DE2445207A1

DE2445207A1 - Dynamoelektrische maschine mit einer dauermagnetanordnung und einem scheibenfoermigen rotor

Info

Publication number: DE2445207A1
Application number: DE19742445207
Authority: DE
Inventors: Eric Whiteley
Original assignee: General Electric Canada Co
Current assignee: General Electric Canada Co
Priority date: 1973-09-24
Filing date: 1974-09-21
Publication date: 1975-03-27
Also published as: SE7411941L; US3979619A; JPS5058505A; FR2245111A1; CH579843A5; GB1485305A; CA990772A; IT1021404B

Description

- PATENDUCH MÜNCHEN

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH. 80S* UNTERPFAFFENHOFEN. POSTFACH CABLE ADDRESS:

TELEX 5 212 308

Anwaltsakte: C-35S5

CANADIAN GENERAL ELECTRIC COMPANY LIMITED Toronto, Ontario / Canada

Dynamoelektrische Maschine mit einer Dauermagnetanordnung und einem scheibenförmigen

Rotor

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit

einer Dauermagnetanordnung und einem scheibenförmigen Rotor.

Dauermagnete in dynamoelektrischen Maschinen zur Erzeugung von Magnetfeldern zu verwenden, ist allgemein bekannt und wird in großem Umfang auch bei kleineren Maschinen, wie beispielsweise Klein- oder Kleinstmotoren angewendet. Die Dauermagneten eignen sich besonders gut für dynamoelektrische Maschinen mit axialem Luftspalt und einem scheibenförmigen Rotor; Maschinen dieser Art sind beispielsweise in den kanadischen Patentschriften 771 und 858 668 beschrieben.

Die meisten derzeit im Handel verfügbaren Dauermagneten werden nach einem der beiden im folgenden angeführten metallurgischen Verfahren hergestellt. Bei dem ältesten und bekanntesten Verfahren werden die Magnete beispielsweise aus einer geschmolzenen Legierung hergestellt, indem-die geschmolzene Legierung zu der geforderten Größe und Form gegossen wird und dann die erstarrte Masse

509813/0375

einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird, um ihr dadurch Dauermagneteigenschaften zu verleihen. Magnete aus Gußlegierungen können natürlich mit verhältnismäßig großen Abmessungen hergestellt werden, wenn Bedarf an derartigen großen Dauermagneten bestehen sollte. Bei großen Gußstücken ist jedoch das Metall in ihnen nicht optimal ausgenutzt, oder «ie können nicht für einen optimalen magnetischen Ausgang magnetisiert werden. Wenn die Legierungen teuer sind, wie es beispielsweise bei Legierungen mit seltenen Erden der Fall ist, werden große Magneteinheiten für viele Anwendungszwecke zu teuer, obwohl ihre Verwendung sonst vorteilhaft wäre. Kleine Einheiten, in welchen alle Stücke der "teueren Legierung bis zu ihrem oberen Grenzwert verarbeitet werden können, wären daher für den Handel bzw. den kommerziellen Gebrauch viel günstiger und vorteilhafter.

Das andere Verfahren ist ein Pulver-Metallurgi'everfahren, in welchem feines Pulver mit entsprechenden Eigenschaften mittels einer hydraulischen Presse zu einer dichten, kompakten Masse verdichtet wird, welche dann Wärme ausgesetzt wird, um die Partikel oder Teilchen zu einem festen Teil zu verbinden, welches dann als Magnetelement oder Einheitsmagnet bezeichnet wird. Die magnetische Ausrichtung ist bei diesem Verfahren ebenfalls miteingeschlossen. Da die Verdichtung des Pulvers sehr hohe Drucke erfordert, ist die praktische Größe der auf diese Weise geschaffenen Einheitsmagneten durch die Größe der zur Verfügung stehenden Presse begrenzt. Damit sie für den Handel überhaupt von Interesse sind, ist die praktische Größe und Form sowie die Anzahl der hergestellten Einheitsgrößen von durch Verdichten von Pulver hergestellten Dauermagneten im allgemeinen sehr begrenzt. Mit anderen Worten, die Einheitsmagneten sind ziemlich klein, weisen einfache Formen auf, und ihre Einheitsgrößen sind begrenzt. Es stehen nunmehr jedoch Pulver zur Verfügung, beispielsweise Pulver von Legierungen mit seltenen Erden, um Dauermagnete mit Eigenschaften herzustellen, durch die sie sehr geeignet für dynamoelektrische Maschinen sind. Da sowohl die Legierung als auch das Verfahren teuer sind, scheinen kleine und einfache Formen vom kommerziellen Standpunkt her am vorteilhaftesten und günstigsten zu. sein, da bei ihnen das wenigste Material verwendet wird und sich der

509 813/0375

größte magnetische Ausgang pro Materialeinheit ergibt.

Die vorbeschriebenen, kleinen Einheitsmagnete sind jedoch für viele Arten und Größen von dynamoelektrischen Maschinen zu klein. Aufgabe der Erfindung ist es daher, für eine dynamoelektrische . Maschine mit einem axialen Spalt eine^ Dauermagnetanordnung bzw. einen -feldaufbau zu schaffen, bei welchem die kleinen Einheitsmagnete besser verwendbar sind.

