DE2843375C2

DE2843375C2 -

Info

Publication number: DE2843375C2
Application number: DE19782843375
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. 4716 Olfen De Corbach; Klaus Ing.(Grad.) La Grange Ill. Us Kobelentz; Adolf Dr.-Ing. 7582 Buehlertal De Mohr; Frank Dipl.-Ing. 7120 Bietigheim De Odor
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-10-05
Filing date: 1978-10-05
Publication date: 1987-10-01
Also published as: DE2843375A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf einen Permanentmagneten für elektrische Maschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche bekannten, sogenannten Zweikomponenten-Magnete (DE-OS 25 27 461) sind aus den Anforderungen nach höchstmöglichem magnetischen Fluß einerseits und hoher Koerzitivfeldstärke zur Vermeidung von Entmagnetisierungserscheinungen andererseits entstanden. Diese beiden Forderungen mit einem einzigen Magnetwerkstoff zu erfüllen, ist nicht möglich, da Magnetwerkstoffe mit hoher Remanenz eine kleine Koerzitivfeldstärke und Magnetwerkstoffe mit einer hohen Koerzitivfeldstärke eine kleine Remanenz aufweisen. Da die Gefahr der Entmagnetisierung des Magneten besonders an den Magnetenden, und hier wiederum ausgeprägt beim Anlaufen bei niedrigen Temperaturen, besteht, hat man bei diesen bekannten Zweikomponenten-Magneten an den Magnetenden einen hochkoerzitiven Magnetwerkstoff vorgesehen und im übrigen den Magneten aus einem Magnetwerkstoff mit möglichst hoher Remanenz gefertigt, der gegenüber dem hochkoerzitiven Werkstoff eine zwar kleinere Koerzitivfeldstärke dafür aber eine wesentlich größere Remanenz hat. Bei diesen bekannten Zweikomponenten-Magneten gelang es, die Beständigkeit des Magneten gegen Entmagnetisierung durch das Ankerquerfeld um bis zu 30% zu erhöhen. Wenn eine derartig aufgebaute elektrische Maschine aber kurzzeitig extrem überlastet werden soll oder mit Überspannung betrieben wird oder aber auch bei sehr tiefen Temperaturen anlaufen soll, reicht die Koerzitivfeldstärke bei einer bestimmten Magnetdicke nicht mehr aus, so daß der Magnet über seine gesamte Bogenlänge dicker bemessen werden müßte. Durch eine solche Maßnahme jedoch würde die Maschine erheblich verteuert und darüber hinaus deren Bauvolumen stark vergrößert.

Es sind auch bereits Permanentmagnete bekannt (DE-OS 26 37 705), die von einem im wesentlichen bogenförmigen Segment aus einem einheitlichen Magnetwerkstoff gebildet sind. Zur Verbesserung der Beständigkeit des Magneten gegen die Entmagnetisierung durch das Ankerquerfeld ist das Segment so geformt, daß seine in Radialrichtung gemessene Segmentdicke von der Segmentmitte aus mindestens zu einem Segmentende hin vorzugsweise linear zunimmt. Bei der Anordnung im Motor bildet das dickere Magnetende die ablaufende Mangetkante bezüglich der Rotordrehrichtung. Bei diesen bekannten Magneten hat sich gezeigt, daß für die Beständigkeit gegen die Entmagnetisierungserscheinungen das Produkt aus Koerzitivfeldstärke und der radial gemessenen Segmentdicke maßgebend ist. Da das Ankerquerfeld zur ablaufenden Magnetkante stark zunimmt, kann man die Beständigkeit des Magneten dadurch wesentlich vergrößern, daß man die Segmentdicke von der Segmentmitte aus zum Segmentende hin immer stärker zunehmen läßt. Theoretisch läßt sich dadurch eine Beständigkeit des Magneten erreichen, die wesentlich höher ist als bei den zuerst beschriebenen bekannten Zweikomponenten-Magneten. Die Zunahme der Magnetdicke zum Magnetende hin hat allderdings auch beträchtliche Nachteile. Mit wachsender Magnetdicke führen diese Permanentmagnete zu immer unrunderen Gehäusen der elektrischen Maschinen oder der Kleinmotoren. Dadurch entstehen erhebliche Fertigungsschwierigkeiten, die die Herstellungskosten für mit solchen Permanentmagneten ausgerüstete elektrische Maschinen oder Kleinmotoren erheblich in die Höhe gehen lassen. Zudem treten mit Zunehmen der Dicke des Magnetendes an diesem immer größere Streuverluste auf, die ab einer gewissen Größe die durch die Form des Magneten gewonnenen Vorteile zunichte machen.

