DE3119782A1

DE3119782A1 - Elektrische maschine, insbesondere kleinmotor

Info

Publication number: DE3119782A1
Application number: DE19813119782
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.-Ing. 4710 Lüdinghausen Corbach; Kurt Dipl.-Ing. 7120 Bietigheim Zimmermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-05-19
Filing date: 1981-05-19
Publication date: 1982-12-16
Also published as: DE3119782C2

Description

31Ί 9782

Hoser
13,4-1981

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Elektrische Maschine, iasbesondere Kleinmotor

Stand -der Technik

Bi@ Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Kleinmotor, nach der Gattung des Hauptanspruchs= Solche Motoren mit Permanentmagneten aus verschiedenen Magnetwerkstoffen, sogenannten Zwei- oder Mehrkomponenten-Magneten, werden insbesondere als Startermotoren für Kraftfahrzeuge verwendet, da diese eine große Beständigkeit gegen Entmagnetisierung, insbesondere beim Start bsi niedrigen Temperaturen, besitzen.

Bei bekannten Startsrmotorea der eingaags genannt „_t Art geht man bei der Bemessung der Segmentabschnitte der Permanentmagnete und bei der Auswahl der Magnetwerkstoff von einem linear au- bzw. abnehmenden Verlauf der Feldstärke des Ankerquerfeldes im Bereich der auf Magnetisierung beanspruchten Magnethälfte aus. Dabei wählt man die Magnetwerkstoffe derart, daß deren Grens-feidstärken gleich oder größer ist als die Feldstärke des Ankerquerfeldes an der jeweiligen, in Drehrichtung weisenden Endkante der Segmentabschnitte»

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Bei Starthilfe mit übergroßen Batterien, z.B. Lkw-Batterien, hat sich gezeigt, daß im Motor Ströme auftreten, die zweibis dreimal größer als der Strom im Nennbetrieb des Motors sein können und die in den Permanentmagneten eine bleibende Entmagnetisierung hervorrufen. Eine derartige Entmagnetisierung führt jedoch zu einer beträchtlichen Leistungsverminderung, wenn nicht zum totalen Ausfall des Startermotors. Eine Vergrößerung der Koerzitivfeidstärke entsprechend des infolge der Startströme stark vergrößerten Ankerquerfeldes führt bei herkömmlicher Auslegung zu keinem brauchbaren Motor, da mit zunehmender Entmagnetisierungsbeständigkeit des Permanentmagneten seine effektive Remanenz und damit der verfügbare Magnetfluß sinkt. Magnetwerkstoffe mit Grenzfeldstärken von größer700 kA/m tragen kaum noch zur Flußbildung bei.

Ähnliche ungünstige Verhältnisse treten auch dann auf, wenn zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Motors eine Bürstenverdrehung (entgegen Motordrehrichtung) vorgesehen wird. In diesem Fall.rückt die max. Feldstärke des Ankerquerfeldes in den Bereich der ablaufenden Magnetkante. Um dabei der Gefahr der Entmagnetisierung des Permanentmagneten zu begegnen, müßten die Koerzitivfeidstärken der Magnetwerkstoffe in den beiden Segmentabschnitten vergrößert werden. Die herkömmliche Aufteilung führt dabei zu stark unterschiedlichen Werten" der Koerzitivfeidstärken in den Segmentabschnitten und zu einem weiteren Absinken der effektiven Remanenz. Aus diesem Grund wird bei Startermotoren mit Permanentmagneten aus zwei oder mehreren Segmentabschnitten aus Magnetwerkstoff unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften, von einer Bürstenverschiebung abgesehen.

