DE69126125T2

DE69126125T2 - Ständer für dynamoelektrische maschinen

Info

Publication number: DE69126125T2
Application number: DE69126125T
Authority: DE
Inventors: Peter Bruce Warkworth Clark
Original assignee: Cadac Ltd
Current assignee: Cadac Ltd
Priority date: 1990-02-01
Filing date: 1991-02-01
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2011-02-02
Also published as: AU647775B2; US5289066A; EP0513094B1; ES2104691T3; CA2074360A1; WO1991011842A1; AU7231891A; CA2074360C; DE69126125D1; EP0513094A1; NZ232333A; JP2762314B2; JPH05504042A

Description

ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf rotierende dynamoelektrische Maschinen und hat besondere Anwendung für bürstenlose Gleichstrommotoren.

HINTERGRUND

Konventionelle Elektromotoren weisen einen internen Rotor und einen externen Stator auf, wobei beide, der Rotor sowie der Stator, normalerweise eine hohe Anzahl Eisen- oder Stahllamellen aufweisen, um den Magnetflussweg von den magnetischen Polen des Rotors zu vergrößern, egal ob diese magnetischen Pole elektromagnetische Pole sind oder die elektrischen Pole von Dauermagneten.
Es sind Versuche unternommen worden um "einsenlose" Motoren herzustellen, und wir haben einen solchen Motor, wie in unserem US Patent Nr.4.924.125 (oder in WO89/02671) beschrieben, entwickelt. Diese vorliegende Beschreibung vermittelt eine dauermagnetische, rotierende, dynamoelektrische Maschine, wie zum Beispiel ein Hochgeschwindigkeits-Dreiphasen-bürstenlosen Motor, der mindestens einen Stator und mindestens einen Rotor aufweist, welche durch einen zylindrischen Spalt getrennt sind. Eine Anzahl von dauermagnetischen Polen wird durch eine Mehrzahl von Seltenen-Erden-Magneten geschaffen, die nebeneinander an der Innenseite eines becherförmigen Rotors liegen und welche parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sind. Der Stator weist eine Vielzahl von gewickelten Polen mit geringer Tiefe auf, die entweder auf oder dicht an der Oberfläche eines Substrates mit niedriger magnetischer Permeabilität (weniger als das zwanzigfache für Luft) gewickelt wird. Die gewickelten Pole werden so neben dem zylindrischen Spalt plaziert, daß sie die Magnetflusswege zwischen den nebeneinanderliegenden dauermagnetischen Polen schneiden. Weitere relevante Stände der Technik sind in den japanischen Patenten Nr.58-222745, 58- 195439, 58-212360, 58-83542 und 60-226750 zu sehen.
Es besteht die Notwendigkeit die Leistungsabgabe solcher "eisenlosen" Motoren zu vergrößern, aber ohne die Nachteile, die sich aus Eisen-oder Stahllamellen ergeben, wie z.B. Gewichtszunahme, Stromverlust, und, am wichtigsten, die resultierende hohe Induktanz von solchen konventionellen Stahllamellenmotoren.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung eine verbesserte rotierende dynamoelektrische Maschine zur Verfügung zu stellen.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung eine rotierende dynamoelektrische Maschine (10) dar, bestehend aus:
einem im allgemeinen zylindrischen Stator (16), der eine Statoroberfläche aufweist, die von einem im allgemeinen zylindrischen äußeren Rotor (11) umgeben ist, welcher um eine Rotationsachse drehbar angeordnet ist, und im allgemeinen eine zylindrische Rotoroberfläche (20) aufweist, welche der besagten Statoroberfläche gegenüber angeordnet ist, und von dieser durch einen im allgemeinen zylindrischen Spalt getrennt ist;
einer Vielzahl magnetischer Pole (27) auf der besagten Rotoroberfläche, die der besagten Statoroberfläche gegenüberliegt, und benachbart zu dem besagten im allgemeinen zylindrischen Spalt angeordnet ist, und wenigstens die Mehrheit der magnetischen Pole im wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Rotors angeordnet ist;
dadurch gekennzeichnet, daß
der besagte Stator ein im allgemeinen zylindrisches Substrat (24) aus einem ersten Material mit einer äußeren Oberfläche und eine ringförmige zylindrische Schicht (4) auf der besagten äußeren Oberfläche des besagten Substrats aufweist;
die besagte ringförmige zylindrische Schicht eine äußere ringförmige Oberfläche aufweist;
eine Vielzahl gewickelter Pole (25) auf der besagten äußeren ringförmigen Oberfläche überlagert sind, so daß die gewickelten Pole benachbart zu dem besagten zylindrischen Spalt angebracht sind und dem besagten Rotor gegenüberliegen;
die besagte ringförmige zylindrische Schicht (4) aus einer oder mehreren Schichten eines dehnbaren Materials besteht, wobei besagtes dehnbares Material aus einem weichen magnetischem Material mit einer magnetischen Permeabilität größer als 20 besteht;
und die Dicke der ringförmigen zylindrischen Schicht (4) sich in der Größenordnung von 2% bis 16,3% des Statordurchmessers befindet.
Vorzugsweise weist der Stator ein Substrat, das aus einem im wesentlichen nicht leitfähigem, im wesentlichen nicht magnetischen Material besteht, und die besagte Schicht oder Schichten des dehnbaren Materials mit hoher magnetischer Permeabilität sind auf oder dicht an der Oberfläche des Substrates angebracht.
Vorzugsweise ist das dehnbare Material in Form eines Drahtes oder Bandes mit geringem Querschnitt im Verhältnis zu seiner Länge, so daß jede Schicht aus einer großen Anzahl von Windungen des besagten Drahtes oder Bandes besteht. Vorzugsweise wird es aus einem "weichen magnetischen" Material hergestellt, wie etwa geglühter Stahldraht, der auf dem besagten Substrat gewickelt wird. Jegliches "weiches magnetisches" Material kann benutzt werden: wir haben jedoch gefunden, daß geglühter Stahldraht mit niederem Kohlenstoffgehalt preisgünstig und jederzeit erhältlich ist. Ein "weiches magnetisches" Material ist eines, welches einfach magnetisiert werden kann. Der Ausdruck "weich" bezieht sich auf die magnetische Eigenschaft des Materials und nicht auf seine mechanische Eigenschaft. Die bevorzugten "weichen magnetischen" Materialien sollten eine große Sättigungsmagnetisierung und eine enge Hysteresisschleife aufweisen.
Die Erfindung kann bei Maschinen Verwendung finden, welche eine niedrige Anzahl von Polen aufweisen, z. B. bei zwei- oder vierpoligen Maschinen, jedoch ist die Erfindung am vorteilhaftesten, wenn eine mittlere oder hohe Polanzahl benutzt wird und vorzugsweise derart, daß die dauermagnetischen Pole in engen Abständen um den Umfang des Rotors angeordnet sind. Für Maschinen mit 6 bis 30 Polen zum Beispiel, kann die Schicht bzw. können die Schichten von weichem magnetischem Draht relativ dunn sein (zwischen 1 und 4 mm), und daher wird weniger Stahl (-draht) verwendet als für zweipolige Maschinen. Die genaue Anzahl von Polen ist abhängig von der Rotorgröße, aber für die meisten Anwendungen bevorzugen wir Maschinen mit 6 bis 20 Polen herzustellen.
Vorzugsweise besteht die magnetische Schicht oder bestehen die magnetischen Schichten des Drahtes, die an dem Stator geformt werden, aus einem Draht (wie Stahldraht), der in einer oder in mehreren Schichten spiralenförmig gewickelt wird. Alternativ dazu kann die Schicht oder können die Schichten aus einzelnen Drahtschleifen geformt werden, welche auf dem zylindrischen Stator angebracht werden. Vorzugsweise weist der Draht einen runden Querschnitt auf und hat nur beschränkten Oberflächenkontakt mit den benachbarten Drähten, so daß die Leitfähigkeit der oder jeder Schicht entlang der Achsendimension des Stators reduziert ist; obwohl andere regelmäßige und unregelmäßige prismatische Formen Verwendung finden können. Für eine Maschine mit durchschnittlicher Geschwindigkeit und einem Stator mit einem Durchmesser von etwa 110 mm kann eine magnetische Tiefe von etwa 4 bis 5mm aus 2 bis 4 Drahtschichten mit einem Durchmesser zwischen 0,5 mm bis etwa 2 mm hergestellt werden.
Vorzugsweise ist die Drahtoberfläche von geringer Leitfähigkeit (und ein geglühter Stahldraht hat verhältnismäßig geringe Oberflächenleitfähigkeit), oder es besteht die Möglichkeit den Draht mit einer isolierenden Schicht zu überziehen wie zum Beispiel Harz, oder mit einem dünnen isolierenden Mantel (wie zum Beispiel ein synthetisches Kunststoffmaterial).
Im allgemeinen wäre es günstig den Isolierungsmantel oder den Überzug so dünn wie möglich zu halten, um den magnetischen Anteil der Drahtschicht oder Schichten zu maximieren. Solch eine Maschine mit einem Stator, welcher aus ein oder mehreren Schichten eines weichen magnetischen Materials an Hand von Drähten, die um die Oberfläche gewickelt werden oder auf die Oberfläche des Substrats gelegt werden, geformt wurde, ermöglicht, daß eine Maschine preisgünstig und mit geringer Induktanz, hergestellt werden kann. Solch eine Maschine kann mit relativ günstigen elektronischen Kommutierungssystemen Verwendung finden, so daß ein bürstenloser Gleichselstrommotor mit einfachen elektronischen Kontrollen hergestellt werden kann.

