DE69918197T2

DE69918197T2 - Hybrid-Typ Magnet und diesen enthaltender Schrittmotor

Info

Publication number: DE69918197T2
Application number: DE69918197T
Authority: DE
Inventors: Yasuzumi Kawasaki-shi Ochiai; Yoshitake Nishi; Kazuya Sagamihara-shi Oguri; Sanshiro Ogino; Hiroyuki Hiratsuka-shi Makabe
Original assignee: Genesis Co Ltd Japan
Current assignee: Genesis Co Ltd Japan
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2019-01-28
Also published as: US6369479B1; KR100549039B1; DE69918197D1; TW410354B; EP0932167A2; EP0932167A3; KR19990068129A; EP0932167B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Hybrid-Typ Magneten und einen diesen beinhaltenden Schrittmotor, insbesondere auf einen Hybrid-Typ Magneten, in dem ein Permanentmagnet und ein Elektromagnet miteinander kombiniert sind, um einen in den Elektromagneten gespeisten Strom zu steuern und damit die Intensität eines Magnetfeldes zu steuern, das außerhalb des Hybrid-Typ Magneten wirkt, und Energie zu erzeugen, deren Menge im Vergleich zur eingespeisten Energie erhöht ist.
Es gibt einige konventionell entwickelte Magnete, die aus einer Kombination eines Permanentmagneten und eines Elektromagneten bestehen. Beispiele solcher Vorrichtungen sind beschrieben in FR-2682542, JP-61128761 und JP-9182409. Man ist generell der Ansicht, dass eine Kombination eines Permanentmagneten und eines Elektromagneten eine Funktion aufweist, die Summe eines magnetischen Feldes des Permanentmagneten und des Elektromagneten zu erzeugen, wenn ein Strom durch die Erregerspule des Elektromagneten in einer bestimmten Richtung geleitet wird. Man ist weiterhin der Ansicht, dass, wenn ein Strom in einer Richtung entgegengesetzt zur oben beschriebenen Richtung durch die Erregerspule geleitet wird, die Kombination die Auslöschung eines magnetischen Feldes des Permanentmagneten durch ein vom Elektromagneten erzeugtes magnetisches Feld in entgegengesetzter Richtung bewirkt.
Wenn also daher durch die Erregerspule kein Strom fließt, erzeugt nur der Permanentmagnet ein magnetisches Feld. Das Leiten eines Stromes durch die Erregerspule führt zu einem Anstieg oder Absinken des magnetischen Feldes.
Eine solche Kombination des Permanentmagneten mit einem Elektromagneten wie oben beschrieben kann es jedoch nicht leisten, die Energie des Permanentmagneten effektiv zu nutzen. Die Energie des Permanentmagneten wird offen sichtlich benutzt, es ist jedoch nötig, Energie in den Elektromagneten einzuspeisen, um das magnetische Feld auszulöschen, was einen Restbetrag von benutzter und eingespeister Energie von Null ergibt. Es ist daher nötig, die Kombination aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten, um sicherzustellen, dass die Energie des Permanentmagneten durch die Anregung des Elektromagneten effektiv benutzt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde mit Blick auf das oben angeführte Problem des Standes der Technik gemacht.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hybrid-Typ Magneten vorzustellen, der dazu in der Lage ist, durch Anregung eines Elektromagneten die Energie eines Permanentmagneten effektiv auszunutzen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schrittmotor vorzustellen, in den ein solcher Hybrid-Typ Magnet, wie oben beschrieben, eingebaut ist.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Hybrid-Typ Magnet vorgestellt. Der Hybrid-Typ Magnet umfasst üblicherweise einen Elektromagneten und ein Verbindungselement in Form eines Balkens. Der Elektromagnet umfasst einen Kern aus einem magnetischen Material, gebildet von einem Kernkörper und einem Paar von gegenüberliegenden Armen in Form eines U, und einer um den Kern gewickelten Erregerspule. Das Verbindungselement in Form eines Balkens umfasst einen Permanentmagneten und magnetische Elemente, die so angeordnet sind, dass sie den Permanentmagneten zwischen sich einschließen, und ist eng mit den äußeren Enden der Arme verbunden und erstreckt sich dabei zwischen den äußeren Enden der Arme. Der Permanentmagnet befindet sich zwischen den Armen des Kerns, die an ihren äußeren Enden jeweilige Endoberflächen aufweisen, wobei sich jede der Endoberflächen parallel zu einer Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten erstreckt. Die magnetischen Elemente des Verbindungselementes sind eng mit den jeweiligen Endoberflächen der äußeren Enden der Arme des Kerns verbunden, wobei eine anziehende Kraft durch die äußeren Oberflächen der magnetischen Elemente des Verbindungselementes zum Anziehen eines beweglichen Elementes in Richtung auf die äußeren Oberflächen der magnetischen Elemente erzeugt wird, wenn ein Strom in die Erregerspule gespeist wird; um einen magnetischen Fluss in einer der magnetischen Kraft des Permanentmagneten entgegengerichteten Richtung zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen der Permanentmagnet und die magnetischen Elemente des Verbindungselementes jeweils einen Querschnitt auf, der so geformt ist, dass sie eine rechteckige Form und identische Abmessungen haben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist jeder der Arme des Kerns eine äußere Oberfläche an dessen seitlichem Ende auf, und das Verbindungselement weist Endoberflächen an dessen gegenüberliegenden seitlichen Enden auf. Die äußere Oberfläche des Arms und eine der Endoberflächen des Verbindungselementes sind so geformt, dass sie miteinander bündig abschließen, wenn das Verbindungselement eng mit dem Kern verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen die magnetischen Elemente des Verbindungselementes jeweils eine höhere Sättigungsdichte des magnetischen Flusses als der Kern auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Arme des Kerns jeweils so geformt, dass sie eine rechteckförmige Querschnittsfläche aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Verbindungselement so aufgebaut, dass ein Verhältnis zwischen einer Breite des Permanentmagneten in einer Magnetisierungsrichtung und einer Summe der Breiten der magnetischen Elemente im Bereich zwischen 1:1 und 1:15 liegt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht der Kern aus reinem Eisen und der Permanentmagnet aus Neodym.
Eine solche Konstruktion des Hybrid-Typ Magneten erlaubt einer magnetischen Feldlinie, die vom Permanentmagneten erzeugt wird, einen geschlossenen magnetischen Pfad zu bilden, der durch den Nordpol des Permanentmagneten, eines der magnetischen Elemente, den Kern, das andere der magnetischen Elemente und den Südpol des Permanentmagneten führt, wenn in die Erregerspule des Elektromagneten kein Strom gespeist wird, um damit im wesentlichen ein Austreten des magnetischen Flusses in die Luft zu verhindern. Wenn dann ein Strom in die Erregerspule des Elektromagneten gespeist wird, um der Erregerspule zu erlauben, einen magnetischen Fluss in einer Richtung entgegengesetzt zur magnetischen Feldlinie des Permanentmagneten zu erzeugen, wird eine magnetische Feldlinie des Permanentmagneten durch die des Elektromagneten ausgelöscht. Wenn er den Sättigungszustand des Permanentmagneten überschreitet, wird er an die Luft freigesetzt. Zu diesem Zeitpunkt, wenn die Menge des magnetischen Flusses des Elektromagneten wesentlich erhöht ist, korrespondiert die Menge des an die Luft freigesetzten magnetischen Flusses mit der Summe von magnetischem Fluss des Permanentmagneten und des Elektromagneten.
Auf diese Weise hält die Anordnung eines magnetischen Elementes in der Nähe zum Verbindungselement den Hybrid-Typ Magneten davon ab, das magnetische Element anzuziehen, wenn kein Strom durch die Erregerspule geleitet wird und erlaubt es dem Permanentmagneten und dem Elektromagneten, miteinander zu kooperieren, um das magnetischen Elementes anzuziehen, wenn ein Strom durch die Erregerspule geleitet wird. Dies führt dazu, dass der Hybrid-Typ Magnet der vorliegenden Erfindung eine Wirkung des Permanentmagneten effektiv ausnutzt, die frei von Energieverbrauch ist.
In Übereinstimmung mit diesem Aspekt wird weiterhin ein Hybrid-Typ Magnet vorgestellt. Der Hybrid-Magnet umfasst üblicherweise einen Elektromagneten und ein Verbindungselement in Form eines Balkens. Der Elektromagnet umfasst einen Kern aus magnetischem Material, der von einem Paar von Kernkörpern und drei Armen in der wesentlichen Form eines E gebildet wird, und um den Kern gewundene Erregerspulen. Die Erregerspulen sind jeweils um einen zugehörigen der Kernkörper gewickelt. Das Verbindungselement in Form eines Balkens weist ein erstes magnetisches Element, einen ersten Permanentmagneten, ein zweites magnetisches Element, einen zweiten Permanentmagneten und ein drittes magnetisches Element auf, die eng miteinander der Reihe nach verbunden sind, und ist eng mit dem Kern verbunden, wobei es sich zwischen den äußeren Enden zweier äußerer Arme der Arme des Kerns erstreckt. Der erste und zweite Permanentmagnet befinden sich jeweils zwischen zwei benachbarten Armen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen die Permanentmagneten und die magnetischen Elemente des Verbindungselementes jeweils einen Querschnitt auf, der so geformt ist, dass sie eine rechteckige Form und identische Abmessungen haben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist jeder der äußeren zwei Arme der Arme des Kerns eine äußere Oberfläche an dessen seitlichem Ende auf und das Verbindungselement weist Endoberflächen an dessen gegenüberliegenden seitlichen Enden auf. Die äußere Oberfläche eines jeden der zwei äußeren Arme der Arme und eine der Endoberflächen des Verbindungselementes sind so geformt, dass sie miteinander bündig abschließen, wenn das Verbindungselement eng mit dem Kern verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen die magnetischen Elemente des Verbindungselementes jeweils eine höhere Sättigungsdichte des magnetischen Flusses als der Kern auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Arme des Kerns jeweils so geformt, dass sie eine rechteckförmige Querschnittsfläche aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Permanentmagneten so geformt, dass sie eine identische Breite in einer ihrer Magnetisierungsrichtungen aufweisen. Das Verbindungselement ist so aufgebaut, dass ein Verhältnis zwischen einer Summe der Breiten der Permanentmagneten und einer Summe der Breiten der magnetischen Elemente in einem Bereich zwischen 1:1 und 1:15 liegt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht der Kern aus reinem Eisen und die Permanentmagneten jeweils aus Neodym.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schrittmotor vorgestellt. Der Schrittmotor umfasst üblicherweise einen Stator und einen Rotor. Der Stator weist eine Vielzahl der oben beschriebenen Hybrid-Typ Magnete auf. Die Hybrid-Typ Magnete sind integral miteinander verbunden und so angeordnet, dass die Arme sich in radialer Richtung erstrecken und um einen gemeinsamen Kernkörper der Kerne der Hybrid-Typ Magnete herum in gleichen Winkelabständen beabstandet sind. Der Rotor weist magnetische Elemente auf, die in gleichen Winkelintervallen außerhalb der Verbindungselemente der Hybrid-Typ Magneten angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl von Schrittmotoren mit einer vorbestimmten Phasendifferenz angeordnet und miteinander in Serie geschaltet.
