DE2226025A1 - Magnetkreisanordnung - Google Patents

Description

KOLIMORGEF CORPORATION Glen Oove, Wew York
Vereinigte Staaten von Amerika

MAGWETKRiII SAJiORDOTJFG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Magnetkreisanordnungen und hat zum Ziel den magnetischen Fluß von einer magnetomotorischen Quelle oder Quellen mit möglichst geringem Verlust zu einer Flußaustrittsöffnung zu leiten bzw. das Auftreten von Streuflüssen zu vermeiden. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es vermittels der erfindungsgemäßen Magnetkreisanordnung zu im Vergleich zur Kraftliniendichte der MMK Quellen hohen Kraftliniendichte in der Flußaustrittsöffnung und damit beispielsweise im Arbeitsspalt eines Elektromotors zu gelangen. Schließlich ist es ein Ziel der Erfindung das Auftreten von magnetischen Streufeldern zu verringern bzw. weitgehend zu vermeiden«,

Grundsätzech treten in allen Magnetkreisanordnungen Verluste durch magnetischen Streufluß auf. Die Größe des Streuflusses hängt weitgehend von der Geometrie der Magentkreisanordnung ab. Bei Motoren tritt gewöhnlich magnetischer Streufluß an den Seiten der Polstücke oder Polschuhe auf und ebenso in der Nähe der Statorwicklung oder des für die Felderzeugung benutzten Permanentmagnetens. Es ist natürlich erwünscht möglichst den gesamten magnetischen Fluß der .MMK Quelle über dns Polstück durch den Arbeitsluftspalt den Rotor und den magnetischen Rückschluß zu befördern, da notwendigerweise aller Streufluß zu einer Verringerung des erreichten Drehmomentes führt. . ' ' . ■ '·

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Auch für andere elektromagnetische Anordnungen gelten diese Überlegungen in gleicher Weise. Pur verschiedene Anwendungsgebiete von Motoren und anderen.elektromagnetischen Einrichtungen ist es unerwünscht oder sogar ausserordentljch funktionsstötenä wenn in der näheren Umgehung starke magnetische■Streufelder auftreten, da diese mit anderen Bauelementen in Wechselwirkung treten und damit zu Störungen Anlass gehen können.

Um höhere Kraftlinien dichten in magnetischen Kreisen bei Motoren zu erreichen ist es bekannt die Polschuhe in Richtung auf den Rotor zu konisch zu formen beziehungsweise zu verjüngen. Zumeist ergibt sich eine derartige Geometrie der Polstücke schon aus den vorhandenen Raumverhältnissen, die dem Läufer gegenüberstehenden Flächen der Polstücke sind dabei meist kleiner als die radial aussen liegenden Polschuhflächen; eine solche Geometrie führt damit zu einer Erhöhung der Flußliniendichte an der Plußaustrittsfläche \md damit am Arbeitsspalt. Theoretisch sollte sich eine Erhöhung der Flußliniendichte ergeben, die eine Punktion der Flächengrößen ist. Tatsächlich tritt jedoch an den Seiten der Polflächen ein Streufluß auf, der umso stärker wird desto größer das "Verhältnis der Fl ächenstücke ist. Im Allgemeinen aber werden die dadurch bedingten YeTluste durch entsprechende Vergrößerung des Magnetfeldes der MMK Quelle und auch durch konstruktive Maßnahmen wie das Fernhalten von magnetisch leitfähipiem Material von den Seitenflächen versucht zu kompensieren. Auch magnetische Abschirmungen wurden hierzu boreits vorgeschlagen, haben sich jedoch nicht nur als ausserordentlich Ranm verbrauchend sondern auch als wenig nützlich erwiesen, wenn höchste Kraftflußdichte im Arbeitsspalt erzielt werden sollte oder wenn es d,arum ging die von der Quelle gelieferte MMK möglichst verlustfrei dem Arbeitsspalt zuzuführen.

•^in weiterer Nachteil aller bekannten Magnetkreiaanordnungen besteht darin , daß vergleichsweise sehr hohe Kraftliniendicht'en im Arbeitsspalt-wegen des auftretenden Streuflusses praktisch nicht erzielt werden können.

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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es

den Streufluß weitgehend zu vermeiden dadurch wird es möglich im Arbeitsspalt Feldstärken zu erreichen die "beispielsweise 20 000 Gauss übersteigen,andererseits ermöglicht die erfindungsgemäße Magnetkreisanordnung die gewünschte Kraftliniendichte mit schwächeren und billigeren IvIMK Quellen zu erreichen.

Wesentlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Magnetkreisanordnung dadurch aus, daß externe Streufelder praktisch vollständig vermieden werden, sodaß es möglich wird in Bezug auf Magnetfelder empfindliche Bauelemente · nahe benachbart anzuordnen. Für aiii praktischen !Fälle kann im Entwurf von Magnetkreiaanordnungen nach der Erfindung der Verlustfaktor durch Streufelder praktisch vollständig vernachlässigt werden.

