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Titel : Elektrische Maschine
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, welche zur
Erzeugung eines Erregerfeldes mindestens ein per manent, magnetisches Pol paar und
mindestens eine von einem elektrischen Strom durchfließbare Leiterbahn aufweist,
wobei das magnetische Pol paar in Form eines Permanentmagneten ausgebildet und dieser
Permanentmagnet um eine Achse rotierend, im Gehäuse der Maschine angeordnet ist,
sowie dieser Permanentmagnet scheibenförmig ausgeführt und mit der Welle der Maschine
verbunden ist, wie'auch die elektrische Leiterbahn als Flachspule ausgeführt und
mindestens einlagig auf einem Tragkörper angebracht ist, und bei welcher Maschine
die Geometrie der Leiterbahn analog der Geometrie des Permanentmagneten angepaßt
ist, sowie diese Geometrie des Permanentmagneten darin besteht, daß dessen Magnetpole
in Segmentanordnung entsprechend der Polzahl radial verlaufend, plaziert sind,
und
der Innendurchmesser dieses Permanentmagneten einen kleineren Pol abstand als dessen
Außendurchmesser aufweist, wie auch die einzelnen Magnetpole zusammengehörender
Magnetfelder durch eine neutrale-Zone voneinander getrennt snd.
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Es ist allgemein bekannt, daß insbesondere Gleichstrommotoren mit
Permanentmagneten ausgestattet sind und diese das magnetische Erregerfeld mit Nebenschlußcharakteristik
erzeugen. Dabei kann entweder ein permanentes Magnetfeld oder eine erregte Spule
als Rotor verwendet werden. Die Kommutierung erfolgt bei solchen elektrischen Maschinen
mittels Kohlebürsten oder mittels elektronischer Schaltungen, wobei diese elektronischen
Schaltungen über Sensoren phasengerecht angesteuert werden. Eine durch die Drehbewegung
des rotierenden Maschinenteils erzeugte EMK (EMK = elektromotorische Kraft) weist
durch einen gleichförmigen Verlauf von Magnetfeldlinien und den Verlauf des rotierenden
Maschinenteils, d.h. des Rotors selbst, im Magnetfeld einen sinusförmigen Verlauf
auf. Auch hat diese EMK einen entsprechenden Nulldurchgang und kehrt nach Durchlauf
desselben ihre Stromrichtung um. Die Umkehrung der Stromrichtung kann dabei mittels
bekannter Kommutierungsmittel erfolgen.
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Mit fortschreitender Entwicklung elektronischer Bauelemente, insbesondere
solcher wie Halbleiter, können elektronische Kommutierungsschaltungen bei solchen
elektrischen Maschinen verwendet werden, die mittels dieser Halbleiter die polabhängige
Umkehr der Stromrichtung durcwhführen. Die Winkelstellungen des Rotors werden bei
solchen Maschinen im allgemeinen mittels Sensoren, wie beispielsweise Hallelementen,
Lichtschranken, Hochfrequenzschaltungen oder statischen Sensoren, angezeigt, wobei
entsprechend. deren Vorzeichen diese gewonnenen Werte aus den Winkel stellungen,
in Verstärkerschaltungen, wie etwa Leistungsschaltungen, weiter verarbeitet werden.
Dabei können, da es sich bei diesen Maschinen um eine gerade Polanzahl handelt,
solche Schaltungen verwendet werden, die eine 180-Grad-Umkehrung der Stromrichtung
und
somit entsprechend einer vorgegebenen Sinusform der EMK durchführen. Der Umschaltungspunkt
der Umkehrung ist der Nulidurchgang der Sinusform dieser EMK, was gleichzeitig der
neutralen Zone des permanenten Magneten entspricht.
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In der Startphase einer solchen elektrischen Maschine ist die Frequenz
Null, so daß auch die EMK dieser Maschine Null ist. Der durch die Maschine fließende
Strom ergibt sich aus der Reihenschaltung der angelegten Spannung, dem Innenwiderstand
der Wicklung und dem Spannungsabfall an den Schaltelementen, wie etwa den Transistoren
u.a. Dieser Strom ist im übrigen konstant, wenn nicht durch die EMK eine Spannung
induziert wird, die der angelegten Spannung entgegensteht und dadurch diesen Strom
begrenzt. Da aber die Spannung sinusförmig ist und der Strom eine Rechteckform aufweist,
ist der Stromfluß, gesehen über einen Phasenwinkel von 180 Grad, nicht konstant.
An den Nulldurchgängen ist somit der Strom hoch gegenüber der maximalen EMK und
der in der Mitte der Sinusform sich befindenden EMK. Für die Ansteuerung einer solchen
Maschine werden üblicherweise Transistoren verwendet, die als Schalter einen Vorwiderstand
für die treibende Wicklung darstellen. Bei einer solchen Maschine ist durch die
vorgegebene und damit unbeeinflußbare Verlustleistung der Transistoren und der damit
verbundenen Begrenzung des Wirkungsgrades der Gesamtschaltung nicht möglich, die
Wicklung der Maschine mit veränderlichem Strom, entsprechend seiner Sinusform, anzusteuern.
Ein weiterer Verlust einer mit einer solchen Schaltung ausgerüsteten Maschine liegt
darin, daß die magnetische. Kraft, also das Drehmoment des Motors, in diesen Winkelstellungen
sehr schlecht ist, was sich für den Wirkungsgrad der Maschine doppelt negativ auswirkt.
