DE4409993A1

DE4409993A1 - Elektrische Antriebsvorrichtung in Form eines Axialfeldmotors mit Magnet-Gaslagerung

Info

Publication number: DE4409993A1
Application number: DE4409993A
Authority: DE
Inventors: Anton Dr Paweletz
Original assignee: SKF Textilmaschinen Komponenten GmbH
Current assignee: SKF Textilmaschinen Komponenten GmbH
Priority date: 1994-03-23
Filing date: 1994-03-23
Publication date: 1995-09-28

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung in Form eines Axialfeldmotors, mit einem eine symmetrisch zu einer vertikalen Achse ausgebildete Wicklung aufweisenden Stator und mit einem Rotor, der auf einem zwischen ihm und dem Stator ausgebildeten Gasströmungspolster durch magnetische Kräfte gehalten und zentriert berührungsfrei vom Stator um die vertikale Achse drehbar angeordnet ist, wobei Stator und Rotor jeweils eine Lagerfläche aufweisen, die das Gasströmungspol ster in axialer Richtung begrenzen.

Solche Axialfeldmotoren sind vorzugsweise in der Ausgestaltung als bürstenlose Gleichstrommotoren oder als Hysteresemotoren zur Erzeugung sehr hoher Drehzahlen bereits bekannt. Bei eini gen der bekannten Vorrichtungen wird das Motordrehfeld gleich zeitig zum Halten und Zentrieren des Rotors auf dem Gasströ mungspolster ausgenutzt. Bei anderen Ausführungsformen sind getrennte Magnetsysteme für den Antrieb des Rotors einerseits und die Zentrierung und Halterung andererseits vorgesehen. Hierbei sind bürstenlose Motoren bekannt, bei denen im Stator und im Rotor sich paarweise gegenüberliegende Permanentmagnete umgekehrter Polarität zur Erzeugung des Halte- und Zentrier feldes vorgesehen sind. Hierbei treten jedoch häufig Ungleich mäßigkeiten in den Abmessungen und in der Magnetisierung der Halte- und Zentriermagnete in Stator und Rotor auf, die zu Fehlern in der Induktion und zu Ungleichmäßigkeiten ihrer Verteilung führen, wodurch es zu einer Abweichung zwischen der eigentlichen Rotationsachse und der Achse der magnetischen Zentrierung kommen kann. Darüber hinaus kann auch ein Gegen einanderwirken zweier konzentrischer Magnetsysteme in Rotor und Stator, das radiale Schwingungen des Rotors und Leistungs verluste verursacht, hervorgerufen werden. Weitere Nachteile der bekannten Antriebsvorrichtungen liegen in der teuren und aufwendigen Konstruktion, die vor allem durch die notwendige äußerst exakte Dimensionierung und die meist über ein aufwen diges Klebeverfahren erfolgende exakte Positionierung der Halte- und Zentriermagnete in Stator und Rotor verursacht ist. Außerdem ist die Anordnung von Permanentmagneten im Rotor insofern problematisch, daß einerseits die Lagerfläche des Rotors eine sehr geringe Rauhigkeit aufweisen soll, anderer seits aber ein mechanisches Nacharbeiten dieser Fläche in Form von Schleifen und Polieren bei in der Lagerfläche angeordneten Permanentmagneten ohne mechanische Zerstörung oder Entmagneti sierung der Magnete durch Temperatureinwirkung sehr erschwert ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebs vorrichtung der genannten Art zu schaffen, die konstruktiv einfach ist und die obengenannten Nachteile vermeidet.

Die Aufgabe wird mit einer Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Halte- und Zentrierfeldbereich des Axialfeldmotors, der zweckmäßiger weise vom Motordrehfeld magnetisch entkoppelt sein kann, im Stator und im Rotor jochbildende magnetisch leitende Elemente aufweist, die sich im Einflußbereich mindestens eines perma nenten oder gleichstromerregten Haltemagneten befinden, und daß bei Verwendung mehrerer Haltemagnete diese niemals so angeordnet sind, daß sich zwei Haltemagnete im Stator und im Rotor in axialer Richtung gegenüberstehen.