Die Magnetkreisanordnung nach der Erfindung besteht aus einem oder mehreren !Formteilen aus magnetisch' perroeablen (weichem) Material, wobei ein Teil der Oberfläche dieses Materials als Austrittsöffnung für den magnetischen Fluß dient also beispielsweise ein Teil des Arbeitsspaltes einer elektromotorischen Anordnung ist und ein anderer Teil des magnetisch permeablen Materials das beispielsweise den Polschuh bildet mindestens 1,5 mal größer ist als jener der als Austrittsöffnung für den Fluß dient in magnetisch leitendem Kontakt mit der oder den Quellen der MMK steht beziehungsweise von dieser oder diesen bedeckt wird, wobei die Oberfläche des magnetisch permeablen Materials in diesem Teil derart beschaffen ist, daß die dadurch bedingte geometrische Anordnung der MMK Quelle beziehungsweise Quellen bewirkt , daß deren Polach'sen verschieden gerichtet sind wobei mehr als eine Achse ejne I¹IuB-komponente aufweist, die senkrecht zu der Hauptrich-tung des magnetischen Busses an. äeEj.Elußaustrittsöffnung zum Arbeitsspalt verläuft, um so den Flußaustritt aus der

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anderen Oberfläche dee magnetisch permeablen Materials etwa des Polschuhes zu verringern beziehungsweise vollständig zu vermeiden. Als MMK Quellen eignen sich sowohl permanentmagnetisch^ als auch elektromagnetische Quellen. Wesentlich für die Anordnung der MMK Quellen nach der Erfindung ist es, daß der Fluß entweder der verschiedenen Quellen oder in verschiedenen Bezirken einer Quelle verschiedene Richtung aufweist und zwar derart, daß mindestens zwei magnetische Feldvektoren vorhanden sind, die Komponenten aufweisen, diesenkrecht auf das resultierende . / Feld verlaufen. In einer generalisierenden Betrachtungsweise kann die erfindungsgemäße Feldanordnung derart aufgefasst werden, daß es für diese wesentlich ist, daß einerseits das resultierende Magnetfeld an der Austrittsöffnung konzentriert wird und andererseits die' individuellen MMK Quellen derart angeordnet sind, daß sie im wesentlichen den Flußaustritt aus allen Flächen ausser dem Arbeitsluftspalt verhindern. Das Resultat wird äaöurchterreicht, daß der Gesamtflußgradientvektor im wesentlichen parallel zu der Achse des erwünschten Flußaustrittes verläuft. Abweichende Flußvektoren, die ansonsten zu Streufluß führen würden, werden von den entgegengesetzten Flußvektorkomponenten der entsprechenden MIlTK Quellen neutralisiert.

Nach der Erfindung ist es vorteilhaft den magnetischen Widerstand der MMK Quelle dem magnetischen Widerstand der Last also der Reluktanz des Flußpfades andzupassen umso ein Optimum an Wirkungsgrad zu erzielen. Von diesem Gesichtspunkt aus gesehen kann die Erfindung aufgefasst v/erden als eine Anweisung ^luxri chtung von MMK Quellen so anzuordnen , daß sie dem Austritt von Strei.ifluß ent-gegenwirken, wobei die Reluktanz einer jeden Quelle im wesentlichen gleich sein sollte,der von ihr aus gesehenen Last.

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j In einer Ausführungsform der.Erfindung können die Polstücke einen Winkel bildende Seitenflächen aufweisen wobei / mindestens Teile von mindestens zwei derselben in Kontakt mit ; MMK-Quellen sind beziehungsweise von diesen bedeckt werden. An Stelle von indiviudellen MMK-Quellen kann auch eine einzelne

MMK-Quelle benutzt werden welche mindestens drei magnetische PeId-. richtungen aufweist deren Achsen sich innerhalb des Polstückes / überschneiden. Im folgenden soll die Erfindung an Hand von ■ zeichnerischen Darstellungen näher beschrieben werden.

\ Abbildung 1 zeigt im Teilschnitt eine perspektivische

] Darstellung eines Elektromotors dessen elektromagnetischer ; Statorkreis der Erfindung entspricht.

' Abbildung 2 ist eine Aufsichtsdarstellung einer anderen

Ausführungsform eines Motors mit einer Feldanordnung nach der Erfindung bei der die MMK-Quellen als Segmente ausgebildet und bogenförmig angeordnet sind; diese Anordnung ermöglicht es zu ausserordentlich hohen Feldstärken im Arbeitsspalt zu gelangen.

Abbildung 3 ist eine vereinfachte Seitendarstellung eines Stator-Polschuhen und Magnetkreises wie er in dem Motor nach Abbildung 1 benutzt wird.

