DE2833899A1 - Stabfoermiger als fester koerper ausgebildeter rotor - Google Patents

Stabfoermiger als fester koerper ausgebildeter rotor

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Matsuo Dipl Ing Mishima
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/40DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the arrangement of the magnet circuits
    • HELECTRICITY
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Description

StabfÖrmiger als fester Körper ausgebildeter Rotor ·
Prioritäten: 3. August 1977 Japan 93557/^977 17. November 1977 Japan 138216/1977
Die Erfindung betrifft einen stabförmigen als festen Körper ausgebildeten Rotor, insbesondere einen stabförmigen als festen Körper ausgebildeten Rotor für elektrische Gleichstrom-Dynamomaschinen, bei denen eine dicht geschichtete Wicklung auf dem äußeren Umfang des Magnetpulverkerns angeordnet ist.
Eine bislang benutzte Methode zur Erhöhung der Ausgangsleistung eines Gleichstrommotors, insbesondere eines Gleichstrom-Servomotors, und zur Verbesserung seiner Steuerfunktion liegt darin, die Stromdichte der Rotorwicklung zu erhöhen, die obere Grenztemperatur anzuheben oder eine Zwangskühlung vorzusehen. Wenn es jedoch möglich ist, einen Rotor mit geringer Trägheit herzustellen, der extrem langsam seine Geschwindigkeit verliert und mechanisch stabil ist, so kann die Motorleistung durch eine Rotation mit hoher Geschwindigkeit erhöht werden.
Da jedoch die Verluste von Eisen, insbesondere die Wirbel-Stromverluste, die mit der Hochgeschwindigkeitsrotation verbunden sind, proportional dem Quadrat einer Kreisfrequenz der Magnetisierung anwachsen, besitzt ein Rotor, bei dem ein laminierter Eisenkern aus Silizium, Eisen, einer Magnet« legierung od.dgl. benutzt wird, außerordentlich hohe Eisenverluste, und dementsprechend ist es schwierig, die Ausgangsleistung durch die Rotation mit hoher Geschwindigkeit zu erhöhen. Andererseits ist ein kernloser Rotor frei von Eisenverlusten, so daß eine Erhöhung der Ausgangsleistung durch die Rotation mit hoher Geschwindigkeit möglich ist.
Bei bislang benutzten kernlosen Rotoren für Gleichstrommotoren unterscheidet man zwei Typen: bei dem einem Typ
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handelt es sich um einen scheibenförmigen Rotor, der mit einem scheibenförmigen gedruckten Schaltkreis oder einer gelochten Kupferplatte oder einer in Scheibenform gebildeten Wicklung ausgebildet ist«, Bei dem anderen Typ handelt es sich um einen topfförmigen Rotor, der so angeordnet ist, daß eine Einschicht- oder Mehrschichtxficklung in einer Topfform ausgebildet ist.
Jedoch besitzt der scheibenförmige Rotor, der mit dem gedruckten Schaltkreis oder der gelochten Kupferplatte ausgebildet ist, ein kleines Drehmoment und ein relativ großes Trägheitsmoment, entsprechend seiner Konstruktion. Da der Rotortyp, bei dem eine Wicklung in einer Scheibenform ausgebildet ist, ein großes Trägheitsmoment und von Hatür aus ein geringes Drehmoment-Trägheits-Verhältnis besitzt, ist seine kinetische Energie bei einer Hochgeschwindigkeitsrotation sehr groß, dies führt zu Verformungen und Vibrationen. Aus diesem Grund ist keiner der oben genannten scheibenförmigen Rotoren für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet. Andererseits besitzt der topfförmige Rotor bezüglich seiner Feldflußdichte eine Grenze. Wenn dieser Rotor für eine hohe Ausgangsleistung ausgebildet wird, so vergrößert sich deshalb der Raum für die Wicklung, dies führt unvermeidlich zu einer Vergrößerung des Durchmessers und der Dicke der Topfstruktur, so daß das Trägheitsmoment des Rotors notwendig vergrößert wird. Demzufolge nimmt das Drehmoment-Trägheits-Verhältnis des Rotors mit dem Anwachsen seiner Ausgangsleistung ab.
Außerdem sind die Rotorachse und die topfförmige Wicklung miteinander freitragend in der Weise mechanisch verbunden, daß die topfförmige Wicklung an ihrer Stirnfläche, d.h. an einem Ende in axialer Richtung, an der Rotorachse befestigt ist. Bei der Rotation mit hoher Geschwindigkeit oder bei einer Beaufschlagung des Rotors mit einer impulsförmigen Eingangsspannung wird deshalb die topfförmige Wicklung an ihrem Befestigungsteil physikalisch verdreht
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oder deformiert, dies kann in manchen Fällen zum Bruch des Rotors selbst führen.
Aufgrund der oben geschilderten Sachlage hat der Erfinder zuvor für eine elektrische Gleichstrom-Dynamomaschine einen stabförmiger als festen Körper ausgebildeten kernlosen Rotor, dessen Volumen nahezu ganz von einer Wicklung eingenommen wird, und einen Stator (Polgehäuse) vorgeschlagen, bei dem Pole für ein starkes Magnetfeld auf der Außenseite des Rotors angeordnet sind, um einen hochwirksamen Verlauf des magnetischen Feldes sicherzustellen, so daß ein starker Leckfluß verhindert wird, der unvermeidlich im Verlauf eines Magnetfelds an einem großen Luftspalt auftreten würde.