ZEICHNUNGEN

Diese und andere Betrachtungsweisen dieser Erfindung, welche in allen ihren neuartigen Aspekten betrachtet werden sollte, werden durch die nachfolgende Beschreibung offensichtlich, welche nur in Beispielen mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen ausgeführt wird, in welchen:
Abbildung 1a: eine Ansicht auf die Antriebsseite (Befestigungsplatte weggelassen) einer dauermagnetischen, rotierenden, dynamoelektrischen Maschine ist, welche die äußere Rotorkonstruktion zeigt, bei welcher Stabmagnete Verwendung finden.
Abbildung 1b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der Abbildung 1 ist, (Befestigungsplatte in Position), welche die Anordnung der Stabmagnete im äußeren Rotor zeigt und die relative Position des Stators im Innern des Rotors.
Abbildung 1c: eine auseinandergezogene Perspektivdarstellung des Rotors und des Stators der Abbildungen 1a und 1b, welche die Stahldrahtschichten unter den gewickelten Polen zeigt.
Abbildung 1d: eine erweiterte Schnittansicht des Stators der Abbildung 1b, mit der Tiefe der drei Stahldrahtschichten sowie die Tiefe der gewickelten Pole, welche zur besseren Erkennung absichtlich übertrieben dargestellt wurden, zeigt.
Abbildung 2a: eine Ansicht auf die Antriebsseite einer dauermagnetischen, rotierenden, dynamoelektrischen Maschine ist, welche einen äußeren Rotor aufweist, welcher von einem Ringmagneten gebildet wird, der aus einem Stück besteht (die Statorkonstruktion wurde bei dieser Zeichnung weggelassen).
Abbildung 2b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie BB der Abbildung 2a ist, welche nur die Rotorkonstruktion zeigt.
Abbildung 3: ein Flussdiagramm für eine 12-Pol dauermagnetische, rotierende, dynamoelektrische Maschine entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
Abbildung 4: einen dreiphasigen Wicklungsaufbau für eine typische dauermagnetische, rotierende, dynamoelektrische Maschine entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
Abbildung 5a: eine Ansicht auf die Antriebsseite (Endabdeckung entfernt) einer dauermagnetischen, rotierenden, dynamoelektrischen Maschine zeigt, welche eine innere Rotorkonstruktion aufweist, bei welcher ein zylindrischer Magnet Verwendung findet.
Abbildung 5b: eine auseinandergezogene Schniffdarstellung der Endabdeckung, des inneren Rotors und des äußeren Stators, entlang der Linie C-C der Abbildung 5a ist.
Abbildung 6: eine erweiterte Darstellung des Magnetflussweges durch die Stahldrähte zeigt.
Abbildung 7: eine Darstellung der magnetischen Eigenschaften des bevorzugten geglühten Stahldrahtes zeigt.
Abbildung 8a: die Hinteransicht eines Stators und eines Rotors für eine 6-Pol dauermagnetische, rotierende, dynamoelektrische Maschine, in welcher 12 Stabmagneten in Paaren Verwendung fmden.
Abbildung 8b: ein Spannungsdiagramm für eine typische dauermagnetische, rotierende, dynamoelektrische Maschine, entsprechend der vorliegenden Erfindung, zeigt.
Der Motor/Wechselstromgenerator entsprechend der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise unter Verwendung einer Reihe benachbarter Stabmagnete im Innern eines stählemen Kreisringes konstruiert, welche den Rotor bilden, wie dieses in Abbildung 1a dargestellt ist. Der stählerne Kreisring weist zwei wichtige Funktionen auf:
1. Mechanische Abstützung der Magnete gegen die hohen Zentrifugalkräfte, welche auftreten, wenn sich der Motor mit hoher Drehzahl dreht. Es ist offensichtlich, daß Magnete aus Keramik oder aus Seltenen Erden, verglichen zu dem becherförmigen Stahlrotor der Abbildung 1b, eine geringere Zugfestigkeit aufweisen.
2. Rückweg für den Magnetfluß zwischen benachbarten Magneten. Die Stabmagnete könnten gleichermaßen gut durch einen zylindrischen "Ring"-Magneten ersetzt werden, welcher um seinen Umfang herum abwechselnd Nordpole und Südpole aufweist, wie dieses in der Abbildung 2a dargestellt ist.
Der Motor/Wechselstromgenerator entsprechend der vorliegenden Erfindung kann auch derart konstruiert sein, daß der Rotor das innere Element bildet und der Stator das äußere Element, siehe Abbildungen 5a und 5b, aber diese Ausführung ist nicht so vorteilhaft wie die Konstruktion mit dem äußeren Rotor, wegen der geringeren Höchstdrehzahl, welche der Rotor gemäß Abbildung 5b auf Grund der geringeren Zugfestigkeit der Magnete aus Keramik oder aus Seltenen-Erden, verglichen mit dem becherförmigen Stahlrotor gemäß Abbildung 1b aushalten kann.
Die Konstruktion mit dem innenliegenden Rotor hat ihr Anwendungsgebiet im niedrigen bis mittleren Geschwindigkeitsbereich, da sie für die gegenwärtige Konstruktionstechnik geeignet ist, wie sie zur Herstellung kleiner Induktionsmotoren und Wechselstromgeneratoren verwendet wird.
Bei den folgenden Beispielen ist es am zweckmäßigsten, wenn die Dauermagnete auf dem Rotor angeordnet werden, so daß die elektrischen Verbindungen leicht zu den gewickelten Polen auf dem Stator geführt werden können.
Vorzugsweise wird der koaxiale Stahldraht-Stator-Gleichstrommotor von einem elektronischen Miffel kontrolliert, um einen bürstenlosen Gleichstrommotor herzustellen.