Abbildung 4 ist eine schematische Darstellung der Statoranordnung nach Abbildung 2 und dient zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen den verschiedenen magnetischen Achsen.

Abbildung 5 ist eine Schnitt-Aufsichtsdarstellung des Motors nach Abbildung 2 (geschnitten entlang der Linie 5 in Abbildung 2).

Abbildung 6 ist ein schematisches Diagramm eines magnetischen Kreises nach der Erfindung.

Abbildung 7 zeigt die Charakteristika typischer magnetischer Materialien wie sie für die Erfindung benutzt werden können.

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Abbildung 8 ist eine perspektivische Teilsehnitt-Daratellung einer anderen Ausführung sform nach der Er findung welche gleichfalls zu ausserordentlich hohen Feldstärken im Arbeitsspalt führt.

Abbildung 9 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines Polschuhpaares einer Scheibenläufermaschine deren Magnetkreisanordnung der Erfindung entspricht.

Abbildung 10 ist eine Aufsichtsdarstellung eines Teil— schnittes entlang der Linie 10 in Abbildung 9.

Abbildung 11 ist eine perspektivische Teil-Schnittdarstellung eines Vierpolmotors dessen Magnetkriesanordnung der Erfindung entspricht.

Abbildung 12 ist eine Schnittdarstellung eines Teiles der Abbildung 11 (entlang Linie 12 in Abbildung 11).

Abbildung 1 stellt einen Elektromotor dar der mit einer Stator-Magnetkreisanordnung ausgestattet ist, die sich durch hohen Wirkungsgrad und extrem hohe Kraftliniendichte im Arbeitsspalt auszeichnet. Als Folge werden bei dem Motor nach der Abbildung für jede LäuferStromstärke ungewöhnlich hohe Drehmomente erzielt. Für die weitere Erklärung wird von einem Gleichstrommotor ausgegangen ohne daß damit die Erfindung auf eine bestimmte Art von elektromagnetischen Einrichtungen begrenzt werden sollte.

Der Gleichstrommotor nach Abbildung 1 ist eine einfache Zweipolausführung mit einem Gehäuse 10 das aus den beiden senkrechten Kraftlinienrückschluß-Platten 12 und 14, den horizontalen Rückschlussplatten 15, 16 und den magnetisch leitenden Stirnstücken 18 besteht. Das Gehäuse ist aus Stahl gefertigt. Zum Zwecke der klareren Darstellung wurden in der Abbildung alle unwesentlichen Teile weggelassen. Der Läufer 20,mit der Achse 21 geführt im Gehäuse 10 , kann konventioneller Art sein, Die beiden Polschuhe 22 und 24 bestehen aus einer ferromagnetischen Legierung mit hohem Sättigungswert.Ihre konisch verlaufenden Seitenflächen sind 25,26; die Aussenflachen 27, 28. Die Polschuhflächen 29,30 sind die Austrittsöffnungen für den magnetischen Fluss und bilden mit dem Läufer 20 den Arbeitsspalt.

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Zum Zwecke der "besseren Darstellbarkeit ist der luftspalt wesentlich grosser gezeichnet als er in der Praxis ist.

Praktisch die ganze äussere Oberfläche der Polschuhe 27, wird von den Hauptmagneten 32 , 34 bedeckt. Der τοη diesen ausgehende Magnetkreis besteht demnach aus den Polschuhen 27,28, dem laufer20, den Rüekschlus splat ten 15,16 und 12 und Hi der typische Verlauf des Kraftlinienpfades ist in die Abbildung als gestrichelte linie 35 eingetragen. Als MMK-Quellen 32 und 34 eignen sich beispielsweise quaderförmige Stücke aus Alnico 8b deren Magnetpole entsprechend der Abbildung angeordnet sind. Die bisher beschriebenen Bauelemente entsprechen dem Aufbau eines konventionellen Gleichstrommotors. Theoretisch sollte hierbei die Kraftliniendichte im Arbeitsspalt im Verhältnis von Polschuhfläche (Flussaustrittsoff nung)29 bzw. 30 zur Übergangsfläche wsrischen MMK-Quelle und Polschuh 27 bzw 28 grosser sein als jene an' der Oberfläche der MMK-Quellen Magnete 32 und 34. Die maximale liniendichte im luftspalt wird jedoch bei dieser Konstruktion nach dem Stand der Technik durch sich ausbildende magnetische Nebenschlüsse und Streufelder begrenzt. Derartige Nebenschlüsse können ihren Ausgang von den Seitenflächen 25 und 26 der Polschuhe nehmen wobei der Kraftlinienpfad entweder von diesen Seitenflächen über den läufer führt oder direkt zu den nächstliegenden Flächen des fenomagnetisehen Gehäuses.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, derartige Nebenschlüsse und Streufelder weitgehend zu verringern bzw. praktisch vollständig zu vermeiden. Hierzu dienen in der Konstruktion nach dem Beispiel der Abbildung 1 die Hilfsmagneten 36 , 39 welche die Polschuhflächen 25 und 26 bedecken. Die Polachsen dieser MMK-Quellen kreuzen die Polachsen der Hauptmagneten 32,34 innerhalb der Polschuhe und besitzen Veldrichtungsvektor-Komponenten die senkrecht zu der im wesentlich radial nach innen gerichteten Kraftlinienfüiuss-Richtung im Arbeitsspalt verlaufen. Grundsätzlich sind die magnetischen Achsen der Magnete 36 - 39 derart gerichtet, daß sie dem Austritt von von den Primärmagneten 32,34 kommenden Kraftlinien an den Seitenflächen der Polschuhe entgegenwirken.

