DE4020993A1 - Gleichstrommaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrommaschine mit einer Vielzahl von Hauptpolen, die jeweils einen Permanentmagne­ ten und einen Wendepol umfassen, der an den Permanentma­ gneten angrenzt und aus einem Magnetwerkstoff besteht, das eine höhere reversible Permeabilität als der Permanentma­ gnet hat.

Gleichstrommotoren mit Hauptpolen aus Permanentmagneten und Wendepolen sind aus der JP-OS 57-1 53 558/1982 bekannt. Der dort gezeigte Gleichstrommotor hat eine Vielzahl Hauptpole, die jeweils aus einem Permanentmagneten und einem Wendepol bestehen, die am Innenumfang eines Jochs in Umfangsrichtung aneinandergrenzen. Der Wendepol besteht aus einem Magnet­ werkstoff, dessen reversible Permeabilität höher als die des Permanentmagneten ist, und ist an der Seite des Perma­ nentmagneten angeordnet, in der der Magnetfluß durch die Ankerrückwirkung erhöht wird.

Die mit diesen Wendepolen versehene Gleichstrommaschine bietet den Vorteil, daß dadurch, daß jeder Wendepol an der Seite des Magneten angeordnet ist, in der der Magnetfluß durch die Ankerrückwirkung erhöht wird, das Ankereisen effektiv von einem erhöhten Magnetfluß durchflossen ist, wodurch das Drehmoment erhöht wird.

Es wurden bereits verschiedene Techniken zur weiteren Stei­ gerung des Betriebsverhaltens von Gleichstrommaschinen vor­ geschlagen, etwa durch Verbesserungen der dimensionsmäßigen Beziehung zwischen dem Permanentmagneten, dem Wendepol sowie Zähnen und Nuten eines Ankers. Beispiele solcher Techniken sind folgende:
Eine Gleichstrommaschine gemäß dem offengelegten JP-GM 58-1 53 573 (1983) weist Permanentmagnete und Wendepole auf, wobei die Breite jedes Permanentmagneten doppelt so groß ist wie die eines Wendepols, wodurch das Betriebsverhalten der Gleichstrommaschine verbessert wird.

Das offengelegte JP-GM 59-34 485 (1984) zeigt eine Gleich­ strommaschine, bei der die Länge eines zwischen einem Per­ manentmagneten und einem Wendepol definierten Luftspalts kürzer als die Breite einer Nutenöffnung gemacht ist.

Ferner ist noch die JP-OS 61-73 563 zu nennen, die eine Befestigungskonstruktion in einem Gleichstrommotor be­ trifft, wobei ein Permanentmagnet und ein Wendepol an einem Joch mittels einer Buchse mit konkaven und konvexen Ab­ schnitten befestigt sind. Diese JP-OS beschreibt zwar nicht die dimensionsmäßige Beziehung zwischen der Zahnbreite oder der Zahnteilung eines Ankers und der Breite des Permanent­ magneten oder des Wendepols, eine Illustration der Befe­ stigungskonstruktion des Permanentmagneten und des Wende­ pols am Joch deutet jedoch darauf hin, daß die dimensions­ mäßige Beziehung zwischen dem Permanentmagneten, dem Wende­ pol und der Zahnteilung bzw. der Zahnbreite berücksichtigt ist.

Bei einer Gleichstrommaschine zum Leiten eines hohen Stroms und zum Erreichen eines hohen Drehmoments, z. B. bei einem Anlassermotor für Kraftfahrzeuge, muß eine große Zahl von dicken Spulen auf einen Anker gewickelt werden, wodurch die Zahl der Nuten selbstverständlich größer wird. Z. B. be­ trägt die Anzahl Spulen pro Nut 2-6 oder dergleichen, und die Anzahl Nuten pro Pol liegt wenigstens bei vier (allge­ mein bei 5-9). Daher wird das Drehmoment durch die Erhöhung der Gesamtzahl Spulen und die resultierende Steigerung der Beträge der Magnetflüsse erhöht.

Wie oben erwähnt, gibt es verschiedene Techniken zur Er­ zielung eines sehr guten Betriebsverhaltens von Gleich­ strommaschinen. Es ist aber notwendig, ein immer noch bes­ seres Betriebsverhalten der Gleichstrommaschinen ohne eine Vergrößerung der Maschine zu erreichen.

Wie vorstehend ausgeführt, wird das Betriebsverhalten von Gleichstrommaschinen bisher durch Verbesserungen der Be­ ziehungen der Wendepole zu den Permanentmagneten oder durch die Erhöhung der Anzahl Nuten und Spulen verbessert. Aber trotz dieser Verbesserungen wird die Beziehung der Innen­ umfangsbreite der Wendepole zu der Nutenteilung des Anker­ eisens, der distalen Endbreite der Nut und der distalen Endbreite jedes Zahns usw. nicht ausreichend berücksich­ tigt, und die nachstehend aufgeführten Aspekte sind immer noch verbesserungsbedürftig.

Wenn beispielsweise die distale Endbreite jedes Zahns des Ankers relativ zur Innenumfangsbreite des Wendepols zu breit ist, wird die Magnetflußdichte der Zähne gering, und die Zähne können nicht effektiv genützt werden, so daß sich das Betriebsverhalten verschlechtert. Wenn andererseits die Innenumfangsbreite des Wendepols im Vergleich zu der dista­ len Endbreite jedes Zahns zu breit ist, erhöht sich die Magnetflußdichte der Zahnseite relativ zu derjenigen des Wendepols, und der Streufluß zum benachbarten Zahn wird höher. Wenn der angrenzende Zahn nahe einem magnetisch neu­ tralen Punkt liegt, führt der Streufluß zu magnetischer Induktion in einer am magnetisch neutralen Punkt angeord­ neten Bürste und zieht einen Funken über die Bürste und einen Stromwender, was zu verschlechterter Stromwendung und verschlechtertem Betriebsverhalten führt.

