DE2845264C2

DE2845264C2 -

Info

Publication number: DE2845264C2
Application number: DE2845264A
Authority: DE
Inventors: Adolf Dipl.-Ing. Dr. 7582 Buehlertal De Mohr; Rainer Dipl.-Ing. Dr. 4716 Olfen De Corbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-10-18
Filing date: 1978-10-18
Publication date: 1988-12-29
Also published as: US4237397A; DE2845264A1; JPS5556456A; ES485099A0; IT7926415A0; ES8101337A1; FR2439492B1; SE438392B; SE7908611L; IT1123809B; FR2439492A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Kleinmotor, nach der Gattung des Hauptanspruchs, wie sie bei spielsweise aus der DE-OS 23 47 856 bekannt ist. Bei diesen be kannten permanent erregten Maschinen oder Motoren dient der zu den Segmentenden hin zunehmende Luftspalt zur Unterdrückung des magne tischen Geräusches der Maschine oder des Motors. Vor allem bei Per manentmagneten mit hohen magnetischen Werten und damit hoher Ener giedichte wird die spezifische Kraftbeanspruchung der Ankerzähne durch den erhöhten Zahnfluß immer stärker. Die mit zunehmender Ener giedichte der Permanentmagnete erhöhte Luftspaltinduktion bringt gleichzeitig eine enorme sprunghafte Flußänderung mit sich, die eine erhebliche Steigerung des nutfrequenten Geräusches zur Folge hat. Ein wirksames Mittel, diese magnetischen Geräusche auf einen Normal pegel herabzusetzen, besteht eben in der Zunahme des Luftspaltes zu den Segmentenden hin, da dadurch der Induktionsfluß zu den Magnet kanten hin verringert wird.

Nun nimmt aber auch die Beanspruchung des Permanentmagneten in einer Maschine oder einem Motor, die zu einer Entmagnetisierung durch das Ankerquerfeld führt, von der Magnetmitte zu der im Vergleich zu der Ankerdrehrichtung ablaufenden Magnetkante hin linear zu. Die Bean spruchbarkeit des Permanentmagneten, also seine Beständigkeit gegen die Entmagnetisierung durch das Ankerquerfeld, nimmt mit abnehmender Magnetdicke dagegen ab. Das bedeutet, daß durch die Maßnahmen zur Verminderung des magnetischen Geräusches die Beständigkeit des Mag neten gegen Entmagnetisierung herabgesetzt wird.

Aus der FR-OS 22 67 649 sind bereits Permanentmagnete bekannt, die zur Vergrößerung der Beständigkeit gegen Entmagnetisierung zwei Seg mentabschnitte aus Magnetwerkstoffen unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften aufweisen, von denen der eine eine höhere Remanenz und der andere eine höhere Koerzitivfeldstärke hat. Da die Gefahr der Entmagnetisierung besonders an der ablaufenden Magnetkante des Per manentmagneten, hier wiederum ausgeprägt beim Anlauf bei tiefen Tem peraturen, besteht, da - wie vorstehend ausgeführt - das Ankerquer feld an der ablaufenden Magnetkante am größten ist, hat man den Seg mentabschnitt aus dem höher koerzitiven Magnetwerkstoff, der gegen über dem übrigen Magnetwerkstoff allerdings eine kleinere Remanenz aufweist, an dem Segmentende des Permanentmagneten angeordnet, das die ablaufende Magnetkante bildet.

Um bei einer Anordnung, wie sie beispielsweise die FR-OS 22 67 649 zeigt, eine Optimierung des Permanentmagneten zu erreichen, wählt man in bekannter Weise die Volumenanteile der beiden Segmentab schnitte so, daß das Verhältnis des Volumens des Segmentabschnittes aus höherkoerzitivem Magnetwerkstoff zu dem Gesamtvolumen des Seg mentes gleich dem Verhältnis der Koerzitivfeldstärke des höherrema nenten Magnetwerkstoffs zu der Koerzitivfeldstärke des höherkoerzi tiven Magnetwerkstoffes ist. Solche bekannten Permanentmagnete bezeichnet man auch als Zweikomponenten-Magnete.