Bei einem weiteren bekannten Magneten (DE-OS 26 02 650) ist der hochkoerzitive Abschnitt im mittleren Bereich des Segmentbogens angeordnet. Ein derartiger Aufbau ist von Vorteil, wenn der Magnet beispielsweise bei einem Elektromotor mit drei Kohlenbürsten, der also in zwei Geschwindigkeitsbereichen betreibbar ist, eingesetzt wird. Wird er dagegen in einem Hochleistungsmotor mit zwei Kohlenbürsten verwendet, wird bei erschwerten Betriebsbedingungen die ablaufende Magnetkante entmagnetisiert, weil diese aus hochremanentem Werkstoff besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Permanentmagneten der im Oberbegriff des Anspruchs 1 geschilderten Art so weiterzubilden, daß die elektrische Maschine auch unter den erwähnten kritischen Betriebsbedingungen problemlos betrieben werden kann, ohne deshalb ein erhöhtes Bauvolumen und steigende Herstellungskosten in Kauf nehmen zu müssen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Permanentmagnet mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß bei gleicher Beständigkeit des Magneten gegen die Entmagnetisierung durch das Ankerquerfeld der Dickenzuwachs des Magneten zum Magnetende hin wesentlich kleiner ist. Ist beispielsweise die Koerzitivfeldstärke des am Segmentende angeordneten Segmentabschnitts aus hochkoerzitivem Magnetwerkstoff um 30% größer als die Koerzitivfeldstärke des Magnetwerkstoffs des anderen Segmentabschnitts, so kann der Dickenzuwachs des Segments zum Segmentende hin um über 30% verkleinert werden. Voraussetzung ist allerdings dabei, daß die Stoßstelle der beiden Segmentabschnitte im Segment so gelegt ist, daß die Segmentdicke an dieser Stoßstelle der im Hauptanspruch angegebenen Bedingung genügt. Denn nur dadurch ist sichergestellt, daß die Ankerquerfeldstärke die Grenzfeldstärken der Magnetmaterialien am Ende der einzelnen Segmentabschnitte nicht überschreitet.

Durch die geringere Dicke des Magneten am Magnetende bei gleicher Beständigkeit gegen Entmagnetisierung werden die Streuverluste am Magnetende wesentlich reduziert. Es entstehen kompakte Magnetformen, die ein noch halbwegs rundes Gehäuse der elektrischen Maschine oder des Kleinmotors zulassen und damit die Fertigung dieser erleichtern.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Permanentmagneten möglich.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 und 2 jeweils einen Querschnitt eines Permanentmagneten gemäß einem 1. bzw. 2. Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Entmagnetisierungskurven der beiden in dem Permanentmagneten gemäß Fig. 1 und 2 enthaltenen Magnetwerkstoffe.

Der Permanentmagnet gemäß Fig. 1 besteht aus einem im wesentlichen bogenförmigen Segment 10 mit einem Segmentabschnitt 11 aus hochremanentem Magnetwerkstoff und einem am Segmentende angeordneten Segmentabschnitt 12 aus hochkoerzitivem Magnetwerkstoff. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weist der mit dem Index 2 gekennzeichnete hochremanente Magnetwerkstoff eine höhere Remanenz als der mit dem Index 1 gekennzeichnete hochkoerzitive Magnetwerkstoff auf (B _{r 2} < B _{r 1} ). Dagegen ist die Koerzitivfeldstärke des hochkoerzitiven Magnetwerkstoffs höher als die Koerzitivfeldstärke des hochremanenten Magnetwerkstoffs (I ^H C 1 < I ^H C 2).

