EP0018352A1 - Elektrische Vorrichtung oder Maschine - Google Patents

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EP0018352A1
EP0018352A1 EP80890040A EP80890040A EP0018352A1 EP 0018352 A1 EP0018352 A1 EP 0018352A1 EP 80890040 A EP80890040 A EP 80890040A EP 80890040 A EP80890040 A EP 80890040A EP 0018352 A1 EP0018352 A1 EP 0018352A1
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EP
European Patent Office
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electromagnet
permanent magnet
magnetic
machine according
core
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EP80890040A
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English (en)
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EP0018352B1 (de
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J. Milton Dr. Prof. Bailey
Igor Dr. Prof. Alexeff
H. Werner Dr. Kreidl
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Motor Magnetics Inc
Original Assignee
Motor Magnetics Inc
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/20—Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
    • H01F7/206—Electromagnets for lifting, handling or transporting of magnetic pieces or material
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    • H01F7/206—Electromagnets for lifting, handling or transporting of magnetic pieces or material
    • H01F2007/208—Electromagnets for lifting, handling or transporting of magnetic pieces or material combined with permanent magnets

Definitions

  • the invention relates to an electrical device or machine with at least one magnet arrangement having an electromagnet and a permanent magnet, the permanent magnet with its pole faces resting on both sides of the winding of the electromagnet on the core thereof and the ends of the core of the electromagnet forming or carrying the pole shoes of the magnet arrangement and wherein based on the excited state of the electromagnet, the poles of the permanent magnet are adjacent to the poles of the same name of the electromagnet.
  • the invention aims to avoid the aforementioned disadvantage of the known magnet arrangement.
  • the combined magnetic fluxes of the permanent magnet and the electromagnet can be used even without a drastic increase in the cross-section of the legs and pole pieces of the magnet arrangement, and the invention essentially consists in that the maximum value of the Excitation current of the electromagnet is sufficient, but not is greater than is necessary to achieve the first practical saturation value of the magnetic induction in the pole ends of the core of the magnet arrangement in the absence of the permanent magnet.
  • the magnet arrangement according to the invention is useful for all electromagnetic devices and electrical machines in which a magnetic field with high induction values is required, in particular if the magnetic field is to be periodically changeable between zero and a maximum value.
  • the invention can be applied in the stator and in the rotor or only in one of the two parts.
  • FIG. 1 A particularly good utilization of the magnetic circuit can be achieved in that the cross-sectional area of the pole shoes or the ends of the core of the electromagnet is of such a size that when the electromagnet is fully excited, twice the amount of the magnetic induction corresponding to the first practical saturation value occurs.
  • the arrangement is expediently such that the cross section of the pole pieces is smaller than the sum of the cross section that is used at the first practical saturation value to conduct the magnetic flux of the fully excited electromagnet alone and the cross section that is used at the first practical saturation value to conduct the magnetic flux of the permanent magnet alone is required.
  • the cross section of the yoke of the electromagnet carrying the winding is magnetically matched to the cross section of the permanent magnet, so that the yoke of the non-excited electromagnet is approximately saturated by the magnetic flux of the permanent magnet at the first practical saturation value .
  • the magnetic circuit of the permanent magnet lying directly on the legs or pole pieces of the electromagnet is closed via the legs and the yoke of the unexcited electromagnet, and no significant magnetic flux flows out of the pole faces of the magnet arrangement into the outer magnetic circuit, especially the outer one magnetic circuit in rotating electrical machines in any case, but also in most other electrical devices and machines has an air gap which increases the magnetic resistance.
  • Excitation of the electromagnet causes a flux in the yoke which is opposite to the magnetic flux caused by the permanent magnet, and a magnetic flux then occurs in the outer magnetic circuit due to the superposition of both fluxes.
  • the optimal effect of the magnet arrangement can be achieved if, during operation, the electromagnet is excited to supply a magnetic flux which is approximately the same as the magnetic flux of the permanent magnet. If so, the fully excited electromagnet and the permanent magnet Providing approximately equal contributions to the total magnetic flux, the magnetic flux in the outer circle can be controlled between almost zero and approximately twice the value of the magnetic flux supplied by the permanent magnet.
  • the magnetic energy is proportional to the square of the magnetic flux or the magnetic induction.
  • A is the pole area in m 2
  • B is the magnetic induction in T
  • F is the load capacity in N.
  • the magnetic induction of a solenoid to be operated with direct current need only be changed between zero and a value as large as possible in a single magnetization direction, and the invention is advantageous for saving electrical energy and material expenditure for the magnetic flux-conducting parts of the magnet arrangement and their copper winding applicable.
  • the invention allows the magnetic flux to be doubled and thus four times the load capacity. In experiments carried out, an increase in the magnetic flux by 60% was achieved with the magnet arrangement according to the invention with the same excitation current as for a corresponding arrangement without a permanent magnet.
  • Loose bundles of rods or are found in filter devices for separating particles made of flow media from ferromagnetic material Use wires made of ferromagnetic material that are highly magnetizable during a deposition cycle to magnetically attract and hold particles, and that are demagnetized during a subsequent rinse cycle.
  • a suitable magnet arrangement according to the invention consists of a soft iron rod and a rod-shaped permanent magnet arranged parallel to the latter, both of which are surrounded by a winding, the poles of the permanent magnet resting on the soft iron rod outside the ends of the winding. Another possibility is to maintain a matrix of soft iron wires in the inventive design of the outer magnet system surrounding the wire bundle with permanent magnet and electromagnet.
  • the invention can also be used advantageously in rotating electrical machines.
  • the magnet arrangement according to the invention can be used without any problems, whereas magnetic circuits of the machine to be operated in both magnetization directions can only be operated in one half-wave with a magnet arrangement according to the invention, so that two magnet arrangements according to the invention are required for full-wave operation.