Will man bei der eingangs beschriebenen Maschine oder dem Motor die durch die Verjüngung des Permanentmagneten zum Magnetende hin redu zierte Beständigkeit des Permanentmagneten gegen Entmagnetisierung durch Ausbildung des Permanentmagneten als vorstehend beschriebenen Zweikomponenten-Magneten wieder kompensieren, indem man also einen Segmentabschnitt aus höherkoerzitivem Magnetwerkstoff an dem die ab laufende Magnetkante bildenden Segmentende angeordnet, so führt dies zu keinem brauchbaren Ergebnis. Es hat sich gezeigt, daß ein solcher Permanentmagnet an den Grenzflächen der beiden Magnetwerkstoffe, al so an den Stoßstellen der beiden Segmentabschnitte, entmagnetisiert.

Aus der DE-OS 26 02 650 ist ein anisotroper Segmentmagnet bekannt, welcher aus Zonen von Ferritwerkstoffen mit unterschiedlichen magne tischen Eigenschaften besteht. Der Magnet ist derart ausgebildet, daß im Bereich der höchsten Entmagnetisierungsbeanspruchung eine Zo ne aus hochkoerzitivem Ferrit vorgesehen ist. Diese Zone liegt bei der dargestellten Anordnung für einen Motor mit zwei verschiedenen Drehzahlen im Bereich der unsymmetrisch angeordneten dritten Bürste, welcher der höheren Drehzahlstufe entspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine oder einen Motor zu schaffen, deren Beständigkeit der Permanentmagnete gegen die Entmagnetisierung durch das Ankerquerfeld bei gleichbleibender Geräuschentwicklung der Maschine oder des Motors beträchtlich ge steigert ist. Diese Ergebnis soll insbesondere durch zweckmäßige Dimensionierung und Formgebung der Permanentmagnete selbst und der Stoßstellenabstände der verschiedenen Werkstoffe von der Segmentmit te erreicht werden. Ihr Energieinhalt soll dabei maximal genutzt werden, ohne daß die Grenzfeldstärke der beiden Magnetwerkstoffe überschritten wird, d. h., diejenige Feldstärke, bei deren Über schreiten eine bleibende Entmagnetisierung einsetzt.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt von Anker und Magnetgestell eines Kleinmotors,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Ent magnetisierungskurven der in den Permanent magneten gemäß Fig. 1 enthaltenen Magnetwerkstoffe.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Von dem Kleinmotor ist in Fig. 1 nur das zum Verständnis der Erfindung Wesentliche dargestellt. Ein in Fig. 1 zu sehender Rückschlußring 10 aus ferromagnetischem Material ist Teil des feststehenden Magnetgestells. Der Rückschlußring 10 trägt an seiner Innenseite zwei einander diametral gegenüberliegende Permanentmagnete 11. Im Inneren des Magnetgestells ist ein Anker 12 angeordnet, der in nicht dargestellten, am Umfang verteilten Nuten üblicherweise die Ankerwicklung trägt. Der Anker 12 rotiert entgegen dem Uhrzeigersinn, wie es durch Pfeil a in Fig. 1 angedeutet ist.

Die Permanentmagnete 11 bestehen jeweils aus einem im wesentlichen bogenförmgien Segment 13. Jedes Segment 13 nimmt in seiner radial gemessenen Segmentdicke zum Segmentende hin ab. Der zwischen dem Anker 12 und den Segmenten 13 gebildete Luftspalt 14 hat in Segment mitte den Wert l _Lo und an den Segmentenden den Wert l _{L max}. Die Segmentdicke der beiden Segmente 13 beträgt in Segmentmitte l _{M max} und an den beiden Segment enden jeweils l _{M min}. Die Segmente 13 sind so ausgebildet und bezüglich des Ankers 12 so angeordnet, daß die Abnahme der Segmentdicke von l _{M max} in Segmentmitte zu l _{M min} jeweils am Segmentende einer gleichen Zunahme des Luftspaltes l _Lo in Segmentmitte zu l _{L max} am Segmentende entspricht. Die Summe von Luftspalt und Segmentdicke ist also an jeder Stelle der Segmente 13 konstant, so daß sowohl gilt

l _{M min} + l _{L max} = const. (1)

als auch

l _{M max} + l _{L min} = const. (2)

Die beiden Segmente 13 sind also hinsichtlich ihrer Form symmetrisch ausgebildet. Jedes Segment 13 weist zwei Segmentabschnitte 15 unmd 16 aus Magnetwerkstoffen unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften auf. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist der eine Magnet werkstoff, in Fig. 2 mit dem Index 1 gekennzeichnet, eine höhere Remanenz als der andere Magnetwerkstoff, in Fig. 2 mit dem Index 2 gekennzeichnet, auf. Dagegen hat der mit dem Index 2 gekennzeichnete Magnet werkstoff eine höhere Koerzitivfeldstärke als der mit dem Index 1 gekennzeichnete Magnetwerkstoff. Der Segment abschnitt 15 besteht aus dem höherremanenten Magnetwerkstoff gemäß Index 1 in Fig. 2. Der Seg mentabschnitt 16 aus höherkoerzitivem Magnetwerkstoff gemäß Index 2 in Fig. 2 ist an demjenigen Segmentende des Segments 13 angeordnet, das bezüglich der Anker drehung (Pfeil a in Fig. 1) die ablaufende Magnet kante bildet.