BEISPIEL 1 - Abbildungen 1a bis 1d

In diesem Beispiel ist ein koaxialer Motor oder Wechselstromgenerator dargestellt, welcher eine außen angeordnete Rotorkonstruktion aufweist, bei welcher Stabmagnete Verwendung finden. Ob die Einheit als Motor oder als Wechselstromgenerator verwendet wird, hängt von der gewünschten Anwendung ab und davon, ob ein Strom von den Statorwicklungen abgenommen wird, oder ob ein Strom zu den Statorwicklungen zugeführt wird, um die Einheit als einen Motor zu betreiben.
Vorzugsweise weist der Motor/Wechselstromgenerator 10 eine zylindrische Hülse 11 auf, welche zweckmäßigerweise in der Form eines Bechers ausgeführt ist, welcher eine Endoberfläche 12 besitzt, die an einer zentralen Welle 13 befestigt ist. Die Welle ist vorzugsweise in Lagern 14, 15 befestigt, welche im Innern eines Stators 16 angeordnet sind. Zweckmäßigerweise hat die Welle ein Ende 17 mit einer Gewindebohrung für die Verbindung mit anderen Maschinen.
Vorzugsweise ist die innere Oberfläche 20 der Hülse 11 mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Stabmagneten 27 versehen, welche mit ihren langen Achsen parallel zu der Achse des Rotors ausgerichtet sind und radial magnetisiert werden (wie in den Zeichnungen zu sehen ist). Es ist verständlich, daß die Anzahl der in dichtem Abstand angeordneten Magneten geradzahlig ist, derart, daß die Polarität der dauermagnetischen Pole wechselt, wenn man den inneren Umfang abfahrt, welcher durch diese Magnete dargestellt wird. [Dieses unterscheidet sich von den traditionellen Motorkonstruktionen, bei welchen die magnetischen Pole in weiten Abständen voneinander angeordnet sind und bei denen viel längere Wege für den Magnetfluß durch die Stahllamellen des Stators/Kerns gegeben sind].
Die Magnete sind vorzugsweise Stabmagnete aus Seltenen-Erden oder Keramik, und 20 derartiger Magnete sind in der Abbildung 1a zum Zwecke der Veranschaulichung dargestellt. Es kann jede gerade Anzahl derartiger Magnete verwendet werden, abhängig von den Konstruktionskriterien, wie zum Beispiel der Größe, dem Gewicht, dem Preis, der Verfügbarkeit und der Frequenz. Für Maschinen mittlerer Geschwindigkeit werden vorzugsweise 6 bis 30 Pole verwendet, wobei 6 - 20 dauermagnetische Pole optimale Leistungen für einen Motor ergeben, wie er in den Abbildungen 1a und 1b dargestellt ist. Durch die Anordnung der Magnete in engen Abständen um den Rotorumfang kann der Motor mit wenig Stahldraht auf dem Stator verwendet werden, und kann ebenso mit einem relativ preiswerten elektronischen Kommutierungssystem benutzt werden.
Vorzugsweise werden die Stabmagnete durch Magnete aus Seltenen-Erden oder Keramik gebildet und weisen eine hohe Feldstärke auf, welche es ihnen ermöglicht, einen höheren Magnetfluß über einen viel breiteren Luftspalt zu erzeugen, als dieses mit herkömmlichen Magneten möglich ist, aber gleichzeitig wird bevorzugt, daß die benachbarten dauermagnetischen Pole in engen Abständen voneinander angeordnet sind, um kurze Wege für den Magnetfluß zwischen benachbarten Polen zu erreichen.
Die Rotorhülse und die Endoberfläche werden vorzugsweise aus Stahl hergestellt, obwohl andere Materialien Verwendung finden könnten.
Es wird bevorzugt, daß der Rotor und der Stator durch einen verhältnismäßig breiten, zylindrischen Luftspalt 28, in der Größenordnung von 0,25mm bis 1 ,5mm und vorzugsweise 0,75mm für den zwanzigpoligen Motor/Wechselstromgenerator dieses Beispieles, voneinander getrennt sind. Dieses ermöglicht es den gewickelten Polen den Magnetfluß zu schneiden, wie es in der Abbildung 3a dargestellt ist. Der Luftspalt ist vorzugsweise geringer als die Tiefe der Magneten und sollte so groß sein, daß er die normalen technischen Spielräume und Toleranzen zuläßt.
Der Stator besitzt ein ringförmiges, im allgemeinen zylindrisches Substrat 24 aus einem Material mit geringer magnetischer Permeabilität (z. B. weniger als das zwanzigfache von Luft), umwickelt mit einer Vielzahl von Schichten aus geglühtem Stahldraht mit geringem Querschnitt. Solch ein Draht könnte etwa 1mm Durchmesser haben und in einem engen Helix auf der äußeren Oberfläche des zylindrischen Stators gewickelt sein. Mit einem derartigen Draht mit geringem Durchmesser werden eine Anzahl von Schichten aufeinander gewickelt, und in diesem Beispiel fanden drei Schichten Verwendung um eine Stahltiefe von ungefähr 3 mm zu erreichen.