  • the application of the invention doubles the rotation moment compared to a conventional motor, which also reduces the so-called iron losses due to the change in magnetization due to the lower iron mass.
  • the soft magnetic, in particular rod-shaped core of the ignition coil is interrupted at one point and a permanent magnet is inserted at this point, the poles of which are in contact with the two core parts.
  • a permanent magnet with one of its two poles can rest against at least one end of the core.
  • Hiebei for magnetizing the core by the primary current in the first quadrant of the magnetization line with the help of the permanent magnet causes a "bias" in the third quadrant, whereby a larger area of the magnetization line can be used, so that to achieve the same secondary voltage as in a conventional ignition coil the ignition coil according to the invention can be made smaller (smaller core and / or lower number of secondary turns).
  • magnet arrangement according to the invention with the advantage of reducing the material and / or energy expenditure are in the field of particle accelerators, such as betatrons, ion and plasma accelerators.
  • particle accelerators such as betatrons, ion and plasma accelerators.
  • the magnet arrangement shown in FIG. 1 has an electromagnet 1 and a permanent magnet 2.
  • the Electromagnet has a yoke 4 made of ferromagnetic material and provided with a winding 3. On each of the two end faces of the yoke 4, a leg 5 or 6 of ferromagnetic material lies tightly. The free ends of the legs 5 and 6 represent pole shoes 7 and 8, respectively. In FIG. 1, each pole shoe is shown in one piece with the associated leg. Of course, however, separate pole shoes made of a ferromagnetic material that differs from the material of the legs and / or with a special geometric shape could also abut the leg ends.
  • the permanent magnet 2 is inserted between the legs 5 and 6 of the electromagnet with their end faces lying tightly against them.
  • an armature 9 made of ferromagnetic material, an air gap 10 and 11 being present on both sides between the pole faces and the armature.
  • Such an air gap is absolutely necessary in rotating electrical machines with parts moving against one another, but in many cases there is also a working gap filled with non-ferro- or paramagnetic material in other electromagnetic devices, for example to prevent the armature from sticking ("sticking") to the electromagnet to prevent retentive magnetic flux or stray flux.
  • the cross section of the yoke 4 is adjusted taking into account the magnetic properties of its material to the work induction of the permanent magnet 2, so that the yoke of the unexcited electromagnet 1 is approximately saturated by the magnetic flux of the permanent magnet 2.
  • the entire magnetic flux of the permanent magnet 2 can pass through the legs 5, 6 and the yoke 4 and in the outer magnetic containing the armature 9 Circle, which has an increased magnetic resistance due to the presence of air gaps 10 and 11, does not cause any appreciable magnetic flux due to the magnetism of the permanent magnet 2 alone.
  • the magnetic flux originating from the permanent magnet 2 in the yoke 4 and in the regions of the legs 5 and 6 facing away from the pole shoes 7 and 8 is more or less suppressed depending on the field strength of the electromagnet 1 and in this way into the armature 9 containing outer magnetic circuit.
  • the latter and the permanent magnet 2 deliver approximately the same proportions of magnetic flux into the outer magnetic circuit.
  • the cross sections of the pole shoes 7 and 8 would have to be dimensioned so large that the pole shoe material is not saturated under the aforementioned conditions.
  • the electromagnet 1 could be used alone (without the permanent magnet 2 used) or when used of the same strong permanent magnet 2 alone (without the yoke 4 used) on the armature 9 a certain load capacity.
  • FIG. 2 shows an experimental arrangement for measuring the distribution of the magnetic induction in the air gap of a magnet arrangement according to the invention.
  • 12 and 13 the poles of a large electromagnet, not shown.
  • the area of the distance between the pole faces of the electromagnet that was not required for the sample was bridged by a bundle 14 of transformer sheets with an amply dimensioned overall cross section.
  • a pole shoe 15 was attached to this bundle 14, the area 16 of its right end face projecting against the pole 13 of the electromagnet has an air gap 17 with a cross section of 12.7 x 31.75 mm2 limited.
  • a permanent magnet 18 with a square cross section and a side length of 25.4 mm and a length of 6.35 mm was used, which was tight with one pole face on the pole 13 of the electromagnet and with the other pole face on the pole shoe 15.
  • the distribution of the magnetic induction in the air gap 17 was measured with a small Hall probe, the uniform distribution of the induction shown in the diagram of FIG. 3 being obtained with a certain excitation of the electromagnet.
  • FIG. 4 shows a measuring arrangement for examining a magnet arrangement according to the invention with technical alternating current in half-wave operation.
  • a magnet arrangement according to FIG. 1 was examined, the mean magnetic path length in the yoke 4 (including the proportion of the width of the legs 5, 6) being 55 mm and in the legs 5, 6 each 65 mm.
  • the cross section of the yoke, the legs and the armature 9 had the size 17.5 mm x 6.3 mm.
  • Each air gap 10, 11 had a length of 0.25 mm and a Hall probe 19 for measuring the magnetic induction was arranged in one of these air gaps.
  • the winding 3 had 1000 turns.
  • a variable isolating transformer 20 is used to reduce the mains voltage as desired. Since the magnetization of the electromagnet only makes sense in one direction, there is a diode 21 between the tap of the transformer 20 and one end of the winding 3. The other end of the winding 3 is connected to earth . One end of the secondary winding of the transformer 20 is via a current measurement Resistor 22 connected to earth. To measure the excitation current of the electromagnet, the voltage drop across the resistor 22 is tapped at the terminals 23. The Hall probe 19 is fed via terminals 24 with a constant current of 50 mA. This results in a voltage of 30 mV for an induction in the air gap of 0.6 T at the terminals 25.
  • Measuring instruments indicating the peak value can be connected to the terminals 23 and 25, but the processes are more manageable if the terminals 23 and 25 are connected to the vertical inputs of a two-channel oscilloscope whose horizontal deflection is synchronized with the mains frequency.
