DE3306758A1 - Permanentmagnet-motoren und -generatoren mit maximierter energiedichte und maximiertem wirkungsgrad - Google Patents

Description

y älO-8758

CV11P-2509+GH

Perhiaηeηtrnay net-Motoren und -Generatoren mit r.iax inn' erter Energiedichte und maximiertem Wirkungsgrad

Die Erfindung ist gerichtet auf Elektromotoren oder Generatoren, insbesondere auf Motoren und Generatoren, die mit einem Permanentmagneten als Quelle für den Magnetfluß arbeiten und bei denen die Energiedichte und die Ausgangsleistungsdichte des Motors oder Generators auf einen Maximalwert gebracht und ein verbesserter Wirkungsgrad (d.h. Verhältnis von abgegebener Leistung zu zugeführter Leistung) erreicht ist und verbesserte Drehzahl-Drehmoment-Kenniinien ii" Vergleich zu den üblichen Permanentmagnetbauweisen sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen zu erzielen sind.

In dem nachstehenden Text werden zeitweise die folgenden begriffe benutzt, und um die Bezugnahme zu vereinfachen, wird die Bedeutung dieser Begriffe hierunter erläutert:

(1) Magnetischer Fluß - ein Merkmal eines von einer magnetomotorischen Kraft erzeugten Energiefeldes. Wenn dieser Zustand eine Größenänderung erfährt, wird in einem mit ihm verknüpften elektrischen Leiter eine Spannung hervorgerufen. Den Fluß stellt man sich als Kraftlinie oder Kraftlinien vor (imaginär).

b (.0 Magnetflußdichte (B) - Die Größe eines eine Einheitsfläche senkrecht durchsetzenden magnetischen Flusses.

(3) Sättigungsmagnetflußdichte

O O UD / ÜO

Z CV1 1P-2609t-GH

(3) Sättigungsmagnetf1ußdichte (B ) - die maximale Magnetflußdichte, die in einem Werkstoff erzeugt werden kann. Es ist die gemessene Magnetflußdichte abzüglich der Magnetflußdichte im Vakuum.
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(4) Remanente Magnetflußdichte (B ) - die Magnetflußdichte eines Permanentmagnetwerkstoffs nach dessen Sättigung und
nachdem die Magnetfeldstärke anschließend auf Null gesenkt worden ist (auch als Remanenz bezeichnet).
IO

(δ) Magnetomotorische Kraft (F) - die räumliche Verteilung der zeitlichen Ableitung der Ladung, wodurch das Magnetfeld offenbart ist.

(6) Magnetische Feldstärke (H) - ein Merkmal eines Magnetfeldes, durch ein Linienintegral (d.h. magnetomotorische
Kraft je Längeneinheit) auf die magnetomotorische Kraft bezogen, auch als Koerzitivkraft bezeichnet. Sie wird durch
Stromschleifen oder einen Permanentmagneten erzeugt.

(7) Eigenmagnetfeldstärke (H ) - die Magnetfeldstärke, die erforderlich ist, um die Magnetflußdichte in einem Permanentmagnetwerkstoff auf Null herabzusetzen, nachdem er gesättigt worden ist (d.h. gleich der maximalen Koerzitiv-

kraft).

(■8) Entmagnetisierungskurve - der Teil der Hysteresisschleife eines Permanentmagnetwerkstoffs, der im zweiten
Quadranten liegt. Dieser Kurvenabschnitt wird begrenzt von B und H .

(9) Energieprodukt (BH) - eine zum Vergleichen von Permanentmagneten geeignete technische Einheit; das Produkt aus der Magnetflußdichte und der magnetischen Feldstärke an
einem Punkt auf der Entmagnetisierungskurve eines Werkstoffs; gemessen in Energie pro Volumen.

(10) Maximales

. CV11P-2609 + GH

(1ϋ) Maximales L η e r g i e ρ rο d u k t (BH ) - das Produkt aus B

in a x

und H, das größer ist als an jedem beliebigen Punkt auf der Entmagneti s i erungskurve .

^ (11) Lnergiedichte (E/V) - die Energie pro VoIumeneinheit in ccjs-Εϊ nhei ten, ermittelt durch Division des Energieprodukts durch 8 ~.

{]?.) Ausgangsleistungsdichte - die Ausgangsleistung pro Einheit des Volumens eines Motors oder Generators.

(13) Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung - das Verhältnis von abgegebener Leistung zu aufgenommener Leistung eines Motors oder Generators.

(14) Arbeitspunkt - derjenige Punkt auf der Entmagnetisierungskurve eines Permanentmagneten, in dem der Magnet in einem Hagnetkreis benutzt wird, bestimmt durch die Luftspaltgröße oder sonstige physikalische Merkmale des Magnetkreises, in dem der Permanentmagnet benutzt wird, oder durch andere äußere Einflüsse wie äußere Magnetfelder oder Temperatur.

(15) Hängenbleiben beim Hochlauf - ein Merkmal von mit gezahnten Bauelementen arbeitenden elektrischen Maschinen, derart, daß ein Drehmoment erforderlich ist, um den Rotor über eine Strecke von einem Zahn zum nächsten zu verschieben - mit Vorteil bei Schrittmotoren ausgenutzt.

(16) Magnetischer Widerstand (Reluktanz) (R) - das Verhältnis der magnetomotorisehen Kraft zum magnetischen Fluß in einem Magnetkreis oder einem Bauelement in einem solchen Kreise. Der magnetische Widerstand eines bestimmten Bauelements eines Kreises ist proportional zu seiner Länge in

ϋ5 Richtung der Kraftlinien und umgekehrt proportional zu seiner magnetischen Permeabilität und Querschnittsfläche.

(17) Lineare

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-Ad-

(17) Lineare Drehzahl -Drehmoment-Kennl i ni e - das Merkmal eines Motors, wonach sein Ausgangsdrehmoment praktisch linear proportional zu der Zunahme seiner Umlaufgeschwindigkeitabnimmt.
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Bei den üblichen Konstruktionen von Motoren und Generatoren oder anderen elektrischen Maschinen, die mit permanenten ("hartmagnet!sehen") Magneten aus Alnico, Ferrit, Kobalt oder ähnlichen Werkstoffen arbeiten, pflegt man den Magneten an einem Arbeitspunkt zu benutzen, der nahe dem Punkt der remanenten Magnetflußdichte liegt, indem man einen ausreichend engen Luftspalt als Bauelement des Magnetkreises verwendet, in dem der Magnet so eingesetzt wird, daß der magnetische Widerstand des Kreises auf einen Kleinstwert und damit die Flußdichte auf einen Höchstwert gebracht wird. In derartigen elektrischen Maschinen kann der Permanentmagnet, der als Quelle des magnetischen Flusses in dem Magnetkreis dient, entweder in dem Rotor- oder in dem Statorteil untergebracht werden, während die leitende FeIdwicklung der Maschine, die mit dem Magnetkreis zusammenwirkt, um die Drehung eines Motors oder eine Abgabe elektrischer Leistung eines Generators hervorzurufen, auf dem anderen Element angeordnet ist, üblicherweise angebracht auf einem Kern von weichmagnetischem Werkstoff, mit dem der Permanentmagnet den Magnetkreis bildet. Das erwähnte Bauelement "Luftspalt" des Magnetkreises befindet sich normalerweise zwischen dem Permanentmagneten und dem Kern und bringt, wenn der Spalt so klein wie möglich gehalten wird, normalerweise den magnetischen Widerstand des flagnetkrei ses auf einen Kleinstwert. Eine derartige Minimierung des magnetischen Widerstands des Magnetkreises läßt wiederum einen Arbeitspunkt des Magneten erreichen, der zur Herbeiführung eines Höchstwerts des Flusses in dem Kreis gemäß folgender grundlegenderBeziehung

Fluß - ^ma9!-^-^ril._^^

mTgnetTscHe'r WTVerstand

geeignet ist.

JS, CV 1 1 P-2609 + GH

* ^4tt'

Der Luftspalt ist wegen der niedrigen magnetischen Permeabilität der Luft normalerweise das wichtigste Widerstandsbauelement in dem Kreise (da der Magnet und der Kern üblicherweise hohe magnetische Permeabilität aufweisen, wenn

b keine nachteiligen Einflüsse durch Temperatur und Hochfrequenzbetrieb vorliegen) .

Die Minimierung des Luftspalts zur Maximierung des Flusses in Permanentmagnetmaschinen wird üblicherweise durch Ver-Wendung von gezahnten Kerngebilden erreicht, bei denen die Zwischenräume zwischen den Zähnen zur Aufnahme der Wicklung vorgesehen sind und die dadurch, daß sie die Spitzen der Zähne in nahe Nachbarschaft zu dem Permanentmagneten bringen, die effektive Weite des Luftspalts zu minimieren su-

Ib chen. Gelegentlich haben die Konstrukteure früher die ungezahnten Kerne bei Permanentmagneteinrichtungen aus bestimmten Gründen aufgegeben, etwa um Hängenbleiben beim Hochlauf zu vermeiden, um die Wicklung leichter und billiger ein- und ausbauen zu können, um die Herstellung zu vereinfachen, oder um Harmonische auszuschalten, die mit der Feldverteilung durch Zähne verbunden sind, und um so ein Sinus feld zu erzielen. Aber auch wenn derartige Zähne bei einer Permanentmagnetvorrichtung weggelassen wurden, haben die Konstrukteure trotzdem versucht, den Luftspalt so klein wie möglich zu halten, um einen Höchstwert des Flusses in dem Magnetkreis zu erzielen. Ein Beispiel für eine frühere ungezahnte Permanentmagnetkonstruktion ist in der US-Patentschrift 4 130 769 (Karube) beschrieben, nach welcher ein ungezahntes Kerngebilde benutzt wird, um einen billigen

yO Ein- und Ausbau der Wicklung zu ermöglichen, trotzdem wird aber ein möglichst enger Luftspalt angestrebt, der der kleinsten Abmessung der Wicklung angepaßt ist, damit die Drehmomentanforderungen des Motors erfüllt werden. Auch nach der US-Patentschrift 4 135 107 (Kamerbeek et al.) wird ein ungezähnter Kern zur Ausschaltung von Harmonischen verwendet, um ein Sinusfeld zu erreichen, aber ebenso wird

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Wert auf einen möglichst engen Luftspalt gelegt, indem bei der Konstruktion der Rotor so groß wie möglich gewählt wird. Vergleichbare ungezahnte Konstruktionen sind in den US-Patentschriften 2 952 788 (Volkerling et al.), 3 360 668 (Faulhaber), 4 019 075 (Kagami) und 4 080 540 (Karube) beschrieben.

Es gibt verschiedene Gründe, weshalb ein kl einstmöglieher Luftspalt und ein infolgedessen höchstmöglicher Fluß in dem Magnetkreis die Konstruktion von früheren Permanentmagnetmotoren und -generatoren bestimmt haben. Ein Grund ist das Wissen darüber, daß die von einem derartigen Motor oder Generator entwickelte Ausgangsleistung proportional der Flußdichte des Magnetkreises ist und daß, da normalerweise der Wunsch nach einer maximalen Ausgangsleistung besteht, dementsprechend die Forderung erhoben wird, die Flußdichte so groß wie möglich zuhalten.