Der oben genannte stabförmige als fester Körper ausgebildete kernlose Rotor ist in Fig. 1 dargestellt; ein büchsenförmiger Isolator 16 ist um eine Rotorachse 11 herum angeordnet, und eine dicht gewickelte Rotorwicklung I5 ist auf dem äußeren Umfang des Isolators 16 angebracht. Mit 14- sind Distanzstücke bezeichnet. Dieser Rotor ist stabförmig und sein Volumen wird nahezu insgesamt von der Wicklung eingenommen. Dementsprechend besitzt die Wicklung ein großes Volumen. Damit besitzt der Rotor vorteilhafterweise eine geringe Induktanz, außerdem ist er mechanisch sehr stabil und besitzt eine geringe Trägheit. Außerdem zeigt der Rotor hervorragende Steuereigenschaften und arbeitet aufgrund seiner geringen Induktanzeigenschaften gut bei Umschaltung. Da der Rotor außerdem geringe Trägheit besitzt und mechanisch sehr stabil ist, besitzt er die Eigenschaft, daß er Hochgeschwindigkeitsrotationen von 20000 bis 40000 Umdrehungen pro Minute beispielsweise aushält und ebenso eine impulsförmige Eingangsspannung. Die Rotorexgenschaften werden nachfolgend beschrieben.
Das vom Rotor einer elektrischen Gleichstrom-Dynamomaschine erzeugte Drehmoment ist wie folgt: mit 1, r, B und i seien
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die Länge (cm) eines jeden Leiters in seiner axialen Richtung, der Radius (cm) des Leiters an seinem Mittelpunkt, die Elußdichte (Gauß) eines Luftspalts bzw. ein Leiterstrom (A) bezeichnet, außerdem sei angenommen, daß die Zahl der Pole zwei sei und daß die Zahl der parallelen Kreise im Rotor ebenfalls zwei sei«, Nachfolgend wird das cgs-Einheitensystem benutzt, um die weiter unten beschriebenen gemessenen Werte zu betrachten. Für die durch den Leiter erzeugte Kraft f gilt: f = Bli/10 (dyn ), und dementsprechend gilt für das Drehmoment Γ : ΐ = f r = Blir/10 (dyn ° cm). Wenn Z die Gesamtzahl der Leiter wiedergibt, so ist die Zahl der in einem Winkel dO einge-
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schlossenen Leiter ^5-- · dö, und das auf diesen Teil wirkende Drehmoment ist dt = -^-ψ* dG = τγογ^ττ ^" Dem~ entsprechend ist das gesamte Drehmoment gegeben durch:
BlrdQ entspricht der Zahl der positiven und negativen Plußlinien an jedem Pol, in diesem Fall ist dies der zweifache Fluß 0 des Rotors, so daß, wenn der Rotorstrom mit Ia angenommen wird, folgt: i = Ia/2T . Dementsprechend folgt aus Gleichung (1):
τ - H- · *J (dyn - cm) (2).
Damit wird durch den Rotor ein Drehmoment erzeugt, welches durch Gleichung (2) wiedergegeben ist. Wenn die Umdrehungs zahl des Rotors pro Sekunde als n(Umdrehungen pro Sekunde) angenommen, wird, so wird die vom Rotor erzeugte Ausgangsleistung Po durch die folgende Gleichung wiedergegeben:
Po = 2TTnT · 10~7(W) (3)»
Wird T aus Gleichung (2) in Gleichung (3) eingesetzt, so folgt:
Po = nZ0Ia · 10"8(W)
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Da die Ausgangsleistung aus Gleichung (4) durch Einsetzen des erzeugten Drehmoments aus Gleichung (2) erhalten wird, enthält sie einen Drehmomentverlust Tl, dieser Verlust ist die Summe der gesamten mechanischen Verluste aufgrund der Lagerreibung und der Schleifbürsten und der Luftwiderstände und, falls ein Kern benutzt wird, der Eisenverluste· T- Tl ist nämlich das von der Achse übertragene Drehmoment. Dementsprechend ergibt sich für die wirkliche Ausgangsleistung Pe: -
Pe = 21Tn(T - Tl) · 10~7(W) (5).
Aus der obigen Darstellung ergibt sich anhand der Gleichung (4), daß die Ausgangsleistung des oben genannten stab-1"5 förmigen als fester Körper ausgebildeten kernlosen Rotors, wie er vom Erfinder früher vorgeschlagen, wurde, proportional ist zum effektiven Fluß 0 des Rotors, zur Rotorgeschwindigkeit η und zum Rotorstrom Ia0
Da das Produkt der Leiterzahl Z und des Rotorstroms Ia vom Volumen der Rotorwicklung und dem oberen Grenzwert eines zulässigen Temperaturanstiegs der Wicklung abhängig ist, kann die Ausgangsleistung des Rotors dadurch erhöht . werden, daß der effektive Fluß 0 und die Geschwindigkeit η des Rotors erhöht werden. Außerdem ist aus der allgemeinen Formel der Zeitkonstante beim Start ersichtlich, daß ein Anwachsen im effektiven Fluß des Rotors zu einem verbesserten Steuerverhalten führt.