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Vorteile der Erfindung

Di© ©rfindungsgemäße Maschine, bzw. der erfindungsgemäße Kleinmotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß z.B. bei einer 6-poligen Ausführung die Permanentmagnete trotz einer Bürstenverschiebung von 6° gegen die Drehrichtung gegenüber einem vergleichbaren Motor ohne Bürstenverdrehung und mit Permansatmagneten nach herkömmlicher Auslegung eine um den Faktor 1,23 höhere effektive Remanenz und damit einen um den gleichen Faktor höheren magnetischen Fluß aufweisen. Bias solche Flußsteigerung führt aber bei gleicher Leistung su eiaer entsprechenden Volumenreduzierung. Da die Wicklungskopf ©r-Ersparnis mit dem Quadrat der Flußsteigerung zunimmt, hat der erfindiangsgemäße Motor um den Faktor 1,56 weniger Wicütlungskupfer als ein herkömmlicher Motor,

Der ©rfindungsgemäße Motor kann als Startermotor selbst Starthilfen mit Batterien 24 V, 143 Ah vertragen, ohne gravierenden Schaden zu erleiden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 2, insbesondere in Verbindung mit Anspruch 3. Mit diesen Maßnahmen wird Entmagnetisierungserschetrimgen im Bereich der Stoßfuge zwischen den beiden Segnr .cabschnitten, die je nach Motor-Auslegung und Magnet-Berchaffenheit von Stoßbelastungen herrühren können, wirksam begegnet.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines.--in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels eines Kleinmotors für Kraftfahrzeuge in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Pig. 1 einen Querschnitt von Anker und Magnetgestell des Kleinmotors, in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein Diagramm des Verlaufs der Grenzfeldstärke der Magnetwerkstoffe der Segmentabschnitte und des Ankerquerfelds über eine Polteilung,

Fig. 3 ein Diagramm des Verlaufs der Magnetinduktion über eine Polteilung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Von dem Kleinmotor ist in Fig. 1 nur das zum Verständnis der Erfindung Wesentliche dargestellt. Ein in Fig. 1 zu sehenderRückschlußring 10 aus ferromagnetisehern Material ist Teil des feststehenden Magnetgestells. Der Rückschlußring 10 trägt an seiner Innenseite zwei einander diametral gegenüberliegende Permanentmagnete 11. Im Innern des Magnetgestells ist ein Anker 12 angeordnet, der in nicht dargestellten, am Umfang verteilten Nuten üblicherweise die Ankerwicklung trägt. Der Anker 12 rotiert entgegen Uhrzeigersinn, wie es durch Pfeil a in Fig. 1 angedeutet ist. Zwischen den Permanentmagneten 11 und dem Anker 12 verbleibt ein Luftspalt 14.

Die Permanentmagnete 11 des 2-poligen Kleinmotors bestehen jeweils aus einem im wesentlichen bogenförmigen Segment 13. Jedes Segment 13 weist zwei Segmentabschnitte 15 und 16 aus Magnetwerkstoff unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften auf. Der Magnetwerkstoff des ersten größeren Segmentabschrfitts 15 weist eine höhere Remanenz aber eine kleinere Koerzitivfeldstärke auf als der Magnetwerkstoff des zweiten kleineren Segmentabschnitts 16. Der kleinere Segmentabschnitt 16 mit der größeren Koerzitivfeldstärke aber kleineren Remanenz

ist an der bezüglich der Relativbewegung zwischen den Permanentmagneten 11 und dem Anker 12 die ablaufende Magnetkante 17 bildenden Segmentende angeordnet.

Die beiden Segmentabschnitte 15 und 16 sind im einzelnen wie folgt bemessen:

Das Volumen des größeren hochremanenten Segmentabschnitts ist gleich oder kleiner als 63 % des gesamten Volumens des Segments 13. Das Volumen des kleineren hochkoerzitiven Seg- -mentahschsiitts 16 beträgt 37 % oder mehr des gesamten Volumens des Segments 13, Die Grensfeidstärke H _ des kleineren Segmentabschnitts 16 ist gleich oder kleiner gewählt als das 0,85-fache des auf -20 C bezogenen rechnerischen Wertes der feldstärke des Ankerquerfeldes H (£.) an der ablaufenden Magnetkante 17. Die Grenzfeldstärke H_, des größeren Segmeatabsehnitts 15 ist gleich oder größer gewählt als das 1,1-fache des auf -20° C bezogenen rechnerischen Wertes der Feldstärke H (,£;) des Ankerquerfeldes an der Stoßfuge 18 der beiden Segmentabschnitte 15,16.