Anstelle der jeweils paarweisen Anordnung von gegengepolten Magneten im Stator und Rotor sowie einer in radialer Richtung im Stator und im Rotor gleichmäßigen Anordnung von Jochen bei den seither bekannten Axialfeldmotoren tritt nun eine Kombina tion aus mindestens einem Permanent- oder Elektromagneten und magnetisch leitenden Elementen, d. h. es ist nicht mehr erfor derlich, die sich im Stator und Rotor gegenüberliegenden Halte- und Zentriermagnete exakt aufeinander auszurichten und gleichmäßig zu magnetisieren. Die magnetisch leitenden Elemen te sind so geformt, daß durch die Führung der Feldlinien des mindestens einen Haltemagneten eine Zentrierung und Halterung des Rotors erfolgt. Die verwendeten Magneten müssen hierzu im Vergleich zu herkömmlichen Axialfeldmotoren ungefähr das glei che Volumen aufweisen, um die gleiche Zentrierkraft zu errei chen. Der gesamte Halte- und Zentrierfeldbereich ist vom Mo tordrehfeld magnetisch entkoppelt, so daß keinerlei vom Motor drehfeld verursachte Störungen auf das Halte- und Zentrier verhalten zu befürchten sind. Außerdem ermöglicht eine Entkop pelung des Halte- und Zentrierfeldes vom Motordrehfeld eine sehr viel größere Freiheit bei der Ausgestaltung des Antriebs systems. Bei Verwendung mehrerer Haltemagnete können diese zweckmäßigerweise derart angeordnet sein, daß sich ihre Felder gegenseitig verstärken. Die leitenden Elemente können vorzugs weise aus einem weichmagnetischen Material, das sich durch eine hohe Permeabilität auszeichnet, gefertigt sein. Weist das weichmagnetische Material der Elemente außerdem eine große Hystereseschleife auf, so sind jochbildende Teile mit einer seits einer guten Anpassungsfähigkeit an das Feld des gegen überliegenden Permanentmagneten und andererseits einem Spei chervermögen für magnetische Energie, das zu einer Verstärkung der Wirkung des gegenüberliegenden Magneten führt, erzielbar. Die magnetisch leitenden Elemente des Stators und des Rotors können vorteilhafterweise rotationssymmetrisch zur vertikalen Drehachse angeordnet sein und in Richtung auf die Lagerflächen offene und zentrierende Joche begrenzende Ausnehmungen auf weisen, wobei der mindestens eine Haltemagnet in eine dieser Ausnehmungen eingesetzt ist. Hierbei kann der mindestens eine Haltemagnet von dem Rand der ihn auf nehmenden Ausnehmung des magnetisch leitenden Elementes zurückversetzt angeordnet sein, wodurch der Magnet nicht mehr in der Lagerfläche des Rotors oder Stators liegt und somit eine mechanische Nachbearbeitung dieser Lagerflächen leicht möglich ist. Besonders gute, sich gegenseitig verstärkende Zentrierkräfte lassen sich dadurch erzielen, daß im Halte- und Zentrierfeldbereich sowohl im Stator als auch im Rotor axialgepolte Permanentmagnete ange ordnet sind, die jeweils auf ein magnetisch leitendes Element im anderen Motorteil ausgerichtet sind. Auch das Vorsehen von in radialer Richtung aufmagnetisierter Haltemagnete im Stator und/oder Rotor ist möglich. Eine andere Ausgestaltungsmöglich keit besteht darin, daß nur im Stator Haltemagnete vorgesehen sind und Zentrierjoche der im Rotor und im Stator angeordneten magnetisch leitenden Elemente aufeinander ausgerichtet sind. Bei dieser Ausgestaltung befinden sich also keine Magnete im rotierenden Teil des Motors.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele einer er findungsgemäßen Antriebsvorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch den Rotor und Stator eines Axialfeldmotors;

Fig. 2 eine Detailansicht einer zweiten Ausge staltung des Stators und Rotors im Halte- und Zentrierfeldbereich;

Fig. 3 eine Detailansicht einer dritten Ausge staltung des Stator s und Rotors im Halte- und Zentrierfeldbereich;

Fig. 4 eine Detailansicht einer vierten Ausfüh rungsform des Stators und Rotors im Hal te- und Zentrierfeldbereich;

Fig. 5 eine Detailansicht einer fünften Ausge staltung des Stators und Rotors im Halte- und Zentrierfeldbereich;

Fig. 6 eine Detailansicht einer zweiten Ausge staltung des Stators und Rotors im Motor drehfeldbereich.