Ein solcher Aufbau des Schrittmotors erlaubt es, eine Energie mit Hilfe des Permanentmagneten auszugeben, die im Vergleich zu der in den Elektromagneten eingespeisten Energie in der Menge erhöht ist, indem ein gepulster Strom durch jede der Erregerspulen geleitet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Aufgaben und viele der begleitenden Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht erkannt und dieselbe wird mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird. Hierbei zeigen:
1A eine Frontansicht einer Ausführungsform eines Hybrid-Typ Magneten entsprechend der vorliegenden Erfindung;
1B eine perspektivische Ansicht des Hybrid-Typ Magneten aus 1A;
2 eine Frontansicht, die den Betrieb des Hybrid-Typ Magneten aus 1A und 1B zeigt;
3 eine schematische Ansicht einer Messmethode für die anziehende Kraft des Hybrid-Typ Magneten entsprechend der vorliegenden Erfindung;
4 eine Ansicht einer Messmethode der anziehenden Kraft, die von nur einem Elektromagneten erzeugt wird;
5 eine graphische Darstellung des Vergleichs zwischen der anziehenden Kraft, die durch einen Hybrid-Typ Magnet erzeugt wird, und der anziehenden Kraft, die durch einen Elektromagneten erzeugt wird, wobei der Spalt zwischen jeweils Hybrid-Typ Magnet oder Elektromagnet und beweglichem Element 0,5 mm beträgt;
6 eine graphische Darstellung des Vergleichs zwischen anziehender Kraft, die durch einen Hybrid-Typ Magneten erzeugt wird, und anziehender Kraft, die durch einen Elektromagneten erzeugt wird, wobei der Spalt zwischen jeweils dem Hybrid-Typ Magneten oder dem Elektromagneten und dem beweglichen Element 10 mm beträgt;
7A eine Aufsicht, die eine andere Ausführungsform eines Hybrid-Typ Magneten entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
7B eine Frontansicht des in 7A gezeigten Hybrid-Typ Magneten;
7C eine Seitenansicht des in 7A gezeigten Hybrid-Typ Magneten;
8A und 8B jeweils eine Front- und eine Seitenansicht, die eine Messmethode für die Trennungskraft des in den 7A bis 7C gezeigten Hybrid-Typ Magneten zeigen;
9A und 9B jeweils eine Front- und eine Seitenansicht, die eine Messmethode für die Trennungskraft des in den 7A bis 7C gezeigten Hybrid-Typ Magneten zeigen, wobei der Permanentmagnet vom Hybrid-Typ Magnet entfernt ist;
10A und 10B jeweils eine Front- und eine Seitenansicht, die eine Messmethode für die Trennungskraft des in den 7A bis 7C gezeigten Hybrid-Typ Magneten zeigen, wobei ein Verbindungselement vom Hybrid-Typ Magneten entfernt ist;
11A und 11B jeweils eine Front- und eine Seitenansicht, die eine Messung der Trennungskraft des in den 7A bis 7C gezeigten Hybrid-Typ Magneten zeigen, wobei nur das Verbindungselement mit einem Permanentmagneten benutzt wurde;
12 eine schematische Ansicht, die eine Struktur zur Untersuchung der anziehenden Kraft zeigt, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und ein magnetisches Element aneinander vorbeigehen;
13 eine schematische Ansicht, die eine Struktur zur Untersuchung der anziehenden Kraft zeigt, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und ein magnetisches Element aneinander vorbeigehen, wobei ein Permanentmagnet vom Hybrid-Typ Magnet entfernt ist;
14 eine schematische Ansicht, die eine Struktur zur Untersuchung der anziehenden Kraft zeigt, die auftritt, wenn nur das Verbindungselement des Hybrid-Typ Magneten aus 7A bis 7C und ein magnetisches Element aneinander vorbeigehen;
15A eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen anziehender Kraft, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und das magnetische Element aneinander vorbeigehen, und einer Entfernung zwischen dem Hybrid-Typ Magneten und dem magnetischen Element unter der Bedingung, dass ein Spalt G auf 0,2 mm festgesetzt wird und ein Strom vom 2,0 A durch eine Erregerspule geleitet wird;
15B eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen anziehender Kraft, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und das magnetische Element aneinander vorbeigehen, und einer dazwischen liegenden Entfernung unter der Bedingung, dass ein Spalt G auf 0,2 mm festgesetzt wird und ein Strom von 2,0 A durch die Erregerspule geleitet wird, wobei der Permanentmagnet vom Hybrid-Typ Magneten entfernt ist;
15C eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen anziehender Kraft, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und das magnetische Element aneinander vorbeigehen und einer dazwischen liegenden Entfernung, die erreicht wird, indem nur das Verbindungselement benutzt wird unter der Bedingung, dass ein Spalt G auf 0,2 mm festgesetzt wird und ein Strom von 2,0 A durch eine Erregerspule geleitet wird;
16A eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen anziehender Kraft, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und das magnetische Element aneinander vorbeigehen, und einer dazwischen liegenden Entfernung unter der Bedingung, dass ein Spalt G auf 0,3 mm festgesetzt wird;
16B eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen anziehender Kraft, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und das magnetische Element aneinander vorbeigehen, und einer dazwischen liegenden Entfernung unter der Bedingung, dass ein Spalt G auf 0,3 mm festgesetzt wird, wobei der Permanentmagnet vom Hybrid-Typ Magneten entfernt ist;
16C eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen anziehender Kraft, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und das magnetische Element aneinander vorbeigehen, und einer dazwischen liegenden Entfernung, die erhalten wird, wenn nur das Verbindungselement benutzt wird unter der Bedingung, dass ein Spalt G auf 0,3 mm festgesetzt wird;
17A eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen anziehender Kraft, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und das magnetische Element aneinander vorbeigehen, und einer dazwischen liegenden Entfernung unter der Bedingung, dass ein Spalt G auf 0,4 mm festgesetzt wird;
17B eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen anziehender Kraft, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und das magnetische Element aneinander vorbeigehen, und einer dazwischen liegenden Entfernung unter der Bedingung, dass ein Spalt G auf 0,4 mm festgesetzt wird, wobei der Permanentmagnet vom Hybrid-Typ Magneten entfernt ist;
17C eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen anziehender Kraft, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und das magnetische Element aneinander vorbeigehen, und einer dazwischen liegenden Entfernung, die erhalten wird, wenn nur das Verbindungselement benutzt wird unter der Bedingung, dass ein Spalt G auf 0,4 mm festgesetzt wird;
18A eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen anziehender Kraft, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und das magnetische Element aneinander vorbeigehen, und einer dazwischen liegenden Entfernung unter der Bedingung, dass ein Spalt G auf 0,5 mm festgesetzt wird;
18B eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen anziehender Kraft, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und das magnetische Element aneinander vorbeigehen, und einer dazwischen liegenden Entfernung unter der Bedingung, dass ein Spalt G auf 0,5 mm festgesetzt wird, wobei der Permanentmagnet vom Hybrid-Typ Magneten entfernt ist;
18C eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen anziehender Kraft, die auftritt, wenn der Hybrid-Typ Magnet aus 7A bis 7C und das magnetische Element aneinander vorbeigehen, und einer dazwischen liegenden Entfernung, die erhalten wird, wenn nur das Verbindungselement benutzt wird unter der Bedingung, dass ein Spalt G auf 0,5 mm festgesetzt wird;
19A und 19B jeweils eine Front- und eine Seitenansicht, die eine Messmethode zeigen, mit der ein Experiment zur Trennung eines beweglichen Elementes einer anderen Ausgestaltung eines Hybrid-Typ Magneten entsprechend der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, unter der Bedingung, dass der Permanentmagnet so geformt ist, dass er eine Breite von 2,5 mm aufweist;
20A und 20B jeweils eine Front- und eine Seitenansicht ähnlich zu 19A und 19B, wobei der Permanentmagnet eine Breite von 5 mm aufweist;
21A und 21B jeweils eine Front- und eine Seitenansicht ähnlich zu 19A und 19B, wobei der Permanentmagnet eine Breite von 10 mm aufweist;
22A und 22B jeweils eine Front- und eine Seitenansicht ähnlich zu 19A und 19B, wobei der Permanentmagnet eine Breite von 15 mm aufweist;
23A und 23B jeweils eine Front- und eine Seitenansicht ähnlich zu 19A und 19B, wobei der Permanentmagnet eine Breite von 20 mm aufweist;
24A und 24B jeweils eine Front- und eine Seitenansicht, die eine Weise zeigen, in der ein Experiment zur Trennung des beweglichen Elementes vom Hybrid-Typ Magneten aus 19A und 19B ausgeführt wurde unter der Bedingung, dass das Verbindungselement vom Hybrid-Typ Magneten entfernt ist;
25A und 25B jeweils eine Front- und eine Seitenansicht, die eine Weise zeigen, in der ein Experiment zur Trennung des beweglichen Elementes vom Hybrid-Typ Magneten aus 19A und 19B durchgeführt wurde, wobei nur das Verbindungselement benutzt wurde;
26 eine graphische Darstellung, die in der Form eines Liniengraphen Daten aus Tabelle 10 zeigt, die die Ergebnisse der in den 19A bis 24B gezeigten Experimente darstellt;
27 eine senkrechte Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Schrittmotors entsprechend der vorliegenden Erfindung;
28A eine Ansicht entlang der Linie 28A-28A aus 27;
28B eine Ansicht entlang der Linie 28B-28B von 27; und
28C eine Ansicht entlang Linie 28C-28C von 27.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ein Hybrid-Typ Magnet entsprechend der vorliegenden Erfindung wird nun im weiteren beschrieben unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
Mit Bezug auf die 1A und 1B ist eine Ausführungsform eines Hybrid-Typ Magneten entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein Hybrid-Typ Magnet der dargestellten Ausführungsform, der im allgemeinen mit Bezugsziffer 10 bezeichnet wird, umfasst im wesentlichen zwei wichtige Komponenten. Eine dieser Komponenten ist ein Elektromagnet 16, der einen Kern 12, der aus magnetischem Material hergestellt ist und die Form eines U aufweist, und eine Erregerspule 14 umfasst, die um den Kern 12 gewickelt ist. Die andere Komponente ist ein Verbindungselement 22 in Form eines Balkens, das einen Permanentmagneten 18 und zwei magnetische Elemente 20 aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Permanentmagneten 18 angeordnet sind und ihn somit zwischen sich einschließen, und das eng mit gegenüberliegenden Enden des Kerns 12 verbunden ist, so dass es sich über eine Öffnung des Kerns 12 erstreckt.