Eine Vielzahl von gewickelten Pole 25 sind auf der äußersten Schicht des Stahldrahtes angebracht. Typischerweise würden die gewickelten Pole eine Dicke aufweisen, die ungefähr der der Stahldrahtschicht(en) entspricht.
Das Substrat des Stators ist vorzugsweise aus einem synthetischen Kunststoffmaterial geformt wie etwa Tufnol oder glasverstärkter Kunststoff, da dieser zu einer ausreichend festen zylindrischen Oberfläche geformt werden kann. Tufnol ist das Markenzeichen eines Produktes, welches einen Baumwollstoff und einen phenolischen Harz enthält, der maschinell bearbeitet werden kann um den Stator zu formen. Der Stahldraht und die gewickelten Pole können ebenso mit einem ähnlichen Harz überzogen werden, so daß weder der Stahldraht noch die gewickelten Pole an der Oberfläche des Stators angebracht sein könnten (obwohl sie sich dicht an der sich ergebenden Harzoberfläche befänden).
Einzelne Drähte 4 sind in einer Schniffdarstellung der Abbildung 1d schematisch dargestellt, wobei drei solche spiralenförmige Schichten Stahldraht 4 mit 1 mm Durchmesser durch die Ziffer 3 dargestellt sind, und die Gesamtheit der Stahldrahtschichten ausmachen. Drei solche Drähte (oder Bänder) 4',4",4"', sind in Abbildung 6 gezeigt, wobei die Magneten und die Drähte flach liegen. Diese Stahldrahtschichten weisen eine Achsenlänge auf, welche der Länge des Rotormagneten im wesentlichen entspricht, aber küzer als die Länge der gewickelten Pole 25 ist. Auf diese Weise sitzt der Stahldraht innerhalb eines Schlitzes, der in der Oberfläche des zylindrischen Substrates 24 maschinell hergestellt wurde.
Die Anzahl der gewickelten Pole stimmt mit der Anzahl der Dauermagnetpole innerhalb des Rotors überein. Die gewickelten Pole sind relativ oberflächlich, da sie auf oder dicht an der Oberfläche des Substrates geformt wurden (im Gegensatz zu konventionellen gewickelten Pole, welche in Schlitze, die in Stahllamellen geformt wurden, gewickelt werden). Die Tiefe der gewickelten Pole auf oder dicht an der Oberfläche des Stators ist von der Statorgröße und der benötigten Leistung des Motors abhängig. In diesem Beispiel wurde die Tiefe in der Größenordnung von 1mm bis 10mm und vorzugsweise bei etwa 3 mm liegen.
Es wird im allgemeinen zweckmäßig sein, die gewickelten Pole als Wellen- oder Schleifwicklungen auf der Oberfläche des Stators zu versehen, welche den dauermagnetischen Polen gegenüberliegt. Die Abbildung 4 zeigt zum Beispiel die Wellenwicklungen W1, W2, W3 von denen jede eine Vielzahl gewickelter Pole 201- 211, 201 A-211A, und 201 B-211 B auf der Oberfläche eines Substrates für eine Dreiphasen-Statorwicklung aufweist, wie sie bei dem Motor/Wechselstromgenerator der Abbildung 1a/1b Verwendung findet. Wie im nachfolgenden erläutert wird, wird eine Dreiphasenwicklung für die meisten Anwendungen bevorzugt, aber auch andere Phasen finden ihre Verwendung für bestimmte Anwendungen. Sie können der Luft ausgesetzt sein oder in ein Kunstharz eingekapselt sein, welches eine geringe magnetische Permeabilität aufweist.
Die gewickelten Pole können in einer Vielzahl von Formen hergestellt werden und sie können für eine oder mehrere Phasen vorgesehen werden. Sie sind schematisch in den Abbildungen 1b, 1c und 4 als Wellenwicklungen auf einem flexiblen Substrat dargestellt. Es sind jedoch in den meisten Fällen Schleifwindungen vorzuziehen, welche umgedrehte Enden aufweisen, wie in den Abbildungen 1d und 5b gezeigt wird. Die gewickelten Pole auf der Oberfläche des Stators sind derart angeordnet, daß sie die Magnetflußlinien, welche die benachbarten Keramikmagnete verbinden, schneiden, da die Flußlinien im wesentlichen eine Reihe von Schleifen von einem Magneten zum anderen bilden, wenn man am inneren Umfang des Rotors entlangfährt, Dies ist in Abbildung 3a dargestellt, welche die relative Stellung von den gewickelten Polen 25 und der weichen magnetischen Schicht 3, und die verhältnismäßig kurzen Wege des Magnetflusses zwischen benachbarten dauermagnetischen Polen auf dem Rotor veranschaulicht.

