DE3523755A1

DE3523755A1 - Kollektormaschine

Info

Publication number: DE3523755A1
Application number: DE19853523755
Authority: DE
Inventors: Adolf Dr Ing Mohr; Bernd Wieland
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1985-07-03
Filing date: 1985-07-03
Publication date: 1987-01-15
Also published as: US4774426A; WO1987000361A1; EP0265425A1; JPS63500629A; KR880700518A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kollektormaschine nach der Gattung des Hauptansprchs. Eine solche Maschine, insbesondere ein derartiger Gleichstrom-Kleinmotor, ist bekannt aus der DE-OS 28 45 264 oder aus der DE-PS 31 19 782. Hierbei war der Variation der verschiedenen Maschinenabmessungen eine Grenze gesetzt, insbesondere durch die Entmagnetisierungsfestigkeit des verwendeten Ferritmaterials, wobei die Tendenz bestand, mit wachender Motorgröße den Ankerdurchmesser prozentual zu vergrößern und die optimalen Magnethöhen prozentual zu verkleinern. Bekannte Berechnungsmethoden für derartige permanentmagnetisch erregte Kollektormaschinen erlaubten dabei nur in begrenztem Umfang eine Optimierung einerseits der Herstellungskosten und andererseits des Leistungsgewichtes.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kollektor-Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß unter Verwendung eines in weiteren Grenzen bezüglich Remanenz und Koerzitivfeldstärke variierbaren Ferritmagnetmaterials eine Maschinenauslegung gefunden worden ist, welche eine besonders vorteilhafte Abstimmung von Ankerquerfeld und Erregerfeld gestattet und zu einer günstigen Volumenausnutzung der Maschine führt. Die Dicke der verwendeten Magnete wird dabei mit Ausnahme der sich verjüngenden Magnetenden zweckmäßigerweise über der Länge, bzw. dem Kreissegment konstant gewählt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kollektormaschine, Fig. 2 ein Br/_J H _C-Diagramm der verwendeten Permanentmagnet- Ferritmaterialien und Fig. 3 ein Diagramm der Br/_J H _C- Werte in Abhängigkeit von verschiedenen Al₂O₃-Zusätzen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Gleichstrom- Kleinmotor mit einem Rückschlußteil 10, welches zusammen mit darin befestigten Permanentmagneten 11 den Ständer 12 der Kollektormaschine bildet. Innerhalb des Ständers 12 sitzt drehbar unter Freilassung eines Luftspaltes 14 ein Anker 15, in dessen Nuten 16 eine Ankerwicklung 17 eingebracht ist. Der Anker 15 ist drehbar auf einer Welle 18 gehalten.

Fig. 2 zeigt in Form eines Diagrammes die Abhängigkeit zwischen Remanenz (B _r) und Koerzitivfeldstärke _J H _C für verschiedene Ferrit-Materialien. Eine untere Linie 22 bezeichnet den Entwicklungsstand im Jahre 1982, eine mittlere Linie den Entwicklungsstand von Einstoff- Ferritmagneten im Jahr 1985 und eine obere Linie die derzeit erreichbare Grenze bei Mehrstoff-Ferritmagneten. Eine weitere Grenzlinie 25 zeigt die theoretisch erreichbare Grenze bei einer Remanenz B _r von 465 mT.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der B _r- und _J H _C-Werte von Fermanentmagneten von verschieden großen Zusätzen an Al₂O₃. Wegen der auftretenden Streuungen der magnetischen Werte ergeben sich hierbei die schraffierten Bereiche, die Abnahme des B _r-Wertes und die Zunahme des _J H _C-Wertes mit steigendem Al₂O₃-Zusatz zum Ferritpulver ist deutlich zu erkennen.

Für verschiedene Magnetmaterialien ergeben sich folgende Wertpaare:

Die Al₂O₃-Zusätze liegen in der Regel zwischen Werten von 0 bis 6 Gew.-%.