Der Axialfeldmotor 10 nach Fig. 1 wird von einem Stator 11 und einem darauf aufgesetzten Rotor 12 gebildet. Der Stator 11 weist einen ringförmigen magnetischen Kern 13, der von einer Wicklung 14 zur Erzeugung eines Motordrehfeldes umgeben ist, auf. Im Inneren des Stators 11 ist ein Gasverteiler 15 mit in einer oberen Lagerfläche 17 des Stators 11 ringförmig angeord neten Auslaßdüsen 16 angeordnet. Das durch die Düsen 16 aus strömende Gas bildet ein Gasströmungspolster 18, auf dem der Rotor 12 freischwebend gelagert ist. Zur Zentrierung und Lage rung des Rotors 12 in axialer und radialer Richtung wird in einem Bereich 19 im axialen Zentrum von Stator 11 und Rotor 12 ein magnetisches Halte- und Zentrierfeld zwischen Stator 11 und Rotor 12 aufgebaut. Hierzu sind im Stator ein magnetisch leitendes Element 21 sowie ein Halte- und Zentriermagnet 22, die in ein magnetisch isolierendes Element 20 eingebettet sind, vorgesehen. Im gegenüberliegenden Rotor 12 sind ein wei terer, ringförmiger Halte- und Zentriermagnet 23 und ebenfalls ein magnetisch leitendes Element 24 angeordnet. Der Halte- und Zentriermagnet 23 des Rotors 12 ist so angeordnet, daß das durch ihn erzeugte Feld dasjenige des Halte- und Zentrierma gneten 22 im Stator verstärkt, liegt dabei aber dem Halte- und Zentriermagneten 22 in axialer Richtung nicht gegenüber. Beide Halte- und Zentriermagnete 22 und 23 sind Permanentmagnete mit in bezug auf den Luftspalt gleicher Polarität. Der Halte- und Zentrierfeldbereich 19 ist dabei vom Motordrehfeld magnetisch vollkommen entkoppelt, so daß vom Motordrehfeld keinerlei Störungen des Halte- und Zentrierfeldes auftreten können. Im Motordrehfeldbereich 25 sind im Rotor 12 aktive Antriebsele mente 26 aus einem Hysteresematerial vorgesehen. Der magneti sche Fluß wird über eine weichmagnetische Scheibe 42, die jedoch vom Halte- und Zentrierfeldbereich 19 magnetisch ent koppelt ist, geführt.

Die in Fig. 1 dargestellte Konfiguration des Halte- und Zen trierfeldbereiches 19 weist den Nachteil auf, daß der Halte- und Zentriermagnet 22 des Stators in der Lagerfläche 17 des Stators und der Magnet 23 des Rotors in einer Lagerfläche 27 des Rotors angeordnet sind. Dies erschwert ein mechanisches Nachbearbeiten der beiden Lagerflächen 17 und 27, da Perma nentmagnete nur bedingt mitgeschliffen werden können. Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausgestaltungen des Halte- und Zentrierfeldbereichs vermeiden diesen Nachteil. Im Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 2 weisen wieder sowohl der Stator als auch der Rotor magnetisch leitende Elemente 20.1 und 24.1 auf. Die magnetisch leitenden Teile 20.1 und 24.1 weisen jeweils eine ringförmige Ausnehmung 28 und 29, die zentrierende Joche 40 und 41 begrenzen, auf. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist hier jedoch nur ein Halte- und Zentriermagnet 22.1 im Stator vorgesehen, wobei dieser Haltemagnet 22.1 ein axial auf das magnetisch leitende Element 20.1 aufmagnetisier ter Permanentmagnet ist und gegenüber der Lagerfläche 17.1 des Stators zurückversetzt angeordnet ist. Hier stellt also ein mechanisches Nachbearbeiten der Lagerfläche 17.1 kein Problem dar. Auch im in Fig. 3 dargestellten Beispiel sind in Stator und Rotor jeweils magnetisch leitende Elemente 20.2 und 24.2 mit Ausnehmungen 28.1 und 29.1 vorgesehen. In der Ausnehmung 28.1 des Elementes 20.2 im Stator ist ein Permanentmagnet 22.2 derart angeordnet, daß er gegenüber der Lagerfläche 17.2 des Stators zurückversetzt ist. Fig. 4 zeigt eine Ausgestaltung mit nur einem Magneten 20.3 im Stator des Motors. Die Zentrie rung erfolgt durch ringförmige Aussparungen 28.2 und 29.2 in den magnetisch leitenden Elementen 20.3 und 24.3 des Stators und Rotors. In Fig. 5 ist ein Gleichstromelektromagnet 22.4 im Stator vorgesehen, wobei der Magnet 22.4 in einer von zwei ringförmigen Ausnehmungen 28.3 und 28.3′ in einem jochbilden den magnetisch leitenden Element 20.4 des Stators eingesetzt ist. Auch das magnetisch leitende Element 24.4 im Rotor weist zwei ringförmige Ausnehmungen 29.3 und 29.3′ für die Zentrie rung auf.