Die Erfindung berücksichtigt die oben aufgeführten Aspekte.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Gleich­ strommaschine des Typs mit Permanentmagneten und Wendepo­ len, wobei das Betriebsverhalten der Maschine ohne Vergrö­ ßerung verbessert wird. Dabei soll ferner die Beziehung der Teilung der Nuten, der distalen Endbreite jeder Nut, der distalen Endbreite jedes Zahns usw. auf der Ankerseite jedes Wendepols verbessert werden, wodurch das Betriebsver­ halten der Maschine ohne bauliche Vergrößerung verbessert wird.

Die Gleichstrommaschine nach der Erfindung umfaßt ein zy­ lindrisches Joch, eine Vielzahl von Hauptpolen, die jeweils an einer Jochinnenseite befestigt sind und einen Permanent­ magneten und einen Wendepol angrenzend an eine Innenfläche des Jochs in Umfangsrichtung aufweisen, wobei der Wendepol an einer Seite des Permanentmagneten positioniert ist, in der der Magnetfluß durch die Ankerrückwirkung erhöht wird, und einen Anker mit einem Ankereisen, das im Joch so ange­ ordnet ist, daß es an seiner Außenumfangsfläche den Innen­ umfangsflächen der Permanentmagnete und der Wendepole mit einem vorbestimmten Zwischenraum gegenübersteht; die Gleichstrommaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hauptpol und der Anker so gebaut sind, daß sie der Bedin­ gung genügen, daß eine Innenumfangsbreite Wa jedes Wende­ pols gleich oder größer als eine distale Endbreite Wt jedes Zahns und gleich oder kleiner als die doppelte distale End­ breite Ws jeder Nut plus die distale Endbreite jedes Zahns ist (Wt Wa 2Ws + Wt).

Wenn zwischen jedem Permanentmagneten und jedem Wendepol ein Umfangsspalt Gp definiert ist, besteht die Bedingung darin, daß die Innenumfangsbreite Wa jedes Wendepols plus der Umfangsspalt Gp gleich oder größer als die distale End­ breite Wt jedes Zahns und gleich oder kleiner als die dop­ pelte distale Endbreite Ws jeder Nut plus die distale End­ breite Wt jedes Zahns ist (Wt Wa + Gp 2Ws + Wt) und daß der Umfangsspalt Gp gleich oder kleiner als die doppelte distale Endbreite Ws jeder Nut ist (Gp 2Ws).

Was die dimensionsmäßige Beziehung der Innenumfangsbreite Wa des Wendepols zu der distalen Endbreite Wt und der Brei­ te Ws jeder Nut im Anker betrifft (Wt Wa 2Ws + Wt), so soll zuerst die Beziehung der distalen Endbreite Wt des Zahns und der Betrag eines effektiven Magnetflusses zu der Innenumfangsbreite Wa des Wendepols erläutert werden.

Wenn der Magnetfluß des Wendepols durch den gegenüberlie­ genden Zahn fließt, ist der Betrag des Magnetflusses vom Wendepol am größten bei Wa/Wt = 1 und wird auch durch eine weitere Vergrößerung von Wt nicht größer, wenn sich nicht der Magnetfluß vom Wendepol ändert. Da die Breite des Zahns relativ zu der des Wendepols unter der Bedingung Wt < Wa groß ist, nimmt stattdessen die Magnetflußdichte des Zahns sehr stark ab, und der Zahn kann nicht effektiv genützt werden.

Da der Zahn außerdem tatsächlich ein umlaufendes Element ist, ist es für die Steigerung des Betriebsverhaltens wirk­ samer als die Einstellung von Wa/Wt = 1, daß der Zustand, in dem der Betrag des durch den dem Wendepol entgegenge­ setzten Zahn fließenden Magnetflusses 100% des Betrags ist, der durch den Zahn selbst gehen kann, für eine be­ stimmte Zeitdauer unterhalten wird. Es ist daher mehr be­ vorzugt, Wt Wa vorzugeben. Die Beziehung Wt Wa unterliegt jedoch einer anderen Einschränkung. Wie bereits gesagt, wird dann, wenn die Innenumfangsbreite Wa des Wendepols mehr als erforderlich größer als die distale Endbreite Wt des Zahns gemacht wird, die Magnetflußdichte der entgegen­ gesetzten Zahnseite relativ zu derjenigen des Wendepols größer, so daß das Ausmaß, mit dem ein Teil des Magnetflus­ ses der Wendepolseite (der erhöhten Feldseite) zum angren­ zenden Zahn (dem Zahn, der einem magnetischen Neutralpunkt zunächstliegt) streut, größer wird, und der Streufluß von der erhöhten Feldseite ist ein Grund für eine verschlech­ terte Stromwendung. Insbesondere besteht die Gefahr des Auftretens einer solchen verschlechterten Stromwendung, wenn etwa in einem Hochstrombereich die Ankerrückwirkung so stark ist, daß sie zu einer magnetischen Unsymmetrie führt, wobei der Betrag des Magnetflusses der Wendepolseite (der vergrößerten Feldseite) im Vergleich zu demjenigen der Per­ manentmagnetseite übermäßig groß wird. Ausgedrückt als Be­ ziehung zwischen der Innenumfangsbreite Wa des Wendepols, der Breite Wt des Zahns und der Breite Ws der Nut kann das Kriterium der Einschränkung als Wt Wa 2Ws + Wt geschrie­ ben werden. Wenn also dieser Bedingung genügt ist, wird die Innenumfangsbreite Wa des Wendepols relativ zur Zahnbreite nicht sehr groß, und der Magnetfluß vom Wendepol kann durch den diesem Pol gegenüberstehenden Zahn geleitet werden, indem die distale Endbreite des Zahns effektiv maximal ge­ nützt wird.

Ferner wird der Streufluß zum angrenzenden Zahn möglichst stark verringert, und eine Verschlechterung der Kommutie­ rung zwischen einer Bürste und einem Stromwender kann ver­ mieden werden.

