DE3424939A1

DE3424939A1 - Verbesserung bei umlaufenden maschinen mit magneten am rotor

Info

Publication number: DE3424939A1
Application number: DE3424939A
Authority: DE
Inventors: Christian Gonesse Vanderschaeghe
Original assignee: Labinal SA; Precision Mecanique Labinal SA
Current assignee: Safran Electrical and Power SAS; Precision Mecanique Labinal SA
Priority date: 1983-07-07
Filing date: 1984-07-06
Publication date: 1985-01-17
Also published as: FR2548843A1; US4658165A; FR2548843B1

Description

Oipl.-Phys.

Dirjl.-Fhvs.Mentzel

Dipl.-ing. Lud^vig _{: :;}--. --.-·.■ .;.-..

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PRECISION MECANIQUE LABINAL S.A. 5 avenue Newton, Pare d'activites F-78 390 BOIS D¹ARCY

Verbesserung bei umlaufenden Maschinen mit Magneten am Rotor

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Verbesserung an umlaufenden Maschinen mit Magneten am Rotor - die antrei bende oder erzeugende Maschinen sind - in einer Ausführung, daß sie einen mit Permanentmagneten versehenen Rotor haben, der sich in einem Stator dreht, der eine Vielzahl Wicklungen aufweist.

Es sind bereits umlaufende Maschinen mit Rotor mit tangential angebrachten Magneten bekannt, die am Umfang des Rotors angeordnet sind und deren Magnetisierungsrichtung radial ist. Diese Maschinen weisen eine relativ schwache Erregungsinduktion auf, die durch die Art des Magneten selbst begründet ist, sowie in de as en relativ niedrigem Arbeitspunkt. Dagegen ist die relative Stromdichte, die man am Stator aufbauen kann, relativ bedeutend; die induzierte magnetische Rückwirkung im Rotor bleibt schwach, denn die Magnete, die das Hauptsächliche am Rotorumfang darstellen, sind gleichwertig mit' einem beträchtlichen Luftspalt.

Trotzdem bleibt das entwickelte Moment auf mittlere Werte be schränkt, trotz beträchtlicher linearer Stromdichte, infolge der schwachen Erregungsinduktion.

Zwecks Verstärkung der Erregungsinduktion hat man Maschinen entwickelt, deren Rotor radial angeordnete Magneten aufweist, die durch Polschuhe verbunden sind, die den Magnetfluß in Spaltrichtung konzentrieren. Maschinen solcher Art weisen eine bedeutende Erregungsinduktion infolge der KonzWitrationswirkung des Magnetflusses auf; umsomehr, als die .Gesamtoberfläche der Magneten - von einer bestimmten Polschuhzahl an - größer als die Spaltfläche sein kann. ':,

Die lineare Stromdichte - die man am Stator aufbauen kann bleibt dagegen schwach, denn die induzierte Magnetrückkraft wird schnell groß, weil diese Maschinen einen schwachen Luft spalt aufweisen und indem die Polmassen den durch die Stator »- ströme erzeugten Feldlinienverlauf reduzieren. Daraus ergibt sich, daß das Moment, das sich entwickeln kann, trotzdem auf mittlere Werte beschränkt bleibt und nicht in beträchtlicher Weise vergrößert werden kann.

Es wurde bereits eine ganze Anzahl umlaufender Maschinen vorgeschlagen, bei denen die Polschuhe verschiedene Aussparungen oder Unterbrechungen haben, jedoch ist das angestrebte Ziel völlig unterschiedlich vom Streben nach einer Begrenzung der induzierten Rückwirkung und die Anordnung solcher Aussparung ist völlig andersartig. So beschreibt die französische Patentschrift 2 162 eine Maschine mit Magneten am Rotor, bei der die Schlitze in den Polschuhen angeordnet sind, um den Erregungsmagnetfluß zu begrenzen und ihn radial zu richten. Diese Anordnung bildet bei der Verbreitung des Erregerstroms im wichtigsten Teil des Polschuhes, -im Mittelteil - ein Hindernis, während man bei der vorliegenden Erfindung eine beträchtliche Erregung haben will, während man den induzierten Rückstrom begrenzt.