In Pig» 2 ist der Verlauf der Grenzfeldstärke der Werkstoffe der Segmentabschnitte 15 und 16 über ein Segment 13 dargestellt und zugleich die Feldstärke des Ankerquerfeldes über eine Polteilung eingezeichnet. Rückschlußring 10, ^T ^rmanentmagnet 11 und Anker 12 sind schematisch dargeste\xt. Der Kleinmotor weist folgende Daten auf;

i = 28 mit 2 Leiter/Nut_; ζ =2.28 Polpaarzahl ρ = 3
Magnethöhe Im = 6,7 mm

Lufspalt ö'k = 1 mm

höchstzulässiger Strom χ = 1575 A

max

Daraus errechnet sich eine max. Feldstärke des Ankerquerfeldes in Mitte Pollücke:

z»I
max

gmax = r

8«p.a (1 + ö-k )

2»28·1575

8·3«1·(Ο,0067 + 0,001) = 477

Bei einer Bürstenverdrehung entgegen Drehrichtung (Pfeil a) von 6° liegt diese max. Feldstärke des AnkerquerfeQldes im Bereich der ablaufenden Kante 17 des hochkoerzitiven Segmentabschnitts 16. Aus der linearen Abnahme des Ankerquerfeldes in Richtung Polmitte ergibt sich an der Stoßfuge 18 der beiden Segmentabschnitte 15, 16 eine Entmagnetisierungsfeidstärke H (0O von 140 kA/m(Fig. 2).

Der erfindungsgemäße Permanentmagnet ist bei diesen Motordaten wie folgt optimiert:

Der Volumenanteil des größeren Segmentabschnitts 15 aus Werkstoff mit höherer Remanenz aber kleinerer Koerzitivfeidstärke beträgt 55 % des Gesamtvolumens des Segments 13. Der Volumenanteil des kleineren Segmentabschnitts 16 aus Werkstoff mit höherer Koerzitivfeldstärke aber kleinerer Remanenz beträgt 45 %. Der Magnetwerkstoff des hochkoerzitiven Segmentabschnitts 16 ist so gewählt, daß seine Grenzfeldstärke H „, bezogen auf -20 C,um den Faktor 0,71 kleiner ist als die max. Feldstärke H des Ankerquerfeldes, also 340 kA/m be-

qmax

trägt. Der Magnetwerkstoff des hochremanenten Segmentabschnitts 15 ist so gewählt, daß seine Grenzfeldstärke H^₁₁ , bezogen auf -20 C, um den Faktor 1,36 höher ist als die Feldstärke H («Q des Ankerquerfeldes an der Stoßfuge 18 zwischen den beiden SegmentabschniLtten 15,16 wobei sich dieser Wert aus der linearen

des Ankerquerfeldes - wie in Fig. 2 dargestellt rechnerisch ermittelt. Im Beispiel beträgt die Feldstärke des Ankerquerfeldes an der Stoßfuge 18 140 kA/m und demzufolge die Grenzfeidstärke des Magnetwerkstoffes des hc.chremanenten Segmentabschnittes 15, bezogen auf - 20 C , 190 kA/m.

Dieser derart bemessene Permanentmagnet ist besonders entraagnetisierungsfest. Obwohl die Grensfeldstärke des Magnetwerkstoff es des.hochreKtanenten Segmentabschnittes ' 16 deutlich kleiner ist als das in den Bereich des Magneten nah® dsr ablaufenden Magnetkante 17 verschobenen max. Ankerqtt©rf@ld₈ haben Versuche gezeigt* daß keinerlei Entmagnetisierung stattfindet.