  • the winding 3 was subjected to a half-wave current of 0.7 A peak value, with no saturation of the soft iron parts 4, 5, 6 and 9 yet.
  • the peak value of the voltage emitted by the Hall probe 19 at the terminals 25 was 23 mV, corresponding to a magnetic induction of 0.46 T.
  • the permanent magnet 2 was inserted between the legs 5 and 6 and the excitation current of the electromagnet was set so that the Hall probe 19 again provided a voltage at the terminals 25 with a peak value of 23 mV corresponding to a magnetic induction of 0.46 T.
  • the peak value of the required magnetizing current was now only 0.4 A, which means a reduction of 43%.
  • a comparison of the peak-to-peak values of the AC voltage on winding 3 in both cases showed only a slight decrease from 65 V to 62 V.
  • the Hall probe 19 supplied a voltage at the terminals 25 with a peak value of 32 mV, corresponding to an induction of 0.64 T.
  • the permanent magnet 2 was then inserted into the magnet arrangement and the new measured values were determined without changing the setting of the variable transformer 20.
  • the peak-to-peak value of the voltage on the winding 3 was 85 V in both cases.
  • the peak value of the magnetizing current decreased to 0.7 A, ie by 50%, whereas the peak value of that from the Hall probe 19 at the terminals 25 supplied voltage rose to 42 mV, which means that the magnetic induction, whose saturation had previously started at 0.64 T, now increased to 0.84 T, ie increased by around 30%.
  • a magnet arrangement according to the invention in all those cases in which the magnetic flux or the magnetic induction of a magnet system must be switchable or changeable between approximately zero and a maximum value, such as solenoids, relays, rotating electrical machines and the like.
  • magnetic filter devices for separating ferro to mention magnetic material consisting of particles from a flow medium.
  • a matrix of wires made of ferromagnetic material is provided in the path of the flow medium, which wires can be magnetized by an external electromagnet. During a deposition phase, the wires are magnetized as strongly as possible and thereby hold ferromagnetic particles from the flow medium.
  • the matrix is loaded with deposited particles and must be removed from the deposits during a subsequent cleaning phase by switching off the magnetization and flushing the matrix of wires with a rinsing liquid, thereby removing the previously held ferromagnetic particles.
  • the outer electromagnet can advantageously be replaced by a magnet arrangement according to the invention, as is shown, for example, in FIG. 1.
  • FIG. 5 An arrangement as shown in FIG. 5 is also conceivable for these and other purposes, a permanent magnet 27 being arranged next to a rod or wire 26 made of soft magnetic material, the poles of which outside the ends of a winding 28 on the rod or wire 26 concerns.
  • the winding 28 surrounds both the core of the electromagnet formed by the rod or wire 26 and the permanent magnet 27. It is essential here that the rod or wire 26 extends beyond the permanent magnet 27 in the longitudinal direction at both ends.
  • FIG. 6 shows the magnetization line of the soft magnetic material of a magnetic circuit, which can be formed, for example, by parts 4, 5, 6 and 9 according to FIG. 1 and which represents an electromagnet when current passes through the winding 3.
  • the magnetic flux can run either clockwise or counterclockwise depending on the electrical excitation, and the magnetization curve is completely symmetrical with respect to the origin of the coordinate system.
  • FIG. 7 is intended to indicate the change in the magnetic circuit as is caused by inserting the permanent magnet 2 into the magnet arrangement shown in FIG. 1. This can be thought of as a parallel shift of the magnetization line by the amount of the permanent field, which leads to the working characteristic 30. If it is possible to raise the upper limit of the magnetic induction of B 0 in the diagram in FIG. 6 to a value 2 B 0 in the diagram in FIG. 7, the new magnet arrangement with an inserted permanent magnet is compared to an equally large and equally excited one Electromagnet a quadrupling of the lifting force can be achieved.
  • FIG. 8 This is shown in Fig. 8, in which the lifting force F is plotted as a function of the excitation current I of the electromagnet.
  • the dashed curve 31 shows the course of the lifting force of an electromagnet, which is symmetrical with respect to the axis of ordinate, the lifting force being independent of the direction of the current and dependent only on the current strength, and in the case of small current strengths the known square dependence of the lifting force on the exciter Current is available, whereas with very large currents due to the magnetic saturation of the ferromagnetic material, a further increase in the lifting force can no longer be achieved.
  • Curve 32 shows the course for a magnet arrangement according to the invention, which course also depends on the direction of the magnetizing current, whereby in the case of the additive combination of the magnetic fluxes of the electromagnet and permanent magnet in the outer magnetic circuit with the same flux components from the electromagnet and from the permanent magnet according to FIG. 7 a doubling of the magnetic flux compared to excitation by the electromagnet alone and thus a quadrupling of the lifting force can be achieved.
  • FIG. 9 shows a conventional rectifier circuit with a mains transformer 33, rectifier bridge 34, filter choke 35, charging capacitor 36, filter capacitor 37 and a consumer 38.
  • the winding of the choke 35 has a pulsating direct current flowing through it, or, in other words, a small one A large direct current J 0 is superimposed on alternating current.
  • the utilization of the mass of the iron core can now be improved by the invention.
  • An embodiment of the throttle is shown in FIG. 10.
  • the iron core 36 of this choke carries a winding 37 and has an air gap 38 outside the winding.
  • the air gap is intended to bring about a linearization of the effective magnetization line of the overall arrangement by shearing the magnetization line, the occurrence of magnetic saturation is thereby to be avoided and finally the influence of tolerances of the physical properties of the Core material reduced, so that the self-induction values of the individual chokes differ only slightly from a predetermined setpoint.
  • a permanent magnet 39 resting on the "pole pieces" of the choke 35, the desired effect can again be achieved, by means of which a better utilization of the iron core cross section is made possible.
  • the type according to FIG. 10 with the permanent magnet 39 or the type shown in FIG. 11 is more favorable, a disc-shaped permanent magnet 40 being arranged in the air gap of the iron core 36.