Wichtiger noch: die früheren Lehren haben die Konstrukteure ausdrücklich dazu angehalten, mit Permanentmagneten wegen der Gefahr einer irreversiblen Entmagnetisierung des Permanentmagneten bei hohen Flußdichten zu arbeiten. Das Problem der irreversiblen Entmagnetisierung bei jedem Permanentmagnetmotor oder -generator ist ernst zu nehmen, weil verschiedene äußere Einflüsse den Arbeitspunkt eines Permanentmagneten während des Betriebs derart verändern können, daß der Punkt sich zu sehr dem "Knick" der Entmagnetisierungskurve nähert. Wenn anschließend aus irgendeinem Grunde die Flußdichte weiter vermindert und dann vergrößert wird, lauft der Arbeitspunkt nicht längs der Ursprung!ichen Entmagneti si erungskurve zurück, sondern läuft zurück zu einer niedrigeren Flußdichte längs einer Nebenschleife. Wenn die äußeren Einwirkungen, die eine solche Verschiebung des Arbeitspunkts hervorgerufen haben, weiter in zyklischer Folge auftreten, kann in den folgenden zyklischen Änderungen eine weitere Entmagnetisierung auftreten längs immer niedrigerer

Schleifen

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Schleifen, die nacheinander auftauchen, bis schließlich eine endgültige niedere Schleife erscheint, die reversibel ist. Wenn dieser Zust'and erreicht ist, tritt keine weitere Entmagnetisierung auf, aber der Magnet arbeitet danach bei einer viel niedrigeren Flußdichte mit einem entsprechenden Energieverlust. Zu den äußeren Einflüssen, die eine derartige Entmagnetisierung herbeiführen können, wenn zunächst ein anfänglicher Arbeitspunkt von verhältnismäßig niedriger Flußdichte geschaffen ist, gehören: (1) Temperaturänderungen, die die Form der Entmagnetisierungskurve verändern; (2) Änderungen des magnetischen Widerstands in dem Magnetkreis, zurückzuführen auf Temperatur-, Frequenz- oder mechanische Veränderungen, durch die der magnetische Widerstand erhöht, die Flußdichte erniedrigt und dadurch der Arbeitspunkt auf der Entmagnetisierungskurve nach unten verlegt werden kann; (3) Änderungen von äußeren magnetischen Gegenfeldern, die von der Wicklung des Geräts hervorgerufen sind. Wegen dieser Gefahren wurde nach der früheren Lehre einheitlich vorgeschrieben, der Konstrukteur müsse einen Arbeitspunkt wählen, der im Hinblick auf die zu erwartenden Temperaturverhältnisse deutlich oberhalb des Knicks der Entmagnetisierungskurve liegt und damit bei einer verhältnismäßig hohen Flußdichte nahe dem Punkt der remanenten Flußdichte. Wie bereits erwähnt, erreicht man das durch einen möglichst engen Luftspalt.

Den meisten Konstrukteuren war bereits die Tatsache bekannt, daß sich mit der allgemein geübten Praxis der Mininiierung der Luftspaltabmessungen und Maximierung der Flußdichte, auch wenn dadurch die Ausgangsleistung eines Permanentniagnetniotors maximiert wurde und die irreversible Entmagnetisierung sich verhindern ließ, theoretisch kein P e r nianentmagnetmotor π it maximal möglicher Ausgangsleistungsdichte herstellen ließ (d.h. daß theoretisch kein Perma- nentmagnetmotor entstand, der bei gegebener Ausgangsleistung das kl ei ns tiiiügl iche Volumen hat). Das liegt daran,

J OUD / UO

/8" C V 1 1 P - 2 6 0"0 * G H

daß, obwohl die Ausgangsleistung proportional dem Ausgangsdrehmoment ist, das seinerseits proportional der Flußdichte ist, die Ausgangs!ei stungsdichte umgekehrt proportional zu den Abmessungen des Permanentmagneten ist (d.h. seiner 5. Länge zwischen den Polen und seiner Fläche senkrecht zur Flußrichtung). Diese Abmessungen beeinflussen das Gesamtvolumen des Motors. Die Kurven der Permanentmagnet-Entmagnetisierung verlaufen so, daß Zunahmen der Flußdichte zu entsprechenden Abnahmen der Magnetfeldstärke führen und umgekehrt. Daher erfordert nach der obenerwähnten Grundbeziehung für den Magnetkreis ein gegebener prozentualer Anstieg der Flußdichte wegen der entsprechenden Abnahme der Magnetfeldstärke einen überproportionalen Zuwachs in der Länge des Magneten, um die verringerte Magnetfeldstärke zu kompensieren, damit auf diese Weise eine ausreichend hohe magnetomotorische Kraft entsteht (das Produkt aus der Magnetfeldstärke H und der Magnetlänge L ), um für die erhöhte .Flußdichte zu sorgen. In entsprechender Weise erfordert ein vorgegebener Zuwachs an magnetischer Feldstärke wegen der entsprechenden Abnahme der Flußdichte einen überproportionalen Zuwachs an Magnetfläche, wenn ein gewünschter Magnetfluß aufrechterhalten werden soll. Die Nichtproportionalitat der Vergrößerungen der in Betracht kommenden Magnetabmessungen nimmt zu, wenn entweder die Flußdichte oder die Magnetfeldstärke auf einen Höchstwert gebracht wird. Daraus ergibt sich, daß die höchste Ausgangs!eistungsdichte einem Arbeitspunkt auf der Entmagnetisierungskurve entspricht, der irgendwo zwischen der höchsten Flußdichte und der höchsten Feldstärke liegt. Es hat sich mathematisch zeigen lassen, daß die maximale theoretische Ausgangsleistungsdichte erreicht wird, wenn der Magnet an einem Punkt auf der Entmagnetisierungskurve betrieben wird, wo das Produkt aus der Flußdichte und der magnetischen Feldstärke (d.h. das Energieprodukt des Permanentmagneten) seinen Höchstwert hat.

Jedoch hat der Wunsch, den Höchstwert der Ausgangsleistung

(statt

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(statt der Ausgangsleistungsdichte), oder, allgemeiner ausgedrückt, die Sorge vor der irreversiblen Entmagnetisierung des Permanentmagneten beim Arbeiten in der Nähe des Arbeitspunktes des theoretischen Maximums der Ausgangslei- t> s tungsdi ch te , zu dem entgegengesetzten und allgemein angenommenen Prinzip der Maximierung der Flußdichte geführt, wie oben auseinandergesetzt. Infolgedessen ist die übliche Antwort auch dann, wenn es ein Konstruktionsziel ist, die Ausgangsleistungsdichte von Permanentmagnetgeräten zu maximieren, - aus Sorge vor der irreversiblen Entmagnetisierung - , einen Pernianentmagnetwerkstoff zu wählen, der eine verhältnismäßig hohe remanente Flußdichte aufweist, etwa einen Alnico-Magneten, und den Luftspalt so schmal wie möglich zu halten, um einen Höchstwert der Flußdichte zu bekommen, denn das wird als der prakti sehe Weg zur Maximierung der Ausgangsleistungsdichte (d . h .. verei nbar mit der Stabilität des Permanentmagneten) angesehen. Das bedeutet das Gegenteil der Wahl eines Arbeitspunktes auf der Entmagnetisierungskurve bei oder in der Nähe der unteren Flußdichte, die dem Punkt des maximalen Energieprodukts und der maximalen theoretischen Ausgangsleistungsdichte entspricht.

Luftspalte finden sich nicht notwendigerweise nur zwischen dem Rotor und dem Stator eines Permanentmagnetgeräts. Beispielsweise hat die Siemens AG (Bundesrepublik Deutschland) früher einen Motor auf den Markt gebracht, der einen ungezahnten Stator und einen zylindrischen Rotor mit zweipoligem rohrförmigen Alnico-Permanentmagneten besaß. Dabei entsteht ein Luftspalt nicht nur zwischen dem Rotor und dem Stator, sondern, weil Zink unmagnetisch ist, ein sehr weiter Luftspalt in dem Magnetkreis innerhalb des rohrförmigen Permanentmagneten selbst und erhöht den magnetischen Widerstand des Kreises erheblich. Versuche an diesem speziellen Motor haben gezeigt, daß die großen Luftspalte in dem Magnetkreis einen so hohen magnetischen Widerstand bilden, daß die gemessene Flußdichte des Kreises ungefähr 1/10 der re-

manenten

to- CV1 1Ρ-2609.ΠΗ

manenten Flußdichte des Alnico-Permanentmagneten ausmacht, was einen Arbeitspunkt weit unterhalb des "Knicks" seiner Entmagnetisierungskurve bedeutet und anzeigt, daß irreversible Entmagnetisierung in großem Umfang stattgefunden hat.

Da auf diese Weise die Energiekapazität des Magneten sehr wenig ausgenützt ist, wird erkennbar, warum die allgemein anerkannten Konstruktionsprinzipien für Permanentmagnetmotoren" und -generatoren einen möglichst kleinen Anteil von Luftspalten in dem Magnetkreis vorschreiben, um auf diese Weise einen Höchstwert der Flußdichte zu erhalten und den Arbeitspunkt des Magneten so weit wie möglich entfernt von dem Bereich zu halten, in dem irreversible Entmagnetisierung auftreten kann.

Diese Konstruktionsprinzipien und Überlegungen gelten nicht ohne weiteres für Magnetgeräte mit Nichtpermanentmagneten, wenn also die magnetomotorische Kraft des Magnetkreises während des Betriebes induziert wird. Erstens besteht nicht die Gefahr einer irreversiblen Entmagnet-i sierung bei Geräten mit Nichtpermanentmagnet (Induktionsmagnet). Zweitens arbeiten Permanentmagnete längs einer Entmagnetisierungskurve im zweiten Quadranten, wo eine praktisch vorbestimmte Beziehung zwischen der magnetischen Feldstärke, der Flußdichte und dem magnetischen Widerstand des Magnetkreises besteht, die nichtpermanenten Induktionsmagnete dagegen im ersten Quadranten ihrer Hysteresiskurve, wo die magnetische Feldstärke und die Flußdichte nicht abhängig sein müssen von dem magnetischen Widerstand des Magnetkreises, sondern vielmehr primär abhängig sein können von einem induzierten Magnetfeld. Es gibt daher eine Anzahl Geräte mit nichtpermanentem Magneten, die beispielsweise beschrieben sind in den US-Patentschriften 3 082 337 (Horsley), 3 963 950 (Watanabe et al.) und 4 238 702 (Belova et al.), wonach ungezahnte Kerne und weite Luftspalte mit relativ hohem magnetischen Widerstand benutzt wurden wegen der durch die Verwendung von nichtpermanenten Magneten gegebe

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non größeren Flexibilität bei dem Entwurf von Magnetkreisen. Derartige Erweiterungen des Luftspalts verlangen aber ihren Preis beim Wirkungsgrad, weil eine höhere Eingangsleistung mit daraus resultierendem höheren Wärmeverlust er-

k forderlich ist, um in einem Magnetkreis mit hohem magnetischen Widerstand die gleiche Magnetflußdichte zu erzielen, verglichen lüit einem Magnetkreis mit niedrigem magnetischen Widerstand.

