DE3620397A1 - Elektrische maschine, insbesondere gleichstromkleinmotor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, insbesondere von einem Gleichstrom­ kleinmotor, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei bekannten permanentmagneterregten Gleichstrom­ kleinmotoren dieser Art sind die Permanentmagnet­ segmente radial magnetisiert, so daß das bei Betrieb sich ausbildende Ankerquerfeld die Magnetsegmente weitgehend gleichmäßig in ihrer magnetischen Vorzugs­ richtung beansprucht.

Bei solchen Gleichstromkleinmotoren erzielt man bei vorgegebenem Außendurchmesser des Motors und vorge­ gebener Remanenzinduktion (B _r ) des Magnetmaterials das größte Motormoment und somit das kleinste Leistungsgewicht des Motors nur bei einem bestimm­ ten Ankerdurchmesser, somit nur bei einer bestimm­ ten Magnetdicke. Während man bei Motoren bis zu einer Leistung von 30 W mit den zur Verfügung stehenden Magnetmaterialien die geforderte Magnet­ dicke ohne Schwierigkeiten verwirklichen kann, muß bei Motoren für Kurzzeitbetrieb und größeren Motoren aus Entmagnetisierungsgründen die Magnet­ dicke größer gewählt werden.

Um dies zu vermeiden bzw. die Magnetdicke in erträg­ lichen Grenzen zu halten, hat man bei diesen entmag­ netisierungsgefährdeten Motoren Zuflucht zu hoch­ koerzitiven Magnetmaterialien oder zu sog. Zweistoff­ magneten genommen, bei welchen das Magnetsegment eine hochkoerzitive ablaufende Magnetkante und einen hoch­ remanenten Restmagneten aufweist. Im ersten Falle mußte man eine Verkleinerung des B _r -Wertes hinnehmen, im zweiten Fall stiegen die Herstellungskosten des Motors infolge des Zweistoffmagneten erheblich. Zu­ dem hat sich gezeigt, daß Zweistoffmagnete bei einem Überdeckungswinkel von 140°, wie sie für flußoptimierte Einstoffmagnete gewählt werden, nur mit erheblichen Aus­ schußziffern hergestellt werden können, weil die Riß­ gefahr an der Trennzone der beiden Materialkomponenten sehr stark mit dem Überdeckungswinkel ansteigt. Ent­ magnetisierungsgefährdete Motoren hat man daher bislang nur mit schlechterer Ausnutzung des Motorvolumens und damit größerem Leistungsgewicht konzipiert.

