DE2823208A1

DE2823208A1 - Elektrische rotationsmaschine

Info

Publication number: DE2823208A1
Application number: DE19782823208
Authority: DE
Inventors: Makoto Gotou; Kazutsugu Kobayashi; Kenichiro Okumura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1977-05-26
Filing date: 1978-05-25
Publication date: 1979-01-18
Also published as: FR2392525B1; DE2823208C2; GB1603969A; US4280072A; NL7805766A; FR2392525A1

Description

Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Osaka, Japan Blektrisohe Ratationseaschine

Die vorliegende Erfindung "betrifft eine elektrische Rotationsmaschine und insbesondere eine drehende elektrische Maschine wie bepw. einen Motor oder einen Generator mit einem Ankerkern aus magnetischem Werkstoff und mit einer Vielzahl von ausgeprägten Polen sowie einem permanentmagnetischen Feldelement, das zu einer Vielzahl einander abwechselnder N- und S-PoIe magnetisiert ist, die den ausgeprägten Polen des Ankerkerns zugewandt sind. Die drehende elektrische Maschine nach der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch ein erheblich reduziertes Ruckmoment und eine geringere Wenigkeit des Drehmoments, die durch Einschnitte in den ausgeprägten Polen sowie durch ausgeprägte Hilfspole bewirkt werden, wie im folgenden beschreiben.

elektrische Rotatienseaschinen mit einem mit ausgeprägten Polen versehenen lälcerkei» aus magnetischem Werkstoff und einem per- «anentfluignetlsehen feldeleaent mit diesen ausgeprägten Polen zugewandten MftfMtiritXUBgspolen sind infolge ihres hohen Wirkungs-

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graas weiterhin im Einsatz, Sie leiden jedoch unter dem Problem, aaß schädliche schwingungen infolge eines kräftigen Ruckmoments auftreten, das von der Wechselwirkung der magnetisierten Pole des Permanentmagneten und den ausgeprägten Polen des Ankerkerns verursacht wird. Dieses Ruckmoment verhindert einen glatten Rundlauf aer drehenden elektrischen Maschine; um es zu reduzieren, wird zu-! weilen ein schräger Ankerkern verwendet. Diesen herzustellen ist ■ jedoch nicht einfach; außerdem ist mit ihm das kuckmoment noch zu I hoch, jjie Verwendung eines ^nkerkerns ohne ausgeprägte Pole, um

ί einen glatten Rundlauf zu erhalten, ist unpraktisch, weil man dann)

bei unnötig großer kaschine einen nur geringen Wirkungsgrad erhältl

i/ird die elektrische ^otationsiuaschine als kotor eingesetzt, ergeben die ausgeprägten Pole eine weitere Schwierigkeit, nämlich eine iVelli^keit aas .urerimoments ini'olge des Ankersuroms, so α aß ein glatter i.undlauf des not or s aurch die resultierenden schädlichen Schwingungen verhindert wira. uiese dornentwelligkeit entsteht infolge der Wechselwirkung der magnetischen Pole des Perma- | nentmagneten und den erregten Polen aes Ankerkerns. Um die Momentwelligkeit zu verringern, kann man den Läuferstrom entsprechend der relativen stellung zwischen Ankerkern und Permanentmagnet andern. Dadurch wird jedoch die .^steuerschaltung für die elektrische ■Rotationsmaschine unnötig kompliziert; auf herkömmliche tfeise ist es schwierig, sowohl das i.uckmoment als auch die Momentwelligkeit ', zu verringern.

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Es ist also ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neuartige und verbesserte elektrische xiotationsmaschine mit hohem Wirkungsj grad, reduziertem Iluckmoment und verringerter Momentwelligkeit anzugeben.

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üs ist ein weiteies Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektrisc .rotationsmaschine mit einem Ankerkern aus magnetischem Werkstoff, der eine Vielzahl von ausgeprägten Polen aufweist, sowie einem permanentmagnetischen leldelement mit permanentmagnetischen N-und S-Polen anzugeben, die ein reduziertes lOickmoinent und eine verringerte Momentwelligkeit aufweist, aie mit der Geometrie des Ankerkerns und des Magneten im Zusammenhang stehen.

Diese Ziele der vorliegenden Erfindung lassen sich erreichen mit einer elektrischen rotationsmaschine nach der vorliegenden üirfinuung, in der ein permanentmagne tische s kreisrundes i'eldelement und ein Ankerkern aus magnetischem Material vorliegen, I>as magnetische element ist um die ü urehachse der elektrischen Rotationsmaschine herum abwechselnd zu M- und S-Polen magnetisiert, um ein Plußfeld zu erzeugen, wobei die Anzahl der N- und der S-PoIe gleic P und P eine gradzahlige Zahl größer oder gleich 2 ist, d.h. P> Weiterhin ist der Ankerkern koaxial mit dem Magnetelement angeordnet und hat eine Vielzahl diesem zugewandter ausgeprägter Pole sowie eine Vielzahl von mehrphasig verschalteten Spulen, die entsprechend der Relativdrehung zwischen iüakerkern und Magnetelement eine Vielzahl von mehrphasigen Wechse!spannungen erzeugen,

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mindestens einer der ausgeprägten mindestens einen Einschnitt in der dem Magnetelement zugewandten Fläche auf, wobei der Winkel zwischen einer Linie von der Mitte des Einschnitts zur Drehachse und einer Linie vom Mittelpunkt eines benachbarten Einschnitts bzw. vom Mittelpunkt eines Zwischenraums zwischen zwei benachbarten ausgeprägten Polen zur Drehachse ungleich einem ganzzahligen Vielfachen des Quotienten (36O/P)° ist.

■ Diese und andere Ziele und Merkmale der Erfindung sollen nun an-

hand der beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.

! Fig. 1 ist eine schematisierte Schnittdarstellung einer Ausfüh-

rungeform der elektrischen Rotationsmaschine nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2a bis 2g sind Vektordiagramme zur Erläuterung der Abschwächung schädlicher Komponenten der Formharmonischen in der elektrischen Rotationsmaschine nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3a bis 3c sind schematisierte Schnittdarstellungen einiger Ausführungsformen des Ankerkerns für die elektrische Maschine nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4a bis 4d zeigen einige Formen der Einschnitte auf einen ausgeprägten Pol des Ankerkerns;

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ii'ig. 5 ist eine schematisierte Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der elektrischen Rotationsmaschine nach der vorliegenden Erfindung;

I"ig. 6 ist eine schematisierte Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der elektrischen Rotationsmaschine nach der vorliegenden Erfindung mit ausgeprägten Hilfspolen;

i< ig. 7a bis 7d zeigen Wellenformen zur Erläuterung der Funktionsweise der elektrischen liotationsmaschine nach i'ig. 6;

Fig. 8 ist eine schematisierte Sehnittaarstellung einer weiteren Ausführungsform uer elektrischen Rotationsmaschine nach der vorliegenaen Erfindung;

jj'ig. 9a und 9b sind eine Schnitt- und eine Explosionsdarstellung einer weiteren Ausführungsform aer elektrischen Rotationsmaschine nach der vorliegenaen Erfindung;

Jjig. 10a und 10b sind abgewickelte Ansichten des Permanentmagneten und des Ankerkerns aer i'ig. 9.

es soll nun eine AusführuiiöSform aar elektrischen Rotationsmaschine nach aer vorliegenden ürfinaun₆ ausführlich besonrieben werden unter .öezug auf aie i-ig. 1, bei der es sich um die Schnittdarstelmagnetischen ooons mit dem j^ezugszeichen 1 una eines

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Ankerkems 3 handelt; aas magnetische Joch 1 hat einen Permanentmagneten 2, der auf uer Innenfläche dem Änkerkern 3 zugewandt angeordnet ist, während der Änaaaenfcmagnet 2 ein Paar permanentmagne tisierter N- und S-PoIe aufweist. Das permanentmagnetische FeIdelement aus dem Permanentmagneten 2 erzeugt um den Ankerkern 3
herum ein festes magnetisches .PeId.

Änkerkern 3 weist drei ausgeprägte Pole 4a, 4b, 4c auf, die
zum Permanentmagneten 2 hin vorstehen, ±,ie Hauptfläche jedes ausgeprägten Pols, die dem Permanentmagneten zugewandt ist, ist breiter als der JPuß, auf den die Ankerwicklung gewickelt ist. Die Ankerwicklung läßt sich also leicht aufbringen; der Ankerkern nimmt so den vom Permanentmagneten 2 ausgehenden Magnetfluß wirkungsvoll auf. Me dreiphasigen Wicklungsspulen 5a, 5b, 5c sind jeweils auf den Puß der ausgeprägten Pole 4a, 4b, 4c in die Zwischenräume 6a, 6b, 6c zwischen jeweils zwei benachbarten Pole eingewickelt.