Die Erfindung ist bei einer dynamoelektrischen Maschine verwendbar, welche einen scheibenförmigen Rotor, eine Feldanordnung bzw. einen Feldaufbau, mindestens einen primären Kraftlinienweg, welcher den Feldaufbau, den Rotor und den dazwischen ausgebildeten Spalt durchsetzt, sowie eine Einrichtung aufweist, um den Rotor für eine Drehung in dem magnetisch verketteten Feldaufbau zu halten bzw. zu tragen. Gemäß der Erfindung ist der magnetische oder Induktionsfluß in einem primären Kraftlinienweg durch eine Mosaikanordnung von Dauermagneten geschaffen, welche in dem Kraftlinienweg in Form von mindestens einer Lage aus zwei oder mehr Einheitsmagneten pro Lage vorgesehen sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert* Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer dynamoelektrischen Maschine, welche gemäß der Erfindung aufgebaut ist und in welcher die Hauptteile im Schnitt dargestellt sind;

Fig. 2 eine in Einzelteile aufgelöste perspektivische Darstellung der Maschine in Fig. 1;

Fig. 3 und 4 Draufsichten auf eine Fläche eines Pols einer mehrpoligen Maschine', wobei die mosaikartige Anordnung der Einheitsdauermagneten wiedergegeben ist;

509813/037S

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Pols einer mehrpoligen Maschine, in welcher eine doppelte Lage von Einheitsdauermagneten dargestellt ist; und

Fig. 6 und 7 Schnittansichten von gemäß der Erfindung aufgebauten Synchronmotoren.

In den Fig. 1 und 2 ist eine gemäß der Erfindung aufgebaute, dynamoelektrische Maschine wiedergegeben, welche als Gleichstrommaschine dargestellt ist und entweder als Motor oder als Generator verwendet werden kann. In der folgenden Beschreibung der Maschine soll sie jedoch als Motor verwendet werden und wird daher nachstehend auch als Motor bezeichnet. Die Maschine 10 weist im wesentlichen einen Rotor 11, welcher in einem Stator mit Gehäuseteilen 12 und 13 drehbar gehalten ist, einen den Rotor tragenden Aufbau 14, Bürstenstromabnehmer 15, Leitungen 16 und eine Abdeckkappe 17 für den Stromabnehmer auf.

Die Gehäuseteile 12 und 13 sind schalenförmige Teile aus einem magnetischen Material, wie beispielsweise Flußstahl, dienen als Joch für den Magnetfeldkreis und stellen einen wesentlichen Teil des Maschinengehäuses dar. Der Teil 12 weist einen äußeren Randteil 18 und einen durch den inneren Randteil 19 gebildeten, offenen Mittenteil auf, an welchem mittels einer Anzahl Schraubbolzen der Bürstenstromabnehmer 15 und die Abdeckkappe 17 befestigt sind. Der Teil 13 weist ebenfalls einen äußeren Randteil 21 und einen durch einen inneren Randteil 22 begrenzten, offenen Mittenteil auf, an welchem mittels einer Anzahl Schraubbolzen 23 ein das Lager haltender Teil 14 befestigt ist. Die Teile 12 und 13 sind an ihren äußeren Randteilen 18 und 21 mittels einer Anzahl Schraubbolzen miteinander verbunden. Der den Rotor tragende Aufbau weist den Teil 14 und Kugellager 25 und 26 auf, welche auf der Innenseite des Teils angebracht sind und die Welle 27 des Rotors 11 tragen, so daß dieser um seine Achse 28 drehbar ist. Die Leitungen 16 sind mit den Bürstenstromabnehmern 15 verbunden und über sie wird Strom zugeführt.

509813/0375

mm ^ mm

Der Rotor 11 gleicht einem vdllwandigen Scheibenrad und weist folgende ringförmige Teile auf, welche konzentrisch um die Achse 28 angeordnet sind: Eine Welle 27, eine an der Welle 27 befestigte, innere Nabe 29, eine an der inneren Nabe befestigte äußere Nabe 30, einen mit der äußeren Nabe starr verbundenen, scheibenförmigen Teil 3-1 und einen mit diesem schexbenförmxgen Teil starr verbundenen Randteil 32. Die Nabe 30, der scheibenförmige Teil 31 und der Randteil 32 weisen eine Anzahl Wicklungen auf, welche miteinander in einer ringförmigen Anordnung entsprechend befestigt und miteinander mittels eines harzartigen Materials, beispielsweise eines Epoxydharzes, miteinander verbunden sind, um dadurch einen haltbaren, festen und massiven scheibenförmigen Rotoraufbau zu schaffen, in welchem die elektrischen Leiter der Wicklungen die harzartige Masse mechanisch verstärken. Jede Wicklung weist aktiv wirksame Seiten auf, welche in radialer Richtung in der Scheibe und deren Endköpfe in der Nabe bzw. dem Randteil angeordnet sind. Ein dieser Beschreibung entsprechender Rotor ist im einzelnen beispielsweise in der am 19. Dezember 1973 eingereichten kanadischen Patentanmeldung S.N. 188 535 beschrieben. Scheibenförmige Rotoren, bei welchen auch die Dauermagnetanordnung bzw. der -feldaufbau gemäß der Erfindung vorteilhaft verwendet werden kann, sind in den beiden eingangs erwähnten kanadischen Patentschriften beschrieben.