Das Verbindungselement 22 wird vom Permanentmagneten 18, der ein Neodymmagnet sein kann, und den magnetischen Materialien 20 gebildet, die aus einem magnetisch weichen Material hergestellt und so angeordnet sind, dass sie gegenüberliegende Seiten des Permanentmagneten 18 in einer Richtung seiner Magnetisierung zwischen sich einschließen. Der Permanentmagnet 18 und die magnetischen Elemente 20 haben jeweils einen Querschnitt, der so geformt ist, dass sie die gleiche rechteckige Form haben, was dazu führt, dass sie im Zusammenwirken eine einzelne balkenförmige Konfiguration bilden. Die magnetischen Elemente 20, die auf gegenüberliegenden Seiten des Permanentmagneten 18 angeordnet sind, sind so geformt, dass sie die gleiche Länge aufweisen, die etwa doppelt so groß ist wie die Länge oder Breite des Permanentmagneten 18 in einer Magnetisierungsrichtung.
Der Elektromagnet 16 umfasst wie oben beschrieben den U-förmigen Kern 12, der durch die Aufeinanderschichtung von reinen Eisenblechen eines magnetisch weichen Materials gebildet werden kann, ebenso wie die Erregerspule 14, die durch Wicklung eines Kupferdrahtes um ein Unterteil oder einen Kernkörper des Kerns 12 gebildet werden kann. Der Kern 12 hat eine magnetische Permeabilität, die niedriger angesetzt wird als die der magnetischen Elemente 20 des balkenförmigen Verbindungselementes 22. Das Verbindungselement 22 ist eng mit den seitlichen Enden p und q (1A) des U-förmigen Kerns 12 verbunden, an den magnetische Pole S und N in einer Weise erscheinen, dass sie sich dazwischen oder über eine Öffnung des U-förmigen Kerns 12 erstrecken, die zwischen den Enden p und q definiert wird. Die magnetischen Elemente 20 des balkenförmigen Verbindungselementes 22 haben jeweils eine so geformte Oberfläche, dass sie mit einer äußeren Oberfläche eines der entsprechenden der Enden des Kerns 12 bündig abschließen.
Die Eigenschaften des Hybrid-Typ Magneten 10, der nach der dargestellten Ausführungsform konstruiert ist, werden nun beschrieben.
Wenn zunächst kein Strom in die Erregerspule 14 des Elektromagneten 16 gespeist wird, bildet eine durch den Permanentmagneten 18 erzeugte magnetische Feldlinie einen geschlossenen magnetischen Pfad durch den N-Pol des Permanentmagneten 18, eines der magnetischen Elemente 20, den Kern 12, das andere der magnetischen Elemente 20 und den S-Pol des Permanentmagneten 18, um dadurch im wesentlichen ein Austreten eines magnetischen Flusses an die Luft zu verhindern. Dies erlaubt die Erzeugung einer erhöhten anziehenden Kraft an der Grenzfläche zwischen dem Kern 12 und dem Verbindungselement 22, die eng miteinander verbunden sind. Ein solcher Zustand wird im folgenden als „Zustand 1" bezeichnet. Die Grenzfläche ist jeweils an den Enden p und q des Kerns 12 bestimmt, sie kann ebenso auch mit p und q bezeichnet werden.
Dann wird die Erregerspule 14 des Elektromagneten 16 mit einem Strom gespeist, der in eine Richtung entgegengesetzt zu einer Richtung der magnetischen Feldlinie des Permanentmagneten 18 fließt, und damit die Erzeugung eines magnetischen Flusses in einer Menge erlaubt, die vergrößert ist im Vergleich zu einem magnetischen Fluss des Permanentmagneten 18. Dies resultiert darin, dass die magnetische Feldlinie des Permanentmagneten 18 oberhalb der Grenzfläche p, q zwischen dem Kern 12 und dem Verbindungselement 22 vom geschlossenen magnetischen Pfad zurückgedrängt wird, so dass die magnetische Feldlinie an die Luft freigesetzt werden kann, wenn sie einen Sättigungszustand des Permanentmagneten 18 überschreitet. Wenn die Menge des magnetischen Flusses des Elektromagneten 16 ein ausreichendes Niveau erreicht, entspricht zu diesem Zeitpunkt die Menge von an die Luft freigesetztem magnetischem Fluss der Synthese von magnetischem Fluss des Permanentmagneten 18 und dem des Elektromagneten 16. Ein solcher Zustand wird im weiteren als „Zustand 2" bezeichnet. Auf diese Weise wird eine erhöhte anziehende Kraft an den Grenzflächen p, q zwischen dem Kern 12 und dem Verbindungselement 22 erzeugt. Die anziehende Kraft wird nur durch den Elektromagneten 16 erzeugt.
Wenn die Erregerspule 14 mit einem Strom gespeist wird, um dem Elektromagneten 16 zu erlauben, einen magnetischen Fluss in einer Menge zu erzeugen, die der des magnetischen Flusses des Permanentmagneten 18 entspricht, und als Ergebnis davon eine Größe des Stroms im Vergleich zu einem Sättigungszustand einer verbleibenden magnetischen Flussdichte im geschlossenen magnetischen Pfad erhöht wird, treten weder Anziehung noch Abstoßung an den Grenzflächen p, q zwischen dem Kern 12 und dem Verbindungselement 22 auf. Ein solcher Zustand ist im weiteren als „Zustand 3" bezeichnet. Dies zeigt an, dass keine Wechselwirkung oder Verbindung zwischen der magnetischen Feldlinie des Permanentmagneten 18 und der des Elektromagneten 16 besteht. Wenn der magnetische Fluss des Permanentmagneten 18 und der des Elektromagneten 16 in ihrer Größe auf ein Niveau oberhalb eines Sättigungszustandes der verbleibenden magnetischen Flussdichte im geschlossenen magnetischen Pfad erhöht wird, wird eine abstoßende Kraft an den Grenzflächen p, q erzeugt, auch wenn beide magnetische Flüsse in ihrer Größe gleich sind. Auf diese Weise werden die magnetischen Feldlinien von sowohl Elektromagnet 16 als auch Permanentmagnet 18 in Form eines magnetischen Auslaufflusses an die Luft freigesetzt.
Unter den Bedingungen, dass weder eine Anziehung noch eine Abstoßung an den Grenzflächen p, q zwischen dem Kern 12 und dem Verbindungselement 22 auftreten, wobei eine äußere Oberfläche des Verbindungselementes 22 des Hybrid-Typ Magneten 10 als Aktionsoberfläche X arbeiten kann, wird angenommen, dass ein bewegliches Element 30 in der Nähe zu der Aktionsoberfläche X angeordnet wird, wie in 2 gezeigt. Ein solcher Zustand wird im weiteren als „Zustand 4'' bezeichnet. Das bewegliche Element 30 kann aus einem magnetisch weichen Material hergestellt sein. Wenn ein durch die Erregerspule 14 geleiteter Strom mit P und ein durch die Erregerspule 14 geleiteter Strom mit P1 bezeichnet wird, der sowohl das Auftreten von Anziehung als auch Abstoßung an den Grenzflächen p, q zwischen dem Kern 12 und dem Verbindungselement 22 unter der Voraussetzung, dass das bewegliche Element 30 nicht vorhanden ist, verhindern soll, wird der Strom P mit einer Verringerung im Spalt zwischen der Aktionsoberfläche X und dem beweglichen Element 30 reduziert. Dies zeigt an, dass die magnetische Feldlinie des Permanentmagneten 18 einen magnetischen Pfad durch einen Luftspalt mit Bezug auf das bewegliche Element 30 jenseits der Grenzflächen p, q bildet, ohne einen geschlossenen Pfad im Hybrid-Typ Magneten zu bilden, um dadurch eine anziehende Kraft auf die Aktionsoberfläche X zu erzeugen.