ο ede Hauptfläche der ausgeprägten Pole 4a, 4b, 4c weist zwei Einschnitte T&j, 7a₂; Tb₁, 7fc>₂ sowie 7c,, 7c₂ auf; an diesen einschnitten wird uer bpalt zwischen der Hauptfläche des ausgeprägten Pols und dem Permanentmagneten 2 breiter. Die Einschnitte verlaufen parallel zur drehachse ü, d.h. senkrecht zur Zeichenebene der i'ig. 1, und uie beiden iüinschnitte eines ausgeprägten Pols liegen bei etwa jeweils einem "Drittel des Winkels zwischen den Mittellinien der Zwischenräume beiderseits dieses ausgeprägten Pols, d.h bei etwa 1/3 von 120°, wie in Fig. 1 gezeigt. Die neun !eile des

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Umfangs des Läuferkerns 3, d.h. die Zwischenräume 6a, 6b, 6c und die Einschnitte 7a., 7a₂, 7b^, 7b₂, 7c.. und 7c₂ liegen also unter jeweils etwa 4O°beabstandet dem Permanentmagneten 2 zugewandt. Wie oben bereits erwähnt, befindet sich auf dem eingeschnittenen Teil keine Spule oder Windung der Erregerspule eines Motors oder eines Generators.

Bs soll nun die Funktionsweise der elektrischen Rotationsmaschine der Fig. 1 beschrieben werden. Der Ankerkern 3 und der Permanentmagnet 2 drehen koaxial relativ zueinander um die Drechachse O; d.h. bei einem von ihnen handelt es sich um den Läufer, beim anderen um den Ständer. Dient die elektrische Rotationsmaschine der i?ig. 1 als Generator, entstehen an den 3-phasigen Wicklungsspulen 5a, 5b, 5c 3-phasige Wechselspannungen entsprechend der Drehung des von einer externen AnicLebskraft gedrehten Permanentmagneten 2. Dient die Anordnung als Motor, entsteht ein kontinuierliches Antriebsmoment entsprechend der gegenseitigen Stellung zwischen dem Permanentmagneten 2 und dem Läuferkern 3» indem man gesteuerte 3-phasige Wechselströme an die 3-phasigen Spulen 5a, 5b, 5c über 2inen mechanischen oder elektronischen Kommutator legt.

falls es sich um einen Motor und insbesondere einen Motor für NF-Anlagen handelt, bei denen eine hohe Güte erforderlich ist, wird gewöhnlich ein elektrischer Kommutator angewandt, bei dem ein Detektor die Relativlage zwischen Ankerkern und Permanentmagnet erfaßt, Leistungstransistoren die Phasenspulen erregen und eine Schalteinrichtung die Leistungstransistoren entsprechend den vom

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IDetektor gelieferten Signalen antreibt, ua. der Kommutator nicht !Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, soll auf ihn nicht weiter eingegangen werden. Obgleich weiterhin der Permanentmagnet der ;Fig. 1 oder der anderen Figuren in durchgehend kreisrunder Gestalt ausgebildet ist, sind auch aufgeteilte Magneten mit Spalten in der vorliegenden Erfindung möglich, wie sich aus der folgenden Beschrei bung ergibt.

Das Kuckmoment entsteht durch die Wechselwirkung zwischen dem permanentmagne tischen Feldelement mit den permanent magnetisieren Polen und uem Ankerkern aus magnetischen Werkstoff (bspw. iiisen) und ändert sich periodisch entsprechend deren Relativlage mit einei Grundperiode von 360° (eine Umdrehung). Dieses Ruckmoment beeinträchtigt den Rundlauf der elektrischen Rotationsmaschine. Das Ruckmoment wird beeinflußt von der Gestalt des Ankerkerns, wo er dem permanentmagnetischen Feldelement zugeordnet ist, und durch die Verteilung der magnetischen Ladung in den permanent magnetisierten Polen des permanentmagnetischen Feldelements. Die Gestalt des Ankerkerns läßt sich durch die zu einer Fourier-Reihe entwickeilten Formharmonischen mit einer Grundperiode von 360° (eine Umdrehung) darstellen; die Formharmonischen sind für die Gestalt des Ankerkerns charakteristisch. Die Verteilung der magnetischen Ladung läßt sich durch die ebenfalls nach Fourier entwickelten Harmonischen der magnetischen Feldverteilung mit einer Grundperiode von 360° (eine Umdrehung) darstellen; die Harmonischen der magnetischen Verteilung kennzeichnen die Verteilung der magnetischen T.ftfhmg im permanaTitmftgnetlaohen Peldelement.

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Mathematisch bestimmt man das Ruckmoment durch Faltung der Formharmonischen und der Harmonischen der Magnetfeldverteilung und Entwicklung nach Fourier mit einer Grundperiode von 360 (eine Umdrehung). Die Größe jeder Komponente (Perioden/Umdrehung) des Ruckmoments ist proportional dem Produkt aus derjenigen Formharmonischen mit derjenigen Harmonischen der magnetischen Verteilung, die den gleichen Grad wie die jeweilige Komponente des Ruckmoments haben. Bspw. ist die Komponente 1ü Per/U¹(Perioden pro Umdrehung) des Ruckmoments proportional dem Produkt der Formharmonischen von 10 Per/U mit der Harmonischen von 1D Per/U der Magnetfeldverteilung. Ss ist also möglich, die Stärke einer Komponente des Ruckmoments zu verringern, indem man entweder die Stärke der Formharmonischen des gleichen Grads oder die der Feldharmonischen des gleichen Grads wie dem der Ruckmomentkomponente verringert. In der Praxis entitält das Ruckmoment einer elektrischen Rotationsmaschine mehrere dominante Komponenten; das Ruckmoment läßt sich verringern wenn man eine der dominanten Komponenten verringert. Nach der vorliegenden Erfindung bildet man in der Hautfläche mindestens eines der dem Magnetpolen des permanentmagnetischen Feldelements zugewandten ausgeprägten Pole mindestens einen Einschnitt aus, um die Formharmonischen mit dem Grad der dominanten Komponente des Ruckmoments zu reduzieren, wie sich aus dem oben beschriebenen Prinzip ergibt. Die Stärke der Komponente, die ohne einen Einschnitt entsteht, wird auf diese Weise verringert, und die dominante Komponente läßt sich leicht reduzieren.

Dies soll nun für das Ruckmoment in der elektrischen Rotations-

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maschine der Fig. 1 beschrieben werden. Da der Permanentmagnet des permanentmagnetischen Feldelements zwei Pole aufweist, ist die dominante Grundkomponente der Magnetfeld-Verteilungsharmo-

j nischen 2 Per/U (Perioden pro Umdrehung); die Magnetverteilung enthält im wesentlichen die Harmonischen von 2 Per/U in der Reihe

j 2 Per/U, 4 Per/U, 6 Per/U, 8 Per/U usw.

Wenn man im Ankerkern 3 keine Einschnitte 7a. - 7c₂ vorsieht, werden die Magnetfeldänderungen im Ankerkern 3 von den beabstandeten !Teilen 6a, 6b, 6c verursacht. Ua diese unter einem Winkel von etwa 120° angeordnet sind, ist die dominante Grundkomponente der Eormharmonischen 3 Per/U, wobei die Harmonischen hauptsächlich der 3-Per/u-Reihe folgen, d.h. 3 Per/U, 6 Per/U, 9 Per/U, 12 Per/U usw. Das Ruckmoment bei einem Ankerkern 3 ohne Einschnitte setzt sich also hauptsächlich aus denjenigen Komponenten zusammen, die unter den Form- und den Feldverteilungsharmonischen gemeinsam auftreten, d.h. in der 6-Per/U-Reihe mit 6 Per/U, 12 Per/U 18 Per/U usw.

Der Effekt der Ausbildung der Einschnitte nach der vorliegenden Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung klar werden. Der Magnetfluß aus dem Permanentmagneten 2 geht auf die diesem zugewandten ausgeprägten Pole über, erreicht jedoch die tiefsten !eile der Zwischenräume 6a, 6b, 6c nicht. Man kann also annehmen, daß jeder der Einschnitte 7a. bis 7c₂ magnetisch die gleiche bzw. fast die gleiche Wirkung wie die beabstandeten Zwischenräume 6a, 6b,

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6c hat, obgleich der Spalt zwischen dem Einschnitt und dem Permanentmagneten wesentlich weniger breit als der Zwischenraum tief ist. Die Einschnitte 7a. bis 7c₂ sind so angeordnet, daß sie unter gleichen oder fast gleichen Winkeln von 40° um die Drehachse 0 herum liegen. Die dominante Grundkomponente der Formharmonischen des Ankerkerns 3 wird im Fall der Einschnitte 7a. bis 7c₂ also zu 9 Per/U, was um den Faktor 3 höher ist als die dominante Grundkomponente 3 Per/U der Formharmonischen des Ankerkerns 3 ohne die Einschnitte. Weiterhin enthalten die Formharmonischen nur noch die Komponenten der 9-Per/U-Reihe, d.h. 9 Per/ü, 18 Per/U, 29 Per/U usw. Das Ruckmoment bei einem Ankerkern 3 mit Einschnitten 7a.. bis 7ο« setzt sich daher im wesentlichen aus den Komponenten der 18-Per/ü-Reihe zusammen, d.h. 18 Per/ü, 36 Per/U, 54 Per/U usw.

