DE3427677A1

DE3427677A1 - Elektrische umlaufende maschine

Info

Publication number: DE3427677A1
Application number: DE19843427677
Authority: DE
Inventors: Hideaki Sakura Chiba Kobayashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-07-27
Filing date: 1984-07-26
Publication date: 1985-02-14
Also published as: US4559463A; JPS6366152B2; DE3427677C2; JPS6028758A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Elektrische umlaufende Maschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische umlaufende Maschine mit Permanentmagneten, die einen Ankerkern und einen Feldkern aufweist.

Die Magnetfluß-Sättigungsdichte eines in Anker- oder Feldkernen verwendeten Kernwerkstoffs liegt im allgemeinen bei ca. 19.000-21.000 G.

In jüngster Zeit wurden miniaturisierte Permanentmagnete mit sehr hohen elektromotorischen Kräften entwickelt; die magnetische Flußdichte an der Oberfläche dieser Permanentmagnete liegt bei den meisten aus Ferriten hergestellten Magneten im Bereich von ca. 2500-3000 G. Selbst bei Magneten, die zur Erzielung der höchsten magnetischen Flußdichte aus Seltenerdmetallen hergestellt sind, liegt die magnetische Flußdichte an den Oberflächen nur bei ca. 6000-8000 G. Somit kann das Kernmaterial den Durchgang des Magnetflusses eines Magneten aus Seltenerdmetallen, dessen Fläche etwa dreimal so groß wie diejenige des Kerns ist, gestatten.

Infolgedessen ist es für die Miniaturisierung einer Permanentmagnete aufweisenden elektrischen umlaufenden Maschine wesentlich, daß die Permanentmagnete so angeordnet sind, daß die größtmögliche Polschuhfläche im kleinstmöglichen Raum liegt.

Im Hinblick auf diese Forderung wurde von der Anmelderin bereits eine Permanentmagnetanordnung für Polkerne entsprechend der offengelegten JP-Patentanmeldung Nr. 77359/1980 vorgeschlagen.

Der Aufbau ist dabei derart, daß ein im Schnitt kreisbogenförmiger Permanentmagnet unter einem rechten Winkel zur Rotationsachse so angeordnet ist, daß sein eines Ende einer umlaufenden Welle zugewandt nahe derselben liegt und sein anderes Ende dem Außenumfang eines Polkerns zugewandt nahe diesem angeordnet ist; dabei enthält eine einen Ankerkern erreichende EMK-Wellenform eine Reihe von ungeradzahlingen Harmonischen, was nicht zu einer guten Charakteristik der elektrischen umlaufenden Maschine führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten elektrischen umlaufenden Maschine, die eine Mehrzahl Polflächen mit großem Flächenbereich und ungestörten Magnetflußfeldern aufweist. Dabei werden die vorgenannten Nachteile überwunden, und es wird eine umlaufende elektrische Maschine mit Permanentmagneten geschaffen, die gute Charakteristiken aufweisen und zur Miniaturisierung geeignet sind.

Gemäß der Erfindung sind die beiden Permanentmagnete, die aneinandergrenzende Magnetpole bilden, in koaxialen Bogen mit unterschiedlichen Abständen von einer Rotationsachse angeordnet, wobei die Enden bei Betrachtung in Radialrichtung von der Rotationsachse voneinander beabstandet sind.

Bei einem solchen Aufbau kann ein Permanentmagnet mit großer Polfläche so angeordnet sein, daß die Polfläche unmittelbar in die Richtung weist, in der ein Ankerkern angeordnet ist; somit kann also eine umlaufende elektrische Maschine gebaut werden, deren Permanentmagnete verbesserte Charakteristiken aufweisen und zur Miniaturisierung geeignet sind.

