DE2226025B2

DE2226025B2 - Magnetkreisanordnung mit Dauermagneten

Info

Publication number: DE2226025B2
Application number: DE19722226025
Authority: DE
Inventors: Albert L. De Long Island N.Y. Graffenried (V.St.A.)
Original assignee: Kollmorgen Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1971-05-28
Filing date: 1972-05-29
Publication date: 1978-04-06
Also published as: JPS5279213A; FR2140040A1; DE2226025A1; CA945611A; GB1394904A; FR2140040B1; AU4124472A; JPS6016187B2; IT960797B; JPS56138903A; JPS60166276U; JPS6130457Y2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetkreisanordnung mit Dauermagneten zur streuverlustarmen Magnetfeldleitung und Magnetfeldkonzentration im Arbeitsluftspalt, insbesondere für den Statoraufbau eines Elektromotors, bei der die mit dem Anker den Arbeitsluftspalt bildenden Polschuhe mindestens teilweise von Dauermagnetmaterial als MMK-Quelle bedeckt sind.

Grundsätzlich treten in allen Magnetkreisanordnungen Verluste durch magnetischen Streufluß auf. Die Größe des Streuflusses hängt weitgehend von der Geometrie der Magnetkreisanordnung 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 Permanentmagneten. Es ist natürlich erwünscht, möglichst den gesamten magnetischen Fluß über das Polstück durch den Arbeitsluftspalt, den Rotor und den magnetischen Rückschluß zu sammeln, d. h., den Fluß von Dauermagneten mit möglichst geringem Verlust zu einer Flußaustrittsöffnung zu leiten und damit zu einer hohen Kraftliniendichte in der Flußaustrittsöffnung, so beispielsweise im Arbeitsluftspalt eines Elektromotors, zu gelangen. Es muß versucht werden, möglichst alle magnetischen Streufelder zu verringern bzw. weitgehend zu vermeiden.

Für verschiedene Anwendungsgebiete von Motoren und andere elektromagnetische Einrichtungen ist es unerwünscht oder sogar außerordentlich funktionsstörend, wenn in der näheren Umgebung starke magnetische Streufelder auftreten, da diese mit anderen Bauelementen in Wechselwirkung treten und damit zu Störungen Anlaß geben können. Um höhere Kraftliniendichten in magnetischen Kreisen bei Motoren zu erreichen, ist es bekannt, die Polschuhe in Richtung auf den Rotor konisch auszubilden, was zu einer Erhöhung der Kraftliniendichte an der Flußaustrittsfläche und damit am Arbeitsluftspalt führt. Theoretisch sollte sich eine Erhöhung der Kraftliniendichte ergeben, die eine Funktion der Flächengrößen ist. Tatsächlich tritt jedoch an den Seiten der Polflächen ein Streufluß auf, der um so stärker wird, je größer das Verhältnis der Flächenstücke ist. Im allgemeinen aber werden die dadurch bedingten Verluste durch entsprechende Vergrößerung des Magnetfeldes der MMK-Quelle, also des Dauermagneten, und auch durch konstruktive Maßnahmen, wie das Fernhalten von magnetisch leitfähigem Material von den Seitenflächen, kompensiert. Auch magnetische Abschirmungen können hierbei hilfreich sein, jedoch sind sie durch zusätzlichen Raumbedarf oft hinderlich, wenn höchste Kraftflußdichte im Arbeitsluftspalt erzielt werden soll.

Ein weiterer Nachteil bekannter Magnetkreisanordnungen besteht darin, daß praktisch sehr hohe Kraftliniendichten im Arbeitsluftspalt wegen des auftretenden Streuflusses nicht erzielt werden können.

Ganz allgemein kann die Streuung eines Magnetfeldes für Meßzwecke dadurch klein gehalten werden, daß eine Erregerspule möglichst in unmittelbarer Nähe des Luftspaltes, vorzugsweise über diesem, angeordnet wird, wobei jedoch die Verteilung der Amperewindungen über die gesamte Länge des Eisenweges nicht so vorteilhaft ist, wie eine Konzentrierung an der Stelle des höchsten magnetischen Widerstandes.