Es gibt auch einige Arten von Permanentmagnetgeräten, beschrieben beispielsweise in der US-Patentschrift 4 151 431, bei denen unterschiedliche Prinzipien und Schwierigkeiten zu beachten sind, weil sie keine Kerne und/oder Wicklungen aufwei sen.

Kehrt man zu dem Entwurf von Permanentmagnetmaschinen der üblicheren Art mit Kernen und Wicklungen zurück, mit denen die Erfindung befaßt ist, so hat die vorstehende Diskussion gezeigt, warum die Konstrukteure das Prinzip verfolgt haben, der praktische Weg zur Maximierung der Ausgangsleistungsdichte eines Permanentmagneten in einem Motor oder einem Generator sei, den magnetischen Widerstand auf einen Kleinstwert zu bringen und die Flußdichte des Magnetkreises auf einen Höchstwert, in erster Linie zur Vermeidung irreversibler Entmagnetisierung. Das ist die übliche Lösung gewesen, obwohl bekannt war, daß die theoretische maximale Ausgangsleistungsdichte in Wirklichkeit nicht bei hoher Flußdichte in der Nähe des Remanenzpunktes auf der Entmagnetisierungskurve auftritt sondern bei einer niedrigeren Flußdichte in einem mittleren Abschnitt der Entmagnetisierungskurve, wo zwar der Faktor Flußdichte des Energieprodukt.s etwas kleiner geworden ist, der Faktor magnetische Feldstärke aber erheblich zugenommen hat, so daß das Produkt der beiden Faktoren seinen Maximalwert erreicht. (Das ¹A^ steht im Gegensatz zu der Situation im ersten Quadranten einer Hysteresiskurve, die für nichtpermanente Magnete

O O. U.O. /JU

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gilt, wo der Punkt des theoretisch maximalen Energieprodukts normalerweise dem Punkt maximaler Flußdichte entspricht). Obwohl der Arbeitspunkt des theoretischen maximalen Energieprodukts und der maximalen Ausgangsleistungsdichte auf der Entmagnetisierungskurve eines Permanentmagneten von den Fachleuten aus den obengeschilderten Gründen vermieden worden ist, wäre es im Hinblick auf die Maximierung der Ausgangsleistungsdichte und damit der Wirtschaftlichkeit von Permanentmagnetgeräten doch ganz außerordentlieh vorteilhaft, wenn ein prakti sches Verfahren erfunden würde, nach dem der theoreti sehe Arbeitspunkt des maximalen Energieprodukts und der maximalen Ausgangsleistungsdichte tatsächlich mit Erfolg genutzt werden könnte.

Jedoch sind noch nicht alle Schwierigkeiten beseitigt, wenn das Problem.der irreversiblen Entmagnetisierung gelöst ist, um den Permanentmagnet an dem theoretischen Pun.kte oder in der Nähe dieses Punktes des maximalen Energieprodukts betreiben zu können. Es bleiben die Probleme der Maximierung der Ausgangsleistung trotz verminderter Flußdichte und der Maximierung der Art, daß die Forderungen an die Eingangsleistung minimiert werden und die Linearität der Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinie des Permanentmagnetgeräts verbessert wird (auf dem letztgenannten Wege läßt sich die g e naue Steuerung des Geräts vereinfachen). Das sind in erster Linie Probleme des Wirkungsgrades der Leistungsumwandlung, die von der Minimierung der Erzeugung von Abfallwärme abhängt.

Ein Arbei'tspunkt mit verringerter Flußdichte, die dem theoretischen maximalen Energieprodukt und der maximalen Ausgangsleistungsdichte eines Permanentmagneten ontspricht, läßt sich auf mehreren verschiedenen Wegen erreichen. Da eine Herabsetzung der Flußdichte in dem Magnetkreis auf einen mittleren Punkt auf der Entmagnetisierungskurve deutlich unterhalb des Remanenzpunktes erforderlich ist, um den

Arbeitspunkt

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Arbeitspunkt des theoretischen maximalen Energieprodukts zu erreichen, und da die Flußdichte in Übereinstimmung mit der oben angegebenen grundlegenden Magnetkreis-Beziehung umgekehrt proportional zu dem magnetischen Widerstand des Magb netkreises ist, können mehrere verschiedene Wege zum Vergrößern des magnetischen Widerstands des Kreises in Betracht gezogen werden, um den gewünschten Arbeitspunkt zu erreichen. Eine mögliche Methode ist das Einstellen des Luftspalts zwischen dem Permanentmagneten und dem Kern

1Ü (d.h. Vergrößern des Luftspalts); eine weitere mögliche Methode ist das Einschalten eines Luftspalts an einer weiteren Stelle des Magnetkreises, etwa innerhalb eines hohlen rohrförmigen Permanentmagnet-Rotors durch Ausfüllen der Innenseite mit Luft oder einem nichtmagnetischen Werkstoff; eine weitere Möglichkeit wäre darin zu sehen, die Permeabilität oder die Größe der Querschnittsfläche des Kernwerkstoffs herabzusetzen, um auf diese Weise den magnetischen Widerstand zu erhöhen. Eine zu starke Erhöhung des magnetischen Widerstands in dem Magnetkreis auf eine der genannten Arten führt dazu, daß der Permanentmagnet mit einer Flußdichte arbeitet, die zu weit unter derjenigen liegt, die seinem maximalen Energieprodukt entspricht, wodurch die Ausgangsleistungsdichte herabgesetzt wird und die Wahrscheinlichkeit zunimmt, daß irreversible Entmagnetisierung wie im Falle des obenerwähnten Siemens-Motors eintritt. Im übrigen wird nur eine der genannten Alternativen den Wirkungsgrad der Leistungsumsetzungwandlung durch Minimierung der Erzeugung von Abfallwärme optimieren. Eine Herabsetzung der Permeabilität oder eine Verkleinerung der Querschnittsfläche des Kernwerkstoffs läßt die Wärmeerzeugung nur ansteigen, während das Einfügen eines Luftspalts an einer anderen Stelle als zwischen dem Permanentmagneten und dem Kern für die Minimierung der Wärmeerzeugung nichts einbringt.

Eine weitere Schwierigkeit, die bei Permanentmagnetmotoren

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und -generatoren auftritt, ist das Hochfrequenzproblem dos übermäßigen Eisenverlusts in Form von Hysterese- und Wirbelstromwärmeverlusten, die die Leistung beeinträchtigen, übermäßig nichtlineare Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinien zur Folge haben und die maximale Betriebsfrequenz der Wicklung und die Umlaufgeschwindigkeit des Motors oder des Generators begrenzen. In den US-Patenten 3 657 583 (Tamaru et al.) und 2 885 645 (Wennerberg) und in dem britischen Patent 760 269 wird auf den Vorteil hingewiesen, zur Herabsetzung der obenerwähnten Energieverluste im Kern bei Hochfrequenzanwendungen von Geräten mit nichtpermanentmagnetischem Magneten einen weichmagnetischen Ferritkernwerkstoff einzusetzen. Weil jedoch die meisten Permanentmagnete höhere remanente Flußdichten aufweisen, die über der Sättigungsf1ußdichte von weichmagnetischem Ferrit liegen, und die Magnete üblicherweise aus den oben angegebenen Gründen in der Mähe dieser remanenten Flußdichten betrieben werden, und nachdem die üblichen Konstruktionsprinzipien für alle elektrischen Maschinen es erfordern, daß die Sättigungsflußdichte des Kerns mindestens so groß ist wie die für den Magnetkreis verfügbare Flußdichte, so daß die verfügbare Flußdichte voll ausgenutzt werden kann, war es als inkonsequent anzusehen, weichmagnetischen Ferrit oder andere mögliche zweckmäßige Kernwerkstoffe in Verbindung mit Permanentmagneten zu verwenden, deren remanente Flußdichten übe^ der Sättigungsflußdichte des Kernwerkstoffs liegen. Es sind daher auch keine Vorschläge zu finden, wie ein Vorteil aus solchen potentiell vorteilhaften Kernwerkstoffen in Geräten gezogen werden soll, in denen Permanentmagnete eingesetzt sind, deren remanente Flußdichten höher liegen als die Sättigungsflußdichte des Kernwerkstoffs.

Daher ist eine Konstruktion für Permanentmagnetmotoren und -generatoren erforderlich, nach welcher die Permanentmagncten auf dem Arbeitspunkt oder in der Nähe des Arbeitspunktes betrieben werden können, der dem theoretischen maxinia-

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len Energieprodukt und der maximalen Ausgangsleistungsdichte entspricht, und welche die irreversible Entmagnetisierung der Permanentmagnete vermeidet. Außerdem sollte die Methode zur Schaffung solcher Arbeitspunkte die bestmöglib ehe sein für die Maximierung der Ausgangsleistung, des Wirkungsgrades der Leistungsumwandlung und zur Herstellung von linearen Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinien des Permanentmagnetgeräts. Schließlich sollte die Konstruktion mit weichmagnetischem Ferrit und anderen vorteilhaften, verlustarmen Kernwerkstoffen arbeiten, wenn daneben Permanentmagnetwerkstoffe verwendet werden können, die Flußdichten aufweisen, die über der Sättigungsflußdichte des Kernwerkstoffs liegen.

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren für die Konstruktion und den Betrieb von vorzugsweise bürstenlosen rotierenden Motoren oder Generatoren, ist aber auch anwendbar bei anderen Bauarten, beispielsweise für geradlinige Bewegung; diese Verfahren sollen alle obenerwähnten, miteinander konkurrierenden Bedürfnisse in untereinander verträglicher Weise befriedigen, um die Höchstwerte von Ausgangsleistungsdichte, Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung und Linearität der Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinie zu erzielen. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Prinzipien führt zu einer kl einstmöglichen und höchst leistungsfähigen Permanentmagnetmaschine für einen vorgegebenen Permanentmagnetwerkstoff und Ausgangs!eistungspegel, oder, anders ausgedrückt, liefert die kräftigste und leistungsfähigste Perinanentmagnetmaschi ne für ein vorgegebenes äußeres Volumen und einen vorgegebenen Permanentmagnetwerkstoff.