Die innere Nabe 29 dient als Einrichtung zur Halterung des schexbenförmxgen Aufbaus an der Welle, damit dieser in einer Ebene senkrecht zu der Achse 28 drehbar ist, und dient auch als eine Art Lüfter zum Umwälzen eines Kühlmediums entgegen dem Uhrzeigersinn um bzw. entlang des schexbenförmxgen Aufbaus; die Nabe weist eine Anzahl in axialer Richtung verlaufender Durchlässe 33 für den Fluidstrom und eine Anzahl in radialer Richtung angeordneter Flügel 34 auf, um das Fluid nach außen zu treiben.

In den Fig. 1 und 2 ist der Rotor 11 der Anker der Maschine. Er weist einen Kommutator aus einer ringförmigen Anordnung von Segmenten 35 auf, welche mi-t den verschiedenen Wicklungsenden der

809.813/0376

Ankerwicklung verbunden und mittels des Harzes, durch welches die Wicklungen miteinander verbunden sind, mit dem äußeren Nabenteil 30 verbunden ist. Der Stromabnehmer 15 weist eine Anzahl leitender Bürsten 36 auf, welche gegen den Kommutator drücken und dadurch die Ankerwicklung mit'den Leitungen 16 verbinden.

- Tn Fig. 1 ist ein Paar einer Anzahl Polpaare dargestellt, welche aus magnetischen, an den Gehäuseteilen 12 bzw. 13 angebrachten Abstandsteilen 37 und 38 und aus an diesen Teilen 37 bzw. 38 angebrachten Dauermagneten 39 und 40 bestehen; hierbei werden die Teile 37 und 39 als ein Polaufbau und die Teile 38 und 40 als der andere Polaufbau des Polpaares betrachtet, jeder Polaufbau 37, 39 bzw. 38, 40 steht von dan Gehäuseteil 12 bzw. 13 vor und endet in einer flachen, ebenen Polfläche 41 bzw. 42 an dem Magneten, welcher in einer zu der Achse 28 senkrechten Ebene liegt und in einem geringen Abstand von den flachen, ebenen Oberfläche des scheibenförmigen Teils 31 des Rotors angeordnet ist. Hierdurch kann sich dann der Rotor frei zwischen den verschiedenen Polpaaren drehen. Die Abstandsteile 37 und 38 sind Stücke aus Flußstahl, welche an die Gehäuseteile geschweißt sind; die Magnete können mit ihnen mittels eines Epoxyd- oder eines Methyl-2-Zyanoakrylat-Klebstoffs (Eastman 910) verbunden sein. Im Hinblick auf eine wirtschaftliche Herstellung sind die Magnete 39 und 40 im allgemeinen auf beiden Seiten glatt bzw. eben und weisen eine gleichmäßige Stärke auf, wobei die Abstandsstücke so geformt sind, daß die Magnete für den geforderten Abstand zwischen ihren Polflächen 41 und 42 in der richtigen Lage angebracht sind. Die Polflächen 41 und 42 weisen eine entgegengesetzte magnetische Polarität auf, so daß die Dauermagnete 39 und 40 den magnetischen oder Induktionsfluß in dem Spalt zwischen ihren Flächen unterstützen, d. h. in dem Spalt ist die Rotorscheibe untergebracht. Da die Abstandsteile 37 und 38 sowie die Gehäuseteile 12 und 13 aus magnetischem Material hergestellt sind, bilden sie Rückführwege für den Induktionsfluß.

In Fig. 1 weist der scheibenförmige Teil 31 des Rotors eine gleichmäßige Dicke auf. Dies ist jedoch nicht immer erwünscht; bei-

B09813/Ö37B

.spielsweise kann der Rotor in einigen Maschinen von der Nabe zu dem Randteil hin konisch zulaufen, d. h. der scheibenförmige Teil ist an der Nabe dicker als an seinem Rand. Ein derartiger Rotor ist beispielsweise in der vorerwähnten kanadischen Patentschrift 771 292 dargestellt und beschrieben. Auch kann es manchmal vorteilhaft und zweckmäßig sein_# nur einen der Dauermagnete 39 oder 40 in einem Polaufbau 37 oder 40 zu verwenden; in diesem Fall ist dann das Abstandsstück dick genug, um den durch den weggelassenen Magneten frei gebliebenen Raum auszufüllen. In einigen Ausführungsformen kann es auch zweckmäßig und vorteilhaft sein, die Abstandsstücke 37 und 38 wegzulassen und die Wände der Gehäuseteile 12 und 13 nach innen so zu verformen, daß die Magnete unmittelbar an den Verformungen angebracht werden können, oder die Magnete werden sogar an einer nicht verformten Wand angebracht. Obwohl vorzugsweise die Magnete die Polflächen begrenzen, ist dies nicht immer notwendig; die Magnete können auch unter den Polschuhen angeordnet sein. In einigen Polausführungen kann der eine Magnet an einer Wandung angebracht sein und die andere Wandung als Polfläche ausgebildet sein. Diese und andere Abwandlungen und Änderungen des in Fig. 1 dargestellten Feldaufbaus liegen im Rahmen des fachmännischen Könnens eines Fachmanns.