Auch ist ein spezieller magnetischer Kreis bekannt, der sich eines Permanentmagneten mit einem zylindrischen Abschnitt und einer mittleren Achsöffnung bedient, wobei ein weiteres Teil eine Art Joch bzw. einen Abschluß für das eine Ende der Bohrungsöffnung darstellt und jedes der Teile senkrecht zur Oberfläche der öffnung polarisiert ist. Ein mittlerer Kern ist als Polstück ausgebildet, welches in die Bohrung eingebracht im Eingriff mit der Oberfläche derselben steht und ein äußeres Teil der Rückführung des magnetischen Flusses dient (US-PS 22 75 880).

Auch ist ein stabförmiger Dauermagnet bekannt, dessen Magnetflußdichte im Bereich des Nordpols durch eine bestimmte Jochanordnung aus permeablem Magnetmaterial vorteilhaft beeinflußt und gestaltet werden soll (BE-PS 5 56 726).

Eine weitere bekannte Permanentmagnetanordnung zur Herstellung eines gleichförmigen und homogenen Magnetfeldes (US-PS 32 05 415) ist außerordentlich kompliziert im Aufbau und wirtschaftlich vertretbar nur dann, wenn er im Zusammenhang mit dem dort beschriebenen Anwendungsgebiet, nämlich für Elektronenröhren zur Fokussierung des Kathodenstrahls

Anwendung findet.

Des weiteren ist ein elektromagnetisches System, und zwar für einen Gleichstrommotor, bekannt (DT-AS 11 60 080), bei dem im Stator Permanentmagnete angeordnet sind, deren Fluß parallel den gemeinsamen -, Polschuh durchdringen. Der Rotor, die Polschuhe und die Permanentmagnete sind hierbei von einem geschlossenen, rechteckigen oder quadratischen Statorrahmen aus magnetisch leitendem Stoff umgeben und die Permanentmagnete mit deren Polflächen liegen direkt in am Statorrahmen bzw. an den Polschuhen an, wobei am gleichen Polschuh anliegende Permanentmagnete einen von 180° verschiedenen Winkel miteinander bilden.

Ein weiterer bekannter permanentmagnetischer Stator (DT-AS 11 74 418), bei dem zusätzliche Perma- π nentmagnete vorgesehen sind, die in Richtung ihrer Magnetisierung zwischen der radialen Außenfläche der Eisenkeile und der Innenfläche des aus magnetisch leitendem Material bestehenden Statorrahmens angeordnet sind und jeweils mit den gleichen Polen wie die anderen Permanentmagnete an den Eisenkeilen anliegen, ist demgegenüber zwar insofern vorteilhaft, als die Eisenkeile bei dieser Anordnung magnetisch besser ausnutzbar sind, diese Anordnung ist aber dennoch nicht geeignet, eine Magnetkreisanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die für die heutigen Anforderungen ausreichend streufeldverlustarm bei gleichzeitig hoher Magnetfeldkonzentration im Arbeitsluftspalt ist.