  • Fig. 12 shows the usual conditions on a screen throttle without using a permanent magnet. It can be seen that the current fluctuations make up only a fraction, for example 10%, of the direct current flowing through the winding of the choke. Most of the iron cross-section of the choke is therefore necessary to absorb the magnetic flux ⁇ 0 caused by the direct current J 0 .
  • screen chokes are usually dimensioned for economic reasons so that work is already being done in the curved part of the magnetization line. This means that the maximum self-induction is no longer available due to the DC bias.
  • the operating point can now be moved in the vicinity of the origin of the magnetization line or at least in a region of slight curvature of the magnetization line, despite the direct current flowing through the winding 37 of the choke 35, as shown in FIG. 13.
  • the maximum self-induction of the throttle is available for the sieving effect the cross section of the iron core 36 can be made smaller.
  • FIG. 14 shows the ignition circuit for an Otto engine, in which the voltage of an accumulator 43 is periodically connected to the primary winding of an ignition coil 41 via an interrupter 42. Spark plugs 45, of which only one is shown in the drawing, can be connected to the secondary winding of the ignition coil 41 via a distributor 44. From the type of feeding the primary winding of the ignition coil 41, it is readily apparent that the magnetization of the iron core of the ignition coil only fluctuates between zero and a maximum value in one and the same magnetization direction, i.e. only half of the useful part of the magnetization line is actually used, which is what corresponds to an energy utilization of the iron core of 25%. In this case, too, the invention provides a remedy by modifying the iron core in the manner shown in FIG. 15.
  • a rod-shaped laminated iron core which carries a secondary winding 49 and a primary winding 50, is thus arranged in a metal cup 46 between an insulator 47 carrying the electrical connections and a bottom-side insulating brick 48.
  • the iron core is divided into two parts 51a and 51b, and a permanent magnet 52 is arranged between these two parts, and its pole faces bear against the end faces of the core parts facing it.
  • the core parts 51a and 51b are magnetized in such a direction that the North pole of the end face adjacent to the permanent magnet of one core part is a north pole and a south pole is formed on the end face of the other core part adjacent to the south pole of the permanent magnet 52.
  • FIG. 16 shows that in a conventional ignition coil only half of the magnetization line of the iron core can be used. If, on the other hand, a premagnetization of the iron core is effected in the opposite direction to the magnetization generated by flooding on the part of the primary winding, then an area of the magnetization line which is almost twice as large is available for the magnetic control of the iron core, as shown in FIG. 17.
  • the invention can also be used to advantage in rotating electrical machines. It should be borne in mind that in AC machines, a magnet arrangement according to the invention can only work with half waves of one and the same polarity. The number of magnet arrangements must be doubled for operation with half-waves of both polarities.
  • 18 schematically shows the formation of stator poles for an AC motor.
  • the rotor 53 is surrounded by a stator 54, the poles 55, 56 of which reach the rotor surface while maintaining an air gap.
  • Each stator pole carries a winding 57 and, according to the invention, a permanent magnet 58 is provided between adjacent stator poles 55 and 56.
  • the magnetic circuit is of the permanent magnet 58 is closed via the stator and no appreciable magnetic flux penetrates into the rotor 53 through the air gaps.
  • the windings 57 are subjected to the rated current, the superimposed magnetic fluxes of the permanent magnet 58 and the electromagnets formed by the pole parts 55 and 56 provided with windings 57 flow through the air gaps through the rotor 53.
  • the geometrically somewhat differently designed field poles 59, 60, 61 and 62 of the stator of a direct current motor can be equipped with permanent magnets 63, 64, 65 and 66 each bridging adjacent e-pole shoes, as shown in FIG. 19.
  • FIG. 20 A possible embodiment of a magnet arrangement according to the invention for a magnetic separator has already been explained with reference to FIG. 5.
  • a magnetic separator is shown in FIG. 20 with a modified embodiment of the magnet arrangement, which is located outside the separator container and thus outside the flow medium.
  • the separator container is provided with an inlet line 68 and an outlet line 69 on opposite end faces.
  • the container 67 is made of non-ferromagnetic material and is loosely filled with wires made of ferromagnetic material.
  • the outside of the container 67 is surrounded by an iron core 70, which can be rotationally symmetrical with respect to the axis passing through the feed line 68 and the discharge line 69.
  • the iron core 70 carries windings 71 and its yokes carrying the windings are bridged by permanent magnets 72.
  • the mode of operation of this embodiment of a magnet arrangement according to the invention is again that Unexcited state of the winding 71, the space of the container 67 is almost free of magnetic fields, whereas when current flows through the windings 71, the superimposed magnetic fluxes of the electromagnets and the permanent magnets are effective for flooding the wires made of ferromagnetic material present in the container 67. It is thus possible to switch between a cleaning phase without a magnetic field acting in the separator for rinsing the same and a deposition phase with a magnetic field acting in the separator.
  • FIG. 21 shows a torque-speed diagram of a test version of a direct current motor with a magnet arrangement according to the invention in the stator with three different field currents for the excitation of the electromagnet, each with and without a permanent magnet.
  • Hiebei apply curves 73, 74 and 75 for the interaction of the electromagnet and permanent magnet according to the invention at excitation currents of 0.4 A, 0.5 A and 0.6 A and curves 76, 77 and 78 for the generation of the stator field with the Electromagnets alone also with excitation currents of 0.4 A, 0.5 A and 0.6 A.
  • FIG. 22 is a torque-speed diagram for Comparison of a conventional DC motor and a DC motor equipped with a magnet arrangement according to the invention for generating fields in the stator.
  • Curves 79, 80 and 81 apply for field currents of 0.3 A, 0.4 A and 0.5 A and curves 82, 83 and 84 for a conventional motor for field currents of 0.4 A for the motor equipped according to the invention .0, 5 A or 0.6 A.