Die elektrische umlaufende Maschine gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Ankerkern, durch einen Läuferkern, der koaxial im Ankerkern angeordnet ist und eine Welle sowie eine Wicklung umfaßt, und durch eine Mehrzahl Paare von bogenförmigen Permanentmagneten, die in Axialrichtung verlaufend in dem Ankerkern oder dem Läuferkern angeordnet sind unter Bildung einer Mehrzahl Magnetpole, wobei die Permanentmagnete symmetrisch um die Rotationsachse der Welle angeordnet sind, jedes Magnetpaar konzentrisch mit und in unterschiedlichem Abstand von der Rotationsachse angeordnet ist und jeder Permanentmagnet in Radialrichtung nahe den Enden der Magnete des jeweils anderen Paars liegt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt in Längsrichtung durch ein

Ausführungsbeispiel der elektrischen umlaufenden Maschine mit Permanentmagneten nach der Erfindung, wobei ein Läufer entlang der Linie I-I¹ von Fig. umläuft;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Läufers von Fig. 1;

Fig. 3 eine Vorderansicht einer Verstärkungsplatte, die in Fig. 1 gezeigt ist; und

Fig. 4 eine Querschnittsansicht, die ein weiteres

Ausführungsbeispiel der elektrischen umlaufenden Maschine zeigt.

Gemäß den Fig. 1-3 wird die Erfindung mit einem umlaufenden Vierpol-Synchronmotor mit Permanentmagnetfeld angewandt.

Das Ausführungsbeispiel wird nachstehend erläutert.

Ein Ankerkern 2 ist in einem zylindrischen Außenrahmen 1 festgelegt. Der Ankerkern 2 weist gegenüber dem Außenumfang eines Läufers 3 eine kreisrunde Öffnung 5 durch einen Zwischenraum in der Mitte auf. Der Ankerkern 2 umfaßt eine Vielzahl Schlitze (nicht gezeigt), die zur Öffnung 5 hin offen sind, und in die Schlitze ist eine Ankerwicklung 6 eingesetzt, so daß ein umlaufendes Vierpolfeld gebildet ist.

Der Läufer 3 besteht aus einer Welle 7, einem Polkern 8, Permanentmagneten 9a bis 9d von gleicher Anzahl wie die Pole, einer Doppelkäfigwicklung 10 und einer Verstärkungsplatte 11.

Die Welle 7 ist über Lager 13a, 13b drehbar in Endverschlüssen 12a, 12b gelagert, die an beiden Enden des Außenrahmens 1 festgelegt sind. Die Rotationsachse 14 der Welle 7 koinzidiert mit der Mitte der Öffnung 5. Die Welle 7 ist gegen eine weitere Rotation an dem Polkern 8 festgelegt, so daß ein externer mechanischer Ausgang des Polkerns 8 vorhanden ist. Als Werkstoff für die Welle 7 kann entweder ein Magnetwerkstoff oder ein nichtmagnetischer Werkstoff verwendet werden. Der Polkern besteht aus einer Vielzahl gestanzter Eisenbleche 15, die in Längsrichtung der Welle 7 zu einem Paket zusammengebaut sind. Die gestanzten Eisenbleche 15 haben kreisrunden umfang 16 und weisen ferner in der Mitte ein Durchgangsloch 17 auf, in das die Welle 7 engpassend eingesetzt ist. Ferner weist das gestanzte Eisenblech 15 Stanzzonen (Öffnungen) 18a, 18c mit kleinem Radius, in die die Permanentmagnete 9a, 9c an Positionen eingepaßt sind, die um D, von der Rotationsachse beabstandet sind, sowie Stanzzonen (Öffnungen) 18b, 18d mit großem Radius auf, in die die Permanentmagnete 9b, 9c an Positionen eingepaßt sind, die um D„ von der Rotationsachse beabstandet sind.

Die Dimensionen für D. und ₂ sind gemäß der folgenden Gleichung gewählt:

wobei D- der Radius des Durchgangslochs 17 ist.

