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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen mehrpolig magnetisierten zylindrischen
Dauermagneten als einen Rotor eines Dauermagnetmotors oder eines
Synchronmotors, wie Servomotoren und Spindelmotoren, und einen Dauermagnetmotor,
der unter Verwendung des Rotors zusammengebaut ist. Besonders betrifft
die Erfindung einen mehrpolig magnetisierten zylindrischen Dauermagneten
mit magnetischer Anisotropie in einer einzigen diametralen Richtung
oder in einer einzigen zur Achse des Dauermagnetkörpers senkrechten
Richtung sowie einen Dauermagnetmotor, der einen solchen als Rotor
verwendet.
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Bekanntlich
werden Dauermagnete mit magnetischer Anisotropie oder namentlich
Dauermagnete die in einer spezifischen Richtung leichter als in
den anderen Richtungen magnetisiert werden können, weithin als ein Teil
von Lautsprechern, Elektromotoren, Meßinstrumenten und anderen elektrischen
Apparaten verwendet. Ein solcher magnetisch anisotroper Dauermagnet
wird hergestellt aus einem Dauermagnetmaterial mit kristalliner
magnetischer Anisotropie, wie bestimmten harten Ferriten und Legierungen,
die seltene Erdelemente enthalten, als das Ausgangsmaterial, das
zu einem Pulver von feinen Teilchen zerkleinert wird, worauf das
Formpressen des Pulvers in einem Magnetfeld folgt, was hiernach
als "Im-Feld-Formen" bezeichnet wird, um
einen Pulverkompaktkörper
zu liefern, der dann gesintert wird. Beim Im-Feld-Formpressen des
magnetischen Pulvers sind die magnetischen Teilchen als eine Folge
des angelegten Magnetfeldes jedes relativ zur leichten Magnetisierungsachse
der Magnetkristallite orientiert, so daß der erhaltene gesinterte
Magnet auch magnetisch Anisotropie in der Richtung des Magnetfeldes
zeigt, dem das Pulver unter Druck beim Im-Feld-Formpressen unterworfen wurde.
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Die
Richtung des Magnetfeldes beim Im-Feld-Formpressen der magnetisch
anisotropen magnetischen Teilchen kann entweder senkrecht oder parallel
zur Richtung des Drucks zum Formen sein. Beispielsweise kann die
Anisotropierichtung, d. h. die am leichtesten magnetisierbare Richtung
eines aus einem Pulver einer magnetischen Legierung auf Basis seltener
Erden hergestellten zylindrischen Dauermagneten entweder parallel
zur axialen Richtung der Zylinderform oder in einer radialen Richtung
senkrecht zur Zylinderachse verlaufen. Zy lindrische seltene Erden-Dauermagneten
mit einer radialen Anisotropierichtung werden als ein Rotor in verschiedenen
Arten von Dauermagnetmotoren, wie Wechselstrom-Servomotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren
und dergleichen verwendet wegen der Vorteile, daß sie in der axialen Richtung
frei magnetisiert werden können
und kein Verstärkungsmittel
erforderlich ist, um Magneteinheiten wie beim Zusammenbau von Segmentmagneten
zusammenzusetzen. In den letzten Jahren wird weiterhin ein radial
anisotroper zylindrischer Dauermagnet mit einer größeren Höhe oder
Abmessung in der axialen Richtung gefordert im Zusammenhang mit
der Erweiterung der Anwendungsgebiete von Dauermagnetmotoren.
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Ein
zylindrischer Dauermagnet mit radialer Anisotropie wird gewöhnlich hergestellt
nach dem Verfahren des Im-Feld-Formpressens oder nach dem Verfahren
des Rückwärts-Extrusionsformen
des Magnetpulvers. Beim Im-Feld-Formpreßverfahren ist es üblich, daß das Pulver
der magnetischen Legierung in einer Metallform in der axialen Richtung
des Zylinders komprimiert wird und das unter Druck stehende Pulver
einem Magnetfeld in radialer Richtung durch Kerne von zylindrischen
Durchmessern an jedem der entgegengesetzten Enden unterworfen wird.
Demgemäß ist die
Höhe, d.
h. die Abmessung in der axialen Richtung des Zylinders eines radial
anisotropen zylindrischen Magneten durch die Abmessungen oder Form
der Kerne begrenzt, so daß ein
radial anisotroper zylindrischer Magnet mit größerer Höhe nur mit großen Schwierigkeiten
hergestellt werden kann. Dieses Verfahren ist auch nicht produktiv,
da nur ein geformter Körper
in einem einzigen Formschuß unter
Verwendung einer einzigen Formpresse erhalten werden kann. Das Verfahren
des Rückwärts-Extrusionsformens
ist auch nachteilig wegen der hohen Kosten für die Herstellung der geformten
Körper, da
das Verfahren eine große
und komplizierte und daher sehr teure Formmaschine erfordert und
die Ausbeute an brauchbaren und geformten Körpern verhältnismäßig gering ist. Diese Situation
führt natürlich zu
einem hohen Preis von Dauermagnetmotoren, die einen teuren multiradial
anisotropen zylindrischen Dauermagneten als Rotor verwenden.
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Selbst
ohne Verwendung eines multiradial anisotropen zylindrischen Dauermagneten
könnte
ein zylindrischer Magnet mit hoher Leistung als ein Rotor in einem
Dauermagnetmotor erhalten werden, wenn eine multipolare Magnetisierung
eines zylindrischen Dauermagneten mit einer genügend hohen magnetischen Flußdichte
an der Oberfläche
und mit geringer Veränderung
der magnetischen Flußdichten
zwischen den magnetischen Polen erreicht werden könnte. In
dieser Hinsicht wird ein Verfahren in The Papers of Electricity
Society, Magnetics Group MAG-85-120 (1985) vorgeschlagen, nach dem
ein zylindrischer Magnet mit magnetischer Ausrichtung in einer einzigen
Richtung senkrecht zur Zylinderachse hergestellt wird durch Verwendung einer
Im-Feld-Formpresse unter Anlegen eines Magnetfeldes in der Richtung
senkrecht zur Kompressionsrichtung, der hiernach als ein diametral
orientierter zylindrischer Dauermagnet bezeichnet wird, in einer
multipolaren Magnetisierung magnetisiert wird, so daß ein multipolarer
zylindrischer Dauermagnet für
die Verwendung als ein Rotor in einem Dauermagnetmotor erhalten
werden kann ohne Verwendung eines teuren multiradial anisotropen
Magneten.
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Der
oben erwähnte
zylindrische Dauermagnet, der in einer einzigen Richtung senkrecht
zur Zylinderachse magnetisch orientiert ist und als ein diametral
orientierter zylindrischer Magnet bezeichnet wird, kann eine größere Höhe von 50
mm oder selbst größer haben,
wenn die Abmessungen des Formhohlraums der Metallform es zulassen,
und eine mehrstufige Formmethode kann angewandt werden, so daß eine Mehrzahl
von diametral orientierten zylindrischen Magneten durch einen einzigen
Schuß von
Formpressen unter Verwendung einer Metallform mit mehreren Formhohlräumen zu
geringen Kosten erhalten werden kann. Ein solcher diametral orientierter
multipolarer zylindrischer Dauermagnet kann anstelle von teuren
multiradialen anisotropen Magneten als Rotor in Dauermagnetmotoren
verwendet werden.
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Obgleich
im Prinzip möglich
ist die Verwendung der oben erwähnten
diametral orientierten zylindrischen Dauermagnete als ein Rotor
eines Dauermagnetmotors praktisch nicht angezeigt wegen der unregelmäßigen Verteilung
der magnetischen Flußdichte
rings um die Umfangsoberfläche
des zylindrischen Dauermagneten in einer solchen Weise, daß die magnetische
Flußdichte
am Magnetpol in der Richtung der diametralen Orientierungsachse
oder in deren Nähe
hoch ist und gering ist am Magnetpol in der Richtung senkrecht zur
diametralen Orientierungsachse oder in deren Nähe, so daß das Drehmoment des mit dem
Rotor konstruierten Motors notwendigerweise ungleichmäßig rings
um die Drehachse ist, entsprechend der ungleichmäßigen Verteilung der magnetischen
Flußdichte.