In Fällen, in denen eine solche Maschine mit einem Wicklungsträger, der einen Eisenanker
aufweist, verwendet wird, können neben diesen Erscheinungen noch die Haltekräfte
des Magneten gegenüber dem Eisenanker auftreten, die vom Rotor noch zusätzlich überwunden
werden müssen (vgl.
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DE-OS 29 53 828).
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Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, nicht nur die vorstehenden,
nicht immer günstigen Eigenschaften zu beseitigen, sondern die elektrische Maschine
dahingehend weiterzubilden, daß diese mit einem sehr hohen Wirkungsgrad betrieben
und dennoch einfach hergestellt werden kann, und zudem diese Maschine Aufmagnetisierungen
perirhärer Bauteile vermeidet, wie auch eine solche Leiterführung ermöglicht, die
selbst bei beidseitiger Anordnung der stromdurchflossenen Leiterbahnen auf einem
Tragkörper diese winkel gerecht im Wirkungsbereich des permanenten Magnetfeldes
verbleiben.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer elektrischen Maschine
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß jede, auf dem Tragkörper angebrachte,
stromdurchfließbare Leiterbahn mindestens mit dem Bereich ihres wirksamen Abschnittes
innerhalb der Geometrie des rotierenden Permanentmagneten angeordnet ist, daß jede
Leiterbahn innerhalb dieses Abschnittes winkelgerecht und deckungsgleich zur neutralen
Zone der um die Welle angeordneten Magnetpole des Permanentmagneten verläuft, und
zwar in der Art, daß die innere Breite der Leiterbahnen im Verhältnis zur äußeren
Breite derselben winkelgerecht zur neutralen Zone des Permanentmagneten vorgesehen
ist, und jede Leiterbahn bei ihrer Umdrehung um die Achse diese neutrale Zone für
eine gewisse Zeitspanne deckungsparallel bestreicht.
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Durch diese Maßnahmen wird nicht nur die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe vorteilhaft gelöst, sondern es werden zudem weitere Vorteile erzielt. Durch
die erfindungsgemäße Ausführung der Maschine lassen sich Leiterbahnen mit großem
Querschnitt auf die Trägerplatte anbringen, wodurch die ohmschen Verluste der stromdurchflossenen
Leiterbahnen verringert werden. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden,
daß die Herstellung der stromdurchflossenen Leiterbahnen, nicht zuletzt auch wegen
deren Ausrichtung auf der Trägerplatte, sehr einfach erfolgen kann, wodurch die
Preiswürdigkeit
der Maschine wesentlich begünstigt wird. Auch
kann der Querschnitt der Leiterbahnen und/oder- deren Anzahl sehr einfach an dem
vorhandenen Volumen des Winkelraumes auf der Träger.platte ausgerichtet werden,
so daß die Leiterbahnen sehp gut an die Erfordernisse der Leistung der Maschine
optimiert werden können.
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Ein weiterer, und sicherlich sehr wesentlicher Vorteil kann darin
gesehen. werden, daß die Leiterbahnen und damit auch deren Trägerplatten mit einer
sehr guten Planität gefertigt werden können, wodurch sich auch die magnetischen
Luftspalte, d.h. der Spalt zwischen permanentem Magnetfeld und Leiterbahn, verkleinern
lassen. Durch die Schaffung ausreichend großer Freiräume zwischen den Bündeln von
Leiterbahnen auf der Trägerplatte lassen sich Sensoren für die Erfassung der magnetischen
Winkel auf die jeweilige Trägerplatte anbringen, ohne daß diese Sensoren eine große
Höhe aufweisen müssen, die dann zwangsläufig in den Luftspalt hineinragen könnte.
Die Sensoren können auf der Trägerplatte so angebracht werden, daß deren auskragende
Höhe mit der auskragenden Höhe der Leiterbahnen übereinstimmt.
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Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, daß durch die Verwendung
großer Materialquerschnitte an den Leiterbahnerr die Abführung der entstehenden
Wärme erleichtert wird, was insbesondere an den außen liegenden Leiterbahnteilen
erfolgen kann. Hinzu kommt, daß die Leiterbahnen in Mehrschichtbauweise auf eine
gleiche Welle einwirken können, wodurch sich eine kompakte Ausführung der Maschine
mit einfachen Mitteln ergibt.
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In den Zeichnungen sind einige der möglichen Ausführungsbeispiele
der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt durch
eine elektrische Maschine mit rotierendem, permanentem Magnetfeld und feststehender
Leiterbahn bzw. Trägerplatte,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine permanente
Magnetplatte mit mehreren in dieser ausgerichteten, magnetischen Polen, Fig. 3 ,
eine Draufsicht auf eine Trägerplatte mit darunter projezierter Magnetpiltte und
einige auf der Trägerplatte aufgebrachten Leiterbahnen, wie auch auf dieser Platte
angeordneten ten Sensoren, Fig. 4 ein Diagramm eines sinusförmigen Spannungsverlaufs,
bei dem neben einer ersten, abgegebenen Spannung eine um 90 Grad Drehwinkel versetzte,
zweite Spannung eingeblendet ist, wobei die Kurvenformen der Sinusverläufe der einfacheren
Zeichnung wegen geradlinig ausgeführt sind, Fig. 5 ein Diagramm eines rechteckförmigen
Stromverlaufes analog der gestrichelten Kurve des Spannungsverlaufes in Fig. 4,
durch die Leiterbahnen in Abhängigkeit vom Steuerungswinkel der Sensoren gemäß Fig.
