DE2328360A1

DE2328360A1 - Staender fuer gleichstrommaschine mit geringer traegheit

Info

Publication number: DE2328360A1
Application number: DE2328360A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Onishi; Seizi Yamashita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-06-05
Filing date: 1973-06-04
Publication date: 1973-12-06
Also published as: FR2188340A1; US3828213A; FR2188340B1

Description

Ständer für Gleichstrommaschine mit geringer Trägheit

Die Erfindtmg betrifft eine Konstruktion eines Ständers als magnetischer Kreis für eine Gleichstrommaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Ausgestaltung eines Ständers der auf die Verwendung der Maschine als Motor mit geringer Trägheit angepaßt ist und der vorzugsweise als Winden- bzw. Antriebsmotor für ein Magnetbandsystem eines elektronischen Computers verwendbar ist.

In letzter Zeit hat sich die Forderung nach einer Steigerung der Geschwindigkeiten von solchen Motoren verstärkt, die für Maschinen der erwähnten Art und für die angegebene Einrichtung zu verwenden sind. TJm dieser Forderung nachkommen zu können, ist es -"erforderlich, daß der Rotor des Motors geringere Trägheit hat, . um eine Verringerung derjenigen Zeit zu errei-

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cheri, die erforderlich ist, um vom Start auf die Uenndrehzahl des Motors zu kommen, die erforderlich ist, um von der Unterbrechung der Stromzufuhr bis zum Stillstand des Motors zu korn-, men und die erforderlich ist, für den normalen Betrieb des Motors zwischen Beschleunigung und Verzögerung desselben. Es wird außerdem gefordert, daß der Motor ein Drehmoment entwickelt das wenigstens zweimal so groß wie dasjenige vergleichbarer Motoren bekannter Art ist.

Damit beispielsweise ein Motor mit einer Vorschubrate von 7₅5 ni/sec (300 Zoll/sec) unter Verwendung des gleichen Ankers wie er in einem Winden- bzw. Antriebsmotor (Capstan Motor) für eine Vorschubrate von 5 m/sec verwendet wird, betrieben werden kann, muß das Drehmoment des Motors etwa 2,25 mal so groß wie das.des bekannten Motors sein, weil die Start- und Stop-Zeiten des gewünschten Motors-1/1,5 mal und die normale Betriebsgeschwindigkeit desselben 1,5 mal größer ist als bei dem. zum Vergleich herangezogenen bekannten Motor.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen wie eingangs angegebenen Motor su finden, der unter anderem die voranstehend angegebenen Erfordernisse erfüllt.

Diese Aufgabe wird durch einen Motor gelöst, wie er in den Patentansprüchen angegeben ist und wie er in der nachfolgenden Beschreibung, einschließlich den Figuren, näher erläutert ist.

Die Erfindung, die sich auf einen Ständer, der den magnetischen Kreis einer Sieichstrommaschine bildet, bezieht, und die einen Ständer für einen Motor mit geringer Trägheit, speziell für die. Verwendung als Antriebsmotor eines Computers betrifft, sieht somit vor, daß die Querschnittsfläche der Magneten vergrößert ist, wobei der als Verlust zwischen, den Polen auf-

Jisakfluß auf ein Minimum gebracht ist und die wirksame arischen den Polen und dem Anker vergrößert ist und weiterhin dir gluß&ichte an der Kontaktfläche mit dem Pol auf den größteil Werf gebrae&t 1st«

Folgende Überlegungen dienen dem noch besseren Verständnis der Erfindung, ihren Ausgestaltungen und Weiterbildungen.

Eine Beschleunigung eines wie hier interessierenden Motors kann erreicht werden durch eine Vergrößerung des Drehmomentes des Motors, und zwar durch Vergrößerung des Flußes, der durch den Anker hindurchgeht, oder durch Vergrößerung des Stromes, der durch die Windungen des Ankers hindurchfließt, oder durch Verringerung des Trägheitsmomentes des Motors. Es ist jedoch bei allem notwendig, das Verhältnis zwischen dem Trägheits-' moment und dem Produkt aus dem Strom in den Ankerwindungen und dem wirksamen Fluß im Anker auf das etwa 2,25-fache zu erhöhen.

Bei-einem wie voranstehend angegebenen Motor kann jedoch das. Trägheitsmoment nicht willkürlich verringert werden, da der Gestalt, der Form und der Stärke des Motors in der Relation zwischen dem Anker des Motors und der last, mit dem dieser Motor beaufschlagt wird, Grenzen gesetzt sind.

Eine Erhöhung des Ankerstromes bringt Probleme der Wärmeerzeugung mit sich. Um die Wärmeentwicklung herabzusetzen, müßte der Drahtquerschnitt der Ankerwicklung groß gemacht werden. Dies würde zu einem vergrößerten Durchmesser des Ankers insgesamt führen und das Trägheitsmoment vergrößern. Auf deranderen Seite würde, wenn der Ankerstrom ohne Veränderung des Drahtquerschnittes vergrößert werden würde, die Wärmeentwicklung quadratisch mit der Stromstärke ansteigen. Dies würde zu Schwierigkeiten führen, den Motor mit üblichen Kühlungsmaßnahmen zu kühlen.

Im Hinblick auf das Vorangehende wäre es für die Vergrößerung des¹ Drehmomentes des Motors am wirksamsten, den Fluß zu vergrößern, was relativ wenig Einfluß auf die anderen Elemente des Motors hat.

Bei einem üblichen Motor dieser Art sind die Magneten radial in gleichen Abständen voneinander angeordnet und in einem

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Gehäuse befestigt, das gleichzeitig als die Magneten festhaltender Rahmen dient. An den innenliegenden Enden der Magneten sind Polschuhe angebracht, wobei ein kleiner Abstand zwischen diesen Polschuhen und der Ümfangsfläche des Rotors vorgesehen ist.