Die für die Festsetzung des Arbeitspunktes des Permanentmagneten auf dem Punkt oder in der Nähe des Punktes des theoretischen maximalen Energieprodukts auf der Entmagneti- ;i5 s ierungskurve des Magneten gewählte Methode besteht darin, daß der Spalt zwischen dem Permanentmagneten und dem Kern

e i η g e stel11

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- ΜΙ eingestellt, d.h. erweitert wird und dadurch der magnetische Widerstand des Magnetkreises so weit erhöht wird, daß die Flußdichte des Kreises und des Permanentmagneten bis auf eine Flußdichte herabgesetzt wird, die in der Nähe der Flußdichte liegt, die dem Arbeitspunkt des theoretisch maximalen Energieprodukts entspricht. Die bei dieser Wahl des Arbeitspunktes normalerweise zu befürchtende Gefahr einer irreversiblen Entmagnetisierung läßt sich auf unterschiedliche Weise vermeiden. Beispielsweise kann man mit einer ausgewählten Gruppe von Permanentmagneten arbeiten, bei denen die Entmagnetisierungskurven eine solche Form haben, daß auf die obenerwähnten äußeren Einflüsse zurückzuführende Änderungen des Arbeitspunktes, auch dann, wenn der Arbeitspunkt in der Nähe des theoretischen maximalen Energieprodukts liegt, nur eine reversible, aber keine irreversible Entmagnetisierung hervorrufen können. Zu dieser speziellen Gruppe von Magneten gehören Barium- oder Strontiumferrit-Permanentmagnete, Seltenerd- oder sonstige Kobalt-Permanentmagnete (beispielsweise Samariumkobalt und Platinkobalt) sowie weitere Permanentmagnete einer Art, bei der die Verhältnisse zwischen den Größen ihrer remanenten Magnetflußdichten und ihrer inneren Magnetfeldstärken bei höchstens etwa 2:1 liegen, oder auch Magnete aus Gemischen der genannten Werkstoffe. Alnico-(Aluminium-Niekel-Kobalt)-Permanentmagnete gehören nicht zu dieser Gruppe.

Das Anbringen eines vergrößerten Spalts zwischen dem Permanentmagneten und dem Kern als Mittel zum Festsetzen des Arbeitspunktes des theoretischen maximalen Energieprodukts trägt ebenfalls zur Vermeidung einer irreversiblen Entmagnetisierung bei, indem die Wirkung auf den Arbeitspunkt durch äußere Gegenmagnetfelder minimiert wird, die durch die Wicklung erzeugt werden, und indem die Tempera turänderungswirkungen auf die Entmagnetisierungskurve und auf den magnetischen Widerstand des Magnetkreises minimiert werden, die auf in der Wicklung erzeugte Wärme zurückzuführen ist;

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die Gründe hierfür werden später erläutert.

Die Wahl eines vergrößerten Spalts ist außerdem wichtig für die Erreichung des Höchstwerts der Ausgangsleistung und des b Wirkungsgrads der Leistungsumwandlung der Permanentmagnetmaschine. Da erfindungsgemäß die Spaltweite nur durch den verlangten Arbeitspunkt für den Permanentmagneten bestimmt ist (und nicht mehr durch andere Faktoren wie beispielsweise in der erwähnten US-Patentschrift von Karube durch die Wicklungsgröße), und da der Spalt groß ausgeführt ist, um die dem erwünschten Arbeitspunkt entsprechende verminderte Flußdichte zu erreichen, kann eine den weiteren Spalt ausfüllende Wicklung mit größerer Querschnittsfläche mit grösseren Einzelwindungen und/oder größerer Windungszahl verwendet werden. Die größere Windung bietet wichtige Vorteile, wenn sie in Verbindung mit einem Permanentmagneten eingesetzt wi rd , der an dem Punkt oder in der Nähe des Punktes des maximalen Energieprodukts arbeitet. Beispielsweise wird das Verhältnis zwischen der Entwicklung ohmscher Wärme in der Wicklung und der Ausgangsleistung verkleinert durch den niedrigeren Widerstand von größeren Einzelwicklungen dank ihrer größeren Querschnitte, wodurch der Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung durch Minimierung der Wärmeverluste verbessert wird. Ebenso ermöglicht eine erhöhte Zahl von Windungen in Parallel- oder Reihenanordnung eine Herabsetzung des Stroms in jeder Windung, wodurch im Vergleich zu der erhöhten Zahl von Windungen ebenfalls das Verhältnis zwischen der Erzeugung von ohmscher Wärme und Ausgangslei-

2 stung herabgesetzt wird. Aus der ohmschen Gleichung P - I R ergibt sich, daß die Wärmelieferung mit dem Quadrat des Stroms variiert und proportional dem Widerstand ist. Obwohl die Höhe des Widerstands durch Hinzufügen von Windungen zu den Wicklungen erhöht werden kann, hat die quadratische St romreduz i erung , die sich ergibt, einen größeren Einfluß auf die gesamte verbrauchte Leistung als die Widerstandszunahme in erster Potenz.

■ C V 1 1 P - 2 6 O 9 ^ G H

Die stark herabgesetzte Erzeugung von ohmscher Wärme setzt auch die Temperaturschwankung der Vorrichtung auf einen Kleinstwert herab, wodurch die obenerwähnten temperaturabhängigen Entmagnetisierungswirkungen auf einen Minimalwert reduziert werden, eine übermäßige Erwärmung von benachbarten temperaturempfindlichen Bauelementen vermieden und die Bildung linearer Geschwi ndi gkei t-Drehnioment-Kennl i ni en des Geräts unterstützt wird. Die größere Wicklung kompensiert auch eine etwaige Herabsetzung der Ausgangsleistung, die sich aus der dem Arbeitspunkt des theoretischen maximalen Energieprodukts entsprechenden herabgesetzten Flußdichte ergeben könnte.

Darüber hinaus erleichtert der größere Spalt das Vermeiden einer irreversiblen Entmagnetisierung, indem die Wirkung von Änderungen des von der Wicklung erzeugten äußeren Gegenmagnetfeldes minimiert wird. Gemäß der weiter oben genannten grundlegenden Gleichung für den Magnetkreis beträgt der Gesamtfluß in dem Magnetkreis, worin nicht nur der von dem Permanentmagneten erzeugte sondern auch der von dem äußeren Gegenmagnetfeld der Wicklung erzeugte Fluß inbegriffen ist:

MMK des Magneten (H L ) - MMK der Wicklung (NI) Fluß" = OLJ .

magnetischerwiderstand

Aus dieser Gleichung ist zu entnehmen, daß, selbst dann, wenn die magnetomotorische Kraft (MMK) der Wicklung (NI) durch Ausfüllen des erweiterten Spalts mit Wicklung erhöht wird, um den Strom oder die Windungszahl zu erhöhen, um eine herabgesetzte Flußdichte des Permanentmagneten entsprechend dem Punkt des maximalen Energieprodukts zu kompensieren, der auf die Vergrößerung des Luftspalts zurückzuführende erhöhte magnetische Widerstand des Magnetkreises normalerweise eine reduzierende Wirkung auf den Pegel des von der Wicklung in dem Permanentmagneten induzierten entmagnetisierenden magnetischen Flusses hat. Wenn beispiels

fs - CV1 1P-2609 + GH -29-

weise, um den magnetischen Widerstand zu verdoppeln, die Spaltlänge verdoppelt werden müßte durch Entfernen von Kernzähnen oder beim Fehlen solcher Zähne durch Verkleinern eines innerhalb der umgebenden Wicklung angeordneten Permab nentmagnetrotors, würde die sich ergebende Querschnittsf]_dche des Spalts, der mit Wicklung ausgefüllt werden könnte, dadurch nicht verdoppelt werden. Infolgedessen würde, obwohl der magnetische Widerstand des Kreises verdoppelt werden würde, die Zahl der Windungen und damit die magnetomotorische Kraft und der resultierende, in dem Permanentmagneten durch die'Wicklungsspule induzierte entmagnetisierende Fluß auf weniger als das Doppelte erhöht. Die von dem entmagnetisierenden Fluß der Wicklung verursachten Auslenkungen um den Arbeitspunkt des Permanentmagneten wurden infolgedessen verkleinert, wodurch außerdem der Arbeitspunkt nahe an den "Knick" der Entmagnetisierungskurve (d.h. in die Nähe des maximalen Energieprodukts) gelegt werden könnte, ohne daß die Gefahr einer irreversiblen Entmagnetisierung bestände.

Die Vergrößerung des Spalts zwischen dem Permanentmagneten und dem Kern und dessen obenbeschriebene nutzbringende Verwertung ist möglich gemacht durch die Anerkennung der Tatsache, daß, wenn der Arbeitspunkt des Permanentmagneten durch Erweiterung des Spalts festgesetzt wird, dieser Arbeitspunkt praktisch unabhängig von dem durch die Wicklung eingeführten magnetischen Fluß ist.

Man erkennt, daß, wenn vorausgesetzt wird, daß praktisch der gesamte magnetische Widerstand des Magnetkreises in dem vergrößerten Spalt lokalisiert ist, die von dem Permanentmagneten erzeugte Energie, d.h. das Produkt aus seiner Flußdichte und seiner Magnetfeldstärke, praktisch vollständig in demSpaIt konzentriert ist, wo eine nutzbringende Wechselwirkung mit der Wicklung stattfindet. Wenn der Arbeitspunkt des maximalen Energieprodukts ausgenutzt wird,

werden

,20 CV11P-2609 + GH

-23-werden sowohl die Energiedichte des Magneten als auch die Energiedichte innerhalb des Spalts im wesentlichen maximiert.

Solange Arbeitspunkte hoher Flußdichte für Permanentmagnete nach den früheren Konstruktionstheorien ausgewählt wurden, waren Kernwerkstoffe erforderlich, die entsprechend hohe Pegel des magnetischen Flusses zu verarbeiten vermögen. Bei den niedrigeren Flußdichten, die man erhält, wenn man erfindungsgemäß in der Nähe des theoretischen maximalen Energieprodukts auf der Entmagnetisierungskurve arbeitet, lassen sich Kernwerks.toffe verwenden, deren Sättigungsflußdichte viel niedriger ist. Auf diese Weise kann man weichmagnetische Ferrit- oder Kernwerkstoffe aus amorphem Metall einsetzen, die Vorteile im Hinblick auf ihr verlustarmes Hochfrequenzverhalten haben, und damit Permanentmagnete verbinden, die erheblich über der Sättigungsflußdichte des Kernwerkstoffs liegende remanente Flußdichten aufweisen. Die Bildung des Arbeitspunktes an dem Punkt oder in der Nähe des Punktes des maximalen Energieprodukts begünstigt ferner den Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung und die Linearität der Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinien bei Hochfrequenzanwendungen, indem der Wärmeverlust aus dem Kern minimiert wird, was dadurch zu erreichen ist, daß ein hochfrequenzgeeigneter, verlustarmer Kernwerkstoff mit Permanentmagneten verträglich gemacht wird, die höhere remanente Flußdichten haben. Da darüberhinaus der magnetische Widerstand eines derartigen Kernwerkstoffs nicht im gleichen Maße mit zunehmender Betriebsfrequenz zunimmt wie bei Eisen und anderen früher mit derartigen Permanentmagneten verwendeten Kern werk stoffen, wird wiederum die Stabilität des magnetischen Widerstands des Magnetkreises und damit des Arbeitspunktes maxiniiert, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer irreversiblen Entmagnetisierung, des Permanentmagneten sich wiederum verringert.