3, Fig. v ein Diagramm eines ebenfalls rechteckförmigen Stromvèrlaufes analog der
ausgezogenen Kurve des Spannungsverlaufes in Fig. 4, durch die Leiterbahnen in Abhängigkeit
vom Steuerungswinkel der Sensoren gemäß Fig. 3, jedoch um 90 Grad phasenverschoben
gegenüber dem Stromverlauf nach Fig. 5, Fig. 7 ein Diagramm eines durch die Stromverläufe
gemäß Fig. 5 und 6 erzeugten Momentes über die jeweilige Umdrehung der Maschine,
Fig.
8 ein Diagramm des EMK-Verlaufes mit einer durch die geschaltete Betriebsspannung
erzeugten Spannungsüberhöhung als wirksame Aufnahmeleistung der Maschine, Fig. 9
eine Draufsicht auf eine Trägeeplatte mit in Meanderform auf dieser angeordneten
Leiterbahnen, Fig. 10 eine Draufsicht auf eine Trägerplatte mit keilförmig auf dieser
angeordneten Leiterbahnen und strichpunktiert angedeutetem ferromagnetischen Material
und Fig. 11 einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine mit jeweils einem
Permanentmagneten und zwei zu diesem symmetrisch angeordneten Leiterbahnen, von
denen jede von einem ferromagnetischen Material gefaßt list, und dieses Material
den magnetischen Rückschluß bildet, wobei der Schnitt durch die Leiterbahnen in
der Ebene XI-XI in Fig. 10 verläuft.
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Die elektrische Maschine 1 gemäß der Erfindung wird im wesenttlithen
von einem permanenten, magnetischen Feld, d.h.
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einem Permanentmagneten 2, und einem durch Stromfluß erzeugten, magnetischen
Feld 3, von denen das permanent-magnetische Feld, d.h. der Permanentmagnet 2, aus
mindestens einem Magnetkörper 4 und das elektro-magnetische Feld 3 aus mindestens
einem Leiterbahnsystem 5 besteht, gebildet. Der Permanentmagnet 2 kann dabei als
eine Magnetplatte mit mehreren in dieser angeordneten und ausgerichteten Magnetpolen
(N-S), wie in Fig. 2 dargestellt, oder aus einer Reihe einzelner Magnete, die konzentrisch
um eine Achse X der Maschine 1 anzuordnen sind, bestehen. Solche Ausführungen permanentmagnetischer
Felder, d.h. von Permanentmagneten 2, sind
in deren grundsätzlichem
Aufbau dargestellt bzw. angedeutet, wobei diese unabhängig von deren Ausführung
vorzugsweise als das drehende Teil, d.h. der Rotor, der Maschine ausgeführt sind.
Das Leiterbahnsystem 5, welches entgegen dem Permanentmagneten 2 von einem Strom
durchflossen wird, wird im wesentlichen von einer Trägerplatte 6 und mindestens
einer auf dieser angebrachten Leiterbahn 7 gebildet, wobei die Leiterbahn, je nach
Anwendung der Maschine 1, eine in deren Geometrie und Materialstärke genau definierte
Beschichtung auf der Trägerplatte 6 darstellt. Die Geometrie der Leiterbahn 7 kann
dabei einstückig, z.B. meanderförmig gem.
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Fig. 9 oder mehrstückig, z.B. keilförmig gem. Fig. 10, ausgeführt
sein, und es kann die Trägerplatte 6, insbesondere aus Gründen einer kompakteren
Bauweise der Maschine 1, beidseitig mit mindestens einer solchen Leiterbahn 7 ausgestattet
sein.
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In der hier dargestellten Ausführungsform der elektrischen Maschine
1 gemäß Fig. 1 ist die Trägerplatte 6 mit der auf dieser aufgebrachten, mindestens
einen Leiterbahn 7 über Stehbolzen 8 auf einer Grundplatte 9 des Maschinengehäuses
aufgesetzt und somit stationär in diesem Gehäuse angeordnet.
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Die Trägerplatte 6, die vorzugsweise kreisförmig ausgeführt ist ist
beidseitig, d.h. auf ihrer Ober- undUnterseite mit je-einer Leiterbahn 7 versehen,
wobei diese Leiterbahnen, insbesondere winkelförmig oder um einen vorgegebenen,
elektrischen Winkel gegeneinander versetzt und nur von der Trägerplatte 6 getrennt,
auf dieser angebracht sind. Zum Zwecke der Verbindung der stromdurchflossenen Leiter
dieser Leiterbahnen 7 an der Ober- und Unterseite der Trägerplatte 6 sind die jeweiligen
Enden dieser Leiterbahnen durch Verbindungen 10 durchkontaktiert, so daß die durch
sie zu fördernden Ströme diese Leiterbahnen 7 durchfließen. Die Geometrie der Leiterbahnen
7 und hier besonders die Abschnitte 11 derselben, die in Verbindung mit den permanent-magnetischen
Feldern, d.h. dem Permanentmagneten 2, die EMK erzeugen,
ist so
gestaltet, daß die einzelnen Leiterbahnen 7 auf der Trägerplatte 6 radial angeordnet
sind. Diese radiale Anordnung und damit auch die Geometrie der wirkenden Leiterbahnen
7 ist dabei s(> getroffen, daß alle Leiterbahnen 7 jeweils um einen gleichen
Winkel d versetzt, vom äußeren Rand 12 der Trägerplatte 6 zu deren Zentrum 13 hin
verlaufen und dabei deren gedachten, verlängerten Achsen in einem gemeinsamen Punkt
in diesem Zentrum 13 sich treffen. Dieser gemeinsame Punkt, d.h. das Zentrum 13,
ist der Mittelpunkt, z.B. bei kreisrunder Trägerplatte 6 der Kreismittelpunkt derselben,
durch den auch die Welle 14 der Maschine 1 geführt ist. Auf diese Weise bilden die
einzelnen Leiterbahnen 7 segmentförmige Abschnitte, ähnlich solchen Tortenstücken,
die auf deren wirksamen Länge gleichen bis annähernd gleichen Materialauftrag, z.B.