  • Field currents higher than 0.1 A were deliberately chosen for the conventional motor, although the superiority of the motor equipped according to the invention is clearly evident.
  • the motor equipped according to the invention requires less electrical energy for the generation of the stator field, is also very economical with regard to the cost of materials and delivers a higher output than the comparable conventional electric motor. If necessary, the very small remanent stator field of the electric motor equipped according to the invention can be used for idling at high speed with the electrical excitation of the stator switched off.
  • the magnetization curve 85 applies to the magnet arrangement with the electromagnet alone and the magnetization curve 86 applies to the magnet arrangement with the permanent magnet inserted. In the latter case, the remanence is somewhat higher than without a permanent magnet, but the magnetic induction can still be reduced to very small values by switching off the electromagnet.
  • a similar diagram is shown in FIG. 24, whereby efforts have been made to achieve the highest possible air gap induction with a still justifiable, economical material expenditure.
  • a favorable working point on the curve 87 with regard to material utilization and energy expenditure for the electromagnet which applies to the magnet arrangement according to the invention without a permanent magnet inserted, is at a magnetic induction of 0.53 T. With this excitation by a voltage of about 60 V on the winding of the With the permanent magnet used, electromagnets have a magnetic induction of 1 T in the air gap at the corresponding working point on curve 88. This corresponds to an increase in the magnetic induction by the controlling effect of the magnetic flux of the electromagnet on the magnetic flux of the permanent magnet by 88%.
  • the permanent magnet Since in the magnet arrangement according to the invention the permanent magnet is in a closed ferromagnetic circuit and since fully magnetized permanent magnets which are not in a closed ferromagnetic circuit suffer a weakening of their magnetization, it is expedient to magnetize the Make permanent magnets only after installation in a magnet arrangement according to the invention, for which purpose the electromagnet present in the magnet arrangement is suitable. Overloading the winding of the electromagnet can be accepted because the magnetization only takes place with short current pulses. With this type of magnetization, the permanent magnet no longer needs to be removed from the closed ferromagnetic circuit and its magnetization state is therefore no longer impaired by structural measures.
  • a combination of the magnetic fluxes of the permanent magnet and the excited electromagnet in the air gap of electrical machines preferably results in a magnetic induction of 0.8 to 1. 1 T generated because under these conditions at Use of conventional ferromagnetic materials and economical production, the advantages which can be achieved by the invention, such as material and weight savings and reduced energy expenditure, come to fruition.

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Abstract

Bei einer elektrischen Vorrichtung oder Maschine mit wenigstens einer einen Elektromagnet (1) und einen Permanentmagnet (2) aufweisenden Magnetanordnung liegt der Permanentmagnet (2) mit seinen Polflächen beiderseits der Wicklung (3) des Elektromagneten (1) am Kern (4, 5, 6) desselben an und die Enden des Kernes des Elektromagneten bilden oder tragen die Polschule (7, 8) der Magnetanordnung. Der Elektromagnet (1) wird in der Weise erregt, daß die Pole (N, S) des Permanentmagneten (2) den gleichnamigen Polen des Elektromagneten benachbart sind, wobei zur günstigen Nutzung von Material und zugeführter elektrischer Energie der Maximalwert des Erregerstromes des Elektromagneten (1) ausreichend, aber nicht größer ist, als zum Erreichen des ersten, praktischen Sättigungswertes der magnetischen Induktion in den Polenden des Kernes (4, 5, 6) der Magnetanordnung bei Abwesenheit des Permanentmagneten (2) erforderlich ist. Die Querschnittflache der Polschuhe (7, 8) hat eine solche Größe, daß bei Anwesenheit des Permanentmagneten (2) und voller Erregung des Elektromagneten (1) der doppelte Betrag der dem ersten, praktischen Sättigungswert entsprechenden magnetischen Induktion auftritt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung oder Maschine mit wenigstens einer einen Elektromagnet und einen Permanentmagnet aufweisenden Magnetanordnung, wobei der Permanentmagnet mit seinen Polflächen beiderseits der Wicklung des Elektromagneten am Kern desselben anliegt und die Enden des Kernes des Elektromagneten die Polschuhe der Magnetanordnung bilden oder tragen und wobei bezogen auf den erregten Zustand des Elektromagneten die Pole des Permanentmagneten den gleichnamigen Polen des Elektromagneten benachbart sind.
  • In einer solchen Magnetanordnung ist bei unerregtem Elektromagnet der magnetische Kreis für den Permanentmagnet über die Schenkel und das Joch des Elektromagneten geschlossen, so daß der von den Polschuhen der Magnetanordnung ausgehende äußere magnetische Fluß im wesentlichen Null ist. Bei zunehmender Erregung des Elektromagneten in dem Sinne, daß an den den Polen des Permanentmagneten benachbarten Enden des Kernes des Elektromagneten gleichnamige Pole entstehen, wird der magnetische Fluß durch die Polschuhe in den äußeren Kreis gedrängt und solcherart der magnetische Fluß des Elektromagneten dem magnetischen Fluß des Permanentmagneten überlagert.
  • Bisher wurde von den Fachleuten die Meinung vertreten, daß von der Anschlußstelle des Permanentmagneten am Kern des Elektromagneten bis zu den Polflächen der Polschuhe der Querschnitt der Schenkel der Magnetanordnung so groß dimensioniert werden müsse, daß bei Überlagerung des magnetischen Flusses des Permanentmagneten und des magnetischen Flusses des voll erregten Elektromagneten in diesen Abschnitten des magnetischen Kreises der erste, praktische Sättigungswert des Materials nicht überschritten wird. Bei Festhalten an dieser Ansicht kann zwar durch zusätzliche Verwendung eines Permanentmagneten elektrische Energie für die Erregung des Elektromagneten eingespart werden, die zur Erzielung eines gewünschten magnetischen Flusses erforderliche Materialmenge sowie die Größe und das Gewicht einer mit einer derartigen Magnetanordnung ausgestatteten elektrischen Vorrichtung oder Maschine können aber nicht herabgesetzt werden. Als erster, praktischer Sättigungswert wird im Elektromaschinenbau vielfach eine magnetische Induktion von 0,5 bis 0,7 T angenommen. Beim Überschreiten dieser Grenze wird im Elektromaschinenbau im allgemeinen der technische Aufwand unökonomisch.