BEISPIEL 2 - Abbildungen 2a und 2b

Diese Anordnung ist der von Beispiel 1 ähnlich, mit der Ausnahme, daß ein einziger zylindrischer Ringmagnet 30 Verwendung fmdet, welcher auf der Innenseite des becherförmigen Rotors 31 angeordnet ist. Der Stator (nicht dargestellt) kann der gleiche sein, wie der in Abbildung 1d. Dieser Ringmagnet weist 8 Pole auf.

BEISPIEL 3 - Abbildung 3

Abbildung 3 zeigt den durchschnittlichen Magnetfluß zwischen dem Dauermagnetrotor 11 und jenen Teil eines Stators, welcher die Stahldrahtschichten 3 ausmacht, indem gezeigt wird, daß der Fluß im wesentlichen auf die Schicht(en) mit hoher Permeabilität, welche aus dem Stahldraht geformt wurden, beschränkt ist. Dieser Motor weist 12 magnetische Pole auf, welche in engen Abständen voneinander um den Umfang eines außenliegenden zylindrischen Rotors angeordnet sind,

BEISPIEL 4 - Abbildungen 5a & 5b

Diese Anordnung weist einen einzigen zylindrischen Ringmagneten 41 auf einem innenliegenden Rotor 40 auf, das heißt, die dauermagnetischen Pole befinden sich auf der äußeren Oberfläche des Rotors 40 und sind von den gewickelten Polen 42 auf der inneren zylindrischen Oberfläche des Stators 43 umgeben. Die gewickelten Pole 42 berühren eine Schicht 51 aus weichem magnetischem Material, welches aus geglühtem Stahlband in einer spiralenförmigen Konfiguration gewickelt wurde. Diese spiralenförmige Schicht 51 Stahlband ist in ein Niedrig-Magnet-Substrat 44 eingebettet und formt einen Teil des Stators. Der Rotor ist auf einer Welle 45 angebracht, welche in Lagern 46, 47 montiert ist, welche sich in Abschlußplatten 48,49 befinden.

BEISPIEL 5 - Abbildungen 8a & 8b

Abbildung 8a zeigt eine sechspolige Maschine, in welcher 12 Stabmagneten 27 in Paaren Verwendung finden um den Effekt von breiteren Magneten herzustellen. Dies ist der Abbildung 3 ähnlich, jedoch ohne Magnetflusswege.
Abbildung 8b zeigt die Statorspannung für unterschiedliche Rotorpositionen für nur eine Phase der dreiphasigen Statorwicklungen des Motors/Wechselstromgenerators der Abbildungen 1a bis 1c. Die in engen Abständen angeordneten magnetischen Pole erzeugen "Flachkamm" Wellen, und dies ist eine Besonderheit all der Motoren, die in den beigefügten Abbildungen beschrieben werden.