Vergleicht man diese Ergebnisse mit den obigen , ist es einzusehen, daß die elektrische Rotationsmaschine nach der Erfindung mit einem Ankerkern mit Einschnitten wesentlich weniger Ruckkomponeten hat als eine herkömmliche Maschine mit einem Ankerkern ohne einschnitte. Weiterhin ist die dominante Grundkomponente des Ruckmoments bei ersterer mit 18 Per/U gegenüber 6 Per/U wesentlich höher. Im allgemeinen nimmt die Stärke einer Komponente mit ihrer Gradzahl bei sowohl den Form- als auch den Feldverteilungsharmonischen ab. Weiterhin wird die dominante Grundkomponente die dominante Komponente des Icuckmoments. Das .uuckmoment der elektrische^ Rotationsmaschine nach Fig. 1 mit einem Ankerkern 3 mit den Einschnitten 7a.j bis 7c₂ ist aleo wesentlich schwächer als bei einer

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' herkömmlichen elektrischen x>.otationsmaschine mit einem Ankerkern 3 ohne die Einschnitte 7a. bis 7cp» wie oben erläutert.

.us gibt viele Anordnungen ron einschnitten, mit denen sich die : störenden komponenten der JOrmharmonischen unterdrücken lassen.

juig. 2 ist eine Anzahl Ton Zeigerdiagrammen, die das ürundkonzept ί der Anordnung der einschnitte zur Yerringemng der Störkomponenten

im jxuekmoment erläutern sollen. In der Fig. 2 ist die Periode der Störkomponente als 2jf rad ausgedrückt; der durchgezogen gezeichnet(e Zeiger bezeichnet die Störkomponente der Formharmonischen, die sich daraus ableitet, daß die Zwischenräume des Ankerkerns keine Einschnitte aufweisen. Die Länge des Zeigers bezeichnet dabei die Stärke der Störkomponente. Fügt man dem durchgezogen gezeichneten Störzeiger entsprechend aen Pig. 2b bis 2g weitere, gestrichelt gezeichnete Zeiger hinzu, läßt der Summenzeiger sich zu Null reduzieren} m.a.W.: man hat die Störkomponente unterdrückt. Die gestrichelten Zeiger erhält man, indem man die Einschnitte an einem Punkt anderer Phase als der der beabstandeten Teile anordnet, die die Störkomponete zunächst verursacht.

Die Diagramme der Fig. 2b bis 2e zeigen Beispiele von Zeigern gleicher Länge, die unter gleichem oder fast gleichem Phasenwinkel angeordnet sind; in den Fig. 2f und 2g haben die Zeiger ungleiche Länge bei ungleichen Phasenwinkeln. Es gibt also viele Anordnungen der Einschnitt·, mit denen sich Störkomponenten der Formharmonischm des Ankerkerns reduzieren lassen.

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Auf der Grundlage des oben ausgeführten Gedankengangs sollen nun einige Ausführungsformen des Ankerkerns beschrieben werden, bei denen die· störenden 6-Per/U-Komponenten der Formharmonischen reduziert ist. Da 40° für 1 Per/ü gleich 240° für 6 Per/ü ist und jeder der Einschnitte 7a. bis 7c₂ magnetisch den gleichen Effekt wie die Zwischenräume 6a, 6b, 6c hat, entspricht dem Ankerkern der elektrischen Rotationsmaschine der Fig. 1 für die störende 6-Per/U-Komponente der Formharmonischen das Zeigerdiagramm der Fig. 2c.

juiie Fig. 3a bis 3c zeigen schematisiert weitere Ausführungsformen von Ankerkernen mit reduzierter 6-Per/U-Störkomponente. Der Ankerkern der Fig. 3a hat 3 Zwischenräume 6a, 6b, 6c, die identisch mit denen der Fig. 1 sind, sowfe drei Einschnitte 8a, 8b, 8c. Jeder dieser Einschnitte liegt 30° vom Mittelpunkt des angrenzenden Zwischenraums entfernt und hat den gleiohen magnetischen Effekt wie dieser. Diesem Ankerkern entspricht also das Zeigerdiagramm der Fig. 2b für die 6-Per/U-Komponente, da 30° bei 1 Per/U einem Winkel von 180° bei 6 Per/U entspricht. Da 360° für 6 Per/U gleich 60° für 1 Per/U ist, wird die störende 6-Per/Cf-Komponente der Form·- harmonischen nicht geschwächt, wenn man einen Einschnitt - bspw. den Einschnitt 8a - unter Winkeln von 60°, 120°, 240°, und 300° anordnet. Da die drei Einschnitte 8a, 8b, 8c die gleiche Phase für die 6-Per/U-Komponente angeordnet sind, lassen sie sich ersetzen durch einen breiteren und tieferen Einschnitt als 8a ersetzen, der die gleiche Phase wie 8a für die 6-Per/U-Komponente hat.

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; Der Ankerkern der i'lg. 3b hat zwölf einschnitte 9a, bis 9a,; 9b,

bis 9b. sowie 9c. bis 9c,, die jeweils den gleichen magnetischen

j Effekt wie die Zwischenräume 6a, 6b, 6c haben und deren Mittelpunkt 24° (144° für 6 Per/Ci) vom Mittelpunkt des benachbarten Einschnitts bzw Zwischenraums entfernt liegt, wie in i'ig. 3b gezeigt, .uem iOikerkem der Hg. 5b entspricht also das Zeigerdiagramm der i'ig. 2e für die 6-Per/U-Komponente.

j i^ine weitere Ausführungsform des Ankerkerns der !«'ig. 3c ist mit dem Zeigerdiagramm der x-ig. 2f gleichwertig für die Komponente 6 per/u, da jeder üitbelpunkt aer sechs -,inschnitte 1oa. bis 1uc₂ auf dem Ankericern um 37,5° (225 für b Per/li) vom Mittelpunkt des benachbarten Zwischenraums beabstandet ist una die Einschnitte magnetisch schwächer wirken als die Zwischenräume 6a bis bc der störenden 6-Per/U-Komponente. .uie Verteilung aer j?ormharmoni sehen, die sich aus den Einschnitten ableiten läßt, ändert sich mit deren Breite und Tiefe, so daß sich eine Optimalform der Einschnitte durch Ändern deren Breite und/oder Tiefe erreichen läßt.

Obgleich die Gestalt der in den Pig. 1 und 3 gezeigten Einschnitte durchweg zylindrisch ist, ist die Auswirkung der Einschnitte auf eine Abschwächung des Ruckmoments nicht auf eine spezielle Gestalt der Einschnitte beschränkt, kit Einschnitten beliebiger Gestalt läßt sich der Effekt einer Verringerung des xcuckmoments zu einem gewissen Grad erreichen, wenn man die Einschnitte gegenphsig zu den Störkomponenten der aus den Zwischenräumen abgeleiteten ]?orm-

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harmonischen anordnet.

Die Pig. 4a bis 4d zeigen einige Beispiele für die i'orm der Einschnitte, wie sie für die ausgeprägten Pole 6 (bspw. 4a, 4b, 4c der Fig. 1) geeignet sind; die Pig. 4 zeigt dabei Schnitt- und Draufsichten eines ausgeprägten Pols mit jeweils zwei Einschnitten. Die Einschnitte der Pig. 4a sind zylindrisch und verlaufen parallel zur Drehachse; dies entspricht den Einschnitten der Fig. Die Schnittgestalt der Einschnitte der Fig. 4b ist rechteckig, während die Einschnitte auf beiden Seiten des ausgeprägten Pols winklig zur Drehachse verlaufen; diese Anordnung gilt für einen schrägverlaufenden Ankerkern. Die Pig. 4c zeigt ein weiteres Beispiel für die Gestalt der Einschnitte, die hier nicht durch den gesamten ausgeprägten Pol verlaufen, sondern nur durch einen Teil desselben; ihre Schnittform ist trapezförmig. In Fig. 4d ist der Einschnitt halbkugelig. Bs ist weiterhin nicht unbedingt erforderlich, daß sämtliche .einschnitte die gleiche Gestalt haben. Für die Praxis ist erwünscht, daß alle Einschnitte parallel oder flach gewinkelt zur Drehachse verlaufen, da man den Ankerkern gewöhnlich aus ausgestanzten Blechen herstellt.

Es sollen nun wirksame Anordnungen der Einschnitte auf dem Ankerkern hinsichtlich der Polzahl des permanentmagnetischen Feldelements zur Abschwächung des Ruckmoments beschrieben werden. Weist das Feldelement P Pole aus abwechselnd permanentmagnetisierten N- und S-Pölen auf, die dem Ankerkern zugewandt sind, ist die domi-

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nante Grundzahl der Verteilungsharmonischen aes Magnetfeldes ebenfalls P und enthält die Feldverteilung hauptsächlich die Harmonischen der Reihe P Per/ü, d.h. P Per/ü, ZP Per/U, 3P Per/U usw. wie oben bereits beschrieben, ist eine beliebige Komponente des ituckmoments proportional aem Produkt der Harmonischen gleichen Grades aer üiagnetischen ü'eldverteilung und der Formharmonisehen gleichen Grades. i'dglich muß man die Einschnitte so anordnen, daß jeder Winkel zwischen dem Mittelpunkt eines Einschnitts und dem Mittelpunkt des benachbarten Einschnitts ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von (360/P)⁰ wird, um das Ruckmoment wirkungsvoll abschwächen zu können. Daneben gibt es wirkungsvolle Anordnungen von Einschnitten, mit denen sich die dominante Grundzahl der Formharncni3chen - hinsichtlich der Polzahl P - erhöhen läßt, wie im folgenden beschrieben wird.

