DE2657892C2

DE2657892C2 - Gleichstrommaschine

Info

Publication number: DE2657892C2
Application number: DE2657892A
Authority: DE
Inventors: Matsuo Dipl.-Ing. Tokio/Tokyo Mishima
Original assignee: MICRO TECHNOLOGY LABORATORY Co Ltd TOKIO/TOKYO JP
Current assignee: MICRO TECHNOLOGY LABORATORY Co Ltd TOKIO/TOKYO JP
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-12-21
Publication date: 1985-08-14
Also published as: DE2657892A1; US4376903A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrommaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um die Ansprechempfindlichkeit einer Gleichstrommaschine zu erhöhen, sind Rotoren bekannt, wie beispielsweise ein glatter Rotor mit einer am Außenumfang eines glatten Kerns angebrachten Wicklung, ein Rotor mit gedruckter Schaltung und ohne Rotorkern oder ein topfförmiger Rotor mit einer topfförmigen Wicklung. Der glatte Rotor ist so aufgebaut, daß eine Wicklung am Außenumfang eines Kerns des glatten Rotors durch die Technik der gedruckten Schaltung gebildet ist oder eine gewickelte Wicklung mittels eines Klebstoffs befestigt ist Dieser glatte Rotor hat die Nachteile, daß die Trägheit des Rotors erhöht i.s» und daß, wenn die Spaltmagnetflußdichte grc"¹ ist, die Eisenverluste des Rotorkerns übermäßig groß sind, was zu hoher Temperatur und niedrigem Wirkungsgrad führt Zusätzlich besteht ein Problem bei der Herstellung des glatter, Rotors darin, daß die Wicklung auf dem Kern des gfatten Rotors als dünne Schicht befestigt wird.

Bei einem Rotor mit gedruckte- Schaltung wird auf eine oder beide Seiten einer isolierenden Scheibe eine gedruckte Schaltung aufgebracht, um die Wicklung zu bilden. Dieser Rotor hat die Nachteile, daß wegen der Scheibenform des Rotors das Trägheitsmoment groß ist und das Verhältnis Drehmoment zu Trägheit relativ klein ist.

Der topfförmige Rotor hat zwei Typen. Bei dem einen ist die Wicklung extrem dünn in Topfform gebracht, während bei dem anderen die Wicklung relativ dick in Topfform gebracht ist Bei dem erüeren *'j ρ besteht eine Begrenzung in dem Volumen der Windungen, so daß der Drehmomentfaktor klein ist. Die mechanische Festigkeit dieses Typs ist auch gering, und folglich kann dieser Rotor nur bei einer Gleichstrommaschine mit geringer Ausgangsleistung angewendet werden. Bei dem letzteren Typ können andererseits der Durchmesser und die Dicke des Topfes vergrößert werden, so daß das Trägheitsmoment des Rotors größer wird und das Verhältnis Drehmoment zu Trägheit kleiner wird. Der topfförmige Rotor hat darüber hinaus darin einen Nachteil, daß die mechanische Festigkeit bei Drehung mit hoher Drehzahl oder dem Anlegen einer impulsförmigen Eingangsspannung verringert wird, da er einen auskragenden Aufbau hat, wobei der Boden des Topfes mit der Welle gekuppelt ist.

Es ist deshalb ein zylindrischer, kernloser Rotor entwickelt worden, welcher derart ausgebildet ist, daß eine Rotorwicklung auf einer Welle des Rotors über einem hülsenartiger Isolator angebracht ist Bei diesem Rotor ist der größte Teil des Rauminhalts von einer Wicklung ausgefüllt, was zu einem großen Rauminhalt der Wicklung führt, wodurch die Vorteile einer sehr geringen induktivität, mechanischer Festigkeit und niedriger Trägheit erhalten werden. Ein starkes magnetisches Feld kann auf diesen zylindrischen, kernlosen Rotor ausgeübt werden, wodurch ein hoher Wirkungsgrad, eine geringe mechanische elektrische Zeitkonstante, eine hohe Ansprechempfindlichkeit und stoßfester Eingang erhalten werden. Da dieser zylindrische, kernlose Rotor nicht magnetisch ist, kann aber der Spalt zwischen den magnetischen Feldpolen als äquivalenter Spalt betrachtet werden. Um ein starkes Feld auf den sehr langen Spalt einwirken zu lassen, sind Permanentmagnete mit hoher Koerzitivkraft aus anisotropem Strontiumferrit, Bariumferrit od. dgl. notwendig. Wenn solche Permanentmagnete zum Bilden eines magnetischen Weges mit einer großen Länge des Spalts verwendet werden, ergibt sich jedoch eine Einschränkung in der Form, sogenanntes Verhältnis des Formausgangs, und es ist schwierig.