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Beispielsweise
beschreibt das Patent
US 4 012
652 einen in einer Richtung laufenden selbst anlaufenden
Synchronmotor mit einem Stator mit Polzähnen von abwechselnder Polarität, wobei
die Gesamtzahl der effektiven Pole gleich der theoretischen Synchronzahl
ist und diese Pole im wesentlichen gleichmäßig zwischen den Gruppen und
einem Rotor verteilt sind, den er aus radial polarisiertem anisotropen
Ferrit haben könnte.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung hat daher als eine Hauptaufgabe, einen Dauermagnetmotor
mit einem diametral orientierten zylindrischen Dauermagneten als
Rotor ohne die oben beschriebenen Probleme und Nachteile der üblichen
Dauermagnetmotoren ähnlichen
Typs zu schaffen. Die überraschende
Entdeckung, die zu der vorliegenden Erfindung in dieser Hin sicht
führte
ist, daß ein
Hochleistungsdauermagnetmotor mit einem diametral orientierten zylindrischen
Dauermagneten als Rotor erhalten werden kann, wenn die Zahl der
Magnetpole des multipolar magnetisierten zylindrischen Dauermagnetrotors
und die Zahl der Statorzähne
des Stators eine bestimmte spezifische Beziehung zueinander haben.
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Eine
zweite Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen und verbesserten
diametral orientierten zylindrischen Dauermagnetrotor mit einer
größeren Höhe in der
axialen Richtung frei von den Begrenzungen der Höhe eines diametral orientierten
zylindrischen Dauermagnetrotors zu schaffen.
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Der
erfindungsgemäße Dauermagnetmotor
erfüllt
die oben angegebene erste Aufgabe der Erfindung durch einen Zusammenbau,
welcher aufweist:
- (a) einen Stator mit einer
Mehrzahl von Statorzähnen;
und
- (b) einen Rotor, der koaxial in den Stator eingesetzt ist und
ein monolithischer zylindrischer Dauermagnet mit magnetischer Anisotropie
in einer einzigen diametralen Richtung senkrecht zur Zylinderachse
ist und so magnetisiert ist, daß er
eine Mehrzahl von gleichmäßig rings
um den Umfang des Zylinders angeordneten Magnetpolen aufweist,
wobei
die Anzahl k der Magnetpole des Rotors eine gerade Zahl nicht über 100
und die Anzahl n der Statorzähne
gleich 3n0 ist, wobei n0 eine
positive Zahl nicht über
33 ist und k nicht gleich n ist.
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In
einer besonderen Ausführungsform
des oben definierten Dauermagnetmotors ist der diametral orientierte
zylindrische Dauermagnet als Rotor multipolar schräg magnetisiert,
wobei der Schrägwinkel
der multipolaren schrägen
Magnetpole im Bereich von einem Zehntel bis zwei Drittel von 360°/k liegt.
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In
einer weiteren besonderen Ausführungsform
des Dauermagnetmotors hat der Stator eine Mehrzahl von schrägen Statorzähnen, wobei
der Schrägwinkel
der schrägen
Statorzähne
im Bereich von einem Zehntel bis zwei Drittel von 360°/k liegt.
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Die
oben definierte Beziehung zwischen der Zahl k der multipolaren Magnetpole
des Rotors und der Zahl n der Statorzähne des Stators kann in einer
anderen Weise so definiert werden, daß die Zahl k der Magnetpole
eine gerade Zahl nicht kleiner als 4 und die Zahl n der Statorzähne gleich
3k·n0/2 ist, wobei n0 eine positive
Zahl ist.
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Die
Erfindung schafft weiter zur Erfüllung
der zweiten Aufgabe der Erfindung einen Rotor in einem Dauermagnetmotor
in Form eines zusammengesetzten zylindrischen Dauermagnetblocks,
der wenigstens eine Anordnung von wenigstens zwei oder vorzugsweise
zwei bis zehn zylindrischen Dauermagneteinheiten aufweist, die koaxial
eine auf der anderen so gestapelt sind und magnetische Anisotropien
einer einzigen diametralen Richtung senkrecht zur Zylinderachse
haben, so daß der
zusammengesetzte zylindrische Dauermagnetblock mit einer mehrpoligen
Magnetisierung magnetisiert ist und er eine Mehrzahl von gleichmäßig um den Umfang
des zylindrischen Magnetblocks verteilten magnetischen Polen aufweist.
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In
einer besonderen Ausführungsform
des oben definierten Rotors für
einen Dauermagnetmotor ist die Richtung der diametralen Orientierung
einer ersten zylindrischen Dauermagneteinheit um einen Versatzwinkel in
einer zur Zylinderachse senkrechten Ebene relativ zur Richtung der
diametralen Orientierung einer zweiten zylindrischen Dauermagneteinheit
gedreht, die der ersten zylindrischen Dauermagneteinheit benachbart
ist, wobei der Versatzwinkel gleich 180° geteilt durch die Anzahl der
koaxial aufeinander gestapelten zylindrischen Dauermagneteinheiten
ist.
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In
einer weiteren besonderen Ausführungsform
des oben definierten Rotors ist die Anzahl der Magnetpole rings
um den Umfang der zusammengesetzten zylindrischen Dauermagnetblocks
eines gerade Zahl nicht über
50 und die Anzahl der koaxial übereinander
gestapelten zylindrischen Dauermagneteinheiten ist gleich der Hälfte der
Anzahl der Magnetpole.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
des oben definierten Rotors ist der zusammengesetzte zylindrische
Dauermagnetblock so magnetisiert, daß er eine Mehrzahl von schrägen Magnetpolen
rings um den Umfang des Zylinders hat, wobei der Schrägwinkel
der schrägen
Magnetpole im Bereich von einem Zehntel bis zwei Drittel von 360° geteilt
durch die Anzahl der schrägen
Magnetpole ist.
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Figurenbeschreibung
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1A und 1B sind je ein schematischer Grundriß eines
diametral orientierten zylindrischen Dauermagneten als Rotor eines
Dauermagnetmotors unter sechs-polarer Magnetisierung in einem Magnetisierungskopf
mit der Richtung der diametralen Orientierung parallel bzw. senkrecht
zu der Richtung, die ein Paar von Erregerspulen des Magnetisierungskopfes
verbindet.
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2 ist ein Graph, der die
Verteilung der Magnetflußdichte
auf der Umfangsfläche
eines diametral orientierten zylindrischen Dauermagneten, der sechs-polar
magnetisiert ist, zeigt.
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3 ist ein schematischer
Grundriß eines
in Beispiel 1 gebauten Dreiphasen-Dauermagnetmotors bestehend aus einem
Rotor aus einem sechs-polar magnetisierten diametral orientierten
zylindrischen Dauermagneten und einem Stator mit neun Statorzähnen.
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4 ist ein Graph, welcher
die in dem in Beispiel 3 gebauten Dreiphasen-Dauermagnetmotor bei einem Lauf mit
1000 Upm induzierte Spannung als eine Funktion des elektrischen
Winkels zeigt.
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5 ist ein schematischer
Grundriß eines
in Beispiel 6 gebauten Dreiphasen-Dauermagnetmotors mit einem zehn-polar-magnetisierten
diametral orientierten Dauermagneten als Rotor und einem Stator
mit zwölf
Zähnen.
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6 ist eine perspektivische
Ansicht eines mehrstufigen zusammengesetzten Rotors bestehend aus drei
diametral orientierten zylindrischen Dauermagneteinheiten, die koaxial
in einer solchen Anordnung aufeinander gestapelt sind, daß die Richtung
der diametralen Orientierung einer Magneteinheit einen Winkel von
60° mit
der benachbarten Magneteinheit bildet.