.iiiS sei nun G der dominante Grundgrad der iOrmharmonischen des Ankex'kerns mit den Einschnitten und C der dominante Grundgrad der iOrmharmonischen ohne Einschnitte; diese Zahlen hängen wie folgt zusammen;

C - K.C (1)

wobei K eine ganze Zahl größer als eins (K> 1) ist. üie iOrmharmonischen des Ankerkerns mit den Einschnitten enthalten also haupt sächlich komponenten der Reihe G Per/U, d.h. G Per/ü, 2C Per/U, 3G Per/U usw., während die iOrmharmonischen des Ankerkerns ohne einschnitte hauptsächlich .komponenten der Reihe C¹ Per/U enthalten

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d.li. J¹ Per/ü", 2C Per/u, 3C Per/ü usw. Da das Ruekmoment jiomponenten aus sowohl den iormharmonischen als auch, den ieldharmonischen enthält, ist der dominante &rundgrad des Kuckmoments das kleinste gemeinsame Vielfache (KQV) dieser beiden Harmonischen. Die dominanten Grundzahlen G und G' des xuickmoments beim Einsatz eines Ankerkerns mit Einschnitten bzw. ohne Einschnitte läßt sich also wie folgt ausdrucken:

G = KGV (G,P) (2)

G¹ » KGV (ü¹,P) (3)

wobei P die Anzahl der Pole des Permanentmagneten, d.h. der dominante Grundgrad der magnetischen jj'eldverteilungsharmonischen des permanentmagnetischen i'eldelements ist, wie oben ausgeführt. Ist GG¹I (der größte gemeinsame Teiler) von C¹ und P gleich Q und der größte gemeinsame 'Ueiler von P/Q und K gleich E., lassen sich G¹ und G durch folgende Beziehungen ausdrücken:

G' = P.C'/Q (4)

G = (K/R).G' (5)

Aus den Beziehungen (4) und (5) ergibt sich, daß, wenn die dominante Grundzahl G des Ruckmoments größer als G¹ sein soll, R kleiner als K sein muß. juer Effekt der Einschnitte zur Schwächung des Ruckmoments läßt sich also erreichen, wenn

(JS)

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j ist; uieser Effekt ist am stärksten bei

I - = 1. (7)

I Wie ersichtlich, ist ein großer wert von iL zur Schwächung des

ι Ruckmoments erwünscht. In der Praxis wird in den meisten Fällen

I die .Bedingung IL/n > 3 zvlv Schwächung des Kuckmoments ausreichen, i'ür die Ausführungsform der i'ig. 1 wurden die oben beschriebenen G-rößen wie folgt errechnet:

B = Z

C = 9

χ = üZu· = 3

v^ = ü-j-x¹ (P, U¹ ) = 1

Ii = UZR)G¹ = 18

U = ivU^f und K<ix, wie oben beschrieben, ist es erwünscht, die Anzahl der Einschnitte größer oder gleich der Zahl der Zwischenräume zu machen. Dies bewirkt auch eine Abnahme der Änderung der magnetischen PermaneiE an jedem Einschnitt, da die Einschnitte schmal und flach gemacht werden können, wenn ihre Anzahl zunimmt. Weiterhin ist es besser, wenn alle ausgeprägten Pole die gleiche anzahl von einschnitten aufweisen, um den i'luß gleichmäßig aufzutiehmen. unterschiedliche! n-ormen der ausgeprägten Pole remuMeren

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! in Schwankungen der elektrischen ouar mechanischen Ausgangsleistung der elektrischen !Rotationsmaschine an den auf diese ausgeprägten Pole gewickelten kehrphasenspulen. In der Praxis ist in vielen Fällen die Gesamtanzahl der Zwischenräume und der Einschnitt ein größeres ganzzahliges Vielfaches als eins der Anzahl der Zwischenräume.

Wie oben beschrieben, erhält man den Effekt der Einschnitte nach der vorliegenden Erfindung, nämlich das Ruckmoment zu verringern, indem man mindestens einen Einschnitt auf einer Hauptfläche mindestens eines ausgeprägten Pols des Ankerkerns vorsieht. D.h., daß dieser Effekt nicht von anderen äinflußfaktoren wie der Polzahl des permanentmagnetischen Feldelements, der Anzahl der ausgeprägten Pole auf dem Ankerkern und der Phasenanzahl und der Wicklungsart der Mehrphasenspulen abhängt. Weiterhin muß auch das permanentmagnetische Feldelement nicht aus nur einem Permanentmagneten bestehen, iis kann sich aus einer Vielzahl von getrennten Magneten zusammensetzen, die über einen Spalt auf dem Magnet^och angeordnet sind. Weiterhin ist der Effekt der Einschnitte nach der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich für unterschiedliche Fälle - bspw. wenn die ausgeprägten Pole des Ankerkerns gebogene Pole aus ausgestanzten Blechscheiben aus Weicheisen sind, wenn der Ankerkern nur teilweise um die Drehachse herumverläuft und auch wenn der tatsächliche Winkel jedee Magnetpols des permanentmagnetischen Feldelements sich von (36O/P)° unterscheidet. Weiterhin sind die oben beschriebenen Besonderheiten der Erfindung zum Schwächen des Kuclnnoments auch anwendbar auf eine elektrische

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Kotationsmaschine mit einem axialen Spalt, in der der Ankerkern mit einem axialen Spalt gegenüber dem permanentmagnetischen Feldelement in einer kreisrunden Form angeordnet ist.

Hie Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der jeder der drei ausgeprägten Pole eine Hauptfläche aufweist, die breiter als ein Polwinkel des permanentmagnetischen Feldelements ist. Ein Permanentmagnet 12 ist auf der Innenfläche eines magnetischen Jochs 11 einem Ankerkern 13 zugewandt, während der Magnet 12 permanent zu acht Paaren von N- und S-Polen, d.h. 16 Polen in einer abwechselnden und kreisförmigen Anordnung angeordnet ist, um um den Ankerkern 13 herum ein festes Magnetfeld aufzubauen. Der Ankerkern 13 weist drei ausgeprägte Pole 14a, 14b, 14c auf, die zum Permanentmagneten 12 hin vorstehen. Die dem Permanentmagneten zugewandte Hauptfläche jedes des ausgeprägten Pole, ist breiter als der Polfluß, so daß die Ankerspule sich leicht auf ihn wickeln läßt und der Ankerkern wirkungsvoll den Magnetfluß vom Permanentmagneten übernimmt. Es sind hierbei 3-phasige Spulen 15a, 15b, 15c in die Zwischenräume 16a, 16b, 16c zwischen benachbarten ausgeprägten Polen gewickelt.

Die dem Permanentmagneten zugewandten Hauptflächen der ausgeprägte! Pole 14a, 14b, 14c weisen jeweils zwei Einschnitte 17a., 17a₂; 17b., 17V_O bzw. 17c. und 17b_o auf: an diesen Einschnitten erweitert sich der Spalt zwischen der Hauptfläche des ausgeprägten Pols und dem Permanentmagneten 12. Die Einschnitte verlaufen parallel zur Lirehachse O, d.h. senkrecht zur Zeichenebene, und liegen etwa

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an den i/3-Punkten des Winkels 120° zwischen den Mittellinien der Zwischenräume beiderseits der ausgeprägten Pole, jie Zwischenräume 16a, 16b, 16c und die Einschnitte 1Ta^, 17a₂, 17b.j, 1Yb₂, 17C₁

und 17c₂ sind also unter gegenseitigen Winkeln gleich oder fast gleich 40° auf dem Umfang des Ankerkerns 13 eiern Permanentmagneten 12 zugewandt verteilt.

!Der Ankerkern 13 und uer Permanentmagnet 12 drehen sich relativ zueinander um eine koaxiale drehachse 0; einer von ihnen stellt den Läufer, der andere den Ständer dar. Iier Winkel der Hauptfläche jedes ausgeprägten Pols ist etwa gleich 112,5°, d.h. das .Fünffache eines Polwinkels von 22,5° des Permanentmagneten 12, so daß der in den ausgeprägten Pol eintretende und durch die Spule verlaufende Magnetfluß bei der Iirehung mit einem Maximum von einem Polfluß alterniert. Dient die elektrische Rotationsmaschine der Pig.5 als Generator, entstehen dabei an den 3-phasigen Spulen 15a, 15b, 15c bei der Kelativdrehung zwischen Permanentmagnet 12 und Ankerkern 13 3-phasige Wechselspannungen. Dient die Maschine als Motor, entsteht beim Einspeisen von gesteuerten 3-phasigen Wechselströmen in die 3-phasigen Spulen 15a, 15b, 15e über einen elektronischen oder mechanischen Kommutator ein kontinuierliches Antriebsmoment entsprechend der gegenseitigen Lage zwischen dem Permanentmagneten 12 und dem Arxkerkern 13.