Bei Gleichstromkleinmotoren der eingangs genannten Art hat man ferner festgestellt, daß zur Erzielung einer Geräuscharmut des Motors die Polüberdeckung der Perma­ nentmagnetsegmente einem ganzzahligen Vielfachen der Nutteilung entsprechen muß, damit ein Minimum an Ra­ stermomenten auftritt, welche die magnetischen Ge­ räusche hervorrufen. Bei einem 12 Nut-Anker mit einer Nutteilung von 30° muß daher der Überdeckungswinkel der Magnetsegmente entweder 120° oder 150° betragen. Da der Magnetfluß des Motors direkt von dem Über­ deckungswinkel abhängt, strebt man einen größstmög­ lichen Überdeckungswinkel an. Mit der heutigen Ferti­ gungstechnologie lassen sich Permanentmagnetsegmente mit einem max. Überdeckungswinkel von 140° herstellen. Bei größerem Überdeckungswinkel steigt die Ausschuß­ ziffer in der Magnetherstellung durch Rißbildung drastisch an. Außerdem führt der größere Überdeckungs­ winkel zu einer verkleinerten neutralen Zone (Kommu­ tierungszone) und damit zu einer Lebensdauerverringe­ rung der Kommutierungsbürsten. Ein im Hinblick auf den Magnetfluß optimierter Motor mit einem Überdeckungswin­ kel von 140° hat somit erhebliche magnetische nutfre­ quente Geräusche. Steht die Geräuscharmut des Motors im Vordergrund, so muß der Überdeckungswinkel auf 120° reduziert werden und damit eine Flußeinbuße und eine Wirkungsgradverschlechterung in Kauf genommen werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere der erfindungsgemäße Gleichstromkleinmotor, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat dem gegen­ über den Vorteil, daß infolge der Beanspruchung der Permanentmagnetsegmente durch das Ankerquerfeld nicht in magnetischer Vorzugsrichtung der Permanentmagnet­ segmente, sondern unter einem spitzen Winkel dazu, die Beständigkeit der Permanentmagnetsegmente ohne Flußein­ buße vergrößert wird. Die dadurch scheinbar größere Magnetdicke führt zu einer Flußkonzentration und da­ mit zu einem steileren Anstieg der Luftspaltinduktion unter den Polkanten. Auf diese Art kann ein Über­ deckungswinkel von 150° verwirklicht werden, ohne daß eine Einbuße der Kommutierungszone in Kauf ge­ nommen werden muß, so daß die Lebensdauer der Bür­ sten nicht beeinträchtigt wird. Der erzielbare Überdek­ kungswinkel von 150° sorgt nach dem vorstehend Ausge­ führten für einen geräuscharmen Motor. Der geräusch­ arme Motor liegt zudem im technischen und wirtschaft­ lichen Optimum, zeichnet sich also durch max. Wirkungs­ grad und kleinstes Leistungsgewicht aus.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maß­ nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen der im Anspruch 1 angegebenen elektrischen Ma­ schine möglich.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dabei aus Anspruch 5. Durch die Teilung der Perma­ mentmagnetsegmente in zwei Segmente mit halbem Über­ deckungswinkel kann ein guter Ausrichtgrad auch an den Randzonen erreicht und damit die magnetische Vorzugs­ richtung einfach beeinflußt werden. Zugleich wird es dadurch ohne Mehrkosten möglich, das Prinzip des Zwei­ stoffmagneten anzuwenden, indem gemäß der Ausführungs­ form nach Anspruch 6 die ablaufende Hälfte der Perma­ nentmagnetsegmente aus koerzitiv betontem und die aus­ laufende Hälfte aus remanenzbetontem Material herge­ stellt wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 7. Durch die Spaltbildung im Rückschlußjoch, und zwar jeweils in der Mitte der Permanentmagnetsegmente, wird das Ankerquerfeld in Segmentmitte unterdrückt.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines permanentmagne­ tisch erregten Gleichstromkleinmotors,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Perma­ nentmagnetsegments des Motors in Fig. 1,

Fig. 3 eine Gegenüberstellung des Verlaufs der Luftspaltinduktion bei einem herkömmlichen Gleichstromkleinmotor (a) und bei dem erfindungsgemäßen Gleichstromkleinmotor in Fig. 1 (b),

Fig. 4 einen Querschnitt eines Gleichstromklein­ motors gemäß einem weiteren Ausführungs­ beispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Von dem Gleichstromkleinmotor ist in Fig. 1 nur das zum Verständnis der Erfindung Wesentliche dargestellt. Ein in Fig. 1 zu sehender Rückschlußring 10 aus ferromagneti­ schem Material ist Teil des feststehenden Ständers oder Magnetgestells. Der Rückschlußring 10, auch Rückschluß­ joch genannt, trägt an seiner Innenseite zwei einander diametral gegenüberliegende Permanentmagnete 11, von denen der eine den Süd- und der andere den Nordpol des 2-poligen Gleichstromkleinmotors bildet. Im Innern des Ständers ist ein auf einer Rotorwelle 12 dreh­ fest sitzenderAnker 13 angeordnet, der in nur an­ deutungsweise dargestellten, am Umfang verteilten Ankernuten 14 in üblicherweise die Ankerwicklung (nicht dargestellt) trägt. Zwischen den Permanent­ magneten 11 und dem Anker 13 verbleibt ein Luftspalt 15 mit der Luftspaltbreite δ. In der neutralen Zone 16 zwischen den Pollücken der Permanentmagnete 11 sind zwei Kommutierungsbürsten 17 angedeutet, die auf einem nicht dargestellten, mit der Ankerwicklung verbundenen Kommutator oder Stromwender schleifen.