Kupfer, aufweisen. Der Materialauftrag, der fest aufgebracht und ohne Zerstörung
der Leiterbahn 7 kaum wieder von der Trägerplatte 6 getrennt werden kann, ist der
gewünschten Leistung der Maschine 1 entsprechend, nach Breite und Dicke dimensioniert
und kann durch Kleben oder sonstwie mit der Trägerplatte 6 verbunden sein.
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Die Leiterbahnen 7 selbst können bei mechanischer Herstellung derselben
geschnitten, d.h. gefräst oder gestanzt werden, oder sie können bei galvanischer
Herstellung derselben aus einem vollen Material ausgeätzt sein. Durch diese Herstellungsarten
werden Freispalte 15 zwischen den einzelnen Leiterbahnen 7 gebildet, so daß aus
einer ursprünglichen, plattenförmigen Beschichtung der Trägerplatte 6 die Leiterbahnen
7 mit der jeweils gewünschten Geometrie, z.B. dem Meander oder dem Keil (Fig. 9>
10), entstehen.
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Analog den Leiterbahnen 7, die selbst bei meanderförmiger Gestaltung
auch sektorförmige Freispalte 15 bilden, sind auch die permanent, magnetischen Felder
am Permanentmagneten 2 vorzugsweise sektorförmig ausgebildet, wobei bei Ausführung
des permanent-magnetischen Feldes als eine einzige, magnetische Scheibe diese in
sich mehrere magnetische Zonen
bzw. Pole (N-S) aufweist. Diese
magnetischen Zonen bzw.
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Pole (N-S) sind so ausgerichtet, daß ihre jeweilige neutrale Zone
16, als Linie gedacht, im gleichen Drehwinkel wie die Leiterbahnen 7 verläuft. Auf
diese Weise wird beim Drehen desPermanentmagneten 2 um dessen Achse X, d.h. mit
der Welle 14, jede neutrale Zone 16 für einen kurzen Augenblick in Deckungsgleichheit
mit der jeweiligen Leiterbahn 7 gebracht, wodurch alle Leiterbahnen nacheinander
für diesen kurzen Moment mit der neutralen Zone 16 nach Länge und Richtung parallel
und deckungsgleich verlaufen.
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In der Darstellung des Permanentmagneten 2 ist dieser gemäß Fig. 2
als Scheibe ausgeführt, und es sind an diesem acht magnetische Felder bzw. Pole
(N-S) vorgesehen, von denen jedes eine unterschiedliche Polarität nach Norden (N)
und Süden (S) aufweist. Die neutralen Zonen 16 liegen zwischen diesen unterschiedlichen
Polaritäten und üben auf die einzelnen Leiterbahnen 7 keinen Einfluß aus. Entsprechend
der keilförmigen Gestaltung der einzelnen permanent-magnetischen Felder am Permanentmagneten
2 sind deren Pol längen 17, 18 unterschiedlich, wobei dieser Unterschied sich allein
aus dem Unterschied des äußeren Durchmessers 19 zum inneren Durchmesser 20 des Permanentmagneten
2, d.h. dessen Scheibe, ergibt. Durch diese unterschiedliche Pol länge bedingt,
ist auch die jeweilige, stromdurchflossene Leiterbahn 7 in bezug auf ihren wirksamen
Abschnitt 11 bzw. deren Breite dem Unterschied der Pol längen 17, 18 und damit auch
der Polbreite angepaßt. Diese erfindungsgemäße Maßnahme ist besonders wichtig, da
die Umkehr der jeweiligen Stromrichtung in den Leiterbahnen 7 durch die erfolgte
Kommutierung nur dann optimal ist, wenn sie in der neutralen Zone 16 erfolgt. Aus
diesem Grund sind alle, die einzelnen Leiterbahnen 7 miteinander verbindenden- Stränge
21, 22 insb. etwa "parallel" zum inneren und äußeren Mantel 23, 24 der Trägerplatte
6 angeordnet und zudem außerhalb des inneren und sauberen Durchmessers 20, 19 des
Permanentmagneten 2 und damit dessen
Magnetbreite vorgesehen, was
zur Folge hat, daß eine Verminderung des Drehmomentes M der Maschine 1 nicht auftritt.