Das iiuckmoment der elektrischen Rotationsmaschine nach flg. 5 läßt sich ebenfalls mit den Einschnitten verringern, wie im folgenden beschrieben, Jeder der Einachnltte 17a.. bis 17c₂ hat magnetisch

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aie gleiche oder fast aie gleiche Wirkung wie die Zwischenräume 16a, 16b, 16c und die Zwischenräume und die Einschnitte sind unter gleichen bzw. fast gleichen Winkeln von 40° verteilt, die ungleich einem ganzzahligen Vielfachen des Polwinkels, d.h. (360/16)°» 22,5 des Permanentmagneten 12 sind. In diesem Jail lassen sich die für das Ruckmoment geltenden Größen wie folgt berechnen:

P - 16

C« - 3

C - 9

K - C/0· - 3

Q - GGT (P, G«) - 1

R - GGT (P/Q, X) - 1

G« - PO¹/Q - 48

G - (K/B)G* - 144

Hierbei ist G ein Vielfaches von G¹ und wird das Ruckmoment durch die Einschnitte verringert.

In diesem Fall ist der Winkel zwischen den Mittellinien zweier benachbarter Einschnitte oder dem Hittelpunkt des Einschnitts und der Hittellinie des benachbarten Zwischenraums größer als der einfache Polwinkel des Permanentmagneten 12, wie in der Zeichnung gezeigt. Der Effekt einer Verringerung des Ruckmoments ergibt sich jedooh auch, wenn dieser Winkel nicht gleich einem ganzzahligen Vielfachen des einfachen Polwinkels des Permanentmagneten ist. Es ist erwünscht, daß die Breite des Einschnitts kleiner als der einfache Polwinkel des Permanentmagneten ist, da mit abnehmender

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Breite des Einschnitts auch, die magnetische Änderungen im Ankerkern infolge des Einschnitts und die Änderung der Flußdiehte am Spalt abnehmen. Die Wirkung der Einschnitte, das Ruckmoment zu verringeren, hängt nicht von der Breite des ausgeprägten Pols des Ankerkerns ab; dieser Effekt läßt sich auch erreichen, wenn die Hauptfläche des ausgeprägten Pols des Ankerkerns fast gleich einem ungradzahligen ganzzahligen Vielfachen des einfachen Polwinkel des Permanentmagneten und unterschiedliche breit ist.

!'ig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die elektrische Rotationsmaschine nach Fig. 6 ist besonders geeignet als Motor, der eine geringere Momentwelligkeit sowie ein geringeres Ruckmoment zeigt. Ein Permanentmagnet 22 ist auf einem Magnetjoch 21 auf der Innenfläche einem ijikerkem 25 zugewandt angeordnet und ist permanent zu zwei N/S - Polpaaren, d.h. vier Polen magnetisiert, die abwechselnd gepolt kreisförmig angeordnet sind, so daß ein festes Magnetfeld um den Ankerkern 23 herum entsteht. Der Ankerkern 23 hat 3 ausgeprägte riauptpole 24a, 24b, 24c sowie drei ausgeprägte Hilfspole 25a,25b, 25c, die zum Permanentmagnet 22 hin vorstehen. Lie dem Permanentmagneten zugewandte Hauptfläche jedes der ausgeprägten Hauptpole ist breiter als dessen ]?uß, so daß sich eine Ankerspule leicht auf diesen wickeln läßt und der Ankerkern auch den Magnetfluß wirkungsvoll vom Permaaentmagneten übernimmt. Die 3-phasigen Spulen 26a, 26b, 26c sind in die Zwischenräume 27a, 27b, 27c, 27d, und 27e und 27f zwischen benachbarten ausgeprägten Polen gewickelt sind.

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uie Hauptflächen der dem Permanentmagneten 22 zugewandten ausgeprägten Hauptpole 24a, 24b, 24c, weisen 3 Einschnitte 28a., 28a„, 28a,, 2Sb₁, 2Sb₂, 28b, sowie 28C₁, 28c₂, 28c, auf. An diesen Einschnitten ist der Spalt zwischen der Hauptfläche des jeweiligen ausgeprägten Hauptpols -und dem Permanentmagneten 22 breiter. Die Einschnitte verlaufen parallel zur Drehachse O, d.h. senkrecht zur Zeichenebene. Der Winkel zwischen den Mittellinien der beiden Zwischenräume beiderseits des ausgeprägten Hauptpoles ist 96°, d.h. dem Vierfachen des Winkels von 24° zwischen den Mittellinien der beiden Zwischenräume beiderseits des ausgeprägten Hilfspols.. Die Zwischenräume 27a bis 27f und die Einschnitte 28a. bis 28c, sind unter Winkeln von gleich oder fast gleich 24° auf dem Umfang der Ankerkerns 23 dem Permanentmagneten 22 zugewandt verteilt. Jeder der Einschnitte 28a. bis 28c, hat magnetisch den gleichen oder fast den gleichen Effekt wie die Zwischenräume 27a bis 27f.

Ähnlich den oben erläuterten Ausführungsformen drehen der Ankerkern 23 und der Permanentmagnet 22 relativ zueinander um die Drehachse O; dabei stellt eines dieser Elemente den Läufer, das andere den Ständer dar. Ein kontinuierlisches Antriebsmoment entsteht, indem man entsprechend der Relativlage zwischen dem Permanentmagneten 22 und dem Ankerkern 23 auf die 3-phasigen Wicklungsspulen 26a, 26b, 26c 3-phasige Wechselströme über einen mechanischen oder elektrischen Kommutator gesteuert schaltet. Da der Permanentmagnet 22 vier permanent magnetisierte Pole hat, ist die dominante Grundzahl P der Harmonischen der Magnetfeldverteilung

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- ab4. Die dominante Grundzahl C der JPormharmonischen des Ankerkerns ohne die Einschnitte ist 3. Die dominante Grundzahl C der zusammengesetzten lOrmharmoni sehen des Ankerkerns mit den Einschnitten ist 15, denn jeder der 15 Zwischenräume und Einschnitte, die unter gleichen Winkeln von 24° beanstandet sind, hat magnetisch den gleichen oder fast den gleichen Effekt. Hieraus lassen sich folgende Werte berechnen:

K - C/O» = 5

Q - GGT (P,C) - 1
R - GGT (P/Q,K) » 1
G¹ - PC'/Q ■ 12
G - "(K/R) G¹ - 60

Der Wert von G ist das IPünffache von G¹; das Ruckmoment ist durch die Einschnitte erheblich verringert.

Ea soll nun die Verringerung der Momentwelligkeit beschrieben werden, die man als die MomentSchwankungen infolge der Geometrie der ausgeprägten Ankerpole, der Ankerspulen und der magnetisieren Pole des permanentiiagnetischen Feldelements beschreiben kann und di« verursacht werden durch die Wechselwirkung zwischen der erregten Spulen auf de« Ankerkern und den permanentmagnetisierten Polen des permanentmagnetitche» Feldelements. Da sich die gegenseitige Lage der erregt·» Spulen und der magnetisieren Pole der Drehung entsprechend ändert, ändert sich auch das von dem Anker-

a-pgtmgta A η t τ i β harnt» an t mit der Winkellage .

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Der Permanentmagnet 22 ist im allgemeinen zu einem trapezförmigen Verlauf - vergl. Pig. 7a - magnetisiert, wobei der Winkel 0 dem der Fig. 6 entspricht; die Flußdichte der N-PoIe ist dabei positiv dargestellt. Da die Zwischenräume und die Einschnitte klein und daher die magnetischen Feldstörungen an ihnen gegenüber dem Verlauf der Flußdichte vernachlässigbar sind, ist der Verlauf der Flußdichte auf der Oberfläche des Permanentmagneten etwa gleich dem Verlauf der Magnetisierung. Wird eine Spule - bspw. 26a - mit einem konstanten Strom erregt, ist das entstehende Drehmoment theoretisch proportional dem Produkt zwischen der Stromstärke und der Ableitung des vom Permanentmagneten 22 um den Drehwinkel 0 versetzt durch die erregte Spule verlaufenden magnetischen Flusses wobei der Winkel 0 definiert ist als der Winkel zwischen einem Bezugspunkt Ao auf dem Permanentmagneten und einem Bezugspunkt Bo auf dem Ankerkern 23. Der durch eine Spule verlaufende Fluß ist derjenige Fluß, der vom Permanentmagneten kommend in den ausgeprägten Hauptpol eintritt, auf dem die Spule gewickelt ist. Da ein Flußanteil von dem einen Zwischenraum zugewandten Teil des Permanentmagneten auch in die benachbarten ausgeprägten Pole beiderseits des Zwischenraums eintritt, ist der effektive Winkel, über den ein ausgeprägter Hauptpol Fluß aus dem Permanentmagneten aufnimmt, etwa größer als der tatsächliche geometrische Winkel der Hauptfläche de_B ausgeprägten Hauptpols. Dieser ist fast gleich dem Winkel zwischen den Hittellinien der Zwischenräume beiderseits des ausgeprägten Hauptpols, d.h. 96° im Fall der Fig. 6. Sind die magnetischen Schwankungen am Ankerkern infolge der Einschnitte

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und der Zwischenräume vernachlässigbar gering, was sich angenähert annehmen läßt, ist die Ableitung des durch die erregte Spule tretenden Flusses etwa proportional der Differenz zwischen den S¹IuB-dichten auf beiden Seiten des effektiven Winkels des ausgeprägten Hauptpols, auf den die erregte Spule gewickelt ist.