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7 ist ein Graph, der die
in dem in Beispiel 13 gebauten Dreiphasen-Dauermagnetmotor bei Drehung
mit 1000 Upm induzierte Spannung als eine Funktion des elektrischen
Winkels zeigt.
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8 ist eine perspektivische
Ansicht eines mehrstufigen zusammengesetzten Rotors aus sechs diametral
orientierten zylindrischen Dauermagneteinheiten, die in einer solchen
Anordnung aufeinander gestapelt sind, daß die Richtung der diametralen
Orientierung einer Magneteinheit ein Winkel von 120° mit der
der benachbarten Magneteinheit bildet.
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Genaue Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen
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Im
folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung
in Einzelheiten anhand von Beispielen mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben. Obgleich die folgende Beschreibung nur Fälle betrifft,
wo der zylindrische Dauermagnet mit magnetischer Anisotropie in
einer einzigen diametralen Richtung ein Dauermagnet auf der Basis
Neodym/Eisen/Bor ist, welcher zu einer besonders vielversprechenden
Klasse von Dauermagneten auf Basis seltener Erden gehört, ist
der Umfang der Erfindung keineswegs auf eine spezielle Klasse von
Magneten begrenzt, sondern die Prinzipien der vorliegenden Erfindung
sind auf jede Klasse von Dauermagneten anwendbar, vorausgesetzt
daß der
Magnet aus einer magnetischen Legierung mit kristalliner magnetischer
Anisotropie hergestellt ist.
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1A der beigefügten Zeichnung
ist ein schematischer Grundriß eines
diametral orientierten zylindrischen oder ringförmigen Dauermagneten 1 unter
sechs-polarer Magnetisierung in einem Magnetisierungskopf 10.
Die Richtung der Orientierung des diametral orientierten Dauermagneten 1 ist
durch den doppelseitigen Pfeil angegeben. Der Magnetisierungskopf 10 hat
sechs magnetische Polzähne 11, 11 und
sechs Erregerspulen 12, 12, durch welche der diametral
orientierte zylindrische Magnet 1 sechs-polar magnetisiert
wird, so daß er
drei N-Pole und drei S-Pole hat, als ob der zylindrische Magnet
eine Anordnung von sechs imaginären Sektormagneten
A, B, C, D, E und F wäre.
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2 ist ein Graph, der die
Verteilung der Magnetflußdichte
an und rings um die Umfangsfläche
eines diametral orientierten zylindrischen Dauermagneten 1 aus
einer Neodym/Eisen/Bor-Legierung zeigt, der unter Verwendung des
in 1A gezeigten Magnetisierungskopfes 10 magnetisiert
ist, so daß er
sechs gleichmäßig angeordnete
Magnetpole hat. Dieser Graph wurde erhalten durch Messen der Magnetflußdichte
an und rings um die Umfangsfläche
des zylindrischen Dauermagneten 1 beginnend vom imaginären Sektor
A und weiter um die imaginären
Sektoren B, C, D, E und F in dieser Reihenfolge herumgehend.
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Wie
in 2 gezeigt, hat die
Kurve Maximum-Punkte, die den entsprechenden imaginären Sektoren A
bis F entsprechen, jedoch sind die Maximalwerte der Magnetflußdichte
für die
imaginären
Sektoren B, C, E und F, die neben oder in der Nähe der Richtung der in 1A durch den doppelseitigen
Pfeil angegebenen diametralen Orientierung des zylindrischen Magneten 1 liegen,
jede viel größer als
die maximalen Werte für die
imaginären
Sektoren A und D, die von der Richtung der diametralen Orientierung
des Magneten 1 entfernt sind. Außerdem haben die Spitzen B,
C, E und F je eine viel größere Breite
als die Spitzen A und D trotz der Verwendung eines Magnetisierungskopfes
mit gleichmäßig angeordneten
Erregerspulen 12, 12, der damit ein gleichmäßig verteiltes
Magnetisierungsfeld liefert. Der diametral orientierte zylindrische
Dauermagnet 1 mit einer sechs-polaren Magnetisierung hat
sechs Magnetpole, nämlich
vier Pole B, C, E und F, die jeder einen großen Gesamtmagnetfluß liefern,
und zwei Pole A und D, die jeder einen kleinen Gesamtmagnetfluß liefern.
Es ist klar, daß eine
solche Ungleichmäßigkeit
in der Verteilung der Magnetflußdichte
rings um den zylindrischen Dauermagneten 1 bei dessen Verwendung
als Rotor in einem Dauermagnetmotor zu einer Ungleichmäßigkeit des
Drehmoments an der Welle des Motors führt und somit keine gleichmäßige Drehung
der Motorwelle gewährleistet.
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3 ist ein schematischer
Grundriß eines
Dreiphasen-Dauermagnetmotors 20 mit neun Statorzähnen 21, 21 in
drei Gruppen α, β, γ, welche
den jeweiligen Phasen U, V und W der Drei-Phasen-Stromleitung entsprechen
und in dieser Reihenfolge im Uhrzeigersinn auf der Figur rings um
den Rotor 1 angeordnet sind, der ein diametral orientierter
zylindrischer Dauermagnet mit einer Richtung der magnetischen Orientierung
ist, die durch den doppelseitigen Pfeil angegeben ist, und so magnetisiert
ist, daß er
sechs Magnetpole hat, in der in 1A gezeigten
Weise. Die Wicklungen an den Statorzähnen sind um die Statorzähne 21, 21 gewickelt und
gemeinsam mit den jeweiligen Phasen der zum Motor führenden
Stromzulei tung verbunden. Wenn ein elektrischer Strom durch die
Spulen 22, 22 fließt, wird ein magnetisches Feld
durch die Spulen 22, 22 erzeugt, so daß der Rotor 1 in
Folge der magnetischen Abstoßung
und Anziehung zwischen dem von den Spulen 22, 22 erzeugten
Magnetfeld und dem zylindrischen Dauermagneten 1 gedreht
wird. Jeder der Bereiche U-V, V-W und W-U bedeckt in Umfangsrichtung
ein Drittel der gesamten Statorzähne 21, 21,
und wenn ein elektrischer Strom durch U-V fließt, wird ein Magnetfeld von α des Statorkerns
erzeugt. Ähnlich
wird ein Magnetfeld von β und
von γ mittels
V-W bzw. W-U erzeugt.
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3 zeigt solche relativen
Stellungen des Stators und des Rotors, daß U-V (α) in einer Stellung gegenüber den
jeweiligen Zentren der Magnetpole B, D und F des zylindrischen Magneten 1 ist,
wodurch ein Drehmoment durch Wechselwirkung mit U-V (α) erzeugt
wird. Die Magnetpole B und F sind jeder in der Nähe der Richtung der diametralen
Orientierung des zylindrischen Magneten 1, die durch den
doppelseitigen Pfeil angegeben ist, so daß die Magnetflußdichte
bei diesen größer ist
als am Magnetpol D, der von der Richtung der diametralen Orientierung
des zylindrischen Magneten 1 entfernt ist. Da die Anzahl
der Statorzähne 21, 21, d.
h. neun, 3/2 mal der Anzahl der Magnetpole, d. h. sechs im Rotor 1 beträgt, ist
jedoch der Magnetfluß,
der mit den Spulen 22, 22 von U-V (α) als Gesamtbeitrag
der Magnetpole F, B und D zusammenhängt, stets gleich dem der Magnetpole
E, A und C. Diese Beziehung gilt auch für V-W (β) und U-V (γ). Diese Situation bedeutet, daß wenn ein
Dauermagnetrotor mit k Magnetpolen, wobei k in diesem Fall sechs
ist, mit einem Stator mit n Statorzähnen (n = 3k·n0/2 = 9, wobei n eine positive Zahl und in
diesem Fall eins ist) kombiniert wird, ein Motor ohne ungleichmäßiges Drehmoment
erhalten werden kann, selbst wenn der Rotor aus einem diametral
orientierten zylindrischen Dauermagneten gebildet ist, dessen Magnetflußdichte
an der Fläche
unvermeidbar ungleichmäßig mit
einer höheren
Dichte in der Nähe
der Richtung der diametralen magnetischen Orientierung als in der
Richtung senkrecht zu der diametralen magnetischen Orientierung
ist in Folge des Ausgleichs der Ungleichmäßigkeit der Magnetflußdichte.