magnetische Flüsse in magnetischen Polen unter Berücksichtigung des Maßes zwischen der Länge des Spalts und der Länge eines magnetischen Streunebenflusses in einem magnetischen Hauptweg zusammenlaufen zu lassen. Dies bedeutet, daß der größte Teil der magnetischen Flüsse als magnetischer Streufluß verbraucht wird, während die wirksamen magnetischen Flüsse verringert werden, woraus sich verschiedene Schwierigkeiten bei dem Aufbau konkreter magnetischer Wege ergeben.

Andererseits ist ein Permanentmagnetmotor bekannt (JP-OS 50-95705), bei dem keine Maßnahme in Hinsicht auf die großen magnetischen Streuflüsse getroffen worden ist, die unvermeidlich in einem Magnetfeldweg mit einer großen Spaltlänge erzeugt wird. Auch wenn Permanentmagnete aus einer Seltenerdlegierung verwendet würden, kann deren magnetische Kennlinie nicht wirkungsvoll ausgenutzt werden. Des weiteren sind für

Dynamomaschinen mit relativ hoher Ausgangsleistung Samarium-Kobalt-Magnete teuer, und die Permanentmagnete können nicht wirksam ausgenützt werden. Unter Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte hat die bekannte Vorrichtung einen wesentlichen Nachteil bei der praktischen industriellen Anwendung.

Es ist des weiteren ein Rotor bekannt (JP-OS 50-125203), bei dem ein Rotorkern einer üblicherweise verwendeten Gleichstrommaschine nicht magnetisiert ist Dabei handelt es sich um einen kernlosen Rotor, jedoch ist der größte Teil des Rauminhalts des Rotors nicht von der Wicklung ausgefüllt Der zylindrische, kernlose Rotor soll die SpaltJänge in Längsrichtung entsprechend dessen Außendurchmesser zu einem Raum zwischen magnetischen Feldpolen machen, und folglich beeinflußt die geschichtete Anordnung der Wicklung in dem Rotor die Leistung.

Es ist auch grundsätzlich bekannt, unerwünschte magnetische Streufelder durch zusätzliche Magneten mit einer dem zu verhindernden Streufluß entgegengerichteten Magnetisierung zu unterdrücken (GB-PS 13 94 904). Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gleichstrommaschine zu schaffen, die in dem relativ großen Spalt zwischen Rotor und Stator eine hohe Magnetflußdichte bei geringen Streuverlusten aufweist Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den

Unieransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in der sind F i g. 1 eine Ansicht zum Erläutern des magnetischen Wegs in einer Gleichstrommaschine, F i g. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der magnetischen Kennlinie eines Permanentmagneten, F i g. 3 eine Ansicht zum Erläutern eines Stators einer Ausführungsform nach der Erfindung, F i g. 4 eine graphische Darstellung zum Erläutern der magnetischen Kennlinie eines Permanentmagneten,

F i g. 5 eine Ansicht zum Erläutern eines Stators einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, F i g. 6 ein Längsschnitt eines Rotors vor dsm Alibringen der Wicklung bei einer weiteren Ausrühmngsform der Erfindung,

F i g. 7 eine Vorderansicht des Rotors nach F i g. 6,

F i g. 8 eine Seitenansicht des in F i g. 6 gezeigten Rotors nach dem Aufbringen der Wicklung und F i g. 9 und 10 Querschnitte zum Erläutern der Herstellung der Wicklung.

In Fig. 1 is« ein Joch 3 aus reinem Eisen od.dgl. gezeigt, das innen mit Hauptmagneten 1 und 1' aus Strontiumferrit Bariumferrit od. dgl. versehen ist wobei die Hauptmagnete 1 und Γ jeweils daran angebrachte Polschuhe 2 ufiu 2' aus reinem Eisen od. dgl. aufweisen, die einander außerhalb eines zylindrischen, kernlosen Rotors 4, der schematisch in der Figur gezeigt ist, gegenüberstehen.