JO Da außerdem der stabförmige als fester Körper ausgebildete kernlose Rotor für eine Rotation mit hoher Geschwindigkeit geeignet ist, wie sie mit bekannten kernlosen Rotoren nicht erreichbar ist, wie oben dargelegt wurde, erreicht die Geschwindigkeit η bereits im wesentlichen einen gewünschten Wert. Wenn der effektive Fluß des Rotors vergrößert werden kann, ohne die Erfordernisse für eine Hochgeschwindigkeitsrotation zu verletzen, ist es möglich, eine verbesserte Ausgangsleistung und ein besseres Steuerverhalten des
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Rotors zu erreichen« Wenn jedoch die Flußdichte der magnetischen Feldpole, die außerhalb des stabförmigen als fester Körper ausgebildeten kernlosen Rotors angeordnet sind, auf das Zweifache erhöht wird, so wächst auch der Leckfluß im Verlauf des magnetischen Feldes mit dem Anstieg der Flußdichte zwischen den Polen, falls das magnetische Feld durch Permanentmagneten erzeugt wird, so daß die notwendige Länge eines jeden Permanentmagnets in einer geschlossenen Kurve der magnetischen Feldlinien auf das Zweifache oder mehr anwächst, und die Que r schnitt abflache des Magnets wächst ebenfalls. Damit wird die Gestalt des Feldverlaufs um ein Vielfaches größer, damit verschlechtert sich das Verhältnis zwischen der Gestalt und der Ausgangsleistung, und eine Erhöhung der Zahl der benutzten Permanentmagneten führt zu erhöhten Herstellungskosten, dies führt bei vielen Anwendungen zu Schwierigkeiten.
Da jedoch der stabförmige als fester Körper ausgebildete kernlose Rotor nicht magnetisch ist, gilt für seine Raum-Permeabilität : /Uq = 1. Wenn die Volumen-Umformungs-Permeabilität (die Permeabilität des Rotors insgesamt) um einen gewünschten Faktor ansteigt, und wenn der Eisenverlust, insbesondere der Wirbelstromverlust im Verhältnis zur Rotorausgangsleistung vernachlässigbar klein gehalten werden kann, ist es möglich, gleichzeitig ein Anwachsen des effektiven Flusses 0 des Rotors und eine Erhöhung der Rotorgeschwindigkeit η zu erreichen»
Unter den Eisenverlusten einer magnetischen Substanz sind die Wirbelstromverluste bei einer mit hoher Rotationsgeschwindigkeit wechselnden Magnetisierung problematisch. Für den Fall, daß die Magnetisierung entlang der längeren Achse eines stabförmigen magnetischen Körpers mit einem Radius rQ wechselt, wobei J, ρ und k/, die Magnetisierung, den Widerstand des magnetischen Materials bzw. eine Konstante darstellen, so lassen sich die Wirbelstromverluste
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Pd pro Volumeneinheit approximativ durch die folgende Gleichung ausdrücken:
r 2
Mi- O dJ\2
Dies bedeutet, daß die Wirbelstromverluste proportional sind zum Quadrat der Änderungsgeschwindigkeit der Magnetisierung. Im Fall eines rotierenden Bauteils wachsen damit die Wirbelstromverluste stark mit einer Änderung der rotierenden Magnetisierung, d.h. mit einem Anwachsen der Umlaufgeschwindigkeit. Außerdem ist ersichtlich, daß
2 die Wirbelstromverluste proportional zu Vq sind und somit stark vermindert werden können, wenn das verwendete magnetische Material feinkörnig gemacht wird.
Die Feinheit des magnetischen Materials kann dadurch erreicht werden, daß ein fein pulverisiertes magnetisches Material und ein Isolatormaterial, beispielsweise eine synthetisches Harz, zu einem Magnetpulverkern verfestigt werden. Der Magnetpulverkern besitzt mit anderen Worten einen Isolator mit einer Permeabilität /Uq = 1, der zwischen den Partikeln des fein pulverisierten magnetischen Materials angeordnet ist. Damit wird das effektive magnetische Feld unter dem Einfluß des entgegengerichteten magnetischen Feldes aufgrund des Einflusses des magnetischen Pols eines jeden Partikels bemerkenswert vermindert, damit erfolgt eine starke Abnahme der Wirbelstromverluste, und außerdem ist die Verwendung des Magnetpulverkerns bei hoher Flußdichte möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen stabförmigen als fester Körper ausgebildeten Rotor für elektrische Gleichstrom-Dynamomaschinen aufzuzeigen, welcher bei hoher Rotationsgeschwindigkeit eine hohe Ausgangsleistung erzeugen kann.
Aufgrund der Erfindung ist es außerdem möglich, den effektiven Fluß eines stabförmigen als fester Körper ausgebildeten Rotors zu erhöhen.
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AO
Außerdem ist es aufgrund der Erfindung möglich, die Volumen-Umformungs-Permeabilität eines Rotors durch die "Verwendung eines Magnetpulverkerns zu erhöhen, um eine hohe Ausgangsleistung zu erzeugen.
Die Erfindung ist im wesentlichen auf einen Rotor für elektrische Gleichstrom-Dynamomaschinen gerichtet, dieser Rotor besitzt eine dicht gepackte Wicklung, welche den größten Teil des Rotorvolumens einnimmt, außerdem ist "bei diesem Rotor ein zylindrischer Magnetpulverkern, der aus fein pulverisiertem magnetischen Material geformt ist, welches in einem Isolatormaterial, beispielsweise in einem synthetischen Harz usw., gebunden ist, auf der Rotorachse angeordnet, und die dicht gepackten Wicklungen sind auf dem Außenumfang des Magnetpulverkerns angebracht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der sind
Figo 1 ein Schnittbild eines stabförmigen als fester Körper ausgebildeten kernlosen Rotors, wie er früher vorgeschlagen wurde,
Pig» 2 und 3 Schnittbilder und sie zeigen als feste Körper ausgebildete Rotoren gemäß der Erfindung mit .erfindungsgemäßen Merkmalen, Fig. 4- ein Beispiel für die magnetischen Eigenschaften eines besonderen Ausführungsbeispiels in dieser Erfindung,
Figo 5 sin Beispiel für das Verhältnis zwischen dem
Querschnitt einer dicht gepackten Wicklung und JO eines Magnetpulverkerns gemäß der Erfindung und
Fig. 6 ist eine Darstellung, die den effektiven Fluß, k^j-A^ und die Ausgangsleistung in Abhängigkeit vom Querschnitt des erfindungsgemäßen Magnetpulverkerns zeigt.