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Analog den Pollängen 17, 18 der einzelnen permanent, magnetischen
Felder am Permanentmagneten 2 weisen auch die Leiterbahnen 7, die pro Feld zu Bündeln
zusammenyefaßt sind, unterschiedliche Breiten 25, 26 auf. Die gesamte Breite eines
permanent-magnetischen Poles, d.h. die Pol länge 17, ist dabei die maximal mögliche
Breite eines sektorförmigen Magnetfeldes am Permanentmagneten 2, zu dem die Breite
25, 26 eines Bündels von Leiterbahnen 7 an der Trägerplatte 6 etwa der Hälfte der
Breite dieses permanent-magnetischen Feldes entspricht. Somit verhält sich die Pol
länge 17, 18 zur Breite des Bündels von Leiterbahnen 7 gemäß dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel der Maschine 1 wie etwa 2 : 1. Die Breite 25 eines solchen Bündels
an einem Teilkreis 27 am großen Durchmesser der Trägerplatte 6 ist demnach die Breite
der Leiterbahnen 7, die wirksam vom Strom durchflossen werden. Diese Breite am Teilkreis
27 ist wiederum identisch mit dem Durchmesser 19 des äußeren Umfanges bzw.
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Mantels des permanent, magnetischen Feldes am Permanentmagneten 2
wie auch die Breite 26 eines solchen Bündels am kleineren Öffnungsdurchmesser 20
der Trägerplatte 6 am Teilkreis 28 der Breite der noch wirksam vom Strom durchflossenen
Leiterbahnen 7 an diesem inneren Umfang, d.h.
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dem inneren Mantel, entspricht. Der Teilkreis 27 am größeren Durchmesser
der Trägerplatte 6 fällt mit dem größeren Durchmesser 19 des Permanentmagneten 2
an dessen äußerem Mantel zusammen, und es fällt auch der Teilkreis 28 am kleineren
Durchmesser der Trägerplatte 6 mit dem kleineren Durchmesser des Permanentmagneten
2 an dessen innerem Mantel zusammen. In der Darstellung der wirksamen Geometrie
der Leiterbahnen -7 gemäß Fig. 3 ist mit einem Pfeil 29 die Richtung des Stromflusses
angegeben. In dem in dieser Figur festgehaltenen Moment des sich drehenden Permanentmagneten
2 läuft dieser Pfeil 29 von Süden "S" nach Norden "N", so
daß auch
der durch die Leiterbahnen 7 geschickte Strom in dieser Richtung diese Leiterbahnen
durchfließt. Die auf diese Weise auf der Trägerplatte 6 ausgerichteten Leiterbahnen
7 bewirken durch ihre Geometrie und Stromfluß, wie auch Anordnung und Materialstärke
einerseits sowie Feldverteilung über der magnetischen Scheibe bzw. dem Permanentmagneten
2 andererseits, daß in einem weiten Bereich ein konstantes bis annähernd konstantes
Drehmoment M an der Maschine 1 ereicht wird. Dieses angestrebte, induzierte, konstante
Drehmoment M gemäß Fig. 7 ist in Abhängigkeit vom elektrischen Winkel, insbesondere
im Diagramm nach Fig.
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4, anschaulich aufgetragen. Dieses Diagramm in Fig. 4 zeigt den Spannungsverlauf
U1, wie er durch das Schneiden von Feldlinien bei einer Maschine 1 mit Konfiguration
gemäß Fig. 1 bis 3, auftritt. Analog diesem Diagramm wurde eine Spannung erreicht,
die sich, aufgetragen über einen Drehwinkel, d.h. eine Umdrehung von 360 elektrischen
Graden, sich aus einem 45 Grad Spannungsanstieg 30, einem 90 Grad konstanten Spannungsverlauf
31 und einem weiteren 45 Grad langen Spannungsabstieg 32 zusammensetzt, wobei über
den gesamten Drehwinkel gesehen, sich diese Verhältnisse umkehren und diese somit
eine positive und negative Phase durch die erfolgte Pol umkehr aufweisen. Dieser
Verlauf der Spannung, d.h. die EMK, bedeutet, daß in einem elektrischen Winkel von
2 x 90 Grad es vorteilhaft ist, nur in dieser Zeit einen Strom fließen zu lassen,
der dann optimale Drehmomente M an die Welle 14 der Maschine 1 abgibt. Aus dieser
Erkenntnis resultiert auch, daß nur in der halben, d.h. 50 %-igen, Umdrehung der
Welle 14 des Rotors pro Phase ein Strom fließt. Da aber die Maschine 1 während deren
vollen, d.h.
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100 %liegen, Umdrehung ein Drehmoment M an die Welle 14 abgeben soll,
ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine zweite Leiterbahn 7gegenüber. dem permanent-magnetischen
Feld an dem Permanentmagneten 2 mit Strom zu speisen und diese Leiterbahn elektrisch
um 90 Grad verschoben, auf die Trägerplatte 6 anzuordnen. In dem Diagramm gemäß
Fig. 4 ist der
Spannungsverlauf U2 dieser zweiten Leiterbahn 7
gestrichelt dargestellt. Zu diesen Spannungsverläufen U1 und U2 gemäß Fig. 4 verhalten
sich die Stromverläufe I1 und I2 analog, was in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist.
Auch hier sind die zu den Spannungsverläufen U1, U2 geweils gehörenden Stromverläufe
I1, I2 als ausgezogene (Fig. 6) oder gestrichelte (Fig. 5) Linien als Maximalwerte
der Einschaltdauern dieser Ströme aufgetragen.
