DE3620397C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, insbesondere von einem Gleichstromkleinmotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung (DE-AS 22 26 025).

Derartige Maschinen sind als Permanentmagnetmotoren in großer Zahl auf dem Markt erhältlich. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Kraftfahrzeug. Der Aufbau der Motoren ist beispielsweise bekannt aus "Bosch Technische Berichte" 6 (1974) 4, Seiten 159 bis 169.

Bei bekannten permanentmagneterregten Gleichstromkleinmotoren dieser Art sind die Permanentmagnetsegmente radial magnetisiert, so daß das bei Betrieb sich ausbildende Ankerquerfeld die Magnetsegmente weit­ gehend gleichmäßig in ihrer magnetischen Vorzugsrichtung bean­ sprucht.

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

Um dies zu vermeiden bzw. die Magnetdicke in erträglichen Grenzen zu halten, hat man bei diesen entmagnetisierungsgefährdeten Motoren Zu­ flucht zu hochkoerzitiven Magnetmaterialien oder zu sog. Zweistoff­ magneten genommen, bei welchen das Magnetsegment eine hochkoerzi­ tive ablaufende Magnetkante und einen hochremanenten Restmagneten aufweist. Im ersten Fall mußte man eine Verkleinerung des B _r -Wer­ tes hinnehmen, im zweiten Fall stiegen die Herstellungskosten des Motors infolge des Zweistoffmagneten erheblich. Zudem hat sich ge­ zeigt, daß Zweistoffmagnete bei einem Überdeckungswinkel von 140°, wie sie für flußoptimierte Einstoffmagnete gewählt werden, nur mit erheblichen Ausschußziffern hergestellt werden können, weil die Rißgefahr an der Trennzone der beiden Materialkomponenten sehr stark mit dem Überdeckungswinkel ansteigt. Entmagnetisierungsgefährdete Motoren hat man daher bislang nur mit schlechterer Ausnutzung des Motorvolumens und damit größerem Leistungsgewicht konzipiert.

Bei Gleichstromkleinmotoren der eingangs genannten Art hat man fer­ ner festgestellt, daß zur Erzielung einer Geräuscharmut des Motors die Polüberdeckung der Permanentmagnetsegmente einem ganzzahligen Vielfachen der Nutteilung entsprechen muß, damit ein Minimum an Rastermomenten auftritt, welche die magnetischen Geräusche hervor­ rufen. 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 Überdeckungs­ winkel abhängt, strebt man einen größtmöglichen Überdeckungswinkel an. Mit der heutigen Fertigungstechnologie lassen sich Permanent­ magnetsegmente mit einem max. Überdeckungswinkel von 140° herstel­ len. Bei größerem Überdeckungswinkel steigt die Ausschußziffer in der Magnetherstellung durch Rißbildung drastisch an. Außerdem führt der größere Überdeckungswinkel zu einer verkleinerten neutralen Zone (Kommutierungszone) und damit zu einer Lebensdauerverringerung der Kommutierungsbürsten. Ein im Hinblick auf den Magnetfluß opti­ mierter Motor mit einem Überdeckungswinkel von 140° hat somit erheb­ liche magnetische nutfrequente Geräusche. Steht die Geräuscharmut des Motors im Vordergrund, so muß der Überdeckungswinkel auf 120° reduziert werden und damit eine Flußeinbuße und eine Wirkungsgrad­ verschlechterung in Kauf genommen werden.

Aus der DE-AS 11 89 187 ist ein ringförmiger zweipoliger Dauermagnet aus Oxidwerkstoff für Gleichstrommotore mit dreipoligem Anker be­ kannt. An diesen Anordnungen sind bereits unterschiedliche Magneti­ sierungsrichtungen untersucht worden, wobei zum Aufmagnetisieren eines ringförmigen Dauermagneten gleichzeitig ein diametrales homo­ genes Magnetfeld und zwei konzentrische Magnetfelder angelegt wer­ den. Ausgangsbasis für die hier vorgenommene Art der Magnetisierung waren die an sich bekannten Magnetisierungsarten in radialer und diametraler Richtung.

