DE4213372A1 - Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit gleichmäßig am Umfang versetzten, radial magnetisierten Permanentmagneten eines Rotors oder eines Stators, wobei der jeweils zugehörige Stator bzw. Rotor wenigstens vier, mindestens je eine Spule tragende Zähne aufweist zwischen denen sich jeweils eine Lücke befindet, und wobei der Polbogen jedes Permanentmagneten in einer symmetrischen Ausgangsstellung etwa gleich viele Lücken wie Zähne überspannt, wobei der Polbogen in der Ausgangsstellung mindestens einen Zahn und beidseits wenigstens etwa eine halbe Lücke überspannt, wobei desweiteren jeder Zahn zur Bildung eines Polschuhs eine im wesentlichen T-förmige Gestalt aufweist. Bei derartigen elektrischen Maschinen, seien es nun Motoren oder Generatoren, tritt eine Magnetfluß-Pulsation auf, welche erhebliche Nachteile mit sich bringt. Dieses Verhalten der elektrischen Maschine wird auch als Nuten bezeichnet. Es ist konstruktionsbedingt und tritt je nach Zahl der Lücken oder Nuten periodisch mehr oder weniger stark auf. Das Rastmoment wirkt nacheinander bremsend und beschleunigend. Bspw. beim Durchdrehen eines Fahrraddynamos kann man dieses Moment erfühlen und es wird infolgedessen auch Polfühligkeit genannt. Die dabei auftretenden Pendelschwingungen erzeugen Geräusche, welche sehr nachteilig sind. Sie können auch eine aufwendigere Funkentstörung notwendig machen.

Bei den Ausführungsbeispielen und in bevorzugter Weise ist diese elektrische Maschine mit zwei um 180° versetzten Permanentmagneten ausgestattet. Im Falle der Fig. 1 besitzt der Stator 4 jeweils um 90° versetzte Zähne, während gemäß Fig. 2 12 Zähne vorgesehen sind. Infolgedessen erstreckt sich der Polbogen gemäß Fig. 1 über einen Zahn und etwa eine Zahnlücke, wobei in der gezeichneten symmetrischen Stellung des Permanentmagneten zu diesem Zahn der Polbogen beidseits etwa bis zur halben Lückenbreite reicht. Er könnte auch geringfügig kleiner sein, besser aber etwas größer, bis hin zu einem Maß, welches einen Zahn und nahezu zwei Lücken umfasst. Entsprechendes gilt für die Ausgestaltung der Fig. 2 oder andere Ausbildungen mit anderer Polzahl und Zähnezahl.

Es sind schon viele theoretische und mathematische Untersuchungen angestellt worden, um das Rastmoment zu beseitigen oder zumindest zu verringern. Ein befriedigendes Ergebnis ist allerdings bis jetzt noch nicht bekannt geworden.

Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine elektrische Maschine der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß das Rast- oder Nutmoment zumindest erheblich reduziert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet ist, daß die dem Permanentmagneten zugewandte kreiszylinderabschnittförmige Fläche jedes Zahns an ihren beiden Umfangsenden abgerundet ist. Durch den Verzicht auf scharfe Ecken am in Drehrichtung vorderen und hinteren Ende jedes Zahnes wird das Nuten bzw. ein Rastmoment bei dieser elektrischen Maschine wesentlich reduziert.

Die Lücke zwischen benachbarten Zähnen bestimmt sich in diesem Falle durch die größte Erstreckung jedes Zahns bzw. Polschuhs in Umfangsrichtung gemessen. Entsprechend ist der maßgebliche Polbogen durch die Magnetfläche im Bereich des konstanten Luftspalts festgelegt.