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Aus diesen Spannungsverläufen U1, U2 bzw. Stromverläufen Ii> 12
aus den Fig. 4 bis 6 und hier resultierend aus den ausgezogenen Linien, ergibt sich
ein Spannungsverlauf an der Spule bzw. den Leiterbahnen 7 nach Fig. 8. Die schraffierte
Fläche in dieser Fig. 8, die eine Phase andeutet gibt den in dem jeweiligen 90-Grad-Sektor
erfolgenden, sowohl positiven wie auch negativen Polverlauf und damit die Spannungsüberhöhung
33 an. Diese Spannungsüberhöhung 33 ergibt sich aus der angelegten Betriebsspannung,
so daß die Darstellung des schraffierten Feldes bedeutet, daß nur in dieser Zeit
eine Energiezufuhr in die Maschine 1 erfolgt.
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Hiermit zeigt sich auch, daß der Stromfluß nur in dem Bereich der
maximalen EMK wirksam ist und dieser vom Start der Maschine 1 bis zu deren Solldrehzahl
zeitlich synchron läuft. Dies bedeutet auch, daß kein Schlupf zwischen der erregenden,
angelegten Spannung und der durch das Magnetfeld induzierten EMK auftritt. Die Maschine
1 läuft demnach vom Start bis hin zu allen ihren nachfolgenden Drehzahlen, selbst
in maximal möglicher Wechselwirkung, zwischen ihrem rotierendem Permanentmagneten
2 (Rotor) und stromdurchflossenen Leiterbahnen 7 (Stator) hinsichtlich ihres Drehmomenfixes
F konstant.
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Durch die Verschiebung des Stromflusses I1, 12 in Quadranten von 4
x 90 Grad ergibt sich, daß selbst bei maximalem Aufwand an Schaltelektronik (ebenfalls
fur 4 x 90 Grad), ein weitgehend konstantes Drehmoment M an der Welle 14 der Maschine
1
und dies, wie auch der Darstellung in Fig. 7 entnommen werden
kann, über die gesamte Umdrehung der Maschine hinweg aufrecht erhalten bleibt. Aus
dieser Fig. 7 ist auch erkennbar, daß die Drehmomentlinie für das Drehmoment M annähernd
als eine Gerade verläuft. Selbst, wenn sich minimale Abweichungen von dieser Geraden
abzeichnen sollten, sind diese ohne Bedeutung, da sie durch die ohnehin vorhandene
Schwungmasse des rotierenden Magneten, d.h. des Permanentmagneten 2, ausgeglichen
werden. Von untergeordneter Bedeutung für die optimale Funktion der Maschine 1 ist
auch die Tatsache, ob das Magnetfeld, d.h. das permanent, magnetische Feld, nur
von einem zweipoligen Magneten oder von einem mehrpoligen Magneten gebildet wird.
Analog den Darstellungen der Spannungsverläufe U1, U2 (Fig. 4) und Stromverläufe
Ii, 12 (Fig. 5, 6), wie auch der Spannungsüberhöhung 33 (Fig. 8) ist auch das Drehmoment
M der Maschine 1 gemäß Fig. j über den gleichen, elektrischen Drehwinkel aufgetragen.
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Die Herstellung der stromdurchflossenen Leiterbahnen 7 erfolgt nach
einer Reihe von Kriterien, die für den optimalen Betrieb der Maschine 1 ausschlaggebend
sind.
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Bei der Dimensionierung der Leiterbahnen 7 ist es erforderlich, oden
reinen, ohmschen Widerstend in diesen Bahnen so gering wie möglich zuhalten. Bei
vorgegebener Anzahl von Leiterbahnen 7 bedeutet dies, daß die nicht wirksamen Leiterbahnteile
38, 39 der Leiterbahnen, also die Teile, die nicht im Magnetfeld des Permanentmagneten
2 liegen, so kurz wie möglich und im Querschnitt so groß wie möglich zu halten sind.
Weiter bedeutet dies, daß das Verhältnis Pol abstand 17, 18 zu Bündelbreite 25,
26 ein wichtiger Faktor ist.
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Es hat sich gezeigt, daß dieses Verhältnis optimal bei ca.
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50 X der Polbreite 17, 18 liegt, was auch 90 Grad der elektrischen
Breite entspricht.
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Die Leiterbahnen 7 können dabei in einfacher Weise hergestellt werden,
so daß beispielsweise nach Art der "gedruckten Schaltungen", wobei auf einen Träger,
d.h. die Trägerplatte 6, vorteilhaft beidseitig, leitendes Material, z.B.
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Kupfer, aufgebracht wird. Dieses Material wird dann in der Konfiguration
der gewünschten Leiterbahn 7 mittels eines mechanischen oder galvanischen Arbeitsvorganges,
z.B. durch Fräsen, Stanzen oder Atzen, ausgearbeitet. Die Leiterbahnen 7 können
entsprechend den elektrischen Erfordernissen an beiden Seiten parallel oder in Serie
geschaltet werden, wobei insbesondere galvanisches Durchkontaktieren als Verbindung
10 in der Verarbeitung Vorteile bringt. Die Leiterbahnen 7 können, je nach Anwendung,
die Konfiguration eines Meanders (Fig. 9) oder aber die Form einer Keilspule, z.B.
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in Einzelwickelform (Fig. 10), haben. Es ist weiter vorteilhaft, den
Versatz von verschiedenen elektrischen Winkeln, z.B. 90 Grad, auf der Vorder- bzw.
Rückseite der Trägerplatte 6, zu bearbeiten, so daß auf einer Fläche beide Leiterbahnen
7, jedoch gegeneinander durch die Trägerplatte 6 isoliert, vorhanden sein können.