Schließlich ist noch ein Polaufbau für große «1 dauermagnetische Pole mit großer Flußdichte bekannt, der geeignet ist, die bei Verwendung von Ferritmagneten vorliegende geringe Flußdichte des magnetischen Flusses vorteilhaft zu beeinflussen (DT-OS 19 36 619). Dies geschieht dadurch, daß die von mehreren Dauermagneten erzeugten Magnetflüsse durch die Weicheisenleitstücke auf die Polfläche und die gegenüberliegenden RückfluQflächen geführt und auf beiden Seiten jeweils gleichnamig sind. Hierfür sind an der Innenwandung des Gehäuses des bekannten Elektromotors ein oder mehrere Weicheisensammelstücke befestigt, wovon sich wenigstens eines im Luftspalt des Motors befindet. Zwischen den Weicheisensammelstükken sind zusätzliche Weicheisenleitstücke und die Permanentmagnete in Stellung gebracht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art den Streufluß noch weitgehender zu vermeiden, als das bisher gelungen ist, und die Magnetfeldkonzentration im Arbeitsluftspalt bei gleichzeitig optimaler Ausnutzung der vorhandenen Dauermagnete zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der vorliegenden Anordnung werden im Arbeitsluftspalt Feldstärken erreicht, die beispielsweise 20 000 Gauss übersteigen; andererseits ermöglicht die Magnet- t> <> kreisanordnung die gewünschte Kraftliniendichte mit schwächeren und billigeren MMK-Quellen zu verwirklichen als bisher möglich. Externe Streufelder werden praktisch vollständig vermieden, so daß es möglich wird, empfindliche Bauelemente nahe benachbart in bezug auf die Magnetfelder anzuordnen. Für alle praktischen Anwendungsfälle kann davon ausgegangen werden, daß der Verlustfaktor durch Streufelder praktisch vollständig vernachlässigbar ist. Wesentlich für die Anordnung der MMK-Quellen ist es, daß der Fluß entweder der verschiedenen Dauermagnete oder in verschiedener. Bezirken einer Quelle verschiedene Richtungen aufweist, und zwar derart, daß mindestens zwei magnetische Feldvektoren vorhanden sind, die Komponenten aufweisen, die senkrecht auf das resultierende Feld verlaufen. Die vorliegende Feldanordnung kann derart verstanden werden, daß einerseits das resultierende Magnetfeld an der Austrittsöffnung konzentriert wird und andererseits die individuellen MMK-Quellsn so angeordnet sind, daß sie im wesentlichen den Flußaustritt aus allen Flächen außer dem Arbeitsluftspalt verhindern. Der Gesamtflußgradientvektor verläuft im wesentlichen parallel zu der Achse des erwünschten Flußaustritts. Abweichende Flußvektoren, die ansonsten zu Streufluß führen würden, werden von den entgegengesetzten Flußvektorkomponenten der entsprechenden MMK-Quelle bzw. dem Dauermagneten neutralisiert.

Es ist vorteilhaft, den magnetischen Widerstand der MMK-QueJle dem magnetischen Widerstand der Last, also der Reluktanz des Flußpfades, anzupassen, um so ein Optimum an Wirkungsgrad zu erzielen. Die Flußrichtung der MMK-Quellen ist stets so, daß sie dem Austritt von Streufluß entgegenwirken, wobei die Reluktanz einer jeden MMK-Quelle im wesentlichen gleich der von ihr aus gesehenen Last sein sollte.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand von zeichnerischen Darstellungen näher beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 im Teilschnitt eine perspektivische Darstellung eines Elektromotors, dessen elektromagnetischer Statorkreis der Erfindung entspricht,

F i g. 2 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,

Fig.3 eine vereinfachte Seitendarstellung eines Statorpolschuhs und Magnetkreisanordnungen nach Fig. 1,

Fig.4 eine schematische Darstellung der Statoranordnung nach F i g. 2 zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen den verschiedenen magnetischen Achsen,

Fig.5 eine Schnittaufsichtsdarstellung des Motors nach F i g. 2 entlang der Linie 5 geschnitten,

Fig.6 ein schematisches Diagramm eines magnetischen Kreises,

F i g. 7 die Charakteristika typischer magnetischer Materialien, die für die Magnetkreisanordnung benutzt werden können,

F i g. 8 eine perspektivische Teilschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig.9 eine seitliche Schnittdarstellung eines Polschuhpaars einer Scheibenläufermaschine, deren Magnetkreisanordnung der Erfindung entspricht,

Fig. 10 eine Aufsichtsdarstellung eines Teilschnitts entlang der Linie 10 in F i g. 9,

F i g. 11 eine perspektivische Teilschnittdarstellung eines Vierpolmotors, dessen Magnetkreisanordnung der Erfindung entspricht,

^Fig. 12 eine Schnittdarstellung eines Teils der Darstellung in F i g. 11 entlang der Linie 12.

Der Gleichstrommotor nach F i g. 1 ist eine einfache Zweipolausführung mit einem Gehäuse 10 aus Stahl, das aus den beiden senkrechten Kraftlinienrückschlußplatten 12 und 14. den horizontalen Rückschlußolatten 15.