Dauermagnete, wie die keramischen, beispielsweise Ferritverbindungen, und insbesondere die Magnete aus Kobalt-seltenen Erden, beispielsweise Kobalt-Samariumverbindungen, weisen eine sehr hohe Koerzitivkraft auf. Diese Magnete eignen sich infolgedessen besonders gut für eine Maschine mit einem scheibenförmigen Rotor, bei welcher der Spalt zwischen den Polflächen verhältnismäßig breit ist. Da die Herstellung von keramischen Magneten und Magneten aus Kobalt-seltenen Erden kompliziert ist, werden sie meist in einfachen Formen hergestellt, welche auch noch ziemlich klein sind. Kleine Einheiten mit einfachen Formen können natürlich preiswerter durch derartige Verfahren hergestellt werden als große, komplizierte Formen. Darüber hinaus ist das magnetische Material

B09813/0375

selbst teuer; infolgedessen ist es sehr wichtig, daß bei einem Einheitsmagneten der Materialgehalt auf ein Minimum und die Dauermagneteigenschaften auf ein Maximum gebracht sind. Dies kann am besten mit Hilfe von verhältnismäßig kleinen Einheitsmagneten mit einfachen Formen erreicht werden. Kleine Einheitsmagneten können ohne weiteres bei Maschinen mit einem scheibenförmigen Rotor der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art verwendet werden.

Gemäß der Erfindung weist ein Dauermagnet-Feldpolaufbau für einen scheibenförmigen Rotor mindestens einen Fluß- oder Kraftlinienweg mit einem Polpaar auf, welches einen Spalt für den Rotor begrenzt bzw. festlegt. Eine Mosaikanordnung Λ/οη mindestens einer Lage aus zwei oder mehr Einheitsmagneten pro Lage ist zur Magnetisierung in dem Fluß- oder Kraftlinienweg vorgesehen, um dadurch einen mit dem Rotor verketteten Induktionsfluß in dem Spalt zu schaffen. Durch mosaikartige Anordnungen von Einheitsmagneten kann ein großer Bereich von ϋαυβπΐ^ηβΐ-ρθίφο!anordnungen mit nur wenigen genormten Einheitsgrößen geschaffen werden. Dies führt zu einer wirtschaftlichen Herstellung von Maschinen mit Dauermagneten, da sie in vielen Größen erstellt werden können.

In Fig. 2 ist der Gehäuseteil 13 und die an ihm angebrachten Feldpolanordnungen perspektivisch dargestellt, wobei in dem speziellen Fall sechs Anordnungen 38, 40 vorgesehen sind. Der andere Gehäuseteil 12 weist sechs an ihm angebrachte entsprechende Polanordnungen 37 und 39 auf, welche unmittelbar gegenüber den Anordnungen 38 und 40 angeordnet sind, d. h. die Maschine weist 6 Polpaare auf. Jeweils eine der sechs in Fig. 2 dargestellten Polanordnungen weist einen Abstandsteil 38 und eine mosaikartige Anordnung aus zwei Einheitsmagneten 43 und 44 auf, welche Seite an Seite an dem Abstandsteil angebracht sind, wodurch eine Polfläche 42 festgelegt ist. Im vorliegenden Fall sind die Einheitsmagnete mittels eines Klebstoffes der vorerwähnten Art mit dem Abstandsteil verbunden. Wie an den Polflächen zu erkennen ist, weisen die Einheitsmagnete 43 und 44 eine Trapezform auf und sind nahe beieinander angeordnet, um den magnetischen Verlust an der Verbindungsstelle auf ein Minimum herabzusetzen.

B09813/0375

Die Magnete haben eine gleichmäßige Dicke, und im Hinblick auf eine wirtschaftliche Herstellung reicht diese Dicke im allgemeinen gerade aus, um dem Magneten die in der Maschine erforderlichen magnetischen Eigenschaften zu geben.

Die frei daliegenden Flächen der Einheitsmagnete der sechs Polanordnungen 38 und 40 liegen in einer gemeinsamen Ebene, während die Flächen der hierzu komplementären Anordnungen 37 und 39 in einer anderen gemeinsamen Ebene liegen, wobei die zu der Achse 28 senkrecht verlaufenden Ebenen in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind. Selbstverständlich liegen im Falle eines Rotors, bei welchem eine oder beide Seiten des scheibenförmigen Teils 31 konisch zulaufen, die Polflächen in Flächen, welche den Oberflächen des scheibenförmigen Teils genau angepaßt sind und entsprechen. Jedes Paar Einheitsmagnete 43 und ist magnetisch in derselben Richtung ausgerichtet, und die gegenüberliegenden Flächen jedes Polpaares weisen die entgegengesetzte Polarität auf; die Polaritäten der Polanordnungen ergänzen einander, wodurch ein magnetischer oder Induktionsfluß quer zu dem Rotor erzeugt ist; die Teile 12, 13, 37 und 38 vervollständigen die Kraftlinienwege.