Ist der Magnetisierungsverlauf über den Permanentmagneten 22 trapezförmig wie in Pig. 7a, was gewöhnlich der Pail ist, stellen sich die Ableitungen der durch die 3-Phasen-Spulen 26a, 26b, 26c tretenden Plüsse ebenfalls 3-phasig dar, wie in Pig. 7b gezeigt. Die Spulen 26a, 26b, 26c werden nacheinander mit einem konstanten Ankerstrom erregt, der sich aus den 3-phasigen Wechselströmen ia, ib, ic der Pig. 7 zusammensetzt und durch einen mechanischen oder elektronischen Kommutator entsprechend dem Drehwinkel θ gesteuert wird. Das Drehmoment in Pig. 7d hat daher eine geringere Welligkeit. Die elektrische Rotationsmaschine nach Pig. 6 erzeugt ein fast konstantes Antriebsmoment mit geringerer Welligkeit und ein geringeres Ruekaoment. Eine elektrische Rotationsmaschine nach Pig. 6 läßt sich als Motor verwenden, der wegen seiner hohen Güte besondere geeignet ist für Ni¹-Anlagen.

Aus der vorgehenden Beschreibung läßt sich ersehen, daß sich die Welligkeit des Drehmoments reduzieren läßt, indem man den flachen Teil der Ableitung des durch die Wicklungsspulen verlaufenden Flusses verbreitert. Um also die Momentwelligkeit zu verringern, verbreitert man den flachen Teil des Magnetisierungsverlaufs des

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permanentmagnetisciien JPeldelements und macht den effektiven Winkel der Spule etwa gleich, einem ungraden ganz ζ ah !igen Vielfachen des einfachen Polwinkels (56O/P)° des permanentmagnetischen FeIdelements. Da das permanentmagnetische Feldelement mit einem Ladejoch magnetisiert ist und der flache leil des Magnetisierungsverlaufs proportional der Breite der Ladefläche des Ladejochs ist, läßt sich die obige Bedingung erfüllen, indem man das Ladejoch mit der Polzahl des ausgeprägten Pols ausführt, die jeweils eine ausreichend breite Ladefläche aufweisen, um die Bedingung zu er- ! reichen. Die Bedingung läßt sich ebenfalls erfüllen, indem man die Anzahl der ausgeprägten Hauptpole kleiner als die Polzahl P wählt und gleichzeitig ausgeprägte Hilfspole zwischen die Hauptpole einfügt.

Der flache ieil des Magnetisierungsverlaufs des permanentmagnetisciien Feldelements steht auch im Zusammenhang mit dem Ruckmoment der elektrischen Rotationsmaschine, da die spektrale Verteilung der Harmonischen des Magnetisierungsverlaufs sich mit der Abflachung im Magnetisierungsverlauf ändert. Da die höheren Harmonischen der Magnetfeldverteilung im allgemeinen mit der Breite der Abflachung des Magnetisierungsverlaufs an Stärke zunehmen, wird auch das Ruckmoment beim Fehlen von .Einschnitten bei einer Verbreiterung des Elachteils des Magnetisierungsverlauf stärker. Die Einschnitte nach der vorliegenden Erfindung wirken auch in diesem Fall im Sinne einer Verringerung des Ruckmoments. Liegen solche Einschnitt* vor, wird das .uuckmoment kleiner, auch wenn man die Abflachung im

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Magnetisierungsverlauf breiter fflacht. Es ist also möglich, eine elektrische Rotationsmaschine mit reduziertem Ruckmoment und reduzierter Momentwelligkeit herzustellen, indem man auf dem Ankerkern sowohl die Einschnitte als auch die ausgeprägten Hilfspole vorsieht. Weiterhin hat die elektrische Rotationsmaschine nach Fig. 6 die weiteren Vorteile des hohen Wirkungsgrads und einer leichten Herstellbarkeit.

Die ausgeprägten Hilfspole sind weiterhin von Nutzen, um sowohl das Ruckmoment als auch die Momentwelligkeit zu reduzieren, wie unten beschrieben. Läßt man alle ausgeprägten Hilfspole 25a, 25b, 25c der Fig. 6 vom Ankerkern 23 fort, werden die Zwischenräume zwischen jeweils zwei ausgeprägten Hauptpolen 24a, 24b, 24c breiter· In diesem Fall wird es schwierig, Einschnitte mit dem gleichen magnetischen Effekt wie diese Zwischenräume vorzusehen, da diese dann wegen der breiteren Zwischenräume ebenfalls größer sein müßten. Die ausgeprägten Hilfspole tragen also zu einer Verringerung des Ruckmoments bei, wenn die Zwischenräume zu groß sind. Weiterhin ist es möglich und wirksam, auch auf den ausgeprägten Hilfspolen Einschnitte, vorzusehen, wie sich nun unmittelbar einsehen läßt.

Aus der vorgehenden Beschreibung ist einzusehen, daß für ein wirksames Verfahren, um auf einfache Weise das Ruckmoment und/oder die Momentwelligkeit zu verringern, vier Bedingungen herrschen:

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(1) Die Anzahl der ausgeprägten Hauptpole ist kleiner als die Polzahl dee permanentmagnetischen Feldelements.

(2) die ausgeprägten Hilfspols sind zwischen den ausgeprägten Haufit polen so angeordnet, daß der wirksame Winkel jedes ausgeprägten Hauptpols etwa gleich einem ungraden ganzzahligen Vielfachen des einfachen Polwinkels des permanentmagnetischen Feld|- elements wird.

(3) Bas Verhältnis des Winkels zwischen den Mittellinien der Zwischenräume beiderseits eines beliebigen ausgeprägten Hilfspols zum Winkel zwischen den Mittellinien der Zwischenräume beiderseits eines beliebigen ausgeprägten Hilfspols ist L/M, wobei L und M ganze Zahlen sind.

(4) Die Einschnitte haben magnetisch die gleiche bzw. fast die gleiche Wirkung wie die Abstände und sind so angeordnet, daß die Zwischenräume und die einschnitte unter gleichen oder fast gleichen Winkeln verteilt sind, die jeweils ungleich einem ganzzahligen Vielfachen des einfachen Polwinkels sind. Die elektrische Rotationsmaschine der Fig. 6, die die gleiche Anzahl abwechselnd angeordneter ausgeprägter Haupt- und Hilfspöle aufweist, erfüllt diese vier Bedingungen. Um eine elektrische Rotationsmaschine mit verringertem Ruckmoment und verringerter Momentwelligkeit zu erreichen, ist man jedoch nicht auf diese Bedingungen beschränkt. Wie aus der vorgehenden Be-

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Schreibung ersichtlich, lassen sich andere elektrische Rotationsmaschinen mit verringertem Ruckmoment und verringerter Momentwelligkeit nach der vorliegenden Erfindung herstellen. Weiterhin sind uie hier beschriebenen Ausführungsformen mit 3-ph£sigen Spulen aufgebaut; es ist jedoch nach der vorliegenden Erfindung eine elektrische Rotationsmaschine mit beliebiger Phasenzahl möglich.

Bei der Herstellung des Ankerkerns werden zur Ausbildung der ausgeprägten Hauptpole und der ausgeprägten Hilfspole Kernbleche gleicher Gestalt verwendet. In diesem Fall bleiben das Ruckmoment und die Homentwelligkeit der elektrischen Rotationsmaschine auch bei der Massenherstellung stabil, da die Form des Ankerkerns kaum Unterschiede aufweist. Um jedoch die Spulen besser aufwickeln zu können, unterteilt man den Ankerkern zu einer Hauptpol- und einer Hilfspolgruppe. Bspw. stellt man die Hauptpolgruppe her, indem man ausgestanzte Kernbleche zu einem Paket zusammenfügt, während man die Hilfspolgruppe aus einer Weichstahlscheibe mit abgebogenen aus geprägten Hilfspolen herstellt. In diesem Fall verbindet man nach dem Wickeln der mehrphasigen Spulen auf die Füße der ausgeprägten Hilfspole die Hilfspolgruppe mechanisch und magnetisch mit der Hauptpolgxuppe derart, daß die Hilfspole in den Zwischenräumen zwischen den Hauptpolen liegen.

Um die Momentwelligkeit zu verringern, ist erwünscht, daß die Anzahl der Einschnitte größer als die oder gleich der Anzahl der

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Zwischenräume ist, so daß die Einschnitte schmaler und flacher werden können und die magnetischen Störungen an jedem Einschnitt geringer werden. Es ist weiterhin erwünscht, um die Momentwellig« keit zu verringern, die gleiche Anzahl Einschnitte auf jedem ausgeprägten Hauptpol vorzusehen und jeden ausgeprägten Hauptpol

\ magnetisch symmetrisch zu seiner Mittellinie auszuführen.