16 und den magnetisch leitenden Stirnstücken 18 besteht. Die beiden Polschuhe 22 und 24 bestehen aus einer ferromagnetischen Legierung mit hohem Sättigungswert. Gezeigt sind konisch verlaufende Seitenflächen 25, 26 und die Außenflächen 27, 28. Die <■> Polschuhflächen 29, 30 sind die Austrittsöffnungen für den magnetischen Fluß und bilden mit dem Läufer 20 den Arbeitsluftspalt.

Praktisch die ganze äußere Oberfläche der Polschuhe 22,24 wird von den Hauptmagneten 32 und 34 bedeckt, κι Der von diesen ausgehende Magnetkreis besteht demnach aus den Polschuhen 22,24, dem Läufer 20, den Rückschlußplatten 15 und 16 sowie 12 und 14; der typische Verlauf des Kraftlinienpfades ist in F i g. 1 als gestrichelte Linie 35 eingetragen. Als Hauptmagnete 32 ι ■-, und 34 eignen sich beispielsweise quaderförmige Stücke aus Alnico Sb, deren Magnetpole entsprechend der Abbildung angeordnet sind. Die bisher beschriebenen Bauelemente entsprechen dem Aufbau eines konventionellen Gleichstrommotors. Theoretisch sollte hierbei die Kraftliniendichte im Arbeitsluftspalt im Verhältnis von den Polschuhflächen 29 bzw. 30 zur Außenfläche 27 bzw. 28 (Übergangsfläche zwischen MMK-Quelle und Polschuh 22 bzw. 24) größer sein als jene an der Oberfläche der Hauptmagnete 32 und 34. Die maximale 2"> Kraftliniendichte im Luftspalt wurde jedoch bei dieser Konstruktion bisher durch sich ausbildende magnetische Nebenschlüsse und Streufelder begrenzt. Derartige Nebenschlüsse können ihren Ausgang von den Seitenflächen 25 und 26 der Polschuhe nehmen, wobei der jo Kraftlinienpfad entweder von diesen Seitenflächen über den Läufer führt oder direkt zu den nächstliegenden Flächen des ferromagnetischen Gehäuses.

Die vorliegende Anordnung ermöglicht es, derartige Nebenschlüsse und Streufelder weitgehend zu verrin- jj gern bzw. praktisch vollständig zu vermeiden. Hierzu dienen in der Konstruktion nach dem Beispiel der F i g. 1 die Hilfsmagnete 36 bis 39, welche die Seitenflächen 25 und 26 bedecken. Die Polachsen dieser MMK-Quellen kreuzen die Polachsen der Hauptmagnete 32, 34 innerhalb der Polschuhe und besitzen Feldrichtungsvektorkomponenten, die senkrecht zu der im wesentlichen radial nach innen gerichteten Kraftlinienrichtung im Arbeitsluftspalt verlaufen. Grundsätzlich sind die magnetischen Achsen der Hilfsmagnete 36 4^r> bis 39 derart gerichtet, daß sie dem Austritt der von den Hauptmagneten 32, 34 kommenden Kraftlinien an den Seitenflächen der Polschuhe entgegenwirken. Mit anderen Worten: die Magnetfelder der Hilfsmagnete 36 bis 39 wirken auf das von den Hauptmagneten w herrührende Magnetfeld derart ein, daß die Zahl der Kraftlinien an der Flußauslrittsöffnung erhöht wird. Die Kraftlinienaustrittsöffnung eines jeden Polstücks ist gleichzeitig als Kraftlinieneintrittsöffnung mit Bezug auf den vom anderen Magnetpol herrührenden Fluß v, aufzufassen. Die Hilfsmagnete bewirken eine Rotations und Umorientierung magnetischer Bezirke innerhalb der Polschuhe, so daß alle Kraftlinien an der Kraftlinienaustrittsfläche, also am Arbeitsluftspalt, vereinigt austreten. Zum Schließen des magnetischen mi Kreises der Hilfsmagnete 36 bis 39 dienen die Rückschlußstücke 40 und 41, welche gegebenenfalls zwecks einfacherer Handhabung und einfacheren Zusammenbaus aus entsprechenden Segmenten gebildet werden können. Die Verwendung derartiger, einen μ nur geringen magnetischen Widerstand aufweisender magnetischer Riickschlußpfadc für die Magnete gestatict es, die Rcluktnnz der MMK-Qucllcn 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 Fig. 1 werden die Polschuhe mit Ausnahme ihrer Stirnflächen praktisch von Dauermagneten bedeckt. Eine weitere Verringerung von Streufeldern und Nebenschlüssen kann dadurch erzielt werden, daß auch die Stirnflächen mit entsprechendem Magnetmaterial bedeckt werden, so daß dann praktisch die gesamte Oberfläche der Polschuhe mit Ausnahme der den Arbeitsluftspalt begrenzenden Flächen von MMK-Quellen bedeckt ist und keinerlei Streufluß oder Nebenschluß auftreten kann, da dieser in allen Fällen durch entgegengesetzte magnetische Felder unterdrückt wird.

