DE3119782C2

DE3119782C2 - Kollektormaschine mit Permanentmagneten

Info

Publication number: DE3119782C2
Application number: DE19813119782
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.-Ing. 4710 Lüdinghausen Corbach; Kurt Dipl.-Ing. 7120 Bietigheim-Bissingen Zimmermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-05-19
Filing date: 1981-05-19
Publication date: 1985-01-10
Also published as: DE3119782A1

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine, insbesondere ein Kleinmotor, angegeben, der einen sogenannten Zweikomponentenmagneten aufweist. Zum Zwecke der Erhöhung der Beständigkeit der Permanentmagnete gegen Entmagnetisierung bei Starthilfen mit übergroßen Batterien oder bei Bürstenverschiebung entgegen Drehrichtung sind die beiden Segmentabschnitte - abweichend von der bisherigen Berechnungsmethode - nach den Kriterien a-d des Anspruchs 1 bemessen. Als zusätzlicher Vorteil wird bei dieser Auslegung eine höhere effektive Remanenz und damit eine Flußsteigerung erzielt.

Description

tors ermöglicht wird. Außerdem sollen auch Stoßbelastungen zu keinen bleibenden Entmagnetisierungserscheinungen führen. Diese Aufgabe wird durch die Gesamtheit der im Anspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst

Die erfindungsgemäße Maschine hat gegenüber dem geschilderten Stand der Technik den Vorteil, daß z. B. bei einer 6poligen Ausführung die Permanentmagnete trotz einer Bürstraverschiebung von 6° gegen die Drehrichtung gegenüber einem vergleichbaren Motor ohne Bürstenverdrehung und mit Permanentmagneten nach herkömmlicher Auslegung eine um den Faktor 1,23 höhere effektive Remanenz und damit einen um den gleichen Faktor höheren magnetischen Fluß aufweisen. Eine solche Flußsteigerung führt aber bei gleicher Leistung zu einer entsprechenden Volumenreduzierung. Da die Wicklungskupfer-Ersparnis mit dem Quadrat der Flußsteigerung zunimmt, hat der erfindungsgemäße Motor im Verhältnis 1 .1,51 oder 66,2% weniger Kupfer als ein herkömmlicher Motor.

Außerdem werden durch die Bemessung des höherkoerzitiven Teils Entmagnetisierungserscheini-ngen im Bereich der Stoßfuge zwischen den beiden Segmentabschnitten, die je nach Motor-Auslegung und Magnet-Beschaffenheit von Stoßbelastungen herrühren können, wirksam begegnet

Der erfindungsgemäße Motor kann als Startermotor Starthilfen mit größeren Batterien vertragen, ohne gravierenden Schaden zu erleiden.

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

Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt von Anker und Magnetgestell des Kleinmotors, in schematischer Darstellung,

F i g. 2 ein Diagramm des Verlaufs der Grenzfeidstärke der Magnetwerkstoffe der Segmentabschnitte und des Ankerquerfelds über eine Polteilung,

F i g. 3 ein Diagramm des Verlaufs der Magnetinduktion über eine Polteilung.

Von dem Kleinmotor ist in F i g. 1 nur das zum Verständnis der Erfindung Wesentliche dargestellt. Ein in F i g. 1 zu sehender Rückschlußring 10 aus ferromagnetischem Material ist Teil des feststehenden Magnetgestells. Der RQckschlußring 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 in üWicher Weise die Ankerwicklung trägt Der Anker 12 rotiert entgegen dem Uhrzeigersinn, wie ss durch Pfeil a in F i g. 1 angedeutet ist. Zwischen den Permanentmagneten 11 und dem Anker 12 verbleibt ein Luftspalt 14.

Die Permanentmagnete 11 des 2poligen 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 Segmentabschnittes 15 weist eine größere Remanenz aber eine kleinere Koerzitivfeldstärke auf als der Magnetwerkstoff des zweiten Segmentabschnitts 16. Der Segmentabschnitte 16 mit der größeren Koerzitivfeldsärke 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 höher remanenten Segmentabschnitts 15 ist gleich oder kleiner als 63% des gesamten Volumens des Segments 13. Das Volumen des höher koerzitiven Segmentabschnitts 16 beträgt 37% oder mehr des gesamten Volumens des Segments 13. Die Grenzfeldstärke Hg 2 des höherkoerzitiven Segmentabschnitts 16 ist gleich oder kleiner gewählt als das 0,85faehe des auf —20⁰C bezogenen rechnerischen Wertes der Feldstärke des Ankerquerfeldes HJ/x) an der ablaufenden Magnetkante 17. Die Grenzfeldstärke Ha 1 des höher remanenten Segmentabschnitts 15 ist gleich oder größer gewählt als das l.lfache des auf —20⁰C bezogenen rechnerischen Wertes der Feldstärke H^a) des Ankerquerfeldes an der Stoßfuge 18 der beiden Segmentabschnitte 15,16.