Die Permanentmagnete 11 bestehen jeweils aus einem bogenförmigen Segment 18 aus Permanentmagnetmaterial. Ein solches Segment 18 ist in Fig. 2 im Ausschnitt vergrößert dargestellt. Das Permanentmagnetsegmet 18 hat eine magnetische Vorzugsrichtung, auch Magneti­ sierungsrichtung genannt, die in Fig. 2 durch Pfeile 19 symbolisch angedeutet ist. Diese magnetische Vor­ zugsrichtung verläuft in Segmentmitte 20 - wie bei den bisher bekannten Permanentmagnetsegmenten für Gleich­ stromkleinmotoren - radial und ist im Randzonenbereich gegenüber der Radialrichtung um einen spitzen Winkel γ zur Segmentmitte 20 hin verschwenkt. Dabei nimmt der Ver­ schwenkwinkel γ der magnetischen Vorzugsrichtung gegen­ über der Radialrichtung von Segmentmitte 20 bis zu der Segmentkante 21 hin kontinuierlich zu, wobei die mag­ netische Vorzugsrichtung unmittelbar an der Segmentkante 21 etwa rechtwinklig zu der Vorzugsrichtung in Segment­ mitte 20 verläuft. Durch diese Ausbildung der magneti­ schen Vorzugsrichtung der Permanentmagnetsegmente 18 wird der Permanentmagnet 11 vom Ankerquerfeld, das in Fig. 2 durch lichte Pfeile 22 symbolisiert ist, nicht in der Vorzugsrichtung sondern unter dem Winkel γ zur Vorzugsrichtung beansprucht. Die Folge davon ist, daß das Permanentmagnetsegment 18 eine größere Beständig­ keit gegenüber den Entmagnetisierungsbestrebungen des Ankerquerfeldes aufweist.

In Fig. 3 sind der Verlauf der Luftspaltinduktion eines Gleichstromkleinmotors, der herkömmliche Permanent­ magnetsegmente mit radialer Magnetisierungsrichtung aufweist, und der Verlauf der Luftspaltinduktion des in Fig. 1 dargestellten Gleichstromkleinmotors, dessen Permanentmagnete 11 aus Magnetsegmenten 18 gemäß Fig. 2 bestehen, gegenübergestellt. Der Verlauf der Luftspaltin­ duktion B _L ist dabei in Abhängigkeit von dem Überdeckungs­ winkel α des Permanentmagnetsegments 18 aufgetragen. Wie aus Fig. 3b deutlich erkennbar ist, steigt bei dem er­ findungsgemäßen Permanentmagnetsegment 18 die Luft­ spaltinduktion nahe der Segmentkante 21 sehr viel steiler an als bei Motoren mit herkömmlich magnetisierten Perma­ nentmagneten (Fig. 3a). Der dabei erzielte Flußgewinn ist in Fig. 3b schraffiert eingetragen. Damit ergibt sich bei dem Permanentmagnetsegment 18 gemäß Fig. 2 gegenüber herkömmlichen flußoptimierten Magnetsegmenten eine Vergrößerung des Polüberdeckungswinkels α von 140° auf 150°, ohne daß die Kommutierungszone verringert wird und dadurch die Le­ bensdauer der Kommutierungsbürsten 17 leidet.

Der in Fig. 4 im Querschnitt dargestellte Gleichstrom­ kleinmotor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel stimmt im wesentlichen mit dem zur Fig. 1 und 2 beschrie­ benen Gleichstromkleinmotor überein, so daß gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, die jedoch zur Unterscheidung um 100 vergrößert wurden. Ein wesentlicher Unterschied zu dem Gleichstromkleinmotor in Fig. 1 besteht darin, daß die ebenfalls einen Pol­ überdeckungswinkel α=150° überdeckenden Permanent­ magnete 111 jeweils aus zwei Segmenthälften 118 a und 118 b zusammengesetzt sind, die in gleicher Weise aus­ gebildet sind wie das in Fig. 2 dargestellte Permanent­ magnetsegment 18, also insbesondere auch die dort dar­ gestellte magnetische Vorzugsrichtung aufweisen. Die beiden Segmenthälften 118 a und 118 b können aus dem gleichen Magnetwerkstoff gefertigt sein, sind aber in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 aus Magnetwerkstof­ fen mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften hergestellt. Der Magnetwerkstoff der Segmenthälfte 118 a weist eine höhere Remanenz aber eine kleinere Koerzitivfeldstärke auf als der Magnetwerkstoff der Segmenthälfte 118 b. Die Drehrichtung des Ankers 12 ist dabei entgegen dem Uhrzeigersinn in Richtung Pfeil a in Fig. 4 festgelegt, so daß die Segmenthälfte 118 a mit dem hochremanenten Magnetwerkstoff die auflaufende Hälfte und die Segmenthälfte 118 b mit dem hochkoerzi­ tiven Magnetmaterial die ablaufende Hälfte des jeweiligen Permanentmagneten 111 bildet. Durch die Teilung der Per­ manentmagnete 111 in jeweils zwei Segmenthälften 118 a und 118 b wird das Prinzip des Zweistoffmagneten mit seinem höheren Magnetfluß und seiner größeren Be­ ständigkeit gegen Entmagnetisierung besonders wirt­ schaftlich verwirklicht.