WEICHER MAGNETISCHER DRAHT - Abbildung 7

Abbildung 7 ist ein Diagramm magnetischer Koerzivität H (in Amperewindungsmeter&supmin;¹) gegen den Fluß B in Teslas für ein weiches magnetisches Material wie etwa geglühter Stahldraht. Die Bezeichnung "A" bezieht sich auf die Amperewindung, d. h. 1 Ampere in einer Windungsspule. Die entsprechenden amerikanischen Werte in Gauss und Oersteds sind ebenfalls gezeigt. [1 Tesla = 10.000 Gauss, 1A/m = 0,01257 Oe]. Es ist zu beachten, daß die Fläche innerhalb der Darstellung klein ist, d.h. das Material weist geringe Hysteresis auf.
Geglühter Stahldraht mit etwa 0,3% Kohlenstoffgehalt wurde in der Herstellung der Prototyps dieser Erfindung verwendet, da er preisgünstig und jederzeit erhältlich ist. Es können jedoch andere weiche magnetische Materialien in Form eines Drahtes oder Bandes verwendet werden. Beispiele wären Eisen; Eisenlegierungen wie etwa eine Eisen-Kobalt-Legierung, Permendur*, Supermendur*; Eisen-Silizium-Legierungen; Nickel-Eisen-Legierungen, Mumetal*, Supermumetal*, Supermalloy*, Invars*, Elinvars, Amorphe Legierungen; Stahl-Legierungen; und Ferrite. [Ein Sternchen bedeutet einen Markennamen: siehe Seiten 95-104 in Magnetism and Magnetic Materials (Magnetismus und magnetische Materialien) von J P Jakubovics, herausgegeben von dem Institute of Metals, 1987, ISBN 0-904357-95-3, welches eine wertvolle Erläuterung zu "weichen magnetischen" Materialien" einschließt]. Das Material sollte eine Permeabilität von mehr als 20 (im Verhältnis zu Luft) aufweisen und wird höchstwahrscheinlich eine Permeabilität in der Größenordnung von 100 - 1000 (im Verhältnis zu Luft) aufweisen.
Wird ein geglühter Stahldraht verwendet, so wurde die Tiefe des weichen magnetischen Materials vorzugsweise 4 bis 5 mm für die meisten Durchschnittsgeschwindigkeitsmotoren nicht überschreiten. Ein 16-Pol-Motor zum Beispiel, mit einem Statordurchmesser von 110mm, welcher mit 1500 U/min (einer Frequenz von 200 Hz) angetrieben ist, hätte 3 Schichten geglühten Stahldrahtes mit einem Durchmesser zwischen 1 und 1,6 mm, was eine Tiefe von etwa 3-5 mm magnetischen Materials ergibt. Daher ist die Tiefe des weichen magnetischen Materials in der Größenordnung von 2,7% bis 4,5% des Statordurchmessers. Da der Eisenverlust im Verhältnis zum Quadrat der Betriebsfrequenz steht, ist es zu bevorzugen, daß für Durchschniffsgeschwindigkeitsmotoren der Drahtdurchmesser nicht größer als 1,6 mm ist, um Wirbelstromverluste niedrig zu halten. Für sehr große, langsame Motoren kann ein größerer Drahtdurchmesser Verwendung finden. Eine ausreichende Drahttiefe sollte vorhanden sein, um einen guten Magnetflussweg zwischen den benachbarten Polen zu ermöglichen. Ein großer, langsamer Motor (der etwa mit 50Hz betrieben wird), könnte etwa 3 Schichten geglühten Stahldrahtes, mit einem Durchmesser bis zu 6 mm (eine Tiefe des weichen magnetischen Materials von 16,36% des Statordurchmessers) benutzen.

20-POL-ZYLINDRISCHER MOTOR

Solch ein Motor, wie in Abbildungen 1a-1c gezeigt, kann einen Statordurchmesser von 150 mm aufweisen, mit 3 spiralenförmigen Schichten Stahldraht mit 1 mm Durchmesser, was eine magnetische Schicht mit einer ungefähren Dicke von 3 mm ergibt (eine magnetische Schicht mit einer Dicke von 2% des Statordurchmessers), und mit einer gewickelten Polschicht von 3mm Dicke bedeckt ist.

2-POL-MOTOR

Im Gegensatz dazu benötigt ein 2-Pol-Motor mit ähnlichem Durchmesser eine viel dickere magnetische Schicht mit etwa 20mm Dicke; typischerweise 10 Schichten Stahldraht mit einem Durchmesser von 2mm Dicke (eine magnetische Schicht mit einer Dicke von 13,3% des Statordurchmessers). Solch ein Motor wird einen viel höheren Stahlverlust erfahren, als eine 20 Pol Maschine, es sei denn sie wird nur mit niedriger Geschwindigkeit betrieben.

MASCHINEN MIT MEHREREN POLEN

Werden Maschinen mit 6 oder mehreren Polen konstruiert, ist es möglich, eine dünne Schicht Stahldraht mit kleinem Durchmesser zu verwenden, und die Maschine bei hoher Geschwindigkeit mit relativ geringer Induktanz und geringem Stahlverlust zu betreiben. Bei höheren Polanzahlen ist die Frequenz der durch Kommutierung erzeugten elektrischen Geräusche über der Resonanzfrequenz des mechanischen Feldes der Maschine. Bei solchen Maschinen (typischerweise in der Größenordnung von 6-30 Pole), sind vorzugsweise die dauermagnetische Pole in engen Abständen um den Umfang des Rotors angeordnet, da dies die besten Wellenformen, welche mit vollelektronischen Kommutierungskreisen Verwendung finden, aufweisen. Finden jedoch Hall-Effekt Sensoren oder optische Sensoren Verwendung um die Rotorposition zu bestimmen, so mag es von Vorteil sein, Pole zu verwenden, die in weiten Abständen angeordnet sind, mit der Stahldrahtkonfiguration dieser Erfindung.
Es wird darauf hingewiesen, daß die enge spiralenförmige Wicklung der Stahldrahtschichten auf dem zylindrischen Substrat, es jedem Draht ermöglicht einer Umfangsschleife zu entsprechen. Anstelle einer spiralenförmigen Wicklung kann jede Schicht durch eine Vielzahl von Schleifen auf dem Substrat gebildet werden.

