DE7809461U1

DE7809461U1 - Elektrische maschinen mit permanent-magneten aus seltenen erden

Info

Publication number: DE7809461U1
Application number: DE19787809461U
Authority: DE
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1978-03-28
Publication date: 1980-02-28
Also published as: FR2386179A1; DE2813701A1; GB1598257A; JPS53131415A; FR2386179B1

Claims

1. Polanordnung für eine elektrische Maschine mit Permanentmagneten aus einem Material der Gruppe der seltenen Erden, dadurch gekennzeichnet , daß die eine Hälfte der eisernen Polstücke Permanentmagnete aus seltenen Erden und die andere Hälfte Feldwicklungsmagnete sind, und daß auch von dem Mehrpolläufer die eine Hälfte der Polstücke aus Eisen und die andere Hälfte aus seltenen Erden besteht.

2. Polanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenpolstücke des Multipolstators mit Feldwicklungen zur Kontrolle des Feldes der permanentmagnetischen Maschine versehen sind.

3. Polanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gewickelte Läufer mindestens vier Pole hat und wenigstens zwei der Pole des Stators Permantentmagnete aus seltenen Erden und zwei der Pole eiserne Polstücke sind.

4. Polanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Polstücke Feldwicklungen aufweisen.

5. Polanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator mindestens vier Pole aufweist, und daß der Läufer mindestens zwei Pole besitzt, die Permanentmagnete aus seltenen Erden aufweisen, und zwei weitere Pole, die eiserne Polstücke aufweisen.

6. Polanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrpolstator im Synchrongeneratorbetrieb eine Vielzahl von eisernen Polstücken aufweist, von denen eine mit einer Last verbindbare Feldwicklung besitzt.

7. Polanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator wenigstens vier Pole hat und der Läufer wenigstens zwei Pole mit Permanentmagneten aus seltenen Erden und zwei eiserne Polstücke aufweist.

Die vorliegende Neuerung betrifft elektrische Maschinen, Motoren und Generatoren, die mit Permanentmagneten aus seltenen Erden ausgestattet sind, die aus einem an sich bekannten Gemisch von Kobalt und seltenen Erden bestehen.

Wegen ihrer vorzüglichen Eigenschaften werden Permanentmagnete aus seltenen Erden seit einiger Zeit anstelle von bisher allgemein üblichen Permanentmagneten aus beispielsweise Alnico verwendet. Die bedeutend höheren Kosten von Permanentmagneten aus seltenen Erden machen deren Verwendung jedoch unwirtschaftlich.

Die vorliegende Neuerung löst dieses Problem für Gleichstrom und VJechselstrorunaschinen sowie für Synchrongeneratoren und Schrittmotoren dadurch, daß, obwohl nur 50 % des bisher erforderlichen permanentmagnetischen Materials verwendet werden, die neuerungsgemäßen Maschinen dennoch etwa 80 % des Wirkungsgrades von Maschinen mit Permanentmagneten aus ausschließlich seltenen Erden erreichen. Die neuerungsgeraäßen Maschinen sind deshalb wesentlich wirtschaftlicher als die bisher bekannten: bei einer verhältnismäßig geringen Einbuße (ca. 20%) an Wirkungsgrad werden 50 % Kosten gespart.

Entsprechend der vorliegenden Neuerung wird eine Folgepolanordnung in Verbindung mit Permanentmagneten aus seltenen Erden benutzt, wobei aber nur die Hälfte der Permanentmagnete aus seltenen Erden bestehen, während die restlichen 50 % aus Eisen sind. Die Folgepolanordnung selbst ist nicht neu; sie wird beispielsweise in Multipol- Induktionsmotoren mit besonderen Statorwindungen benutzt und ermöglicht es, derartige Motoren mit halber Geschwindigkeit zu betreiben. Daraus läßt sich aber nicht herleiten, daß man die Hälfte der Permanentmagnete durch solche aus Eisen ersetzt und dabei einen Wirkungsgrad von 80 % der ausschließlich mit Permanentmagneten aus seltenen Erden ausgestatteten Maschinen erreicht.