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Der
oben beschriebene Vorteil der Gleichmäßigkeit des Drehmoments eines
Dreiphasen-Dauermagnetmotors kann für irgendeine Kombination eines
zylindrischen Dauermagneten mit k-polarer Magnetisierung als Rotor
und einem Stator erhalten werden, vorausgesetzt, daß die Zahl
n der Statorzähne
gleich 3k·n0/2 ist. So können Dauermagnetmotoren mit
ausgezeichneter Leistung ohne ungleichmäßiges Drehmoment zu geringen
Kosten hergestellt werden durch Verwendung eines billigen diametral
orientierten zylindrischen Dauermagneten, der geeignet ist für Massenproduktion
durch Verwendung einer Im-Feld-Formpresse mit vertikalem Feld.
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Ein
diametral orientierter zylindrischer Dauermagnet, der multipolar
magnetisiert ist, hat niedrige Magnetisierbarkeit und magnetische
Eigenschaften in der Nähe
jedes Magnetpols im Vergleich mit einem multiradial anisotropem
Ringmagnet, um eine glatte Veränderung
in der Magnetflußdichte
zwischen den Magnetpolen zu gewährleisten,
so daß das
Versatzmoment (cogging) des Motors klein ist. Das Versatzmoment
kann weiter herabgesetzt werden, wenn der zylindrische Dauermagnet
schräg
magnetisiert ist, oder der Stator schräge Statorzähne hat. Der Schrägwinkel
liegt vorzugsweise im Bereich von einem Zehntel bis zwei Drittel des
von einem einzelnen Magnetpol des zylindrischen Magneten überstrichenen
Winkels, d. h. 360°/k.
Wenn der Schrägwinkel
zu klein ist, kann das Versatzmoment durch die Schrägmagnetisierung
des Rotormagneten nicht wesentlich verringert werden, und wenn der
Schrägwinkel
zu groß ist,
folgt daraus eine zu große
Verringerung des Drehmoments des Motors.
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In
einer alternativen Definition liefert die vorliegende Erfindung
einen Dauermagnetmotor, der als einen Zusammenbau aufweist:
- (a) einen Stator mit einer Mehrzahl von Statorzähnen; und
- (b) einen Rotor, der koaxial in den Stator eingesetzt ist und
der ein monolithischer zylindrischer Dauermagnet mit magnetischer
Anisotropie in einer einzigen diametralen Richtung senkrecht zur
Zylinderachse ist und so magnetisiert ist, daß er eine Mehrzahl von gleichmäßig rund
um den Umfang des Zylinders verteilten Magnetpolen aufweist,
worin
die Zahl k der Magnetpole des Rotors eine gerade Zahl nicht über 100
und die Zahl n der Statorzähne gleich
3n0 ist, wobei n0 eine
positive Zahl nicht über
33 ist und k nicht gleich n ist.
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Wenn
ein Dauermagnetmotor die oben angegebenen Bedingungen für den Rotor
und Stator erfüllt, wird
in jeder der Phasen ein Magnetpol mit einer niedrigen Magnetflußdichte
mit einem Magnetpol mit einer hohen Magnetflußdichte kombiniert, was zu
einer glatten Verteilung des Gesamtmagnetflusses als ein Durchschnitt
führt,
um eine Gleichmäßigkeit
im Drehmoment des Motors zu gewährleisten.
Demgemäß können Hochleistungs-Synchron-Dauermagnetmotoren
mit kleiner Drehmomentwelligkeit mit geringen Kosten durch Verwendung
eines billigen diametral orientierten zylindrischen Dauermagneten
als Rotor hergestellt werden.
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In
diesem Fall steht auch zur Wahl, daß der diametral orientierte
zylindrische Dauermagnet als Rotor in einer Schrägmagnetisierung magnetisiert
wird und daß der
Stator schräge Statorzähne mit
einem Schrägwinkel
im Bereich von einem Zehntel bis zwei Drittel von 360°/k hat, d.
h. 360° geteilt
durch die Anzahl der Magnetpole.
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In
Verbindung mit dem zweiten Ziel der Erfindung schafft die Erfindung
einen Rotor in einem Dauermagnetmotor in Form eines zusammengesetzten
zylindrischen Permanentmagnetblocks mit einer größeren Höhe, der wenigstens einen Zusammenbau
von wenigstens zwei oder vorzugsweise 2 bis 10 zylindrischen Dauermagneteinheiten
aufweist, die koaxial aufeinandergestapelt sind und jede magnetische
Anisotropie in einer einzigen diametralen Richtung senkrecht zur
Zylinderachse haben, wobei der zusammengesetzte zylindrische Dauermagnetblock
mehrpolar so magnetisiert ist, daß er eine Mehrzahl von magnetischen
Polen rings um den Umfang des zylindrischen Blocks aufweist.
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Besonders
wird der oben definierte zusammengesetzte zylindrische Dauermagnetblock
mit einer größeren Höhe als ein
Rotor in einem Dauermagnetmotor in einer solchen Weise zusammengebaut,
daß die
Richtung der diametralen magnetischen Orientierung einer ersten
zylindrischen Dauermagneteinheit in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse
relativ zur Richtung der diametralen magnetischen Orientierung einer
zweiten, der ersten benachbarten zylindrischen Dauermagneteinheit
um einen Winkel von 180° geteilt
durch die Anzahl der aufeinandergestapelten zylindrischen Dauermagneteinheiten
versetzt ist, wobei angenommen ist, daß die zylindrischen Dauermagneteinheiten
jede im wesentlichen die gleiche axiale Abmessung oder Höhe haben.
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Wie
oben beschrieben, ist der Rotor in einem erfindungsgemäßen Dauermagnetmotor
zur Erfüllung des
zweiten Ziels der Erfindung ein zusammengesetzter zylindrischer
Dauermagnetblock, der aus einem Zusammenbau von wenigstens zwei
zylindrischen Dauermagneteinheiten besteht, die jede eine diametrale
Orientierung haben und koaxial aufeinandergestapelt sind, und ist
als ein Block in einer mehrpolaren Magnetisierung magnetisiert.
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In
der Mehrzahl der zylindrischen Dauermagneteinheiten, die koaxial
aufeinandergestapelt sind, um einen zusammengesetzten Magnetblock
zu bilden, kann die Beziehung zwischen der Richtung der diametralen
Orientierung und der Richtung der mehrpoligen Magnetisierung einer
Magneteinheit verschieden von der der anderen Magneteinheiten sein.
Wenn man eine sechspolare Magnetisierung als ein Beispiel nimmt,
kann eine der Magneteinheiten in der in 1A gezeigten Weise magnetisiert sein,
wo die Richtung der diametralen Orientierung eine Magneteinheit 1,
durch den doppelseitigen Pfeil angezeigt, mit der Richtung zusammenfällt, die
ein Paar von gegenüberliegenden
Magnetisierungsspulen 12, 12 des Magnetisierungskopfes 10 verbindet. Die
Verteilung der Magnetflußdichte
auf der Oberfläche
der in 1A gezeigten
sechspolar magnetisierten Magneteinheit 1 ist in 2 graphisch gezeigt.
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Andererseits
kann eine andere Magneteinheit 1 sechspolar magnetisiert
sein, wie in 1B gezeigt, wo
die Richtung der diametralen Orientierung des Magneten 1 senkrecht
zu der Richtung ist, die ein Paar von gegenüberliegenden Magnetisierungsspulen 12, 12 des
Magnetisierungskopfes 10 verbindet. In diesem Fall ist
die Magnetflußdichte
hoch an den Magnetpolen A und D in der Richtung der diametralen
Orientierung des Magneten 1 oder in deren Nähe, während die
Magnetflußdichte
klein ist an den Magnetpolen B, C, E und F, die von der Richtung
der diametralen Orientierung des Magneten 1 in 1B entfernt sind.