Die Beanspruchung des Permanentmagneten in einem Motor, die zu einer Entmagnetisierung durch das Ankerquerfeld führt, nimmt von der Magnetmitte zu der (bezüglich der Umdrehungsrichtung des Ankers) Ablaufkante des Magneten hin linear zu. Jedem Magnetwerkstoff kann eine bestimmte, höchstzulässige Entmagnetisierungsfeldstärke zugemutet werden, ohne daß dieser irreversibel entmagnetisiert wird. Diese zulässige Größe H _ez ist, wie aus Fig. 3 hervorgeht, abhängig von der Luftspaltentmagnetisierung H _L und der max. Feldstärke H _G, bei der der Knickpunkt der Funktion B = f(H) liegt. Das bedeutet, daß H _ez umso größer wird, je größer H _G und je kleiner H _L ist. Jeder Werkstoff kann voll nur bis zur höchstzulässigen Entmagnetisierungsfeldstärke H _ez belastet werden, wobei in keinem Fall die max. Feldstärke H _G, im folgenden Grenzfeldstärke genannt, überschritten werden darf.

Das Segment 10 in Fig. 1 weist eine in Radialrichtung gemessene Segmentdicke d auf, die von der Segmentmitte aus zu dem den hochkoerzitiven Segmentabschnitt 12 aufweisenden Segmentende hin stetig, vorzugsweise linear, zunimmt. Die Größe des hochkoerzitiven Segmentabschnittes 12, d. h. die Lage der Stoßstelle 13 der beiden Segmentabschnitte 11, 12, ist nunmehr so gewählt, daß jeweils am Ende der Segmentabschnitte 11, 12 bei der Belastung des Magneten durch das Ankerquerfeld die jeweilige Grenzfeldstärke H _G des jeweiligen Magnetwerkstoffes nicht überschritten wird. Dies ist dann der Fall, wenn die Segmentdicke an der Stoßstelle 13 der beiden Segmentabschnitte 11, 12 der Bedingung

genügt, wobei

d₀= Segmentdicke in Segmentmitte, d₂= Segmentdicke an der Stoßstelle, d₁= Segmentdicke am Segmentende, H _{G 2}= Grenzfeldstärke des hochremanenten Magnetwerkstoffs des Segmentabschnittes 11 H _{G 1}= Grenzfeldstärke des hochkoerzitiven Magnetwerkstoffs des Segmentabschnittes 12.

Bei vorgegebenen Magnetwerkstoffen mit der Grenzfeldstärke H _{G 2} und H _{G 1} sowie den Magnetabmessungen d₀ und d₁ läßt sich dann ohne weiteres die Lage der Stoßstelle 13 im Segment 10 ermitteln.

Dies sei an einem Zahlenbeispiel verdeutlicht. Bei den Segmenten 10 sei:

d₀= 6 mm d₁= 8 mm H _{G 2}/H _{G 1}= 0,70.

Damit ist:

= 1-0,7 (1-0,75) = 0,83
d₂ = 7,25 mm

Bei diesem Zahlenbeispiel ist also die Stoßstelle 13 zwischen den beiden Segmentabschnitten 11 und 12 an diejenige Stelle des Segments 10 zu legen, an welcher die Segmentdicke 7,25 mm beträgt.

Bei dem Permanentmagneten gemäß Fig. 1 erstreckt sich der hochremanente Segmentabschnitt 11, d. h. der Segmentabschnitt 11 aus hochremanentem Magnetwerkstoff, von der Stoßstelle 13 der beiden Segmentabschnitte 11, 12 bis zu dem anderen Segmentende. Im Bereich zwischen diesem Segmentende und der Segmentmitte ist die Segmentdicke d, wiederum in Radialrichtung gemessen, konstant und entspricht der Segmentdicke d₀ in Segmentmitte.