2i CV1 1P-2609 + GH

.50-

Der Erfinder hat eine allgemeine mathematische Formel gefunden, nach der der Magnetkreis eines beliebigen Permanentmagnetinotors oder -generators so ausgebildet werden kann, daß das Ziel erreicht werden kann, den Permanentmagneten am Punkte oder in der Nähe des Punktes des theoretischen maximalen Energieprodukts zu betreiben. Die Formel gibt einerwünschtes Verhältnis zwischen der Gesamtlänge aller Spalte in einem Magnetkreis und der Gesamtlänge aller Permanentmagnete in dem gleichen Kreis an. Nach der Formel ist dieses Verhältnis proportional dem Verhältnis zwischen einer imaginären Eigenmagnetfeldstärke des speziellen verwendeten Permanentmagnetwerkstoffs (bestimmt durch Verlängern desjenigen Teils der Entmagnetisierungskurve des Magneten, der oberhalb des "Knicks" liegt, bis auf die Feldstärkeachse) und der remanenten Flußdichte des speziellen Permanentmagnetmaterials. Die Formel lautet:

cp

^Ln,S ^Br

worin L ,, die Gesamtlänge aller Spalte in dem Magnetkreis bedeutet, L „ die Gesamtlänge aller Permanentmagnete in dem gleichen Kreise, u die Permeabilität des leeren Raums (1 in cgs-Einheiten) , H die imaginäre Eigenmagnetfeldstärke, verlängert von dem Teil der Entmagnetisierungskurve , der oberhalb des Knicks liegt, und B die remanente Flußdichte der Permanentmagnete. Die Formel stellt eine vereinfachte Näherung dar, weil man von bestimmten Annahmen ausgeht, wozu die Annahme gehört, daß der Abschnitt der Entmagnetisierungskurve oberhalb des Knicks praktisch als Gerade anzusehen ist, daß keine wesentlichen Temperaturänderungen auftreten una daß es keinen Streufluß gibt. Wenn wesentliche Temperaturänderungen, beispielsweise durch äussere Umstände erwartet werden, wäre es zweckmäßig, die Konstruktionsformel auf die Entmagnetisierungskurve des Magneten bei der niedrigsten zu erwartenden Betriebstemperatur

anzuwenden,

2Λ CV 1 1 P-26Ü^l:itGH

anzuwenden, um die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Entmagnetisierung so gering wie möglich zu halten.

Wegen der Eigenschaften der Entmagnetisierungskurve des Ferritmagneten und· von Seltenerd- und anderen Kobalt-Permanentmagneten, auf die die Erfindung sich gemäß der weiter oben stehenden Erläuterungen besonders bezieht, pflegt die Formel ein besonders gutes Ergebnis dann zu bringen, wenn L „ ungefähr gleich L „ ist, was ein wesentlich größeres Verhältnis von Gesamtspaltlänge zu Gesamtmagnetlänge bedeutet als es bisher bei Permanentmagnet-Motoren und -generatoren entsprechend den bisherigen Konstruktionsprinzipien, die die Magnetflußdichte zu max linieren suchten, üblich gewesen ist. Gemäß der Erfindung sollte das Verhältnis L „. zu

L „ je nach dem speziellen Permanentmagnetwerkstoff zwischen 0,5 und 2,0, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,8 und 1 ,2 1iegen.

Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist es, einen. Weg zu zeigen, auf dem Permanentmagnetmotoren und -generatoren an einem Arbeitspunkt betrieben werden können, der auf dem Punkt oder in der Nähe des Punktes des theoretischen maximalen Energieprodukts liegt, ohne daß infolgedessen eine irreversible Entmagnetisierung des Permanentmagneten verursacht wird, um auf diese Weise die Energiedichte des Permanentmagneten und die Energiedichte in dem Luftspalt zu maximieren.

Die Erfindung löst außerdem die Aufgabe, die Äusgangsleistungsdichte und den Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung des Permanentmagnetmotors oder -generators auf eine Weise zu maximieren, die mit dem obengenannten Arbeitspunkt des theoretischen maximalen Energieprodukts verträglich ist.

Ferner soll durch die Erfindung die Verwendung von Permanentmagneten mit verhältnismäßig hohen remanenten Flußdichten

2"3 CV11P-2609+GH

dichten verträglich mit der Verwendung von Kernwerkstoffen gemacht werden, deren Sättigungsflußdichten wesentlich ■niedriger liegen als die genannten remanenten Flußdichten, damit derartige Kernwerkstoffe, beispielsweise weichmagne-

b tische Ferrite, nötigenfalls für besondere Anwendungsfälle ausgenützt werden können.

Die genannten und noch weitere Einzelheiten, Vorteile und Besonderheiten der Erfindung werden nachstehend an Hand 1Ü einer Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Mitbenutzung der Zeichnungen erläutert, die folgendes darstellen:

Figuren 1 bis 4: vereinfachte, teilweise als Schnitt gezeichnete Axialansichten des inneren Aufbaus unterschiedlicher Arten von umlaufenden Permanentmagnetmotoren nach dem Stande der Technik und den früheren Konstruktionsprinzipien;

Figuren 5 bis 8: vereinfachte, teilweise als Schnitt gezeichnete Axialansichten des inneren Aufbaus von einzelnen, mit den Figuren 1 bis 4 vergleichbaren Motoren, die aber nach den erfindungsgemäßen Konstruktionsprinzipien aufgebaut sind, zum Vergleich miteinander;

Figur 9: vereinfachte Axialansicht des Inneren eines weiteren Typs eines nach den Erfindungsprinzipien konstruierten umlaufenden Motors;

Figur 10: eine Entmagnetisierungskurve für einen typischen Seitenerd-Kobalt-Permanentmagneten und eine vergleichende jungfräuliche Magnetisierungskurve für einen typischen weichmagnetischen Ferritkernwerkstoff;

Figur 11: ein Diagramm vergleichender Entmagnetisierungskurven für verschiedene Permanentmagnetwerkstoffe.

Fig. 1 ist eine vereinfachte Axialansicht des Inneren eines üblichen umlaufenden bürstenlosen Permanentmagnetmotors, in dem ein radialsymmetrischer vierpoliger Motor 10 aus den

f ^e_rn! jLOii U t^mJL9 ⁿ e t^e 1

JUVJ / v-<

■Ώ CV1 1 P-2609 *-GH

Permanentmagneten 12, 14, 16 und 18, die auf eine eiserne Welle 20 geklebt 'sind, welche in nicht gezeichnete Lagerungen aufgenommen ist, innerhalb eines konzentrisch gewickelten Feldständers 22 umläuft. Bei allen Figuren 1 bis 9 wird Wechselstrom in der Wicklung 24 des Ständers 22 mit der Position des Rotors 10 mit üblichen Mitteln, etwa mit Hai 1 -Ef fekt-Bauel ementen und geeige^nten zugehörigen Schaltungen synchronisiert; diese Schaltungen sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen, sie sind in allgemeiner Form in der US-Patentschrift 4 130 769 (Karube), auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird, beschrieben. Die Magnete 12, 14, 16 und 18 können aus beliebigem handelsüblichen Permanentmagnetwerkstoff zusammengesetzt sein. Um den Vergleich zu erleichtern, wird jedoch - falls nicht ausdrücklich anderes erwähnt ist - angenommen, daß es sich bei allen Magneten in den Figuren um Seitenerd-Kobalt, etwa um Samarium-Kobalt, handelt, dessen Entmagnetisierungskurve in Fig. 10 dargestellt ist. Zur Herstellung des Ständers 22 werden gezahnte Bleche aus Elektrostahl-Tafel η oder einer anderen Eisenlegierung gestanzt und unter Anwendung einer der üblichen Methoden zu einem Ständerblechpaket 26 aufeinandergestapelt. Dann wird die Wicklung 26b in die Spalte 26a zwischen die Zähne 26b des Kerns eingefügt; danach wird üblicherweise der gesamte Aufbau mit Expoxidharz vergossen oder mit Isolierlack vakuumgetränkt.

Der Kraftlinienverlauf durch einen der vier grundlegenden radialsymmetrisehen Magnetkreise des Motors nach Fig. 1 ist durch die gestrichelte Linie 28 angedeutet. Der Magnetkreis umfaßt den Teil des Rotors 10 zwischen dem Südpol des Magneten 14, den Kern 26 und die beiden Luftspalte 30 und 32 zwischen den Magneten 12 und 14 und den zugeordneten Zähnen des Kerns. Der gesamte magnetische Widerstand dieses Magnetkreises setzt sich zusammen aus den magnetischen Einzelwiderständen der Magnete 12 und 14, der Welle 20, der Spalte 30 und 32 und des Kerns 26. Unter normalen Umständen

stel1 en

■2-5 CV1 1P-2609 + GH

stellen aber die Spalte 30 und 32 die einzigen Bauteile dar, die einen wesentlichen magnetischen Widerstand bieten; in den Spalten befindet sich kein Magnetmaterial, und sie sind, wie aus Fig. 1 zu entnehmen, sehr eng, so daß der geb samte magnetische Widerstand des Magnetkreises auf einem Kleinstwert gehalten wird. Dadurch wird wiederum der Fluß und die Flußdichte des Magnetkreises maximiert. Infolge des niedrigen magnetischen Widerstands und der daher hohen Flußdichte des Magnetkreises liegt der Arbeitspunkt der Magnete in der Nähe des in Fig. 10 mit X1 bezeichneten Punktes. Man sieht, daß dieser Arbeitspunkt sehr nahe an der remanenten Flußdichte B des Permanentmagneten liegt und ein verhältnismäßig kleines Energieprodukt hat, das durch die Fläche des Rechtecks 34 wiedergegeben ist und durch Multiplikation der Magnetflußdichte und der Magnetfeldstärke an dem Punkt X1 berechnet wird. Es entsteht also ein Magnet mit verhältnismäßig niedriger Energiedichte.