Si ist die Pol fläche, die das Produkt aus der Polbreite entsprechend dem Rotor 4 und der Tiefe des magnetischen Wegs senkrecht zur Zeichenebene ist 52 ist die durchschnittliche Fläche längs der Linie TU an einem geneigten Abschnitt an der Seite des magnetischen Pols. S₃ ist die Fläche längs der Linie QR am Ende des HauptmagneteA, lihd Sm ist die Querschnittsnäche des Hauptmagneten, Φ\ ist der magnetische Fiuß in der Fläche Si, Φ-ι ist der magnetische Fluß in der Fläche S2, Φ3 ist der magnetische Fluß in eier Fläche 53, Φΐη ist der gesamte magnetische Fluß in der Querschnittsfläche 5m des Hauptmagneten, 0₄ und Φι! sind die magnetischen j Flüsse jeweils zwischen den Hauptmagneten 1 und Γ und dem Joch 3, und Φγ\%\. der Streufluß längs der Fläche

am Umfang der Hauptmagnete. Damit ist der totale magnetische Fluß gegeben durch

Φω={Ρι+2 Φ2 + 2Φ₃) + 2Φ< + Φχ. (1)

Obwohl die Werte von der magnetischen Kennlinie, dem Abmessungsverhältnis und der Form des magnetischen Weges des Permanentmagneten abhängen, erreicht beispielsweise 2 Φ_Λ+ Φγ 50% von Φπι, und Φι ist wertmäßig gleich (2 Φ₂ + 2 Φ₃), was bedeutet daß der wirksame magnetische Feldfluß Φι relativ klein, beispielsweise 25% des gesamten magnetischen Flusses Φγπ ist

Im ist d?e Länge der Hauptmagniten 1 und V, Ig ist die Länge eines Spalts, Φ_χΙμ₀5= Hg ist das magnetische Feld des Spalts, wobei/^₀= 1 entsprechend dem CGS-System gilt. Bm = Φm/Sm ist die magnetische Flußdichte der Hauptmagneten 1 und Γ und Hm ist das magnetische Feld entsprechend Bm aus der magnetischen Kennlinie der Magnete, wobei die magnetischen Widerstände der Polschuhe 2 und 2' und des Jochs 3 vernachlässigt sind, unö aus einer geschlossenen Kurve, welche die Hauptmagnete 1 und Γ und das Joch 3 längs der Mittellinie von Φ\ passiert Das magnetische Feld Hgdes Spalts wird dann ausgedrückt durch

φ H ■ d / = \Hg d / - 2 j Hm d / = Hg Ig - 2HmIm - 0

w 11»

Hg = 2HmImZIg. (2)

F i g. 2 zeigt die magnetische Kennlinie der Hauptmagneten, wobei die Mag-etflußdichte durch die Streuflüsse Φ7, Φι und Φί, erhöht ist. Wie in der Gleichung (1) zeigt der Arbeitspunkt einen niedrigen Wert, nämlich —H\ = Hm, was von der Läge des maximalen Energieprodukts der Magnete abweicht.

Ein Abfall von Hm in der Gleichung (2) zusätzlich zu einem Abfall des effektiven magnetischen Flusses Φ^/Φm, der durch Streuflüsse verursacht wird, ergibt sehr nachteilige Verhältnisse für den magnetischen Weg des Permanentmagneten mit großer Spaltlänge.

Um ein starkes magnetisches Feld, wie oben erwähnt, zu schaffen und Streuflfrsse in dem Magnetfeldweg zu verhindern, die durch den Permanentmagneten mit großer Spaltlänge durch Ausnutzung einer technischen Maßnahme bei den Abmessungen verursacht werden, ist es notwendig, die Länge der magnetischen Streuwege I₂, h und U zu vergrößern, um den Einfluß wenigstens des Mehrfachen der Spaltlänge Ig, v/ie in F i g. 1 gezeigt ist.

wesentlich zu verringern. Das Joch 3 wird deshalb in seiner Abmessung wesentlich vergrößert, und der Zustand des Formausgangsverhältnisses, das bei der Anwendung der beschriebenen Art erforderlich ist, wird verschlechtert, womit die praktische Anwendbarkeit verringert wird.