Aus der DE-OS 31 19 782 ist ein elektrischer Kleinmotor bekannt, welcher zwei an einem Anker einander diametral gegenüberliegende Permanentmagnete in der Gestalt bogenförmiger Segmente aufweist, die jeweils zwei Segmentabschnitte aus Magnetwerkstoffen unterschied­ licher Magneteigenschaften besitzen. Auch bei diesen bekannten Magnetsegmenten weist der Magnetwerkstoff des einen Segmentabschnit­ tes eine höhere Remanenz, aber kleinere Koerzitivfeldstärke als der Magnetwerkstoff des anderen Magnetsegments auf und letzterer ist an dem bezüglich der Relativbewegung zwischen Permanentmagnet und Anker die ablaufende Magnetkante bildenden Segmentende angeordnet. Die Magnetsegmente sind radial magnetisiert.

Aus der FR-PS 15 88 988 ist ein permanentmagnetisch erregter Elek­ tromotor bekannt, bei dem das Rückschlußjoch für die Permanentma­ gnete in der Mitte unterbrochen ist. Hierdurch entsteht ein bis zum Permanentmagnet reichender Spalt, wodurch der Einfluß des Ankerquer­ feldes in Segmentmitte reduziert wird.

Ausgehend von dem zuvor erörterten Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, eine mit Permanentmagneten bestückte elektrische Maschine, insbesondere einen Gleichstromkleinmotor, dahingehend auszubilden, daß die Beständigkeit der Permanentmagnet­ segmente gegen Entmagnetisierungseinflüsse des Ankerquerfeldes ohne Flußeinbuße vergrößert wird. Hierbei soll die Kommutierungszone nicht verkleinert und kein erhöhtes magnetisches Geräusch des Motors in Kauf genommen werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere der erfin­ dungsgemäße Gleichstromkleinmotor, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß infolge der Beanspruchung der Permanentmagnetsegmente durch das Ankerquerfeld nicht in magneti­ scher Vorzugsrichtung der Permanentmagnetsegmente die scheinbar größere Magnetdicke zu einer Flußkonzentration und damit zu einem steileren Anstieg der Luftspaltinduktion unter den Polkanten führt. Auf diese Art kann ein Überdeckungswinkel von 150° verwirklicht wer­ den, ohne daß eine Einbuße der Kommutierungszone in Kauf genommen werden muß, so daß die Lebensdauer der Bürsten nicht beeinträchtigt wird. Der erzielbare Überdeckungswinkel von 150° sorgt nach dem vorstehend Ausgeführten für einen geräuscharmen Motor. Der geräusch­ arme Motor liegt zudem im technischen und wirtschaftlichen Optimum, zeichnet sich also durch max. Wirkungsgrad und kleinstes Leistungs­ gewicht 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 nentmagnetsegmente 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 auf­ 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 Permanentsegmente, 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 zeigt

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 2poligen Gleichstromkleinmotors bildet. Im Innern des Ständers ist ein auf einer Rotorwelle 12 dreh­ fest sitzender Anker 13 angeordnet, der in nur an­ deutungsweise dargestellten, am Umfang verteilten Ankernuten 14 in üblicher Weise 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 Permanentmagnetsegment 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 Permamentmagnetsegmenten 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 ma­ gnetische 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 a 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 nach 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 11 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 Gleichstromkleinmotor, mit min­ destens zwei an einem Anker unter Belassung eines Luftspaltes diame­ tral gegenüberliegenden, kreisbogenförmigen, zum Anker konzentrisch angeordneten Permanentmagnetsegmenten mit zumindest in Segmentmitte radialer magnetischer Vorzugsrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in den Randzonenbereichen der Permanentmagnetsegmente (18) die magnetische Vorzugsrichtung (19) von der Radialrichtung abwei­ chend in eine Richtung verdreht ist, die den Bereich zwischen Seg­ mentmitte des jeweils betrachteten Magneten und Ankerachse 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 Magnetwer­ 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 magnetsegmente (118) und der Rückschlußring (110) in einem Kunststoffteil (124), vorzugs­ weise durch Umspritzen, eingebunden sind.