DE2031806A1 - Elektrische Maschine - Google Patents

Description

P AT EN T AN W Ä L TE ■ DipUng, MARTIN LICHT

PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN, HERRMANN Dl". R E I NH O L D SCHMIDT

8 MDNCHEN 2 · TH E RES I ENSTRASSE 33

Dipl.-Wirtsch.-lng. AXE L H A N S M A N N 2031806 Dipl.-Phys. SEBASTIAN HERRMANN

Mönchen, den 26. Juni 1970

Ihr Zeichen Unser Zeichen

IMG MAGNETICS CORP
WESTBURY, NEW YORK, 570 MAIN STREET,
V. St. A.

ELEKTRISCHE MASCHINE

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf eine verbesserte elektrische Maschine und insbesondere auf eine Vorrichtung dieser Art, welche sich als Schrittmotor zur Ausführung kleiner, diskreter Schrittoperationen oder als Asynchrongenerator zum Erzeugen hoher Frequenzen eignet. In einer als Beispiel gedachten Ausführungsform dieser Erfindung, nämlich bei einem synchron arbeitenden Schrittmotor, sind 200 diskrete Schritte, welche jeweils einem Winkel von 1,8 Grad entsprechen, vorgesehen. Die Erfindung kann aber auch für irgendeine andere Anzahl von Schritten ausgelegt werden· Die vorliegende Erfindung

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stellt eine Verbesserung gegenüber dem in der USA-Patentschrift 3 428 837 beschriebenen Motor dar. Der konstruktive Aufbau kann mit Ausnahme der hier erläuterten speziellen Verbesserungen so sein« wie dies in der oben erwähnten Patentschrift erläutert ist.

Die Verbesserungen in der dieser Erfindung zugrundeliegenden Vorrichtung beziehen sich auf die Konstruktion des Rotors, auf die Anordnung und Montage von Rotor, Stator und Gehäuse und auf die Anordnung der Pole und Wicklungen des Stators· Obgleich die hier als Beispiel beschriebene Ausführungsform ein Schrittmotor ist, kann die vorliegende Erfindung auch in Verbindung mit Generatoren, so wie oben erwähnt, verwirklicht werden·

Bei Schrittmotoren ist es hinsichtlich der Rotoranordnung natürlich wünschenswert, eine möglichst große Anzahl von Einzelschritten vorzusehen, wobei jede Schrittoperation exakt ausgeführt werden können soll. In Motoren dieser Art werden die Flächen der Statorpole mit axial verlaufenden Zähnen versehen. Der Rotor weist ebenfalls eine Zahnung auf, die sich in der Nähe der Zahnung der Statorpole bewegt. Zur Realisierung einer gewünschten Anzahl von Einzelschritten muß eine bestimmte Anzahl von Zähnen auf dem Rotor vorgesehen werden. Andererseits wird aber auch angestrebt, den Rotor verhältnismäßig klein und kompakt zu halten. Die Trägheit des Rotors spielt nämlich bei Schrittmotoren dieser Art eine sehr wichtige Rolle. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Massenträgheit in solchen elektrischen Maschinen zu verringern. In der vorliegenden, als Beispiel zu betrachtenden Ausführungsform

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dieser Erfindung wird diese Aufgabe mit Hilfe einer speziellen Rotorkonstruktion und einer ganz bestimmten Anordnung von Stator, Rotor ..und Motorgehäuse gelöst. Der Motor enthält einen zylindeiförmigen Permanentmagneten, der in axialer Richtung magnetisiert ist. Es ist nur ein Polschuh vorgesehen, welcher den Rotor bildet. Dieser Rotor besitzt einen Kragen, der in axialer Richtung dieselbe Abmessung aufweist wie die Polflächen des Stators. Ferner ist auf dem Kragen eine Zahnung angebracht. Der zylinderförmige Magnet ist an einer Endabdeckung des Motorgehäuses befestigt und dreht sich nicht· Der magnetische Kraftflußweg verläuft über einen Statorpol, den Rotor, den Magnet und einen Teil des Motorgehäuses. Auf diese Weise wird die Zahl der rotierenden Teile von drei auf eins verringert. Die Massenträgheit geht dadurch entsprechend zurück und die Brauchbarkeit des Motors wird in gleicher Weise erhöht. Der selbe Effekt kann in der oben beschriebenen Weise auch bei Generatoren erzielt werden.