F i g. 3 ist eine Ansicht zum Erläutern der ersten Ausführungsform nach der Erfindung, wobei die Teile, die den Teilen in F i g. 1 gemeinsam sind, mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

Gemäß der Erfindung wird ein umgekehrtes Feld zum Ausgleichen des Streumagnetfelds angelegt, um einen großen Teil der Streuflüsse, die in den magnetischen Wegen erzeugt werden, unier Verwendung eines Perma- j§ nentmagnetep. mit großer Spaiilär.gc zu sperren, um dadurch die Feiäfiüsse in dem langen SpältteÜ koBVergieren ~ zu lassen, wodurch das Maß der effektiven Magnetflüsse vergrößert wird und gleichzeitig die Form des ici magnetischen Kreises auf das kleinstmögliche Maß reduziert wird.

Gemäß F i g. 3 ist ein Joch 3 aus reinem Eisen od. dgl. innen mit Hauptmagneten 8 und 8' versehen, die aus

Permanentmagneten mit hoher Koerzitivkraft aus Strontiumferrit, Bariumferrit od. dgl. bestehen, und die

Hauptmagnete 8 und 8' weisen daran angebrachte, relativ dünne trapezförmige Polschuhe 2 und 2' aus reinem

Eisen od. dgl. in der Weise auf, daß sie einander außerhalb eines zylindrischen, kernlosen Rotors 4 gegenüberste-

Spterrmagnete 5 und 6, die aus anisotropen Permanentmagneten mit vorzugsweise derselben magnetischen Kennlinie wie die der Hauptmagnete bestehen, sind jeweils zwischen Polen der Hauptmagnete über Spalte h und k angeordnet. Des weiteren sind Sperrmagnete 7 und T über Spalte h und Ao gegenüberliegend derart angeordnet, daß sie Teile der Seiten der Hauptmagnete und der Seiten der Sperrmagnete S und 6 belegen. Während diese Sperrmagnete 7 und T vorzugsweise dieselbe magnetische Kennlinie wie die der Sperrmagnete 5 und 6 aufweisen, können selbstverständlich auch andere anisotrope Permanentmagnete verwendet werden.

F i g. 4 zeigt die magnetische Kennlinie der Sperrmagnete 5 und 6. In der Demagnetisierungskurve der F i g. 4

ist der Arbeitspunkt (4) der Sperrmagnete 5 und 6 in einem offenen magnetischen Weg angeordnet, obwohl sich

der Arbeitspunkt mit dem Abmessungsverhältnis und der Form ändern kann. Durch Anordnen der Sperrmagne-

te 5 und 6 zwischen den Hauptmagneten 8 und 8' bewegt sich der Arbeitspunkt zu den Stellen (5) und (5') als

Ergebnis einer Demagnetisierungskraft, die durch die Hauptmagnete 8 und 8' erzeugt wird.

Wenn in dem magnetischen Weg nach F i g. 1 der größere Teil Her magnetischen Streuflüsse Φ₂ und fßj, die einen nichtmagnetischen Nebenfluß in dem Spalt Si bilden, und des magnetischen Streuflusses Φ^ zwischen den Hauptmagneten und dem Joch gesperrt werden soll, nehmen die magnetischen Streuflüsse in den Hauptmagneten wesentlich ab. und als Folge bewegt sich der Arbeitspunkt in der Demagnetisierungskurve der Hauptmagnete nach F i g. 2 von der Stelle (1) zur Stelle (3). Deshalb nehmen die Sperrmagnete ein großes entgegengesetztes Feld auf, und auf diese W eise bewegt sich der Arbeitspunkt gemäß F i g. 4 zur Stelle (5').

Da der Arbeitspunkt sowohl der Hauptmagnete als auch der Sperrmagnete in einem Bereich angeordnet ist, der aufgrund von Temperaturänderungen nicht umgekehrt ist, ist die Querschnittsfläche Sm 2 des Kauptmagneten in F i g. 3 kleiner als die Querschnittsfläche 5m im Falle der F i g. 1 und der Arbeitspunkt gemäß F i g. 2 wird auf die Stelle (2) eingestellt, während die magnetischen Streuflüsse gesperrt werden. Demgemäß nimmt das durch die Haupimagnete erzeugte umgekehrte Feld ab und der Arbeitspunki der Sperrmagnete wird auch auf die Stelle (5) in F i g. 4 eingestellt.