Der Erfindung liegen folgende Gedanken zugrunde: Nicht der Magnet mit seiner Form, bzw. Geometrie, sondern das das durch den Magenten erzeugte Magnetfeld verursacht das Nutmoment. Betrachtet man das Magnetfeld zwischen dem Magneten und einem walzenförmigen Stahlkörper ohne Nuten mit dem Durchmesser des Ankers, erkannt man, daß eine Induktionsänderung im Luftspalt an den Polkanten kaum möglich hst. Die Flußdichte ist von dem Magnetmaterhal abhängig. Da der Magnetkreis über das Eisen des Gesamtsystems sehr gut geschlossen ist, liegt der Arbehtspunkt des Magnetmaterials hn der Nähe der Remanenzfeldstärke. Der Einfluß über dhe Anderung der Koerzitivfeldstärke, die sich aus der Magnetlänge in Flußrichtung, angenähert der Magnetdicke, ergibt, ist gering. Das zeigt sich in der geringen Wirkung bei Veränderungen der Polkanten. Das starke Nutmoment kann somit durch Änderungen am Magneten nicht wesentliche beeinflußt werden.

Die Flußdichte unter dem Magneten whrd praktisch nur von dem Magnetmaterial bestimmt. Betrachtet man die Ankerbleche des Rotors mit den Nuten, zehgt shch, daß zwischen Zahn und Magnet ein fast homogenen Feld glehcher Feldstärke auftritt und diese Feldstärke aus den oben erklärten Gründen auch über den Nuten an der Magnetfläche vorhanden ist. An den eckigen Zahnkanten konzentriert sich der Magnetfluß sehr stark. Es entsteht durch die Spitzenwirkung eine sehr große Feldstärke, die beim Drehen des Ankers zu großen Magnetflußschwankungen bei kleinen Drehwinkeländerungen führt. Diese Spitzenwhrkung im Magnetfeld ist sehr effektiv und kann in der Wirkung analog im elektrischen Feld mit der Spitzenwirkung des Blitzableiters verglichen werden.

Die Spitzenwirkung des Magnetfeldes an den Zahnkanten ist somit eine Ursache des auftretenden starken Nutmomentes. Durch die erfindungsgemäße Abrundung der Kanten der Zähne kann sie erheblich vermindert werden.

Um die Spitzenwirkung des Magnetfeldes an jeder Zahnecke zu vermeiden, erstreckt sich die Abrundung an den beiden Umfangsenden jedes Zahns bzw. Polschuhs vorteilhafterweise bis zur rückwärtigen Polschuhfläche hin.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Magnetdicke der Permanentmagnete in radialer Richtung gemessen wesentlich größer ist als die Breite einer Lücke in Umfangsrichtung gemessen, wobei insbesondere auf eine möglichst kleine Lücke zwischen benachbarten Zähnen bzw. Polschuhen zu achten ist. Insbesondere bei einem aus mehreren Elementen bestehenden Stator kann man mit den Zähnen sehr nahe aneinanderrücken, weil dabei die Montage der Erregerspulen kein Problem bildet. Der Rotor läßt sich auf diese Weise auf nahezu 380° von den Zähnen umschließen.

Die Ausbildung der Kanten an den Umfangsenden der Permanentmagnete kann gemäß Anspruch 4 oder 5 erfolgen. Die Ausbildung gemäß Anspruch 5 wählt man bspw. dann, wenn das Gehäuse mit den Permanentmagneten an gegenüberliegenden Seiten Scheibenwischerantrieben von Kraftfahrzeugen.

Eine Weiterbildung der Maschine gemäß Anspruch 5 ergibt sich aus Anspruch 8. Die dort beschriebenen Permanentmagnete zeichnen sich durch eine weitgehend konstante Magnetdicke bzw. geringe Seitenabflachung aus.

In besonders bevorzugter Weise handelt es sich bei der elektrischen Maschine um einen Elektromotor. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung an einen kollektorlosen, elektronisch kommutierten Motor gedacht, wobei diametral gegenüberliegende Spulen einen Strang bilden.

Weitere für sich bekannte Ausbildungen des Motors ergeben sich aus den Ansprüchen 9 und 10.