Wenn der Spalt Gp zwischen dem Permanentmagneten und dem Wendepol besteht, können die gleichen Vorgänge wie oben durchgeführt werden, indem eine Magnetpolkonstruktion vor­ gesehen wird, die der Bedingung Wt Wa + Gp 2Ws + Wt ge­ nügt. Insbesondere liegt in diesem Fall der Wendepol näher an dem magnetisch neutralen Punkt entsprechend dem Vorhan­ densein des Spalts Gp. Die dimensionsmäßige Beziehung ist daher unter vorheriger Berücksichtigung der Komponente des Spalts Gp vorgegeben, wodurch berücksichtigt wird, daß der zur angrenzenden Zahnseite streuende Fluß möglichst weit vermindert wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Gleichstrommotor angegeben mit einem zylindrischen Joch, mit einer Vielzahl Hauptpole, die jeweils an einer Innenseite des Jochs be­ festigt sind und einen Permanentmagneten und einen Wendepol an einer Innenfläche des Jochs in Umfangsrichtung aneinan­ dergrenzend aufweisen, wobei der Wendepol an einer Seite des Permanentmagneten positioniert ist, in der der Magnet­ fluß durch die Ankerrückwirkung erhöht wird, und mit einem Anker mit Ankereisen, der im Joch so angeordnet ist, daß er an seiner Außenumfangsfläche den Innenumfangsflächen der Permanentmagnete und der Wendepole mit einem vorbestimmten Spalt dazwischen gegenübersteht; dieser Gleichstrommotor ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wendepol und der Anker so konstruiert sind, daß sie der Bedingung genügen, daß eine Innenumfangsbreite Wa jedes Wendepols gleich oder größer als eine distale Endbreite Wt jedes Zahns und gleich oder kleiner als die zweifache distale Endbreite Ws jeder Nut plus der distalen Endbreite Wt jedes Zahns ist, und der Bedingung, daß eine Innenumfangsbreite Wm des Permanentma­ gneten gleich oder größer als die zweifache Nutteilung Wp des Ankereisens und gleich oder kleiner als die zweifache Nutteilung Wp plus die distale Endbreite Wt jedes Zahns ist (2Wp Wm 2Wp + Wt).

Gemäß diesem Merkmal ist zusätzlich zu der dimensionsmäßi­ gen Beziehung der Breite des Wendepols zu den Breiten von Zahn und Nut die Innenumfangsbreite Wm des als Hauptpol wirkenden Permanentmagneten mit 2Wp Wm 2Wp + Wt in bezug auf den Nutabstand Wp und die distale Endbreite Wt des Zahns im Ankereisen vorgegeben. Mit dieser Vorgabe kann der Magnetfluß vom Permanentmagneten ausreichend durch den ge­ genüberliegenden Zahn geleitet werden, und der Permanent­ magnet kann mit dem Wendepol symmetrisch sein, so daß die Funktion des Wendepols in wirksamer Weise genützt wird. Bei Wm 2Wp ist der Magnetfluß des Permanentmagneten selbst unzureichend, während bei 3Wp < Wm die Innenumfangsbreite des Wendepols als ausreichend angesehen werden kann, so daß die vorgenannte Funktion des Wendepols vollkommen genützt wer­ den kann.

Eine Gleichstrommaschine mit verbessertem Betriebsverhal­ ten, wobei z. B. ohne Vergrößerung der Maschine ein hohes Drehmoment erzielbar ist, umfaßt gemäß einem Aspekt der Erfindung ein zylindrisches Joch, eine Vielzahl Wendepole, die jeweils an einer Jochinnenseite befestigt sind und einen Permanentmagneten und einen Wendepol umfassen, die an einer Innenfläche des Jochs in Umfangsrichtung aneinander­ grenzen, wobei der Wendepol an einer Seite des Permanent­ magneten positioniert ist, in der der Magnetfluß durch die Ankerrückwirkung erhöht wird, und einen Anker mit Anker­ eisen, der im Joch so angeordnet ist, daß seine Außenum­ fangsfläche den Innenumfangsflächen der Permanentmagnete und der Wendepole mit einem vorbestimmten Spalt dazwischen gegenübersteht; diese Maschine ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Innenumfangsbreite Wm des Permanentmagneten gleich oder größer als die zweifache Nutteilung Wp des Ankereisens und gleich oder kleiner als die zweifache Nut­ teilung Wp plus eine distale Endbreite Wt jedes Zahns ist (2Wp Wm 2Wp + Wt).

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil eines Ausfüh­ rungsbeispiels eines Gleichstrommotors, der Permanentmagnete und Wendepole gemäß der Er­ findung aufweist;

Fig. 2 eine Abwicklung von Fig. 1;

Fig. 3 eine Abwicklung einer Modifikation der Aus­ führung von Fig. 1;

Fig. 4 eine Abwicklung einer weiteren Modifikation der Ausführung von Fig. 1;

Fig. 5 einen Schnitt durch ein anderes Ausführungs­ beispiel des Gleichstrommotors nach der Er­ findung mit Permanentmagneten und Wendepolen;

Fig. 6 einen größeren Schnitt durch einen Teil von Fig. 5 entlang der Linie VI-VI;

Fig. 7 eine Abwicklung von Fig. 6;

Fig. 8 eine Abwicklung einer Modifikation der Aus­ führung nach Fig. 6; und

Fig. 9 eine Abwicklung einer weiteren Modifikation der Ausführung nach Fig. 6.

Bei einer Gleichstrommaschine mit Permanentmagneten und Wendepolen ist der Aufbau zur Erhöhung des Betrags des effektiven Magnetflusses durch die Zähne des Ankers zum Zweck der Verbesserung des Betriebsverhaltens, etwa des Drehmoments, der Maschine derart, daß jeder Permanentma­ gnet, dessen Innenumfangsbreite gleich oder größer als zwei Nutteilungen des Eisenblechs und gleich oder kleiner als zwei Nutteilungen plus eine distale Endbreite jedes Zahns des Eisenblechs vorgegeben ist, so angeordnet, daß er über beide Seiten eines vergrößerten Feldes und eines verklei­ nerten Feldes der Ankerrückwirkung verläuft.