Wenn das Amperesche Kreisgesetz längs der durchschnittlichen Mittellinie TU an einem Teil mit geneigtem Pol in F i g. 3 angewendet wird, d. h. längs einer geschlossenen Kurve, die von dem Joch 3 über die Länge Im des Hauptmagneten, den Spalt /V, die Länge /; des Sperrmagnets, den Spalt h und die Länge Im des Hauptmagneten reicht, ist kein Verkettungsstrom in dem magnetischen Weg vorhanden, und deshalb tritt keine Rotation des Vektors auf, d.h. es gilt rot H=Q, und die Linienintegration der geschlossenen Kurve ist Null. Es wird nun angenommen, daß die Richtung der Magnetflußdichte positiv ist, wobei Hm 2 das magnetische Feld der Hauptmagnete und H₇ das magnetische Feld des Spalts h sind. Da die Permeabilität der Polschuhe 2 und 2' und des

Jochs 3 · 10³ übersteigt, ergibt sich folgende Vereinfachung:

j) H dl = J//₅ d/ + 2 JH₇dl -2 Jtf/n2d/ =0.

(3)

/, ί, ,'„

Wenn der erste und der dritte Ausdruck gleich sind und der zweite Ausdruck Null ist, wird Hi ™ 0. Somit gilt O)H-Al = H₅I₅-IHmIIm = 0

H₅1₅ = 2 Hm 2 /m (4)

#5=2 #,7J 2 /m/7₅ [OJ - - "

Hm 2 entspricht //2 in der obenerwähnten Demagnetisierungskurve in F i g. 2. Die Querschnittsfläche wird

derart bestimmt, daß der Arbeitspunkt des Sperrmagneten 5 auf die Stelle (5) in der Demagnetisierungskurve in |

Fig.4 eingestellt wird. Die Gleichheit in der Gleichung (4) wird durch die Länge 15 des Sperrmagneten eingestellt.

Auch wenn eine geringe Unsymmetrie gemäß Gleichung (4) aufgrund eines Unterschieds des Temperaturko-

eifizienien zwischen dem Hauptmagnet und dem Sperrmagnet oder Ungleichheit im Material auftreten soiite, wird das durch die Unsymmetrie erzeugte magnetische Feld an den Spalt 2/7 angelegt, womit das umgekehrte

Feld weniger beeinflußt wird.

Auch in bezug auf die Linie QR von dem Ende des Hauptmagneten zu dem Sperrmagneten 5, die geschlossene

Kurve aus den punktierten Linien a, b und c von der Seite des Hauptmagneten 8 zu dem Sperrmagneten 7 und dem Joch 3 und die geschlossene Kurve aus den punktierten Linien d, e, /und h von der Seite der Sperrmagnete 6 zu dem Joch 3 kann eine Berechnung gleichartig zu der obigen Berechnung ausgeführt werden, um die Konstanten der Länge k des Sperrmagneten 5 und des Sperrmagneten 7 festzulegen.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Maß zwischen dem Feldflüß ißg und dem Gesamtfluß 4>m 2 der Hauptmagnete, d. h. des effektiven magnetischen Flusses, 70% unter dem ungünstigen Zustand der großen Spaltlänge,

Fig. 5 ist eine Ansicht zum Erläutern der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei diejenigen Teile, die denen in F i g. 1 und 3 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

Diese Ausführüngsform ergibt eine Anordnung, die gleichartig der Anordnung der ersten Ausführungsform ist, wobei magnetische Streuflüsse gesperrt werden, um die magnetischen Feldflüsse in einem großen Spaltteil konvergieren zu lassen. Zusätzlich dazu sieht die vorliegende Ausführungsform Permanentmagnete aus einem Material der Samariumgruppe od. dgl. vor, deren Koerzitivkraft hoch ist, wobei die Magnete in den Feldpolteilen angeordnet sind. Dies ergibt ein starkes Magnetfeld in einem langen Spalt und einen magnetischen Weg, der im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit sehr zweckmäßig ist.

Um die magnetischen Streuflüsse mittels des umgekehrten Felds zu sperren, um eine hohe magnetische Flußdichte in dem Spalt zu erhalten, können in dem Feld der Permanentmagnete mit großer Spaltlänge, wie vorstehend beschrieben, Permanentmagnete für das Feld und Permanentmagnete für das entgegengesetzte Feld nur Samariumkobaitmagncte aufweisen.