Wie bereits angedeutet kann es sich bei der elektrischen Maschine aber auch um einen Generator handeln. Außerdem ist die erfindungsgemäße Ausbildung auch dann brauchbar und vorteilhaft, wenn es sich statt um eine dauermagneterregte Gleichstrommaschine um eine Maschine mit Erregerwicklung handelt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung. Hierbei stellen dar

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine als kollektorloser, elektronisch kommutierter Gleichstrommotor ausgebildete elektrische Maschine;

Fig. 2 einen dementsprechenden Schnitt durch eine als dauermagneterregter Gleichstrom-Kollektormotor ausgebildete elektrische Maschine.

Der Elektromotor der Fig. 1 besitzt einen Rotor 1 und einen Stator 2. Letzterer ist beim Ausführungsbeispiel mit vier Zähnen 3 bis 8 ausgestattet. Jeder trägt eine Spule 7, 8, 9, 10. Die Spulen befinden sich hinter dem zugeordneten Polschuh 11 ihres Zahns. Die Polschuhe umschließen den Rotor bzw. dessen Flugkreis nahezu vollständig. Zwischen benachbarten Polschuhenden befindet sich eine Lücke 16, 17, 18, 19. Sie sollte so klein wie möglich gehalten werden und ist auf jeden Fall wesentlich kleiner als die Dicke der beiden Permanentmagnete 13 und 14 des Rotors 1. Letztere sind auf einem kreiszylindrischen Träger 15 des Rotors 1 gehalten, insbesondere angeklebt und gemäß Fig. 1 in radialer Richtung so magnetisiert, daß der Nordpol des Magneten 13 und der Südpol des Magneten 14 außen liegt. Der kreiszylindrische Träger 15 besteht aus magnetischem Material.

Der Zeichnung entnimmt man, daß in der momentanen Stellung des Rotors 1 sich jeder Permanentmagnet 13, 14 nicht nur über den Polschuh 11 seines zugeordneten Zahns 3, 5 erstreckt, sondern auch noch über je etwa die Hälfte der beiden seitlich links und rechts jedes Zahns bzw. Polschuhs gelegenen Lücken z. B. 18 und 17 bzw. 18 und 19.

Weil die Umfangsenden 20 und 21 jedes Zahns bzw. Polschuhs 11 erfindungsgemäß abgerundet sind, bestimmt sich die Breite 12 der Lücke 16, 17, 18, 19 zwischen benachbarten Polschuhen 11 nach der engsten Stelle. Wenn gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Kanten 22 und 23 an den Umfangsenden der Permanentmagnete 13 bzw. 14 in radialer Richtung verlaufen, so sind gedachte Verlängerungen dieser Kanten jeweils etwa der Spaltmitte zugeordnet. Sie können aber bis nahe an den jeweils benachbarten Zahn reichen. Jede Lücke ist durch den Abstand der Umfangsenden 20 bzw. 21 benachbarter Zähne bzw. deren Polschuhe bestimmt.

An sich könnte man auch die Ecken der Permanentmagnete abrunden, jedoch bringt dies im Hinblick auf den angestrebten, nachstehend noch erläuterten Zweck im Gegensatz zu den Polschuhen keinen beachtenswerten Vorteil.

Der Polbogen 24, d. h. die außen liegende, kreiszylinderabschnittförmige Fläche jedes Permanentmagneten der Fig. 1 erstreckt sich in der gezeichneten symmetrischen Ausgangsstellung über einen Zahn 3 bis 6 und wenigstens noch eine Lücke 16 bis 19. Lediglich der Ordnung halber wird noch darauf hingewiesen, daß die Zähne nicht notwendigerweise einen Polschuh 11 aufweisen müssen, vielmehr sind auch Ausführungen mit geraden Zähnen geeignet.