Ein Motor dieser Art kann verschiedene Ausführungsformen haben und der Aufbau des verwendeten Ankers ist verschieden,abhängig von der Ausführungsform des Motors. Namentlich bei einem Motor mit zylindrischem oder mit becherförmigem Anker ist der aus der Ankerwicklung zusammengesetzte Rotor drehbar zwischen einem zentralen Kern und Polen angeordnet. Der äußere Kern ist für sich nicht drehbar und bei einem Motor mit glattem Ankerkern sind die Ankerwicklungen auf der Oberfläche des Kernes, der für sich drehbar ist, angeordnet.

Als Maßnahme zur Vergrößerung des Flußes kommt als erstes in Betracht, den Durchmesser des Ankers groß zu machen, um den magnetischen Weg des Flußes auszudehnen, wie oben erwähnt. Durch dieses Maßnahme wird jedoch nicht nur die Größe des ganzen Motors vergrößert, sondern es wird auch ein entgegengesetzter Effekt bewirkt, da das Trägheitsmoment mit der dritten Potenz des Ankerdurchmessers ansteigt.

Kurz gesagt, es ist eine Maßnahme zu bevorzugen, durch die es möglich ist, dem Anker eine solche Form zu geben, die das Trägheitsmoment zu einem Minimum und dennoch den Betrag des Flußes so groß wie möglich macht.

Unter diesem Gesichtspunkt ist eine Maßnahme zur Vergrößerung des Flußes durch Verbesserung des Materials der Magneten erarbeitet worden. Insbesondere sind Alnico-Magneten entwickelt worden und werden gegenwärtig verwendet. Sie sind in der Lage, einen Fluß von ungefähr 13 000 Gauss zu erzeugen. Dieser Wert des Flußes ist jedoch eine kritische obere Grenze und die Magneten werden in der Praxis mit einem Flußwert von 11 000 bis 12 000 Gauss verwendet. Um ein mehr als zweimal so großeR

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Drehmoment wie dasjenige eines Motors mit solchen Magneten bei einem Motor mit im wesentlichen gleicher Größe zu erreichen,' wäre ein Fluß von wenigstens 15 000 bis 16 000 Gauss erforderlich. Dies kann von den gegenwärtig verwendeten Alnico-Magneten im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit solcher Magneten überhaupt nicht erwartet werden.

Es ist auch in Betracht zu ziehen, den Querschnitt der Magneten oder die Dicke der Polschuhe zu vergrößern. Die erstere Maßnahme führt jedoch zu einer Abnahme des Spaltes zwischen den Polschuhen und die letztere Maßnahme führt zu einer Vergrößerung der Oberfläche eines jeden Polschuhes-. Beide Maßnahmen ergeben eine Steigerung des Leckflußes. Demzufolge hat eine Vergrößerung der.Querschnittsfläche der Magneten keinen Sinn. -

Zur Verringerung des Leckflußes kann in Betracht gezogen werden, den Spalt zwischen den Polschuhen zu vergrößern oder die Fläche der einander gegenüberstehenden Oberfläche eines jeden Polschuhes zu verkleinern. Solche Maßnahmen fuhren jedoch unweigerlich zu einer Verringerung der Querschnittsfläche der Magneten und sind unerwünscht. ,

Wie dargelegt, führt die Vergrößerung der Querschnittsfläche der Magneten, entsprechend der Konstruktion eines üblichen Motors, zu einer Steigerung des Leckflußes. Die Bemühungen zur Verringerung des Leckflußes bedingen eine Verringerung der Querschnittsfläche der Magneten. Daher ist es bisher unmöglich gewesen, die Eigenschaften eines Motors über mehr als ein gewisses Maß hinaus durch die eine oder die andere Maßnahme zu verbessern.

Aus'der USA-Patentschrift 3.296.471 ist ein Ständer bekannt geworden," bei dem die rückwärtige Seite eines jeden Polschuhes zwei in einem Winkel zueinander stehende. Oberflächen hat. Der Winkel ist kleiner als 180 °, An einer jeden solchen Oberfläche ist eine Magnetplatte aus Ferrit angebracht, die eine hohe Koerzitivkraft hat. Dieser -Ständer ist dahingehend

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wirksam, den Leckfluß zu verringern und die Flußdichte im Luftspalt zwischen dem Polschuh und dem Anker zu vergrößern.

Gemäß-der vorliegenden Erfindung hat der Ständer eine Konstruktion, nach der die Rückseite eines jeden Polschuhes aus zwei Oberflächen gebildet ist, die in einem Winkel kleiner als 180 zueinander geneigt- stehen. An einer jeden dieser Oberflächen ist ein Magnet befestigt bzw. mit dieser Fläche verbunden, der in Radialrichtung magnetisiert ist. Ein solcher Magnet hat eine hohe· Flußdichte, so daß die Restflußdichte wenigstens grosser als 8 000 Gauss ist, wie bei einem Alnico-5-Magnet. Der Magnet hat nach der Erfindung eine solche Querschnittsform, daß die effektive Länge in Radialrichtung desselben beträchtlich größer als seine Breite ist. Bei dem Ständer nach der Erfindung sind die Magneten mit den entsprechenden Polschuhen derart verbunden, daß die Magneten die mit demselben Polschuh verbunden sind, gleiche Polarität haben, aber entgegengesetzte Polarität zu denjenigen haben, die mit dem Polschuh des benachbarten Poles verbunden bzw. daran befestigt sind. Weiter ist bei dem erfindungsgemäßen Ständer ein jeder der Magneten, die an jedem Polschuh befestigt sind, so geformt, daß die innenliegende Endfläche des Magneten, die in Kontakt mit dem besagten Polschuh ist, in ihrer Breite kleiner ist als die außenliegende Endfläche des Magneten.

Durch Vergrößerung der effektiven Länge des Magneten wird der Betrag des Flußes vergrößert, da die magneto-motorische Kraft des Magneten proportional der effektiven Länge desselben an-

wächst. Der Betrag des Flußes wird weiter dadurch vergrößert, daß man die Rückseite des Polschuhes in zwei Flächen ausbildet, die in einem Winkel kleiner als 180 ° zueinander stehen. Dadurch kann an jeder solchen Fläche ein Magnet vorgesehen sein.