Der Permanentmagnet gemäß Fig. 1 wird vorzugsweise in Kleinmotoren mit gleichsinnig drehendem Rotor eingesetzt. Dabei wird das Segment 10 derart im Magnetgestell angeordnet, daß das Segmentende mit dem hochkoerzitiven Segmentabschnitt 12 bezüglich der Drehrichtung des Rotors die ablaufende Magnetkante bildet.

Der Permanentmagnet gemäß Fig. 2, der ebenfalls aus einem im wesentlichen bogenförmigen Segment 20 besteht, unterscheidet sich von dem Permanentmagnet gemäß Fig. 1 nur dadurch, daß an jedem Segmentende ein Segmentabschnitt 22 bzw. 22′ aus hochkoerzitivem Magnetwerkstoff angeordnet ist. Somit wächst auch die in Radialrichtung gemessene Segmentdicke d von der Segmentmitte aus zu beiden Segmentenden hin stetig, vorzugsweise linear, an. Die Stoßstellen 23 bzw. 23′ zwischen dem hochremanenten Segmentabschnitt 21 und den hochkoerzitiven Segmentabschnitten 22 bzw. 22′ sind wiederum so gelegt, daß die Segmentdicke d₂ an diesen beiden Stoßstellen 23, 23′ der Gl. (1) genügt. Der Permanentmagnet gemäß Fig. 2 findet vorzugsweise Verwendung in Kleinmotoren mit in seiner Drehrichtung reversiblem Rotor.

Claims

1. Permanentmagnet für elektrische Maschinen, der von einem im wesentlichen bogenförmigen Segment mit einem Segmentabschnitt aus hochremanentem Magnetwerkstoff und mindestens einem am Segmentende angeordneten Segmentabschnitt aus hochkoerzitivem, gegenüber dem hochremanenten Magnetwerkstoff eine höhere Koerzitivfeldstärke aufweisenden Magnetwerkstoff gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die in Radialrichtung gemessene Segmentdicke (d) von der Segmentmitte aus zu dem den hochkoerzitiven Segmentabschnitt (12; 22, 22′) aufweisenden Segmentende hin stetig zunimmt und daß die Segmentdicke (d) an der Stoßstelle (13; 23, 23′) der Segmentabschnitte (11, 12; 21, 22 bzw. 22′) der Bedingung genügt, wobei sind:d₀= Segmentdicke in Segmentmitte, d₂= Segmentdicke an der Stoßstelle (13; 23, 23′), d₁= Segmentdicke am Segmentende, H _{G 2}= Grenzfeldstärke des hochremanenten Magnetwerkstoffs, H _{G 1}= Grenzfeldstärke des hochkoerzitiven Magnetwerkstoffs.

2. Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Radialrichtung gemessene Segmentdicke (d) von der Segmentmitte aus zu dem den hochkoerzitiven Segmentabschnitt (12; 22, 22′) aufweisenden Segmentende hin linear zunimmt.

3. Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hochremanente Segmentabschnitt (11) sich von der Stoßstelle (13) der beiden Segmentabschnitte (11, 12) bis zu dem anderen Segmentende erstreckt und im Bereich zwischen diesem Segmentende und der Segmentmitte eine konstante Segmentdicke (d), in Radialrichtung gemessen, aufweist.

4. Magnet nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einer elektrischen Maschine mit gleichsinnig drehendem Rotor, wobei das Segmentende mit dem hochkoerzitiven Segmentabschnitt (12) bezüglich der Drehrichtung des Rotors die ablaufende Magnetkante bildet.

5. Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich beiderseits des hochremanenten Segmentabschnitts (21) zu jedem Segmentende hin jeweils ein hochkoerzitiver Segmentabschnitt (22, 22′) anschließt.