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Wenn
ein diametral orientierter zylindrischer Dauermagnet in einer zur
Zylinderachse senkrechten Ebene in zwei gleiche Magneteinheiten
unterteilt wird und diese koaxial in einer solchen Anordnung aufeinandergestapelt
werden, daß die
diametrale Orientierung in der zweiten Magneteinheit einen wechselnden
Versatzwinkel θ um
bis zu 90° bezüglich der
Richtung der diametralen Orientierung der ersten Magneteinheit bildet und
der Stapel der zwei Magneteinheiten als ein Block sechspolar in
einer solchen Anordnung magnetisiert wird, daß die Richtung der diametralen
Orientierung der ersten Magneteinheit mit der Richtung übereinstimmt, die
ein Paar von entgegengesetzten Magnetisierungsspulen verbindet,
wie in 1A gezeigt, wird
der Gesamtmagnetfluß an
den Magnetpolen A und D gesteigert, während der Gesamtmagnetfluß an den
Magnetpolen B, C, E und F entsprechend der Erhöhung des Versatzwinkels θ zwischen
den zwei Magneteinheiten verringert wird.
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Die
obige Beschreibung legt eine Möglichkeit
nahe, einen Dauermagnetmotor mit verbesserter Gleichmäßigkeit
des Drehmoments mit verringerter Veränderung in der Verteilung der
Magnetflußdichte
zu erhalten, indem als Rotor ein zusammengesetzter zylindrischer
Dauermagnetblock verwendet wird, der wenigstens eine Anordnung von
zwei oder mehr zylindrischen Magneteinheiten enthält, die
durch Trennung eines diametral orientierten zylindrischen Dauermagnetblocks
längs der
axialen Richtung in einer Mehrzahl von Magneteinheiten erhalten
wurde, die koaxial aufeinandergestapelt und als ein Block mehrpolig
magnetisiert wurden. Es werden nämlich
zwei oder mehr der oben erwähnten
geteilten Magneteinheiten koaxial aufeinandergestapelt mit einem
bestimmten Versatzwinkel θ relativ
zu den anderen Magneteinheiten, so daß die Unterschiede in den Magnetflußdichten
zwischen der Richtung der diametralen Orientierung und der zu dieser
diametralen Orientierung senkrechten Richtung gleichmäßig gestaltet
werden kann und die Veränderung
der Magnetflußdichte
zwischen den Magnetpolen stark verringert werden kann. Wenn die
Anzahl der zylindrischen Dauermagneteinheiten gleich p ist, wobei
angenommen ist, daß die
jeweiligen Magneteinheiten die gleiche axiale Abmessung oder Höhe haben,
sollte der Versatzwinkel θ einer
Magneteinheit 180°/p
sein, um die Ausgleichswirkung auf die Verteilung der Magnetflußdichte
zu maximieren.
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Bezüglich der
oben erwähnten
Bedingung, daß der
Versatzwinkel gleich 180° geteilt
durch die Anzahl der aufeinandergestapelten Magneteinheiten ist,
sei bemerkt, daß die
Zahl p nicht stets die Gesamtzahl der Magneteinheiten bedeutet.
Es kann nämlich
ein zylindrischer Magnetblock, der aus insgesamt sechs Magneteinheiten
besteht, eine koaxiale Tandemkombination von zwei zylindrischen
Basismagnetblöcken
von je drei Magneteinheiten sein, wobei jeder zylindrische Basismagnetblock
aus drei Magneteinheiten besteht und die oben angegebene Bedingung
für den
Versatzwinkel erfüllt.
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Um
die Zuteilung der Richtungen der diametralen Orientierung zu den
Magnetpolen so gleichmäßig wie
möglich
zu erfüllen,
ist es weiterhin bevorzugt, daß die
Zahl der aufeinandergestapelten Magneteinheiten gleich der Hälfte der
Zahl der durch die mehrpolige Magnetisierung gebildeten Magnetpole
ist. Wenn diese Bedingung erfüllt
ist, können
die Anteile eines verhältnismäßig starken
Magnetfeldes in den Richtungen der diametralen Orientierung die
Anteile eines verhältnismäßig schwachen
Magnetflusses in den Richtungen senkrecht zur Richtung der diametralen
Orientierung den jeweiligen Magnetpolen gleichmäßig zugeteilt werden, und die
Gesamtmagnetflüsse
an den jeweiligen Magnetpolen nach der mehrpoligen Magnetisierung
können auf
gleiche Höhe
gebracht werden, vorausgesetzt, daß der Versatzwinkel θ einer Magneteinheit
relativ zur benachbarten Magneteinheit gleich 180° geteilt
durch die Anzahl der Magneteinheiten ist.
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Die
Anzahl k der Magnetpole in der mehrpoligen Magnetisierung des zusammengesetzten
zylindrischen Dauermagnetblocks sollte vorzugsweise 50 nicht übersteigen,
denn wenn die Zahl der Magnetpole zu groß ist, ist die Spanne für jeden
Magnetpol notwendigerweise so klein, daß eine volle Magnetisierung
des zusammengesetzten Magnetblocks kaum erreicht werden kann. Weiterhin
sollte die Zahl p der aufeinandergestapelten zylindrischen Magneteinheiten 10 nicht übersteigen,
im Hinblick auf den Kostenanstieg, wenn die Zahl der Magneteinheiten
zu groß ist.
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Es
besteht selbstverständlich
bei diesem zusammengesetzten zylindrischen Dauermagnetblock, der aus
einer Mehrzahl von Magneteinheiten besteht, wahlweise die Möglichkeit,
daß die
mehrpolige Magnetisierung für
Schrägmagnetisierung
durchgeführt
wird, und der Dauermagnetmotor mit dem zusammengesetzten zylindrischen
Dauermagnetblock als Rotor einen Stator mit schrägen Statorzähnen hat, um das von haus aus kleine
Versatzdrehmoment des Motors weiter zu verringern. Der Schrägwinkel
der mehrpoligen Magnetisierung des Ro tormagneten und der Schrägwinkel
der schrägen
Statorzähne
sollten jeder im Bereich von einem Zehntel bis zwei Drittel von
360° geteilt
durch die Anzahl k der Magnetpole liegen.
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Im
folgenden wir die Erfindung mit weiteren Einzelheiten anhand von
Beispielen und Vergleichsbeispielen beschrieben, die sich weiter
auf die beigefügte
Zeichnung beziehen, jedoch den Rahmen der Erfindung in keiner Weise
beschränken.
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Beispiel 1
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Eine
magnetische Legierung auf Basis seltener Erden in Form eines Barrens,
die eine chemische Zusammensetzung entsprechend der Formel Nd30,0Dy3,0Fe62,0Co3,0B1,0Al0,4Cu0,4Si0,2 hat, wobei
die Zahlen die Gewichtsprozente der jeweiligen Elemente angeben,
wurde hergestellt, indem man in einem Vakuumschmelzofen jeweils
eine bestimmte Menge in metallischer oder elementarer Form von Neodym,
Dysprosium, Eisen, Kobalt, Aluminium, Silizium und Kupfer je mit
einer Reinheit von 99,7 Gew.-% und elementarem Bor mit einer Reinheit von
99,5 Gew.-% zusammen schmolz und die Schmelze anschließend in
eine Metallform goß.
Der durch Abkühlen
der Schmelze erhaltene Barren wurde zuerst in einem Backenbrecher
zerkleinert und dann in einer Strahlmühle mit Stickstoffgas als das
Strahlgas zu einem Pulver von Teilchen mit einer durchschnittlichen Korngröße von 3,5 μm pulverisiert.