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Mit anderen Worten : die Magnetfelder der zusätzlichen Magneten 36-39 wirken auf das von den Hauptmagneten herrührende Magnetfeld derart ein, daß die Zahl der Kraftlinien an der Flußaustrittsöffnung erhöht wird ( in diesem Zusammenhang soll darauf hingewiesen werden, daß die Kraftljnienflussaustrittsöffnung eines jeden Polstückes gleichzeitig als Kraftlinieneintrittsöffnung mit Bezug auf den vom anderen Magnetpol herrührenden Fluß aufgefasst werden kann). Ohne, daß damit eine Festlegung erfolgen soll kann die Wirkung der Hilfsmagnete damit erklärt werden, daß sie eine Rotation und Timorien-ti-erung der magnetischen Domänen innerhalb der Polechuhe bewirken, dergestalt , daß alle Kraftlinien an der Karftlinienaustrittefläche also am Arbeitsluftspalt vereinigt austreten.

Zum Schließen des magnetischen Kreises der Hilfsmagneten 36-39 dienen die Rückschlußstücke 40 und42, welche gegebenenfalls zwecks einfacherer Handhabung und einfacheren Zusammenbaus aus entsprechenden Segmenten gebildet werden können. Die Verwendung derartiger geringen magnetischen Widerstand aufweisenden magnetischen Rückschlußpfade für die Magnete gestattet es die Reluktanz der MMK Quellen anzupassen und diese gleich der Reluktanz der Last,welche im wesentlichen durch den Arbeitsluftspalt gegeben ist, zu machen. Der typische Weg des Magnetflusses, der von den Hilfsmagneten ausgeht wird durch die gestrichelte Schleife 43 dargestellt.

Bei der Anordnung nach Abb. 1 werden die Polschuhe mit Ausnahme ihrer Stirnflächen praktisch von MMK Quellen bedeckt. Eine weitere Verringerung von Streufeldern und Nebenschlüssen kann dadurch erzielt werden, da.ß. auch die Stirnflächen mit entsprechendem Magnetmaterial ajwo MMK* Quellen bedeckt werden, so daß dann praktisch die gesamte Oberfläche der Polschuhe mit Ausnahme des"VArbeitsluftspaltjd begrenzenden Flächen von MMK Quellen bedeckt wird,- in diesem Fall kann praktisch keinerlei Streufluß oder Nebenschluß auftreten da dieser in allen Fällen durch entgegengesetzte" magnetische Felder unterdrückt wird.

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Abb. 3 zeigt die geometrische Anordnung der pe-nnanentmagne tischen MMK Quellen. Die Polachsen 42 und 44 der Seitenmagnete schneiden die Polachse 46 des Magneten ( Unter Polachse soll hier eine Linie verstanden werden, die von der Mitte der MMK Quelle parallel zu der allgemeinen Richtung der Kraftlinien gezogen wird.,. wobei angenommen ist, da/3 der Verlauf der Kraftlinnen nicht durch äussere Felder oder Materialien beeiflußt wird.

Abb. 3 zeigt ebenso in schematischer Weise eine weitere Ausführungsform der Erfindung bei v/elcher die seitlich angeordneten MMK Quellen nicht aus einem.einheitlichen Permanentmagneten sondern aus Segmentmagneten bestehen die mit 36a und 36b sowie mit 37a und 37 b bezeichnet sind. Vorteilhafter Weise werden die Segmente 36b und 37b, die näher zur Flußaustrittsöffnung 29 angeordnet sind eine höhere Feldstärke aufweisen als jene, die weiter von der .Fläche 29 entfernt sind. In Abb. 3 sind die typischen Kraftlinienpfade für den Fluß ausgehend von 36b und 3¹^b ebenso wie von 36a und 37k als gestrichelte Linien 43 und 4^ eingezeichnet.

Geeignetes Material für die an den Seitenflächen der Polschuhe angebrachten MBTK Quellen ist beispielsweise, das unter dem Handelsnamen Indox VIa, Indox V und Bariumferrit. V auf dem Markt erhältliche Produkt. Die Wahl dieser Seitenmagnete wird im wesentlichen bestimmt durch die sich aus ·· der geometrischen Anordnung erforderlichen Feldstärke um den MMK Abfall im Luftspalt zu kompensieren.