Die beiden Segmente 13 sind so bemessen, daß jeweils die in Radialrichtung gemessene Segmentdicke l _{L min} an den beiden Segmentenden der Bedingung genügt:

wobei sind:

w · I _e= Ankerquerdurchflutung H _G2= Grenzfeldstärke des höherkoerzitiven Magnetwerkstoffs des Segmentabschnitts 16 (Fig. 2) B _r2= Remanenzinduktion des höherkoerzitiven Magnetwerkstoffs des Segmentabschnitts 16 (Fig. 2) β= Überdeckungswinkel des Segments 13 (Fig. 1) μ _o= absolute Permeabilität l _{L max}= Luftspalt an den Segmentenden (Fig. 1)

Unter Grenzfeldstärke wird diejenige Feldstärke des Magnetmaterials verstanden, bis zu welcher das Magnet material entmagnetisiert werden kann, ohne daß es irreversibel entmagnetisiert wird. Die Grenzfeld stärke ist festgelegt durch den Knickpunkt der Funktion B = f (H), wie in Fig. 2 eingezeichnet ist.

Die Abnahme der Segmentdicke l _M des Segments 13 von der Segmentmitte zu den Segmentenden hin erfolgt linear. Nach dem vorstehend Gesagten nimmt damit auch der Luftspalt l _L von der Segmentmitte aus zu den Segmentenden hin linear zu.

Die beiden Segmentabschnitte 15, 16 berühren sich an einer gemeinsamen Stoßstelle 17. Diese Stoßstelle 17 hat einen in Winkelgraden gemessenen Abstand α₁ von der Segmentmitte, der der Bedingung

genügt, wobei

l _Lo = Luftspalt in Segmentmitte Δ l _L = Luftspaltzunahme an den Segmentenden H _G1 = Grenzfeldstärke des höherremanenten Magnet werkstoffes des Segmentabschnittes 15 (Fig. 2) B _r1 = Remanenz des höherremanenten Magnet werkstoffes des Segmentabschnittes 15 (Fig. 2)

sind und nach dem vorstehend Gesagten gilt:

l _M + l _L = l _{M min} + l _{L max} = const.
= l _{M min} + (l _Lo + Δ l _L ) (5)

Für das Volumen V₂ des Segmentabschnitts 16 im Verhältnis zum Gesamtvolumen V _ges des Segments 13 ergibt sich bei der vorstehend beschriebenen Dimensionierung der beiden Segmente 13 für jedes einzelne Segment 13:

wobei zu setzen ist, für

und für

Der vorstehend beschriebene Kleinmotor mit den besonders bemessenen Permanentmagneten 11 sei nochmals anhand eines Zahlenbeispiels erläutert:

Es sei vorgegeben:

w · I _e= 4130 A β= 140° l _Lo= 0,05 cm Δ l _L= 0,15 cm H _G1= 230 kA/m = 2300 A/cm B _r1= 400 mT = 4000 G H _G2= 500 kA/m = 5000 A/cm B _r2= 230 mT = 2300 G

Mit diesen vorgegebenen Werten ergibt sich nach Gl. (3) für die Segmentdicke l _{M min} an den Segmentenden des Segments 13

Damit ergibt sich nach Gl. (5) für

l _L + l _M = 0,696 cm = const.

Nach Gl. (4) liegt die Stoßstelle 17 in einem Winkelabstand α₁ von der Segmentmitte, der beträgt

Bei dem so dimensionierten Segment 13 ergibt sich nach Gl. (7):

und nach Gl. (8) für

Für das Volumen V₂ des Segmentabschnittes 15 im Verhältnis zum Gesamtvolumen V _ges des Segments 13 folgt dann nach Gl. (6):

Das Volumen V₂ des Segmentabschnitts 16 beträgt also 30% und das Volumen V₁ des Segmentabschnittes 15 70% des Gesamtvolumens eines jedes Segments 13.