Die in Fig. 5 gezeichnete Maschine ist mit derjenigen in Fig. 1 vergleichbar, sie ist aber nach den Prinzipien der Erfindung konstruiert. Der Rotor 110 nach Fig. 5 ist ebenso aufgebaut und besitzt die gleiche Entmagnetisierungskurve wie der Rotor 10 nach Fig. 1. Jedoch unterscheidet sich der Ständer 122 nach Fig. 5 ganz wesentlich von dem Ständer nach Fig. 1. Da an dem Ständerkern 126 keine Zähne ausgebildet sind, sind die effektiven Längen L jedes der beiden Spalte 130 und 132 deutlich größer als die effektiven Längen der Spalte 30 und 32 in Fig. 1. Diese Zunahme der gesamten Spaltlänge in dem Magnetkreis 128 in Fig. 5, verglichen mit Fig. 1, führt zu einer wesentlichen Zunahme des magnetischen Widerstands im Magnetkreis nach Fig. 5 gegenüber demjenigen nach Fig. 1. Das hat zur Folge, daß die Flußdichte in dem Magnetkreis nach Fig. 5 wesentlich geringer sein wird als in dem Magnetkreis nach Fig. 1 , so daß sich ein Arbeitspunkt auf der Entmagnetisierungskurve aus Fig. 10 in einem Mi 11 e1b e r e i c h der Kurve bei dem Punkt

O VJ VJ /

tt CV11P-2609+GH

1 oder in der Nähe des Punktes X2 des theoretischen maximalen Energieprodukts ergibt, das durch die Fläche des Rechtecks 36 wiedergegeben wird, die wesentlich größer ist als die Fläche des Rechtecks 34, so daß sich eine entsprechend höhere Energiedichte ergibt.

Wegen der engen Spalte 30 und 32 in der bekannten Ausführungsform nach Fig. 1 hat das Verhältnis der Gesamtspaltlänge zu der Gesamtmagnetlänge in dem durch die gestrichelte Linie 28 dargestellten Magnetkreis nur etwa' den Wert 1:4. Im Gegensatz dazu hat das Verhältnis von Gesamtspaltlänge (2L ) zur Gesamtmagnetlänge (2L ) des durch die gestrichelte Linie 128 angedeuteten Magnetkreises in Fig. 5 etwa den Wert 1:1. Das steht im Einklang mit der allgemeinen mathematischen Beziehung, die weiter oben aufgestellt worden war, um das Verhältnis zwischen der Gesamtspaltiänge und der Gesamtmagnetlänge in dem Magnetkreis festzulegen. Nach jener Formel ist das Verhältnis proportional dem Verhältnis zwischen einer imaginären Eigenmagnetfeldstärke des speziel 1 en Permanentmagnetwerkstoffs, das durch Verlängern des oberhalb des "Knicks" der Entmagnetisierungskurve des Magneten liegenden Teils dieser Kurve bis auf die Feldstärkenachse (d.h. H in Fig. 10) bestimmt ist, und der remanenten Flußdichte (B in Fig. 10) des Magnetwerkstoffs. (In der Formel wird mit einer aus der Verlängerung gewonnenen imaginären Eigenmagnetfeldstärke H gearbeitet statt mit

c ρ

der tatsächlichen Eigenfeldstärke H , weil dadurch in Verbindung mit B die Neigung dieses Teils der Entmagnetisierungskurve oberhalb des "Knicks" bestimmt wird, wo mit Nutzen ein Arbeitspunkt ohne die Wahrscheinlichkeit einer Entmagnetisierung gemäß der Erfindung bestimmt werden kann.) Da nach der speziellen Entmagnetisierungskurve in Fig. 10 H 8000 Oeftted beträgt, während B_f 8000 Gauß beträgt, ist das Verhältnis von Gesamtspaltlänge zu Gesamtmagnetlänge gemäß der Formel 1:1, was bedeutet, daß für den Magnetkreis 128 in Fig. 5 2L gleich 2L₍ sein sollte und

d a m i t

-9fl CV1 1 P-2609 + GH

damit L -^r L . Nach Fig. 5 hat das Beseitigen der Zähne an dem Ständerkern 126 und die dadurch verursachte Erweiterung des Spalts gegenüber der Magnetlänge Raum geschaffen für eine größere Wicklung 124, die den Spalt mit optimalem Nutzen praktisch völlig ausfüllt. Da, wie erwähnt, die vergrößerte Wicklung in dem erweiterten Spalt untergebracht ist, wo der weitaus größte Teil der .Energie der Permanentmagneten sich auswirkt, wird die Ausgangsleistung maximiert, während die entmagnetisierenden Flußwirkungen herabgesetzt werden und das Verhältnis zwischen der Erzeugung von ohmscher Wärme in der Wicklung und der Ausgangsleistung zu einem Kleinstwert wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad für die Leistungsumwandlung maximiert, die Temperaturschwankung und damit auch die temperaturabhängige Entmagnetisierungswirkung minimiert, die Linearität der Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinien verbessert und eine übermässige Erhitzung weiterer benachbarter Bauteile vermieden.

Soll der Motor nach Fig. 5 mit verhältnismäßig hoher Drehzahl bei Hochfrequenzbetrieb laufen, kann der Ständerkern 126 vorteilhafterweise aus weichmagnetischem Ferrit, amorphem Metall oder einem anderen verlustarmen Hochfrequenzwerkstoff hergestellt werden. Insbesondere ist es möglich, irgendeinen weichmagnetischen Ferrit mit Spinel 1 k.ristal 1 aufbau, der in den meisten Fällen der Formel ΧΡθ20λ entspricht, zu verwenden, worin für X Mangan, Zink, Kobalt, Nickel oder ein anderes Metallion oder ein Gemisch der genannten Stoffe zu setzen ist. Bei Hochfrequenzbetrieb würde der Eisenverlust für ein derartiges Material üblicherweise um drei bis vier Zehnerpotenzen niedriger sein als bei bestem Elektrostahl, etwa der Art, aus der der Ständerkern 26 nach Fig. 1 hergestellt ist. Aus Fig. 10 ist zu entnehmen, daß die Sattigungsf1uSdichte B des weichmagnetischen Ferrits unverträglich mit den engen Spalten aus Fig. 1 ist,

weil die Flußdichte des Arbeitspunktes X1 des Magneten höher liegt als die Sättigungsflußdichte des Ferrit-Kernwerkstoffs

CV 1 1P-2609 + GH - II.
Stoffs und daher nicht aufrechterhalten werden kann, wenn nicht Eisen oder ein anderer Kernwerkstoff mit mindestens gleich hoher Sättigungsflußdichte verwendet wird. Im Gegensatz dazu macht der Arbeitspunkt X2, der nach dem Erfindungsgedanken durch die Anwendung eines viel größeren Verhältnisses zwischen Spaltlänge und Magnetlänge zustande gekommen ist, den Ferrit-Kernwerkstoff mit dem Permanentmagneten verträglich, weil der Arbeitspunkt X2 bei einer erniedrigten Flußdichte liegt, die niedriger ist als die Sättigungsflußdichte des Kernwerkstoffs, und das Erreichen des Arbeitspunktes X2 wird daher durch den Ferrit-Werkstoff nicht behindert, wie es dagegen bei dem Arbeitspunkt Xl der Fall wäre. Die Anwendung eines solchen Kernwerkstoffs ermöglicht das Erreichen sehr hoher Umlaufgeschwindigkeiten und Betriebsdrehzahlen ohne übermäßige Eisenverluste in Gestalt von Wärme; dadurch wird wiederum die Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung maximiert sowie die Linearität der Geschwindigkeit-Drehmoment-Kennlinien verbessert, während temperaturabhängige Entmagnetisie- rungswi.rkungen und schädliche Wirkungen hoher Temperaturen auf nahegelegene, temperaturempfindliche Bauteile gemildert werden.

Fig. 11 zeigt eine Anzahl Entmagnetisierungskurven für typische handelsübliche Permanentmagnetwerkstoffe, die mit Ausnahme von Alnico im Rahmen der Erfindung verwendet werden könnten. Bei jeder Kurve ist eine gestrichelte Linie angegeben, die den Abschnitt der Kurve, der oberhalb des Knicks liegt, bis zum Schnitt mit der Feldstärkeachse verlängert, um zu zeigen, in welcher Weise der Wert H ermittelt werden würde, um diesen in die Formel für das Bestimmen des Verhältnisses von Gesamtspaltlänge zu Ge samtmagnetlänge gemäß der Erfindung einzusetzen. Dieses Verhältnis hat gewöhnlich ungefähr den Wert 1 und sollte im Bereich zwischen 0,5 und 2,0, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,8 und 1,2 liegen, je nach dem speziellen Permanent-

maqnetwerkstoff.

t% CV1 1P-2609 + GH

magnetwerkstoff.

Fig. 11 läßt weiter erkennen, warum ein Alnico-Magnet zur Verwendung im Rahmen der Erfindung ungeeignet ist, angeb sichts des außerordentlich hohen Verhältnisses (ungefähr 20:1) zwischen den Beträgen seiner remanenten Flußdichte B und seiner Eigenfeldstärke H , wodurch eine derart steile Entmagnetisierungskurve entsteht, daß nur sehr geringe Schwankungen der Flußdichte ohne Entmagnetisierung möglich sind, wenn der anfängliche Arbeitspunkt nicht in der Nähe des Remanenzpunktes liegt. Insgesamt haben die im Rahmen der Erfindung geeigneten Permanentmagnetwerkstoffe viel kleinere Verhältnisse der Größen ihrer remanenten Flußdichten B und Eigenfeldstärken H , und diese Verhältnisse liegen nicht über etwa 2:1.

In Fig. 2 ist der Permanentmagnetmotor nach dem US-Patent 4 130 769 (Karube) wiedergegeben. In diesem Motor befindet sich ein vierpoliger Rotor 38, an dem die Magnete nicht als Segmente ausgebildet sondern stattdessen in einen isotropen Magneten magnetisiert sind. Der Motor weist einen ungezahnten Ständerkern 40 auf, der durch einen Spalt 42 der Länge L von dem Rotor 38 getrennt ist; in den Spalt 42 ist eine Wicklung 44 gelegt. Einer der vier radialsymmetrisehen Magnetkreise des Motors nach Fig. 2 ist durch die gestrichelte Linie 46 angedeutet und umfaßt einen Magneten der Länge L , zwei Spalte der Länge L und einen'Abschnitt des Kerns 40. Wie weiter oben ausgeführt, wird bei diesem Motor ein ungezahnter Kern verwendet, damit die Wicklung kostengünstig eingebaut und herausgenommen werden kann; hervorgehoben wird aber eine möglichst schmale Ausbildung des Spaltes, der gerade noch die kleinste Wicklung aufnehmen kann, die für die Drehmomentanforderungen des Motors ausreicht. Infolgedessen ist das Verhältnis von Gesamtspaltlänge 2L

r 1:3. Der Arbeitspunkt des Permanentmagneten liegt also

3b des Magnetkreises 46 zu der Magnetlänge L nur ungefähr

nicht

CVl 1 P-2609 + GH

nicht viel weiter von dem Remanenzpunkt als der Arbeitspunkt des Motors aus Fig. 1.