Allgemein wird beim Entwurf der Magnetkreise nach der Erfindung zunächst so vorgegangen, daß man.von einem Magneten ausgeht und dessen Reluktanz an die Last, also im wesentlichen an die Reluktanz des Luftspaltes anpasst, wobei man davon ausgehen kann, daß praktisch kein oder nur ein geringer Nebenschluß zu berücksichtigen ist. Die Stärke der Seitenmagnete: kann bestimmt werden aus dem MMK Abfall im Luftspalt wobei die Reluktanz annähernd'gleich der auf den von den betreffenden Seitenmagneten ausgehenden Magnetpfaden entfallenden Las%reluktanz gewählt wird.

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- ίο -

Reluktanzanpasaung aller MMK Quellen an die Last "bewirken eine wesentliche Verbesserung der Verhaltens. Die an den Seitenflächen der Polschuhe angeordneten Permanentmagnete verhindern zv/ar in jedem Paul den Austritt, von Streufeldern und die Ausbildung von Nebenschlüssen mtmmt man jednch an, dass d^r "Haupt" magnet an die Last angepasst war so bewirken'die zusätzlichen MMK Quellen also die angebrachten seitlichen Magnete eine Mißapassung von Hauptmagnet und Last wenn nicht die Reluktanz des"Haupt" magneten entsprechend verändert und angepasst wird. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden all MMK Quellen so angeordnet und gwphlt daß sie zum Kraftlinienfluß im Arbeits luftspalt also der gemeinsamen Last, beitragen und den Autritt von Steufluß verhindern.

Abb. 6 ist eine vereinfachte Darstellung des magnetischen Kreises nach der Erfindung, dabei bedeuten F und F die Leerlauf MMKf der Haupt- und der Seitenmagnete und die Symbole R und R-, die Thevenin innere Reluktanz· der Quellen darstellen während R, und R. die Gesamtreluktanz der magnetischen Kraftlinienpfade durch das im Magnetkreis befindliche Eisen bedeuten und R, die Reluktanz des Magnetpfades ausserhalb des Eisens, aber ausschließlich dnr Luftspalt reluktanz.

Es ist angenommen, daß Kraftlinien Nebenschlüsse durch die HiIfs- ΠΜΚ Quelle I\ verhindert werden und daß daher die Last-Reluktanz im wesentlichen die Reluktanz des Arbeitsluftspaltes R ist und die Reluktanz ü, eines

g 1

Nebenschlusses ignoriert werden kann. Die hohe Permeabilität des Eisens gestattet es die Reluktanzen R₇, und R. nusser Betracht zu lassen, d^ di°~e generell ausserordentlich gering sind verglichen mit der Lastreluktanz. unter Berücksichtigung dieser erfindxmgsgemäßen Überlegungen ist es relativ einfach optimale ^Tirr eis anordnungen nach der Erfindung zu entwerfen . In der nachfolgenden Analysis werden die folgenden weiteren Bezeichnungen benutzt :

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Für die nachfolgenden Berechnungen werden weiters folgende Bezeichnungen benutzt:

A_n » Fläche des "Haupt"magneten senkrecht zum Kisaftlinienfluss ;

A₁ ο Fläche der "Seiten"(Zusatz)Magnete senkrecht zum Kraftlinienfluss;

L₀ ■ Länge(Dicke) des Hauptmagneten parallel zur Flussrichtung;

L₁ β Länge(Dicke) der Seiten-Magnete senkrecht zur Flussrichtung;

Fg « MMK-Abfall entlang des Arbeitsluftspaltes;

L β Länge des Arbeitsluftspaltes parallel zur ^g Flussrichtung;

A β Fläche des Arbeitsluftspaltes senkrecht zur ^g Flussrichtung;

0_O β Fluss in Kraftlinienpfad-Schleife des Hauptmagneten;

0_O » Fluss in Kraftlinienpfad-Schleife der Seiten-Magnete;

B β Kraftliniendichte im Arbeitsluftspalt.

Unter der YorausSetzung, daß jede MMK-Quelle auf eine Last einwirkt deren Arbeitsspalt -Reluktanz der Fläche Ag/2 entspricht und zwar unabhängig von der anderen MMK-Qüelle, so ergibt als Last für jede Quelle 2R (Kombiniert man die beiden Lasten von 2R so ergibt sich die tatsächliche Last zu R-).