In Fig. 3 ist eine weitere Mosaikanordnung 45 von Einheitsdauermagneten in einem Polaufbau einer verhältnismäßig großen dynamoelektrischen Maschine dargestellt, beispielsweise eines achtpoligen, 50 PS starken Motors mit einem scheibenförmigen Rotor. Die Mosaikanordnung 45 besteht aus 24 identischen, quadratischen Einheiten 46 und sechs trapezförmigen Einheiten 47 bis 52, welche aus quadratischen Einheiten 46 geschnitten und nebeneinander in einem Muster angeordnet sind, daß sie.eine Außenkante eines symmetrischen Trapezoid_sbilden. Hierbei sind die Einheiten 47 und 49 aus einer quadratischen Einheit 46, die Einheiten 50 und 52 aus einer anderen und die Einheiten 48 und 51 aus einer weiteren quadratischen Einheit geschnitten. Die Einheiten weisen in der Richtung ihrer magnetischen Ausrichtung, d. h. in der Stärke, gleiche Abmessungen auf, sind mit einer ebenen flachen Seite an einer ebenen, flachen Polfläche beispielsweise mittels

'50-9813/0375

eines Klebstoffs befestigt, und ihre magnetische Ausrichtung verläuft in derselben Polaritätsrichtung, d. h. senkrecht zu der von der Fig. 3 gebildeten Ebene, so daß die ebenen, flachen oberen Flächen der Einheiten eine ebene Polfläche mit einer magnetischen Polarität darstellen. Hierbei sind die Einheiten mit ihren Rändern so nahe wie nur möglich aneinander angeordnet, um den Flußverlust zwischen den Einheiten auf ein Minimum herabzusetzen, oder mit anderen Worten, die mosaikartige Anordnung wirkt und verhält sich wie ein einzelner Magnet. Infolgedessen sind die Einheiten auch nicht dicker als notwendig, damit sich der geforderte magnetische Ausgang ergibt. Linien 53 und 54 stellen 'die Mittellinien zwischen der Mosaikanordnung 45 und den rechten und linken Mosaxkanordnungen an. Diese Linien laufen auf der Drehachse zusammen und die von den Einheiten 47 bis 52 festgelegten Ränder entsprechen im allgemeinen diesen Linien. PolfMchen mit einer trapezförmigen Außenlinie eignen sich am besten für den Polaufbau einer Maschine mit einem scheibenförmigen Rotor, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

In Fig. 4 ist eine dritte Mosaikanordnung von Einheitsdauermagneten für einen Magnetfeldaufbau einer etwas kleineren Maschine dargestellt. Die Einheiten 56· sind Quadrate mit abgerundeten Ecken, während die Einheiten 57 und 58, ebenso wie die Einheiten 59 und 60 aus einer Einheit 56 geschnitten sind. Diese Mosaikanordnung bildet ebenfalls eine ebene, flache Polfläche mit einer im allgemeinen trapezförmigen Außenlinie, welche dem verfügbaren, zwischen den Polen liegenden Raum entspricht und angepaßt ist, wie durch die zwischen den Polen liegenden Linien 61 und 62 angezeigt ist.

In einigen Anwendungen der Dauermagnete kann es zweckmäßig und vorteilhaft sein, mehr als eine Lage von Einheiten in einer Mosaikanordnung vorzusehen, um dadurch die geforderte Koerzitivkraft zu erhalten. Gemäß.der Erfindung können daher zwei oder sogar mehr Lagen angeordnet und vorgesehen werden, obwohl im allgemeinen entsprechend der Ausführungsform in Fig. 2 eine Lage

509813/0375

ausreicht. In Fig. 5 ist eine Mosaikanordnung 63 aus zwei Lagen 64 und 65 von Einheitsmagneten dargestellt, welche an einem Polteil 66 angebracht sind, welches wiederum an einem Joch 67 befestigt ist. In den Fig. 1 und 2 ist die Wicklung ein fester Bestandteil des Rotors und der Dauermagnetfeldaufbau ein Teil des Stators. Diese Maschine ist als Gleichstrommaschine dargestellt, bei welcher der Rotor der Anker ist. Jedoch kann die Wicklung auch so abgeändert werden, daß sie der Wechselstromteil einer Synchronmaschine, beispielsweise eines Synchronmotors wird. In den Fig. 6 und 7 sind daher zwei Ausführungsformen von Synchronmaschinen mit Dauermagnetfeldanordnungen dargestellt, bei welchen Mosaike aus Einheitsmagneten verwendet sind.