  • Die Erfindung zielt darauf ab, den vorher erwähnten Nachteil der bekannten Magnetanordnung zu vermeiden. In von der Anmelderin angestellten Versuchen hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bei unbeeinträchtigter ökonomie die kombinierten magnetischen Flüsse des Permanentmagneten und des Elektromagneten auch ohne drastische Querschnittvergrößerung der Schenkel und Polschuhe der Magnetanordnung ausnützbar sind, und demgemäß besteht die Erfindung im wesentlichen darin, daß der Maximalwert des Erregerstromes des Elektromagneten ausreichend, aber nicht größer ist, als zum Erreichen des ersten, praktischen Sättigungswertes der magnetischen Induktion in den Polenden des Kernes der Magnetanordnung bei Abwesenheit des Permanentmagneten erforderlich ist.
  • Die erfindungsgemäße Magnetanordnung ist für alle elektromagnetischen Vorrichtungen und elektrischen Maschinen nützlich, bei welchen ein Magnetfeld mit hohen Induktionswerten erforderlich ist, insbesondere wenn das Magnetfeld zwischen Null und einem Maximalwert periodisch veränderbar sein soll.
  • Bei rotierenden elektrischen Maschinen kann die Erfindung im Stator und im Rotor oder nur in einem der beiden Teile angewendet werden.
  • Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich bei elektromagnetischen Vorrichtungen, wie Hubmagneten, Relais und magnetischen Separatoren zum Zurückhalten und Absondern ferromagnetischer Teilchen aus Strömungsmedien. Eine besonders gute Ausnützung des Magnetkreises ist dadurch erzielbar, daß die Querschnittfläche der Polschuhe bzw. der Enden des Kernes des Elektromagneten eine solche Größe hat, daß bei voller Erregung des Elektromagneten der doppelte Betrag der dem ersten, praktischen Sättigungswert entsprechenden magnetischen Induktion auftritt.
  • Zweckmäßig ist die Anordnung so getroffen, daß der Querschnitt der Polschuhe kleiner ist als die Summe aus dem Querschnitt, der beim ersten, praktischen Sättigungswert zum Leiten des magnetischen Flusses des voll erregten Elektromagneten allein, und dem Querschnitt, der beim ersten praktischen Sättigungswert zum Leiten des magnetischen Flusses des Permanentmagneten allein erforderlich ist.
  • Eine ökonomische Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn der Querschnitt der Polschuhe gleich oder kleiner als zwei Drittel und größer als ein Drittel, vorzugsweise zwei Drittel der Summe der Querschnitte ist.
  • Bei einer günstigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder Maschine ist der Querschnitt des die Wicklung tragenden Joches des Elektromagneten dem Querschnitt des Permanentmagneten in magnetischer Hinsicht angepaßt, so daß das Joch des unerregten Elektromagneten durch den magnetischen Fluß des Permanentmagneten annähernd auf dem ersten, praktischen Sättigungswert gesättigt ist. Dadurch ist der magnetische Kreis des an den Schenkeln bzw. Polschuhen des Elektromagneten unmittelbar anliegenden Permanentmagneten über die Schenkel und das Joch des unerregten Elektromagneten geschlossen und aus den Polflächen der Polschuhe der Magnetanordnung tritt kein nennenswerter magnetischer Fluß in den äußeren magnetischen Kreis aus, zumal der äußere magnetische Kreis bei rotierenden elektrischen Maschinen auf jeden Fall, aber auch bei den meisten anderen elektrischen Vorrichtungen und Maschinen einen den magnetischen Widerstand vergrößernden Luftspalt aufweist. Eine Erregung des Elektromagneten bewirkt im Joch einen dem vom Permanentmagneten verursachten magnetischen Fluß entgegengerichteten Fluß und es kommt dann durch die Überlagerung beider Flüsse ein magnetischer Fluß im äußeren magnetischen Kreis zustande.
  • Der optimale Effekt der Magnetanordnung ist erzielbar, wenn im Betrieb der Elektromagnet zum Liefern eines dem magnetischen Fluß des Permanentmagneten etwa gleichen magnetischen Flusses erregt ist. Wenn solcherart der voll erregte Elektromagnet und der Permanentmagnet annähernd gleiche Beiträge zum gesamten magnetischen Fluß liefern, ist der magnetische Fluß im äußeren Kreis zwischen nahezu Null und annähernd dem doppelten Wert des vom Permanentmagneten gelieferten magnetischen Flusses steuerbar.
  • Die magnetische Energie ist dem Quadrat des magnetischen Flusses bzw. der magnetischen Induktion proportional. Zur Illustration wird auf nachstehende, in der Praxis verwendete Näherungsformel für die Tragkraft eines Hubmagneten verwiesen:
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    worin A die Polfläche in m2, B die magnetische Induktion in T und F die Tragkraft in N bedeuten. Die magnetische Induktion eines mit Gleichstrom zu betreibenden Hubmagneten braucht nur zwischen Null und einem möglichst großen Wert in einer einzigen Magnetisierungsrichtung geändert zu werden und hiebei ist die Erfindung zum Einsparen von elektrischer Energie und Materialaufwand für die den magnetischen Fluß leitenden Teile der Magnetanordnung sowie deren Kupferwicklung vorteilhaft anwendbar. Theoretisch ist mit dem gleichen Erregerstrom wie für einen Elektromagneten ohne zusätzlichen Permanentmagnet durch die Erfindung eine Verdoppelung des magnetischen Flusses und somit die vierfache Tragkraft erzielbar. In durchgeführten Versuchen wurde mit der erfindungsgemäßen Magnetanordnung bei gleichem Erregerstrom wie für eine entsprechende Anordnung ohne Permanentmagnet eine Erhöhung des magnetischen Flusses um 60 % erreicht.