F i g. 3 zeigt die geometrische Anordnung der permanentmagnetischen MMK-Quellen. Die Polachsen 42 und 44 der Hilfsmagnete schneiden die Polachse 4€ des Magneten 32. Unter Polachse soll hier eine Linie verstanden werden, die von der Mitte der Dauermagnete parallel zu der allgemeinen Richtung der Kraftlinien gezogen wird, wobei angenommen ist, daß der Verlaul der Kraftlinien nicht durch äußere Felder oder Materialien beeinflußt wird. F i g. 3 zeigt ebenso in schematischer Weise eine weitere Ausführungsform, bei welcher die seitlich angeordneten Dauermagnete nicht aus einem einheitlichen Permanentmagneten, sondern aus Segmentmagneten 36a und 36b sowie 37a und 374 bestehen. Die Segmente 36b und 37b, die näher zur Polschuhfläche 29 angeordnet sind, weisen eine höhere Feldstärke auf als jene, die weiter von der Fläche 29 entfernt sind. In F i g. 3 sind die typischen Kraftlinienpfade für den Fluß, ausgehend von den Segmenten 36i und 37b, ebenso wie von den Segmenten 36a und 37a, als gestrichelte Linien 43 und 45 eingezeichnet. Geeignetes Material für die an den Seitenflächen der Polschuhe angebrachten Dauermagnete als MMK-Quellen ist beispielsweise Bariumferrit. Die Wahl dieser Hilfsmagnete wird im wesentlichen bestimmt durch die aus der geometrischen Anordnung erforderliche Feldstärke, um den MMK-Abfall im Luftspalt zu kompensieren. Die Stärke der Hilfsmagnete kann bestimmt werden aus dem MMK-Abfall im Luftspalt, wobei die Reluktanz annähernd gleich der auf die von den betreffenden Hilfsmagneten ausgehenden Kraftlinienpfaden entfallenden Lastreluktanz gewählt wird. Die richtige Reluktanzanpassung aller MMK-Quellen an die Lasl bewirkt eine wesentliche Verbesserung des Verhaltens Die an den Seitenflächen der Polschuhe angeordneten Permanentmagnete verhindern zwar in jedem Fall den Austritt von Streufeldern und die Ausbildung von Nebenschlüssen; nimmt man jedoch an, daß der Hauptmagnet an die Last angepaßt war, so bewirken die zusätzlichen MMK-Quellen, also die angebrachter seitlichen Dauermagnete, ein Fehlverhalten von Hauptmagnet und Last, wenn nicht die Reluktanz des Hauptmagneten entsprechend verändert und angepaßl wird. Nach einer bevorzugten Ausführungsform werder alle MMK-Quellen so angeordnet und gewählt, daß sie zum Kraftlinienfluß im Arbeitsluftspalt, also der gemeinsamen Last, beitragen und den Austritt vor Streufluß verhindern.