Die in Fig. 6 dargestellte Synchronmaschine 68 weist einen scheibenförmigen Rotor 69 auf, welcher durch Lager 70 und 71 in dem Stator um eine Achse 77 drehbar gehaltert ist. Der Stator weist zwei durch eine Einrichtung 74 aufeinander ausgerichtete Gehäuseteile 72 und 73 sowie eine Anzahl Verbindungsteile 75 auf, durch welche die beiden Gehäuseteile zusammengehalten sind. Ein ringförmiger Magnetkern 76, welcher aus einem spiralförmige gewundenen Streifen Magnetstahl gebildet ist, ist an der Innenfläche des Teils 73 koaxial zu der Achse 77 angebracht. Dieser Kern weist eine ebene, glatte Fläche 78 auf, welche in einer Ebene liegt, die senkrecht zu der Achse 77 verläuft. Ein ringförmiger Wicklungsaufbau 79 mit einem flachen, ebenen scheibenförmigen Teil 80 und breiteren Ringteilen 81 und 82 wird von dem Kern getragen, wobei der flache, ebene scheibenförmige Teil auf der Fläche 78 sitzt und die Ringteile über die gekrümmten Flächen des Kerns vorstehen. Die freie Seite 83 des scheibenförmigen Teils stellt eine ebene, flache, senkrecht zu der Achse 77 verlaufende Fläche dar. Der Wicklungsaufbau 79 ist im wesentlichen eine (gleichmäßig) verteilte Wechselstromwicklung, welche, wenn sie mit Wechselstrom erregt wird, ein Drehmagnetfeld erzeugt. Ihre Leiter sind zusammengepackt und mittels eines harzartigen Materials miteinander verbunden. Die Ringteile enthalten die Endteile oder -köpfe der 'Spulen bzw. Wicklungen, und der scheibenförmige Teil einer oder

509813/0375

mehrerer Lagen der in radialer Richtung verlaufenden Wicklungsseiten liegt in der Bahn des Rotormagnetflusses.

Der Rotor 69 weist eine in den Lagern 70 und 71 gelagerte Welle 84, eine an der Welle angebrachte Nabe 85 sowie einen an der" Nabe befestigten, scheibenförmigen Te.il 86 aus magnetischem Material auf. An der Scheibe sind eine Anzahl in gleichen Abständen voneinander angeordnete Verformungen /87, mit flachen, ebenen Flächen 88 ausgebildet, welche zu der Wicklungsseite 83 hin ausgerichtet, in Abstand von dieser angeordnet sind und in einer zu der Achse 66 senkrechten Ebene liegen. Eine Mosaikanordnung 89 aus Einheitsdauermagneten ist auf jeder Fläche 88 der Scheibe befestigt. Die Mosaikanordnungen stehen axial in Richtung auf die Wicklung vor und enden in einer flachen, ebenen Polfläche 90, welche senkrecht zu der Achse 77 verläuft und in geringem Abstand von der Wicklungsseite bzw. -fläche 83 angeordnet ist. Die Polflächen 90 weisen abwechselnd eine nord- und südmagnetische Polarität auf, so daß ein magnetischer oder Induktionsfluß zwischen ihnen und der Kernfläche 78 geschaffen ist; die magnetische Scheibe 86 und der Magnetkern 76 vervollständigen dann die Kraftlinienwege. Der magnetische oder Induktionsfluß ist mit den Wicklungsleitern verkettet, so daß die Maschine entweder als Wechselstromgenerator oder als Synchronmotor betrieben werden kann.

Die in Fig. 6 dargestellte Maschine kann auch, wie es bei Synchronmaschinen allgemein üblich ist, mit einer Dämpfungswicklung 91 versehen sein, welche in dieser Maschine demselben Zweck dient, wie in herkömmlichen Maschinen.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform der in Fig. 6 wiedergegebenen Synchronmaschine mit einem Rotor 92, einem Stator 93 und einer Wechselstromwicklung 94 dargestellt. Der Rotor 92 weist zwei magnetische Scheiben 95 und 96 auf, welche an einer Welle 97 oder an zwei getrennten Wellen angebracht sind. Die Scheibe 95 ist mit einer Anzahl in axialer Richtung vorgesehener Polanordnungen 98 versehen, welche entsprechenden Polanordnungen

509813/0375

99 an der Scheibe 96 gegenüberliegen. Jede Polanordnung weist ein Mosaik von Einheitsdauermagneten auf, welche eine ebene, flache Polfläche darstellen. Die Scheiben sind im wesentlichen dieselben wie die in Fig. 6 dargestellte. Die Polaritäten der Polanordnungen sind so gewählt, daß die Pole einander ergänzen und die Scheiben die Kraftlinienwege vervollständigen.