UNTERSCHIEDLICHE PHASEN

In den obengenannten Beispielen ist ein Dreiphasen-Motor/Wechselstromgenerator beschrieben, es können jedoch auch andere Phasenwicklungen Verwendung finden und insbesondere sollen nachfolgend 1-, 2- und 4-Phasen-Konfigurationen beschrieben werden.

EINPHASEN-KOAXIAL-MOTOREN/WECHSELSTROMGENERATOREN

1. Einphasen-Koaxial-Wechselstromgeneratoren bilden die einfachste Konfiguration des Stators für diese Maschine und sie können dort Verwendung finden, wo die Einfachheit ihrer Konstruktion gegenüber der absoluten Leistungsabgabe überwiegt. Das dreiphasige Äquivalent erzeugt die doppelte Leistungsabgabe bei den gleichen Widerstandsverlusten und 50% zusätzlichem Kupfer in den Statorwicklungen.
2. Einphasen-Koaxial-Motoren bilden die einfachste Konfiguration des Stators für diese Maschine, aber sie benötigen einige Hilfsmittel zum Anlassen (ähnlich wie bei Einphasen-Induktionsmotoren) und erfordern aus diesem Grunde eine zusätzliche Wicklung oder mechanische Hilfsmittel, um das Anlassen sicher zu stellen. Bereiche, bei denen ein geringes Anlaufdrehmoment erforderlich ist, das heißt, bei direkt verbundenen Ventilatoren, könnten ein Anwendungsgebiet für Einphasen Motoren sem.

ZWEIPHASEN-KOAXIAL-MOTOREN/WECHSELSTROMGENERATOREN

1. Zweiphasen-Koaxial-Wechselstromgeneratoren. Diese Maschinen erreichen einen 40 prozentigen Anstieg der Leistungsabgabe bei den gleichen Widerstandsverlusten, wie sie eine einphasige Maschine aufweist.
2. Zweiphasen-Koaxial-Motoren. Auf Grund des zweiphasigen Betriebes treten keinerlei Anlassschwierigkeiten auf. Wenn die Maschine jedoch von einer Gleichspannungsversorgung elektronisch gesteuert werden soll, kann der Wirkungsgrad gering sein, sollte eine 180 Grad Stromeinspeisung Verwendung finden. Der Zweiphasenmotor könnte elektronisch gesteuert werden, um die 180 Grad Stromeinspeisung nur für das Anlassen zu verwenden und sie dann für den normalen Laufbetrieb auf 120 Grad oder weniger zu verringern.

DREIPHASEN-KOAXIAL-MOTOREN/WECHSELSTROMGENERATOREN

1. Dreiphasen-Koaxial-Wechselstromgeneratoren. Diese Maschine erreicht einen Anstieg der Leistungsabgabe bei den gleichen Widerstandsverlusten wie sie bei einer einphasigen oder zweiphasigen Maschine auftreten. Wenn die dreiphasige Maschine die gleiche Menge an Kupfer verwendet, wie eine zweiphasige Maschine und die Statorwicklungen bei beiden Maschinen die vollen verfügbaren 360º einnehmen, kann die dreiphasige Maschine bei den gleichen Widerstandsverlusten eine um weitere 7% gesteigerte Leistungsabgabe gegenüber der zweiphasigen Maschine erzeugen (das sind 47% Anstieg gegenüber der einphasigen Maschine).
2. Dreiphasen-Koaxial-Motoren. Auf Grund des dreiphasigen Betriebes treten keinerlei Anlassschwierigkeiten auf und die Maschine kann von einer Gleichspannungsversorgung leicht elektronisch gesteuert werden. Auf Grund der 120º Einteilung beim Dreiphasen-Betrieb ist über die 120º eine ausreichende Gegen-EMK- Spannung vorhanden, um eine wirkungsvolle Stromeinspeisung von einer Gleichsstromversorgung zu ermöglichen, und diese Konstruktion gestattet eine genaue Steuerung der Rotorstellung, zum Beispiel für einen Schrittmotor.

MEHR ALS DREIPHASEN-KOAXIAL-MOTOREN/WECHSELSTROM- GENERATOREN

1. Koaxial-Motoren. Geringfügig höherer Wirkungsgrad auf Grund der realisierbaren kleineren Stromeinspeisungswinkel möglich. Der Vierphasen-Motor hat Anwendungsmöglichkeiten auf Grund der Einfachheit, mit der die Rotordrehrichtung durch elektronische Steuerung geändert werden kann.
2. Koaxial-Wechselstromgeneratoren. Keine zusätzlichen Vorteile, außer einem geringfügig höheren Wirkungsgrad und niedrigerer Brummspannung, wenn die Leistung des Wechselstromgenerators gleichgerichtet wird, um eine Gleichstromversorgung zu liefern.