Bei beiden Ausführungsbeispielen erstrecken sich die Abrundungen an den Umfangsenden 20, 21 der Zähne bzw. Polschuhe 11 bis zur rückwärtigen Polschuhfläche 25. Das Abrunden bringt einen gleichmäßigeren Verlaufs der Magnetlinien mit sich und verringert dadurch in der angestrebten Weise das Nuten. Wenn die Polschuhe demgegenüber beidendig in Ecken auslaufen, so führt dies zu einer hohen Konzentration der Magnetlinien an diesen Ecken und dies ist der Anlaß für ein Nuten der elektrischen Maschine bzw. des Motors. Aus Fig. 1 ersieht man, daß der Ecke jedes Permanentmagneten in der gezeichneten Stellung des Rotors eine abgerundete Fläche des links und rechts gelegenen Zahns bzw. Polschuhs des Stators zugeordnet ist, und dies bewirkt den gleichmäßigeren Verlauf der Magnetlinien. Eine Abrundung der Magnetecken bringt wie gesagt keine oder zumindest keine nennenswerte Verbesserung in dieser Hinsicht.

Der Stator 2 des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 kann in bekannter Weise aus gestanzten Blechen gebildet und somit sehr genau hergstellt werden. Auch die Permanentmagnete 13 und 14 kann man, insbesondere was ihre Umfangserstreckung aber auch ihre Dicke betrifft, mit hoher Genauigkeit fertigen bspw. indem man sie zumindest seitlich beschleift.

Selbstverständlich müssen sie mit derselben Genauigkeit am kreiszylindrischen Träger 15 bzw. der Motorwelle befestigt werden, so daß ihr Umfangsabstand beidendig identisch ist.

Das Auführungsbeispiel der Fig. 2 unterscheidet von demjenigen nach Fig. 1 vor allen Dingen dadurch, daß die Permanentmagnete 13 und 14, welche selbstverständlich auch in radialer Richtung magnetisiert und hinsichtlich Nord- und Südpol gleich angeordnet und ausgebildet sind wie in Fig. 1, an der Innenfläche 26 eines Stator- bzw. Motorgehäuses 27 angebracht bspw. angeklebt und nötigenfalls durch Distanzstücke auf gleichem gegenseitigen Umfangsabstand gehalten sind. Das Motorgehäuse kann außen einen kreiszylindrischen Mantel 28 aufweisen oder gemäß den gestrichelten Linien 29 und 30 beidseits abgeflacht sein. Insbesondere im letzteren Falle sind die Umfangsenden 31 und 32 der Permanentmagnete 13 und 14 in spezieller, aus Fig. 2 ersichtlicher sowie nachstehend erläuterter Weise gestaltet. Trotzdem gilt auch hier, daß sich der Polbogen 24 jedes Permanentmagneten 13,14 über X Zähne und etwa X Lücken erstreckt. Der Polbogen ist auch in diesem Falle die gegen die Zähne weisende freie kreiszylinderabschnittförmige Fläche der Permanentmagnete 13 bzw. 14. Gemäß Fig. 2 verlaufen die einander zugeordneten Kanten 33 und 34 an den Umfangsenden 31,32 der Permanentmagnete 13,14 parallel zueinander. Sie reichen aber beim Ausführungsbeispiel nicht bis zur Innenfläche 26 eines im Querschnitt kreisringförmigen Gehäuses 27.

Im Falle von Abflachungen des Motorgehäuses endigen aber die Kanten 33 und 34 außen an der ebenen Innenflächen 35 des Gehäuses.

Wenn sich die äußere Mantelfläche 36 und die innere, den Polbogen bildende oder aufweisende Mantelfläche 24 jedes Permanentmagneten 13,14 gemäß Fig. 2 über den gleichen Winkel 37 erstrecken, so geht jede Kante 33 bzw. 34 über eine ebene Fläche 38 in die äußere Mantelfläche 36 über, wobei die beiden ebenen Flächen 38 der zugeordneten Magnetenden gemäß Fig. 2 in einer gemeinsamen gedachten Ebene 39 liegen. Man erkennt, daß zumindest über den wichtigen Polbogen 24 bzw. den Winkel 37 die Magnetdicke auch bei dieser Ausführungsform konstant ist. Die geringfügige Dickenänderung an den beiden Enden jedes Permanentmagneten hat keinen beachtenswerten nachteiligen Effekt auf diesen Motor.