Wenn zwischen dem Permanentmagneten und dem Wendepol ein Spalt Gp vorhanden ist, ist der Aufbau zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Gleichstrommaschine derart, daß jeder Permanentmagnet, dessen Innenumfangsbreite, addiert zu einem zwischen jedem Permanentmagneten und einem ent­ sprechenden Wendepol definierten Spalt, gleich oder größer als zwei Nutteilungen eines Eisenblechs und gleich oder kleiner als zwei Nutteilungen plus eine distale Endbreite jedes Zahns des Eisenblechs vorgegeben ist, so befestigt ist, daß er über beide Seiten eines vergrößerten Feldes und eines verkleinerten Feldes der Ankerrückwirkung verläuft.

Durch die oben angegebenen Konstruktionen wird das Eisen­ blech effektiv von einem sich ausbildenden Magnetfluß durchflossen, wodurch das Drehmoment der Gleichstromma­ schine erhöht wird.

Insbesondere ist es bekannt, daß eine Gleichstrommaschine des Typs mit einem permanentmagnetischen Feldsystem mit Wendepolen die Magnetflüsse von den Wendepolen und von den Permanentmagneten mit gutem Wirkungsgrad und effektiv nützt, um dadurch ein hohes Drehmoment der Gleichstromma­ schine zu erzielen. Bei einer Gleichstrommaschine zum Lei­ ten eines hohen Stroms und zur Erzielung eines hohen Dreh­ moments, etwa einem Anlassermotor für Kraftfahrzeuge, müs­ sen dicke Leiter auf den Anker gewickelt werden. Natürlich nimmt die Anzahl Nuten zu, und es ist normal, daß je Nut 2-6 Spulen vorgesehen sind, während je Pol 5-9 Nuten vor­ handen sind. Dabei wird das Drehmoment durch Erhöhung der Gesamtanzahl Spulen und Erhöhung der Beträge des Magnet­ flusses gesteigert.

Dabei wird nichts über die Beziehung zwischen der Innenum­ fangsbreite jedes Permanentmagneten und die Teilung der Nuten sowie die distale Endbreite jedes Zahns ausgesagt. Bei der Erfindung spielt dagegen die optimale dimensions­ mäßige Beziehung zum effektiven Leiten des erzeugten Ma­ gnetfeldes durch das Eisenblech und Erzielen eines höheren Drehmoments eine Rolle, und damit wird ein verbessertes Betriebsverhalten erzielt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1-4 wird ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel erläutert.

Nach den Fig. 1 und 2 umfaßt eine Gleichstrommaschine mit Wendepole aufweisenden Permanentmagneten einen Permanent­ magnetfeldabschnitt, der Eisenblechen 8 in einem vorbe­ stimmten Abstand gegenüberstehend angeordnet ist, die je­ weils Nuten 6 und Zähne 5 aufweisen. Der Permanentmagnet­ feldabschnitt ist so ausgelegt, daß die Permanentmagnete 2 und Wendepole 3a aus einem Magnetwerkstoff, dessen rever­ sible Permeabilität höher als die der Permanentmagnete 2 ist, in Umfangsrichtung der Innenumfangsfläche eines Jochs 1 ohne Bildung eines Spalts aneinandergrenzen, und die An­ zahl Nuten 6 zur Aufnahme von Spulen 7 beträgt wenigstens vier Nuten je Pol. Insbesondere sind die Permanentmagnete 2 und die Wendepole 3a an der Innenfläche des zylindrischen Jochs 1 in Umfangsrichtung aneinandergrenzend angeordnet, und ein Anker 4, in dessen Nuten 6 die Spulen 7 gewickelt sind, ist den Permanentmagneten 2 sowie den Wendepolen 3a gegenüber drehbar gelagert. Im übrigen ist der Permanent­ magnet 2 ein Ferritmagnet, ein Seltenerdmetallmagnet oder dergleichen, und der Wendepol 3a besteht aus einem Material wie etwa Weicheisen, dessen reversible Permeabilität höher als die des Permanentmagneten 2 ist. Ferner sind die Spulen 7 so eingesetzt, daß sie von den halbgeschlossenen Nuten 6 und den Zähnen 5, die durch Stanzen im Eisenblech 8 gebil­ det sind, umgeben sind. Bei der so aufgebauten Gleichstrom­ maschine mit Permanentmagneten und Wendepolen gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist jeder Permanentmagnet 2, dessen Innenumfangsbreite größer als zwei Nutteilungen des Eisen­ blechs 8 und kleiner als zwei Nutteilungen plus die distale Endbreite jedes der Zähne 5 des Eisenblechs 8 vorgegeben ist, so angeordnet, daß er über die beiden Seiten des ver­ größerten und des verkleinerten Feldes der Ankerrückwirkung verläuft. Auf diese Weise wird das Eisenblech 8 effektiv von dem ausgebildeten Magnetfluß durchflossen, und das Drehmoment der Gleichstrommaschine wird erhöht, so daß eine Gleichstrommaschine mit Permanentmagneten und Wendepolen geschaffen wird, bei der die Beträge des die Zähne 5 des Ankers 4 durchsetzenden effektiven Magnetflusses so erhöht sind, daß ein verbessertes Betriebsverhalten erreicht wird.

Wenn man die Nutteilung mit Wp, die distale Endbreite jedes Zahns 5 mit Wt und die Breite jedes Permanentmagneten 2 (die Innenumfangsbreite des Permanentmagneten) mit Wm be­ zeichnet, erhält man also die Beziehung 2×Wp Wm 2×Wp + Wt. Durch diese Maßnahme wird eines der genannten Ziele erreicht, und die Maßnahme wird nach­ stehend erläutert.