Ein weiterer Unterschied des Gleichstromkleinmotors in Fig. 4 gegenüber dem in Fig. 1 besteht darin, daß der Rückschlußring 110 jeweils in der Segmentmitte 120 eines jeden Permanentmagnetsegmentes 111 unter Bildung eines Spaltes 123 unterteilt ist. Der Spalt 123 reicht jeweils bis zu dem Permanentmagnet 111. Mittels dieses Spaltes 123 wird das Ankerquerfeld in Magnetmitte 120 weitgehend unterdrückt und die Entmagnetisierung des Permanentmagneten 111 in diesem Bereich stark redu­ ziert. Die Permanentmagnete 111 mit ihren Segment­ hälften 118 a und 118 b und der Rückschlußring 110 mit seinen Ringhälften 110 a und 110 b sind in einem Kunst­ stoffteil 124 eingebunden, das durch einfaches Um­ spritzen der genannten Teile hergestellt wird.

Claims (8)

1. Elektrische Maschine, insbesondere Gleichstrom­ kleinmotor, mit mindestens zwei an einem Anker unter Belassung eines Luftspaltes diametral gegen­ überliegenden, etwa bogenförmigen Permanentmagnet­ segmenten mit zumindest in Segmentmitte radialer magnetischer Vorzugsrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in den Randzonenbereichen der Permanentmagnetsegmente (18) die magnetische Vorzugsrichtung (19) von der Radialrichtung abweichend hin zur Segmentmitte (20) derart verdreht ist, daß das Ankerquerfeld (22) die Permanentmagnetsegmente (18) unter einem spitzen Winkel (γ) zur magnetischen Vorzugsrichtung (19) durchsetzt.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verdrehung (γ) der magnetischen Vorzugsrichtung (19) im Permanent­ magnetsegment (18) von Segmentmitte (20) zur Seg­ mentkante (21) hin kontinuierlich zunimmt.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Vorzugsrichtung (19) an der Segmentkante (21) etwa rechtwinklig zu der in Segmentmitte (20) verläuft.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1-3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Permanentmagnetsegment (18; 118) einen Über­ deckungswinkel (α) von elektrisch 150° auf­ weist.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1-4, da­ durch gekennzeichnet, daß jedes Permanentmagnetsegment (118) aus zwei spie­ gelsymmetrischen Segmenthälften (118 a, 118 b) be­ steht, die in Segmentmitte (120) aneinanderstoßen.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die eine Segment­ hälfte (118 b) aus hochkoerzitivem und die andere Segmenthälfte (118 a) aus hochremanentem Magnetwerk­ stoff besteht, wobei bezüglich der Relativbewegung zwischen Permanentmagnetsegment (118) und Anker (113) die hochkoerzitive Segmenthälfte (118 b) in Auflauf­ richtung und die hochremanente Segmenthälfte (118 a) in Ablaufrichtung angeordnet sind.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1-6, bei welcher die Permanentmagnetsegmente im Ständer an einem Rückschlußring angeordnet sind, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rückschlußring (110) jeweils in der Mitte (120) eines Permanentmagnetsegments (118) unter Bildung eines bis zu dem Permanentmagnetsegment (118) reichenden Spaltes (123) unterteilt ist.

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Permanent­ magnentsegmente (118) und der Rückschlußring (110) in einem Kunststoffteil (124), vorzugs­ weise durch Umspritzen, eingebunden sind.