Die Menge des Stroms P, die in die Erregerspule 14 des Elektromagneten 16 gespeist wird, wird auf ein Niveau reduziert, das gerade benötigt wird, um die magnetische Feldlinie des Permanentmagneten 18 an den Grenzflächen p, q zwischen dem Kern 12 und dem Verbindungselement 22 abzufangen. Wenn die Zusammenarbeit der magnetischen Feldlinie des Permanentmagneten 18 mit dem beweglichen Element 30 die Bildung des magnetischen Pfades erlaubt, ermöglicht dies die Reduzierung des Stromes P. Mit anderen Worten erlaubt es die Steigerung der Anziehungskraft an der Aktionsoberfläche X, den Strom P zu reduzieren. Es ist eine Selbstverständlichkeit, dass die anziehende Kraft an der Aktionsoberfläche X in Abhängigkeit von der Leistung des Permanentmagneten 18 beschränkt ist.
Wenn der Strom P in erhöhter Menge in die Erregerspule 14 gespeist wird, wie im oben beschriebenen Zustand 2, wird eine anziehende Kraft an der Aktionsoberfläche X durch die Synthese von magnetischer Feldlinie des Permanentmagneten 18 und der des Elektromagneten 16 erhalten. Obwohl dies zu einer Erhöhung der anziehenden Kraft führt, bewirkt es eine Minderung der Energieeffizienz.
Um die anziehende Kraft an der Aktionsoberfläche X zu erhöhen und den Strom P im oben beschriebenen Zustand 4 zu verringern, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein:

(1) Der Luftspalt an der Aktionsoberfläche X ist verringert;
(2) Das bewegliche Element 30 und die magnetischen Elemente 20 des Verbindungselementes 22 haben jeweils eine magnetische Sättigungsflussdichte, die größer ist als die des Kerns 12; und
(3) Ein geschlossener magnetischer Pfad des Hybrid-Typ Magneten hat eine Länge S1, die kleiner als eine Länge S2 eines magnetischen Pfades angesetzt ist, der durch Zusammenarbeit zwischen dem Permanentmagneten 18 und dem beweglichen Element 30 durch den Luftspalt bestimmt wird.

Eine Erhöhung der anziehenden Kraft an der Aktionsoberfläche X bedarf natürlich einer Steigerung der Leistung (Br, BH) des Permanentmagneten 18. In der dargestellten Ausführungsform wird ein Neodymmagnet als Permanentmagnet 18 verwendet. Alternativ kann stattdessen auch ein Samariummagnet, ein Magnet einer Mangan-Aluminium-Legierung oder ähnliches verwendet werden. Die Abmessungen von sowohl Permanentmagnet 18 als auch magnetischen Elementen 20 werden jeweils in Abhängigkeit einer Schnittfläche des Permanentmagneten 18, dessen Br- und BH-Kurven, seiner Durchlässigkeit und ähnlichem bestimmt, so dass die Abmessungen des beweglichen Elementes 30 bestimmt oder ausgewählt werden können.
Dann wird ein Strom in die Erregerspule 14 des Hybrid-Typ Magneten gespeist, um dadurch eine anziehende Kraft mit Bezug auf das bewegliche Element 30 tatsächlich in einer solchen Weise zu messen, wie sie in 3 gezeigt ist. Bei dieser Gelegenheit kann der Permanentmagnet 18 so geformt sein, dass er Abmessungen von 35 mm in der Breite, 25 mm in der Höhe und 35 mm in der Tiefe aufweist, und die magnetischen Elemente 20 und das bewegliche Element 30 können jeweils aus einem Material hergestellt sein, die jeweils den Elementen 20 und 30 erlaubt, eine magnetische Sättigungsflussdichte aufzuweisen, die größer ist als die des Kerns 12. Zum Vergleich wird ebenfalls die Anziehungskraft bei Verwendung nur des Elektromagneten 16 gemessen, ohne die Anordnung des Verbindungselementes 22, wie in 4 gezeigt. Weiterhin wird im Fall des Hybrid-Typ Magneten 10 eine Messung einer magnetischen Flussdichte an jeder der drei vorbestimmten Positionen α, β und γ durchgeführt. In jedem Fall wird die Messung mit Hilfe einer Federwaage durchgeführt, wobei ein Haken an dem beweglichen Element 30 befestigt wird und das gesamte Messsystem horizontal gehalten wird, um es zu erlauben, die Schwerkraft zu vernachlässigen.
Tatsächlich wurde die anziehende Kraft F (kp) auf das bewegliche Element 30 gemessen, wobei der Luftspalt L1 zwischen der Aktionsoberfläche X und dem beweglichen Element 30 zwischen 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 mm verändert und der durch die Erregerspule 14 geleitete Strom geändert wurde. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 – 11 gezeigt.
Tabelle 1 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 2 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 3 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 4 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 5 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 6 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 7 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 8 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 9 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 10 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 11 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 1 zeigt, dass der Luftspalt L1 von 0,5 mm es erlaubte, die anziehende Kraft mit einer Steigerung des Stromes rapide ansteigen zu lassen, wie anhand der Tatsache gesehen werden kann, dass die anziehende Kraft F beim Strom von 0,4 A 1,5 kp und beim Strom von 0,8 A 39,0 kp betrug. Die anziehende Kraft F hatte allerdings auch bei dem Strom von 0 A eine Höhe von 1,2 kp, was seinen Grund in einem Austreten von magnetischem Fluss des Permanentmagneten 18 hatte. Dieser Wert ist belanglos im Vergleich zu denen, die bei fließendem Strom erhalten wurden. Weiterhin konnte die magnetische Flussdichte an jeder der vorbestimmten Positionen α, β und γ nicht gemessen werden, da der Luftspalt L1 zu eng war, um es zu erlauben, ein Messinstrument darin einzubringen. Weiterhin wurde die anziehende Kraft, die durch einen Strom oberhalb von 0,8 A erhalten wurde, nicht gemessen, da sie die Messgrenzen der Federwaage überschritt.
Weiterhin zeigen die Tabellen 2 bis 11 die Ergebnisse, die bei der Messung der anziehenden Kraft auf das bewegliche Element 30 erhalten wurde, wobei der Luftspalt L1 zwischen der Aktionsoberfläche X und dem beweglichen Element 30 von 1 mm auf 10 mm und ein Strom verändert wurde, der durch die Erregerspule 14 geleitet wurde. Eine Messung der anziehenden Kraft auf das bewegliche Element 30 bei dem Strom von 0 A konnte nicht erfolgen, wenn der Luftspalt L1 größer als 1 mm war. Dies zeigt, dass der magnetische Fluss des Permanentmagneten 18 im Wesentlichen einen geschlossenen magnetischen Pfad im Hybrid-Typ Magneten 10 bildet, wodurch das Auftreten von jeglichem austretenden magnetischen Fluss verhindert wird.
Die anziehende Kraft wurde dann gemessen, wobei nur der Elektromagnet 16 ohne die Anordnung des Verbindungselementes 22 benutzt wurde, wie in 4 gezeigt. Die Messung wurde durchgeführt unter Variation des Luftspaltes L1' zwischen der Aktionsoberfläche X und dem beweglichen Element 30 zwischen 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10 mm und Veränderung eines Stromes, der durch die Erregerspule 14 geleitet wird. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 12-22 , wobei die gemessene anziehende Kraft mit F' (kp) bezeichnet ist.
Tabelle 12 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 13 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 14 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 15 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 16 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 17 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 18 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 19 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 20 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 21 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 22 Anziehende Kraft bei unterschiedlichem Strom
Tabelle 12 zeigt, dass der Luftspalt L1' von 0,5 mm eine rapide Steigerung der anziehenden Kraft bei einer Steigerung des Stromes erlaubt, wie anhand der Tatsache erkannt werden kann, dass die anziehende Kraft F' bei dem Strom von 0,4 A 3,9 kp, bei dem Strom von 0,8 A 15,0 kp und bei 1,2 A 36,0 kp betrug. Der Vergleich zwischen Tabelle 12 und der oben beschriebenen Tabelle 1 zeigt jedoch, dass die anziehende Kraft, die mit dem Hybrid-Typ Magneten 10 erhalten wird, um den Faktor 2,9 (= 11,5/3,9) bei dem Strom von 0,4 A und um den Faktor 2,6 (= 39,0/15,0), bei Strom von 0,8 A größer ist im Vergleich zur anziehenden Kraft, die nur durch den Elektromagneten erhalten wird. Demnach zeigt eine Kombination des Elektromagneten 16 mit dem Permanentmagneten 18 eine erhöhe anziehende Kraft bei gleichem Leistungsverbrauch im Vergleich zu der nur durch den Elektromagneten 16 erhaltenen Kraft. Der Permanentmagnet 18 ver braucht keine Energie, um damit zu den Energieeinsparnissen beizutragen. Die Ergebnisse der Tabellen 1 und 12 sind ebenfalls in 5 gezeigt.