VARIANTEN

Bei allen diesen Beispielen sind die gewickelten Pole auf dem einen oder dem anderen Teil, dem Rotor oder dem Stator, angeordnet und die dauermagnetischen Pole auf dem verbleibenden der beiden Teile, dem Stator oder dem Rotor, vorgesehen. Es ist jedoch möglich, andere Konfigurationen zu schaffen, zum Beispiel kann der Stahldraht an dem Stator eines Linearmotors angebracht werden oder auf dem Stator oder Rotor eines Pfannkuchenmotors. Der Rotor kann mit einem Band dauermagnetischer Pole versehen sein, dann mit einem Band gewickelter Pole und der/den damit assoziierten Stahldrahtschicht(en) (welche sich entlang seiner Länge wiederholen) und der Stator würde dann mit der entgegengesetzten Konfiguration versehen sein, derart, daß ein Band gewickelter Pole sowie eine Schicht oder mehrere Schichten Stahldraht auf dem Stator, gegenüber einem Band aus dauermagnetischen Polen auf dem Rotor angeordnet ist, und ein Band aus dauermagnetischen Polen auf dem Stator, gegenüber dem Band aus gewickelten Polen und einer Schicht oder mehreren Schichten Stahldraht auf dem Rotor angeordnet ist.
Letztendlich ist es selbstverständlich, daß vielfältige andere Veränderungen oder Modifikationen an dem Vorhergehenden gemacht werden können, ohne von dem Umfang dieser Erfindung abzuweichen, wie es in den folgenden Patentansprüchen dargelegt ist.

Claims

1. Eine rotierende, dynamoelektrische Maschine (10), bestehend aus:

einem im allgemeinen zylindrischen Stator (16), mit einer Statoroberfläche, umgeben von einem im allgemeinen zylindrischen Außenrotor (11), rotierend um eine Rotationsachse mit einer im allgemeinen zylindrischen Rotoroberfläche (20) die der besagten Statoroberfläche gegenüberliegt und durch einen im allgemeinen zylindrischen Gesamtluftspalt sich von ihr trennt;

einer Vielfalt von magnetischen Polen (27) an der besagten Rotoroberfläche die der besagten Statoroberfläche gegenüberliegt und neben dem besagten zylindrischen Gesamtluftspalt positioniert sind, indem mindestens eine Mehrheit der magnetischen Pole erheblich parallel zu der Rotationsachse auf dem Rotor positioniert sind;

dadurch gekennzeichnet daß

der besagte Stator ein im allgemeinen zylindrisches Substrat (24) aus einem ersten Material mit einer äußeren Oberfläche und eine ringförmige zylindrische Schicht (4) auf der besagten äußeren Oberfläche des besagten Substrats aufweist;

die besagte ringförmige zylindrische Schicht weist eine äußere ringförmige Oberfläche auf;

eine Vielfalt von gewickelten Polen (25) liegen übereinander auf der besagten äußeren ringförmigen Oberfläche, so daß die gewickelten Pole sich neben dem zylindrischen Gesamtluftspalt befinden und dem besagten Rotor gegenüberliegen;

die besagte ringförmige zylindrische Schicht (4) wird durch eine oder mehrere Schichten eines dehnbaren Materials geformt, wobei das besagte dehnbare Material aus einem weichen magnetischen Material besteht, mit einer magnetischen Permeabilität größer als 20; und die Dicke der ringförmigen zylindrischen Schicht (4) in der Größenordnung von 2% bis 16,3% des Statordurchmessers liegt.

2. Eine rotierende, dynamoelektrische Maschine (10), gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (16) ein Substrat (24, 44) aufweist, das aus einem im wesentlichen nicht leitenden, im wesentlichen nicht magnetischen Material geformt wird.

3. Eine rotierende, dynamoelektrische Maschine (10), gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dehnbare Material (4) in Form eines Drahtes oder Bandes (4',4",4"') mit kleinem Querschnitt im Verhältnis zu seiner Länge, ist, so daß jede ringförmige Schicht (3) von einer Vielzahl von Drehungen des besagten Drahtes oder Bandes (4',4",4"') hergestellt wird.

4. Eine rotierende, dynamoelektrische Maschine (10), gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dehnbare Material (4) aus geglühtem Stahldraht (4) besteht, der um das besagte Substrat gewickelt ist.

5. Eine rotierende, dynamoelektrische Maschine (10), gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige zylindrische Schicht (4) eine Dicke in der Größenordnung von 2% bis 13,3% des Statordurchmessers aufweist.

6. Eine rotierende, dynamoelektrische Maschine (10), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige zylindrische Schicht (4) 2% bis 12% des Durchmessers des inneren Stators beträgt.

7. Eine rotierende, dynamoelektrische Maschine (10), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten magnetischen Pole (27, 30, 41) des Rotors (11, 31), permanente magnetische Pole darstellen.

8. Eine rotierende, dynamoelektrische Maschine (10), gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige zylindrische Schicht eine Dicke zwischen 2% und 4,5% des Durchmessers des Stators aufweist.

9. Eine rotierende, dynamoelektrische Maschine (10), gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte(n) Schicht(en) (3) des Drahtes (4), die auf dem im allgemeinen zylindrischen Substrat geformt wird(werden), aus einem Draht (4) besteht, der in einer oder mehreren spiralenförmige(n) Schicht(en) umwickelt wird.

10. Eine rotierende, dynamoelektrische Maschine (10), gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der umwickelten Pole (25) mit der Anzahl der permanenten magnetischen Pole (27, 30, 41) übereinstimmt.

11. Eine rotierende, dynamoelektrische Maschine (10), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (11, 31) und der Stator (16) durch einen relativ großen zylindrischen Gesamtluftspalt (28) getrennt sind, in der Größenordnung von 0,25 mm bis 1,5 mm.