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Das
Magnetpulver wurde in einen Pulverpreßling von zylindrischer oder
Ringform unter einem Formdruck von 1,0 ton/cm2 bei
Anlegen eines Magnetfeldes von 12 kOe in der zur Kompressionsrichtung,
d. h. zur Achse der zylindrischen Form senkrechten Richtung formgepreßt. Der
so erhaltene Pulverpreßling
wurde einer sinternden Wärmebehandlung
in einer Atmosphäre
von Argon-Gas bei einer Temperatur von 1090°C während 1 Stunde und dann einer
Alterungsbehandlung bei einer Temperatur von 580°C während 1 Stunde unterworfen,
gefolgt von maschineller Bearbeitung, um einen diametral orientierten
gesinterten Magnetkörper
von Ringform mit einem Außendurchmesser
von 30 mm, Innendurchmesser von 25 mm und Höhe 30 mm zu erhalten.
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Getrennt
wurde ein Referenzmagnet in der Form eines zylindrischen Blocks
aus dem gleichen Magnetlegierungspulver wie oben verwendet und unter
den gleichen Bedingungen für
Formen und Wärmebehandlungen
wie bei der Herstellung des oben erhaltenen ringförmigen Magneten
hergestellt. Dieser Referenzmagnet hatte magnetische Eigenschaften
von unter anderem Br von 13,0 kG, iHc von 15 kOe und (BH)max 40 MGOe.
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Der
oben hergestellte diametral orientierte ringförmige Dauermagnet wurde der
sechspolaren Magnetisierung unterworfen durch Verwendung eines Magnetisierungskopfes
in der in 1A gezeigten
Weise. Ein Dreiphasen-Dauermagnetmotor wurde als Testmotor gebaut,
wie in 3 in einem schematischen
Grundriß gezeigt,
indem der sechspolar magnetisierte ringförmige Magnet 1 als
Rotor in einen Stator 20 mit der gleichen Höhe wie der
Rotor 1 eingesetzt wurde, der mit neun Statorzähnen 21, 21 und
neun Motorspulen 22, 22 versehen war. Eine Motorwelle 2 aus
einem ferromagnetischen Material wurde eingesetzt in den ringförmigen Rotor 1 und
dort befestigt. Jeder der Statorzähne wurde mit 100 Windungen
eines feinen Kupferdrahts gewickelt.
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Die
magnetische Flußdichte
zwischen den jeweiligen Phasen U, V und W wurde gemessen unter Verwendung
eines Magnetflußmeßgeräts. Die
Werte des Magnetflusses mit sechs Spitzen bei einer Umdrehung des
Rotors 1 sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt.
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Vergleichsbeispiel 1
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Das
Versuchsverfahren war im wesentlichen das gleiche wie im oben beschriebenen
Beispiel 1, außer daß die 100
Windungen des feinen Kupferdrahts nur an einem der neun Statorzähne 21, 21 des
Stators 20 vorhanden waren. Die durch die Messung mit einem
Flußmeßgerät bestimmten
Werte des Magnetflusses für die
sechs Spitzen sind ebenfalls in der folgenden Tabelle 1 angegeben.
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Aus
den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen ist erkenntlich, daß die Werte
des Magnetflusses (Absolutwert) in Beispiel 1 in einem sehr engen
Bereich von weniger als ±1%
schwanken, während
der größte Wert im
Vergleichsbeispiel 1 etwa dreimal größer als der kleinste Wert ist.
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-
Beispiel 2
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Messungen
wurden durchgeführt
für die
induzierte Spannung, wenn der Rotor 1 des in Beispiel 1
als Testmotor gebauten Dreiphasen-Dauermagnetmotors mit 1000 Upm
angetrieben wurde, und auch für
die Drehmomentschwankungen, die durch Verwendung einer Bela stungszelle
bestimmt wurden, wenn der Rotor 1 mit 1 bis 5 Upm gedreht
wurde. Die Ergebnisse waren, daß der
Maximalwert der induzierten Spannung 50 Volt betrug und der Unterschied
zwischen dem größten und
kleinsten Wert der Drehmomentschwankungen 0,077 Nm war, was zeigt,
daß dieser
Testmotor geeignet war zur praktischen Verwendung im Hinblick auf
die große
induzierte Spannung und die kleinen Drehmomentschwankungen.
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Beispiel 3
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Ein
Dreiphasen-Dauermagnet-Testmotor wurde in der gleichen Weise wie
in Beispiel 1 gebaut, außer daß der diametral
orientierte zylindrische Dauermagnet als Rotor 1 sechspolar
schrägmagnetisiert
war mit einem Schrägwinkel
von 20°,
was ein Drittel des von einem einzigen Magnetpol überstrichenen
Winkels von 60° ist.
Der Maximalwert der induzierten Spannung betrug 48 Volt, was vergleichbar
war mit dem Wert 50 Volt in Beispiel 2, und der Unterschied zwischen
dem größten und
kleinsten Wert der Drehmomentschwankungen war 0,021 Nm, was viel
kleiner war als der Wert von 0,077 Nm in Beispiel 2.
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4 der beigefügten Zeichnung
zeigt die induzierte Spannung als eine Funktion des elektrischen Winkels
durch die drei Kurven a, b und c für die U-V-, V-W- bzw. W-U-Phasen
in 3. Aus 4 ergibt sich klar, daß die induzierte
Spannung eine glatte und regelmäßige Sinuskurve
ohne Unebenheit oder Unregelmäßigkeit
zeigt.
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Beispiel 4
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Ein
Dreiphasen-Dauermagnet-Testmotor wurde in der gleichen Weise wie
in Beispiel 1 gebaut, außer, daß der diametral
orientierte zylindrische Dauermagnet als Rotor 1 sechspolar
schrägmagnetisiert
war mit einem Schrägwinkel
von 50°,
was fünf
Sechstel des von einem einzigen Magnetpol überstrichenen Winkels von 60° war. Der
Maximalwert der induzierten Spannung betrug 7 Volt, jedoch war der
Unterschied zwischen dem größten und
kleinsten Wert der Drehmomentschwankungen 0,017 Nm, was viel kleiner
war als der Wert in Beispiel 2 bei nicht-schräger mehrpolarer Magnetisierung.
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Beispiel 5
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Ein
Dreiphasen-Dauermagnet-Testmotor wurde in der gleichen Weise wie
in Beispiel 1 gebaut, außer, daß der Stator 20 neun
schräge
Statorzähne 21 mit
einem Schrägwinkel
von 20° hatte,
was ein Drittel des Winkels von 60° ist, der von einem einzigen
Magnetpol des sechspolar magnetisierten diametral orientierten Dauermagneten 1 als
Rotor überstrichen
wird. Der Maximalwert der induzierten Spannung betrug 48 V, was
vergleichbar war mit dem Wert von 50 Volt in Beispiel 2, und der
Unterschied zwischen dem größten und
kleinsten Wert der Drehmomentschwankungen war 0,025 Nm, was viel
kleiner war als der Wert von 0,077 Nm in Beispiel 2 mit nicht schrägen Statorzähnen.
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Beispiel 6
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Ein
diametral orientierter zylindrischer Dauermagnet mit den gleichen
Abmessungen wie in Beispiel 1 wurde in genau der gleichen Weise
wie in Beispiel 1 hergestellt. Dieser diametral orientierte zylindrische
Magnet 1 wurde in zehnpolarer Magnetisierung magnetisiert
und wie in 5 in einem
schematischen Grundriß gezeigt,
in einen Stator 30 mit zwölf Statorzähnen 32 und zwölf Motorspulen 33 eingebaut,
die je 100 Windungen von Kupferdraht hatten, um einen Dreiphasen-Dauermagnet-Motor
zu bilden.