Dadurch daß man die Pole wie oben angegeben ausführt, ist es möglich, die Fläche der einander gegenüberstehenden Oberflächen der benachbarten Pole sehr klein zu machen und dementsprechend den .Leckfluß zu verringern. Bei der vorliegenden Erfindung

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jedoch haben die an benachbarten Polen vorgesehenen Magneten zueinander entgegengesetzte Polaritäten und ein. leichter Leekfluß tritt an den gegenüberstehenden Oberflächen dieser benachbarten Magneten auf. Die Breite der außenliegenden Endteile der Magneten ist größer gewählt als üblich, und zwar . zum Zwecke der Kompensation eines solchen Leckflu-ßes. Der Leckfluß ist relativ klein in einem Abschnitt nahe dem Polschuh, da die magnetische Leitung in den Spalten zwischen den Polen und dem Anker größer ist als die magnetische Leitung in dem Spalt zwischen einander gegenüberstehenden Magneten. Aus diesem Grunde ist vorgesehen, -daß der Querschnitt eines jeden Magneten bei allen hier angegebenen Ausführungsformen fortschreitend größer wird, und zwar vom innenliegenden Ende zum außenliegenden Ende desselben.

Ein Magnet, der an der innenliegenden Endfläche eine geringere Breite als an der außenliegenden Endfläche hat, hat den oben beschriebenen Vorteil. Andererseits aber hat er den Uachteil, daß die Flußdichte gesättigt ist an einem Punkt ein Drittel von der inneren Endfläche des Magneten, die in Kontakt mit dem Polschuh ist, und die maximale Flußdichte nicht an der Fläche, die sich in Kontakt mit dem Pol befindet, zu erhalten ist. Um diesen ttachteil zu beseitigen, ist bei einer Ausführungsform der Erfindung die Dicke der Magneten allmählich abnehmend gewählt, und zwar von dem Ende das dem Joch näher ist (äußeres Ende) zum Ende, das dem Polschuh (inneres Ende) näher ist und dann nahe dem inneren Ende abrupt abnimmt, so daß der Fluß dem Polschuh mit maximaler Flußdichte zugeführt wird. -

Es ist Angelegenheit der Erfindung, einen Ständer für einen Motor mit niedriger Trägheit vorzusehen, bei dem die Querschnitt sflache der Magneten in Betracht der obigen Beschreibung vergrößert wird, um den Leckfluß zwischen benachbarten Polschuhen zu verringern und dadurch die Flußdichte zwischen den Polschuhen und dem Anker möglichst groß zu machen.

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Eine weitere Angelegenheit der Erfindung ist es, einen Stator für einen Motor mit niedriger Trägheit zu finden, "bei dem die magnetische Flußdichte und die magnetische Feldstärke in dem Magneten auf das größtmögliche Maß an dem Endteil gesteigert sind, das mit der Rückseite des jeweiligen Polschuhes in Kontakt ist.

Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß der Ständer für eine' Gleichstrommaschine mit niedriger Trägheit magnetische Polschuhe umfaßt, die ein jeder eine Rückseite haben, die aus zwei Flächen gebildet ist, die in einem Winkel kleiner "· als 180 ° zueinander stehen und daß längliche Magnete vorgesehen sind, die mit den zwei Rückseiten der jeweiligen Polschuhe an Längsenden derselben verbunden sind, und zwar in einer Weise, daß die beiden Magnete, die am selben magnetischen Polschuh befestigt sind, die gleiche Polarität auf der gleichen Seite haben und daß benachbarte Magnete die an einander benachbarten magnetischen Polschuhen befestigt sind, zueinander entgegengesetzte Polarität auf der gleichen Seite haben und daß ein jeder der erwähnten Magneten eine solche Form aufweist, daß die Dicke desselben in ümfangsrichtung des Ständers vom äußeren Ende zum anderen Ende, das in Kontakt mit dem Polschuh ist, allmählich abnimmt.. Insbesondere kann das Maß der Dickenverringerung in einem Abschnitt nahe demjenigen Ende, das mit dem magnetischen Polschuh in Koniakt ist, größer sein.

Gemäß einem weiteren Merkmal hat eine Maschine nach der Erfindung Magneten, bei denen bei einem jeden Magnet die Dicke linear abnimmt, wodurch wenigstens zwei ebene Oberflächen gebildet sind.

Gemäß einem weiteren Merkmal hat eine erfindungsgemäße Maschine Magnetpolschuhe, bei denen die·Rückseite orthogonal gleichschenklig geformt ist.'

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Weitere Merkmale eines Motors nach der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung und Ausführungsformen zu entnehmen, wie sie in den Figuren dargestellt sind.

Pig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Maschine nach dem Stand der Technik;

Fig.2a und 2b zeigen jeweils vergrößerte Querschnittsansichten von Teilen einer Maschine nach Pig. 1;

Pig. 3 zeigt im Querschnitt einen Ausschnitt eines Ständers einer Gleichstrommaschine nach der Erfindung;

Pigi 4 zeigt einen Schnitt des Ständers nach Pig. 3, eingebaut in ein Joch;' ■

Pig« 5 zeigt einen Schnitt einer anderen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ständers^ ■ ₄

Pig. 6 und 7 sind jeweilige Schnittansichten weiterer Ausgestaltungen nach der Erfindung; '

Pig.,„8 zeigt ein Diagramm der Flußdichte und der magnetischen Feldstärkeverteilung eines in Fig. 3 repräsentativ gezeigten Magneten;

Pig, 9 zeigt ein Diagramm, das einer Analyse des Prinzips dient, auf dem ein Aspekt der Erfindung beruht;

Pig.10 zeigt ein Diagramm mit der FluBdichte und der Feldverteilung einer Form eines Magneten, die auf dem in Fig. 9 dargestellten Prinzip beruht;

Fig.11 zeigt im Schnitt einen Motor mit einem Ständer mit Magneten nach Fig. 10; und

Fig.12 zeigt in einem Diagramm die B-H-Kurve des in Fig. 10 . .. dargestellten Magneten. _ .„..