Die Tabellen 13 bis 22 zeigen ferner die Messergebnisse der anziehenden Kraft auf das bewegliche Element 30, wobei ein Luftspalt L1' in einem Bereich zwischen 1 mm und 10 mm und ein durch die Erregerspule 14 geleiteter Strom verändert wurden. Tabelle 22 zeigt, dass der Luftspalt L1' von 10 mm es der anziehenden Kraft F' erlaubte, den Wert von 0,4 kp bei dem Strom von 1,2 A, 0,6 kp bei 1,6 A, 0,7 kp bei 2,0 A, 0.9 kp bei 2,4 A, 1,15 kp bei 2,8 A, 1,4 kp bei 3,2 A, 1,75 kp bei 3,6 A und 2,0 kp bei 4,0 A anzunehmen.
Tabelle 11, die die durch den Hybrid-Typ Magneten 10 erhaltene anziehende Kraft zeigt, wird nun mit Tabelle 22 verglichen. Der Vergleich zeigt, dass die durch den Hybrid-Typ Magneten 10 erhaltene anziehende Kraft bei dem Strom von 1,2 A um den Faktor 1,1 (= 0,45/0,4), bei dem Strom von 1,6 A um den Faktor 1,2 = 0,7/0,6, bei 2,0 A um den Faktor 1,4 (= 1,0/0,7), bei 2,4 A um den Faktor 1,4 (= 1,3/0,9), bei 2,8 A um den Faktor 1,6 (= 1,9/1,15), bei 3,2 A um den Faktor 1,5 (= 2,1/1,4), bei 3,6 A um den Faktor 1,5 (= 2,6/1,75) und bei 4,0 um den Faktor 1,6 (= 3,3/2,0) größer im Vergleich zur durch nur den Elektromagneten 16 erhaltenen anziehenden Kraft ist. Die erstere anziehende Kraft ist im Mittel um den Faktor 1,4 größer als die letztere. Im Vergleich zur oben beschriebenen anziehenden Kraft, die mit einem Luftspalt L1 von 0,5 mm erhalten wurde, erlaubt eine Verringerung des Luftspaltes L1 (L1') eine Steigerung in der Überlegenheit des Hybrid-Typ Magneten. Daher wird erkannt werden, dass der Hybrid-Typ Magnet 10, der durch den Permanentmagneten 18 und den Elektromagneten 16 entsprechend der dargestellten Ausführungsform gebildet wird, Energie effektiv ausnutzt. Weiterhin erlaubt in der dargestellten Ausführungsform die Steuerung eines durch die Erregerspule 14 geleiteten Stromes, die anziehende Kraft variabel zu steuern, die durch den Permanentmagneten 18 geboten wird. Die Ergebnisse von Tabelle 11 und 22 sind weiterhin in 6 gezeigt.
Wie anhand des Vorhergehenden gesehen werden kann, ist der Hybrid-Typ Magnet der dargestellten Ausführungsform aufgebaut durch den Elektromagneten mit dem Kern, der aus einem magnetischen Material hergestellt und in U-Form geformt ist, und der Erregerspule, die um den Kern gewunden ist, und dem balkenförmigen Verbindungselement, das den Permanentmagneten und die magnetischen Elemente einschließt, die so angeordnet sind, dass sie den Permanentmagneten zwischen sich einschließen, und das eng mit den gegenüberliegenden Enden des Kernes verbunden ist, so dass es sich über die Öffnung des Kernes erstreckt. Ein solcher Aufbau erlaubt es dem Hybrid-Typ Magneten, eine deutlich gesteigerte anziehende Kraft anzubieten, wobei der Stromverbrauch minimiert wird, um dadurch Energieersparnisse zu erreichen.
Mit Bezug auf die 7A bis 7C wird nun eine andere Ausführungsform eines Hybrid-Typ Magneten entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein Hybrid-Typ Magnet der dargestellten Ausführungsform, der üblicherweise ebenfalls mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet wird, umfasst im Allgemeinen zwei wesentliche Komponenten. Eine dieser Komponenten ist ein Elektromagnet 16, der einen Kern 12 und eine Erregerspule 14 umfasst, die um den Kern 12 gewunden ist. Der Kern 12 wird von einem Kernkörper 12a und einem Paar von Armen 12b mit einer rechteckigen Querschnittsform gebildet, die auf gegenüberliegenden seitlichen Seiten des Kernkörpers 12a angeordnet sind, um zusammen mit dem Kernkörper 12a eine U-Form zu bilden. Die andere Komponente ist ein rechteckiges balkenförmiges Verbindungselement 22, das einen Permanentmagneten (Neodymmagnet) 18 und zwei magnetische Elemente 20 umfasst, die auf gegenüberliegenden Seiten des Permanentmagneten 18 angeordnet sind, um ihn zwischen sich einzuschließen, und das eng mit den beiden Armen 12b des Kernes 12 verbunden ist, um sich zwischen den äußeren Enden der Arme 12b zu erstrecken. Das Verbindungselement 22 ist so angeordnet, dass der Permanentmagnet 18 zwischen den Armen 12b des Kernes 12 positioniert ist. Die magnetischen Elemente 20 können aus einem magnetisch weichen Material hergestellt sein.
Der Elektromagnet 16 umfasst, wie oben beschrieben, den U-förmigen Kern 12, der durch das Aufeinanderschichten von reinen Eisenblechen eines magnetisch weichen Materials gebildet sein kann. In der dargestellten Ausführungsform, wie in den 7A–7C gezeigt, sind die Arme 12b des Kernes 12 jeweils so geformt, dass sie eine Breite F von 10 mm, eine Höhe D von 10 mm und eine Dicke H von 10 mm aufweisen. Die Höhe D ist als Abstand zwischen einem oberen Ende des Kernkörpers 12a und einem oberen Ende des Armes 12b definiert.
Dies ergibt, dass jeder der Arme 12b eine Querschnittsfläche von 100 mm² besitzt.
Das Verbindungselement 22 ist so aufgebaut, dass der Permanentmagnet 18 und die magnetischen Elemente 20 jeweils einen Querschnitt der gleichen rechteckigen Form haben. Als Ergebnis ist das Verbindungselement 22 im Allgemeinen so geformt, dass es eine einzelne balkenförmige Gestaltung hat. Der Permanentmagnet 18 ist so geformt, dass er Abmessungen von 15 mm in der Höhe C, 5 mm in der Breite B und 10 mm in der Dicke H aufweist. Die magnetischen Elemente 20, die auf den gegenüberliegenden Seiten des Permanentmagneten 18 angeordnet sind, sind jeweils so geformt, dass sie Abmessungen von 15 mm in der Höhe C, 17,5 mm in der Breite A und 10 mm in der Dicke H aufweisen. Dies ergibt, dass der Permanentmagnet 18 und die magnetischen Elemente 20 jeweils eine Querschnittsfläche von 150 mm² besitzen. Die magnetischen Elemente 20 können beispielsweise aus reinem Eisen hergestellt sein. Alternativ kann es auch aus einem Material mit im Vergleich zu reinem Eisen gesteigerter magnetischer Sättigungsflussdichte und/oder Permeabilität bestehen, wie etwa Permalloy, Siliziumstahl oder ähnliches.
Die Erregerspule 14 ist aus einem Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,6 mm hergestellt, der 420 mal um den Kern 12 des Elektromagneten 16 gewickelt ist.
Eigenschaften des Hybrid-Typ Magneten 10, der entsprechend der dargestellten Ausführungsform aufgebaut ist, werden nun beschrieben werden.
Wenn zunächst kein Strom durch die Erregerspule 14 des Elektromagneten 16 geleitet wird, bildet eine durch den Permanentmagneten 18 erzeugte Feldlinie einen geschlossenen magnetischen Pfad durch den N-Pol des Permanentmagneten 18, eins der magnetischen Elemente 20, den Kern 12, das andere magnetische Element 20 und den S-Pol des Permanentmagneten 18, um dadurch im Wesentlichen ein Austreten eines magnetischen Flusses an die Luft zu verhindern. Dies erlaubt es, dass eine gesteigerte anziehende Kraft zwischen den Armen 12b des Kernes 12 und dem Verbindungselement 22 erzeugt wird. Auch wenn ein magnetisches Material in die Nähe des Verbindungselementes 22 ge bracht wird, wird auf diese Weise das magnetische Material davon abgehalten, durch den Hybrid-Typ Magneten 10 beeinflusst zu werden.
Es wurde ein Experiment durchgeführt, wobei ein Strom in die Erregerspule 14 des Elektromagneten 16 gespeist wurde, um der Erregerspule 14 zu erlauben, einen magnetischen Fluss in einer Richtung entgegengesetzt zur magnetischen Feldlinie des Permanentmagneten 18 zu erzeugen. Zu diesem Zweck wurde zunächst ein bewegliches Element oder magnetisches Element (im Folgenden auch als „Stück" bezeichnet) 30 in Kontakt mit dem Verbindungselement 22 gehalten, das aus einem magnetischen Material hergestellt und so geformt wurde, dass es Abmessungen von 40 mm in der Breite, 15 mm in der Höhe und 10 mm in der Dicke aufweist. Dann wurde die zum Trennen des beweglichen Elementes 30 vom Hybrid-Typ Magneten 10 benötigte Trennungskraft gemessen, wobei sie auf das bewegliche Element 30 in einer Richtung angewandt wurde, die durch einen Pfeil in den 8A und 8B angezeigt ist. Zum Vergleich wurde ebenso ein Maximalwert der benötigten Trennungskraft gemessen, wobei nur der Permanentmagnet 18 aus dem Hybrid-Typ Magneten 10 entfernt wurde, wie in den 9A und 9B gezeigt, wobei sowohl Permanentmagnet 18 als auch Verbindungselement 22 vom Hybrid-Typ Magneten 10 entfernt wurden, wie in den 10A und 10B gezeigt, bzw. wobei nur der zwischen den magnetischen Elementen 20 eingeschlossene Permanentmagnet 18 beibehalten wurde, wie in den 11A und 11B gezeigt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 23 gezeigt, wobei (1) Daten bezeichnet, bei denen das bewegliche Element oder magnetische Element 30 aus von der NKK CORP. hergestellten Ferroperm besteht und (2) Daten bezeichnet, bei denen es aus reinem Eisen hergestellt wurde. Ein für die Messung benutztes Gerät war die AT-10T SHIMADZU Kraftmesszelle vom Typ SBL-1kN (Auflösung: maximal 100 kp, minimal 0,01 kp).