Ein weiterer Vorzug der Folgeplanung in Verbindung mit Permanentmagneten aus seltenen Erden besteht darin, daß gleichzeitig eine wirkungsvolle Feldkontrolle möglich ist, da die Folgepole mit Feldwicklungen ausgestattet sind. Bei Motoren, die ausschließlich mit Permanentmagneten aus seltenen Erden ausgerüstet sind, ist dagegen eine große Zahl von Amperewindungen erforderlich, um den Stromfluß durch diese Permanentmagnete zu zwingen, die wie große Luftspalte wirken.

Die hier beschriebene Neuerung soll durch die nachfolgenden Zeichnungen weiter verdeutlicht werden:

Fig. 1 ist eine Teilansicht eines neuerungsgemäßen feldgesteuerten und mit einer Folgepoleinrichtung mit Permanentmacmeten aus seltenen Erden ausgestatteten Gleichstrommotors ode¹· Gleichstroiüaenerators.

Ficr. 2 ist eine Teilansicht eines mit Permanentmagneten aus seltenen Erden ausgestatteten Gleichstrommotors oder Gleich~ stromgenerators, der einen gewickelten Läufer aufweist.

Fig. 3 ist eine Teilansicht eines mit Permanentmagneten aus seltenen Erden in einer Folgepoleinrichtung ausgestatteten Gleichstrommotors oder Gleichstromgenerators, der einen gewickelten Läufer aufweist.

Fig. 4 ist eine Teilansicht eines mit Permanentmagneten aus seltenen Erden ausgestatteten Wechselstromgenerators oder Schrittmotors, bei welchem elektronische Kommutätion verwendet wird.

Fig. 5 ist eine Teilansicht eines Wechselstromgenerators oder Schrittmotors, der mit einer Folgepoleinrichtung mit Permanentmagneten aus seltenen Erden ausgerüstet ist und der elektronische Koiiunutation verwendet.

Fig. 1 zeigt einen neuerungsgemäßen feldgesteuerten und mit einer Folgepoleinrichtung mit Permanentmagneten aus seltenen Erden ausgestatteten Gleichstrommotors oder Gleichstromgenerator 10. Dieser besteht aus einem Stator 11 aus Eisen mit den Polen 12, 13, 14 und 15. Die Pole 12 und 14 sind mit den Feldwicklungen 16 und 17 versehen. Die Pole 13 und 15 sind mit Permanentmagneten aus seltenen Erden 18a und 18b bzw. 19a und 19b ausgestattet. Der Läufer 20 der Maschine 10 ist in konventioneller Weise drahtgewickelt. Die Rotorwicklungen werden entweder durch eine Gleichstromquelle mit Strom versorgt, falls es sich um einen Motor handelt, oder, im Falle eines Generators, wird dieser über eine Kommutatoreinrichtung (der Einfachheit halber nicht dargestellt) mit einer Last verbunden.

Frühere Versuche haben gezeigt, daß zur Feldsteuerung einer ausschließlich mit Permanentmagneten aus seltenen Erden versehenen elektromagnetischen Maschine eine außerordentlich große Zahl von Amperewindungen erforderlich ist, um den Strom durch die Permanentmagnete zu zwingen, die sich etwa wie sehr große Luftspalte verhalten. Bei der neuerungsgemäßen Folgepoleinrichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Feldsteuerung bei einer mit Permanentmagneten aus seltenen Erden ausgestatteten Maschine über die Feldwicklungen zu erreichen,

mit denen jeder zweite Pol ausgestattet ist. Der durch die Spulen erzeugte Strom fließt dann durch die Mitte der aufeinanderfolgenden Pole.

In Fig. 2 wird ein Gleichstrommotor oder Generator 30 gezeigt, der Permanentmagnete aus seltenen Erden und einen gewickelten Läufer hat. Diese Maschine besteht aus einem Eisenstator 31 mit vier Polen 32 bis 35, die aus vier Gruppen von Permanentmagneten aus seltenen Erden gebildet werden. Die Maschine 30 hat einen herkömmlich gewickelten Läufer 36. Arbeitet die Maschine als Motor, so wird sie von einer Gleichstromquelle mit Strom versorgt; arbeitet sie dagegen als Generator, so dient zur Stromversorgung eine Kommutatoreinrichtung (der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt).