Die deutsche Patentschrift 2 062 486 beschreibt eine Maschine mit Magneten am Rotor, bei der die Aussparungen in den Polschuhen im Bereich des zur Mitte hin gerichteten Fußes jedes Polschuhs angeordnet sind. Das Ziel ist hier eine Regelmöglichkeit für den Sättigungszustand zu erreichen und dadurch den Magnetwiderstand im Hauptstromkreis zu beeinflussen. Eine solche Anordnung kann jedoch nicht der Verbreitung des induzierten Magnetflusses im größten Teil des ^Polschuhs wirksamen Widerstand leisten.

Die japanische Patentanmeldung 51-124 4o4 beschreibt einen Synchronmotor, dessen konstruktive Ausführung die Aufgabe hat, der stetigen Entmagnetisierung des Magnetflusses im,Stator entgegenzuwirken. Der Magnetfluß kommt durch einen Durchlaß im mittle ren Teil, jedoch ohne Unterbrechung. Die Polstücke bilden an ihrem Umfang runde Hindernisse kleiner Abmessungen, die jedoch nicht in der Lage sind, dem größten Teil des induzierten. Rückflusses im Polstück zu widerstehen.

Die französische Patentanmeldung 1 313 993 beschreibt eine Maschine mit Magneten am Rotor, die am Polstück eine ausreichend große Aussparung aufweisen, die mit einer nichtmagnetischen Masse gefüllt und dazu bestimmt ist, die Herstellung des Rotors zu erleichtern und sein Gewicht zu vermindern. Eine solche Aussparung großer Fläche stellt jedoch ein gewisses Hindernis für die gute Verteilung des Erregungsstromflusses dar. Außerdem hat bei einer solchen Vorrichtung mit einer großen Anzahl Magneten und bei der die Polstücke eine schwache winklige Schwingung aufweisen, der Rückwirkfluß die Neigung, sich im Umfangsabschnitt der Polstücke zu konzentrieren; dort, wo die vorerwähnte Aussparung sich nicht erstreckt.

Das französische Patent 1 3o3 243 beschreibt einen Rotor, der mit einer großen Anzahl Permanentmagneten ausgerüstet ist, die derart angeordnet sind, daß sie dem induzierten Rückwirkstrom Widerstand leisten. Es handelt sich dort um eine äußerst korn plexe und aufwendige Ausführung und sie bietet deshalb große Nachteile.

Die deutsche Patentanmeldung 1 563 040 beschreibt ebenfalls ei nen Rotor, der eine große Anzahl Magneten aufweist, die der Verteilung des induzierten Rückwirkstroms entgegenstehen und die Polstücke mit schwacher winkliger Schwingung untereinander abgrenzen. Eine solche Anordnung weist deutlich die gleichen Kennmerkmale wie die beim französischen Patent 1 313 993.auf.

Die vorliegende Erfindung will diese Mängel beseitigen und eine Verbesserung an rotierenden Maschinen mit Magneten am Rotor schaffen, die in einfacher und wirtschaftlicher Weise eine beträchtliche Erregungsinduktion aufweisen, obwohl eine höhere lineare

■ . Stromdichte am Stator aufrecht erhalten wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die deutliche Vermehrung der

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Die Erfindung hat eine Verbesserung von umlaufenden Maschinen mit Magneten am Rotor zu Ziel, in der Ausführung, bei der der Rotor eine Vielzahl Permanentmagneten aufweist, die radial angeordnet und durch sektorförmige Polschuhe entsprechend derart verbunden sind, daß sich der Induktionsfluß zum Stator hin konzentriert, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Polschuhe zwecks Bildung eines Hindernisses für die Fortpflanzung des induzierten magnetischen Rückflusses Schlitze aufweisen, die in einer deutlich radialen Richtung angeordnet sind oder im Verhältnis zur radialen Symmetrierichtung der Polschuhe etwas geneigt und am Umfang oder im Umfangsbereich der Polschuhe münden; die besagten Schlitze gestatten -wider Erwarten - die Konzentration des Erregerstromflusses.

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Diese Schlitze dürfen unter Umständen zum Luftspalt hin geöffnet sein, jedoch ist vorzuziehen - aus Gründen"der mechanischen Festigkeit des Rotors - daß sie so nicht zum Luftspalt hin münden. Die Anzahl und die Länge der Schlitze können unterschiedlich sein; die Länge soll vorzugsweise wenigstens einige Zehntel mm betragen.