In Fig» 3 ist der Inäuktionsverlauf über die Polteilung des vorstehend beschriebenen Motors dargestellt. Dieser Darstellung bestätigt das Vorstehende, ngfeüLieh das an·'der ablaufenden Magnetkante 17 keine bleibende Entmagnetisierung auftritt, solange der hochstzulässige Strom von I =

Iu el X

1575 A nicht überschritten wird.

Versuche haben aber auch gezeigt, daß bei dieser Auslegung Stoßbelastungen zu bleibenden Entmagnetisierungen im Bereich der Trennfuge 18 zwischen den beiden Segmentabschnitten 15,16 führen können« So ist in Fig. 3 rtr'-; 1 der Induktionsverlauf dargestellt, wenn keine s- xche Stoßbelastungen auftreten. Die Kurve 2 zeigt den Induktionsverlauf nach Auftreten von Stoßbelastungen.ßeutlieh zu erkennen ist die tiefe Einsattelung im Kurvenverlauf als Folge einer bleibenden Entmagnetisierung des Permanentmagneten» Um einer solchen bleibenden Entmagnetisierung durch Stoßbelastungen entgegensuwirken, wird bei dem vorstehend beschriebenen Motor der Entmagnetisierungshereich empirisch ermittelt. Entsprechend diesem Entmagnetisierungsbereich erhält der kleinere Segmentabschnitt

69 S θ

mit der höheren Koerzitivfeidstärke eine Zone 19 aus Magnetwerkstoff mit einer Koerzitivfeidstärke, die größer ist als die Koerzitivfeidstärke des übrigen Magnetwerkstoffes des Segmentabschnittes 16. Diese Zone vergrößerter Koerzitivfeldstärke ist entsprechend der Lage des Entmagnetisierungsbereiches dem Segmentabschnitt 15 unmittelbar benachbart und schließt sich unmittelbar an die Stoßfuge 18 an. Dieser Permanentmagnet 11' ist in Fig. 3 schematisch oben im Bild dargestellt. Die Zone 19 ist hier mit 26 % des Gesamtvolumens des Segments 13 gewählt.

Leerseite

Claims

13.4.1981

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Ansprüche

1„ ι Elektrische Maschine, insbesondere Kleinmotor, mit mindestens zwei an einem Anker einander diametral gegenüberliegenden Permanentmagneten, die jeweils als im wesentlichen bogenförmige Segmente mit jeweils zwei Segmentabschnitten aus Magnetwerkstoffen unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften ausgebildet sind, wobei der Magnetwerkstoff des einen Segmentabschnitts eine höhere Remanenz aber kleinere Koerzitivfeldstärke als der Magnet\tferkstoff des anderen Segmentabschnitts und letzterer an dem bezüglich der Relativbewegung zwischen Permanentmagneten und Anker die ablaufende Magnetkante bildenden Segmentende angeordnet ir. r gekennzeichnet durch folgende ,emessung der Segmentabschnitte:

a) Das Volumen des hochremanenten Segmentabschnitts

(15) ist gleich oder kleiner als 63 % des Gesamtvolumens des Segments (13),

b) das Volumen des hochkoerzitiven Segmentabschnitts

(16) ist gleich oder größer als 37 % des Gesamtvolumens des Segments (13),

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c) die Grenzfeldstärke (H_Q2) des hochkoerzitiven Segmentabschnitts (16) ist gleich oder kleiner als das 0,85-fache des auf -20° C bezogenen rechnerisehen Wertes der max. Feldstärke (H («O ) des Anker-

querfeldes,

d) die Grenzfeldstärke (H_G1) des hochremanenten Segmentsabschnitts (15) ist gleich oder größer als das 1,1-fache des auf -20° C bezogenen rechnerischen Wertes der Feldstärke (H («(.) ) des Ankerquerfeldes an der Stoßfuge (18) der beiden Segmentabschnitte 15,16.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hochkoerzitive Segmentabschnitt (16) eine Zone (19) aus Magnetwerkstoff mit gegenüber dem übrigen Magnetwerkstoff des Segmentabschnitts (16) vergrößerter Koerzitivfeldstärke aufweist und daß die Zone (19) mit vergrößerter Koerzitivfeldstärke dem hochremanenten Segmentabschnitt (15) unmittelbar benachbart ist.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (19) mit vergrößerter Koerzitivfeldstärke sowohl hinsichtlich des Volumenanteils als auch der Größe der Koerzitivfeldstärke entsprechend einem am Permanentmagneten (11) ohne eine solche Zone (19) experimentell bestimmten Entmagnetisierungsbereich bemessen ist.