Diese Dimensionen sind so gewählt, daß die Kreisbogenmitte der Stanzzonen 18a, 18c mit kleinem Radius und der Stanzzonen 18b, 18d mit großem Radius mit der Rotationsachse 14 zusammenfällt (was vorteilhaft ist, da es das Abschrägen des Polkerns vereinfacht), und die Zonen 18a, 18c und 18b, 18d sind symmetrisch um die Rotationsachse 14 angeordnete Punkte.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Aufbau ferner derart, daß die Endabschnitte der Stanzzonen 18a, 18c mit kleinem Radius und der Stanzzonen 18b, 18d mit großem Radius in einigem Abstand voneinander sich gegenseitig überlappen (bei Betrachtung entlang der Rotationsachse 14), d. h., die Summe der von diesen Kreisbogen eingeschlossenen Winkel ist geometrisch größer als 360°.

Das gestanzte Eisenblech 15 weist Stanzzonen 20a bis 2Od auf, die von Enden der Stanzzonen 18a, 18c mit kleinem Radius nahe dem Außenumfang 16 ausgehen, wobei zwischen den Stanzzonen 18a, 18c mit kleinem Radius und dem Stanzzonen 18b, 18d mit großem Radius schmale Verbindungsbrücken 19 belassen sind; dadurch sind Zonen 21a bis 21d erhöhter Reluktanz gebildet, wodurch magnetischer Streufluß von den Permanentmagneten 9a bis 9d, der den Ankerkern 2 nicht passiert, minimiert wird.

Die Stanzz'onen 20a bis 2Od weisen einander gegenüberliegende Schwalbenschwanz-Stanzzonen 22a, 22b auf. Beim Gießen der Doppelkäfigwicklung 10 wird der Gießwerkstoff für diese auch in die Stanzzonen 20a bis 2Od einschließlich der Schwalbenschwanz-Stanzzonen 22a, 22b gegossen. Daher können in die Schwalben-

schwanz-Stanzzonen 22a, 22b gegossene Teile als Keile dienen. Ferner sind die Verbindungsbrücken 19 so schmal, daß bei geringem Magnetfluß eine magnetische Sättigung erreicht werden kann. Die Doppelkäfigwicklung 10 wird durch die Schlitze 23 nahe dem Außenumfang 16 des gestanzten Eisenblechs 15 gegossen.

Zonen 24 zum Gießen der Doppelkäfigwicklung 10 sind ferner außerhalb der Zonen 21a bis 21d mit erhöhter Reluktanz ausgestanzt in Fortsetzung der Stanzzonen 20a bis 2Od. Das Eisenblech 15 weist Stanzlöcher 26 zur Anpassung der Reluktanz der Magnetpole 25a, 25c, die an der Außenseite der Kreisbogenzonen 18b, 18d mit großem Radius angeordnet sind, an diejenige der Magnetpole 25b, 25d auf, die an der Außenseite der Kreisbogenzonen 18a, 18c mit kleinem Radius positioniert sind.

Wie Fig. 3 im einzelnen zeigt, weist eine Verstärkungsplatte 11 den gleichen Außendurchmesser wie das gestanzte Eisenblech 15 auf. Ferner weist sie ein Durchgangsloch 17', in das die Welle 7 engpassend eingesetzt ist, sowie schlitzbildende Löcher 23", 24' zum Gießen der Doppelkäfigwicklung 10 auf. Ein Teil des schlitzbildenden Lochs 24' weist Schwalbenschwanz-Stanzzonen 22a¹, 22b¹ auf, die einander gegenüberliegen. Die Verstärkungsplatte 11 besteht aus nichtmagnetischem Werkstoff. Mit 26' sind Stanzlöcher bezeichnet, die an den Stellen entsprechend den Stanzlöchern 26 vorgesehen sind.