Die Schlitze lassen sich vorteilhafterweise durch Ausstanzen von Blechen verwirklichen, die - übereinandergeschichtet - die Polschuhe bilden oder auch durch andere Mittel, z.B. durch spa nende Bearbeitung, wenn es sich um massive Polschuhe handelt.

Es läßt sich feststellen, daß das Vorhandensein dieser Schlitze die induzierten Rückflußströme auf Werte begrenzt, die praktisch vernachlässigt werden können, ohne die Erregungsstromflüsse zu behindern.

Es ist so möglich, erfindungsgemäß eine Leistungszunahme der Maschine pro Masse gesehen in der Größenordnung von 200 % zu erreichen, was gleichermaßem an Gewicht und Abmessungen einen Gewinn bedeutet.

In einer weniger vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Polschuhe an Stelle von Schlitzen aus gerichteten Blechen bestehen, deren Anordnungsrichtung deutlich der Richtung von Schlitzen entspricht.

Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden beim Studium der nachstehenden Beschreibung zum Vorschein kommen, die ein nicht einschränkendes Beispiel sein soll und sich auf die beigefügte Zeichnung bezieht, worin :

die !ig. 1 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors ist.

Die Fig. 2 zeigt in einem Querschnitt längs der Linie II-II der Fig.'3 einen Motor gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung.

Die Fig. 3 stellt den gleiche Motor dar, jedoch im Längsschnitt längs der Linie IH-III der Fig. 2.

Wenden wir uns zuerst der Fig. 1 zu.

Man sieht in dieser Figur, die eine Maschine in schematischer Darstellungsweise zeigt, am Ende gesehen, einen schematisch därgestell- ^ ten Stator Λ _? sowie einen Rotor 2 mit radialem Zwischenraum 3

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zwischen Rotor und Stator. Der Rotor 2 weist eine Welle K aus nichtmagnetischem Material auf, die vier radiale Magneten 5 trägt, z.B. Ferritmagneten, deren Stirnflächen - unterschiedlichen Polaritäten entsprechend - sich gegenüberstehen. Die Anordnung dieser Magneten ist derart, daß die benachbarten Stirnflächen zweier benachbarter Magneten die gleiche Polarität aufweisen. Die Magneten 5 sind durch Polschuhe 6 verbunden, die z.B. 'durch gestanzte Bleche in Lagen übereinander geschichtet hergestellt sind, wobei die Aus stanzung in Kreissektorform erfolgt, durch die die Erregungsstrom-Flußlinien in eine deutlich radiale Richtung zum Stator hin konzentriert werden. Die Flußlinien der Erregung sind mit Strichlinien dargestellt.

Gemäß der Erfindung sind Polschuhe 6 mit einer Vielzahl von Schlitzen oder länglichen Öffnungen 7 vorgesehen, die radial angeordnet sein können, die aber, in der Form der dargestellten Ausführung, parallel zueinander verlaufen und in radialer Richtung zur geometrischen Mit tellinie des Polschuhs 6, ausgerichtet zum Schlitz 7 mit der größten Länge. Man erkennt, daß die Schlitze 7 nicht im Zwischenraum 3 münden, sodaß die mechanische Festigkeit der Polschuhe 6 völlig erhalten bleibt.

- Wenn die Maschine im Betrieb ist, so wird der Induktionsfluß, der von den Magneten stammt, auf die (nicht dargestellten) Spulenwicklungen des Stators übertragen, durch bedeutende lineare Stromdichten. Jedoch wird die entwickelte induktive Gegenkraft, die die Neigung hat, einen Induktionsgegenfluß auszulösen - durch Strich-Punkt-Linien dargestellt - durch das Vorhandensein der Schlitze 7 blockiert, die für die Fortpflanzung von Magnetfeldern ein Hindernis bilden. Im übrigen bilden die radial angeordneten Magneten 5 selbst ebenfalls Hindernisse für die Fortpflanzung des Gegeninduktionsflusses, derart, daß die Gegeninduktion besonders schwach und praktisch zu vernachlässigen ist.

Man kann also bedeutende Zunahmen der Maschinenleistung pro Masse erreichen.

Wir wenden uns jetzt den Fig. 2 und 3 zu.

In diesen Figuren ist eine Maschine dargestellt, deren Rotor 8, der auf einer Welle.9 montiert ist, besteht diesmal aus 8 Magneten 10, die den Magneten 5 vergleichbar sind, ebenfalls radial angeord-

, net.