Der Wicklungsaufbau 94 ist im wesentlichen derselbe wie der Wicklungsaufbau 79; er wird von dem Stator getragen, dessen scheibenförmiger Teil zwischen den Polen 98 und 99 angeordnet ist. Ein ringförmiger Teil 100 am Umfang der Wicklung ist zwischen den Statorteilen 101 und 102 mittels einer Anzahl Verbindungsteile 103 festgeklemmt, welche die Statorteile zusammenhalten. Die beiden Maschinen entsprechen einander in ihrer Arbeitsweise. Eine vollständigere Beschreibung der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Maschinen ist in der am 4. April 1974 eingereichten kanadischen Patentanmeldung 196 810 zu finden. Die derzeit bekannten Dauermagnete.aus seltenen Erden, welche sich am besten für diese Maschinen eignen, werden aus einem fein pulverisierten Material hergestellt, welches in Form gepreßt wird, während die Partikel in einem Magnetfeld ausgerichtet werden. Die Preßkörper werden dann gesintert und mit dem geforderten Dauermagnetzustand magnetisiert. Diese Verfahren sind sehr wirtschaftlich, wenn große Anzahlen gleicher Teile automatisch hergestellt werden. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist sehr wirtschaftlich, wenn die Einheitsmagnete klein und nicht sehr groß sind. Andererseits werden im allgemeinen die dynamoelektrischen Maschinen, in welchen die vorbeschriebenen Magnete verwendet werden, in den verschiedensten Größen hergestellt, wobei allerdings von jeder Größe gleichzeitig immer nur verhältnismäßig kleine Mengen hergestellt werden. Diese beiden Forderungen können in Einklang gebracht werden, wenn die Polflächen in den Maschinen aus einem Mosaik genormter Einheitsmagnete gebildet werden, um aus diesen dann die geforderte Endgröße und Form der Polfläche herzustellen. Die Magnete aus seltenen Erden eignen sich aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften sehr gut für diese Behandlung, ohne daß an ihren Verbindungs- oder Berührungsstellen die magne-

509813/0375

tischen Eigenschaften nennenswert beeinflußt werden bzw. Magnetismus verloren geht, wobei allerdings vorauszusetzen ist, daß die Spalte an den Verbindungsstellen klein gehalten sind. Die Spalte an den Verbindungsstellen sollten ohnehin nicht breiter sein als notwendig ist, um die mechanischen bzw. Fertigungstoleranzen an die Form eines Einheitsmagneten und die praktisch üblichen Montagetoleranzen anzupassen. Dieser letzten Forderung kann durch Auswahl entsprechender geometrischer Formen für die Einheitsmagnete genügt werden. Polygonale Formen kommen diesen Kriterien entgegen, beispielsweise hexagonale, quadratische, rechteckige, dreieckige, trapezförmige Formen usw. Runde und ovale Formen kommen der Forderung nach Ausbildung eines optimalen Spaltes nicht entgegen. Es stehen auch verschiedene Verfahren zur Verfügung, um die Einheitsmagnete einer Mosaikanordnung in einem Grundaufbau anzubringen bzw. zu befestigen. Diese Verfahren schließen das vorerwähnte Verfahren, die Verbindung mittels Klebstoff vorzunehmen, sowie auch Verfahren ein, bei niedriger Temperatur weich oder hart zu löten. Da der Grundaufbau aus eipem guten magnetischen Material hergestellt wird und die Einheitsdauermagnete mit einer sehr hohen Anziehungskraft an der Unterlage hängen, ist der Klebstoffilm oder das Lötmittel zwischen den ebenen Flächen nicht den vollen auf die Magnete ausgeübten Kräften ausgesetzt.

Maschinen mit scheibenförmigem Rotor der vorbeschriebenen Art weisen verhältnismäßig breite, nicht magnetische Spalte zwischen den Polflächen auf. Da Dauermagnete aus seltenen Erden eine verhältnismäßig hohe Koerzitivkraft besitzen, eignen sie sich sehr gut für Maschinen mit großen Spalten. Aufgrund der Verwendung derartiger Dauermagnete können die Maschinen kleiner, leichter und leistungsfähiger als herkömmliche Maschinen mit einer vergleichbaren Ausgangsleistung gemacht werden. Obwohl die Magnete aus seltenen Erden bevorzugt werden, können in einigen Maschinen vorteilhafterweise auch sog. keramische Magnete, beispielsweise aus Ferritverbindungen, verwendet werden. Bei Verwendung keramischer Magnete nimmt jedoch die Größe der Maschine zu.

509813/0375 v*+™*™ - u

Patentansprüche :

Claims

Patentansprüche

Dynamoelektrische Maschine mit einer Dauermagnetanordnung/ einem scheibenförmigen Rotor, einem Magnetkreis, einer mit dem Magnetkreis elektromagnetisch verketteten, elektrischen Wicklung und mit einem Feldpolaufbau in dem Magnetkreis, gekennzeichnet , durch einen magnetischen Teil mit einer flachen, ebenen Oberfläche; durch eine Anzahl Einheitsdauermagnete (39, 40; 43, 44; 46 - 52; 56 - 60)t welche flache, ebene parallele Flächen und eine Umrißkante zur Anordnung der Magnete nebeneinander in einem mosaikähnlichen Muster (45; 55; ^₁ 65), aufweisen und durch eine Einrichtung zum Anbringen der Mosaikanordnung von Einheitsmagneten an den magnetischen Teil, wobei eine flache, ebene Fläche jedes Einheitsmagneten an der flachen, ebenen Fläche des magnetischen Teils angebracht ist, und wobei die Einheitsmagnete eine magnetische Ausrichtung in derselben Polaritätsrichtung sowie dieselbe Abmessung in der Ausrichtungsrichtung aufweisen, so daß die anderen flachen, ebenen Flächen der Einheitsmagnete eine ebene Polfläche einer bestimmten magnetischen Polarität darstellen.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheitsmagnete (39, 40; 43, 44; 46 52; 56 - 60) polygonale Formen aufweisen.
3.,Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polfläche im allgemeinen den Umriß eines symmetrischen Trapezoids aufweist, daß der größere Teil der Einheitsmagneten eine der folgenden Formen besitzt, nämlich eine quadratische, rechtwinkelige, hexagonale, trapezförmige oder dreieckige Form, und daß die restlichen Einheitsmagnete Teile dieser Formen darstellen und gerade, zusammenlaufende Kanten an dem Trapezoid festlegen.