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Bevor die vorliegende Erfindung näher erläutert wird, soll ein Ständer für eine Gleichstrommaschine nach dem Stand der Technik, wie sie zuvor angegeben wurde, näher "beschrieben werden, und zwar mit Bezug auf die Figuren 1, 2a und 2b, um die vorliegende Erfindung leichter verständlich zu machen. In Fig. 1 ist gezeigt, wie vier Magnete 2 im Inneren eines die Magneten zusammenhaltenden Joches 1 befestigt sind. Sie sind in Umfangsrichtung in gleichen Abständen voneinander angeordnet. Ein jeder Magnet 2 ist an der innenliegenden Fläche desselben mit einem Polschuh 3 verbunden, der eine bogenförmige Endfläche hat. Ein Rotor bzw. Anker 4 ist in dem zylindrischen Innenraum, der durch diese Magnetpole gebildet wird, drehbar angeordnet.

Bei einer solchen vorbekannten Gleichstrommaschine, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, ist es bekannt, die Querschnittsfläche der Magneten zur Vergrößerung des Maßes des magnetischen Flußes größer zu machen, ohne den Durchmesser des Ankers 4 zu vergrössern. Sofern die Breite w der Endfläche des Polschuhes, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 2a gezeigt, vergrößert ist, um die Querschnittsfläche des Magneten zu vergrößern, ist der Abstand a zwischen den benachbarten Polschuhen verringert. In diesem Falle ist der Leckfluß, der durch die Pfeile 7 in Fig. 1 angedeutet ist, vergrößert. Daher ist die Wirkung einer vergrößerten Querschnittsfläche durch den Anstieg des leekflußes beeinträchtigt. Daher hat eine Vergrößerung der-Querschnittsfläche für eine Vergrößerung des Flußes keinen Kutzen. Falls andererseits die Dicke d der magnetischen iblschuhe vergrößert wird, wie in Fig. 2b gezeigt, und zwar um die Größe des magnetischen Flußes zu erhöhen, wird die Länge c der Magnetpolschuhe vergrößert, so daß die Fläche der gegenüberstehenden Oberflächen 6 der jeweiligen Magnetpole größer wird und ein vergrößerter Leckfluß'auftritt. Somit hat eine Vergrößerung der Breite der magnetischen Polschuhe keine Wirkung in Bezug auf eine Vergrößerung des magnetischen Flußes. Nach der Lehre der vorliegenden Erfindung jedoch ist es möglich, den wirksamen magnetischen Fluß ohne Vergrößerung des

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Leckfjlußes zu erhöhen, und zwar in der Weise, die nachfolgend mit Bezug auf die Figuren erläutert wird.

Der Anker I5 bei den Ausführungsformen nach der Erfindung kann verschiedener Art sein und hat einen zentralen Kern und eine Wicklung. Wie in Fig. 3 dargestellt, hat die rückwärtige bzw. äußere Seite eines jeden magnetischen Polschuhes 10 die Form z\veier Oberflächen 11 und 12, die in einem Winkel von 90 ° zueinander stehen. Magnete I3 und 14 .sind jeweils an die Oberfläche 11 bzw. 12 befestigt. Die Magneten I3 und 14 bestehen aus einem Material, wie z.B. Alnico 5, das eine hohe Flußdichte hat, und haben eine solche Form, daß die wirksame- Länge derselben in radialer Richtung des Motors größer als deren Breite ist.

Da die Magneten 13 und 14 aus einem Material mit hoher Flußdichte bestehen, kann eine Erhöhung des magnetischen Flußes im Verhältnis zu einer Vergrößerung der effektiven länge' erhalten werden. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsforro. haben die Magnete längliche Gestalt, so daß ein größerer Betrag magnetischen Flußes dem Anker 15 zugeführt werden kann. Weiterhin sind die Flächen 11 und 12 der Rückseite eines jeden magnetischen Polschuhes 10 in einem Winkel kleiner als 180 ° zueinander, vorzugsweise in einem Winkel von 90 zueinander, angeordnet. An einer jeden derartigen Fläche ist ein Magnet angebracht bzw. mit dieser Fläche in Kontakt. Dementsprechend wird ein Polschuh 10 durch die zwei Magnete 13 und 14 magnetisiert. Dadurch wird das Maß des magnetischen Flußes der von einem Polschuh dem Anker zugeführt wird, vergrößert. Die magnetische Flußdichte ist dementsprechend zwischen den Polschuhen und dem Anker beträchtlich vergrößert. .

Aufgrund des Experiments ist es schlüssig, daß* es mit der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Konstruktion möglich ist, die magnetische Flußdichte zwischen den Polschuhen und dein Anker so zu steigern, daß tatsächlich die magnetische Flußdichte auf mehr als 16 000 Gauss vergrößert ist. Hiernach läßt sich ein Motor mit" superhohern Drehmoment herstellen.

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Pig. 4 zeigt eine "besonders typische Konstruktion eines Ständers nach der Erfindung. Bei dieser Konstruktion ist die in Fig. 3 gezeigte magnetische Anordnung auf eine Vierpolraaschine angewendet. Die vier magnetischen Polschuhe 10 haben jeder orthogonale gleichschenklige Oberflächen auf deren Rückseite. Sie sind zueinander symmetrisch derart angeordnet, daß sie die vier Ecken eines Quadrates bilden.

Die zwei Magneten, die mit den rückwärtigen Flächen eines jeden JMagnetpolschuh.es 10 verbunden sind, haben die gleiche Polarität am gleichen Ende. Ein einzelner der Magneten steht dem näherliegenden derjenigen Magneten gegenüber, die mit dem benachbarten Polschuh verbunden sind. Zwischen diesen Magneten liegt ein vorgegebener Abstand in Umfangsrichtung des Motors vor. Dieser einzelne Magnet ist mit seinem äußeren Ende an einem Joch 17 befestigt. Die benachbarten Magneten sind so angeordnet, daß d,eren Polarität auf der gleichen Seite einander entgegengesetzt ist, so daß ein magnetisch geschlossener V/eg durch das Joch 17 und den Anker 15 hindurch besteht.