Die Erfindung läßt sich wie folgt zusammenfassen:

Es ist eine elektrische Maschine vorgesehen, welche als Synchronmotor oder als eine Art Asynchrongenerator arbeiten kann. Beim Betrieb als Synchronmotor wird die Vorrichtung als Schrittmotor benutzt. Beim Betrieb als Asynchrongenerator steht die Erzeugung hoher Frequenzen im Vordergrund. In beiden Fällen ist die Massenträgheit stark herabgesetzt. Ua dies zu erreichen, wird ein zylindrischer Permanentmagnet axial versetzt von den Statorpolen angeordnet. Er ist an einem Ende des Maschinengehäuses befestigt und rotiert nicht_o Der. Rotor selbst stellt einen Polschuh mit einem Kragen dar, welcher teleskopartig zwischen

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den Statorpolen und dem Permanentmagnet über diesen Permanentmagnet greift. Der magnetische Kreis verläuft über den Polschuh, den Magnet, einen Teil des Gehäuses und die Statorpole. Der Luftspalt kann axial-oder radial angeordnet und der Rotor kann freitragend an einem Ende des Gehäuses befestigt sein. Auf diese Weise verringert sich die Anzahl der rotierenden Teile von drei auf eins, was eine entsprechende Reduzierung der Massenträgheit zur Folge hat.

Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen dienen zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des der vorliegenden Erfindung entsprechenden elektrischen Motors;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform dieses Motors, wobei durch eine . Weicheisenscheibe auf dem Ende des Magneten ein radial verlaufender Luftspalt vorgesehen werden kann;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Motor von Fig. i, wobei aber eine freitragende Lagerung des Rotors gegeben ist; und

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Motor von Fig. 2, wobei eine freitragende Lagerung ebenfalls gegeben ist.

Es soll nun auf Fig. i Bezug genommen werden. Der als Beispiel gezeigte Motor besteht aus einem im allgemeinen

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zylindrischen, magnetisch leitenden Gehäuse 10. Die rechte Seite des Gehäuses weist eine vorspringende Nabe 12 und eine sich nach innen erstreckende Nahe 13 auf. In diesem Gehäuseteil befindet sich eine Bohrung 16, welche ein Lager 18 aufnimmt. Das Lager 18 besteht aus herkömmlichen Kugelringen und Kugeln. Dieses Kugellager wird mit Hilfe eines Sprengringes 21, der sich in einer ringförmigen Vertiefung 22, der Bohrung 16, befindet, gesichert. Die Motorwelle 28 sitzt im Lager 18 und in dem auf der anderen Gehäuseseite befindlichen Lager.

Auf der anderen Seite des Motorgehäuses iO sitzt eine Kappe 31, deren äußere Kante 31 abgeschrägt ist. Die Kappe 31 liegt in einer Vertiefung 33 des Gehäuses 10. Auf der Kappe 31 befindet sich eine nach innen ragende Nabe 38, in der ein zweites Kugellager 40, welches ebenfalls aus herkömmlichen Kugelringen und Kugeln besteht,' untergebracht ist. Das Kugellager 40 wird ebenfalls durch einen Sprengring 41 in einer ringförmigen Vertiefung 42 der Bohrung 43 gesichert. Ein zylindrisches, unmagnetisches Abstandselement 4? sitzt zwischen dem Lager 40 und dem Rotor.