Wenn die Spulen 7 des Ankers 4 von der Rückseite zur Vor­ derseite des Zeichnungsblatts von Strom durchflossen sind, wird gemäß der Linke-Hand-Regel eine Ankerrückwirkung im Gegenuhrzeigersinn erzeugt, so daß das am stärksten ver­ ringerte Magnetfeld auf den Endteil a des Permanentmagneten 2 und das am stärksten erhöhte Magnetfeld auf den Endteil b des Wendepols 3a wirkt. Wenn zu diesem Zeitpunkt eine Bür­ ste (nicht gezeigt) sich an einem magnetisch neutralen Punkt befindet, wird das Feld der Permanentmagnetseite in bezug auf die Mitte des Feldsystems verringert, und das Feld der Wendepolseite wird vergrößert. Infolgedessen wird der Anker 4 um den Betrag des Magnetflusses des Permanent­ magneten 2 des verkleinerten Feldes und den Betrag des Ma­ gnetflusses des Wendepols 3a des vergrößerten Feldes ge­ dreht. Auf diese Weise wird der Betrag des Magnetflusses, der durch die Zähne 5 auf der Seite nahe dem Endteil b des Wendepols 3a geht, relativ zum Betrag des Magnetflusses, der durch die Zähne 5 auf der Seite nahe dem Endteil a des Permanentmagneten 2 geht, größer. Durch Vorgabe der Innen­ umfangsbreite Wm des Permanentmagneten 2 mit 2×Wp Wm 2×Wp + Wt, wie oben angegeben, kann also auf­ grund der maximalen Nutzung der Zähne 5 auf der Seite nahe dem Wendepol 3a der Magnetfluß effektiv vom Permanentmagne­ ten 2 weitergeleitet werden. Im Fall von Wm < 2Wp ist es schwierig, den Magnetfluß durch die Zähne 5 auf der Wende­ polseite zu leiten. Dagegen kann bei 3Wp < Wm der Effekt des Wendepols 3a nicht vollständig genützt werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist daher die Beziehung der Permanentmagnete zu den Zähnen des Ankers so bestimmt, daß die oben genannten Bedingungen erfüllt sind, da durch die Breite jedes Permanentmagneten der Betrag seines Magnet­ flusses effektiv genützt wird, während der feldvergrößernde Effekt des Wendepols weiterhin vollständig genützt wird. Bei einem Beispiel könnte daher das Drehmoment der Gleich­ strommaschine um ca. 10% erhöht werden. Infolgedessen könnte die Gleichstrommaschine kleiner und leichter gebaut und ihr Raumbedarf verringert werden.

Fig. 3 zeigt eine Modifikation von Fig. 2. Dabei sind offe­ ne Nuten 6a vorgesehen, während die übrige Konstruktion den Fig. 1 und 2 entspricht. Auch in diesem Fall ist die Innen­ umfangsbreite Wm jedes Permanentmagneten 2 in bezug auf die Nutteilung Wp und die distale Endbreite Wt jedes Zahns mit 2×Wp Wm 2×Wp + Wt vorgegeben. Auf diese Weise wird das Ankereisen 8 effektiv von einem sich ausbildenden Ma­ gnetfluß durchflutet, und es können die gleichen funktio­ nellen Effekte wie im vorhergehenden Fall erreicht werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Modifikation des Ausführungsbei­ spiels von Fig. 2. Dabei ist zwischen einem Wendepol 3a und einem entsprechenden Permanentmagneten 2 ein Luftspalt Gp definiert. In diesem Fall ist die Beziehung zwischen der Innenumfangsbreite Wm des Permanentmagneten 2 und einer Nutteilung Wp, der distalen Endbreite Wt eines Zahns und dem Luftspalt Gp mit 2×Wp Gp + Wm 2×Wp + Wt vorgege­ ben. Auf diese Weise wird das Ankereisen 8 effektiv von einem sich ausbildenden Magnetfluß durchflossen, und die gleichen funktionellen Effekte wie im vorhergehenden Fall können erreicht werden. Diese Modifikation weist zwar halb­ geschlossene Nuten 6 auf, sie kann aber ebensogut offene Nuten aufweisen und dann die gleichen funktionellen Effekte erzielen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5-9 wird ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel erläutert.

Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Anlassermotor für eine Brenn­ kraftmaschine als Ausführungsbeispiel einer Gleichstrom­ maschine mit Permanentmagneten und Wendepolen. Der Motor umfaßt ein zylindrisches Joch 1, ein Paar Endplatten 101, die an Enden des Jochs 1 befestigt sind, einen an den End­ platten 101 mit Zapfen 401 in Lagern 102 drehbar gelager­ ten Anker 4, sowie eine Vielzahl von Permanentmagneten 2, z. B. sechs, die an dem Joch 1 befestigt sind, und von Wen­ depolen 3.

Der Permanentmagnet 2 und der Wendepol 3 bilden einen Hauptpol der Gleichstrommaschine. Sie grenzen an einer In­ nenumfangsfläche des Jochs 1 in dessen Umfangsrichtung an­ einander. Der Wendepol 3 grenzt an den Permanentmagneten 2 ohne Ausbildung eines Spalts an und ist in einer Lage vor­ gesehen, in der das Magnetfeld durch die Ankerrückwirkung erhöht wird. Der Anker 4 hat ein Eisenblech 8, in dem eine Vielzahl von Nuten 6 (z. B. 29) gebildet ist, so daß Zähne 5 zum Leiten eines Magnetfeldes vom Hauptpol gebildet sind. Spulen 7 sind in den Nuten 6 angeordnet und um die Zähne 5 gewickelt. Der Anker weist auf einer Seite einen Stromwen­ der 402 auf, der mit in Bürstenhaltern 11 gehaltenen Bür­ sten 10 Kontakt bildet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Permanentmagnet 2 ein Ferritmagnet, ein Seltenerdmetallmagnet oder derglei­ chen verwendet. Der Wendepol 3 besteht aus einem Werkstoff, z. B. Weicheisen, dessen reversible Permeabilität höher als die des Permanentmagneten 2 ist. Fig. 6 zeigt zwar nur einen Pol des Hauptpols, die übrigen Quadranten sind jedoch gleich aufgebaut.