In Fig.2 ist der Verlauf der Grenzfeldstärke der Werkstoffe der Segmentabschnitte 15 und 16 über ein Segment 13 dargestellt und zugleich öh Feldstärke des Ankerquerfeldes über eine PolteUiinjr eingezeichnet Rückschlußring 10, Permanentmagnet 11 und Anker 12 sind schematisch dargestellt Der Kleinmotor weist folgende Daten auf:

Nutiahl N 28 mit 2 Leitern/Nut; ζ =

2,28

Polpaarzahl ρ 3

Magnethöhe Im 6,7 m

Luftspalt δ ■ k_c 1 mm

höchstzulässiger

Strom/_m„ 1575 A

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

H_ei

2 · 28 · 1575
8-3-1 (0,0067 + 0,00I)

477kA/7n.

Bei einer Bürstenverdrehung entgegen Drehrichtung (Pfeil a) von 6° liegt diese max. Feldstärke des Ankerquerfeldes im Bereich der ablaufenden Kante 17 des höherkoerzitiven Segmentabschnitts 16. Aus der linearen Abnahme des Ankerquerfeldes in Richtung Polmitte ergibt sich an der Stoßfuge 18 der beiden Segmentabschnitte 15,16 eine Entmagnetisierungsfeldstärke HJjx) von 140 kA/m (F i g. 2).
Der erfindungsgernäße Permanentmagnet ist bei diesen Motordaten wie folgt optimiert:

Der Volumenanteil des Segmentabschnitts 15 aus Werkstoff mit höherer Remanenz aber kleinerer Koerzitivfeldstärke beträgt 55% des Gesamtvolumens des Segments 13. Der Volumenanteil des Segmentab-Schnitts 16 aur Werkstoff mit höherer Koerzitivfeldstärke aber kleinerer Remanenz beträgt 45%. Der Magnetwerkstoff des höher koerzitiven Segmentahschnitts 16 ist so gewählt, daß seine Grenzfeldstärke Hc 7. bezogen auf — 20⁰C, um den Faktor 0,71 kleiner ist als die max.

Feldstärke H_qmax des Ankerquerfcldes, also 340 kA/m beträgt. Der Magnetwerkstoff des höher remanenten Segmentabschnitts 15 ist so gewählt, daß seine Grenzfeldstärke Hc 1. bezogen auf -20⁰C. um den Faktor 1.36

höher ist als die Feldstärke H₁^x) des Ankerquerfeldes an der Stoßfuge 18 zwischen den beiden Segmentabschnitten 15,16 wobei sich dieser Wert aus der linearen Abnahme des Ankerquerfeldes — wie in F i g. 2 dargestellt — rechnerisch ermittelt. Im Beispiel berträgt die Feldstärke des Ankerquerfeldes an der Stoßfuge 18 140 kA/m und demzufolge die Grenzfeldstärke Hc ι des Magnetwerkstoffes des höher remanenten Segmentabschnittes 15, bezogen auf —20⁰C, 190 kA/m.

Dieser derart bemessene Permanentmagnet ist besonders entmagnetisierungsfest. Obwohl die Grenzfeldstärke des Magnetwerkstoffes des höher koerzitiven Segmentabschnittes 16 deutlich kleiner ist als das in den Bereich des Magneten nahe der ablaufenden Magnetkante 17 verschobenen max. Ankerquerfeld, haben Ver- is suche gezeigt, daS keinerlei Entmagnetisierung stattfindet.

In F i g. 3 ist der Induktionsverlauf über die Polteilung des vorstehend beschriebenen Motors dargesieüt Diese Darstellung bestätigt das Vorstehende, nämlich daß an der ablaufenden Magnetkante 17 keine bleibende Entmagnetisierung auftritt, solange der höchstzuverlässige Strom von I_n^ = 1575 A nicht überschritten wird.