Es soll nun der Aufbau des Stators beschrieben werden. Der Stator 53 besteht aus einer geschichteten Konstruktion, welche mit ihrer zylindrischen Form in das Gehäuse 10 paßt. Der Stator besitzt nach innen ragende Pole, von denen beispielsweise acht, so wie in der USA-Patentschrift 3 428 837 vorgesehen, sein können· Die Pole besitzen vergrößerte Flächen, weiche zylindrisch gewölbt sind und sich in der Näh· des Rotorumfangs befinden. Die Polflächen weisen eine in axialer Richtung verlaufende Zahnung auf„ In der dar-

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gestellten Konstruktion besitzt jede Polfläche fünf Zähne mit vier Zwischenräumen, so wie in der USA-Patent-. schrift 3 428 837 erläutert. Auch die Wicklungen können genau so aufgebaut sein, wie dies in der oben erwähnten USA-Patentschrift beschrieben ist.

Der Rotor 54 enthält eine Bohrung 55. Durch diese Bohrung entsteht ein Kragen 56 mit einem sich innen verjüngenden Ende 57. Der zylindaförmige Permanentmagnet 6i besitzt eine Bohrung 62, durch welche die Welle 28 geführt wird. Es ist einzusehen, daß sich das Ende des Magneten innerhalb des Polschuhs 54» welcher den Rotor darstellt, befindet. Das andere Ende des Magneten 6l sitzt in einer Bohrung 63 in der Nabe 13· Der Magnet kann entweder von einer Kappe oder vom Gehäuse getragen werden.

Der Rotor 5k mit seinem Kragen besitzt praktisch in axialer Richtung die gleiche Abmessung wie die Polflächen des Stators. Der Magnet 6l ist in axialer Richtung von den Statorpolen abgesetzt. Der Rotor 54 rotiert innerhalb der Statorpole· Die Nabe 13 ist Teil des magnetischen Motorgehäuses. In Motor gibt es nur einen einzigen Polschuh^

Der Polschuh, d.h. der Rotor 54, besitzt auf seinen " Umfang eine Zahnung, die derjenigen auf den Flächen der Statorpole ähnlich ist. Insgesamt befinden sich beispielsweise 50 gleichmäßig um den Umfang verteilte Zähne auf dem Rotor 54. Die Anordnung der Statorpole und die Anzahl der Zähne kann so sein, wie in der USA-Patentschrift 3 428 837. erläutert.

Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Konstruktion, wobei eine Weicheisenscheibe 70 auf dem Ende des Permanentmagneten 61 angebracht ist. Auf diese Weise kann ein radial ver-

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laufender Luftspalt zwischen dem Permanentmagneten und dem Rotor oder Polschuh 54 vorgesehen werden.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Konstruktion, wobei der Rotor 54 freitragend auf der Welle 28* sitzt. Das Lager 40 ist von der gleichen Art wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen· Die Nabe 38* ist vergrößert worden und in ihr sind sowohl das Lager 40 als auch das Lager 18' untergebracht. In Fig. 1 und 2 befinden sich die Lager bekanntlich in den gegenüberliegenden Enden des Gehäuses. Die Welle 28' ist freitragend in den beiden Lagern befestigt und trägt an ihrem Ende den Rotor 54.

Fig. 4 zeigt eine andere abgewandelte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche zwar grundsätzlich so aufgebaut ist wie die in Fig. 1 gezeigte Konstruktion, jedoch die speziellen Merkmale der Ausführungsformen von Fig. 2 und 3 beinhaltet. Sie besitzt also auch eine Weicheisenscheibe 72 am Ende des Permanentmagneten 6i', der wie in Fig. 3 keine axiale Bohrung aufweist. Es entsteht also ein radial verlaufender Luftspalt. Die Lagerung entspricht derjenigen von Fig* 3, wobei die Welle 28¹ freitragend in den beiden Lagern sitzt und an ihrem Ende den Rotor 54 trägt.