  • In Filtereinrichtungen zum Absondern von aus ferromagnetischem Material bestehenden Teilchen aus Strömungsmedien finden lose Bündel von Stäben oder Drähten aus ferromagnetischem Material Verwendung, die während eines Abscheidezyklus stark magnetisierbar sind, um Teilchen magnetisch anzuziehen und festzuhalten, und die während eines nachfolgenden Spülzyklus entmagnetisiert sind. Eine hiefür geeignete erfindungsgemäße Magnetanordnung besteht aus je einem Weicheisenstab und einem parallel zu diesem angeordneten stabförmigen Permanentmagnet, welche beide von einer Wicklung umgeben sind, wobei die Pole des Permanentmagneten außerhalb der Enden der Wicklung am Weicheisenstab anliegen. Eine andere Möglichkeit besteht bei Beibehaltung einer Matrix von Weicheisendrähten in der erfindungsgemäßen Ausbildung des das Drahtbündel umgebenden äußeren Magnetsystems mit Permanentmagnet und Elektromagnet.
  • Die Erfindung ist auch in rotierenden elektrischen Maschinen vorteilhaft einsetzbar. Hiebei ist zu berücksichtigen, daß für Magnetkreise der Maschine, welche ein konstantes oder pulsierendes Gleichfeld erzeugen sollen, die erfindungsgemäße Magnetanordnung ohne weiteres anwendbar ist, wogegen in beiden Magnetisierungsrichtungen zu betreibende Magnetkreise der Maschine mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung nur in einer Halbwelle betrieben werden können, so daß für einen Vollwellenbetrieb zwei erfindungsgemäße Magnetanordnungen erforderlich sind. Auf Grund der durct die Erfindung theoretisch möglichen Vergrößerung der magnetischen Energie um den Faktor Vier ist aber auch im Falle einer notwendigen Verdoppelung der Anzahl der Magnetanordnungen und demnach Halbierung des Faktors Vier auf einen Wert Zwei noch immer eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Magnetanordnungen gegeben. Bezogen auf den Aufwand an Eisen und Kupfer ist beispielsweise bei einem Elektromotor durch die Anwendung der Erfindung eine Verdoppelung des Drehmomentes gegenüber einem herkömmlichen Motor möglich, wobei außerdem infolge der geringeren Eisenmasse die durch Änderung der Magnetisierung bedingten sogenannten Eisenverluste herabgesetzt sind.
  • Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung ist bei Zündspulen für Brennkraftmaschinen gegeben, in deren Primärstromkreis im Betrieb ein Gleichstrom ein- und ausgeschaltet wird, so daß bei einer herkömmlichen Zündspule nur in einem Quadranten der Magnetisierungslinie des magnetischen Kreises gearbeitet wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der weichmagnetische, insbesondere stabförmige Kern der Zündspule an einer Stelle unterbrochen und an dieser Stelle ist ein Permanentmagnet eingefügt, der mit seinen Polen an den beiden Kernteilen anliegt. Alternativ kann wenigstens an einem Ende des Kernes ein Permanentmagnet mit einem seiner beiden Pole anliegen. Hiebei wird für eine Magnetisierung des Kernes durch den Primärstrom im ersten Quadranten der Magnetisierungslinie mit Hilfe des Permanentmagneten eine "Vorspannung" in den dritten Quadranten bewirkt, wodurch ein größerer Bereich der Magnetisierungslinie ausnützbar wird, so daß zur Erzielung der gleichen Sekundärspannung wie bei einer herkömmlichen Zündspule die erfindungsgemäße Zündspule kleiner gebaut werden kann (kleinerer Kern und/oder geringere Sekundär-Windungszahl).
  • Weitere Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit dem Vorteil einer Verringerung des Material- und/oder Energieaufwandes liegen auf dem Gebiet der Teilchenbeschleuniger, wie Betatrons, Ionen- und Plasmabeschleuniger.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Magnetanordnung für eine elektrische Vorrichtung oder Maschine,
    • Fig. 2 eine Versuchsanordnung zum Messen der Verteilung der magnetischen Induktion in einem Luftspalt,
    • Fig. 3 ein Diagramm von mit der Anordnung gemäß Fig. 2 erhaltenen Meßwerten,
    • Fig. 4 eine Versuchsanordnung zur Untersuchung einer Magnetanordnung mit Wechselstromhalbwellen,
    • Fig. 5 eine weitere Magnetanordnung,
    • die Fig. 6, 7 und 8 Diagramme zur Erklärung der wesentlichen Eigenschaften der Erfindung,
    • Fig. 9 eine Gleichrichterschaltung mit Siebkette,
    • die Fig. 10 und 11 Ausführungsformen einer Drossel für eine solche Siebkette und
    • die Fig. 12 und 13 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Drossel,
    • Fig. 14 das Prinzip der Zündschaltung für einen Otto-Motor,
    • Fig. 15 eine erfindungsgemäß ausgebildete Zündspule hiefür und
    • die Fig. 16 und 17 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Zündspule,
    • Fig. 18 die erfindungsgemäße Ausbildung eines Statormagnetpaares für eine Wechselstrommaschine,
    • Fig. 19 die erfindungsgemäße Ausbildung der Statormagnete einer Gleichstrommaschine,
    • Fig. 20 einen magnetischen Separator,
    • Fig. 21 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm eines Gleichstrommotors bei drei verschiedenen Feldströmen jeweils mit und ohne Permanentmagnet,
    • Fig. 22 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm zum Vergleich eines herkömmlichen Gleichstrommotors und eines mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung zur Felderzeugung ausgestatteten Gleichstrommotors,