Die elektrische Rotationsmaschine der Fig. 6 läßt sich auch als Generator verwenden, der 3-phasige Wechselspannungen mit Wellenformen der Jig. 7b erzeugt, wenn er mit konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht. Jede der erzeugten Spannungen ist ebenfalls proportional dem Produkt der Winkelgeschwindigkeit mit der Ableitung des magnetischen Flusses, der durch jede der Phasenspulen verläuft. Es läßt sich also eine Gleichspannung mit geringer Welligkeit aus den 3-phasigen Wechselspannungen durch einfache Gleichrichtung mit drei Dioden mit untereinander verbundenen negativen Anschlüssen oder auch mit einem mechanischen Kommutator erhalten. Diese Gleich spannung wird oft als vpn der Winkelgeschwindigkeit abhängiges Sig· nal abgenommen und zur Geschwindigkeitsregelung der elektrischen Rotationsmaschine ausgewertet.

Die Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit schleifengewickelten mehrphasigen Spulen. Ein Permanentmagnet 32 sitzt auf der dem Ankerkern 33 zugewandten Innenfläche eines Magnetjochs 31 und hat permanent magnetisierte, abwechselnd zu zwei Paaren angeordnete N- und S-PoIe, d.h. insgesamt vier Pole in eine

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Kreisanordnung, die um den Ankerkern 33 herum ein festes Magnetfeld aufbauen. Der Ankerkern 33 hat 12 ausgeprägte Pole 34a bis 341, die zum Permanentmagneten 32 hin vorstehen. Die Hauptfläche jedes der ausgeprägten Pole 34a - 341, die dem Permanentmagneten

32 zugewandt ist, ist breiter als dessen üTuß, so daß die Ankerwicklung sich leicht aufwickeln läßt und der Ankerkern weiterhin den aus dem Permanentmagneten 32 austretenden Fluß wirkungsvoll aufnehmen kann. Die Ankerspulen 35a. bis 35c. sind in die Zwischenjräume 36a bis 361 zwischen jeweils zwei benachbarte der zwölf ausgeprägten dem Permanentmagneten 32 zugewandten Pole gewickelt.

Jeder Hauptfläche der ausgeprägten Pole 34a - 341 weist einen Einschnitt 37a bis 371 auf. An diesen Einschnitten verbreitert sich der Spalt zwischen der Hauptfläche des Pols und dem Permanentmagneten 32. Die Einschnitte verlaufen dabei parallel zur Drehachse senkrecht zur Zeichenebane und liegen etwa am Halbpunkt von 30° des Winkels zwischen den Mittellinien der Zwischenräume beiderseits eines beliebigen ausgeprägten Pols. Die Zwischenräume 36a bis 361 und die Einschnitte 37a bis 371 liegen also unter gleichen oder fast gleichen Winkeln von 15° auf dem Außenumfang des Ankerkerns

33 dem Permanentmagneten 32 zugewandt verteilt. Jeder der Einschnitte 37a bis 371 hat magnetisch den gleichen bzw. fast den gleichen Effekt wie die Zwischenräume 36a bis 361, obgleich die Einschnitte wesentlich flacher als die Zwischenräume sind.

Der Ankerkern 33 und der Permanentmagnet 32 drehen relativ zuein-

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ander um die .drehachse ü; einer von innen ist der Läufer, der anuere der Stänaer. .uie Ankerspulen 55a. bis 35c. bilden 3-phasige Spulengruppen 35ai, 35bi und 35ci (i = 1, 2, 3, 4); setzt man die elektrische Rotationsmaschine der Fig. 7 als Motor ein, erhält man ein kontinuierliches Antx-iebsmoment, indem man über einen mechanischen oder elektronischen Kommutator entsprechend der "Drehstellung des Permanentmagneten 32 relativ zum Ankerkern 33 gesteuerte 3-phasige Wechselströme auf die Spulengruppen 35ai, 35bi, 35ci schaltet.

Eür die elektrische Rotationsmaschine der Jig. 8 berechnen sich die Kennwerte für die dominante Grundzahl des Ruckmoments wie folgt:

P = 4

C = 12

0 =24

K = G/C = 2

Q = GGT (P, C¹) =4

R = GGT (P/Q, K) = 1

G· = PC'/Q = 12

G = (K/R)G' = 24

Da G das Doppelte von G' ist, verringert sich das Ruckmoment. Was die Momentwelligkeit der elektrischen Rotationsmaschine nach

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Fig. 8 anbetrifft, ist der effektive Winkel jeder vom Permanentmagneten 52 Fluß übernehmenden Wicklungsspule gleich oder fast gleich dem Winkel zwischen den Mittellinien von zwei Zwischenräumen, in denen die Spule angeordnet ist, d.h. gleich dem einfachen Polwinkel von 90° des Permanentmagneten 32. Weiterhin wird mittels der Einschnitte der flache Teil des Magnetisierungsverlauf des Permanentmagneten 32 bei annehmbar kleinem Ruckmoment breit genug. Die Maschine der Fig. 8 kann also sowohl eine verringerte Momentwelligkeit als auch ein verringertes Ruekmoment haben. Die elektrische Rotationsmaschine nach Fig. 8 kann auch als Generator verwendet werden und man erhält eine Gleichspannung mit reduzierter Welligkeit, wie es für die elektrische Rotationsmaschine der Fig.6 beschrieben wurde.

Die Fig. 9 und 10 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit abgebogenen ausgeprägten Polen. Dabei ist die Fig. 9a eine Schnittdarstellung der elektrischen Rotationsmaschine mit den abgebogenen ausgeprägten Polen; in der Ansicht der Fig. 9b sind die Teile der Maschine entlang der Achse voneinander getrennt dargestellt, um ihre gegenseitige Zuordnung zu zeigen.

Die Ankerelemente sind auf einer Grundplatte 41 angeordnet. Ein Lagerkern 43 aus Weichstahl ist an der Mittelöffnung 42 festgespannt und weist auf beiden Seiten die Lager 44, 45 auf, die eine Läuferwelle 59 tragen. Der Lagerkern 43 bildet ein Lager für eine Weichstahlscheibe 46 mit zwei abgebogenen ausgeprägten Polen 46a,

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46b, die einem Permanentmagneten 57 zugewandt sind. Eine Mittelöffnung 47 der Scheibe 46 ist mit dem Durchmesser zu Lagerkern 43 passend ausgestaltet. Ein kurzer Hohlzylinder 48 aus Weichstahl stellt einen Verbindungskern 48 dar, der auf dem Lagerkern 43 auf der Rückseite der Scheibe 46 angeordnet ist. Der Yerbindungekem 48 dient als Träger niedriger Reluktanz für eine Zylinderspule 5o, die auf einen Spulenkörper 49 gewickelt ist, und auch als Abstands halter, der eine zweite Scheibe 51 von der ersten Scheibe 46 trennt

Die zweite Scheibe 51 hat zwei abgebogene ausgeprägte Pole 51a, 51b, die zwischen den abgebogenen ausgeprägten Polen 46a, 46b der ersten Scheibe 46 liegen, ohne sie zu berühren. Eine dritte Weichstahlscheibe 52 mit zwei abgebogenen ausgeprägten Polen 52a, 52b ist auf der der zweiten Scheibe 51 entgegengesetzten Seite am Lagerkern 43 befestigt. Ein weiterer Verbindungekern 53 aus Weichstahl und eine weitere auf einen anderen Spulenkörper 54· gewickelt' zylindrische Spule 55 sind ebenfalls auf den Lagerkern 43 aufgesetzt. Eine vierte Weichstahleeheibe 56 mit zwei abgebogenen ausgeprägten Polen 56a, 56b ist auf dem Verbindungekern 53 gelagert. Die abgebogenen ausgeprägten Pole 56a, 56b befinden sich «wischen den abgebogenen ausgeprägten Polen 52a, 52b der dritten Scheibe 52, ohne sie zu berühren. Diese vier Scheiben 46, 51» 52 und 56 sind an der Grundplatte 41 festgelegt. Der Ankerktrn besteht also auβ zwei identischen Grundblocke, die axial geschichtet sind und jeweils aus zwei Weichstahlscheiben, einer Magnetischen Yerbindungseinrichtung zwischen den zwei Scheiben und mindestens einer

a Drehaohee gewio

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Ein zylindrischer Permanentmagnet 57 ist auf der Innenfläche eines Magnetjochs 58 befestigt und befindet sich am Außenumfang des Ankerkerns. Das Magnetjoch 58 hat eine Welle 59» die in die Lager 45 und 44 eingesetzt ist, um relativ zum Ankerkern drehen zu können. Der Permanentmagnet 57 ist zu zwei Polpaaren aus abwechselnden N- und S-Polen, d.h. 4 Polen im Kreis magnetisiert, so daß um den Ankerkean ein festes Magnetfeld entsteht.