Die Magneten haben eine solche Form, daß die Breite derselben auf der gleichpoligen Seite in radialer Richtung des Motors bzw. in longitudinaler Richtung der Magneten zum äußeren Ende derselben hin größer wird. Damit wird der Leckfluß auf der heteropolaren Seite der Magneten, die durch einen Abstand 16 mit vorgegebener Größe voneinander getrennt sind, kompensiert.

Des weiteren wirkt die Anisotropie B eines jeden Magneten in einer· Richtung mit rechtem V/inkel zur Oberfläche des Magnete^ der in Kontakt mit den entsprechenden Polschuhen ist. Die Oberfläche des magnetischen Polschuhes, die dem Anker gegenübersteht, dehnt sich über die Kontaktflächen der beiden Magneten aus, die mit dem jeweiligen Polschuh in Kontakt stehen.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten "Motor kann der Luftspalt zwischen der äußeren Oberfläche eines magnetischen Polschuhes und dem Anker viel kleiner gemacht werden als der Abstand der

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zwischen diesem magnetischen Polschuh und dem benachbarten magnetischen Polschuh "besteht. Damit kann der magnetische ITuß, der durch die beiden Magneten zugeführt wird, im wesentlichen vollständig durch diese äußere Oberfläche des magnetischen Polschuhes hindurch dem Anker 15 zugeführt werden. Der I¹IuO wird durch die besagten Polschuhe geführt und es liegt der oben angegebene geschlossene magnetische Weg vor.

In der Ausführungsform nach Fig. 5 hat jeder Polschuh 20 zwei rückwärtige Oberflächen 21 und 22, die eine orthogonal abgewinkelte Oberfläche bilden, gleich wie bei dem Polschuh in Pig. 4. Es sind zwei längliche Magneten 23 und 24 vorgesehen, die jeweils mit den Oberflächen 22 und 23 an einem Ende verbunden' sind. Die anderen Enden sind an der inneren Oberfläche eines ringförmigen-magnetischen Joches 27 befestigt. Ein Anker bzw. Rotor 25 ist in dem zylindrischen Innenraum angeordnet, der durch die magnetischen Polschuhe 20 gebildet wird.

Bei dieser Ausführungsform liegt ein Abstand 26 zwischen einander benachbarten gegenpoligen Magneten vor, die mit benachbarten Polschuhen verbunden sind. Dieser Spalt 26 wird in Radialrichtung des Rotors zum äußeren Ende der Magneten zu größer, so daß der Leckfluß zwischen den Magneten verringert ist. Außerdem ist das Joch 27 in jedem Teilstück 28jan dem benachbarte Magnete mit entgegengesetzter Polarität am Joch befestigt sind, dicker. In Abschnitten 29_f in denen Magnete gleicher Polarität am Joch befestigt sind, ist das Joch dünner. Wegen der größeren Dicke der Teile 28 liegt ein guter magnetischer Fluß vor und der magnetische Weg ist positiv beeinflußt. Bei dieser Ausführungsform ist die Anisotropie B eines jeden Magneten ebenfalls in einer Richtung rechtwinklig zur Oberfläche des Magneten, die in Kontakt mit dem Polschuh ist, wirksam.

Eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung ist in Pig* dargestellt. Es ist dort das magnetische Joch weggelassen. Bei dieser Ausführungsform hat jeder Polschuh 30 ebenfalls eine

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orthogonal abgewinkelte Oberfläche 32.auf der rückwärtigen Seite desselben. Ein Hufeisenmagnet 31 mit zueinander entgegengesetzten Polen ist mit seinen Enden mit den benachbarten rückwärtigen Seiten benachbarter magnetischer Polschuhe verbunden. Die Anisotropie B eines jeden Magneten ist durch die Pfeile B angedeutet.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt. Es handelt sich um eine Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 5. -Diese Ausgestaltung weist zwei Oberflächen

41 und 42 auf, die sich an der rückwärtigen Seite eines jeden magnetischen Polschuhs 40 befinden und die einen spitzen Winkel zueinander haben. Auf diese Weise kann die Fläche der rückwärtigen Seite eines magnetischen Polschuhs größer als bei jeder der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen gemacht werden. Magnete 43 und 44 sind jeweils mit den Flächen 41 bzw.

42 mit gleicher Polarität auf der gleichen Seite verbunden. Die Anordnung dieser Ausführungsform ist ebenfalls derart gewählt, daß die Anisotropie eines jeden Magneten in einer Richtung rechtwinklig zur Fläche 41 bzw. 42, wie durch den Pfeil B angedeutet, ausgerichtet sein kann. Dadurch wird ein Spalt 46 zwischen zwei einander benachbarten Magneten verschiedener Polarität zunehmend enger in Richtung auf das Joch 47. Dies hat zum Ergebnis, daß der Leckfluß zwischen den benachbarten Magneten gesteigert ist. Um den durch den Leckfluß verursachten Verlust zxk kompensieren, ist das Ende eines jeden Magneten, mit dem dieser an dem Joch 47 befestigt ist, breiter gehalten als bei jeder der vorangehenden Ausführungs formen. Namentlich die .Konstruktion dieser Ausführungsform ist vorteilhaft zu verwenden in dem Falle, in dem eine große Flußdichte zwischen den magnetischen Polschuhen und dem Anker gewünscht ist, obwohl die.Wirksamkeit der Magneten gering ist.