Ferner sind die Nuten 6 an der Seite des Ankers 4 halbge­ schlossene Nuten, die in die Eisenbleche 8 gestanzt sind, und die Spulen 7 sind so eingesetzt, daß sie von den Zähnen 5 umgeben sind.

In Fig. 7, die eine Abwicklung von Fig. 6 ist, bezeichnet 9 die Einbaulage der Bürste 10, die etwa an einem magnetisch neutralen Punkt liegt.

Mit Ws ist die distale Endbreite der Nut, mit Wt die dista­ le Endbreite des Zahns und mit Wa die Innenumfangsbreite des Wendepols 3 bezeichnet. Ihre Beziehung ist so vorgege­ ben, daß sie der folgenden Bedingung genügt:
Wt Wa 2×Ws + Wt.

Für die Praxis brauchbare Abmessungen dieser Breiten werden später noch beispielhaft angegeben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, daß die folgende Beziehung gilt, die im vorhergehenden Ausführungs­ beispiel erläutert wurde, d. h. mit Wm als der Breite des Permanentmagneten 2 und Wp als der Nutteilung sind diese Dimensionen so vorgegeben, daß der folgenden Bedingung genügt ist:
2×Wp Wm 2×Wp + Wt.

Anschließend wird der Betrieb des Ausführungsbeispiels erläutert.

Wenn man den Permanentmagneten 2 von Fig. 6 als N-Pol an­ nimmt, so wird, wenn Ströme durch die Spulen 7 des Ankers 4 von der Rückseite zur Vorderseite des Zeichnungsblatts fließen, die Ankerrückwirkung nach der Linke-Hand-Regel im Gegenuhrzeigersinn erzeugt, so daß der Endteil a des Per­ manentmagneten 2 mit dem am stärksten verringerten Feld und der Endteil b des Wendepols 3 mit dem am stärksten vergrö­ ßerten Feld beaufschlagt wird.

Wenn zu diesem Zeitpunkt die Spulenströme durch die Bürsten 10 fließen, wird der Anker 4 um den Betrag des Magnetflus­ ses des Permanentmagneten 2 des verringerten Feldes und denjenigen des Magnetflusses des Wendepols des vergrößerten Feldes gedreht.

Aus dieser Erläuterung ist ohne weiteres ersichtlich, daß der Betrag des durch die Zähne 5 auf einer Seite nahe dem Endteil b des Wendepols 3 gehenden Magnetflusses groß wird relativ zu dem Betrag des Magnetflusses, der durch den Zahn auf einer Seite nahe dem Endteil a des Permanentmagneten 2 geht. Insbesondere in einem Hochstrombereich nimmt der Betrag des Magnetflusses vom Wendepol zu, und die Differenz zwischen der Flußdichte des Wendepols und derjenigen der Permanentmagnetseite wird größer. Wenn, wie ebenfalls be­ reits gesagt wurde, die Beziehungen zwischen der Innenum­ fangsbreite des Wendepols und der Zahnbreite usw. auf der Ankerseite in einem solchen Fall nicht ausreichend berück­ sichtigt sind, wird der Bereich der Kontaktbürste durch den Streufluß nachteilig beeinflußt, was sich negativ auf die Stromwendung auswirkt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die vorgenannte dimen­ sionsmäßige Beziehung Wt Wa 2Ws + Wt vorgegeben, um das Auftreten des genannten Nachteils auszuschließen. Wenn also die dimensionsmäßige Beziehung so vorgegeben ist, kann ein ausreichender Magnetfluß vom Wendepol 3 durch den gegen­ überliegenden Zahn 5 gehen, indem die distale Endbreite des Zahns so effektiv wie möglich genützt wird, und eine Ver­ schlechterung der Kommutierung zwischen der Bürste 10 und dem Stromwender 402 kann dadurch vermieden werden, daß der Streufluß zum angrenzenden Zahn weitgehend verringert wird. Dabei ist unter der Bedingung Wa < Wt die Zahnbreite relativ zur Breite des Wendepols groß, so daß die Flußdichte des Zahns verringert wird und der Zahn nicht wirksam genützt werden kann. Unter der Bedingung Wa < 2×Ws + Wt dagegen wird die Flußdichte des Zahns 5 relativ zu derjenigen des Wendepols 3 groß, und der Magnetfluß streut zum angrenzen­ den Zahn (dem der Bürste nächstliegenden Zahn), wodurch die Kommutierung durch die Bürste nachteilig beeinflußt wird.

Wie beschrieben, werden bei diesem Ausführungsbeispiel die Auswirkungen erzielt, daß der effektive Magnetfluß des Wendepols ausreichend groß gehalten und die Kommutierung verbessert wird. Diese Auswirkungen werden mit Hilfe von praktischen dimensionsmäßigen Beispielen erläutert.

Als erstes Beispiel sei eine Gleichstrommaschine angegeben, deren Joch einen Außendurchmesser von 90 mm hat. Beim Stand der Technik könnte ein Anlassermotor einer Brennkraftma­ schine mit einer Höchstleistung von 0,85 kW hergestellt werden mit Wa=10,33 mm, Wt=5,46 mm und Ws=2,7 mm, wogegen gemäß der Erfindung eine maximale Leistung von 0,93 kW erzeugt und eine Leistungssteigerung von ca. 10% erreicht werden kann, indem man Wa=8,12 mm, Wt=5,82 mm und Ws=1,5 mm vorgibt.

Ebenso wird bei einem Beispiel, bei dem das Joch einen Außendurchmesser von 80 mm hat, beim Stand der Technik eine maximale Leistung von 0,82 kW mit Wa=9,26 mm, Wt=4,55 mm und Ws=2,7 mm erreicht, wogegen gemäß der Erfindung die maximale Leistung von 0,93 kW mit Wa=6,69 mm, Wt=4,75 mm und Ws=1,5 mm erreicht wird, so daß in diesem Fall eine Leistungssteigerung von mehr als 10% erreicht wird.