F i g. 6 ist eine vereinfachte Darstellung des magnetischen Kreises der Anordnung mit den leerlaufmagnetomotorischen Kräften F₀ und Fi der Haupt- und dei Hilfsmagnete und den inneren Reluktanzen R₀ und /?i der Quellen sowie der Gesamtreluktanz Ri und R< dei

magnetischen Kraftlinienpfade durch das im Magnetkreis befindliche Eisen. Es ist angenommen, daß Kraftliniennebenschlüsse durch die Hilfs-MMK-Quelle F₁ verhindert werden und daß daher die Lastreluktanz im wesentlichen die Reluktanz des Arbeitsluftspaltes R_g ist und die Reluktanz R₁ eines Nebenschlusses ignoriert werden kann. Die hohe Permeabilität des Eisens gestattet es, die Reluktanz A3 und A4 außer Betracht zu lassen, da diese generell außerordentlich gering sind, verglichen mit der Lastreluktanz.

In der nachfolgenden Analyse werden die folgenden weiteren Bezeichnungen benutzt:

Für die nachfolgenden Berechnungen werden weiters folgende Bezeichnungen benutzt:

Λο = Fläche des »Haupt«magneten senkrecht zum Kraftlinienfluß;

A\ = Fläche der »Hilfs«Magnete senkrecht zum Kraftlinienfluß;

Lo = Länge (Dicke) des Hauptmagneten parallel zur Flußrichtung;

Li = Länge (Dicke) der Hilfs-Magnete senkrecht zur Flußrichtung;

Fg = MMK-Abfall entlang des Arbeitsluftspaltes;

Lg = Länge des Arbeitsluftspaltes parallel zur Flußrichtung;

Ag = Fläche des Arbeitsluftspaltes senkrecht zur Flußrichtung;

Φο = Fluß in Kraftlinienpfadschleife des Hauptmagneten;

Φι = Fluß in Kraftlinienpfadschleife der Hilfs-Magnete;

Bg = Kraftliniendichte im Arbeitsluftspalt.

Unter der Voraussetzung, daß jede MMK-Quelle auf eine Last einwirkt, deren Arbeitsspaltreluktanz der Fläche Ag/2 entspricht und zwar unabhängig von der anderen MMK-Quelle, so ergibt sich als Last für jede Quelle 2R_g (kombiniert man die beiden Lasten von 2R_g, so ergibt sich die tatsächliche Last zu R_g).

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

F„ = 2F, = 2<l>₀(2R_o). (I)

Des weiteren gelten die folgenden Beziehungen:

Φ = °ß.£i, (2)

R₁₁ = ^ -,

wobei κ = I ist in Luft und im cgs-Systcm. Daher wird

Und damit

L₁ H₁

wobei H\ und Wo die Feldstärke der Quellen bezeichnet. Wenn R_1n der magnetische Widerstand pro cm^J des magnetischen Materials ist, dann ergibt sich die Reluktanz der magnetischen (MMK) Quellen zu:

"rnü

R_ml L₁

M> ~ L_n H₀ — L₁H₁ ,

Da der von den icspcktiven Magneten bewirkte Fluß Φ_ο und Φ,

ι-, "Ό = B₀Af,, Φ, = B₁A₁ (8)

ist, ergibt sich

2</*,R₀ = F₀ = 2B₉L, ; (9)

2 Φ, R₁ = F₀ = 2B₉L₉.
Setzt man (7) und (8) in (9) ein, so ergibt sich

B₀ R_m0 L₀ = B₁ R_ml L₁ = B₀L₀ (10)

und aus (6) und (10)

O₀ /\_m0 — H₀Z^- ,

(H) j,, B₁R,,,, = tf,/2.

Der Ausdruck (11) ermöglicht es, den Arbeitspunkt für jedes beliebige Magnetmaterial zu bestimmen.

Fig. 7 zeigt im logarithmischen Maßstab Kurven ι j konstanter magnetischer Feldstärke Ho als Funktion der Flußdichte und Einheitsreluktanz R_n* Ebenso gezeichnet sind die Einheitsreluktanzwerte für verschiedene Magnetmaterialien bei verschiedenen Flußdichten. Die Feldstärke H_a ergibt sich aus der vorstehenden 4(i Berechnung, sobald Arbeitsluftspaltdimension und Flußdichte gewählt sind. F i g. 7 ermöglicht es daher, für jede MMK-Queile Arbeitspunkt und Abmessungen für den Fall der Anpassung der magnetischen Widerstände zu bestimmen, und zwar entsprechend (7). (Im Beispiel gilt

* - i? — i? — OJ? 1

4) Λ0 — Λ] — Δ *·£·/

Wie ohne weiteres ersichtlich, kann die oben ausgeführte Analyse in der gleichen Weise für mehr als einen Zusatzmagneten bzw. für eine beliebige Anzahl von MMK-Quellen durchgeführt werden.
V) F i g. 2 ist die Darstellung eines Motors mit einem magnetischen Statorkreis, dessen Geometrie eine optimale Lösung nach der Erfindung und in bezug auf Verlustfreiheit darstellt.