Im Gegensatz dazu wird in Fig. 6 ein mit dem Motor nach Fig. 2 vergleichbarer, aber dem Erfindungsgedanken entsprechender Motor gezeigt. Der Motor nach Fig. 6 hat die gleichen Außenabmessungen wie derjenige nach Fig. 2, weist aber eine wesentlich größere Energiedichte dank der Bildung eines Arbeitspunktes X2 (Fig. 10) auf, der in der Nähe des theoretischen maximalen Energieprodukts des Permanentmagnetrotors 1-38 liegt. Der Arbeitspunkt des theoretischen maximalen Energieprodukts wird erreicht, indem das Verhältnis zwischen der Gesamtspaltlänge 2L und der Magnetlänge L des Magnetkreises 146 bis annähernd auf den Wert 1 erhöht wird. Dazu ist eine Erweiterung des Spaltes 142 zwischen dem Rotor 138 und dem Kern 140 erforderlich, eine entsprechende Verkleinerung des Durchmessers des Permanentmagnetrotors 138 und das Ausfüllen des erweiterten Spalts 142 mit einer größeren Wicklung 144, wie es nach dem der Erfindung zugrundeliegenden Prinzip vorgesehen ist.

In Fig. 3 ist der Motor nach dem US-Patent 4 135 107 (Kamerbeek et al.) wiedergegeben, der einen zweipoligen Periuanentmagnetrotor 48 mit StahlweTle 49 im Zentrum besitzt; der Rotor 48 ist durch einen Spalt 50 von einem Ständerkern

■ ■ · 52 getrennt, um den eine verhältnismäßig flache Wicklung gelegt ist. Einer der beiden diametral einander gegenüberliegenden Magnetkreise ist durch die gestrichelte Linie 56 verdeutlicht; er setzt sich zusammen aus einer Gesamtspaltlänge 2L und einer Gesamtmagnetlänge 2L . So wie bei dem Motor nach Fig. 1 beträgt das Verhältnis zwischen der Gesamtspaltiänge des Magnetkreises und der Gesamtmagnetlänge nur etwa 1:4. Wie bei dem Motor nach Fig. 2 wurde auch bei dem Motor nach Fig. 3 ein ungezahnter Spalt verwendet, der

aber nicht der Maximi erung des Energieprodukts des Pernianentmagnetrotors 48 dienen sollte, vielmehr wurde der ungezahnte

CV11P-2609+GH

zahnte Kern zur Beseitigung von Harmonischen zur Erlangung eines Sinusfeldes angewandt. Ein möglichst enger Spalt wurde auch dadurch betont, daß ein im Rahmen der Gesamtkonstruktion möglichst großer Rotor verwendet wurde, b

Der Motor nach Fig. 7 ist vergleichbar mit demjenigen nach Fig. 3 und wurde nach der Lehre der Erfindung konstruiert. Wie bei dem Motor nach Fig. 6 wurde der Durchmesser des Permanentmagnetrotors 148 erheblich verkleinert, so daß ein viel größerer Spalt zwischen dem Rotor 148 und dem Ständerkern 152 gebildet werden konnte. Auf die äußeren Wicklungen des Motors nach Fig. 3 wurde gemäß Fig. 7 verzichtet, weil sie sich außerhalb des Magnetkreises befinden und daher zur Ausgangsleistung nichts beitragen. Erfindungsgemäß sind die beiden Spaltlängen L in Fig. 7 annähernd gleich den beiden

ei

Magnetlängen L , und der erweiterte Spalt 150 wird weitgehend ausgefüllt durch eine größere Wicklung 154.

Fig. 4 zeigt in vereinfachter Form die Hauptelemente eines bereits genannten, von Siemens (Bundesrepublik Deutschland) hergestellten Permanentmagnetmotors. Dieser Motor besitzt einen ungezahnten Ständerkern 58, der einen zylindrischen, zweipoligen rohrförmigen Permanentmagnetrotor 60 aus Alnico umgibt; in dem Rotor befindet sich ein Zinkkern 62, in dessen Mitte eine Stahl we lie 63 angeordnet ist. Eine Wicklung 64 ist an dem Ständerkern 58 innerhalb des Spalts 66 angebracht, der den Rotor 60 von dem Ständerkern 58 trennt. In dem einen der beiden diametral einander gegenüberliegenden, durch die gestrichelte Linie 68 angedeuteten Magnetkreise des Motors treten nicht nur zwei Spalte L zwischen dem Rotor 60 und dem Ständerkern 58 auf sondern, weil das Zink 62 unmagnetisch ist, zwei sehr weite wirksame Spalte L innerhalb des rohrförmigen Permanentmagneten 60 selbst, wodurch der magnetische Widerstand des Kreises erheblich e r -

ü5 höht wird. Die Gesamtlänge der Magnete in dem Magnetkreis setzt sich aus den beiden Stücken L zusammen, wie in

Fig. 4

^2 CVI1P-2609+GH

-'Μι Fig. 4 angegeben. Das Verhältnis zwischen der Gesamtspaltlänge 2L + 2L und der Gesamtmagnetlänge 2L_m des Magnetkreises 68 entspricht ungefähr dem Kehrwert der entsprechenden Zahlen für die Motoren nach den Figuren 1, 2 und 3 insofern als nach Fig. 4 die Gesamtspaltlänge ungefähr dreimal so groß ist wie die Gesamtmagnetlänge. Dadurch ergibt sich ein Arbeitspunkt bei einer Flußdichte, die weit unter derjenigen des Arbeitspunktes des theoretischen maximalen Energieprodukts liegt, und, wie erwähnt, ergab sich eine außerordentlich starke Entmagnetisierung des Alnjco-Magneten 60.

Wenn bei einem Motor, der mit demjenigen von Fig. 4 vergleichbar ist, die Lehre der Erfindung angewendet werden sollte, ergäbe sich im wesentlichen das in Fig. 8 gezeigte Bild, wonach der rohrförmige Permanentmagnetrotor 160 wesentlich dicker wäre als derjenige nach Fig. 4 und die Gesamtmagnetlänge 2L ebenfalls größer wäre. Der Zinkkern 62 wäre wesentlich kleiner ausgebildet und würde zu wesentlich kleineren Spaltlängen L führen, während der Spalt 166 zwischen dem Rotor 160 und dem Ständerkern 158 etwa die gleiche Länge L wie nach Fig. 4 erhielte, so daß 2L + 2L in dem Magnetkreis 168 ungefähr gleich 2L wäre. Ausserdem würde das Alnicomaterial durch einen geeigneten Ferrit- oder Seitenerd-Kobalt-Permanentmagneten ersetzt werden. Vorzugsweise würde aber der erfindungsgemäß aufgebaute Motor überhaupt keinen Zinkkern 162 erhalten. Stattdessen würde er mehr nach Art des Motors aus Fig. 7 gebaut undder ganze Spalt des Magnetkreises praktisch vollständig mit Wicklung ausgefüllt werden, so daß nichts von dem Spalt vergeudet wird, wie es bei einem Zinkkern der Fall wäre.

Fig. 9 zeigt noch eine weitere Bauart eines erfindungsgemäß konstruierten Motors. In diesem Falle dreht sich ein Permanentmagnetrotor 170, der ein äußeres Magnetstahl gehäuse 172 aufweist, auf dem zwei gebogene Permanentmagnete 174 angeordnet

3r3 CV11 P-2609 + GH

1 ordnet sind, um einen inneren Ständer 176, der einen von einer Wicklung 180 umschlossenen Kernring 178 besitzt. Der eine der beiden diametral einander gegenüberliegenden Magnetkreise des Motors ist durch die gestrichelte Linie b 182 gekennzeichnet. Der Magnetkreis umgeht den Mittelteil 183 des Kernringes 178 und der Wicklung 180, und dieser Mittelteil braucht deshalb kein Magnetmaterial zu enthalten. Die beiden Magnetstrecken des Kreises sind mit L bezeichnet, und die beiden Spaltstrecken tragen die Bezeichnung L . Entsprechend der allgemeinen Konstruktionsformel der Erfindung ist 2L ungefähr gleich 2L , damit der Arbeitspunkt, wie verlangt, auf den Punkt oder in die Nähe des Punktes des theoretischen maximalen Energieprodukts geführt wird.
15

Bei allen vorgenannten Maschinen ist die Wicklung fest an dem Ständerkern angebracht und ihm gegenüber isoliert worden; sie läßt sich vorteilhafterweise mit Epoxidharz vergießen, damit sie ihre Form beibehält und der erforderliche mechanische Abstand zwischen der Wicklung und dem Rotor aufrechterhalten wird. Bei allen genannten Maschinen können Rotor und Stator miteinander die Rolle tauschen und entweder Rotor oder Stator können als umlaufendes Element arbeiten. Außerdem können die Permanentmagnete entweder das innenliegende oder das außenliegende Element bilden, und dasselbe gilt für Wicklung und Kern. Typische Varianten für diese elektrischen Maschinen sind Permanentmagnet-Gl eich stroniniotoren, Tachometer, Wechselstrom- und Gleichstromgeneratoren und Schrittmotoren.
30

Die in der vorstehenden Beschreibung angewandten Begriffe und Ausdrücke werden zu Beschreibungszwecken verwendet und sollen keine Einschränkung bedeuten, und mit der Anwendung dieser Begriffe und Ausdrücke sollen Äquivalente der dargestellten Ausführungsweisen nicht ausgeschlossen werden; die Erfindung wird vielmehr durch die Patentansprüche definiert und begrenzt.

Claims (8)

1. Patentansprüche

   Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine durch Anbringen eines Permanentmagneten und eines Kerns in vorbestimmter gegenseitiger Beziehung, durch Einsetzen einer elektrisch leitenden Wicklung in den Spalt zwischen dem genannten Magneten und dem genannten Kern und durch Zulassung einer Relativbewegung zwischen dem genannten Magneten und der genannten Wicklung, wobei der genannte Magnet und der genannte Kern voneinander durch einen Spalt vorbestimmter Größe getrennt sind und wobei der genannte Magnet, der genannte Kern und der genannte Spalt einen Magnetkreis bilden, in dem der genannte Magnet mit einer vorbestimmten Magnetflußdichte und einer vorbestimmten Magnetfeldstärke betrieben wird, und wobei ferner das Produkt aus der genannten vorbestimmten Flußdichte und der genannten vorbestimmten Feldstärke einem Energieprodukt entspricht, die genannte vorbestimmte Flußdichte und die genannte vorbestimmte Feldstärke durch die genannte Größe des

   genannten Spalts bestimmt sind, der Magnet eine vorbestimmte

   2 CV11P-2609+GH

   bestimmte remanente Flußdichte sowie ein vorbestimmtes maximales Energieprodukt besitzt, das bei einer Flußdichte auftritt, die niedriger ist als die genannte remanente Flußdichte, d a d u r c h g e k e η η b zeichnet, daß die genannte Größe des genannten Spalts so gewählt wird, daß sich eine entsprechende vorbestimmte Flußdichte und Feldstärke ergibt, die das. genannte Energieprodukt praktisch maximiert, so daß der genannte Magnet während der genannten Relativbewegung lü in der Nähe des genannten maximalen Energieprodukts betrieben wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Magnet, der genannte Kern und der genannte Spalt einen Magnetkreis bilden, in welchem innerhalb des genannten Spalts eine vorbestimmte Magnetflußdichte und eine vorbestimmte Magnetfeldstärke induziert werden, wobei die vorbestimmte Flußdichte und die vorbestimmte Feldstärke in dem genannten Spalt bestimmt wer- den durch die genannte Größe des genannten Spalts und einer Energiedichte in dem genannten Spalt entsprechen, und daß ferner die genannte Größe des genannten Spalts so gewählt wird, daß der Wert der genannten vorbestimmten Flußdichte in dem genannten Spalt wesentlich niedriger ist als die genannte remanente Flußdichte und so hoch ist, daß während der genannten Relativbewegung die genannte Energiedichte innerhalb des genannten Spalts praktisch maximiert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Magnetkreis mindestens einen Spalt aufweist, der wirkungsmäßig in den Magnetkreis eingebaut ist, sowie einen oder mehrere wechselseitig zusammenwirkende Permanentmagnete, die wirkungsmäßig in den Magnetkreis eingebaut sind, und daß der genannte Magnetkreis eine Gesanitspaltlänge aufweist, die sich