Für maximalen magnetischen Wirkungsgrad soll der innere Widerstand jeder MMK-Quelle an die Last die diese sieht angepasst sein. Dementsprechend werden die Reluktanzen R_Q und R₁ der Quellen F₀ und F₁ gleich 2R gemacht. Weiters muß die MMK F_Q so gewählt werden, daß sie der doppleten Arbeitsluftspalt mmK entspricht:

F₀ = -2F_g = 2 0_O (2R_g). _v (1)

Des weiteren gelten die folgenden Beziehungen:

0 „·. ; (2)

R,

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wobei yL -■ 1 ist in Luft und im cgs system. Daher wird :

2(B A) 2,(L)
.¹O -—!£-. L (4)

2B_gI_g ,

Und damit:

^P0 ' ^L0 ^HO ^{β 1}I ^H1

B L O 0 _ 1 1
^{S e} " 2 2 (6)

wobei H.J und H_Q die Feldstärke der Quellen "bezeichnet.

Wenn IL· der magnetische Widerstand /cm^ des magnetischen Materials 1st, dann ergibt sich die Reluktanz der magnetischen (MMK) Quellen zu:

A₀

Da der von den respectiven Magneten bewirkte Fluss 0_Q und 0, ■ ■ -

0_O - ^Bo ^Ao · ·*1 - ^B1 ^A1 ^lBt' (β)

ergibt sich

• Λ Λ —. "P — O TD T · iQi

\j \j s Jj — ss t Jj JJ § ι ^7 J

Ο/α Ό "ü O ^D T

Setzt man (7) und (8) in (9) ein , so ergibt sich:

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^Bo \o ^Lo ■ ^B1 *mi ^L1 ^{a B}g ^Lg >

und aus (6) und (10) :

³O¹W " ^Ηθ/2 (11,),

^Β1 *πι1 ■ ^Ηΐ/2

Der Ausdruck (11) ermöglicht es den Arbeitspunkt für jedes "beliebige Magnet-Material zu "bestimmen.

Abbildung 7 zeigt im log. Masstab Kurven konstanter magnetischer Feldstärke H_Q als Funktion der Flußdichte und Einheits Reluktanz IL·. Ebenso gezeichnet sind die Einheits-Reluktanzwerte für verschiedene Magnet-Materialien "bei verschiedenen Fluss-Dichten. Die Feldstärke H_Q ergibt sich aus der vorstehenden Berechnung sobald Arbeitsluftspalt-Dimension und Flussdichte gewählt sind. Abbildung 7 ermöglichst es daher, für jede MMK**Quelle Arbeitspunkt und Abmessungen für den Fall der Anpassung der magnetischen Widerstände zu bestimmen und zwar entsprechend (7);( Im Beispiel gilt R_Q = R₁ = 2R),

Wie ohne weiters ersichtlich, kann die obausgeführte Analyse in der gleichen Weise für mehr als einen Zusatz-Magnet bzw. für eine beliebige Anzahl von MMK-Quellen durchgeführt werden.

Abbildung 2 ist die Darstellung eines Motors mit einem magnetischen Statorkreis dessen geometrie eine optimale Lösung nach der Erfindung und im Bezug auf yerlustfreieheit darstellt.

Die Konstruktion nach Abbildung 2 benutzt Polstücke mit einer bogenförmigen Aussenfläche und MMK-Quellen welche un - ' abhängige,gegeneinander einen Winkel einschliessende magnetische Bezirke besitzen deren magnetische Achsen sich innerhalb des Polstückes schneiden. Dementsprechend besitzen die Polstücke 50, 52 allgemein cylindrische Seiten 53 und 54, die praktisch vollständig umgeben, oder im vorliegenden Falle bedeckt von MMK-Quellen 55 und 56 sind.

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Die Polstücke können beispielsweise auch etwau elliptischen Querschnitt aufweisen wobei der Radius von der Motorachse die kleinere Achse ist und die grossere Achse senkrecht zu dem Radius verläuft·

Jede der MMK-Quellen 55 und 56 besteht ihrerseits aus zahlreichen eng aneinandergereihten Segmenten aus Magnetmaterial 55a und 56a < deren Polaren generell senkrecht zu der bogenförmigen Aussenfläche 53, 54 des betreffenden Polstückes steht. Bevorzugt schneidet jeder dieser Achsen zumindest eine Achse eines anderen Segmentes(vergleiche dazu die schematische Darstellung in Abbildung 4). Die Anordnung der Segmente ist damit eine solche, daß das Auftreten von anders zu erwartendem Streufluss vermieden wird.

In Abbildung 4 ist die äussere Begrenzungslinie des Polstückes strick-punktiert eingetragen und mit 50 bezeichnet. Einzelne Segmente 55a sind für typische Orte gleichfalls elnge zeichnet. Die Polarität der Segmente ist derart gew.ählt, daß alle Nordpole nach Innen weisen.