Es hat sich gezeigt, daß der Permanentmagnet 11, der nach dem vorstehenden Zahlenbeispiel dimensioniert ist, bei gleichem Geräuschpegel des Motors eine Beständigkeit gegen Entmagnetisierung durch das Ankerquerfeld aufweist, die gegenüber einem gleichdimensionierten Einstoff-Magneten doppelt so groß ist. Diese enorme Steigerung der Beständigkeit des Magneten muß allerdings mit einem geringfügigen Induktionsverlust erkauft werden, der jedoch in keinem Verhältnis zu dem erzielbaren Nutzen steht. Dieser Induktionsverlust entsteht dadurch, daß der Magnetwerkstoff des Segmentabschnittes 16 eine kleinere Remanenz aufweist als der Magnetwerkstoff des Segmentabschnittes 15, an der Stoßstelle 17 der beiden Segmentabschnitte 15, 16 also ein schlag artiger Induktionseinbruch erfolgt. Die effektive Remanenzinduktion des Permanentmagneten 11 nach Fig. 1 ist demzufolge etwas niedriger als die Remanenz eines Einstoff-Magneten, der aus dem einheitlichen Magnetwerkstoff besteht, der die gleiche Remanenz aufweist wie der Magnetwerkstoff des Segmentabschnittes 15. Diese effektive Remanenzinduktion des Permanent magneten 11 beträgt bei dem vorstehend angegebenen Zahlenbeispiel gegenüber einem gleichdimensionierten Einstoff-Magneten mit einer hohen Remanenz von 400 mT ca. 89%, die Induktionseinbuße also 11%.

Die Vorteile des vorstehend beschriebenen Kleinmotors, dessen Permanentmagnete 11 wie vorstehend beschrieben dimensioniert sind, sind eingangs bereits erwähnt. Diese sind: niedriges magnetisches Geräusch, große Beständigkeit der Permanentmagnete gegen Entmagnetisierung durch das Ankerquerfeld und geringstes Volumen der Permanentmagnete.

Claims

1. Elektrische Maschine, insbesondere Kleinmotor, mit mindestens zwei an einem Anker unter Bildung eines Luftspaltes einander diametral gegenüber liegenden Permanentmagneten, die jeweils aus einem im wesentlichen bogenförmigen Segment mit zu den Segmentenden hin abnehmender Segmentdicke bestehen, wobei jedes Segment so angeordnet ist, daß die Abnahme der Segmentdicke einer gleichen Zunahme des Luftspaltes entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment (13) zwei Segmentabschnitte (15, 16) aus Magnetwerkstoffen (1, 2) unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften aufweist, von denen der eine eine höhere Remanenz und der andere eine höhere Koerzitivfeldstärke hat, daß der Segmentabschnitt (16) aus höher koerzitivem Magnetwerkstoff (2) an dem bezüglich der Relativbewegung zwischen Permanentmagneten (11) und Anker (12) die ablaufende Magnetkante bildenden Segmentende angeordnet ist, daß die in Radialrichtung gemessene Segmentdicke (l _M ) an den beiden Segmentenden der Bedingung genügt und daß die Stoßstelle (17) der beiden Segmentabschnitte (15, 16) einen in Winkelgraden gemessenen Abstand ( α₁) von der Segmentmitte hat, der der Bedingung genügt, wobei sind:w · I _e= Ankerquerdurchflutung H _G2= Grenzfeldstärke des höherkoerzitiven Magnetwerkstoffes des Segmentabschnitts 16 (Fig. 2) B _r2= Remanenzinduktion des höherkoerzitiven Magnetwerkstoffes des Segmentabschnitts 16 (Fig. 2) β= Überdeckungswinkel des Segments 13 (Fig. 1) μ _o= absolute Permeabilität l _{L max}= Luftspalt an den Segmentenden (Fig. 1) l _Lo= Luftspalt in Segmentmitte (Fig. 1) Δ l _L= Luftspaltzunahme an den Segmentenden H _G1= Grenzfeldstärke des höherremanenten Magnetwerkstoffes des Segmentabschnittes 15 (Fig. 2) B _r1= Remanenzinduktion des höherremanenten Magnetwerkstoffes des Segmentabschnitts 15 (Fig. 2)

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina (V₁, V₂) der Segmentabschnitte (15, 16) derart bestimmt sind, daß das Verhältnis des Volumens V₂ des Segmentabschnittes (16) aus dem höherkoerzitiven Magnetwerkstoff (2) zu dem Gesamtvolumen V _ges des Segments (13) der Bedingung genügt, wobei zu setzen ist für und für