Fig. 2 zeigt ein Schnittbild einer Ausführungsform der Erfindung. Die Fig. 2 zeigt eine Rotorachse 21, einen zylindrischen Magnetpulverkern 22, einen isolierenden,
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büchsenförmigen Zylinder 23, Distanzstücke 24-, dicht geschichtete Rotorwicklungen 25 und eine Isolatorschicht 27» Der Magnetpulverkern 22 ist über die Isolatorschicht an der Rotorachse 21 befestigt. Der isolierende büchsenförmige Zylinder 23 ist auf dem Magnetpulverkern 22 festsitzend angeordnet.Auf dem isolierenden büchsenförmigen Zylinder 23 sind mehrere Distanzstücke 24 angeordnet, die radial aus dem Zylinder herausragen. Der isolierende büchsenförmige Zylinder 23 und die Distanzstücke 24
10können auch miteinander als einheitliche Struktur ausgebildet sein. Ebenfalls ist es möglich, den isolierenden büchsenförmigen Zylinder 23 und die Distanzstücke 24 mit einem Kleber zu verbinden, der bei einer relativ geringen Temperatur weich wird, und dann die Distanzstücke 24 nach Anbringen der Wicklungen durch Erhitzen der Anordnung zu entfernen. Die dicht geschichteten Wicklungen 25 sind auf dem äußeren Umfang des Magnetpulverkerns 22 angeordnet, dazu dienen die Distanzstücke Nachdem die Wicklungen 25 auf dem Magnetpulverkern 22 angebracht sind, wird die Rot or anordnung zu einem Körper vergossen, beispielsweise mittels eines Epoxyharzes usw., um einen stabförmigen als fester Körper ausgebildeten Rotor zu erhalten.
Es ist erwünscht, daß der büchsenförmige Zylinder 23, die Distanzstücke 24 und die isolierende Schicht 27 alle aus einem hitzefesten synthetischen Harz geformt sind, beispielsweise aus einem Epoxyharz. Auf die isolierende Schicht 27 unmittelbar außen auf der Rotorachse 21 kann auch verzichtet werden.
Fig. 3 ist ein Querschnitt und zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt sind ein Rotor y\, ein Magnetpulverkern 32» ein isolierender büchsenförmiger Zylinder 33» eine dicht geschichtete Wicklung 35 und eine isolierende Schicht 37· Die dargestellte Ausführungsform entspricht der Struktur, bei der die Distanzstücke der
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Ausführungsform nach Fig. 2 weggelassen oder entfernt worden sind, nachdem die Wicklung angebracht worden ist.
Die Magnetpulverkerne 22 und 32 in den obigen Ausführungsformen werden jeweils dadurch hergestellt, daß feine Partikel eines hochreinen Eisens oder einer Magnetlegierung, beispielsweise einer Legierung auf Eisenbasis oder auf Eisen-Hlckel-Basis usw., mit einem isolierenden Material gebunden werden, beispielsweise mit einem synthetischen Harz, und dann durch Kompressionsformung der Mischung geformt werden.
Wie oben beschrieben wurde, ist der stabförmige als fester Körper ausgebildete Rotor gemäß dieser Erfindung, d.h. der zylindrische Magnetpulverkern 22 oder 32, auf der Rotorachse· 21 bzw. 31 angeordnet, wie in Fig. 2 bzw. 3 dargestellt, dieser Magnetpulverkern wird dadurch hergestellt, daß ein feinpulverisiertes magnetisches Material mit einem isolierenden Material, beispielsweise mit einem synthetisehen Harz, gebunden und geformt wird. Deshalb ist es möglich, die Herstellungskosten des Rotors zu vermindern und gleichzeitig eine erhöhte Rotorausgangsleistung und eine verbesserte Rotorsteuerungfunktion zu erreichen, und zwar dadurch, daß die Volumen-Umformungs-Permeabilität des Rotors auf ein Vielfaches der Raumpermeabilität (/U * 1) erhöht wird, und daß die Eisenverluste im Verhältnis zur Rotorausgangsleistung vernachlässigbar klein gemacht werden, um gleichzeitig eine Erhöhung des effektiven Flusses des Rotors und seiner hohen Rotationsgeschwindigkeit zu erreichen.
Anhand der Fig. 4· wird ein besonderes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Bei diesem Beispiel wurde der erfindungsgemäße stabförmige als fester Körper ausgebildete Rotor aufgrund der Beschränkungen für die Verlusteanalyse- vorrichtungen und für die Präzisionsmeßvorrichtungen für verschiedene numerische Werte sehr klein hergestellt. Die
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nachfolgende Darstellung erfolgt in Verbindung mit den magnetischen Eigenschaften des Rotors, basierend auf Meßwerten und seiner Ausgangsleistung und seiner Verluste, und zwar für den Pail, daß der Rotor als ein Gleichstrommotor betrieben wird.
Fig. 4 zeigt eine Motorachse 41, einen zylindrischen Magnetpulverkern 42 und den erfindungsgemäßen Rotor 48, der auf dem zylindrischen Magnetpulverkern eine dicht geschichtete Wicklung besitzt. Es sei angenommen, daß der Raum zwischen dem äußeren Umfang des zylindrischen Magnetpulverkerns 42 und dem Außenumfang des Rotors 48 von der Rotorwicklung eingenommen wird. Magnetische Feldpole sind mit 49 und 49' bezeichnet, jeder Feldpol ist am Außenumfang des Rotors mit einem Abstand diesem gegenüber angeordnet.