Tabelle 23 Maximalwert der Trennungskraft
Wie in Tabelle 23 gezeigt, benötigt die Kombination aus Elektromagnet und Permanentmagnet eine Trennungskraft für das Abtrennen des beweglichen Elementes vom Hybrid-Typ Magneten 10 auch dann, wenn der Strom 0 A beträgt. Dies würde im Austreten von magnetischem Fluss begründet sein. Bei einem Strom von 0,2 A war die im Fall einer Kombination von Elektromagnet und Permanentmagnet benötigte Kraft verringert im Vergleich zu der, die benötigt wurde, wenn nur der Permanentmagnet benutzt wurde. Der Grund hierfür würde darin liegen, dass ein solcher Strom nicht ausreicht, um einen magnetischen Fluss des Permanentmagneten auszulöschen. Die Trennungskraft wurde jäh zu dem Zeitpunkt, zu dem der Strom ein Niveau von 0,4 A überschreitet, benötigt und entsprach in etwa einer Summe der Trennungskräfte, die jeweils bei nur dem Elektromagneten oder nur dem Permanentmagneten benötigt wurden. Der in den 9A und 9B gezeigte Aufbau erlaubte die Ausbildung eines magnetischen Pfades zwischen den magnetischen Elementen 20 durch einen Luftspalt, was zu einer verringerten anziehenden Kraft auf das bewegliche Element 30 im Vergleich zu der führt, die mit dem in den 10A und 10B gezeigten Aufbau erhalten wurde.
Dann wurde ein Maximalwert der Trennungskraft gemessen, wobei die Dicke des beweglichen Elementes 30 variiert wurde. Die Tabellen 24, 25, 26 und 27 zeigen die Ergebnisse, die jeweils mit einem beweglichen Element erreicht wurden, das eine Dicke von 5 mm, 7,5 mm, 12,5 mm bzw. 15 mm hatte. Die Ergebnisse, die bei einer Dicke von 10 mm erreichet wurden, sind in der oben beschriebenen Tabelle 23 gezeigt.
Tabelle 24 Maximalwert der Trennungskraft (Dicke des beweglichen Elementes (Stück): 5mm)
Tabelle 25 Maximalwert der Trennungskraft (Dicke des beweglichen Elementes Stück): 7,5mm)
Tabelle 26 Maximalwert der Trennungskraft (Dicke des beweglichen Elementes (Stück): 12,5mm)
Tabelle 27 Maximalwert der Trennungskraft (Dicke des beweglichen Elementes (Stück): 15mm)
Wie aus den Tabellen 24-27 gesehen werden kann, bewirkt eine Dicke des beweglichen Elementes 30 von 5 mm oder weniger eine Verringerung der Trennungskraft. Weiterhin bleibt bei einer Dicke zwischen 7,5 mm und 15 mm die Trennungskraft im Wesentlichen unverändert.
In jedem Fall wurde gefunden, dass der Hybrid-Typ Magnet 10 der dargestellten Ausführungsform eine Wirkung der Energie des Permanentmagneten erlaubt, von dem gesagt wird, dass er keine Energie nach außen verliert, wobei sie zu der Energie des Elektromagneten aufgrund der Steuerung eines durch den Elektromagneten fließenden Stromes hinzuaddiert wird. Auf diese Weise wird eine Verringerung des Stromes auf ein Niveau von 0 A nur benötigt, um Energie davon abzuhalten, die Umgebung des Hybrid-Typ Magneten 10 zu beeinflussen.
Es wurde dann ein Experiment ausführt, um einen Effekt zu untersuchen, den ein Hybrid-Typ Magnet 10 auf ein magnetisches Material ausübt, wenn der Magnet 10 und das magnetische Material aneinander vorbeigehen. Das Experiment wurde in einer in 12 gezeigten Weise durchgeführt. Weiterhin wurde das Experiment zum Vergleich jeweils mit Bezug auf den Hybrid-Typ Magneten 10, von dem der Permanentmagnet 18 entfernt wurde, oder nur den Elektromagneten 16, und mit Bezug auf nur das Verbindungselement 22 mit dem Permanentmagneten 18 jeweils in solcher Weise durchgeführt, wie in den 13 und 14 gezeigt.
Wie in 12 gezeigt, wurden zwei solcher Hybrid-Typ Magneten 10 spiegelbildlich zueinander angeordnet und ein Gleitelement 40 ist zwischen den Hybrid-Typ Magneten 10 in einer Weise angeordnet, dass es in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene von 12 gleiten kann. Das Gleitelement 40 ist in einem zentralen Bereich mit einem Sockelabschnitt 42 von quadratischer säulenartiger Form aus einem nichtmagnetischen Material versehen. Der Sockel 42 ist so ausgeformt, dass er in zwei vertikal voneinander beabstandeten Bereichen mit einem Loch 44 versehen ist, durch das eine Schiene (nicht gezeigt) eingeführt wird. Weiterhin sind am Sockel 42 auf gegenüberliegenden seitlichen Seiten Befestigungsbleche 46 aus einem nichtmagnetischen Material befestigt. Das Befestigungsblech 46 ist auf seiner äußeren Oberfläche an dem beweglichen Element oder dem magnetischen Element 30 befestigt. Die beweglichen Elemente 30 sind jeweils so angeordnet, dass ein Spalt G zwischen jedem der beweglichen Elemente 30 und dem Verbindungselement 22 des Hybrid-Typ Magneten 10 definiert ist.
Ein weiteres Experiment wurde durchgeführt, wobei der Spalt G zwischen 0,2 und 0,5 mm und ein durch die Erregerspule 14 des Elektromagneten 16 fließender Strom zwischen 0 und 2,0 A verändert wurde. Im Experiment wurde das Gleitelement 40 von einer Vorderseite der Zeichenebene von 12 zu einer Rückseite der Zeichenebene zum Vorbeilaufen am Hybrid-Typ Magneten 10 geführt, wobei währenddessen die anziehende Kraft gemessen wurde. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 28 bis 31 gezeigt. Weiterhin zeigen die Tabellen 28 bis 31 die Ergebnisse, die erhalten wurden, wenn jeweils nur der Elektromagnet 16 wie in 13 und nur der Permanentmagnet 18 wie in 14 gezeigt, benutzt wurden.
Tabelle 28 Maximalwert der anziehenden Kraft während des Gleitens des Gleitelementes am Hybrid-Typ Magneten (Spalt: G = 0,2mm)
Tabelle 29 Maximalwert der anziehenden Kraft während des Gleitens des Gleitelementes am Hybrid-Typ Magneten (Spalt: G = 0,3mm)
Tabelle 30 Maximalwert der anziehenden Kraft während des Gleitens des Gleitelementes am Hybrid-Typ Magneten Spalt: G = 0,4mm)
Tabelle 31 Maximalwert der anziehenden Kraft während des Gleitens des Gleitelementes am Hybrid-Typ Magneten (Spalt: G = 0,5mm)
Wie den Tabellen 28 bis 31 entnommen werden kann, die anziehende Kraft, die der Hybrid-Typ Magnet auf die magnetischen Elemente 30 ausübt, wenn der Strom in einem Bereich zwischen 0,2 A und 2,0 A liegt, im Vergleich zu derjenigen, die nur mit dem Elektromagneten erhalten wird. Daher ist zu bemerken, dass der Hybrid-Typ Magnet 10 effektiv Energie des Permanentmagneten 18 ausnutzt.
Weiterhin offenbarte das Experiment eine bedeutendere Tatsache. Die Tatsache bezieht sich auf die Beziehung zwischen der anziehenden Kraft, die der Hybrid-Typ Magnet 10 auf die magnetischen Elemente 30 ausübt, wenn sich das Gleitelement 40 am Magneten 10 vorbeibewegt, und dem dazwischenliegenden Abstand. Die erzeugte anziehende Kraft bei einem Stromfluss von 2,0 A durch die Erregerspule bei Veränderung des Spaltes G zwischen 0,2 und 0,5 mm wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in den 15A bis 18C gezeigt. Es ist eine Selbstverständlichkeit, das bei der Verwendung des Permanentmagneten die anziehende Kraft unabhängig vom Strom ist.
Wie anhand der 15A bis 18C erkannt wird, wird der Maximalwert erreicht, wenn der Abstand etwa 10 mm beträgt. In dieser Hinsicht erlaubt der Hybrid-Typ Magnet 10 eine im Maximalwert gesteigerte und allgemein erhöhte anziehende Kraft im Vergleich zu der, die mit nur dem Elektromagneten erhalten wurde. Auf diese Weise ist der Hybrid-Typ Magnet der dargestellten Ausführungsform in seinem Wert gesteigert, der sich durch die Verknüpfung zwischen Entfernung und anziehender Kraft ergibt, um damit eine gesteigerte Energie auf das Gleitelement 40 auszuüben.