Gemäß F i g. 5 sind die Permanentmagnete 9 und 9' mit hoher Koerzitivkraft aus der Samariumgruppe jeweils an Polschuhen 2 und 2' angeordnet. Wenn /5 die Länge des Permanentmagneten ist und Hs die Feldstärke an dessen Arbeitspunkt ist, dann sind die Bezugszeichen und die Materialien für die verschiedenen Teile denen gleich, die in F i g. 3 gezeigt sind, allerdings mit der Ausnahme, daß die Querschnittsfläche der Hauptmagnete 1 g,

und Γ von Sm 2 in F i g. 3 verschieden, jedoch gleich wie Sm in F i g. 1 ist.

Da die Permanentmagnete aus der Samariumgruppe beispielsweise hohe Koerzitivkraft und Energie haben, sind diese für dünne magnetische Wege wirkungsvoll. Wenn diese Magnete als Hauptmagnete verwendet werden, um ein starkes Feld in dem langen Spalt zu erhalten, ist dies teuer und damit für industrielle Zwecke in i

wirtschaftlicher Hinsicht nachteilig. ™

Gemäß dieser Ausführungsform werden Permanentmagnete aus anisotropem Strontiumferrit, Bariumferrit od. dgl. als Hauptmagnete verwendet, um magnetische Flüsse durch den magnetischen Weg zu leiten, dessen Spaitlänge groß ist, und ein großer Betrag der magnetischen Streuflüsse, die unvermeidbar erzeugt werden, wird gesperrt, um die magnetischen Flüsse zwischen Feldpolen zusammenzufassen, wobei Permanentmagnete 9 und 9' mit hoher Koerzitivkraft, wie Permanentmagnete, die durch eine kleine Menge eines Materials aus der Samariumgruppe gebildet sind, an den Spitzen der Pole angebracht sind, wodurch in wirtschaftlicher Weise ein sehr starkes zusammengesetztes Feld erhalten wird, wie nachfolgend beschrieben wird.

Gemäß F i g. 5 sind die Sperrmagnete 5,6,7 und T in dem magnetischen Weg, wie in F i g. 1 gezeigt ist, derart angeordnet, daß der Arbeitspunkt der Haupt.TiSgnete ί und 1' eine Steüe {3) suf der Densagnstisierursgskurvc der Fig.2 in einem Zustand mit gesperrten Streuflüssen einnehmen kann. Permanentmagnete mit hoher Koerzitivkraft aus einem Material der Samariumgruppe od. dgl., die an den Magnetpolschuhen angebracht sind, sind so angeordnet, daß die magnetische Flußdichte in dem Spalt und in den Hauptmagneten erhöht ist, wodurch der Arbeitspunkt auf die Stelle (2) eingestellt wird.

Die Kreisintegration einer geschlossenen Kurve, die sich von dem Joch 3 über eine Linie erstreckt, weiche die Länge Im der Hauptmagnete 1 und Γ längs der Mittellinie des magnetischen Feldes, die Länge /5 der Permanentmagnete 9 und 9' aus einem Material der Samariumgruppe, den Spalt Ig, die Länge /5 der Permanentmagnete 9 und 9' mit hoher Koerzitivkraft aus einem Material der Samariumgruppe od. dgl. und die Länge Im der Hauptmagnete 1 und Y enthält, ist gegeben durch

= J//gd/-2 j//sd/-2 J//m3d/ = Hg Ig -2HsIs -2HmZ Im = 0, (5)

Ix h Im

worin Hm 3=H₂ das magnetische Feld am Arbeitspunkt der Hauptmagnete ist und Hg das magnetische Feld in |

dem Spalt ist, wobei der magnetische Widerstand der Polschuhc 2 und 2' und des Jochs 3 vernachlässigt ist.

HgIg=2(Hsls+Hmlm)

(6) Hg= 2 (Hs Is+ Hm Im)ZIg.

Wie sich aus der Gleichung (6) ergibt, kann ein zusammengesetztes magnetisches Feld des Feldes der Hauptmagnete, das durch Sperren der Streuflüsse erhalten wird, und des Magnetfeldes der Permanentmagnete aus einem Material der Samariagruppe in dem Spaltteil konzentriert werden, wodurch ein starkes magnetisches Feld in dem Spalt großer Länge erzeugt wird. In diesem Fall erreicht das Verhältnis des Feldflusses <Pgz\\m Fluß <Pm 3 der Hauptmagnete, d. h. der effektive Fluß, 84%. Gemäß der Erfindung kann das starke magnetische Feld außerhalb des zylindrischen kernlosen Rotors angelegt werden, dessen Wicklungsrauminhalt sehr groß ist und dessen Trägheit sehr klein ist, um einen Steuer-Gleichstrom-Motor mit hohem Wirkungsgrad und mit hoher Ansprechleistung zu erhalten.