Weiter ist es möglich, die Leiterbahnen 7 in sogenannter Mehrlagen-Technik zu verarbeiten.Es
werden hier mehrere Leiterbahnen 7 miteinander verbunden, und es werden die Bahnen
entsprechend den elektrischen Erfordernissen parallel oder in Serie oder um einen
andern, vorgegebenen Winkel versetzt, geschaltet. Selbstverständlich können auch
andere Winkelanordnungen realisiert werden, so beispielsweise solche mit einer Teilung
von 120 Grad. Der galvanischen Herstellung de.r Leiterbahnen 7 sind, lediglich durch
die notwendige Materialstärke derselben bedingt, vielfach Grenzen gesetzt. Diese
Grenzen können jedoch umgangen werden, indem die Leiterbahnen 7 mittels einer Frästechnik,
z.B. über eine NC-gesteuerte Maschine mit gesteuerter Programmierung, erstellt werden.
Hier sind den Stärken und damit den Querschnitten der Leiterbahnen 7 annähernd keinerlei
Grenzen gesetzt, und es können mit einer solchen Herstellungstechnik auch annähernd
alle in der Praxis
vorkommenden Arten von Leiterbahnen 7 hergestellt
werden.
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Wird zudem auch eine sogenannte Vielspindeltechnik der die Leiterbahnen
7 bearbeitenden Maschinen eingesetzt, so ist eine rationelle und billige Fertigung
solcher Leiterbahnen auf Trägerplatten 6 möglich.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, die für den Schaltvorgang benötigten
Sensoren 34 gleich in den Luftspalt 35 zwischen Stator, d.h. Trägerplatte 6, und
Rotor, d.h. Permanentmagneten 2, mit einzubeziehen. Hier werden solche, z.B. Hall-Schaltgeneratoren,als
Hallschalter bzw. Sensoren gleich mit auf die Trägerplatte 6 fixiert und an den
entsprechenden N elektrischen Winkelpositionen befestigt. Durch diese Anordnung
und Ausführung ergibt sich, daß die Schaltfrequenz des Hallgenerators bzw. Sensors
34 gleich als Solldrehzahlgeber verwendet werden kann und somit weitere Tachogeneratoren
überflüssig werden. Die Sensoren 34, d.h. Hallgeneratoren bzw. Hallschalter, machen
auch eindeutige Aussagen über die Polarität des permanent-magnetischen Feldes, d.h.
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des Permanentmagneten 2, und weisen diese Aussagen als "L"-oder H-Signale
aus.
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M4ttt:der P-laizlerung der Ha-llscha;lter bzw. Sensoren 34 auf der
Tnägerplatüe- 6. kann auch eindeutig der Schalteinsatz festge-legt werden. Hier
ist es auch vorteilhaft, für die Festlegung einer bestimmten Solldrehzahl einen
zweiten Hallschalter 34' zu verwenden, der jedoch in seiner elektrischen Phase um
90 Grad gegenüber dem kommutierenden, ersten Hallschalter 34 verschoben ist. Dieser
zweite Hallschalter 34' beeinflußt in seiner Wirkung eine nachgeschaltete Pulsbreitenregelung,
welche bewirkt, daß die Elektronik bei Erreichung der gewünschten Solldrehzahl des
Motors 1 den Einschaltwinkel verändert und somit die Breite der Schaltimpulse selbst
ändert. Hierdurch wird erreicht, daß bei unbelastetem Motor, d.h. Maschine 1, die
Pulsbreite sehr schmal wird und sich in Richtung der Mitte hin zentriert. Diese
Regelungsart (Elektronik gemäß einer an sich bekannten Pulsbreitenänderung
)
berücksichtigt auch Schwankungen der Versorgungsspannung und Laständerungen der
Maschine 1. Bei der Verwendung von zwei um 90 elektrische Grade versetzten Leiterbahnen
7 kann der zweite Hallgenerator bzw. Hallschalter 34' für die Steuerung des zweiten
Stromkreises verwendet werden. Die Hallgeneratoren bzw. Sensoren 34, 34' für die
Regelung werden dann kreuzweise verwendet, d.h. der erste Hallschalter 34 steuert
die erste Spule und regelt die zweite Spule und der zweite Hallschalter 34' steuert
die zweite Spule und regelt die erste Spule. Hierdurch ergibt sich eine einfache
Regelschaltung, die alle auftretenden Parameter, wie Last, Spannung, Temperatur
und Widerstandsänderungen im Stromkreis in ihrer Regelcharakteristik erfaßt.
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Für manche Anwendungen kann es vorteilhaft sein, die Sensoren 34,
34' bzw. Hallschalter nicht im Nulldurchgang schalten zu lassen, besonders dann
nicht, wenn diese eine nachgeschaltete Schaltlogik beeinflussen sollen.
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In der Darstellung der Maschine 1 gemäß Fig. 11 ist der rotierende
Permanentmagnet 2 mittig zwischen zwei Trägerplatten 6 für Leiterbahnen 7 angeordnet,
wobei diese Leiterbahnen 7 von einem ferromagnetischen Material 36 zusätzlich gefaßt
sind. Das ferromagnetische Material 36 ist, wie auch ein Schnitt durch die Trägerplatte
6 in der Ebene XI-XI in Fig. 10 zeigt, vorzugsweise in den Freiräumen 37 zwischen
den Leiterbahnen 7 und auch außerhalb derselben vorgesehen.