Versuche haben aber auch gezeigt, daß bei dieser Auslegung Stoßbelastungen zu bleibenden Enttnagnetisierungen im Bereich der Trennfuge 18 zwischen den beiden Segmentabschnitten 15,16 führen können. So ist in F i g. 3 mit 1 der Induktionsverlauf dargestellt wenn keine solche Stoßbelastungen auftreten. Die Kurve 2 zeigt den Induktivnsverlauf nach Auftreten von Stoßbelastungen. Deutlich zu erkennen ist die tiefe Einsattelung im Kurvenverlauf 2 als Folge einer bleibenden Entmagnetisierung des Permanentmagneten. Um einer solchen bleibenden Entmagnetisierung durch Stoßbelastungen entgegenzuwirken, wird bei dem vorstehend beschriebenen Motor der Entmagnetisierungsbereich

Afnniriesth ermittelt PntenrAphpn/1 /4i£»cj»m Pntmacrnpti-

sierungsbereich erhält der Segmentabschnitt 16 mit der höheren Koerzitivfeldstärke eine Zone 19 aus Magnetwerkstoff mit einer Koerzitivfeldstärke, die größer ist als die Koerzitivfeldstärke des übrigen Magnetwerkstoffes 20 des Segmentabschnittes 16. Diese Zone vergrößerter Koerzitivfeldstärke ist entsprechend der Lage des Entmagnetisierungsbereiches dem Segmentabschnitt 15 unmittelbar benachbart und schließt sich un- mittelbar 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

50

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

55

Claims

1 2

aufweist, welche einerseits aus Ferritmaterial und ande-

Patentanspruch: rerseits aus Stahl bestehen. Die Stahlteile können dabei

bewickelt sein. Es wird von der Tatsache Gebrauch ge-

Kollektormaschine, insbesondere Kleinmotor, mit macht, daß in dem Bereich, in dem die Ankerrückwirmindestens einem Paar an einem magnetischen 5" kung die Erregung unterstützt, ein Material mit gerin-Rückschlußteil einander diametral gegenüberliegen- gern magnetischem Widerstand verwendet wird, so daß den Permanentmagneten, die jeweils als im wesentli- der teure Ferritmagnet kleiner gestaltet werden kann,
chen bogenförmige Segmente mit jeweils minde- Aus der FR-PS 11 67 248 ist eine rohrfön, ?ige oder stens zwei Segmentabschnitten aus Magnetwerk- hufeisenförmige Dauermagnetanordnung bekannt, bei stoffen unterschiedlicher magnetischer Eigenschaf- 10 der in den Zonen geringer Entmagnetisierungsfeldstärten ausgebildet sind, wobei der Magnetwerkstoff des ken hochremanentes und in Zonen stärkerer Entmagne-Segmentabschnitts mit der bezüglich der Relativbe- tisierungen hochkoerzitives Magnetmaterial aus legierwegung zwischen Permanentmagneten und Anker ten Stählen verwende: ist Auf diese Weise kann bei auflaufenden Magnetkante eine höhere Remanenz, gleichem Volumen ein entmagnetisierungsfester Daueraber kleinere Koerzitivfeldstärke als der Magnet- 15 magnet mit größerem Nutzfluß geschaffen werden,
werkstoff des Segmentabschnitts mit der ablaufen- Bei bekannten Startmotoren der eingangs genannten den Magnetkante hat, wobei femer der Volumenan- Art geht man bei der Bemessung der Segmentabschnitteil des Segmentabschnitts mit der höheren Rema- te der Permanentmagnete und bei der Auswahl der Mazenz größer ist als der des Segmentabschnitts mit gnetwerkstoffe von einem linear zu- bzw. abnehmenden der höhersn Koerzitivfeldstärke und die Magnet- 20 Verlauf der Feldstärke des Ankerquerfeldes im Bereich werkstoffe beider Segmentabschnitte jeweils bis zu der auf Entmagnetisierung beanspruchten Magnethälfihrer Grenzfeldstarke voli ausnutzbar sind, ge- te aus. Dabei wählt man die Magnetwerkstoffe derart, kennzeichnet durch die Gesamtheit folgen- daß deren Grenzfeldstärke gleich oder größer ist als die der Merkmale: Feldstärke des Ankerquerfeldes an der jeweiligen, in