Als nächstes wird ein zylindrischer, kernloser Rotor in einer Ausführüngsform der Erfindung beschrieben.

F i g. 6 ist ein Längsschnitt des Rotors, bevor die Wicklung darauf angebracht ist, und F i g. 7 ist eine Vorderen-

sieht. Der Rotor enthält eine Drehwelle 11 aus magnetischem Material, wie rostfreiem Stahl, eine dünne, darauf angebrachte Isolierschicht 12, einen Isolierzylinder 13, der am Außenumfaiig der Isolierschicht befestigt ist, und Halteplatten 14, die fest in mehrere axiale Aussparungen in dem Isolierzylinder 13 eingesetzt sind. Jede Halteplatte 14 ist mit Vorsprüngen 14a, die sich abgeschrägt von ihren gegenüberliegenden axialen Enden erstrecken, und einer Anzahl von Aussparungen 146 an ihrer Außenseite gebildet, wobei der in die Aussparung des Isolierzylinders 13 einzusetzende Basisteil 14c im wesentlichen dieselbe Länge wie die axiale Länge des Isolierzylinders 13 hat. Vorzugsweise bestehen die Halteplatten 14, die Isolierschicht 12 und der Isolierzylinder 13 aus hitzebeständigen Kunststoffen, beispielsweise Epoxydharz und können aus einem Stück gebildet sein.
F i g. 8 ist eine Seitenansicht des zylindrischen, kernlosen Rotors mit der darauf aufgebrachten Wicklung,

ίο wobei 15 eine Wicklung, 16 einen Bindedraht und 17 mit punktierten Linien einen Kommutator bezeichnen. Bei dieser Wicklung enthält eine Spule nicht eine Wicklung, sondern zwei Wicklungen, um die Wicklung der gesamten Spule zu erhalten, ohne einen Zwischenraum über dem Isolierzylinder 13 mit geringem Durchmesser zu bilden. Der gewickelte Draht kann auch durch die Vorsprünge 14a der Halteplatte 14 gehalten werden, ohne eine Unordnung des Drahts herbeizuführen, weshalb die Wicklung auf einer automatischen Wickelmaschine hergestellt werden kann.

Nachdem die Wicklung 15 aufgebracht worden ist, wird vorzugsweise ein Bindedraht 16. beispielsweise aus einem Material der Nylongruppe od. dgl., längs der Aussparung \4b in der Halteplatte 14 aufgewickelt, um Aufweitungen der Wicklung 15 mit einem Isoliermaterial, wie Epoxydharz, zu verringern, das für eine feste

AnnrHniincT nnH pinpn fpnphticrlrpif cHi/*htAn ÄHcohliiR Hap Wir·!^ Inner 1 ζ imnräoniprt u/irW Mar»hHf»m Hi*» λλ/ir* If Inner

15 durch das Isoliermaterial, wie Epoxydharz, fixiert worden ist, kann der Bindedraht 16 auch entfernt werden. Wenn der Bindedraht 16 belassen wird, kann der Widerstand gegen die Zentrifugalkraft viel mehr erhöht werden.

Wie in F i g. 9 gezeigt ist, wird die Wicklung 15 zuerst mit einer Windungszahl der Hälfte der Spule gewickelt, woraufhin sie, wie in Fig. 10 gezeigt ist, mit der verbleibenden Windungszahl gewickelt wird. Wenn acht Halteplatten 14 auf dem Isolierzylinder 13 in gleichem Abstand angeordnet sind, um acht Spulen zu bilden, wird ein erster Spulenteil aus Spulenabschnitten 5Ma, SiAb,..., 5&4a, 5BAh, die in zwei Spulen geteilt sind, gebildet. Das heißt, daß ein Spulenteil aus den Spulenabschnitten 5\Aa und 51/46 gebildet wird und daß ein weiterer Spulenteil aus den Spulenabschnitten 52Aa und 52Ab gebildet wird. Auf diese Weise werden die Spulenteile aus den Spulenabschnitten 58Aa und 5SAb aufeinanderfolgend gebildet

Demgemäß hat jeder erste Spulenteil eine Zahl von Windungen der Spule, geteilt durch zwei, so daß eine Wicklung auf einem Isolierzylinder 13 mit geringem Durchmesser ohns einen freien Raum gebildet werden kann. Der Außenumfang, auf den der erste Spulenabschnitt gewickelt ist, hat eine zylindrische Form um die Wellen.