Bei jeder wie voranstehend beschriebenen Ausführungsform sind die Magneten so geformt, daß sie in ihrer Breite allmählich linear· zum äußeren Ende derselben hin größer werden. Auf diese

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Weise wird die Größe des Leckflußes kompensiert und durch die Form der Magneten als solche ist es möglich, den effektiven magnetischen Fluß beträchtlich zu vergrößern, verglichen mit dem Stand der Technik. Magnete einer solchen Form haben jedoch noch einen Mangel, aber die Erfindung sieht auch Maßnahmen vor, durch die ein Magnet frei von einem solchen Mangel ist. In den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen steigt die Breite der Magneten linear an. Dagegen ändert sich bei der nachfolgend beschriebenen AusfUhrungsform die Breite der Magneten entsprechend einer Kurve, so daß die magnetische Flußdichte an der Kontaktfläche zwischen Magnet und Polschuh auf ein-Maximum gebracht werden kann. _

Die magnetischen Teile 10, 20, 30 oder 40 in den Ausfiihrungsformen nach den Figuren 3, 4, 5 und 7 haben die in Fig. 8 gezeigte Form. Die nachfolgende Diskussion bezieht sich auf den Magneten 14, wie er in Fig. 4 gezeigt ist. In. Fig. 8 ist die magnetische Flußdichte mit der Kurve 18 und die magnetische Feldstärke mit der Kurve 19' für den Magneten 14 gezeigt. Sie wurden durch Auftragen der tatsächlich gemessenen Werte gebildet. Wie den Kurven 18 und 1,9 zu entnehmen ist, liegt das Maximum der Flußdichte an einer Stelle, die durch die gestrichelte Linie 9 angedeutet ist. Die Stelle des Minimums der Feldstärke ist durch diese Linie 9 angedeutet. Die Flußdichte ist am höchsten an einer Stelle des Magneten, die etwa auf einem Drittel vom Polschuh entfernt liegt und sie nimmt zu den einander entgegengesetzten Enden des Magneten oder zum Joch und zu den Polschuhen hin ab. Im Gegensatz dazu ist die Feldstärke am niedrigsten an der Stelle, an der die Flußdichte am höchsten ist und sie steigt zu den einander gegenüberliegenden Enden des Magneten hin an.

Aus dem Voranstehenden ist zu sehen, daß es vorteilhaft ist, wenn der magnetische Fluß des Magneten zum Polschuh hin konvergiert und die magnetische Flußdichte an demjenigen Ende des Magneten am höchsten ist, an dem dieser mit dem Polschuh in Kontakt stehtT Theoretisch wird der effektive magnetische Fluß

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über den Luftspalt zwischen Polschuh und Anker am größten, wenn der Magnet seine größte Flußdichte an seiner Oberfläche hat, mit der er mit dem Polschuh in Kontakt steht. Bei einem Magneten mit einer Form, wie sie in Pig. 8 gezeigt ist, ist die magnetische Plußdichte jedoch an einer Stelle, des Magneten gesättigt, die etwa 1/3 vom Polschuh entfernt ist. Von dieser Stelle ab sinkt der magnetische Pluß ebenso wie die Plußdichte in Richtung auf den Polschuh hin ab.

Kurz gesagt, es ist wesentlich, dem Magneten eine solche Form zu geben, daß eine Stelle einer Sättigung des magnetischen Plußes wegfällt und die magnetische Plußdichte allmählich zum Polschuh hin.ansteigt und ihren höchsten Wert an der Oberfläche hat, mit der der Magnet mit dem Polschuh in Kontakt steht. ι

Nachfolgend wird eine ideale Form des Magneten theoretisch auf der Basis der obigen Betrachtungen bestimmt.

Zunächst wird der ganze Leckfluß eines von zwei zueinander entgegengesetzt gerichtet polarisierten Magneten nachfolgend bestimmt, wobei dieser Magnet mit einem Polschuh verbunden ist, Seite an Seite mit dem benachbarten Magnet_;und wobei deren Anisotropie rechtwinklig zu dem besagten Polschuh ausgerichtet ist.

Der Magnet hat eine Anisotropie GK, die im rechten Winkel zu dem magnetischen Polschuh wirksam ist, an dem dieser Magnet befestigt ist. Der Magnet hat einen rechteckigen Querschnitt, der durch die Punkte O, P, Q, R in Fig. 9 definiert ist. Weiter ist der Magnet in Radialdichtung der Anordnung länglich.

Die Diskussion erfolgt in Form theoretischer Formeln mit Bezug auf Fig. 9. Mit X ist die Länge des Magneten in Radialrichtung der Anordnung bezeichnet, χ gibt die Entfernung vom äußeren Ende des Magneten bis zu einer willkürlich gewählten Stelle χ des Magneten an. Hx repräsentiert die Feldstärke an der Stelle x. Die gesamte magneto-motorische Kraft F(X) an der Stelle χ wird wiedergegeben durch:

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Der Abstand zwischen den zwei Magneten wird durch &±e Große 2-1 repräsentiert. ¥ steht für die Tiefe. (Abmessung in Achsrichtung des Motors) der Magneten. Der Leckfluß djo für die Länge dx wird durch das Produkt aus der gesamten magnetomotorischen Kraft bis zur Stelle χ und der magnetischen Leitung ausgedrückt. Das ist: -

(2)

(weil der Leckfluß im wesentlichen der gesamte Leckfluß zwischen den zwei Magneten ist und übriger Leckfluß vernachlässigbar klein ist).

Aus Formel (2) ergibt sich der Leekfluß jix pro Längeneinheit

des Magneten aus: ' .

fe = M _{β F}(x)| ₌ I .J* Hx-dx .....; .(5)

Es wird hier angenommen, daß die Feldstärke H an jeder Stelle des Magneten konstant ist. Der Leckfluß 0 ergibt sich dann an der Stelle χ zu:

Dementsprechend ist der gesamte Leckfluß 0x bis zur Stelle χ durch Integration der Gleichung (4) zu erhalten zu

0 _mf 0_ta . «IS -f _xäx ..^H ._X

Der Leekfluß ist z. B. wenn der Abstand χ am größten ist, das ist an der Kontaktstelle zwischen Magnet und Polschuh:

W-H . v2 -

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Es ist zu ersehen/ daß man durch Auftragen dieses Wertes eine quadratische Kurve wie die Kurve m in -Fig. 9 erhält. Der Betrag des Leekflußes an jeder Stelle ist durch die Kurve η in Fig. angezeigt.