Fig. 6 zeigt eine Ausgestaltung des Stators und Rotors im Motorfeldbereich 25.1 bzw. 25.2 des Motors. Im Rotor 12.2 nach Fig. 6 ist ein Permanentantriebsmagnet 34 zur Mitwirkung bei der Erzeugung des Drehmomentes durch das Motordrehfeld des Stators angeordnet. Diesem Magneten 34 gegenüberliegend ist im Stator 11.2 ein Statorjoch 35 mit einer mehrphasigen Luft- Spaltwicklung 37 angeordnet.

Claims

1. Elektrische Antriebsvorrichtung in Form eines Axialfeldmo tors, mit einem eine symmetrisch zu einer vertikalen Achse ausgebildete Wicklung aufweisenden Stator und mit einem Rotor, der auf einem zwischen ihm und dem Stator ausgebil deten Gasströmungspolster durch magnetische Kräfte gehal ten und zentriert berührungsfrei vom Stator um die ver tikale Achse drehbar angeordnet ist, wobei Stator und Rotor jeweils eine Lagerfläche aufweisen, die das Gasströ mungspolster in axialer Richtung begrenzen, dadurch ge kennzeichnet, daß der Halte- und Zentrierfeldbereich (19, 19.1, 19.2, 19.3, 19.4) des Axialfeldmotors im Stator (11) und im Rotor (12) jochbildende magnetisch leitende Elemen te (20, 24; 20.1, 24.1; 20.2, 24.2; 20.3, 24.3; 20.4, 24.4) aufweist, die sich im Einflußbereich mindestens eines permanenten oder gleichstromerregten Haltemagneten (22, 23; 22.1, 22.2, 22.3, 22.4) befinden, und daß bei Verwendung mehrerer Haltemagneten (22, 23) diese niemals so angeordnet sind, daß sich zwei Haltemagnete (22, 23) im Stator (11) und im Rotor (12) in axialer Richtung gegen überstehen.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Halte- und Zentrierfeld vom Motordrehfeld magnetisch entkoppelt ist.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Haltemagneten (22, 23) diese derart angeordnet sind, daß sich ihre Fel der gegenseitig verstärken.

4. Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch lei tenden Elemente (20, 24; 20.1, 24.1; 20.2, 24.2; 20.3, 24.3; 20.4, 24.4) aus einem weichmagnetischen Material gefertigt sind.

5. Elektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch leitenden Elemente (20, 24; 20.1, 24.1; 20.2, 24.2; 20.3, 24.3; 20.4, 24.4) aus einem weichmagnetischen Material mit einer großen Hystere seschleife gefertigt sind.

6. Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch lei tenden Elemente (20, 24; 20.1, 24.1; 20.2, 24.2; 20.3, 24.3; 20.4, 24.4) des Stators (11) und des Rotors (12) rotationssymmetrisch zur vertikalen Drehachse angeordnet sind und in Richtung auf die Lagerflächen (17, 17.1, 17.2, 27) offene und zentrierende Joche (40, 41) begrenzende Ausnehmungen (28, 29; 28.1, 29.1; 28.2, 29.2; 28.3, 29.3, 28.3′, 29.3′) aufweisen, und daß der mindestens eine Hal temagnet (22, 22.1, 22.2, 22.4) in eine dieser Ausnehmun gen (28, 28.1, 28.4) eingesetzt ist.

7. Elektrische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Haltemagnet (22.1, 22.2) von dem Rand der ihn aufnehmenden Ausnehmung (28.1, 28.3) des magnetisch leitenden Elementes (20.2, 20.4) zurückversetzt angeordnet ist.

8. Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Halte- und Zen trierfeldbereich (19) sowohl im Stator (11) als auch im Rotor (12) axialgepolte Permanentmagnete (22, 23) angeord net sind, die jeweils auf ein magnetisch leitendes Element (24, 22) im anderen Motorteil (12, 11) ausgerichtet sind.

9. Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Halte- und Zen trierfeldbereich (19) im Stator (11) und/oder im Rotor (12) in radialer Richtung aufmagnetisierte Permanentmagne te (22.2) angeordnet sind.

10. Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nur im Stator (11) Haltemagnete (22.1, 22.2, 22.3, 22.4) vorgesehen sind und Zentrierjoche (40, 41) der im Rotor (12) und im Stator (11) angeordneten magnetisch leitenden Elemente (20.1, 24.1; 20.2, 24.2; 20.3, 24.3; 20.4, 24.4) aufeinander ausgerichtet sind.