509813/0375

2U5207
4. Maschine nach einem der.Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Einheitsmagneten mit dem magnetischen Teil mittels eines Klebstoffilmes zwischen der ebenen Oberfläche des Teils und der einen ebenen Fläche an den Einheitsmagneten verbunden sind.
5. Dynamoelektrische Maschine mit einem scheibenförmigen Teil, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei relativ zueinander drehbare Teile, welche durch einen axialen Spalt voneinander getrennt sind, durch eine Einrichtung, welche mindestens einen geschlossenen magnetischen Kraftlinienweg in den Teilen und dem Spalt festlegt, durch eine elektromagnetisch mit dem Kraftlinienweg verkettete, elektrische Wicklung, und durch eine Mosaikanordnung (45; 55; 64, 65) von mindestens einer Lage aus zwei oder mehr Einheitsdauermagneten (39, 40; 43, 44; 46 - 52; 56 - 60) pro Lage, welche in dem Kraftlinienweg angeordnet sind, um einen in axialer Richtung in dem Spalt ausgerichteten, magnetischen Fluß zu erzeugen.
6. Dynamoelektrische Maschine mit einem Stator mit zwei in Abständen voneinander angeordneten Jochteilen, welche aus einem magnetischen Material hergestellt sind, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen scheibenförmigen Rotor (11; 69; 92), welcher in dem Raum zwischen den Jochteilen um eine quer verlaufende Achse (28; 77) drehbar gelagert ist; durch eine Anzahl Polanordnungen (37 - 40; 89; 98, 99), welche in dem Raum in einem bestimmten Winkelabstand voneinander um die Achse (28, 77) herum angeordnet sind, wobei die Polanordnungen axial ausgerichtete Kraftlinienwege von einem Jochteil zu dem anderen über den Rotor (11; 69; 92) schaffen, durch eine Mosaikanordnung (43, 44; 46-52; 56-60; 64, 65) mit mindestens einer Lage aus zwei oder mehr Einheitsdauermagneten pro Lage in jedem Kraftlinienweg, und wobei die Einheits-

509813/03 7 5

magnete einer Lage Kante an Kante nebeneinander in einem flachen, ebenen Muster angeordnet ist, deren magnetische Achsen in der Richtung der Achse (28; 77) verläuft, und durch eine elektromagnetisch mit den Kennlinienwegen verkettete, elektrische Wicklung (79; 94) .
7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Rotor die Wicklung und ein harzartiges Material aufweist, durch welches die Wicklungsleiter zu einem einheitlichen Aufbau verbunden sind, welcher einen Naben- und einen Randteil mit den Wicklungsendköpfen sowie einen dazwischen angeordneten scheibenartigen Teil mit den Spulenseiten aufweist, und daß Leiter auf dem Rotor mit weiteren Leitern auf dem Stator in Verbindung stehen, um Strom zwischen dem Rotor und dem Stator zu leiten.
8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Polanordnungen einen ersten Polkopf an einem Jochteil aufweist, welcher in einer Mosaikanordnung einer Lage aus Einheitsmagneten endet, welche eine ebene, erste Polfläche auf einer Seite der angrenzenden Rotorscheibe festlegen, und einen zweiten Polkopf an dem anderen Jochteil aufweist, welcher in einer zweiten Polfläche auf der anderen Seite der angrenzenden Rotorscheibe endet und unmittelbar der ersten Polfläche gegenüberliegt.
9. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Polanordnungen einen ersten Polkopf mit einem Jochteil, welcher in einer Mosaikanordnung einer Lage von Einheitsmagneten endigt, welche eine ebene, erste Polfläche auf einer Seite der angrenzenden Rotorscheibe festlegt, und einen zweiten Polkopf an dem anderen Jochteil aufweist, welcher in einer weiteren Mosaikanordnung einer Lage aus Einheitsmagneten endigt, welche eine ebene, zweite

509813/0375

Polfläche auf der anderen Seite der angrenzenden Rotorscheibe festlegen und unmittelbar der ersten Polfläche gegenüberliegen.
10. Maschine nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß die durch die Mosaikanordnung aus Einheitsmagneten bestimmten Polflächen Trapezoide mit zusammenlaufenden Kanten sind, deren Verlängerungen sich auf der Achse treffen.

509813/0375