Es ist nun eine Form des -Magneten in der voranstehend beschriebenen Weise bestimmt, bei der der gesamte magnetische Fluß sich rechtwinklig zum Polschuh erstreckt. Eine Form des Magneten durch die der erwähnte Leckfluß kompensiert werden kann, kann in der folgenden Weise bestimmt werden: Durch 0Mx wird der magnetische Fluß, der durch den Querschnitt des Magneten an der Stelle χ geht, oder der magnetische Fluß des Magneten wiedergegeben. Der gesamte magnetische Fluß 0T wird durch die Summe | der magnetischen Flösse 0Mx des Magneten ausgedrückt und der gesamte ieekfluß 0 beträgt bis zur Stelle xr

0Ϊχ = 0Mx + 0x (6)

Da der Fluß des Magnetflußes kontinuierlich ist, gilt die Gleichung (6) an allen Stellen x. Mit anderen Worten, der gesamte Magnetfluß des Magneten ist gleich der Summe aus dem Magnetfluß, der durch den Magneten hindurchgeht und dem Leckfluß, die for jeden Teil des Magneten konstant ist.

Am radial außen gelegenen Ende des Magneten, das ist der Punkt χ = 0> und unter Heranziehung der Gleichung (6) ergibt sich der Wert 0x nach Gleichung (5) zu O. Es ist somit:

0ΪΟ = 0MO (7)

SMx steht für die Fläche des Querschnittes des Magneten an der willkürlichen Stelle x. B steht für die magnetische Flußdichte. Der magnetische Fluß 0Mx im Magneten ergibt sich nach der Gleichung: . ■· ■

0Mx = B.SMx (8)

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Die Querschnittsfläche SMx des Magneten ergibt sich aus der Tiefe W und der Dicke Y des Magneten. So kann Gleichung (7) mit y für die Dicke des Magneten an der Stelle χ geschrieben werden:

0Mx = B'W-y (9)

Die Dicke des Magneten kann aufgrund der voranstehend abgeleiteten Gleichung unter del Bedingung, daß die magnetische Feldstärke, des Magneten konstant ist, abgeleitet werden.

Durch Einsetzen der Gleichungen (5) und (9) in Gleichung (6) ergibt sich:

0Tx = B-W-y + ~ x² (10)

Da der gesamte magnetische Fluß Tx an jeder Stelle χ konstant ist, wie oben angegeben, ergibt sich:

0Tx = 0To = 0Mb . ·

Danach kann die Gleichung (10) wie folgt geschrieben v/erden: 0Tx = 0To = 0Mo = B«W«y' + |fj · x²

Aus dieser Gleichung ergibt sich:

0Mo-I^x² - ■■■'"■*

y = i

BW-
oder in einfacherer Form: ·

Da 0Mo in den obigen Gleichungen der Magnetfluß^ im Magneten bei x=0 ist, wobei yo die Dicke des Magneten an der Stelle x-0 ist, ergibt sich

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0Mo = B-Wyp.

^Tenn dieser Ausdruck in Gleichung (11) eingesetzt wird, wird y _v _ B-W.YQ Ji 2 ff 2-

Diese Gleichung zeigt, daß die Dicke des Magneten an jeder Stelle χ des Magneten durch den Wert gegeben ist, den man erhält, wenn man den Wert H · χ /2·1·Β von der Dicke des Magneten am radial äußeren Ende des* Magneten, das ist die Dicke des Magneten an der Stelle χ = 0, abzieht.

Die Form des Magneten, die sich aus dieser theoretischen 'Glei- j ehung ergibt, ist derart, daß eine Seitenkante des Magneten in einem vertikalen Querschnitt entlang Dnicchmesser der Anordnung, (siehe Fig. 9) eine Kurvenform hat, wie sie durch die Kurve i in Fig. 9 wiedergegeben ist. Die Dicke des Magneten nimmt allmählich vom "äußeren Ende zum inneren Ende ab, wobei das innere Ende des' Magneten mit dem Polschuh dieses Magneten über die gesamte Länge desselben in Kontakt steht. Das "Verhältnis der Dickenabnsiime wird zum Polschuh hin allmählich größer, wobei sich der Gradient der oberen Oberfläche des Magneten entsprechend einer quadratischen Kurve ändert.

In der Praxis ist es jedoch schwierig, einen Magneten mit einer solchen gebogenen Oberfläche herzustellen. Dementspre-. chend wird in der Praxis der Magnet mit einer Foi'm hergestellt, die nahe der vorangehend angegebenen Kurve ist. Ein solcher Magnet hat eine Querschnittsform, wie sie in der Figur 9 mit den geraden Linien j angegeben ist. Der Magnet hat somit eine Form mit einer ebenen Endfläche an der Seite, an der der Leckfluß auftritt. Ir hat wenigstens zwei zueinander geneigte Oberflächen auf der dazu gegenüberliegenden Seite. Der Neigungswinkel derjenigen Fläche, die dem Polschuh näher liegt, ist größer alsder·Neigungswinkel der anderen der beiden Flächen, die von dem Polschuh weiter entfernt liegt.

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r- 21 -

Pig. 10 zeigt ein Diagramm, das graphisch die gemessene magnetische Flußdiehte 38 und die magnetische Feldstärke 39 eines Magneten 33 zeigt. Man erhält die Werte aufgrund der oben beschriebenen Berechnung mit Bezug auf Pig. 9· Es ist zu sehen, daß die magnetische Flußdiehte 38 bei dem Abschnitt 34 des Magneten, wo die Dicke des Magneten sacht abnimmt, sacht ansteigt. Im Abschnitt 35, wo die Dicke des Magneten stark abnimmt, steigt der magnetische Fluß stark an. Der magnetische Fluß hat seine Sättigung an einer Stelle, die dicht am magnetischen Polschuh 36 liegt und fließt in die Oberfläche 37 des Polschuhes 36 mit einem Maximum an"-Flußdichte.