Mit Bezug auf die 19A und 19B wird eine weitere Ausführungsform eines Hybrid-Typ Magneten entsprechend der Erfindung dargestellt. Ein Hybrid-Typ Magnet der dargestellten Ausführungsform umfasst im Allgemeinen zwei wesentliche Komponenten und ist üblicherweise mit Bezugsziffer 50 bezeichnet. Eine der Komponenten ist ein Elektromagnet 60, der von einem Kern 62 und um den Kern 62 gewundenen Erregerspulen 40 gebildet wird. Der Kern 62 umfasst ein Paar von Kernkörpern 62a, ein Paar von äußeren Armen 62b, die so an einer Außenseite der Kernkörper 62a angeordnet sind, dass sie die Kernkörper 62a zwischen sich einschließen, und die so geformt sind, dass sie eine rechteckige Querschnittsform haben, und einen zentralen Arm 62c, der so angeordnet ist, dass er zwischen den Kernkörpern 62a positioniert ist, was zu einer im Wesentlichen E-förmigen Form führt. Die Erregerspulen 64 sind jeweils um einen der Kernkörper 62a des Kerns 62 gewunden. Die andere Komponente ist ein rechteckförmiges säulenartiges Verbindungselement 70, das so angeordnet ist, dass es sich zwischen den äußeren Armen 62b erstreckt und eng mit den äußeren Armen 62b verbunden ist. Das Wort „rechteckförmig" umfasst bei der Benutzung in Zusammenhang mit dem Verbindungselement sowohl „rechteckförmig" als auch „quadratisch". Das Verbindungselement 70 umfasst ein erstes magnetisches Element 71, einen ersten Permanentmagneten 72, ein zweites magnetisches Element 73, einen zweiten Permanentmagneten 74 und ein drittes magnetisches Element 75, die der Reihe nach miteinander verbunden sind. Der erste Permanentmagnet 72 ist zwischen einem der äußeren Arme 62b und dem zentralen Arm 62c und der zweite Permanentmagnet 74 ist zwischen anderen äußeren Arm 62b und dem zentralen Arm 62c angeordnet.
Der Kern 62 des Elektromagneten 60 ist durch das Aufeinanderschichten von Blechen aus reinem Eisen gebildet, das ein magnetisch weiches Material ist. In der dargestellten Ausführungsform sind die äußeren Arme 62b jeweils so ge formt, dass sie ein eine Breite F von 10 mm und eine Höhe D von 10 mm und eine Dicke H von 10 mm aufweisen. Der zentrale Arm 62c ist so geformt, dass er Abmessungen von 20 mm in der Breite I, 10 mm in der Höhe D und 10 mm in der Dicke aufweist. Die Höhe jedes der Arme 62b und 62c ist durch einen Abstand zwischen einem oberen Ende des Kernkörpers 62a und einem oberen Ende des Armes definiert. Dies führt dazu, dass die Arme 62b und 62c jeweils eine Querschnittsfläche von 100 mm² bzw. 200 mm² haben.
Das Verbindungselement 70 wurde einem Experiment unterworfen, bei dem 5 in den 19A bis 23B gezeigte Prüfkörper benutzt wurden. In einem Prüfkörper der 19A und 19B sind die Permanentmagneten 72 und 74 und die magnetischen Elemente 71, 73 und 75 so geformt, dass sie in einem senkrechten Querschnitt die selbe rechteckige Form aufweisen, so dass das Verbindungselement 70 eine rechteckige säulenartige Form aufweist. Die Permanentmagneten 72 und 74 haben jeweils die Abmessungen von 15 mm in der Höhe C, 2,5 mm in der Breite J und 11 mm in der Dicke H. Das erste und dritte oder die äußeren magnetischen Elemente 71 und 75 haben jeweils Abmessungen von 15 mm in der Höhe C, 18,75 mm in der Breite und 10 mm in der Dicke H und das zweite oder zentrale magnetische Element 73 hat Abmessungen von 15 mm in der Höhe C, 37,5 mm in der Breite und 10 mm in der Dicke H. Dies ergibt, dass die Permanentmagneten 72 und 74 und die magnetischen Elemente 71, 73 und 75 jeweils eine senkrechte Querschnittsfläche von 150 mm² haben. Die magnetischen Elemente 71, 73 und 75 können beispielsweise aus reinem Eisen hergestellt sein. Alternativ können Sie auch aus einem Material mit einer magnetischen Sättigungsflussdichte und einer Permeabilität größer als der von reinem Eisen hergestellt sein, wie etwa Permalloy, Siliziumstahl oder ähnliches. Die um den Kern 62 des Elektromagneten 60 gewundenen Erregerspulen 64 bestehen jeweils aus 420 Wicklungen eines Kupferdrahtes mit einem Durchmesser von 0,6 mm.
In einem Prüfkörper der 20A und 20B sind die Permanentmagneten 72 und 74 so geformt, dass sie eine Breite J von 5 mm haben. In einem Prüfkörper der 21A und 21B sind die Permanentmagneten 72 und 74 jeweils so geformt, dass sie eine Breite J von 10 mm haben. In einem in den 22A und 22B gezeigten Prüfkörper sind die Permanentmagneten 72 und 74 jeweils so geformt, dass sie eine Breite J von 15 mm haben. In einem in den 23A und 23B gezeigten Prüfkörper sind sie jeweils so geformt, dass sie eine Breite J von 20 mm haben.
In dem Experiment für jeden der fünf derartigen Prüfkörper wurde die Trennungskraft gemessen, die benötigt wurde, um ein bewegliches Element oder ein magnetisches Element 80 aus einem magnetischen Material mit den Abmessungen 80 mm in der Breite, 15 mm in der Höhe und 10 mm in der Dicke vom Verbindungselement 70 in einer mit einem Pfeil angezeigten Richtung zu trennen, wobei das bewegliche Element 80 in Kontakt mit dem Verbindungselement 70 gehalten wurde. Zum Vergleich wurde die Messung auf ähnliche Weise durchgeführt, wobei jeweils nur der Elektromagnet 60 wie in den 24A und 24B und nur das Verbindungselement 70 mit den Permanentmagneten 72 und 74 zwischen den magnetischen Elementen 71, 73 und 75 eingeschlossen wie in den 25A und 25B gezeigt durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 32 gezeigt.
Tabelle 32 Maximalwert der Trennungskraft in Bezug auf die Breite des Permanentmagneten
26 zeigt die in Tabelle 32 angezeigten Daten in der Form eines Liniendiagramms, das ein leichtes visuelles Verständnis der Daten erlaubt.
Tabelle 32 und 26 zeigen, dass der Hybrid-Typ Magnet 50 der dargestellten Ausführungsform im gesamten Strombereich von 0,2 A-2,0 A eine gesteigerte anziehende Kraft im Vergleich zu der aufweist, die mit nur dem Elektromagneten erhalten wird, wenn die Permanentmagneten 72 und 74 jeweils eine Breite im Bereich zwischen 2,5 mm und 20 mm aufweisen. Insbesondere ist die anziehende Kraft bei einer Breite der Permanentmagneten 72 und 74 in einem Bereich zwischen 5 mm und 15 mm bemerkenswert gesteigert. Mit Blick auf eine solche Tatsache wurde gefunden, dass die dargestellte Ausführungsform einen erheblichen Vorteil aufweist, wenn ein Verhältnis zwischen einer Breite von einem der Permanentmagneten und einer Summe der Breiten der magnetischen Elemente von 1:1 bis 1:15 und insbesondere von 1:1,6 bis 1:7 beträgt. In der zweiten Ausführungsform, die weiter oben mit Bezug auf die 7A und 7B beschrieben wurde, wurde ein Experiment bezüglich des Effektes, den eine Breite des Permanentmagneten auf die Trennungskraft ausübt, nicht durchgeführt. Der oben beschriebene Vorteil der dargestellten Ausführungsform würde sich jedoch für die zweite Ausführungsform ergeben. Weiterhin wurde zu der dargestellten Ausführungsform kein Experiment bezüglich der anziehenden Kraft während des Vorbeigleitens oder Vorbeiziehens des magnetischen Elementes am Hybrid-Typ Magneten 50 durchgeführt. Der oben beschriebene Vorteil der zweiten Ausführungsform würde sich für die dargestellte Ausführungsform ergeben.
Mit Bezug auf die 27 bis 28C wird eine Ausführungsform eines Schrittmotors entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein Schrittmotor der dargestellten Ausführungsform umfasst im Allgemeinen einen Stator 110 und einen Rotor 120 und ist im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet. Der Stator 110 umfasst eine Vielzahl von Hybrid-Typ Magneten 50, die wie oben beschrieben aufgebaut sind und in drei Stufen in Serie zueinander angeordnet sind. Die Stufen umfassen jeweils vier solcher Hybrid-Typ Magneten 50, die integral miteinander kombiniert sind und so angeordnet sind, dass die Arme 62b und 62c der vier Hybrid-Typ Magneten 50 sich in radialer Richtung erstrecken und um einen einzelnen gemeinsamen Kernkörper 62a eines ihnen gemeinsamen Kernes 62 herum in gleichen Winkelabständen beabstandet sind, wie in den 28A bis 28C gezeigt. Der gemeinsame Kernkörper 62a wird durch die Vereinigung der Kernkörper der Kerne 62 der Hybrid-Typ Magneten 50 in einen einzigen definiert. In der dargestellten Ausführungsform sind die Arme 62b und 62c so angeordnet, dass sie in Winkelabständen von 90° beabstandet sind. Die drei Stufen sind zueinander in Serie angeordnet mit dem Ziel einer vorbestimmten Phasendifferenz in vertikaler Richtung (oder seitlicher Richtung in 27). In der dargestellten Ausführungsform ist die Phasendifferenz auf 30° festgesetzt. Der Rotor 120 umfasst magnetische Elemente 80, die in gleichen Winkelabständen innerhalb eines Drehzylinders 122 angeordnet sind, der außerhalb der Verbindungselemente 70 aller Hybrid-Typ Magneten 50 angeordnet ist. In der dargestellten Ausführungsform sind die magnetischen Elemente 80 mit Winkelabständen von 90° angeordnet. Eine solche Bauweise erlaubt es, den Schrittmotor 100 in Schritten von 30° zu drehen.