25 Drehrichtung weisenden Endkante der Segmentab-

a) die elektrische Maschine arbeitet mit Bürsten- schnitte. Grenzfefcdstärke ist diejenige Feldstärke, bei verschiebung; deren Auftreten praktisch noch keine bleibende Entma-

b) der Volumenanteil des Segmentabschnittes (15) gnetisierung der Permanentmagneten auftritt

mit der höheren Remanenz beträgt bis zu 63% Bei Starthilfe mit übergroßen Batterien, z. B. Lkw-

des Gesamtvolumens eines Segments (13); 30 Batterien, hat sich gezeigt, daß im Motor Ströme auftre-

c) der Segmentabschnitt (16) mit der höheren Ko- ten, die zwei- bis dreimal größer als der Nennstrom des erzitivfeldstärke. weist t·'je Zone (19) aus einem Motors sein können und die in den Permanentmagneten Magnetwerkstoff mit gegenüber dem übrigen eine bleibende Entmagnetisierung hervorrufen. Eine Werkstoff des Segment»' ichnitts (16) vergrö- derartige Entmagnetisierung führt jedoch zu einer beßerter Koerzitivfeldstärke auf, wobei die Zone 35 trächtlichen Leistungsverminderung, wenn nicht zum (19) mit vergrößerter Koerzitivfeldstärke dem totalen Ausfall des Startermotors. Eine Vergrößerung Segnjentabschnitt (15) mit der höheren Rema- der Koerzitivfeldstärke entsprechend dem infolge der nenz unmittelbar benachbart ist; Startströme stark vergrößerten Ankerquerfeld führt bei

d) der Magnetwerkstoff des Segmentabschnitts herkömmlicher Auslegung zu keinem brauchbaren Mo-(16) mit der höheren Koerzitivfeldstärke ist so 40 tor, da mit zunehmender Entmagr.etisierungsbeständiggewählt daß seine Grenzfeldstärke (Hc 2) keit des Permanentmagneten seine effektive Remanenz gleich oder kleiner als das 0,85fache des auf und damit der verfügbare Magnetfluß sinkt Magnet- -2O⁰C bezogenen rechnerischen Wertes der werkstoff mit Grenzfeldstärken von größer als maximalen Feldstärke (H^a)) des Ankerquer- 700 kA/m tragen kaum noch zur Flußbildung bei.
feldesist; 45 Ähnliche ungünstige Verhältnisse treten auch dann

e) der Magnetwerkstoff des Segmentabschnitts auf, wenn zur Verbesserung des Wirkungsgrades des (15) mit der höheren Remanenz ist so gewählt, Motors eine Bürstenverdrehung (entgegen Motordreh· daß seine Grenzfeldstärke (Hc 1) gleich oder richtung) vorgesehen wird. In diesem Fall rückt die magrößer als das l.lfache des auf —20⁰C bezöge- ximale Feldstärke des Ankerquerfeldes in den Bereich nen rechnerischen Wertes der Feldstärke 50 der ablaufenden Magnetkante. Um dabei der Gefahr (H^x)) des Ankerquerfeldes an der Stoßfuge der Entmagnetisierung des Permanentmagneten zu be-(18) der beiden Segmentabschnitte (15,16) ist. gegnen, müßten die Koerzitivfeldstärken der Magnetwerkstoffe in den beiden Segmentabschnitten vergrö-

Bert werden. Die herkömmliche Aufteilung führt dabei

55 zu stark unterschiedlichen Werten der Koerzitivfeldstärken in den Segmentabschnitten und zu einem weite-

Die Erfindung betrifft eine Kollektor-Maschine, ins- ren Absinken der effektiven Remanenz. Aus diesem

besondere einen Kleinmotor, gemäß dem Oberbegriff Grund wird bei Startermotoren mit Permanentmagne-

des Anspruches. Eine solche Maschine ist aus der DE- ten aus zwei oder mehr Segmentabschnitten aus Ma-

OS 25 27 461 bekannt. Der bekannte Motor trägt an 60 gnetwerkstoff unterschiedlicher magnetischer Eigen·

einem magnetischen Rückschlußteil Pcrmanentsegmen- schäften von einer Bürstenverschiebung abgesehen,

te, welche aus verschiedenen Ferriten bestehen und in Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elek-

den einzelnen Zonen hinsichtlich Koerzitivfeldstärke trische Maschine, insbesondere einen elektrischen

und Remanenz unterschiedliche magnetische Eigen- Kleinmotor mit permanentmagnetischer Erregung, da-

schaften besitzen. 65 hingehend zu verbessern, daß bei gleichem Volumen

Aus der DE-OS 19 41 180 ist ein Gleichstrom-Dyna- eine Leistungssteigerung durch die verwendeten Per-

mo bekannt, welcher im Ständer zur Erzeugung der manentmagnete oder bei vorgegebener Leistung eine

notwendigen Induktion ein Paar zweiteiliger Segmente Volumenreduzierung der Magnete und somit des Mo-