Die gestanzten Eisenbleche 15 und die Verstärkungsplatten 11, die die vorstehend beschriebene Konfiguration aufweisen, sind so geschichtet, daß die Verstärkungsplatten 11 an beiden Enden sowie zwischen den Eisenblechen vorgesehen und die schlitzbildenden Löcher 23 und 23', 24 und 24' in Axialrichtung fluchtend oder leicht abgeschrägt in Axialrichtung angeordnet sind, wonach sie engpassend auf die Welle 7 aufgesetzt sind. Die Eisenbleche zwischen den entgegengesetzt angeordneten Verstärkungsplatten 11 sind so geschichtet, daß die Stanzzonen 18a, 18c mit kleinem Radius und die Stanzzonen 18b, 18d mit großem Radius miteinander fluchten, wodurch Kammern 27a, 27c

für Permanentmagnete mit kleinem Radius und Kammern 27b, 27d für Permanentmagnete mit großem Radius gebildet sind. Dann werden die Permanentmagnete 9a, 9c mit kleinem Radius in die Kammern 27a, 27c eingepaßt, und die Permanentmagnete 9b, 9d mit großem Radius werden in die Kammern 27b, 27d eingepaßt. Die Permanentmagnete 9a bis 9d sind elektrisch in Abständen von jeweils 180° angeordnet, und Enden der benachbarten Permanentmagnete überlappen einander und sind voneinander beabstandet (bei Betrachtung in Radialrichtung von der Rotationsachse 14). Dabei sind die Permanentmagnete 9a bis 9d so magnetisiert, daß die Polarität des Außenrands der Permanentmagnete mit großem Radius S ist, während diejenige des Außenrands der Permanentmagnete mit kleinem Radius N ist.

Aluminium oder eine Aluminiumlegierung wird in Schlitze 23a, 224a gegossen, die durch Verbinden der schlitzbildenden Löcher 23, 23" und 24, 24' gebildet sind, wodurch die Doppelkäfigwicklung 10 entsteht. Mit 10a, 10b sind Abschlußringe der Doppelkäfigwicklung bezeichnet.

Aluminium oder eine Aluminiumlegierung wird ferner in die Stanzzonen 20a bis 2Od und die Schwalbenschwanz-Stanzzonen 22a, 22b, 22a¹, 22b¹ sowie auch in einen Zwischenraum zwischen den Permanentmagnetkammern 27a, 27c mit kleinem Radius und den Permanentmagneten 9a, 9c mit kleinem Radius sowie in einen Zwischenraum zwischen den Permanentmagnetkammern 27b, 27d mit großem Radius und den Permanentmagneten 9b, 9d mit großem Radius gegossen.

In die Stanzlöcher 26, 26' wird nichts gegossen, diese können als Lüftungslöcher dienen.

Wenn bei dem oben erläuterten Aufbau die Ankerwicklung 6 erregt wird, beginnt der Läufer 3 zuerst als Induktor entsprechend der Doppelkäfigwicklung 10 zu arbeiten; wenn er nahe einer Synchrondrehzahl läuft, erfolgt Intrittfallen; und anschließend

arbeitet er als Synchronisator. Während er als Synchronisator arbeitet, wirkt die Doppelkäfigwicklung 10 als Dämpfungswicklung.

Gemäß Fig. 4 wird die Erfindung bei einem Vierpol-Gleichstrommotor angewandt. Dabei ist der Polkern 8 am Außenrahmen 1 festgelegt, und ein Anker 2¹ verläuft in einer im Polkern 8 vorgesehenen kreisrunden Öffnung 5¹. Der Aufbau ist also derart, daß der Ankerwicklung 6 über eine Bürste 30 und einen, Kommutator 31 Gleichstrom zugeführt wird.