Neben der Koerzitivfeldstärke _J H _C ist für die Auslegung von Kollektormaschinen mit Permanentmagneterregung insbesondere die Grenzfeldstärke H _G entscheidend; das ist diejenige Feldstärke, bis zu welcher ein Dauermagnet stabil ist. Die Werte der Remanenz und der Grenzfeldstärke eines Ferritmagnetmaterials können durch den Zusatz von Aluminiumoxid in einem weiten Bereich varriert werden, wie dies die Kurven in Fig. 2 und Fig. 3 zeigen. je nachdem, ob eine höhere Remanenz oder eine höhere Grenzfeldstärke angestrebt wird, können durch Zusatz von Aluminiumoxid die Eigenschaften des Ferritmagnetmaterials entlang der durchgezogenen Linien in Fig. 2 verändert werden. Mit zunehmenden Werten der Grenzfeldstärke nimmt dabei der Wert der Remanenz ab. In der Darstellung gemäß Fig. 2 entspricht die mittlere Linie 23 dem derzeit erreichten Stand eines Einstoff-Magneten, die obere Linie 24 gilt für einen Zweistoff-Magneten. Unter Zweistoff-Magnet wird dabei ein Permanentmagnet verstanden, welcher entlang des Umfangs des Ankers 15 aus zwei verschiedenen Ferritmaterialien aufgebaut ist, von denen eines die höhere Koerzitivfeldstärke und das andere die höhere Remanenz hat; dieser Sachverhalt ist in den eingangs zum Stand der Technik genannten Druckschriften ausführlich erläutert.

Da in einem Permanentmagnetmotor das Ankerquerfeld nur an der ablaufenden Kante des Magnetsegmentes 11 entmagnetisierend wirkt, zur Magnetmitte hin etwa linear abnimmt und in der auflaufenden Hälfte des Magnetsegmenten aufmagnetisierend wirkt, muß die Beständigkeitsforderung des Permanentmagneten nur an der ablaufenden Magnetkante erfüllt werden. Auf dieser Seite des Permanentmagneten 11 müssen also eine Mindestdicke D _M und eine Mindest-Grenzfeldstärke H _G erreicht werden. Als weitere wichtige Maße sind in Fig. 1 eingetragen der Außendurchmesser d _M der Maschine, der Ankerdurchmesser d _A, die Magnetdicke D _M und die Dicke des Rückschlußteils D _R.

Wird die Magnetdicke D _M kleiner gewählt, so muß der Wert der Grenzfeldstärke des Magnetmaterials vergrößert werden, um die geringere Magnetdicke zu kompensieren. Dies führt gleichzeitig zu einer Verringerung des Remanenz-Wertes. Außerdem erhöht sich wegen der geringeren Dicke des Magneten die Scherung, was zu einer weiteren Flußverringerung führt. Andererseits kann aber bei konstantem Außendurchmesser d _M der Ankerdurchmesser d _A der Maschine vergrößert werden. Hieraus läßt sich ein Maximum des Wertes von Drehmoment zu Motorvolumen ableiten, ohne daß sich Sättigungseinflüsse bemerkbar machen.

Unter Berücksichtigung der Sättigung wiid das Ankerquerfeld verkleinert. Hierdurch ist nur noch eine geringere Grenzfeldstärke H _G erforderlich, so daß ein größerer Remanenz-Wert B _r entsprechend den Kennlinien in Fig. 2 erzielbar ist. Hierdurch wird der Sättigungseinfluß, der ja auch im Erregerkreis wirksam ist, kompensiert.

Werden die Permanentmagnete 11 dünner ausgebildet, so verringert sich der Erregerfluß und die Sättigungsauswirkung. Bei einer zu geringen Magnetdicke D _M wird der Erregerfluß so klein, daß das geforderte Drehmoment nur mit großem Ankerstrombelag verwirklicht werden kann, was meist zu unzulässiger Erwärmung der Maschine führt. Wird die Magnetdicke D _M zu groß gewählt, so wird zwar das Ankerquerfeld stark unterdrückt und es kann ein Magnetmaterial mit kleiner Grenzfeldstärke und großer Remanenz verwendet und durch die kleine Scherung ein Flußgewinn erzielt werden; andererseits wird dann jedoch der Durchmesser des Ankers 15 so klein, daß der erhöhte Flußwert durch Sättigungserscheinungen im Anker 15 schlecht genutzt wird, was wiederum zu einer Verringerung des erzielbaren Drehmomentes bei gleichem Motorvolumen führt.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäßen Aufbaus eines Gleichstrom-Kleinmotors. Für diese Bauform mit einem Außendurchmesser d _M 120 mm sind folgende zweipoligen Ausführungen realisiert worden:

Aus Fig. 2 ist die Veränderung der Remanenz (B _r) und der Koerzitivfeldstärke (_J H _C) (bzw. der Grenzfeldstärke (H _G)) für verschiednene Ferrit-Magnetmaterialien ersichtlich, denen unterschiedliche Mengen Aluminiumoxid beigegeben worden sind.