Geht man zurück zu Abbildung 2 so sieht man, daß die MMK-Quellen- Segmente 55a und 56B ihrerseits praktisch vollständig von ferromagnetischem Material,das gleichzeitig das Gehäuse darstellt, umgeben. Zweckmässig besteht dieses gleichfalls aus Segmenten oder Lamellen um so die Wirbelstromverluste gering" zu halten. Die Segmente bzw. Lamellen werden durch Bolzen 60 zusammengehalten. Der magnetische Kreis aus MMK-Quelle, Segmenten bzw Lamellen und magnetischem Rückschlußstück 58 schliesst sich über den Rotor 51 · Besonders vorteilhaft bei der Konstruktion nach Abbildung 2 ist es, daß das MMK-FeId an jeder Stelle so orientiert ist daß es durch die Polfläche geht. Anstelle der Magnet-Material Segmente 55 könnte der Magnet auch aus einem entsprechend, zylindrisch geformten Stück bestehen bei welchem der magnetische Fluss im allgemeinen an jeder Stelle senkrecht zur Oberfläche austritt; in einem solchen Falle besteht der Magnet aus einer unendlichen Zahl von unendlich schmalen Segmenten oder Domainen als MMK-Quellen.

Abbildung 5 zeigt eine weitere Verbesserung nach der Erfindung und zwar als Teil der Konstruktton nach Abbildung 2.

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" ¹⁵ " . 2228025

Wie dargestellt, sind hierbei die Endflächen der Polstücke 50 und 52 praktisch vollständig "bedeckt von Magneten 62 und 63 deren Polarachse senkrecht zur den Flächen 64 und 65 steht. Die gestrichelte Linie 66 zeigt den Verlauf der Kraftlinien "bei dieser Anordnung.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Fluss-Dichte an den Orten der Zusatzmagnete gleich oder*·' " grosser der Fluss-Dichte am Ort des Hauptmagneten gewählt werden. Damit wird es möglich auseerordentlich hohe Feldstärken im Arbeitsluftspalt herzustellen.

Abbildung 8 stellt eine weitere Ausführungsform des. Magnetkeisee nach der Erfindung am Beispiel einer Statorkonstruktion für einen Motor dar. Hierbei sind die Polstücke 70 , 71 als Polygpne ausgebildet wobei jeder Polschuh 5 plane ' Flächen 72 aufweist die mit MMK-Quellen ausgestattet sind. Das Motorgehäuse 73 kann beispielsweise ein Formstück sein, das die mit den MMK-Quellen 75 bedeckten Polstücke umschliesst. In der Abbildung ist der zur Aufnahme der MMk-Quellen bestimmte Zwischenraum- zwischen Polstückfläche 72 und Gehäuse 73 mit 74 bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform tragen alle MMK-Quellen in praktisch gleicher Weise zum Nutzfeld im Arbeitsluftspalt bei; Jeder Magnet 75 ist daher an seinen Teil der Last Reluktanz angepasst. Im vorliegenden Fall kann beispielsweise, und zweckmässiger Weise jeder der Magneten 75 eine Reluktanz aufweisen die 5 mal grosser ist, als die Arbeitsluftspalt-Reluktanz,

Abbildungen 9 und 10 stellen die Verwendung erfindungsgemässer Magnetkreisanordnungen für die Statorkonstruktion von Scheibenläufermotoren dar. Hierbei ist der Scheibenläufer.80 auf der Achse 81 befestigt und befindet sich zwischen den einander gegenüber angeordneten Polstücken 82 und 84 · In einer anderen Ausführungsform von Scheibenläufermotoren wird an Stelle des Polstückes 84 mit zugehörigem Magnet lediglich ein magnetischer Rückschluß für den zu Polstück 82 gehörigen Magneten vorgesehen. Die Polstücke nach Abbildung 9 sind konisch geformt und konvergieren in Sichtung zu den Polfläohen 89 und 90. Auf der

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den Polflächen 89. bzw. 90 gegenüberstehenden Aussenflächen der Polstücke "befinden sich die Hauptmagneten 92 und 94· Die Seitenflächen der Polstücke sind mit den Nebenmagneten 96 und 97 bedeckt· Die Polstücke sind im wesentlichen pyramidenförmig ge formt und weisen paarweise einander gegenüberliegende Seitenflächen auf. Die Seitenmagnete werden von Rückschlussringen 99, 100,101 und 102 umgeben. In Abbildung 10 sind die weiteren Seitenmagnete 106 und 107 dargestellt. Die Kraftlinienpfade sind in Abbildung 9 gestrichelt eingezeichnet und mit 103, 105,' 111 and 112 bezeichnet.