Der Polkern 8 weist kreisbogenförmige Permanentmagnetkammern 27a, 27c mit kleinem Radius, in die die kreisbogenförmigen Permanentmagnete 9a, 9c mit kleinem Radius eingepaßt sind, sowie kreisbogenförmigen Permanentmagnetkammern 27b, 27d mit großem Radius, in die die kreisbogenförmigen Permanentmagnete 9b, 9d mit großem Radius eingepaßt sind, auf. Wenn die N-PoIe der Permanentmagnete 9a, 9c einer Position zugewandt sind, an der sich der Ankerkern 2 befindet, sind die S-PoIe der Permanentmagnete 9b, 9d der Position zugewandt, an der sich der Ankerkern 2 befindet. Die einander benachbarten Permanentmagnete sind mit unterschiedlichem Abstand von der Rotationsachse 14 angeordnet, und ihre Enden überlappen einander mit Zwischenräumen (in Radialrichtung von der Rotationsachse 14 aus gesehen).

Die Stanzzonen 20a bis 2Od sind zwischen benachbarten Magnetpolen als Zonen 21a bis 21d erhöhter Reluktanz vorgesehen, und Abschnitte des Polkerns 8, die innerhalb und außerhalb der Permanentmagnete 9a bis 9d liegen, sind zur leichten magnetischen Sättigung über die Verbindungsbrücken 19 miteinander verbunden.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, sind Permenantmagnete, die einander benachbarte Magnetpole bilden, in Paaren von koaxialen Kreisbogen (z. B. in koaxialen Kreisen) angeordnet, wobei jedes Paar für die Drehbewegung mit einem

unterschiedlichen Radius von der Rotationsachse vorgesehen ist. Ferner überlappen die Enden einander und sind voneinander beabstandet (in Radialrichtung von der Rotationsachse aus gesehen); daher können Permanentmagnete mit großen Polflächen so angeordnet werden, daß die Polflächen direkt der Stelle zugewandt sind, an der sich der Ankerkern befindet. Somit wird eine elektrische umlaufende Maschine geschaffen, die Permanentmagnete aufweist, die überlegene Eigenschaften haben und zusätzlich miniaturisiert sind.

-J15-

- Leerseite

Claims

Ansprüche

( 1. !Elektrische umlaufende Maschine,

gekennzeichnet durch

einen Läuferkern (8), der koaxial im Ankerkern (2) angeordnet ist und eine Welle (7) sowie eine Wicklung (10) umfaßt; und

- eine Mehrzahl Paare von bogenförmigen Permanentmagneten (9a-9d), die in Axialrichtung verlaufend in dem Ankerkern (2) oder dem Läuferkern (8) angeordnet sind unter Bildung einer Mehrzahl Magnetpole (25a-25d), wobei die Permanentmagnete (9a-9d) symmetrisch um die Rotationsachse (14) der Welle (7) angeordnet sind, jedes Magnetpaar (9a, 9c bzw. 9b, 9d) konzentrisch mit und in unterschiedlichem Abstand von der Rotationsachse (14) angeordnet ist und jeder Permanentmagnet in Radialrichtung nahe den Enden der Magnete des jeweils anderen Paars liegt.
2. Maschine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die aneinandergrenzende Magnetpole bildenden Permanentmagnete in koaxialen Bogen mit unterschiedlichen Radien von der Rotationsachse (14) angeordnet sind.