Im übrigen gilt für das Verhältnis Wt/Wa beim Stand der Technik ein Wert nahe 0,5, während bei diesem Ausführungs­ beispiel das Verhältnis mit 0,7 oder mehr vorgegeben ist und eine Gegenfläche um 20% vergrößert wird, so daß der Durchfluß des Magnetflusses zwischen dem Wendepol und dem Zahn verbessert wird.

Ferner ist es bei diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt, daß die Beziehung zwischen der Breite Wm des Permanentmagneten 2, der Nutteilung Wp und der distalen Endbreite Wt des Zahns mit 2×Wp Wm 2×Wp + Wt vorgegeben ist, und diese Vorgabe trägt ebenfalls zur Erzielung der genannten Effekte bei. Wenn also die Innenumfangsbreite Wm des als Hauptpol dienenden Permanentmagneten wie vorstehend gesagt vorgege­ ben ist, kann der Magnetfluß vom Permanentmagneten 2 in ausreichender Höhe durch die gegenüberliegenden Zähne 5 geleitet werden, und ferner kann der Permanentmagnet zu dem Wendepol 3 symmetrisch gemacht werden, so daß die Funktion des Wendepols in wirksamer Weise nutzbar ist.

Fig. 8 ist eine Abwicklung wesentlicher Teile, die eine Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt. Dabei sind die Nuten des Eisenblechs 8 als offene Nuten 6a aus­ gebildet. Die offenen Nuten 6a definieren Zähne 5a entspre­ chend Fig. 8. Auch in diesem Fall wird ebenso wie vorher die Leistungssteigerung des Motors dadurch erreicht, daß die gleichen dimensionsmäßigen Beziehungen wie beim zweiten Ausführungsbeispiel vorgegeben sind.

Fig. 9 ist eine weitere Abwicklung wesentlicher Teile, die eine weitere Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt. Dabei werden die gleichen halbgeschlossenen Nuten 6 wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 und 7 angewandt, und die Modifikation unterscheidet sich demgegenüber da­ durch, daß ein Permanentmagnet 2 und ein Wendepol 3 mit einem Spalt Gp zwischen sich aneinandergrenzen.

In diesem Fall ist unter Berücksichtigung des Spalts Gp die Beziehung zwischen der Innenumfangsbreite Wa des Wendepols, der Breite Wt eines Zahns und der Breite Ws der Nut durch die Bedingung Wt Wa + Gp 2×Ws + Wt vorgegeben, und die Beziehung zwischen der Innenumfangsbreite Wm des Permanent­ magneten 2, der Nutteilung Wp und der distalen Endbreite Wt des Zahns ist mit 2Wp Wm + Gp 2Ws + Wt vorgegeben, wobei Gp 2Ws.

Unter diesen Bedingungen können die gleichen Auswirkungen wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 und 7 erreicht werden.

Bei jedem Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, daß die Breite jedes Zahns an einer Position, an der eine Spule um ihn gewickelt ist, im wesentlichen gleich oder größer ist als die Breite jeder Nut an der Position, an der die Spule eingesetzt ist.

Wie oben beschrieben, sind gemäß der Erfindung die Innen­ umfangsbreite jedes Wendepols und die distalen Endbreiten jedes Zahns und jeder Nut eines Ankers mit einer vorbe­ stimmten Bedingung vorgegeben, bzw. zusätzlich zu dieser Bedingung sind die Innenumfangsbreite jedes Permanentma­ gneten, die Nutteilung, die distale Endbreite des Zahns usw. mit einer vorbestimmten Beziehung vorgegeben; dadurch kann die Kommutierung an den Bürsten in vorteilhafter Weise erfolgen, während gleichzeitig die Feldvergrößerungsfunk­ tion des Wendepols in befriedigender Weise genützt wird, und die Leistung einer Gleichstrommaschine wird gesteigert, ohne daß die Maschine dadurch größer wird.

Claims (10)

1. Gleichstrommaschine mit
einem zylindrischen Joch (1);
einer Vielzahl von Hauptpolen, die jeweils an der Innen­ seite des zylindrischen Jochs befestigt sind und einen Per­ manentmagneten (2) und einen Wendepol (3a) umfassen, die an einer Innenfläche des zylindrischen Jochs (1) in Umfangs­ richtung aneinandergrenzend angeordnet sind, wobei der Wendepol (3a) aus einem Magnetwerkstoff besteht, dessen reversible Permeabilität höher als diejenige des Permanent­ magneten (2) ist, und auf einer Seite des Permanentmagneten angeordnet ist, in der der Magnetfluß durch die Ankerrück­ wirkung erhöht wird; und
einem Anker (4) mit Ankereisen (8), der in dem zylindri­ schen Joch (1) so angeordnet ist, daß seine Außenumfangs­ fläche Innenumfangsflächen des Jochs mit einem vorbestimm­ ten Spalt dazwischen gegenübersteht; gekennzeichnet durch
eine Konstruktion, die der Bedingung genügt, daß die Innenumfangsbreite Wa jedes Wendepols (3a) mit einem zwi­ schen dem Permanentmagneten (2) und dem Wendepol (3a) de­ finierten Umfangsspalt Gp gleich oder größer als eine di­ stale Endbreite Wt jedes Zahns (5) des Ankereisens (8) und gleich oder kleiner als die zweifache distale Endbreite Ws jeder Nut (6) plus die distale Endbreite Wt jedes Zahns (5) ist (Wt Wa + Gp 2Ws + Wt).

2. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Wendepol und der Permanentmagnet in Kon­ takt miteinander so aneinandergrenzen, daß der Umfangsspalt Gp im wesentlichen Null ist, die erstgenannte Bedingung (Wt Wa 2Ws + Wt) ist.