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Die
folgende Tabelle 2 zeigt den Magnetfluß zwischen den jeweiligen Phasen
U-V, V-W und W-U
in diesem Testmotor, wie sie unter Verwendung eines Flußmeßgeräts bestimmt
wurden. Diese Tabelle läßt erkennen,
daß die
Absolutwerte des Magnetflusses im Bereich von 15,2 bis 16,9 kMx
lagen mit ganz geringen Schwankungen und, daß die Schwankung des Magnetflusses
zwischen den Magnetpolen durch Einbau des Rotors in einen Motor
voll geglättet
werden konnten.
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Messungen
wurden durchgeführt
für die
induzierte Spannung, wenn der Rotor 31 des Dreiphasen-Dauermagnet-Testmotors,
wie oben gebaut, mit 1000 Upm gedreht wurde und auch für die Drehmomentschwankungen,
die durch Verwendung einer Belastungszelle bestimmt wurden, wenn
der Rotor 31 mit 1 bis 5 Upm gedreht wurde. Die Ergebnisse
waren, daß der
Maximalwert der induzierten Spannung 40 Volt betrug und der Unterschied
zwischen dem größten und
kleinsten Wert der Drehmomentschwankungen 0,080 Nm war, was zeigt,
daß dieser
Testmotor zur praktischen Verwendung hinsichtlich der großen induzierten
Spannung und kleinen Drehmomentschwankungen verwendbar war.
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Beispiel 7
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Ein
Dreiphasen-Dauermagnet-Testmotor wurde in der gleichen Weise wie
in Beispiel 6 gebaut, außer daß der diametral
orientierte zylindrische Dauermagnet als der Rotor 31 zehnpolar
schrägmagnetisiert
war mit einem Schrägwinkel
von 12°,
was ein Drittel des Winkels von 36° ist, der von einem einzigen
Magnetpol überspannt
wird. Der Maximalwert der induzierten Spannung betrug 38 Volt, was
etwa der gleiche Wert ist, wie der entsprechende Wert in Beispiel
6, und der Unterschied zwischen dem größten und kleinsten Wert der
Drehmomentschwankungen war 0,021 Nm, was viel kleiner war als der
Wert von 0,080 Nm in Beispiel 6 mit nicht schrägen Magnetpolen.
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Beispiel 8
-
Ein
Dreiphasen-Dauermagnet-Testmotor wurde in der gleichen Weise wie
in Beispiel 6 gebaut, außer, daß der Stator 30 zwölf schräge Statorzähne 32 mit
einem Schrägwinkel
von 12° hatte,
was ein Drittel des Winkels von 36° ist, die von einem einzigen
Magnetpol des zehnpolar magnetisierten diametral orientierten Dauermagneten 31 als
Rotor überspannt
werden. Der Maximalwert der induzierten Spannung betrug 38 Volt,
was nur geringfügig
kleiner ist als der Wert 40 Volt in Beispiel 6, und der Unterschied
zwischen dem größten und kleinsten
Wert der Drehmomentschwankungen war 0,025 Nm, was viel kleiner ist
als der Wert von 0080 Nm in Beispiel 6 mit nicht schrägem Stator 10.
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Beispiel 9
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Ein
Dreiphasen-Dauermagnet-Testmotor wurde in der gleichen Weise wie
in Beispiel 6 gebaut, außer, daß der diametral
orientierte zylindrische Dauermagnet als Rotor 31 zehnpolar
schräg
magnetisiert war, mit einem Schrägwinkel
von 30°,
was fünf
Sechstel des Winkels von 36° ist,
der von einem einzigen Magnetpol überspannt wird. Der Maximalwert
der induzierten Spannung betrug 7 Volt, jedoch war der Unterschied
zwischen dem größten und
dem kleinsten Wert der Drehmomentschwankungen 0,017 Nm, was viel
kleiner ist als der Wert 0,080 Nm in Beispiel 6, bei nicht schräger mehrpoliger
Magnetisierung.
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Vergleichsbeispiel 2
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Zwei
diametral orientierte zylindrische Dauermagnete, jeder mit einem
Außendurchmesser
von 30 mm, Innendurchmesser von 25 mm und Höhe von 15 mm wurden aus dem
gleichen Seltene-Erden-Magnetlegierungspulver, wie in Beispiel 1,
verwendet und nach dem gleichen Herstellungsverfahren wie in Beispiel
1 hergestellt. Diese zwei diametral orientierten zylindrischen Magneteinheiten
wurden koaxial aufeinander in einer solchen Anordnung gestapelt,
daß die
Richtungen der diametralen Orientierung der zwei Magneteinheiten in
einer zur Zylinderachse senkrechten Ebene um einen Winkel von 60° versetzt
waren, und der Stapel wurde als ein Block auf einem Magnetisierungskopf
in einer solchen Weise der sechspolaren. Magnetisierung unterworfen,
daß eine
der Magneteinheiten sich in einer Anordnung relativ zum Magnetisierungskopf
befand, wie in 1A dargestellt.
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Der
Magnetfluß rund
um den so sechspolar magnetisierten, als ein Stapel der zwei Magneteinheiten gebildeten
zusammengesetzten zylindrischen Magnetblock wurde in der im folgenden
beschriebenen Weise gemessen. So wurde eine rechteckige Spule von
10,5 mm mal 30 mm mit 50 Windungen eines feinen Kupferdrahts gewickelt,
und die Spule wurde schnell aus einer Position in direkte Berührung mit
einem der Magnetpole des zusammengesetzten Magnetblocks in eine
genügend
entfernte Position außerhalb
des wesentlichen Bereichs des Magnetfeldes rund um den zusammengesetzten
Magnetblock bewegt, um den magnetischen Fluß durch Verwendung eines Flußmeßgeräts zu bestimmen.
Die sechs Spitzenwerte des Magnetflusses sind in der folgenden Tabelle
3 für die
jeweiligen Magnetpole angegeben.
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Beispiel 10
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Das
Versuchsverfahren war das gleiche wie im Vergleichsbeispiel 2, außer, daß die zwei
diametral orientierten zylindrischen Magneteinheiten in einer solchen
Anordnung koaxial aufeinandergestapelt waren, um den zusammengesetzten
Magnetblock zu liefern, daß die
Richtungen der diametralen Orientierung der zwei Magneteinheiten
um einen Winkel von 90° zueinander
versetzt waren, statt um 60° im
Vergleichsbeispiel 2.
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Die
Ergebnisse der Magnetflußmessung
sind auch in Tabelle 3 angegeben.
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Vergleichsbeispiel 3
-
Das
Versuchsverfahren war genau das gleiche wie im Vergleichsbeispiel
2, außer,
daß die
zwei diametral orientierten zylindrischen Magneteinheiten in einer
solchen Anordnung aufeinandergestapelt wurden, daß die Richtungen
der diametralen Orientierung der zwei Magneteinheiten in die gleiche
Richtung zeigten und kein Versatz zwischen ihnen vorlag, statt des
60° Versatzes
im Vergleichsbeispiel 2.
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Die
Ergebnisse der Magnetflußmessung
sind auch in Tabelle 3 angegeben.
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Beispiel 11
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Das
Versuchsverfahren war etwa das gleiche wie im Vergleichsbeispiel
2, außer,
daß jede
der drei diametral orientierten zylindrischen Dauermagneteinheiten
Abmessungen von Außendurchmesser
30 mm, Innendurchmesser 25 mm und Höhe 10 mm statt 15 mm im Vergleichsbeispiel
2 hatten und drei statt zwei Magneteinheiten koaxial in einer solchen
Anordnung aufeinandergestapelt waren, daß die Richtungen der diametralen
Orientierung der ersten und zweiten Magneteinheit zwischen sich
einen Versatzwinkel von 60° bildeten und
die Richtung der diametralen Orientierung der dritten Magneteinheit
einen Versatzwinkel von 60° mit
der zweiten Magneteinheit und einen Versatzwinkel von 120° mit der
ersten Magneteinheit bildete.