Für Fachleute ist aufgrund der obigen Beschreibung dieser Erfindung die Art der KoiBfcruktion, die Arbeitsweise dieser Erfindung und die Methode, in der die gestellte Aufgabe gelöst wurde, ohne Schwierigkeit verständlich. Es ist ferner einzusehen, daß die Massenträgheit des rotierenden Teils der Vorrichtung ganz erheblich reduziert worden ist. Statt dreier rotierender Teile,nämlich einem Permanentmagneten

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und zweier Polschuhe, gibt es nur noch ein einziges rotierendes Teil, nämlich den Polschuh, der gleichzeitig den Rotor bildet. Der magnetische Kreis entspricht demjenigen, der in der USA-Patentschrift 3 428 837 beschrieben worden ist, und zwar mit allen daraus sich ergebenden Vorteilen.

Der Rotor, d.h. der Polschuh, kann auf die unterschiedlichste Art und Weise und aus den verschiedensten Materialien hergestellt werden. Vorzugsweise wird dazu jedoch ein Herstellungsverfahren benutzt, das von pulverisiertem Metall ausgeht, wobei der herzustellende Polschuh um das Ende des stationären Permanentmagneten und innerhalb der Pole des Statorkerns rotiert.

Die obige Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dieser Erfindung soll zur Erläuterung dienen und keine Abgrenzung darstellen.

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Claims (10)

1. - 9 - 20318Ό6

   PATENTANSPRÜCHE

   Elektrische Haschine, bestehend aus Rotor und Stator, gekennzeichnet durch einen geschichteten Kern (53) mit Polen und Wicklungen; eine Welle (28, 28') mit einem darauf befindlichen Rotor (5*0; ein Gehäuse (10) und einen zylindrischen Permanentmagneten (6l), wobei der Rotor einen ersten Polschuh bildet, der aufgrund seiner Anordnung in der Nähe der Polflächen des Stators und in der Nähe des Permanentmagneten rotiert; und wobei der Permanentmagnet am Gehäuse befestigt ist und durch den Rotor, den Permanentmagneten, das Gehäuse und die Statoreinrichtung ein magnetischer Kraftflußweg gebildet wird.
2. 2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (54) sich in der Nähe des einen Endes des Permanentmagneten (6l, 6i⁽) befindet und. das Gehäuse (1O) eine Einrichtung (13, 6-3) aufweist, welche das andere Ende des Permanentmagneten aufnimmt.
3. 3. Elektrische Haschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (54) aus einem Teil besteht, dessen Abmessung in axialer Richtung etwa genau so groß ist wie diejenige der Polflächen des Stators (53).
4. 4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (54) einen konzentrisch angeordneten Kragen (56) besitzt, welcher sich zwischen den Polflächen des Stators (53) und den Permanentmagneten (6l, 6I¹) befindet.

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5. 5. Elektrische Maschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (6l, 6i') gegenüber den Statorpolen (53) in axialer Richtung versetzt ist; der Rotor (54) aus einem Teil besteht, das praktisch die gleiche axiale Abmessung wie die Statorpole besitzt; und das Gehäuse (lO) eine Einrichtung (13, 63) enthält, welche den Permanentmagneten trägt.
6. 6. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß.die Polflächen (53) eine Zahnung besitzen und der Rotor (5*0 ebenfalls eine Zahnung an seinem Umfang aufweist, welche in der Nähe der in den Polflächen befindlichen Zähne rotiert.
7. 7. . Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (6l, 61') an einem Ende ein Veicheisenelement (70, 72) trägt, wodurch ein radial verlaufender Luftspalt entsteht.
8. 8. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (28, 28"^ in Lagereinrichtungen (40, 18<) an einem Ende (31, 38«) des Gehäuses (lO) freitragend befestigt ist.
9. 9. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (6l, 6l^f) ein Weicheisenelement (7O₉ 72) an einem Ende enthält, wodurch ein radial verlaufender Luftspalt entsteht.
10. 10. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (54) aus pulverisiertem Metall hergestellt wird.

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