Der Rotor des vorliegenden Beispiels wird in Verbindung mit dem Fall beschrieben, daß feine Partikel aus reinem Eisen,die in ein Epoxyharz eingebettet sind, mittels Kompressionsformung zu einem zylindrischen Magnetpulverkern 42 geformt worden sind, welcher einen Außendurchmesser von 0,6 cm, einen Innendurchmesser von 0,2 cm, eine Länge von 1,0 cm und ein spezifisches Gewicht von 6 aufweist.
In diesem Falle beispielsweise wird zwischen den magnetischen Feldpolen 49 und 49' ein Magnetfeld HQ erzeugt, welches unter wirtschaftlichen Bedingungen eine Stärke von 2000 Oe hat. Wenn die magnetischen Eigenschaften des Magnetpulverkerns 42, d.h. das magnetische Feld des Magnetpulverkerns 42, die Flußdichte und die Intensität der Magnetisierung als H(Oe), B(Gauß) bzw. J(Gauß) angenommen werden, so wird die induzierte Magnetisierung einer magnetischen Substanz im magnetischen Feld durch die folgende Gleichung dargestellt:
B = H + 4T^J (Gauß) (7).
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Wenn das Magnetisierungsverhältnis durch X dargestellt wird, ergibt sich die Magnetisierung J als:
J = XH (Gauß) (8)
Messungen der magnetischen Eigenschaften des Magnetpulverkerns zeigten für die Flußdichte den Wert B = 8290 Gauß und für die spezifische Permeabilität den Wert /u =4,8. Dementsprechend ist das Magnetfeld H im Magnetpulverkern 1730 Oe, da H = B//Uo. Werden diese Zahlenwerte in die Gleichungen (7) und (8) eingesetzt, so folgt, daß die Intensität der Magnetisierung J bei 522 Gauß liegt, und daß das Magnetisierungsverhältnis X bei 0,302 liegt.
Das entgegengesetzte magnetische Feld des Magnetpulverkerns 42 sei nun durch H' gegeben, H = Hq - H1, so daß H' = -270 Oe. Wenn der Entmagnetisierungskoeffizient als N angenommen wird, kann das entgegengesetzte Magnetfeld H1 durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
H' - - \— J (9).
Werden nun aXq = 1 und die oben genannten Zahlenwerte in die obige Gleichung eingesetzt, so ergibt sich N = 0,5^7· Die obige Darstellung zeigt, daß die Verteilung der Plußdichte auf der äußeren Umfangsflache des Magnetpulverkerns 42 so ist, daß die Flußstärken aufgrund des entgegengesetzten magnetischen Feldes des Magnetpulverkerns in den Bereichen auf beiden Seiten der Line χ - χ1 in Pig. 4 abnehmen, daß jedoch die Flußlinien sich in Richtung auf die Pole 49 und 49' unter einem relativ großen Winkel auf beiden Seiten der Linie y - y1 ausbreiten. Mit anderen Worten, die Feldflußlinien konvergieren von den Polen 49 und 49' zum Magnetpulverkern 42.
Wenn außerdem die effektive Querschnittsfläche des Magnetpulverkerns 42, welche senkrecht zu dessen axialer Riehtung steht, und die Flußdichte durch a (cm ) und B (Gauß)
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is
repräsentiert sind, so gilt 0 = aB, so daß 0q bei einem Rotationswinkel 2TT die gesamte Rotorwicklung, welche den Baum zwischen dem äußeren·Umfang des Magnetpulverkerns 42 und dem äußeren Umfang des Rotors 48 einnimmt, verkettet und damit den effektiven Fluß des Rotors repräsentiert. Bei einer magnetostatischen Messung eines Rotors, bei dem der oben genannte kleine Kern benutzt .wird, war der effektive Fluß 0q des Rotors 3316 Maxwell.
Zum Vergleich der Meßwerte wurde ein erfindungsgemäßer Rotor hergestellt, bei dem der Rotorkern dicht auf den isolierenden büchsenförmigen Zylinder 23 (33) gewickelt war, der an dem oben genannten kleinen Magnetpulverkern angebracht war, und der Abstand zwischen beiden Enden der Wicklung in axialer Richtung des Rotors lag bei 1,4 cm, und die Zahl der benutzten Leiter lag. bei 1200 (dieser Rotor wird später als der Magnetpulverkern-Rotor A bezeichnet). Der kernlose Rotor nach Fig. 1(nachfolgend als kernloser Rotor B bezeichnet) wurde in ähnlicher Weise hergestellt, wobei sein Außendurchmesser und der Außendurchmesser des isolierenden büchsenförmigen Zylinders gleich dem Außendurchmesser des Magnetpulverkern-Rotors A bzw..des isolierenden büchsenförmigen Zylinders 22 (33) waren, wobei das Rotorvolumen, die Windungskapazität und die Zahl der benutzten Leiter ebenfalls gleich den entsprechenden Wertenbeim Magnetpulverkern-Rotor A waren. Die beiden Rotoren wurden so angeordnet, daß sie als Gleichstrommotoren arbeiten konnten. Diese Rotoren hatten Rotorachsen und Kommutatoren, die jeweils aus dem gleichen Material und in gleicher Größe hergestellt waren, und zur Messung wurden ihre Lager, die Sohleiferbücsten und ihre Halterungsvorrichtungen gemeinsam benutzt.
