnete mittels der bleibend angebrachten
Magnetisierungsspulen. Um den Zusammenbau bzw. Ausbau bei nicht entmagnetisierten
Permanentmagneten zu vereinfachen, können keilförmige Eisenstücke in die Spalte
25 und 26 der Fig. 1 vor dem Zusammen-bzw. Ausbau eingeschoben werden. Diese schließen
die beiden Polschuhe magnetisch kurz und verringern somit wesentlich die magnetische
Kraft zwischen Stator und Rotor, die nach dem Magnetisieren der Permanentmagnete
in Erscheinung tritt.
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Nach der erfindungsgemäßen Konstruktion lassen sich auch vier-, sechs-
und höherpohge Systeme herstellen, wobei immer der Fluß je zweier Permanentmagnete
parallel einen gemeinsamen Polschuh durchdringt. Der gemeinsame Polschuh kann aus
mehreren Stücken oder aus einem Stück bestehen, wie z. B. in der Anordnung der Fig.
3 gezeigt ist. In dieser Anordnung sind im Stator 27 acht Permanentmagnete 28 bis
35 vorgesehen. Der Fluß je zweier Permanentmagnete durchdringt parallel je einen
gemeinsamen Polschuh. Zum Beispiel durchdringt der Fluß der Permanentmagnete 28
und 29 parallel den gemeinsamen Polschuh 36. Die acht Permanentmagnete liegen mit
ihren Polflächen direkt am Statorrahmen 37 bzw. an den gemeinsamen Polschuhen auf.
Der Statorrahmen 37 besteht aus einem Stück Achtkantrohr. Der Rotor 38 enthält entsprechend
der höherpoligen Anordnung mehr Nuten 39 als der Rotor der Fig. 1. Die Anordnung
der Fig. 3 erweist sich meistens als vorteilhafter als die der Fig. 1, wenn der
Rotordurchmesser mehr als 150 mm beträgt.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Konstruktion erlaubt es auch Wendepole
und Kompensationswicklungen anzubringen, wie sie für das Arbeiten einiger größerer
Maschinen erforderlich sind. Die zweipolige Anordnung der Fig. 4 besteht aus einem
Stator 40 und einem Rotor 41 und entspricht im Prinzip der der Fig. 1 und 2. Zwischen
den gemeinsamen Polschuhen 42 und 43, durch die der Fluß der Permanentmagnete
44
und 45 bzw. 46 und 47 parallel dringt, sind Wendepole mit Kernen 48 und 49 und Wendepolspulen
50 und 51 angeordnet. In den gemeinsamen Polschuhen 42 und 43 sind Kompensationswicklungen
64 und 65 vorgesehen. Die Wendepolspulen 50 und 51 und die Kompensationswicklungen
64 und 65 sind fremderregt undioder mit der Ankerwicklung verbunden. An den vier
Permanentmagneten sind Magnetisierungsspulen 52, 53, 54 und 55 bleibend befestigt.
Durch die Kante 56 dringt (im Gegensatz zu den Kanten 18 und 19 der Fig. 1) ein
Fluß, der von den Wendepolen herrührt.
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In einer Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Konstruktion sind
Schlitze oder Löcher in den Polschuhen vorgesehen. Die Schlitze und Löcher in den
Polschuhen verlaufen in Längsrichtung parallel zur Rotorachse. Die Schlitze verlaufen
in Querrichtung etwa radial. Dadurch läßt sich die Leistung der Maschine noch weiter
erhöhen. Die seitliche, durch Ankerquerfelder hervorgerufene Flußverdrängung in
den Polschuhen wird so weitgehend erschwert. Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße
Anordnung der Schlitze 57 in einem Polschuh 58, der z. B. in der Maschine der Fig.
4 verwendet werden kann. Der Polschuh 58 kann gegebenenfalls aus einem Blechpaket
bestehen, wobei die Schlitze und Öffnungen im einzelnen Blech ausgestanzt sind.
Schrauben zum Zusammenhalten des Blechpaketes können durch die Schlitze und Öffnungen
geführt werden.
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Eine besonders einfache Ausführung der erfindungsgemäßen Konstruktion
ist aus Fig. 6 zu ersehen. Es sind nur zwei Permanentmagnete 59 und 60 vorgesehen,
deren Fluß parallel den gemeinsamen Polschuh 61 durchdringt. Der Statorrahmen 62
besteht aus einem Bügel, der gegebenenfalls durch eine mechanische Verformung auf
genaues Maß gebracht wird und der gleichzeitig den zweiten Pol 63 bildet.
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In einigen Anwendungen der Erfindung ist es notwendig, daß der von
den Permanentmagneten ausgehende, in den Rotor dringende Fluß unabhängig von der
Betriebstemperatur konstant bleibt. Zum Beispiel soll somit die Drehzahl eines Motors
konstant gehalten werden. Bekanntlich nimmt der Fluß aller Permanentmagnete mit
der Temperatur ab. Für diese Anwendungen wird vorgeschlagen, daß ein magnetischer
Nebenschluß aus einer Temperaturkompensationslegierung, z. B. aus einer Fe-301/o-Ni-Legierung,
an wenigstens einem Permanentmagneten angebracht wird. Zum Beispiel können zwei
keilförmige Stücke aus der Temperaturkompensationslegierung in die Spalte 25 und
26 der Fig. 1 eingeschoben werden. Eine andere erfindungsgemäß vorgeschlagene Art
der Temperaturkompensation besteht darin, daß ein Thermistor in Reihe mit der Ankerwicklung
geschaltet wird. Ein Thermistor ist ein Widerstand, der mit der Temperatur abnimmt.
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In einer Weiterentwicklung des Prinzips der Erfindung wird vorgeschlagen,
daß der Fluß dreier Permanentmagnete parallel durch je einen gemeinsamen Polschuh
geleitet wird. Dies läßt sich bei einer zweipoligen Ausführung z. B. so erreichen,
daß sechs Permanentmagnete vorgesehen sind, von denen je drei mit gleichnamigem
Pol an einem gemeinsamen Polschuh liegen. Je zwei der Permanentmagnete können dabei
aus einem Stück gefertigt werden, das je zur Hälfte umgekehrt magnetisiert ist.
Außer den Gleichstrommotoren läßt sich die erfindungsmäßig vorgeschlagene Konstruktion
natürlich auch bei vielen anderen elektromagnetischen Systemen anwenden. Es können
nach dem gleichen Prinzip Gleichstromgeneratoren, andere elektrische Maschinen,
Wirbelstrombremsen, Wirbels.tromkupplungen, Synchronkupplungen usw. gebaut werden.
Der hier mit Stator bezeichnete Teil kann sich drehen und der hier mit Rotor bezeichnete
Teil kann feststehen. Bei Wirbelstrom- und Synchronkupplungen nach dem Prinzip der
Erfindung drehen sich sowohl Stator als auch Rotor.