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Auf diese Weise wird die Feldkonzentration des magnetischen Feldes,
z.B. des Permanentmagneten 2, erhöht, so daß in diesem Fall auch die außerhalb der
magnetischen Felder liegenden Leiterbahnteile 38, 39 erfaßt und für den Antrieb
des Rotors herangezogen werden. Dieses Erfassen der Leiterbahnteile 38, 39 hat gezeigt,
daß damit eine Steigerung des Drehmomentes M um etwa 28 % noch möglich wird. Das
Erfassen dieser Leiterbahnteile 38, 39 wurde auch aus der Erkenntnis heraus vorgenommen,
daß die magnetische Kraft
auch quer zu den Feldlinien des magnetischen
Feldes, d.h, denen des Permanentmagneten 2, wirkt. Da das ferromagnetische Material
36 elektrisch nicht leitend ist, können die Freiräume 37 zwischen den Leiterbahnen
7 auf der jeweiligen Trägerplatte 6 mit diesem Material 36 ausgefüllt werden, und
es kann das Material 36 selbst zusätzlich als Träger der Trägerplatte 6 herangezogen
werden. Auch kann dieses Material 36 mit dem jeweiligen Lagerschild 40, 41 des Gehäuses
der Maschine 1 verbunden werden, wodurch eine einfache Möglichkeit geschaffen wird,
die in der Maschine entstandene Wärme schnell nach außen zu bringen.
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Ungeachtet der Tatsache, ob die Trägerplatte 6 die Freiräume 37 aufweist
oder diese von einem ferromagnetischen Material 36 ausgefüllt sind, ist das magnetische
Feld, d.h.
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der Permanentmagnet 2, jeder Maschine 1 an einer, vorzugsweise topfförmigen
Platte 42 angebracht, die aus einem magnetisierbaren Material, wie beispielsweise
Stahl, besteht.
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Diese Platte 42 ist auf der Welle 14 der Maschine 1 aufgespannt und
läuft mit dieser Welle um die Drehachse X um.
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Zum Zwecke des magnetischen Rückschlusses des Permanentmagneten 2
ist eine weitere Scheibe 43 auf der gleichen Welle 14 angeordnet, die ebenfalls,
wie die Platte 42, mit der Welle 1 umläuft. Die Welle 14 selbst, die im Gehäuse
der Maschine 1 drehbar gelagert ist, ist in Lagern 43 gefaßt, und es sind diese
Lager an den Lagerschilden 40, 41 der Maschine 1 vorgesehen. Die Lagerschilde 40,
41 der Maschine 1 sind entweder über Schraubmittel 45, wie in Fig. 1 dargestellt,
direkt oder über Abstandshalter 46, wie in Fig.
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11 dargestellt, indirekt verbunden. Solche Verbindungen von Lagerschilden
40, 41 sind jedoch allgemein bekannt, so daß auf diese hier nicht weiter eingegangen
wird.
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Untersuchungen mit einer solchen Maschine haben indessen ergeben,
daß es vorteilhaft ist, wenn die das magnetische Feld, d.h. den Permanentmagneten
2, aufnehmende Platte 42
an ihrem Rand einen Kragen 47 aufweist.
Durch diesen Kragen 47, der sich sowohl um den Umfang als auch um eine bestimmte
Tiefe am Mantel des Permanentmagneten 2 erstreckt, wird dieser Permanentmagnet radial
an der Platte 42 gehalten, wobei.dieser Kragen 47 die Umfangskräfte aus der Zentrifugalkraft
des Permanentmagneten aufnimmt.
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Bei der schematischen Darstellung der Maschine gemäß Fig.
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1 ist von einem Ausführungsbeispiel mit einem scheibenförmigen Permanentmagneten
2 als permanent-magnetisches Feld und einer Trägerplatte 6 nebst Leiterbahnen 7
ausgegangen.
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Es ist auch möglich, die gleiche Anordnung axial, d.h. in Längsrichtung
der Welle 14, zu vervielfachen. So ist es beispielsweise möglich, vier Permanentmagneten
2 und vier Leiterbahnen 7 zu verwenden. Weiter ist es möglich, drei Permanentmagnete
2 nebst Leiterbahnen 7 als Rotor zu verwenden und zwei weitere Permanentmagnete
2 nebst Leiterbahnen 7 auf der gleichen Antriebsachse bzw. Welle 14 und gleicher
Lagerung als Generator zu verwenden. Bei der Verwendung von unterschiedlichen Polzahlen
läßt sich so auf einfacher Weise ein Frequenzumformer herstellen, der z.B. von Gleichspannung
auf 400 Hz Wechselspannung schaltet. Insbesondere läßt sich so auch auf einfacher
Weise eine Phasenverschiebung von z.e. 3 x 120 Grad erreichen. Eine weitere, große
Möglicffikeit liegt darin, daß im Gegensatz zu üblichen Gleichstrommaschinen, die
Bürsten für die Kommutierung verwenden, hier keinerlei solcher Bürsten verwendet
werden, und somit der Verschleiß der Maschine sich nur auf die Lager geschränkt,
was wiederum eine lange Lebensdauer gewährleistet. Weiter ist es auch möglich, mit
dieser Anordnung elektrische Generatoren, z. B. Lichtmaschinen für Kraftfahrzeuge,
Starter für solche und Lichtmaschinen-Starter-Kombinationen ohne Verschleißtelle
zu fertigen und zu betreiben. Wesentlich für die optimale Funktion der Maschine
1 ist, daß die tortenstückförmigen Leiterbahnen 7 winkel gerecht (Drehwinkel cc
die neutralen Zonen 16 überstreichen.
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