Der effektive Fluß des Rotors wurde aus dem Meßwert für den Fall zurückgerechnet, daß der Magnetpulverkern-Rotor A und der kernlose Rotor B jeweils zwischen magnetischen Feldpolen mit der magnetischen Feldstärke HQ » 2000 Oe, wie sie zuvor bei der magnetostatischen Untersuchung
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benutzt wurde, angeordnet waren und als Gleichstrommotoren betrieben wurden. Der effektive Fluß des Magnetpulverkern-Rotor A lag bei 3280 Maxwell und stimmte im wesentlichen mit dem oben genannten magnetostatischen gemessenen Wert überein. Dagegen lag der effektive Fluß des kernlosen Rotors B bei 1630 Maxwell, dieser Wert entspricht der Hälfte des Wertes beim Magnetpulverkern-Rotor A. Dies bedeutet, daß die Volumen-Umformungs-Permeabilität des kernlosen Rotors B gleich der Raumpermeabilität ax = 1 ist, die Volumen-Umformungs-Permeabilität des Magnetpulverkern-Rotors A ist dagegen yu = 2.
Die Wicklungsinduktanz an der Stelle der Bürste lag im Falle des Magnetpulverkern-Rotors A bei 572 /uH, und die entsprechende Induktanz des kernlosen Rotors B lag bei 339/uH. Dementsprechend liegt die Erhöhung in der Induktanz durch den Magnetpulverkern beim 1,69-fachen des kernlosen Rotors B und bleibt sehr klein.
Für die Eisenverluste wurde durch Präzisionsmessungen des Drehmomentverlustes ein Wert von 0,09 W erhalten, und zwar für den Fall, daß der oben genannte Magnetpulverkern auf einer magnetischen Achse angeordnet war und zwischen magnetischen Feldpolen mit EU = 2000 Oe angeordnet war und von außen mit 20000 Umdrehungen pro Minute angetrieben wurde.
Wenn eine rostfreie Stahlachse (SUS#53 Standard) mit einem Durchmesser von 0,2 cm mit 20000 Umdrehungen pro Minute im gleichen wie oben genannten Feld rotiert wurde, so betrugen die Eisenverluste der Achse 0,09 W.
In den Fällen, in denen der Magnetpulverkern-Rotor A dieser Erfindung als ein Gleichstrommotor betrieben wurde, wobei der oben genannte Magnetpulverkern und die rostfreie Stahlachse zwischen magnetischen Feldpolsen mit Hq * 2000 Oe angeordnet waren, wurden die abgetasteten Werte, wie sie
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in der folgenden Tabelle 1 dargestellt sind, erhalten, wenn die Anschlußspannung 16 V und die Zahl der Umdrehungen "bei 20.000 Umdrehungen pro Minute lag.
Tabelle 1
Eingangs- Ausgangs- Kupfer- mechani- Magnet- rostfreie Verluste Verluste ver- sehe pulver- Stahllust e Verluste kern, achse,
Eisen- Eisen-
Verluste Verluste
4,9 3,10 0,95 0,67 0,09 0,09
Die Kupferverluste zeigen die Widerstandsverluste durch den Rotorwicklungswiderstand und den Bürstenkontaktwiderstand an. Die mechanischen Verluste geben die Gesamtsumme der Lagerreibungsverluste, der Bürstenreibungsverluste und der Verluste durch Luftwiderstand wieder. Die maximale Kurzzeitausgangsleistung des Magnetpulverkern-Rotors A, wie er in Tabelle 1 gezeigt ist, liegt bei 6,3 V.
In Tabelle 1 zeigen die Eisenverluste des Magnetpulverkerns beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit 20.000 Umdrehungen pro Minute einen extrem niedrigen Wert, welcher gleich dem Wert der Eisenverluste der Rotorachse mit 0,2 cm Durchmesser ist, auf diese Rotorachse kann nicht verzichtet werden. Das Verhältnis der Eisenverluste des Magnetpulverkerns gegenüber der Ausgangsleistung 3,1 W liegt bei nur 2,9 %, und das Verhältnis der oben genannten Eisenverluste zu den mechanischen Verlusten liegt ebenfalls bei nur 13,^ %· Bezüglich der Kommutierung wurde durch Beobachtung einer Erscheinung bei einer Umdrehungszahl von 20.000 Umdrehungen pro Minute und bei einer Ausgangsleistung von 3,1 W herausgefunden, daß die Kommutierungsbedingung sehr gut war, da der Anteil des Magnetpulver- kerns in der Rotorwicklung sehr klein war.
Anfänglich zeigte der kernlose Rotor B gemessene Ausgangsund EingangsIeistungen von jeweils 1,11 W, und zwar für den Fall, daß das Magnetfeld zwischen den magnetischen
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Feldpolen, die Rotorstromdichte und die Zahl der Umdrehungen gleich groß waren wie beim oben dargestellten Magnetpulverkern-Rotor A.
Damit ist der effektive Fluß des Rotors beim Magnetpulverkern-Rotor A gemäß der Erfindung doppelt so groß wie beim bekannten kernlosen Rotor B, so daß das vom erfindungsgemäßen Magnetpulverkern-Rotor erzeugte Drehmoment doppelt so groß war wie das des kernlosen bekannten Rotors B bei gleicher Stromdichte. Da außerdem der Drehmomentverlust aufgrund mechanischer Verluste und die Eisenverluste der Rotorachse im Verhältnis zum erzeugten Drehmoment des Magnetpulverkern-Rotors A gering waren, hatte die Ausgangsleistung des Rotors A gegenüber dem bekannten kernlosen Rotor B den dreifachen Wert.