Abbildung 11 stellt einen 4-pol Motor dar wobei der Polstücke mit 110 und der Rotor mit 111 bezeichnet ist. Bei der Ausführung nach der Abbildung wird ein wesentlicher Teil, etwa 2/3 der Gesamtfeldstärke im Arbeitsluftspalt durch die Zwischenpolmagnete 113 geliefert. Auch die Aussenmagnete 115 und tragen zur Gesamtfeldstärke bei,jedoch in einem geringeren Umfang. Trotzdem ist die Magnetkreisanordnung nach Abbildung-11 und typisch für die Erfindung. Die !Polstücke sind praktisch vollkommen von MMK-Quellen umgeben deren magnetische Polarachsen eine Komponente aufweisen die senkrecht auf die Plussrichtung im Arbeitsluftspalt steht wobei die Achsen der Magnete 115 die Achsen der Magnete 115 und 116 innerhalb der Polstücke.110 schneiden. Der Zwischenraum zwischen den Polstücken reicht bei dieser Konstruktion auch aus, um dort Bürstenhalter 1t9 mit den Bürsten 120 unterzubringen. (Vergl. Abbildung 12 ) Das Motorgehäuse 122 besitzt eine innere Ausgestaltung der der der Statorkonstruktion entspricht um so den magnetischen Rückschluß zu bewerkstelligen.

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Claims (10)

1. Pa t e nt a ft s Pjjigfrg.

   Magnetkreisanordnung für verlustfreie "bzw. verlustarme Leitung und Orientierung des magnetischen Flusses und/oder zum Verringern bzw. weitgehenden Vermeiden von Streufluss, dadurch gekennzeichnet, daß

   die Magnetkreisanordnung einen oder mehrere Formteile aus magnetisch permeat)lem(weichen) Material enthält wobei ein Teil der Oberfläche des magnetisch permeablen Materials als Austrittöffnung für den magnetischen Fluss dient, beispielsweise Teil eines vom magnetischen Fluss durchquerten Arbeitsspaltes ist bzw. diesen begrenzt, und daß

   ein anderer Teil der Oberfläche des magnetisch permeablen Materials der mindestens 1.5 mal grosser ist als jener Teil der als Austrittsöffnung für den Fluss dient in magnetisch leitendem Kontakt mit der oder den Quellen der magnetomotorischen Kraft steht bzw. von dieser bzw. diesen bedeckt wird , und

   daß die Oberfläche des magnetisch permeablem Materials in diesem Teil derart beschaffen ist, daß die dadurch .bedingte, geometrische ' Anordnung der MMK-Quelle(n) bewirkt;, daß deren Polachsen verschieden gerichtet sind wobei mehr als eine Achse eine Fluss-kömponente aufweist, die senkrecht zu der Hauptrichtung des magnetischen Flusses an der Fluss-Austrittsstelle zum'Arbeitsspalt verläuft um so den Fluss-Austritt aus anderen Oberfläohenbezirken des magnetisch ^;■ permeablen Materials zu verringern bzw« im wesentlichen zu vermeiden.
2. 2. Magnetkreisanordnung nach Anspruoh 1 dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Widerstand des Magnetkreises einschliesslich des Arbeitsspaltes angepasst an, und annähernd gleioh der Reluktanz der MMK ist. . ' · >
3. 3. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ganze Oberfläche des magnetisch permeablen Materials unter Ausschluß der Flussaustrittöffnung und ggfls der Oberfläche deader Flussrüokführung dienenden Materials von der bzw. den MMK-Quellen bedeckt bzw. mit diesen in direkten ist.

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4. 4. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Flussaustrittöffnung die Poltfchuhflache eines Polstückes ist, das zum Stator eines elektrischen Motors zählt. - .
5. 5. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Seiten des Polstückes konvergierend in Richtung auf den Motor-Rotor ausgebildet sind und daß diese zumindest zum Teil von der oder den MMK-Qiellen bedeckt sind.
6. 6. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß die von MMK-Quellen bedeckte Flächen im Bezug auf eine andere von MMK-Quellen bedeckte Fläche einen stumpfen Winkel mit dieser bildet.
7. 7· Magnetkreisanordnung nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine erste MMK-Quelle enthält welche eine Fläche des PolStückes bedeckt, die gegenüber der Flussaustrittöffnung angeordnet ist, und daß weitere MMK-Quellen die Seitenflächen des Polstückes zumindest teilweise bedecken, wobei die Pol-Achsen der weiteren MMK-Quellen derart verlaufen, daß sie die Polachse der ersten MMK-Quelle innerhalb des Polstückes schneiden.
8. 8. Magnetkreisanordnung nach mindestens einem der voran- ' gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Polstück im wesentlichen ein Polygon ist und daß jeder der Polygonfläche, mit Ausschluß der Flussaustrittöffnung von einer MMK Quelle zumindest teilweise bedeckt wird.
9. 9. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß das Polstück im wesentlichen als Hohlzylinder bzw,Teil eines solchen ausgebildet ist, wobei ein Teil desselben Teil des Arbeitsluftspaltes ist_o
10. 10. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 4# dadurch gekennzeichnet, daß das Polstück sphärische oder asphärische Ober flächen aufweist«

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