Die Polschuhe 11 - die den Polschuhen^6 vergleichbar sind richten ebenfalls den Induktionsfluß zum Stator 12 hin aus, von diesem sieht man die Einschnitte'13, die die-Spulenwick lungen 14· aufweisen. \

Erfindungsgemäß weisen die Polschuhe. 1(1 auch eine Vielzahl von Schlitzen 15 auf, die so angeordnet sind, daß sie zur Welle hin leicht auseinanderlaufen. Diese Schlitze erstrecken sich über den größten Teil der Stärke der Polschuhe 11 in radialer Richtung.

Die in den Pig." 2 und 3 dargestellte Maschine bietet in den Magneten eine sehr bedeutende lineare Entwicklung, die sich auf jeden Polschuh 11 durch eine starke Konzentration des Inductions flusses überträgt, der radial gerichtet ist und zwischen den Schlitzen 15 fließt. Daraus ergibt sich eine Möglichkeit extrem erhöhter linearer Dichte im Stator. Nun wird gleichermaßen die Induktionsgegenkraft, die die Neigung hat sich zu entwickeln, durch das Vorhandensein der Schlitze und nebenbei durch die Magneten selbst davon abgehalten.

Die Anzahl der Schlitze in einem Polschuh kann bezüglich der Abmessungen, der Anzahl der Pole und auch in den Winkelabmessungen des Polschuhs schwanken, sowohl als auch in der Maschine eigenen elektromagnetischen Leistungen.

Vorteilhafterweise zieht man das mittlere Verhältnis von Schlitzen zu Polschuh vor, das heißt, das Verhältnis der Gesamtlänge, die auf die Schlitze längs des Bogens eines Kreises verteilt wird, dessen Mittelpunkt auf der Drehachse liegt, und sich von einem zum anderen eines Polschuhs auf der Höhe der Mitte ihrer radialen Stärke erstreckt, längs dieses Kreisbogens, beträgt etwa 30$ bis etwa 90$, oder ( anders ausgedrückt ) 60 bis 180° elektrisch.

Obgleich die Erfindung im übrigen als eine besondere Ausführungsform beschrieben worden ist, versteht sich, daß dieselbe keinenfalls begrenzend ist und daß man verschiedene Abänderungen in Form und Material vornehmen kann, ohne dadurch von ihrem Umfang oder von ihrem Geiste abzuweichen.

Claims

Dipl.-Phys. Buse Dipl.-Phyfs.r-"ε- -\-> TaI. ti,02I1Ii1J.;' · '- w ort a Γ a ANSPRÜCHE

1. J Verbesserung bei umlaufenden Motoren mit Magneten am Rotor; in der Ausführung, bei der der Rotor eine Vielzahl von Permanentmagneten (5, 10) umfaßt, die radial angeordnet und entsprechend durch Polschuhe (6,11), die die Form von Sektoren aufweisen, derart verbunden sind, daß der Induktions fluß zum Stator hin konzentriert wird, dadurch gekennzeich net, daß die besagten Polstücke (6, 11) - um ein Hindernis für die Portpflanzung des Magnetflusses der Gegeninduktion zu bilden - Schlitze (7» 15) aufweisen, die in einer deut lieh radialen Richtung angeordnet oder relativ zur radialen Richtung der Symmetrieachse des Polschuhs ein wenig geneigt sind und am Umfang oder im Umfangsbereich der Polschuhe (6,11) münden.

2. Verbesserung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Schlitze an ihren beiden Enden geschlossen sind.

■ 3· Verbesserung gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Schlitze durch Stanzen aufeinander geschichteter Bleche hergestellt werden, die Polschuhe bilden.

4. Verbesserung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Schlitze (7) parallel zueinander sowie in radialer Richtung von der Mittellinie des Polschuhs (6) aus angeordnet sind.

5. Verbesserung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Schlitze (15) aus einem gleichen Polschuh (10) in Richtung zur Rotorachse gesehen leicht auseinander laufen.

6. Verbesserung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Verhältnis der Schlitze im Verhältnis zum Palschuh zwischen 30 % und 90 % beträgt.

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ANSPRÜCHE (FORTSETZUNG)

7· Verbesserung gemäß dem- Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Polschuhe aus ausgerichteten; Blechen bestehen, wobei die Richtung der Ausrichtung deutlich radial ist; die Trennung zwischen zwei benachbarten Blechen bildet jedesmal einen wirksamen Schlitz. < I