Der Motor 100 ist in seiner Effizienz im Vergleich zu einem konventionellen Schrittmotor wesentlich verbessert, wie leicht anhand der oben beschriebenen Vorteile des Hybrid-Typ Magneten 50 erkannt werden kann. In der dargestellten Ausführungsform ist der Stator 110 so aufgebaut, dass die vier Hybrid-Typ Magneten 50 so angeordnet sind, dass sie sich in radialer Richtung erstrecken und in Serie drei Stufen bilden, wobei sie eine Phasendifferenz zwischen sich definieren. Alternativ kann der Schrittmotor in Schritten von 15° gedreht werden, wenn der Stator 110 von acht solchen Hybrid-Typ Magneten gebildet wird. Ein Erhöhen der Anzahl von Stufen erlaubt die Rotation des Schrittmotors mit kleineren Schritten. Auf diese Weise benutzt der Schrittmotor der dargestellten Ausführungsform Permanentmagneten um der eingegebenen Energie zu erlauben, effizient wieder daraus ausgegeben zu werden, was zu Energieersparnissen führt.
Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit einem gewissen Grad an Genauigkeit mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben wurden, sind angesichts der obigen Lehre offensichtliche Modifikationen und Veränderungen möglich. Es soll daher verstanden werden, dass die Erfindung auch auf eine andere Weise als gesondert beschrieben im Geltungsbereich der beigefügten Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Hybrid-Typ Magnet (10) mit: einem Elektromagneten (16) mit einem Kern (12) aus einem magnetischen Material, gebildet von einem Kernkörper (12a) und einem Paar von gegenüberliegenden Armen (12b) in Form eines U, und mit einer um den Kern (12) gewickelten Erregerspule (14), gekennzeichnet durch ein Verbindungselement (22) in Form eines Balkens, das einen Permanentmagneten (18) und magnetische Elemente (20) aufweist, die den Permanentmagneten (18) zwischen sich einschließen, und das mit äußeren Enden der Arme (12b) eng verbunden ist und sich zwischen den äußeren Enden der Arme (12b) erstreckt, wobei der Permanentmagnet (18) sich zwischen den Armen (12b) des Kerns (12) befindet, die Arme (12b) des Kerns (12), die an ihren äußeren Enden jeweilige Endoberflächen aufweisen, wobei sich jede der Endoberflächen parallel zu einer Magnetisierungsrichtung des Permanentmagneten (18) erstreckt, die magnetischen Elemente (20) des Verbindungselements (22), die mit den jeweiligen Endoberflächen der äußeren Enden der Arme (12b) des Kerns (12) eng verbunden sind, wobei eine anziehende Kraft durch die äußeren Oberflächen (X) der magnetischen Elemente (20) des Verbindungselements (22) zum Anziehen eines beweglichen Elements (30) in Richtung auf die äußeren Oberflächen der magnetischen Elemente erzeugt wird, wenn ein Strom in die Erregerspule (14) gespeist wird, um einen magnetischen Fluss in einer der magnetischen Kraft des Permanentmagneten (18) entgegengerichteten Richtung zu erzeugen.
Hybrid-Typ Magnet (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Permanentmagnet (18) und die magnetischen Elemente (20) des Verbindungselements (22) jeweils einen Querschnitt aufweisen, der so geformt ist, dass sie eine rechteckige Form und identische Abmessungen haben.
Hybrid-Typ Magnet (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der Arme (12b) des Kerns (12) eine äußere Oberfläche an dessen seitlichem Ende aufweist und das Verbindungselement (22) Endoberflächen an dessen gegenüberliegenden seitlichen Enden aufweist und die äußere Oberfläche des Arms (12b) und eine der Endoberflächen des Verbindungselements (22) so geformt sind, dass sie miteinander bündig abschließen, wenn das Verbindungselement (22) eng mit dem Kern (12) verbunden ist.
Hybrid-Typ Magnet (10) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die magnetischen Elemente (20) des Verbindungselements (22) jeweils eine höhere Sättigungsdichte des magnetischen Flusses als der Kern (12) aufweisen.
Hybrid-Typ Magnet (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Arme (12b) des Kerns (12) jeweils so geformt sind, dass sie eine rechteckförmige Querschnittsfläche aufweisen.
Hybrid-Typ Magnet (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verbindungselement (22) so aufgebaut ist, dass ein Verhältnis zwischen einer Breite (B) des Permanentmagneten (18) in einer Magnetisierungsrichtung und einer Summe der Breiten (A) der magnetischen Elemente (20) im Bereich zwischen 1:1 und 1:15 liegt.
Hybrid-Typ Magnet (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Kern (12) aus reinem Eisen und der Permanentmagnet (18) aus Neodym besteht.
Hybrid-Typ Magnet (50) mit: einem Elektromagneten (60) mit einem Kern (62) aus einem magnetischen Material, gebildet von einem Paar von Kernkörpern (62a) und drei Armen (62b, 62c) in Form im wesentlichen eines E, und mit um den Kern (62) gewickelten Erregerspulen (64), wobei die Erregerspulen (64) jeweils um den zugehörigen Kernkörper (62a) gewickelt sind, einem Verbindungselement (70) in Form eines Balkens, das ein erstes magnetisches Element (71), einen ersten Permanentmagneten (72), ein zweites magnetisches Element (73), einen zweiten Permanentmagneten (74) und ein drittes magnetisches Element (75) aufweist, die eng miteinander der Reihe nach verbunden sind, und das mit dem Kern (62) eng verbunden ist und sich zwischen den äußeren Enden zweier äußerer Arme der Arme (62b) erstreckt, wobei der erste und zweite Permanentmagnet (72, 74) sich jeweils zwischen zwei benachbarten Armen (62b, 62c) befindet, den Armen (62b, 62c) des Kerns (62), die an ihren äußeren Enden jeweilige Endoberflächen aufweisen, wobei sich jede der Endoberflächen parallel zu einer Magnetisierungsrichtung der Permanentmagneten (72, 74) erstreckt, den magnetischen Elementen (71, 73, 75) des Verbindungselements (70), die mit den jeweiligen Endoberflächen der äußeren Enden der Arme (62b, 62c) des Kerns (62) eng verbunden sind, wobei eine anziehende Kraft durch die äußeren Oberflächen (X) der magnetischen Elemente (71, 73, 75) des Verbindungselements (70) zum Anziehen eines beweglichen Elements (80) in Richtung auf die äußeren Oberflächen der magnetischen Elemente erzeugt wird, wenn ein Strom in die Erregerspulen (64) gespeist wird, um einen magnetischen Fluss in einer der magnetischen Kraft der Permanentmagneten (72, 74) entgegengerichteten Richtung zu erzeugen.
Hybrid-Typ Magnet (50) gemäß Anspruch 8, wobei die Permanentmagneten (72, 74) und die magnetischen Elemente (71, 73, 75) des Verbindungselementes (70) jeweils einen Querschnitt aufweisen, der so geformt ist, dass sie eine rechteckige Form und identische Abmessungen haben.
Hybrid-Typ Magnet (50) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei jeder der äußeren zwei Arme der Arme (62b) des Kerns (62) eine äußere Oberfläche an dessen seitlichem Ende aufweist und das Verbindungselement (70) Endoberflächen an dessen gegenüberliegenden seitlichen Enden aufweist und die äußere Oberfläche eines jeden der zwei äußeren Arme der Arme (62b) und eine der Endoberflächen des Verbindungselementes (70) so geformt sind, dass sie miteinander bündig abschließen, wenn das Verbindungselement (70) eng mit dem Kern (62) verbunden ist.
Hybrid-Typ Magnet (50) gemäß Anspruch 8, 9 oder 10, wobei die magnetischen Elemente (71, 73, 75) des Verbindungselementes (70) jeweils eine höhere Sättigungsdichte des magnetischen Flusses als der Kern (62) aufweisen.
Hybrid-Typ Magnet (50) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Arme (62b, 62c) des Kerns (62) jeweils so geformt sind, dass sie eine rechteckförmige Querschnittsfläche aufweisen.
Hybrid-Typ Magnet (50) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Permanentmagneten (72, 74) so geformt sind, dass sie eine identische Breite (J) in einer ihrer Magnetisierungsrichtungen aufweisen, und das Verbindungselement (70) so aufgebaut ist, dass das Verhältnis zwischen einer Summe der Breiten (J) der Permanentmagneten (72, 74) und einer Summe der Breiten der magnetischen Elemente (71, 73, 75) in einem Bereich zwischen 1:1 und 1:15 liegt.
Hybrid-Typ Magnet (50) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der Kern (62) aus reinem Eisen und die Permanentmagneten (72, 74) jeweils aus Neodym bestehen.
Schrittmotor (100) mit: einem Stator (110) und einem Rotor (120), dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (110) eine Vielzahl von Hybrid-Typ Magneten (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist, wobei die Hybrid-Typ Magneten (50) integral miteinander verbunden und so angeordnet sind, dass die Arme (62b, 62c) sich in radialer Richtung erstrecken und um einen gemeinsamen Kernkörper (62a) ihrer Kerne (62) herum in gleichen Winkelabständen beabstandet sind, und der Rotor (120) magnetische Elemente (80) aufweist, die in gleichen Winkelintervallen außerhalb der Verbindungselemente (70) der Hybrid-Typ Magneten (50) angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Vielzahl von Schrittmotoren gemäß Anspruch 15, wobei die Vielzahl von Schrittmotoren mit einer vorbestimmten Phasendifferenz betrieben wird und die Schrittmotoren in Serie miteinander geschaltet sind.