Die Konstruktion nach Fig.2 benutzt Polstücke mit

·>·) einer bogenförmigen Außenfläche und MMK-Quellen, welche unabhängige, gegeneinander einen Winkel einschließende magnetische Bezirke besitzen, deren magnetische Achsen sich innerhalb des Polstückes schneiden. Dementsprechend besitzen die Polstückc 50,

w) 52 allgemein zylindrische Seiten 53 und 54, die praktisch vollständig umgeben, oder im vorliegenden Fall bedeckt von MMK-Quellen 55 und 56 sind.

Die Polstücke können beispielsweise auch etwas elliptischen Querschnitt aufweisen, wobei der Radius h^r> von der Motorachse die kleinere Achse ist und die größere Achse senkrecht zu dem Radius verläuft.

Jede der MMK-Quellen 55 und 56 besteht ihrerseits aus zahlreichen eng aneinandergereihten Segmenten

55a und 56a aus Magnetmaterial, deren Polaren generell senkrecht zu den zylindrischen Seiten 53, 54 des betreffenden Polstückes steht. Bevorzugt schneidet jede dieser Achsen zumindest eine Achse eines anderen Segments (vgl. dazu' die schematische Darstellung in Fig.4). Die Anordnung der Segmente ist damit eine solche, daß das Auftreten von anders zu erwartendem Streufluß vermieden wird.

In Fig.4 ist die äußere Begrenzungslinie des Polstückes strichpunktiert eingetragen und mit 50 bezeichnet. Einzelne Segmente 55a sind für typische Orte gleichfalls eingezeichnet. Die Polarität der Segmente ist derart gewählt, daß alle Nordpole nach innen weisen.

Geht man zurück zu Fig. 2, so sieht man, daß die MMK-Quellen-Segmente 55a und 56a ihrerseits praktisch vollständig von ferromagnetischem Material, das gleichzeitig das Gehäuse darstellt, umgeben sind. 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 Fig. 2 ist es, daß das MMK-FeId an jeder Stelle so orientiert ist, daß es durch die Polfläche geht. An Stelle der Magnetmaterialsegmente 55a 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 Fall besteht der Magnet aus einer unendlichen Zahl von unendlich schmalen Segmenten oder Domänen als MMK-Quellen.

F i g. 5 zeigt eine weitere Verbesserung nach der Erfindung und zwar als Teil der Konstruktion nach F i g. 2. Wie dargestellt, sind hierbei die Endflächen der Polstücke 50 und 52 praktisch vollständig bedeckt von Magneten 62 und 63, deren Polarachse senkrecht zu 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 Flußdichte an den Orten der Hilfsmagnete gleich der oder größer als die Flußdichte am Ort des Hauptmagneten gewählt werden. Damit wird es möglich, außerordentlich hohe Feldstärken im Arbeitsluftspalt herzustellen.

F i g. 8 stellt eine weitere Ausführungsform des Magnetkreises nach der Erfindung am Beispiel einer Statorkonstruktion für einen Motor dar. Hierbei sind die Polstücke 70, 71 als Polygone ausgebildet, wobei jeder Polschuh 5 ebene 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 Figur 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 prak-) tisch gleicher Weise zum Nutzfeld im Arbeitsluftspalt bei; jede MMK-Quelle 75 ist daher an seinen Teil der Lastreluktanz angepaßt. Im vorliegenden Fall kann beispielsweise und zweckmäßigerweise jede der MMK-Quellen 75 eine Reluktanz aufweisen, die 5mal größer ist

ι ο als die Arbeitsluftspaltreluktanz.