Each der Erfindung ist es daher möglich, bei einem Ständer > eines wie oben angegebenen Motors oder einer entsprechenden Einrichtung, einen magnetischen Fluß mit einer Höhe bis zu 16 000 Gauss zwischen dem magnetischen Polschuh und dem Anker zu erhalten. Es läßt sich damit eine Gleichstrommaschine mit einem viel größeren Drehmoment erreichen, als es andere Gleichstrommaschinen gleicher Gestalt haben. Umgekehrt ist es nach der Erfindung möglich, eine Gleichstrommaschine anzugeben, die eine kleinere Größe als andere Gleichstrommaschinen, jedoch gleich große Leistungsfähigkeit hat.

In Fig. 11 ist eine Gleichstrommaschine gezeigt, mit Magneten nach der Erfindung. Diese Ausführungsform mit einem erfindungsgemäßen Ständer hat in Fig. 11 die Magneten 50 und 51 mit einer Form nach Fig. 10. Die Magneten sind zu einem Paar angeordnet, uncL zwar an den zueinander orthogonalen ebenen Flächen 52 und 53 der Rückseite des Polschuhes 54. Es sind vier Ständerelemente vorgesehen, von denen ein jedes aus Magneten 50 und 51, und einem Polschuh 54 besteht, die radial Innerhalb eines Joches 55 wie üblich angeordnet sind. Im zylindrischen Innenraum, der durch die vier Polschuhe 54 gebildet wird, ist der Anker bzw. Rotor 56 angeordnet und kann sich dort drehen.

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Die Magneten 50 und 51 haben Abschnitte 57 und 58 mit kleinem Gradienten und Abschnitte 59 und 60 mit großem Gradienten, wie das voranstehend erörtert worden ist. Die Abschnitte 59 und 60 sind in Berührung miteinander.

In der Anordnung" nach Fig. 11 ist die Magnetische Flußdichte und ist die magnetische Feldstärke am größten an den in Kontakt miteinander stehenden Oberflächen eines jeden Magneten mit dem Polschuh. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Anordnung besonders günstig für einen wie eingangs angegebenen Winden-Motor zu verwenden. Es sollte auch darauf hingewiesen sein, daß der Ständer nach Fig. 11 so ausgebildet sein kann, daß die mit steilem Gradienten versehenen Abschnitte 59 und 60 des Magneten in Berührung miteinander sind. Dies ist sehr vorteilhaft"für die Erleichterung der Herstellung des Ständers.

Fig. 12 zeigt ein Diagramm mit der Beziehung zwischen der magneto-motorischen Kraft und der magnetischen Flußdichte des Magneten nach Fig. 10. Nach dem Torangehenden ist aus diesem Diagramm leicht zu verstehen, daß der Magnet nach der Erfindung außerordentlich günstig auf'die Verwendung in dem Ständer eines Motors angepaßt ist.

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Claims

1.Λ !Eiir Gleichstrommaschinen mit geringem SErägheitsmoineiit JjSeigneter Ständer mit magnetischen Polschuhen, die dem Anker gegenüberstehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein jeder der Pol-Schuhe (10,20,30,40,54) an seiner Rückseite.zwei flächen (11, 12;21,22;32} aufweist, die einen Winkel "von weniger als 180 zueinander haben, daß langgestreckte Magnete (13,14?23,24; 31;33;43,44;50,51) vorgesehen s,irid, die mit jeweils einem ihrer Längsenden mit den zwei rückseitigen flächen der jeweiligen Polschuhe fest verbunden sind, und zwar derart, "daß die zwei Magnete,- die mit jeweils demselben Polschuh verbunden sind, die gleiche Polarität an dem gleichen Ende haben, daß deren benachbarte Magneten, die mit den benachbarten Polschuhen verbunden sind, entgegengesetzte Polarität an dem gleichen Ende haben, daß jeder dieser Magnete eine solche Form hat, daß die Dicke (b;y) der Magneten, gemessen in der Umfangsrichtung des Ständers, von·dem einen Längsende zu dem anderen Längsende, mit demde\r Magnet mit dem Polschuh verbunden ist, allmählich abnehmend ist und die Größe des Querschnittes des einzelnen Magneten an diesem einen Ende größer ist als an diesem anderen Ende.

2. Ständer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite eines jeden Polschuhes zwei zueinander orthogona-■le gleichschenklige Oberflächen hat.

3. Ständer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einander benachbarte Magnete, die im Abstand voneinander angeordnet sind und mit jeweils benachbarten Polschuhen verbunden sind, einen einzigen Magneten in der Eorxn eines Hufeisenmagneten (31) bilden.

4. Ständer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet-, daß das Maß der Diokenverringerung in einem Abschnitt (53,60) in der Nähe denjenigen Längseiideo des Magneten, mit dom" (Ii en or rriit dom Polschuh verbunden ist, größer int (Pig. 11.),.

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kennzeichnet,, daß die Sicke eines g tisch ä;

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Ständer nach einea .dei^? Anspr|ie3ae. 1 bis 4, da%.3?xjlj. geet, daJ3 sißh. dia iDicke eines, äeden Magne-ten

ändert, wodureii wenigsten^ i»ei ebene Oberfiäciien gebildet sind.

Ständer naeii ein-em der ijasj)rij:eti.e ^! bis 6_? dadiirGii g.e-

p, daß benaefebai^te Magnete _y die iin Abstand yojieirba-S-der angep-sdaet -und jeweils mit benaclibaxten -p_:o|-Selmlien .veribja^-- den sind, ο,τι ifejceja laßeren Enden miteinander s

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daß die äei^jafider _;gegjexi;äber&t,eixend€m ;Ob.erf iiicifcien. be,, die iait dejaaelbeji Bols:0&^i T^erbniisden sind, lipaigen EonfeSet miteinander -in Abseimitten habeja^ die najfcie .deic