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6 der beigefügten Zeichnung
ist eine perspektivische Ansicht des so aufgebauten dreistufigen
zusammengesetzten zylindrischen Dauermagnetblocks, bestehend aus
drei diametral orientierten zylindrischen Magneteinheiten 1A, 1B und 1C,
die koaxial aufeinandergestapelt sind, und einer Motorwelle 2 und
einem Motorkern 2A, die in die Mittelöffnungen der drei zylindrischen
Magneteinheiten 1A, 1B und 1C eingesetzt
sind. Die starken Pfeile P, Q und R, die so dargestellt sind, als
ob sie eine der Magneteinheiten 1A, 1B bzw. 1C durchdringen,
zeigen die Richtung der diametralen Orientierung der jeweiligen
Magneteinheiten 1A, 1B und 1C an.
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Die
Ergebnisse der Magnetflußmessungen
sind auch in der folgenden Tabelle 3 angegeben.
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Beispiel 12
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Ein
Dreiphasen-Dauermagnet-Testmotor wurde in der gleichen Weise wie
in Beispiel 3 gebaut, außer daß der in
Beispiel 10 hergestellte zweistufige zylindrische Dauermagnetblock
als Rotor anstelle des monolithischen Dauermagneten in Beispiel
3 verwendet wurde und daß die
Zahl der Windungen des Kupferdrahts in jedem der Statorzähne 150
Windungen statt 100 Windungen in Beispiel 3 betrug. Der Stator hatte
schräge
Statorzähne
und einen Schrägwinkel
von 20°,
was ein Drittel des Winkels 60° ist,
der von einem einzigen Magnetpol überspannt wird.
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Messungen
der induzierten Spannung und der Drehmomentschwankung wurden in
der gleichen Weise wie in Beispiel 2 vorgenommen. Die Ergebnisse
waren, daß der
Maximalwert der induzierten Spannung 78 Volt betrugt und der Maximalwert
der Drehmomentschwankungen 0,028 Nm war, was zeigt, daß dieser
Testmotor für
die praktische Verwendung geeignet ist hinsichtlich der hohen induzierten
Spannung und geringen Drehmomentschwankungen.
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Beispiel 13
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Das
Versuchsverfahren war im wesentlichen das gleiche wie in Beispiel
12, ausgenommen, daß der in
Beispiel 11 hergestellte dreistufige zusammengesetzte zylindrische
Dauermagnetblock als Rotor statt des in Beispiel 12 verwendeten
zweistufigen zusammengesetzten Magnetblocks verwendet wurde.
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Die
Ergebnisse der Messungen waren, daß die induzierte Spannung 85
Volt betrug und der Maximalwert der Drehmomentschwankungen 0,021
Nm war, was eine noch höhere
Leistung des Motors als des von Beispiel 12 zeigt.
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7 ist ein Graph, der die
induzierte Spannung in dem oben gebauten Dreiphasen-Dauermagnet-Motor
zeigt, der sich mit 1000 Upm dreht, als eine Funktion des elektrischen
Winkels. Die Kurven a, b und c zeigen die in den Phasen U-V, V-W
bzw. W-U induzierte Spannung. Jede dieser Kurven zeigt eine regelmäßige Sinuskurve,
was die Glätte
der Drehung des Motors anzeigt.
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Vergleichsbeispiel 4
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Das
Versuchsverfahren war im wesentlichen das gleiche wie in Beispiel
12, außer,
daß der
in Beispiel 12 verwendete zweistufige zusammengesetzte zylindrische
Dauermagnetblock ersetzt wurde durch einen monolithischen diametral
orientierten zylindrischen Dauermagneten als Rotor.
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Die
Meßergebnisse
waren, daß die
induzierte Spannung 73 Volt betrug und der Maximalwert der Drehmomentschwankungen
0,120 Nm war, was zeigt, daß dieser
Testmotor wegen unzulässig
großer
Drehmomentschwankungen für
praktische Verwendungen ungeeignet war.
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Vergleichsbeispiel 5
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Das
Versuchsverfahren war im wesentlichen das gleiche wie in Beispiel
12, außer
daß der
Schrägwinkel
des sechspolar schrägmagnetisierten
zusammengesetzten zylindrischen Dauermagnetblocks 50° war, was fünf Sechstel
des Winkels 60° ist,
der von einem einzigen Magnetpol überspannt wird, statt 20° in Beispiel
12.
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Die
Meßergebnisse
waren, daß die
induzierte Spannung nur 13 Volt betrug und der Maximalwert der Drehmomentschwankungen
0,015 Nm war, was zeigt, daß dieser
Testmotor wegen unzulässig
kleiner induzierter Spannung für
praktische Verwendung nicht geeignet war.
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Beispiel 14
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Sechs
diametral orientierte zylindrische Dauermagneteinheiten 51A, 51B, 51C, 51D, 51E, 51F,
je mit Abmessungen von Außendurchmesser
25 mm, Innendurchmesser 20 mm und Höhe 15 mm wurden aus dem gleichen
Dauermagnetlegierungspulver auf Seltene-Erden-Basis wie in Beispiel 1 verwendet und
nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt. Diese
Magneteinheiten 51A bis 51F wurden koaxial in
einer solchen Anordnung bezüglich
der Richtung der diametralen Orientierung der jeweiligen Magneteinheiten
aufeinandergestapelt, um einen sechsstufigen zusammengesetzten zylindrischen
Magnetblock 51 zu bilden, wie in 8 gezeigt, welche eine perspektivische
Ansicht eines Rotors ist, der aus dem zusammengesetzten zylindrischen
Magnetblock 51 mit eingesetzter Motorwelle 52 und
Motorkern 52A besteht, wobei die Richtung der diametralen
Orientierung in einer Magneteinheit einen Versatzwinkel von 60° mit der
Richtung der diametralen Orientierung der benachbarten Magneteinheit
bildete, wie durch die starken Pfeile in 8 angegeben, als ob diese die jeweilige
Magneteinheit 51A bis 51F durchdringen.
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Man
bemerkt, daß der
oben beschriebene sechsstufige zusammengesetzte zylindrische Magnetblock 51,
worin der Versatzwinkel zwischen benachbarten Magneteinheiten 60° ist, wie
oben erwähnt, äquivalent
zu einer Tandemkombination von zwei dreistufigen Magnetblöcken ist,
bei dem in jedem der Versatzwinkel zwischen benachbarten Magneteinheiten
120° ist,
was ein Drittel von 360° ist.
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Der
oben hergestellte sechsstufige zusammengesetzte zylindrische Dauermagnetblock 51 wurde
einer sechspolaren Schrägmagnetisierung
mit einem Schrägwinkel
von 7° unterworfen.
Ein Dreiphasen-Dauermagnet-Motor wurde mit dem Rotor gebaut, der
aus dem zusammengesetzten zylindrischen Magnetblock 51 mit
eingesetzter Motorwelle 52 und Motorkern 52A bestand,
und einem Stator mit neun Statorzähnen.
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Die
Meßergebnisse
waren, daß die
induzierte Spannung 45 Volt betrug und der Maximalwert der Drehmomentschwankungen
0,013 Nm war, was zeigt, daß dieser
Testmotor für
praktische Verwendung geeignet war.
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Vergleichsbeispiel 6
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Das
Versuchsverfahren war im wesentlichen das gleiche wie in Beispiel
14, außer
daß die
sechs zylindrischen Magneteinheiten koaxial in einer solchen Anordnung
aufeinandergestapelt wurden, daß die
Richtungen der diametralen Orientierung in den Magneteinheiten in
ein und der gleichen Richtung waren, also kein Versatzwinkel zwischen
den Richtungen von zwei benachbarten Magneteinheiten vorhanden war.
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Die
Meßergebnisse
zeigten, daß die
induzierte Spannung 40 Volt betrug, jedoch der Maximalwert der Drehmomentschwankungen
eine Größe von 0,569
Nm erreichte, was zeigt, daß dieser
Testmotor wegen unbrauchbar großer
Drehmomentschwankungen im Vergleich mit dem in Beispiel 13 für praktische
Verwendung nicht geeignet war.