Entsprechend der Erfindung wächst die Volumen-Umformungs-Permeabilität des Rotors auf das Mehrfache, beispielsweise auf das 1,2 bis 5-fache, und der effektive Fluß wächst wie oben beschrieben an. Zu den Verlusten des Magnetpulvernkern-Rotors A und des kernlosen Rotors B bei 20.000 Umdrehungen pro Minute ist zu sagen, daß diese Rotoren bezüglich der Kupferverluste einander gleich waren, da beide Rotoren in ihrer Größe, der Windungskapazitat und Stromdichte miteinander gleich waren. Da die Rotorachsen beider Rotoren aus dem gleichen Material bestanden und gleiche Größe aufwiesen, waren die Eisenverluste der Rotorachsen bei beiden Rotoren gleich. Da die Kommutatoren beider Rotoren aus dem gleichen Material und in gleicher Größe ausgebildet waren, und da gleiche Lagerungen, Bürsten und Halterungsmechanismen bei beiden Rotoren gemeinsam gebraucht wurden, wurden jeweils die gleichen mechanischen Verluste erhalten, wobei auf deren Reproduzierbarkeit geachtet wurde.
Dementsprechend liegt der Unterschied in den Verlusten zwischen dem Magnetpulverkern-Rotor A und dem kernlosen Rotor B nur in den Eisenverlusten durch den Magnetpulverkern,
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dieser Verlust ist klein und liegt "bei 0,09 W. Zusätzlich, ist der effektive Fluß des Rotors beim Magnetpulverkern-Rotor A zweimal so groß wie beim kernlosen Rotor B, und die Ausgangsleistung ist ungefähr dreimal größer.
Oben wurden die Effekte dieser Erfindung aufgrund von Meßwerten in Verbindung mit einem Beispiel eines Rotors beschrieben, der aufgrund der Beschränkungen durch Analysevorrichtungen für die Verluste und durch Präzisionsmeßgeräte für verschiedene Zahlenwerte miniaturisiert war. Jedoch bleiben die Eisenverluste des Magnetpulverkerns bei Hochgeschwindigkeitsrotation vernachlässigbar klein im Verhältnis zur Ausgangsleistung, auch wenn der Rotor größer ausgeführt wird.
Der in Tabelle 1 dargestellte Magnetpulverkern-Rotor gemäß der Erfindung erzeugt eine Ausgangsleistung von 3,1 W, eine maximale Ausgangsleistung von 6,3 W und eine mechanische Ausgangsleistung von 0,016 Sekunden und zeigt ein exzellentes Verhalten als ein Rotor in der Größe der kleinen Fingerspitze. Außerdem wurden die oben genannten Zahlenwerte mit einem magnetischen Feld erhalten, welches aufgrund von wirtschaftlichen Feldmagnetanordnungen erhalten wurde.
Im Hinblick auf den Eostenstandard von Gleichstrom-Servomotoren können die Feldmagnete in der Qualität verbessert werden. Für den Fall, daß die Feldstärke erhöht wird, liegt die mechanische Zeitkonstante bei 0,0073 Sekunden.
Die vorangegangene Beschreibung für den effektiven Fluß des Rotors und die Rotorinduktanz aufgrund von Messungen einer Ausführungsform der Erfindung und die Verlustanalyse bei Hochgeschwindigkeitsrotation in Verbindung mit Tabelle 1 erfüllen die Anforderungen der Erfindung und erleichtern das Verständnis einiger ihrer Effekte.
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Fig. 5 zeigt im Querschnitt den stabförmigen als fester Körper ausgebildeten Eotor mit einer Rotorachse 5^ > einem Magnetpulverkern 52, einem Isolator 53 und der dicht geschichteten Wicklung 55· Außerdem sind die Feldpole und 59' dargestellt. Seien nun mit d^ und £ der Außendurchmesser des Leiters, welcher die Wicklung 55 bildet, und das Verhältnis der Wicklung zur Querschnittsfläche k^ des Raums gegeben, der durch die Wicklung eingenommen wird (nachfolgend als Querschnittsfläche A^ bezeichnet), so besteht zwischen der Leiterzahl Z und der Querschnittsfläche A^ die folgende Beziehung:
z* · d2 = ·
Seien nun die effektive Länge der dicht gewickelten Wicklung 55 IQ ihrer axialen Richtung und die Länge des Magnetpulverkerns 52 in seiner axialen Richtung als konstant angenommen, so ist das Volumenverhältnis zwischen der dicht gewickelten Wicklung und dem Magnetpulverkern proportional dem Verhältnis zwischen ihren Querschnitten. Wenn eine zulässige Stromdichte der Wicklung durch A^·£ bestimmt ist, dies zeigt den von der Wicklung eingenommenen Bereich an, den Durchmesser d,j des Leiters und den oberen Grenzwert einer zulässigen Temperaturerhöhung, so wird ein Windungsstrom i,, bestimmt. Wenn nun die Zahl a. der parallelen Kreise im Rotor 2 ist, so folgt 2i,- = Ia, und das Produkt la·Z des Rotorstroms Ia und die Leiterzahl Z sind bestimmt. Da das Produkt Ia*Z proportional ist zur Querschnittsfläche A^, wobei eine Konstante als k^ angenommen wird, gilt k^»A^ = Ia-Z. Wenn außerdem die Feldstärke zwischen den Feldmagneten konstant gehalten wird, wird der effektive Fluß 0 des Rotors zu einer Funktion der Querschnittsfläche Ap des Magnetpulverkerns 52.