Die Fig. 10a und 10b sind abgewickelte Ansichten des Permanentmagneten 57 und der den magnetisierten Polen des Permanentmagneten zugewandten abgebogenen ausgeprägten Pole der vier Weichstahlschei ben 46, 51, 52 und 56. Uie Stahlscheiben 46, 51, 52, 56 haben zwei abgebogene ausgeprägte Pole 46a, 46b; 51a, 51b; 52a, 52b und 56a, 56b, die mit der Hauptfläche jeweils dem Permanentmagneten 57 zugewandt sind. Der wirksame Winkel jedes abgebogenen ausgeprägten Pols ist gleich oder fast gleich dem einfachen Polwinkel 90°. Die abgebogenen ausgeprägten Pole 46a bis 56a haben zwei Einschnitte 6Oc^ bis 60c., 6Od₁ bis 60d., 6Oe₁ bis 60e. und 6Of₁ bis 60f., die jeweils an etwa den 1/3-Punkten des wirksamen Winkels von 90° jedes abgebogenen ausgeprägten Pols liegen. Jeder der Einschnitte hat magnetisch die gleiche bzw. fast die gleiche Wirkung wie die Zwischenräume 6Oa₁ bis 60a. und 6Ob₁ bis 60b.zwischen jeweils zwei benachbarten abgebogenen ausgeprägten Polen, und diese Zwischenräume und Einschnitte sind unter einem Winkel von etwa 15° angeordnet.

Der durch die Spule 50 tretende Magnetfluß verläuft von Permanent-

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magneten 57 zu den abgebogenen Polen 46a, 46b der Weichstahlscheibe 46, während der durch die Spule 55 tretende Fluß zu den abgebogenen ausgeprägten Polen 56a, 56b der Weichstahlscheibe 56 verläuft. Der Fluß durch die Spule 50 ist gegenüber dem Fluß in der Spule 55 urn 45°, d.h. den halben Polwinkel verzögert. Verwendet man also die elektrische Rotationsmaschine als Motor, erhält man ein kontinuierliches Antriebsmoment, indem man den Spulen 50, 55 gesteuerten Erregungsstrom durch einen mechanischen oder elektronischen Kommutator entsprechend der gegenseitigen Lage zwischen dem Permanentmagneten 57 und dem Ankerkern zuführt.

Wie für das Ruckmoment der elektrischen Rotationsmaschine der Fig. 9 lassen sich die für das Ruckmoment geltenden Einflußfaktoren hier wie folgt berechnen:

P = 4

C β 8

C = 24

K = 0/C = 3

Q = GGT (P,C) = 4

R = GGT (P/Q, K) = 1

G¹ = PG'/Q = 8

G » (K/R)G¹ = 24

G ist also das iireifache von G¹ , und das Ruckmoment wird also durch die Einschnitte verringert.

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Diese elektrische Rotationsmaschine hat heim Einsatz als Motor auch eine reduzierte Momentwelligkeit, da der wirksame Winkel jedes abgebogenen ausgeprägten Pols, innerhalb dessen Fluß vom Permanentmagneten zu den Wicklungsspulen übertritt, gleich oder fast gleich dem einfachen Polwinkel von 90° des Permanentmagneten ist und der flache Teil des Magnetisierungsverlaufs des Permanentmagneten innerhalb eines annehmbar kleinen Ruckmoments durch die Einschnitte verbreitert wird. Die in Fig. 9 gezeigte elektrische Rotationsmaschine hat also eine reduzierte Momentwelligkeit und auch ein reduziertes Ruckmoment.

Da jede der Weichstahlscheiben 46, 51, 52 und 56 die gleiche Gestalt hat, lassen sie sich bei der Herstellung als ein Teil behandeln. Die Wirkung der Einschnitte hängt nicht von anderen Faktoren wie bspw. die Herstellung der ausgeprägten Pole, der Anordnung des Läufers (d.h. Innen- oder Außenläufer), dem Wicklungssinn und dergl. ab. Die vorliegende Form der Einschnitte läßt sich ändern, sofern sie die gleiche magnetische Wirkung haben. Bspw. kann man den Einschnitt 60c durch einen gradlinigen Schnitt von der Ober- zur Unterseite des abgebogenen ausgeprägten Pols ersetzen. Der effektive Winkel jedes abgebogenen ausgeprägten Pols kann gleich einem gradzahlig ganzzahligen Vielfachen des Feldwinkele des pemanentmagne tischen Feldelement β gemacht werden, indem man. dl« Polnahl des permanentmagnetischen Feldelemente erhöht, um das Ruokmoaent weiter zu verringern.

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Claims

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w. Dr. Ina. Rutcnk« P»t.-Anw. Dlpl.-Ing.

Sf^ PATENTANWÄLTE WÄÄ,/

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TelegrammAdresse:

Quadratur Berlin Ouadratur München

TELEX: 183788 TELEX: 522787

M 3928

Patentansprüche

1.)Elektrische Rotationsmaschine, gekennzeichnet durch ein permanentmagnetisches kreisförmiges ffeldelement und einen Ankerkern aus magnetischem Werkstoff, wobei das Feldelement zur Erzeugung von Magnetflüssen zu um die Drehachse der elektrischen Rotationsmaschine abwechselnd herum angeordneten N- und S-Polen permanent magnetisiert und die Anzahl der N- und S-PoIe gleich P ist, es sich bei P um eine gradzahlige Zahl größer oder gleich 2 handelt, d.h. P > 2, und der Ankerkern koaxial mit dem feldelement angeordnet ist und eine Vielzahl dem ]?eldelement zugeordneter ausgeprägter Pole sowie eine Vielzahl mehrphasig verschalte.ter öpulen aufweist, die entsprechend der Relativdrehung zwischen Ankerkern und i'eldelement mehrphasige Wechselspannungen erzeugen, wobei mindestens einer der ausgeprägten Pole mindestens einen einschnitt auf seiner dem SeIdelement zugewandten Släche aufweist und der Winkel zwischen einer linie vom Mittelpunkt des Einschnitts zur Drehachse und einer linie vom Mittelpunkt eines benachbarten Einschnitts bzw. vom Mittelpunkt eines benachbarten Zwischenraums zwischen zwei benachbarten ausgeprägten Polen zur Drehachse ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von (360/P)⁰'ist.

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2. Elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Grundzahl der Formharmonischen des Ankerkerns mit den Einschnitten das K-fache einer dominanten Grundzahl C der Formharmonischen eines Ankerkerns ohne Einschnitte ist, d.h. ü = ivC , wobei jx eine ganze Zahl größer als eins ist.

5. Elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der größte gemeinsame Teiler R von K und P/Q kleiner als K ist, wobei es sich bei Q um den größten gemeinsamen Teiler von C und P handelt.

4. Elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet t daß R = 1.

5. Elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einschnitt so ausgestaltet ist, daß er den gleichen oder fast den gleichen magnetischen Effekt wie jeder Zwischenraum hat und die Einschnitte und die Zwischenräume unter gleichem oder fast gleichem Winkel zum FeIdelernent angeordnet

! sind.

, I

6. Elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Einschnitte größer als oder gleich , der Anzahl der Zwischenräume ist. !

.Elektrische Rotationsmaschine nach Anapruoh 6, dadurch gekenn-

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ί zeichnet, daß die Gesamtzahl der Einschnitte und der Zwischen-j räume das J-fache der Anzahl der Zwischenräume ist, wobei J i eine ganze Zahl größer als eins ist·

8. Elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 7» dadurch gekenn-

zeichnet, daß ;jeder der ausgeprägten Pole die gleiche Anzahl j Einschnitte aufweist.

9. Elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschnitt jeweils zur Drehachse parallel oder schräg verläuft,

10« Elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerkern weiterhin eine Vielzahl von ausgeprägten Hilfspolen aufweist und das Verhältnis des Winkels zwischen zwei Mittellinien der Zwischenräume beiderseits eines beliebigen der ausgeprägten Pole zum Winkel zwischen zwei Mittellinien der Zwischenräume beiderseits eines beliebigen der ausgeprägten Hilfspole gleich oder fast gleich L/M gehalten wird, wobei L und M ganze Zahlen sind, und die Einschnitte und Zwischenräume, die die ausgeprägten Hilfs- und Hauptpole bilden, untereinander gleiche bzw. fast gleiche Winkel bilden.

11. Elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der ausgeprägten Pole geringer als die Polzahl des permanentmagnetischen !Feldelements ist

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und der Winkel 1 zwischen der Mittellinie der Zwischenräume beiderseits eines der ausgeprägten Pole gleich oder fast gleich dem o-fachen des einfachen Polwinkels des permanentmagnetischen Peldelementes ist, wobei S eine ungradzahlige ganze Zahl größer als oder gleich eins ist.

12. Elektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der ausgeprägten Pole gleich der Anzahl der ausgeprägten Hilfspole ist und die ausgeprägten Haupt- und Hilfspole abwechselnd angeordnet sind.

13. üilektrische Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der dem Magnetelement zugewandten Fläche des ausgeprägten Poles gleich oder fast gleich dem T-fachen des einfachen Polwinkels des permanentmagnetischen Feldelements ist, wobei T eine ungradzahlige ganze Zahl größer als oder gleich eins ist.

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