3. Gleichstrommaschine mit
einem zylindrischen Joch (1);
einer Vielzahl von Hauptpolen, die jeweils an der Innen­ seite des zylindrischen Jochs befestigt sind und einen Per­ manentmagneten (2) und einen Wendepol (3a) umfassen, die an einer Innenfläche des zylindrischen Jochs (1) in Umfangs­ richtung aneinandergrenzend angeordnet sind, wobei der Wen­ depol (3a) aus einem Magnetwerkstoff besteht, dessen rever­ sible Permeabilität höher als diejenige des Permanentma­ gneten (2) ist, und auf einer Seite des Permanentmagneten angeordnet ist, in der der Magnetfluß durch die Ankerrück­ wirkung erhöht wird; und
einem Anker (4) mit Ankereisen (8), der in dem zylindri­ schen Joch (1) so angeordnet ist, daß seine Außenumfangs­ fläche Innenumfangsflächen des Jochs mit einem vorbestimm­ ten Spalt dazwischen gegenübersteht; gekennzeichnet durch
eine Konstruktion, die der Bedingung genügt, daß die Innenumfangsbreite Wa jedes Wendepols (3a) mit einem zwi­ schen dem Permanentmagneten (2) und dem Wendepol (3a) de­ finierten Umfangsspalt Gp größer als die distale Endbreite Wt jedes Zahns (5) des Ankereisens (8) und kleiner als die zweifache distale Endbreite Ws jeder Nut (6) plus die di­ stale Endbreite Wt jedes Zahns (5) ist (Wt Wa + Gp 2Ws + Wt), und
der weiteren Bedingung genügt, daß die Innenumfangsbreite Wm jedes Permanentmagneten (2) größer als zwei Nutteilungen 2×Wp des Ankereisens (8) und kleiner als diese zwei Nut­ teilungen 2×Wp plus die distale Endbreite Wt jedes Zahns (5) ist (2Wp Wm 2Wp + Wt).

4. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Wendepol und der Permanentmagnet in Kon­ takt miteinander aneinandergrenzen, so daß der Umfangsspalt Gp im wesentlichen Null ist, die erstgenannte Bedingung (Wt Wa 2Ws + Wt) ist.

5. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsspalt gleich oder kleiner als eine zweifache Nutteilung Ws ist.

6. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite jedes Zahns (5) in einer Position, in der eine Spule um ihn gewickelt ist, gleich oder größer ist als die Breite jeder Nut (6) in der Position, in der die Spule eingesetzt ist.

7. Gleichstrommaschine mit
einem zylindrischen Joch (1);
einer Vielzahl von Hauptpolen, die jeweils an einer Innenseite des Jochs (1) befestigt sind und einen Perma­ nentmagneten (2) und einen Wendepol (3) umfassen, die an einer Innenfläche des Jochs in Umfangsrichtung in Kontakt miteinander aneinandergrenzen, wobei jeder Wendepol (3) aus einem Magnetwerkstoff besteht, dessen reversible Permeabi­ lität höher als die des Permanentmagneten (2) ist, und an einer Seite jedes Permanentmagneten liegt, in der der Ma­ gnetfluß durch die Ankerrückwirkung erhöht wird;
einem Anker (4) mit einer Ankerspule (7) und einem Ankereisen (8), in dem eine Vielzahl von Nuten (6) für die Ankerspule (7) geformt ist, die Zähne (5) definieren, wobei der Anker in dem Joch so angeordnet ist, daß distale Enden der Zähne (5) Innenseiten der Wendepole (3) und der Perma­ nentmagneten (2) mit einem vorbestimmten Spalt gegenüber­ stehen; und
auf einer Seite des Ankers (4) vorgesehenen Bürsten (10), die mit einem Stromwender (402) in Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Innenumfangsbreite Wm jedes Permanentmagneten (2) gleich oder größer als die doppelte Nutteilung Wp jedes Ankereisens (8) und gleich oder kleiner als die doppelte Nutteilung Wp plus die distale Endbreite Wt jedes Zahns (5) ist.

8. Gleichstrommaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite jedes Zahns (5) an einer Position, an der eine Spule (7) um ihn gewickelt ist, gleich oder größer als die Breite jeder Nut (6) an der Position ist, an der die Spule eingesetzt ist.

9. Gleichstrommaschine mit
einem zylindrischen Joch (1);
einer Vielzahl von Hauptpolen, die jeweils an einer Innenseite des Jochs (1) befestigt sind und einen Perma­ nentmagneten (2) und einen Wendepol (3) umfassen, die an einer Innenfläche des Jochs in Umfangsrichtung aneinander­ grenzen, wobei zwischen jedem Permanentmagneten (2) und jedem Wendepol (3) ein Umfangsspalt verläuft und jeder Wen­ depol aus einem Magnetwerkstoff besteht, dessen reversible Permeabilität höher als die des Permanentmagneten ist, und an einer Seite jedes Permanentmagneten positioniert ist, in der der Magnetfluß durch die Ankerrückwirkung erhöht wird;
einem Anker (4) mit einer Ankerspule (7) und Ankereisen (8) mit jeweils einer Vielzahl von Nuten (6) für die Spule (7) und dadurch definierten Zähnen (5), wobei der Anker in dem Joch so angeordnet ist, daß distale Enden der Zähne Innenseiten der Wendepole und der Permanentmagnete mit einem vorbestimmten Spalt gegenüberstehen; und
an einer Seite des Ankers (4) vorgesehene Bürsten (10) in Kontakt mit einem Stromwender (402), dadurch gekennzeichnet,
daß eine Innenumfangsbreite Wm jedes Permanentmagneten (2) plus der Umfangsspalt gleich oder größer als die dop­ pelte Nutteilung Wp jedes Ankereisens (8) und gleich oder kleiner als die doppelte Nutteilung Wp plus die distale Endbreite Wt jedes Zahns (5) ist.

10. Gleichstrommaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite jedes Zahns an einer Position, an der eine Spule um ihn gewickelt ist, gleich oder größer als die Breite jeder Nut an der Position ist, an der die Spule ein­ gesetzt ist.