680-268300247-Schö
3. Maschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerkern (2) oder der Läuferkern (8) bogenförmige Öffnungen (18a, 18c) mit kleinerem Radius zur engpassenden Aufnahme eines ersten Paars von bogenförmigen Permanentmagneten (9a, 9c) an Stellen, die einen kleineren Abstand (D-) von der Rotationsachse (14) aufweisen, und bogenförmige Öffnungen (18b/ 18d) mit größerem Radius zur engpassenden Aufnahme eines zweiten Paars von bogenförmigen Permanentmagneten (9b, 9d) an Stellen, die einen größeren Abstand (D,,) von der Rotationsachse (14) aufweisen, hat.
4. Maschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die einander benachbarte Magnetpole (25a-25d) bildenden Enden der Permanentmagnete (9a-9d) bei Betrachtung in Axialrichtung entlang der Rotationsachse (14) einander mit Abständen überlappen.
5. Maschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (9a-9d) in dem Läuferkern (8) angeordnet sind, der Zonen (21a-21d) erhöhter Reluktanz zwischen den bogenförmigen Öffnungen (18a-18d) mit größerem und kleinerem Durchmesser aufweist, um magnetischen Streufluß von den Permanentmagneten (9a-9d), der den Ankerkern (2) nicht passiert, zu minimieren.
6. Maschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (21a-21d) erhöhter Reluktanz mit einem nichtmagnetischen Werkstoff gefüllt sind.
7. Maschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkern (8) Zonen erhöhter Reluktanz an der Außenseite der bogenförmigen Öffnungen mit kleinerem Radius aufweist zur Anpassung der Reluktanz von Magnetpolen 25a, 2 5c) entlang den bogenförmigen Zonen (18a, 18c) mit kleinerem Radius an die Reluktanz von an der Außenseite der bogenförmigen Öffnungen (18b, 18d) mit größerem Radius positionierten Magnetpolen (25b, 25d).
8. Maschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerkern (2) die Permanemtmagnete (9a-9d) und Zonen (21-21d) erhöhter Reluktanz aufweist zur Anpassung der Reluktanz von Magnetpolen (25a, 25c) entlang den bogenförmigen Öffnungen (18a, 18c) mit kleinerem Radius an die Reluktanz von Magnetpolen (25b, 25d), die an der Außenseite der bogenförmigen Öffnungen mit kleinerem Radius positioniert sind.
9. Läufer für eine elektrische umlaufende Maschine, gekennzeichnet durch

- einen in Axialrichtung verlaufenden Läuferkern (8) mit einer Käfigwicklung (10);

eine in der Mitte des Läuferkerns (8) angeordnete Welle (7); und

- eine Mehrzahl von Permanentmagnetpaaren (9a, 9c und 9b, 9d), die in dem Läuferkern (8) angeordnet sind und umfangsmäßig um dessen Mitte verlaufen unter Bildung einer Mehrzahl Magnetpole (25a-25d), wobei die Permanentmagnete (9a-9d) symmetrisch um die Rotationsachse (14) der Welle (7) angeordnet sind, jedes Magnetpaar (9a, 9c bzw. 9b, 9d) konzentrisch mit jeweils unterschiedlichem Abstand (D₁ bzw. D₂) von der Rotationsachse (14) angeordnet ist und jeder Permanentmagnet gleiche Winkel um die Rotationsachse (14) einnimmt und sich zu den Enden jeweils benachbarter Permanentmagnete erstreckt.
10. Läufer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete ein erstes Paar bogenförmige Permanentmagnete (9a, 9c), die in einer einen kleineren Abstand (D₁) von der Rotationsachse (14) aufweisenden Position angeordnet sind, sowie ein zweites Paar bogenförmige Permanentmagnete (9b, 9d), die in einer einen größeren Abstand (D_) von der Rotationsachse (14) aufweisenden Position angeordnet sind, umfassen.
11. Läufer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Paar bogenförmige Permanentmagnete auf koaxialen Kreisen mit unterschiedlichen Radien von der Rotationsachse (14) angeordnet sind.
12. Läufer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die aneinandergrenzenden Magnepole (25a-25d) bildenden Enden der Permanentmagnete (9a-9d) einander in Radialrichtung überlappen.
13. Läufer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkern (8) Zonen (21a-21d) erhöhter Reluktanz zwischen den bogenförmigen Öffnungen (18a-18d) mit kleinerem und denjenigen mit größerem Radius aufweist.
14. Läufer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (21a-21d) erhöhter Reluktanz des Läuferkerns (8) mit einem nichtmagnetischen Werkstoff gefüllt sind.
15. Läufer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtmagnetische Werkstoff gleiche Zusammensetzung wie die Käfigwicklung (10) hat.