Beispielsweise kann ein Ferrit-Material gemäß Kennlinie 22 durch die Zugabe von Aluminiumoxid dahingehend verändert werden, daß sich aus einem B _r/_J H _C-Verhältnis von 420 mT/ 260 kA/m ein Verhältnis von beispielsweise 330 mT/450 kA/m ergibt. Neuere Ferrit-Einstoffmaterilien verhalten sich etwa entsprechend der mittleren Kennlinie 23, wobei sich bei gleicher Koerzitivfeldstärke, bzw. Grenzfeldstärke deutlich höhere Remanenzwerte ergeben. Verschiedene spezielle Materialwerte sind zuvor anhand von Fig. 3 bereits erläutert worden.

Noch günsigere Werte können bei den gleichen Maschinen erzielt werden mit sogenannten Zweikomponenten-Magneten 11 welche im Bereich der stärksten Entmagnetisierung durch das Ankerquerfeld aus einem hochkoerzitiven Material und im übrigen aus einem hochremanenten Material bestehen. Diesen Zweikomponenten-Ferritmagneten 11 entspricht die obere Kennlinie 24. Mit 25 ist zur Verdeutlichung die theoretisch erreichbare Grenze angedeutet. Auf dem Gebiet der Gleichstrom-Kleinmotoren ist es dabei zweckmäßig, für Scheibenwischermotoren Permanentmagnete 11 mit hohere Remanenz und niedriger Koerzitivfeldstärke auszuwählen, für Gebläsemotoren Magnete mit mittlerer Remanenz und mittlerer Koerzitivfeldstärke und für die Starter und Netzspannungsmotoren Magnete mit niedriger Remanenz, jedoch sehr hoher Koerzitivfeldstärke, bzw. Grenzfeldstärke. Diese Auswahl entspricht den im Betrieb der einzelnen Motoren auftretenden Entmagnetisierungseinflüssen.

Durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufbau von Kollektormaschinen, welcher in gleicher Weise auch für Generatoren gilt, erreicht man also eine vorteilhafte Abstimmung von Ankerquerfeld und Erregerfeld und hierdurch eine günstigere Volumenausnützung des Motors, d. h. eine größtmögliche Leistung bei unverändertem Volumen und/oder Gewicht, bzw. eine Reduzierung der Abmessungen bei gleichgebliebener Leistung. Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung sind insbesondere die Sättigungserscheinungen berücksichtigt und die Möglichkeit genutzt, die Werte der Remanenz und der Koerzitivfeldstärke in bekannter Weise durch Beigabe von Aluminiumoxid so zu verändern, daß für den jeweiligen Anwendungsfall die besten Ergebnisse bezüglich Erregerfluß und Entmagnetisierungsfestigkeit erreicht werden. Die Eisensättigung dient dabei als Anpassungsparameter, um das geringstmögliche Leistungsgewicht zu erreichen.

Claims

1. Kollektormaschine, insbesondere Gleichstrom-Kleinmotor, mit mindestens einem Paar von an einem magnetischen Rückschlußteil befestigten Permanentmagneten, vorzugsweise in Kreissegmentform, aus wenigstens einem Ferrit-Material, und mit einem eine Wicklung tragenden Anker, welcher innerhalb des als Rückschlußteil und Permanentmagneten gebildeten Ständers rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß Ferrit-Materialien verwendet werden mit einer Remanenz (B _r) und Koerzitivfeldstärke (_J H _C) oberhalb einer Grenzlinie im B _r/_J H _C-Diagramm von 440 mT/260 kA/m und 350 mT/ 500 kA/m und daß der Aufbau so getroffen ist, daß bei vorgegebenem Außendurchmesser (d _M) der Maschine 120 mm das Verhältnis wobei d _A = Ankerdurchmesser,
p = Polpaarzahl
D _M = Dicke der Magnete und
D _R = Dicke des Rückschlußteils ist.

2. Kollektormaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Magnete (D _M) mit Ausnahme der Magnetenden über der Länge konstant ist.