Tabelle 2 zeigt Meßwerte des Außendurchmessers (mm) und
der Querschnittsfläche A9 (mm ) des Magnetpulverkerns 52,
2
die Querschnittsfläche A/j (mm ), Ap/Xj, den effektiven Fluß 0 (Maxwell) und die Ausgangsleistung P (W) für den
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Pall, daß der Magnetpulverkern 52 aus feinen Partikeln aus Weicheisen und einem synthetischen Harz geformt war, wobei seine Permeabilität zwischen 5,1 und 5,9 lag, und wobei die Dicke des Isolators 53 des Magnetpulverkerns bei 0,6 mm, die Länge des Magnetpulverkerns 52 in axialer Richtung bei 36 mm und die Außendurchmesser des gesamten Rotors bei 10 mm lag.
10 Außendurch
messer des Kerns
Tabelle 2
A2 A1
25,73 A2A1 0 P
7 35,343 37,825 1,374 14.000. 4,85
6 25,133 43,283 0,665 11.000 5,57
5,5 20,617 48,349 0,476 9.800 6,10
15 5 16,493 57,303 0,341 8.4-00 5,70
zi- 9,425 0,165 5.800 4,75
In Fig. 6 sind der effektive Fluß 0, die Größe von k^-A^ und die Ausgangsleistung P durch die Kurven @ , (2) und (^) wiedergegeben. Die Ausgangsleistung P in Tabelle 2 und Fig. 6 wurde bei «iner Umdrehungszahl η von 10.000 Umdrehungen pro Minute erhalten.
Aus den obigen Ergebnissen folgt, daß A2A1 zur Erzeugung einer maximalen Ausgangsleistung für den Fall des gleichen Außendurchmessers des Rotors bei 0,476 liegt, und ein Wert von A2ZXj, welcher bei ungefähr 90 % der maximalen Ausgangsleistung liegt, kann im Bereich von 0,3 bis 0,7 erhalten werden.
30
Rotoren mit verschiedenen Abmessungen, die von den oben genannten Rotoren abwichen, wurden ebenfalls gemessen, und im wesentlichen wurden die gleichen Ergebnisse erhalten. Dies bedeutet, daß die Ausgangsleistung des stabförmigen einen festen Körper bildenden Rotors dadurch vergrößert werden kann, daß das Verhältnis A2A1 zwischen der Querschnittsfläche A2 des Magnetpulverkerns 52 und der
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Quersclinittsflache A^ so ausgewählt wird, daß es zwischen 0,3 bis 0,7 liegt.
Beim erfindungsgemäßen stabförmigen einen festen Körper bildenden Rotor, bei dem eine dicht gewickelte Wicklung auf dem Magnetpulverkern 52 angeordnet ist, wird das Verhältnis Ao/Xj zwischen der Querschnittsfläche Ap des Magnetpulverkerns 52 und der Querschnittsfläche A^ des Raums, der durch die Wicklung eingenommen wird, im Bereich zwischen 0,3 bis 0,7 ausgewählt, wie oben beschrieben wurde, damit kann die Rotorausgangsleistung vergrößert werden, ohne daß der Außendurchmesser des Rotors vergrößert wird. Da außerdem der Rotor ein stabförmiger fester Körper ist, ist er mechanisch sehr fest und besitzt ein sehr kleines Trägheitsmoment, und da die Wicklungsinduktanz aufgrund des Magnetpulverkerns 52 nur leicht anwächst, kann der Rotor mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden. Auch wenn die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung für die Anwendung in einem Gleichstrommotor beschrieben wurden, so ist es ersichtlich, daß die Erfindung auch für einen Gleichstromgenerator angewendet werden kann.
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Claims (2)

  1. REINLANDER & BERNHARDT
    PATENTANWÄLTE
    315/2 Orthstraße 12
    D-8000 München 60
    MICRO TECHNOLOGY LABORATORY CO., LTD.
    No. 23-19» Denenchofu, 4-chome Ota-ku, Tokyo, Japan
    Patentansprüche
    M-) Stabförmiger als fester Körper ausgebildeter Rotor (Anker) für elektrische Gleichstrom-Dynamomaschinen, bei denen der größte Teil des Volumens des Rotors von einer dicht gewickelten Wicklung eingenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Magnetpulverkern vorgesehen ist, der durch Kompressionsformung eines feinpulverisierten magnetischen Materials unter Verwendung eines Isolatormaterials, beispielsweise eines synthetischen Harzes, hergestellt ist, daß die dicht gewickelte Wicklung auf der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Magnetpulverkerns angeordnet ist, und daß die Volumen-Umformungs-Permeabilität (volume-conversion permeability) des Rotors um ein Mehrfaches höher liegt als die Raum-Permeabilität (space permeability).
  2. 2. Stabförmiger als fester Körper ausgebildeter Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumen-Umformungs-Permeabilität des Rotors im Bereich zwischen 1,2 bis 3,0 liegt.
    3· Stabförmiger als fester Körper ausgebildeter Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der äußeren Umfangsfläche des Magnetpulverkerns ein Isolator vorgesehen ist, wobei die dicht gewickelte Wicklung auf der äußeren Umfangsfläche dieses Isolators angeordnet ist.
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    ORIGINAL INSPECTSD
    4·. Stabförmiger als fester Körper ausgebildeter fiotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der äußeren Umfangsfläche des Magnetpulverkerns ein Isolator angeordnet ist, wobei der Isolator eine Vielzahl von Distanzstücken aufweist, die radial nach außen gerichtet sind, und wobei die dicht gewickelte Wicklung auf der äußeren Umfangsfläche des Isolators zwischen jeweils benachbarten Distanzstücken angeordnet ist.
    5· Stabförmiger als fester Körper ausgebildeter Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des Magnetpulverkerns und der Querschnittsfläche des von der Wicklung beanspruchten Raums im Bereich von 0,3 bis 0,7 liegt„
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