   zusammensetzt

   3 CVI1P-2609+GH

   zusammensetzt aus der Gesamtlänge des genannten Spalts oder der genannten Spalte, und eine Gesamtmagnetlänge, die sich zusammensetzt aus der Gesamtlänge des genannten Magnets oder der genannten Magnete.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des genannten Spalts so gewählt wird, daß das Verhältnis der genannten Gesamtspaltlänge zu der genannten Gesamtmagnetlänge sich im Bereich zwischen 0,5 und 2,0 bewegt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß. die Größe des genannten Spalts so gewählt wird, daß das Verhältnis der genannten Gesamtspaltlänge zu der genannten Gesamtmagnetlänge sich im Bereich zwischen 0,8 und 1,2 bewegt.

   6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des genannten Spalts so gewählt wird, daß das Verhältnis der genannten Gesamtspaltlänge zu der genannten Gesamtmagnetlänge praktisch gleich 1 ist.

   7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Magnetkreis einen oder mehrere wirkend eingebaute Spalte und einen oder mehrere wechselseitig zusammenarbeitende, wirkend eingebaute Permanentmagnete aufweist, daß der Magnetkreis eine Gesamtspaltlänge besitzt, die sich zusammensetzt aus der Gesamtlänge des Spalts oder der Spalte, und eine Gesamtmagnetlänge, die sich zusammensetzt aus der Gesamtlänge des Magnets oder der Magneten, daß dem Magneten eine Entmagnetisierungskurve zugeordnet ist, die durch eine remanente Magnetflußdichte, eine Eigenmagnetfeldstärke und einen Knick charakterisiert ist,der zwischen der

   remanenten Flußdichte und der Eigenfeldstärke liegt, daß ferner die Größe des genannten Spalts und des genannten

   CV11P-2609+GH

   nannten Magneten gewählt wird nach der Formel

   gt

   cp

   ^Lmt

   worin

   L . = gesamte Spaltlänge

   L . = gesamte Magnetlänge

   u = Permeabilität im Vakuum

   B = remanente Flußdichte

   H = imaginäre Eigenmagnetfeldstärke

   und daß ferner H bestimmt wird, indem der Abschnitt der Entmagnetisierungskurve, der zwischen dem Knick und B liegt, bis zu der Magnetfeldstärke-Achse der Entmagneti sierungskurve verlängert wird.

   8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spalt, dessen Länge in der Gesa mtspal ti an ge enthalten ist, praktisch vollständig mit der genannten Wicklung ausgefüllt wird.

   9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kern aus weichmagnetischem Werkstoff besteht, der eine vorbestimmte Sättigungsmagnetflußdichte besitzt, die niedriger ist als die genannte remanente Magnetflußdichte des genannten Permanentmagneten, und daß die Größe des Spalts so ge-

   ^O wählt wird, daß die Magnetflußdichte des genannten Permanentmagneten auf eine Flußdichte begrenzt wird, die unter der genannten Sättigungsmagnetflußdichte des genannten weichmagnetischen Werkstoffs liegt.

   <L IQ. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem genannten weichmagnetischen Werkstoff um weichmagnetischen Ferrit handelt. ·

   5 CV11P-2609+GH

   11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem genannten weichmagnetischen Werkstoff um amorphes Metall handelt.

   12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine irreversible Entmagnetisierung während der genannten Relativbewegung praktisch vermieden wird.

   13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Permanentmagnet ein Verhältnis zwischen der. Größe seiner remanenten Magnetflußdichte und der Größe seiner Eigenmagnetfeldstärke zeigt, das ο ι μ höchstens etwa 2:1 liegt.

   14. Elektrische Maschine mit einem Permanentmagneten von vorbestimmter remanenter Flußdichte, einem von dem genannten Permanentmagneten durch einen Spalt vor-bestimmter Größe getrennten Kern, einer elektrisch leitenden Wicklung innerhalb des Spalts zwischen dem genannten Permanentmagneten und dem genannten Kern und mit einer Einrichtung zum Ermöglichen einer Relativbewegung zwischen dem genannten Permanentmagneten und der genannten Wicklung, wobei der genannte. Magnet, der genannte Kern und der genannte Spalt einen Magnetkreis bilden, in dem der genannte Magnet bei einer vorbestimmten Magnetflußdichte und mit einer vorbestimmten Magnetfeldstärke betrieben wird, und wobei ferner das Produkt aus der genannten vorbestimmten Flußdichte und der genannten vorbestimmten Feldstärke einem Energieprodukt entspricht, die genannte vorbestimmte Flußdichte und die genannte vorbestinimte Feldstärke durch die genannte Größe des genannten Spalts bestimmt sind und der Magnet ein vorbestimmtes maximales Energie pro dukt besitzt, das bei einer Flußdichte auftritt, die niedriger ist als die genannte remanente Flußdichte,

   dadurch
6. 6 CV11P-2609+GH

   dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des genannten Spalts so gewählt ist, daß sich eine entsprechende vorbestimmte Flußdichte und Feldstärke ergibt, die dieses Energieprodukt praktisch

   b niaxiniiert, so daß der genannte Magnet während der genannten Relativbewegung in der Nähe des genannten maximalen E.nergieprodukts betrieben wird.

   15. Elektrische Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Magnet, der genannte Kern und der genannte Spalt einen Magnetkreis bilden', in welchem innerhalb des genannten Spalts eine vorbestimmte Magnetf1ußdichte und eine vorbestimmte Magnetfeldstärke induziert sind, wobei die vorbestimmte Flußdichte und die vorbestimmte Feldstärke in dem Spalt durch die genannte Größe des genannten Spalts bestimmt sind und einer Energiedichte in dem genannten Spalt entsprechen, und daß ferner die Weite des genannten Spalts ausreichend groß gewählt ist, so daß der Wert der genannten Flußdichte in dem genannten Spalt wesentlich niedriger als die genannte remanente Flußdichte und so groß ist, daß die genannte Energiedichte innerhalb des genannten Spalts während der genannten Relativbewegung praktisch maximiert wird. ;

   16. Elektrische Maschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Magnetkreis einen oder mehrere Spalte aufweist, die wirkend in den _: Magnetkreis eingebaut sind, sowie einen oder mehrere ^;

   3Q wechselseitig zusammenwirkende Permanentmagnete, die wirkend in den Magnetkreis eingebaut sind., und daß der genannte Magnetkreis eine Gesamtspaltlänge aufweist, die sich zusammensetzt aus der Gesamtlänge des genannten Spalts oder der genannten Spalte, und eine Gesamtmagnetlänge, die sich zusammensetzt aus der Gesamtlänge des genannten Magnets oder der genannten Magnete.
7. 7 CVI1P-260 9+GH

   17. Elektrische Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der genannten Gesamtspaltiänge zu der genannten Gesamtmagnetlänge sich im Bereich zwischen 0,5 und· 2,0 bewegt.

   18. Elektrische Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der genannten Gesamtspaltlänge zu der genannten Gesamtmagnetlänge sich im Bereich zwischen 0,8 und 1,2 bewegt.

   19. Elektrische Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekenn-. zeichnet, daß das Verhältnis der genannten Gesamtspaltlänge zu der genannten Gesamtmagnetlänge praktisch gleich 1 ist.

   20. Elektrische Maschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Magnetkreis einen oder mehrere wirkend eingebaute Spalte und einen oder mehrere wechselseitig zusammenarbeitende, wirkend eingebaute Permanentmagnete aufweist, daß der Magnetkreis eine Gesamtspaltlänge besitzt, die sich zusammensetzt aus der Gesamtlänge des Spalts oder der Spalte, und eine Gesamtmagnetlänge, die sich zusammensetzt aus der Gesamtlänge des oder der Magneten, daß dem Magneten eine Entmagnetisierungskurve zugeordnet ist, die durch eine remanente Magnetflußdichte, eine Eigenmagnetfeldstärke und einen Knick charakterisiert ist, der zwischen der remanenten Flußdichte und der Eigenfeldstärke liegt, daß ferner die Größe des genannten Spalts und des genannten Magneten gewählt ist nach der Formel

   ^Lmt ^Br

   worin

   L.= gesamte Spaltlänge

   9 T-

   .^Ln,t
8. 8 CV11P-2609+GH

   L . = gesamte Magnetlänge

   I il Lr

   u = Permeabilität im Vakuum B = remanente Flußdichte

   H= imaginäre Eigenmagnetfeldstärke c ρ

   und daß ferner H bestimmt ist, indem der Abschnitt

   c ρ

   der Entinagnetisierungskurve, der zwischen dem Knick und B liegt, bis zu der Magnetfeldstärke-Achse der 1Ü Entmagnetisierungskurve verlängert ist.

   21. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 16 bis

   20, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spalt, dessen Länge in der Gesamtspaltlänge enthalten ist, praktisch vollständig von der genannten Wicklung ausgefüllt ist.

   22. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 14 bis

   21, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kern aus weichmagnetischem Werkstoff besteht, der eine vorbestimmte Sättigungsmagnetflußdichte besitzt, die niedriger ist als die genannte remanente Magnetflußdichte des genannten Permanentmagneten, und daß die Größe des genannten Spalts ausreicht, um die Magnetflußdichte des genannten Permanentmagneten auf eine Flußdichte zu begrenzen, die unter der genannten Sättigungsmagnetflußdichte des genannten weichmagnetischen Werkstoffs liegt.

   23. Elektrische Maschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem genannten we'ichmagnetisehen Werkstoff um weichmagnetisehen Ferrit handelt.

   dA. Elektrische Maschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem genannten weichmagneti-'-•!5 sehen Werkstoff um amorphes Metall handelt.

   9 ' - CV11P-2609+GH

   1 2 5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 14 bis 24, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die eine irreversible Entmagnetisierung während der genannten Relativbewegung praktisch verhindert.

   2 6.· Elektrische Maschine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Permanentmagnet ein Verhältnis der Größe seiner remanenten Magnetflußdichte zu der Größe seiner Eigenmagnetfeldstärke zeigt, das 10 ' bei höchstens etwa 2:1 liegt.