In einem zweiten Spulenteil aus den Spulenabschnitten 51Sa, 51ßö,.., 58ßa und 58ß£>, wie in F i g. 10 gezeigt ist, ist der Durchmesser des Außenumfangs des vorstehend erwähnten ersten Spulenteils relativ groß, so daß der zweite Spulenteil leicht um dessen Außenumfang ohne einen freien Raum gewickelt werden kann. Die Spulenenden werden in den Vorsprüngen 14a an den gegenüberliegenden Enden der Halteplatte 14 gehalten. Auch wenn die Wicklung so weit ausgeführt ist, daß deren Fläche im wesentlichen dieselbe Höhe wie die Außenfläche der Halteplatte 14 hat, wird deshalb keine Unordnung beim Wickeln verursacht

•40 Die Spulen können auf diese Weise ohne einen freien Raum um den Außenumfang des Isolierzyiinders 13 gewickelt werden, wodurch ein zylindrischer, kernloser Rotor geschaffen wird, der fast dem Kern gleichartig ist, der durch die Wicklung 15 gebildet ist.

Wie oben beschrieben wurde, wird bei dieser Ausführungsform kein Rotorkern verwendet, so daß nicht die Gefahr besteht, daß Eisenverluste erzeugt werden, und eine niedrige Trägheit erreicht wird. Zusätzlich besteht keine Begrenzung in der Zahl der Windungen der Wicklung des Rotors, wodurch der Wirkungsgrad der Rotationsfrequenz bei niedriger Geschwindigkeit erhöht wird. Des weiteren kann das Verhältnis der Wicklungsausnutzung zum Volumen des Rotors auf die oberste Grenze erhöht werden, so daß die Drehmomentkonstante des Rotors erhöhl werden kann. Da der Rotor kernlos ist ist des weiteren die Induktivität der Wicklung so gering, daß eine gute Kommutationskennlinie erhalten wird, die für ein Ansprechen mit hoher Geschwindigkeit erforderlich ist. Darüber hinaus werden die Spulenenden durch die Vorsprünge an den gegenüberliegenden Enden der Halteplatten festgelegt, und die Spule ist in zwei Teile zum Wickeln aufgeteilt so daß die Windung leicht auf einem Isolierzylinder mit geringerem Durchmesser ohne eine Unordnung der Wicklung oder einen freien Raum hergestellt werden kann. Dabei kann automatisch gewickelt werden.

Durch die Wirkung der Halteplatten mit den Vorsprüngen kann das Wicklungsmaß in geeigneter Weise verringert werden, wodurch die Wicklung in einem Verfahren aufgebracht werden kann, das dem bekannten Schleifenwickeln ohne Unterteilen der Spule in zwei Abschnitte gleichartig ist

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
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Claims

Patentansprüche:

1. Gleichstrommaschine mit einem zylindrischen Rotor und mit einem Stator, der ein Joch enthält, in dem zwei einander gegenüberliegende, als Hauptmagnete wirkende, rechteckige Permanentmagnete angeordnet sind, deren Breite senkrecht zu dem erzeugten Magnetfeld größer als der Außendurchmesser des Rotors ist und die je einen dünnen trapezförmigen Polschuh an ihrer radial nach innen gerichteten Fläche tragen, und mit an gegenüberliegenden Seiten des Rotors zwischen den Hauptmagneten angeordneten Sperrpermanentmagneten zur Verhinderung von magnetischen Streufeldern, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem eisenkernlosen Rotor, in Achsrichtung gesehen, je Rotorseite ein den Streüpfad weitgehend überbrükkender Sperrmagnet vorgesehen ist

2. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptmagnete und die Sperrmagnete anisotrope Ferritmagnete sind.

3. Gleichstrommaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptmagnete und die Sperrmagnete Barium- und Strontium-Ferritmagnete sind.

4. Gleichstrommaschine nach Anspruch i, gekennzeichnet durch zusätzliche Permanentmagnete mit sehr hoher Koerzitivkraft an den dem Rotor gegenüberliegenden Flächen der Polschuhe zur Unterstützung des Magnetfelds der Hauptmagnete (F i g. 5).

5. Gleichstrommaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete sehr hoher Koerzitivkraft Samarium-Magnete sind.