Fig. 3 zeigt den neuerungsgemäßen Motor oder Generator 41, und zwar mit einer Folgepoleinrichtung und Permanentmagneten aus seltenen Erden. Die Maschine 40 besitzt einen Stator 41 aus Eisen; zwei Pole 42 und 43 des Stators 41 sind Permanentmagnete aus seltenen Erden, zwei Pole 44 und 45 bestehen aus Eisen. Die Maschine 40 hat einen konventionellen gewickelten Läufer entsprechend dem der Maschine 30 und deshalb'.die gleiche Bezuqsziffer 36.

Wie schon erwähnt, sind die Maschinen 30 und 40 identisch mit dem einen Unterschied, daß die Maschine 30 ausschließlich Permanentmagnete aus seltenen Erden aufweist, während die Maschine 40 einen Folgepolstator hat, der nur zur Hälfte mit Permanentmagneten aus seltenen Erden bestückt ist. Man sollte erwarten, daß der Wirkungsgrad der Maschine 40 - da sie nur 50 % Permanentmagnete aus seltenen Erden aufweist - auch nur 50 % der Leistung von Maschine 30 erbringt. Untersuchungen haben aber ergeben, daß der Wirkungsgrad von Maschine 40 nur 20 % unter dem von Maschine 30 liegt.

Der wichtigste Parameter in der Beurteilung der Qualität und des Wirkungsgrades einer Maschine ist aie Drehmomentempfindlichkeit. Ein Gleichstrommotor entsprechend Maschine 30 entwickelt etwa 280 cm'g/Amp, während ein Motor entsprechend Maschine 40 mit nur der Hälfte der Permanentmagnete aus seltenen Erden eine Drehmomentempfindlichkeit von 224 cm'g/Amp entwickelt. Die Verringerung der Permanentmagnete aus seltenen Erden um bO% stellt aber eine sehr erhebliche Kosteneinsparung dar.

Fig. 4 zeigt einen Wechselstromgenerator oder Schrittmotor oder Gleichstrommotor 50,,der mit Permanentmagneten aus seltenen Erden ausgestattet ist und elektronische Kommutation verwendet.

Die Maschine 50 hat einen Eisenkern-Rotor 51; die vier Pole 52 bis 55 bestehen aus Permanentmagneten aus seltenen Erden. Die Maschine 50 hat einen Stator mit vier Eisenpolstücken 56 bis 59, die mit den Feldwicklungen 60 bis 6 3 verseher, sind.

Fig. 5 zeigt den gleichen Motor wie in Fig. 4, aber xn neuerungsgemäßer Weise mit einer Folgepoleinrichtung und Permanentmagneten aus seltenen Erden ausgestattet. Die Maschine 70 hat einen Eisenkernrotor 71 mit zwei Eisenpolen 72 und 73; zwei weitere Pole 74 und 75 bestehen aus Permanentmagneten aus seltenen Erden und pind am Läufer 71 befestigt. Die Maschine 70 hat einen konventionellen Stator entsprechend Maschine

Wie festgestellt, sind die .Maschinen 50 und 70 bis auf die halbierte Anzahl von Permanentmagneten aus seltenen Erden, angeordnet in Folgepolanordnung, identisch. Man sollte deshalb annehmen, daß der Wirkungsgrad von Maschine 70 gegenüber dem von Maschine 50 ebenfalls nur die Hälfte beträgt. Überraschenderweise haben Versuche gezeigt, daß der Wirkungsgrad von Maschine 70 um nur ca. 16"% geringer ist als der von Maschine 50.

Der v/ichtigste Parameter zur Beurteilung der Leistung einer Maschine ist die bei einer bestimmten Last entwickelte Spannung.

Maschine 50 hatte eine Last von 5,3 Ampere und eine Ausgangsspannung von 20,4 Volt Gleichstrom, während die Maschine 70 bei gleicher Last mit nur der Hälfte der Permanentmagnete aus seltenen Erden eine Ausgangsspannung von 17.1 Volt erzeugte; es muß also bei beträchtlicher Kosteneinsparung nur ein geringer Verlust an Wirkungsgrad in Kauf genommen werden.