In Fig. 2 ist der Rotor mit zwölf Zähnen 40 bis 51 ausgestattet. Jeder trägt einen Polschuh 11 dessen Umfangsenden 20 und 21 in gleicher Weise abgerundet sind wie in Fig. 1, mit dem Unterschied, daß die gegen die Permanentmagnete gerichtete freie Fläche jedes Polschuhs in Fig. 2 konkav und in Fig. 1 naturgemäß konvex gewölbt ist. In Fig. 2 ist lediglich eine Lücke zwischen benachbarten Zähnen bzw. Polschuhen 11 mit einer Bezugszahl 16 versehen.

Bei einer Ausbildung mit mehr als vier Zähnen und dementsprechend auch einer höheren Zahl von Lücken, gelten die vorstehenden theoretischen Überlegungen bezogen auf die gezeichnete Ausgangsstellung des Rotors bezüglich der Permanentmagnete sinngemäß. Im übrigen kann der Rotor der Fig. 2 ähnlich wie der Stator der Fig. 1 aus einzelnen gestanzten Blechen sehr genau hergestellt werden.

Claims (10)

1. Elektrische Maschine mit gleichmäßig am Umfang versetzten, radial magnetisierten Permanentmagneten (13, 14) eines Rotors (1) oder eines Stators (2), wobei der jeweils zugehörige Stator (2) bzw. Rotor wenigstens vier, mindestens je eine Spule (7 bis 10) tragende Zähne (3 bis 6; 40 bis 51) aufweist zwischen denen sich jeweils eine Lücke (16 bis 19) befindet, und wobei der Polbogen (24) jedes Permanentmagneten (13,14) in einer symmetrischen Ausgangsstellung etwa gleich viele Lücken (16 bis 19) wie Zähne (3 bis 6; 40 bis 51) überspannt, wobei der Polbogen (24) in dieser Ausgangsstellung mindestens einen Zahn (3 bis 6; 40 bis 51) und beidseits wenigstens etwa eine halbe Lücke überspannt, wobei desweiteren jeder Zahn (3 bis 6; 40 bis 51) zur Bildung eines Polschuhs (11) eine im wesentlichen T-förmige Gestalt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Permanentmagneten (13, 14) zugewandte kreiszylinderabschnittförmige Fläche jedes Zahns (3 bis 6; 40 bis 51) an ihren beiden Umfangsenden (20, 21) abgerundet ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abrundung an den beiden Umfangsenden (20, 21) jedes Zahns (3 bis 6; 40 bis 51) bzw. Polschuhs (11) bis zur rückwärtigen Polschuhfläche (25) hin erstreckt.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetdicke der Permanentmagnete (13, 14) in radialer Richtung gemessen wesentlich größer ist als die Breite (12) einer Lücke (16 bis 19) in Umfangsrichtung gemessen.

4. Maschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (22, 23) an den Umfangsenden der Permanentmagnete (13, 14) in radialer Richtung verlaufen.

5. Maschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugeordneten Kanten (33, 34) an den Umfangsenden (31, 32) der Permanentmagneten (13, 14) parallel zueinander verlaufen.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die äußere (36) und innere Mantelfläche (24) jedes Magneten (13,14) über etwa den gleichen Winkel (37) erstrecken und der äußere Mantel (36) beidendig über eine ebene Fläche (38) in die zugeordnete Kante (33, 34) am Umfangsende übergeht, wobei die beiden ebenen Flächen (38) der einander zugeordneten Magnetenden (31, 32) vorzugsweise in einer gemeinsamen gedachten Ebene (39 liegen.

7. Maschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Elektromotor.

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein kollektorloser, elektronisch kommutierter Motor ist, wobei diametral gegenüberliegende Spulen (z. B. 7, 9) einen Strang bilden.

9. Maschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (2) des Innenläufers aus gestanzten Blechen gebildet ist und die Permanentmagnete (13, 14) an einem Rotor (1) befestigt sind.

10. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ELektromotor ein dauermagneterregter Gleichstrom- Kollektormotor ist und die Permanentmagnete (13, 14) innen am Stator (2) befestigt sind, wobei der Rotor (1) aus gestanzten Blechen gebildet ist.