Die F i g. 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

ι) 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 Magneten lediglich ein magnetischer Rückschluß für den zu dem

>o Polstück 82 gehörigen Magneten vorgesehen. Die Polstücke nach F i g. 9 sind konisch geformt und konvergieren in Richtung zu den Polflächen 89 und 90. Auf der den Polflächen 89 bzw. 90 gegenüberstehenden Außenflächen der Polstücke befinden sich die Hauptma-

r> gnete 92 und 94. Die Seitenflächen der Polstücke sind mit den Hilfsmagneten 96 und 97 bedeckt. Die Polstücke sind im wesentlichen pyramidenförmig gestaltet und weisen paarweise einander gegenüberliegende Seitenflächen auf. Die Hilfsmagnete werden von Rückschlußin ringen 99,100,101 und 102 umgeben. In F i g. 10 sind die weiteren Hilfsmagnete 106 und 107 dargestellt. Die Kraftlinienpfade sind in F i g. 9 gestrichelt eingezeichnet und mit 103,105,111 und 112 bezeichnet.

F i g. 11 stellt einen vierpoiigen Motor dar, wobei die

i") vier Polstücke mit 110 und der Rotor mit Ul bezeichnet sind. Bei der Ausführung nach der Figur wird ein wesentlicher Teil, etwa Vz der Gesamtfeldstärke im Arbeitsluftspalt, durch die Zwischenpolmagnete 113 geliefert. Auch die Außenmagnete 115 und 116 tragen

■ίο zur Gesamtfeldstärke bei, jedoch in einem geringeren Umfang. Trotzdem ist die Magnetkreisanordnung nach Fig. 11 und 12 typisch für die Erfindung. Die Polstücke sind praktisch vollkommen von MMK-Quellen umgeben, deren magnetische Polarachsen eine Komponente

i") aufweisen, die senkrecht auf der Flußrichtung im Arbeitsluftspalt steht, wobei die Achsen der Magnete 113 die Achsen der Magnete 115 und 116 innerhalb der Polstücke UO schneiden. Der Zwischenraum zwischen den Polstücken reicht bei dieser Konstruktion auch aus,

ίο um dort Bürstenhalter 119 mit den Bürsten 120 unterzubringen (vgl. Fig. 12). Das Motorgehäuse 122 bssitzt eine innere Ausgestaltung, die der der Statorkonstruktion entspricht, um so den magnetischen Rückschluß zu bewerkstelligen.

Hierzu 6 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetkreisanordnung mit Dauermagneten zur streuverlustarmen Magnetfeldleitung und Magnetfeldkonzentration im Arbeitsluftspalt, insbesondere für den Statoraufbau eines Elektromotors, bei der die mit dem Anker den Arbeitsluftspalt bildenden Polschuhe mindestens teilweise von Dauermagnetmaterial als MMK-Quelle bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche der Polschuhe mit Ausnahme des den Arbeitsluftspalt begrenzenden Flächenabschnittes derart von Dauermagneten bedeckt ist, daß der Austritt magnetischer Feldlinien weitgehend oder vollständig unterbunden ist, wobei die Polachsen der mit dauermagnetischem Material bedeckten Polschuhoberfläche verschieden gerichtet, wenigstens mit mehr als einer Achse eine Magnetflußkomponente aufweisen, die senkrecht zu der Hauptrichtung des magnetischen Flusses an der Austrittsfläche zum Arbeitsluftspalt verläuft, und daß der magnetische Widerstand des Magnetkreises einschließlich des Arbeitsluftspaltes angepaßt an die und annähernd gleich der resultierenden Reluktanz der die MMK liefernden Dauermagnete ist.

2. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Dauermagnet mit seiner Reluktanz an die auf diese wirkende Last-Reluktanz angepaßt ist.

3. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh im wesentlichen ein Polygon bildet und daß jede der Polygonflächen mit Ausnahme der Arbeitsflußaustrittsfläche von einem Dauermagneten zumindest teilweise bedeckt ist.

4. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh zumindest teilweise eine gekrümmte, beispielsweise eine zylindrische Oberfläche aufweist.

5. Magnetkreisanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Polschuhe zumindest teilweise mit Dauermagneten bedeckt sind.