    • Fig. 23 ein Diagramm der mit und ohne Permanentmagnet in Abhängigkeit vom Feldstrom erzielten Luftspaltinduktion bei einer ersten Versuchsausführung einer erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine und
    • Fig. 24 ein ähnliches Diagramm der mit und ohne Permanentmagnet in Abhängigkeit von der Speisespannung der Feldspule erzielten Luftspaltinduktion einer zweiten Versuchsausführung einer erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Magnetanordnung weist einen Elektromagnet 1 und einen Permanentmagnet 2 auf. Der Elektromagnet besitzt ein mit einer Wicklung 3 versehenes Joch 4 aus ferromagnetischem Material. An jeder der beiden Stirnflächen des Joches 4 liegt ein Schenkel 5 bzw. 6 aus ferromagnetischem Material dicht an. Die freien Enden der Schenkel 5 und 6 stellen Polschuhe 7 bzw. 8 dar. In Fig. 1 ist jeder Polschuh mit dem zugehörigen Schenkel einstückig dargestellt. Selbstverständlich könnten aber auch gesonderte Polschuhe aus einem vom Material der Schenkel abweichenden ferromagnetischen Material und bzw. oder mit einer besonderen geometrischen Form stumpf an den Schenkelenden anliegen. Der Permanentmagnet 2 ist zwischen den Schenkeln 5 und 6 des Elektromagneten an diesen mit seinen Stirnflächen dicht anliegend eingesetzt. Gegenüber den Polflächen der Polschuhe 7 und 8 der Magnetanordnung befindet sich ein Anker 9 aus ferromagnetischem Material, wobei zwischen den Polflächen und dem Anker beiderseits ein Luftspalt 10 bzw. 11 vorhanden ist. Ein solcher Luftspalt ist bei rotierenden elektrischen Maschinen mit gegeneinander bewegten Teilen unbedingt erforderlich, vielfach ist aber auch bei sonstigen elektromagnetischen Vorrichtungen ein mit nicht ferro- oder paramagnetischem Material ausgefüllter Arbeitsspalt vorhanden, um beispielsweise ein Haftenbleiben ("Kleben") des Ankers am Elektromagneten durch einen remanenten magnetischen Fluß oder Streufluß zu verhindern.
  • Der Querschnitt des Joches 4 ist unter Berücksichtigung der magnetischen Eigenschaften.seines Materials der Arbeitsinduktion des Permanentmagneten 2 angepaßt, so daß das Joch des unerregten Elektromagneten 1 durch den magnetischen Fluß des Permanentmagneten 2 annähernd gesättigt ist. Somit kann der gesamten magnetische Fluß des Permanentmagneten 2 durch die Schenkel 5, 6 und das Joch 4 gelangen und in dem den Anker 9 enthaltenden äußeren magnetischen Kreis, der infolge des Vorhandenseins von Luftspalten 10 und 11 einen erhöhten magnetischen Widerstand aufweist, tritt durch den Magnetismus des Permanentmagneten 2 allein kein nennenswerter magnetischer Fluß auf. Bei einer Erregung des Elektromagneten 1 mittels Stromdurchganges durch seine Wicklung 3 in einem solchen Sinne, daß bei der Darstellung gemäß Fig. 1 in gleicher Weise wie beim Permanentmagneten 2 ebenfalls am linken Ende des Joches 4 ein Nordpol und am rechten Ende des Joches 4 ein Südpol entsteht, wird der vom Permanentmagneten 2 herrührende magnetische Fluß im Joch 4 und in den von den Polschuhen 7 und 8 abgewandten Bereichen der Schenkel 5 bzw. 6 in Abhängigkeit von der Feldstärke des Elektromagneten 1 mehr oder weniger unterdrückt und auf diese Weise in den den Anker 9 enthaltenden äußeren magnetischen Kreis gedrängt. Unter Berücksichtigung der vorstehend angegebenen Dimensionierung des Jochquerschnittes liefern bei der stärksten sinnvollen Erregung des Elektromagneten 1 dieser und der Permanentmagnet 2 annähernd gleiche Anteile magnetischen Flusses in den äußeren magnetischen Kreis.
  • Bisher herrschte in der Fachwelt die Meinung, daß zur Ermöglichung der additiven Überlagerung der magnetischen Flüsse des Elektromagneten 1 und des Permanentmagneten 2 die Querschnitte der Polschuhe 7 und 8 so groß dimensioniert werden müßten, daß eine Sättigung des Polschuhmaterials unter den vorerwähnten Bedingungen nicht erreicht wird. Es wurde aber nun gefunden, daß eine derartige Überdimensionierung der Polschuhquerschnitte nicht erforderlich ist. Bei Verwendung der in Fig. 1 schematisch dargestellten Magnetanordnung als Hubmagnet könnte bei Verwendung des Elektromagneten 1 allein (ohne den eingesetzten Permanentmagneten 2) oder bei Verwendung des gleich starken Permanentmagneten 2 allein (ohne das eingesetzte Joch 4) auf den Anker 9 eine bestimmte Tragkraft ausgeübt werden. Bei kombinierter Verwendung beider Magnete kann durch Verdoppelung des magnetischen Flusses theoretisch die vierfache Tragkraft erreicht werden und analoges gilt für das erzielbare Drehmoment einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei auf Grund der Erkenntnisse der Anmelderin der auf gleiche magnetische Eigenschaften bezogene Querschnitt der Polschuhe 7, 8 nicht größer dimensioniert zu werden braucht als der Querschnitt des Joches 4 des Elektromagneten 1. Dieser überraschende und noch nicht völlig geklärte Umstand beruht möglicherweise auf unterschiedlichen "Generatoreigenschaften" eines Elektromagneten einerseits und eines Permanentmagneten anderseits als Magnetfelderzeuger. Gegenüber der Erzeugung eines in seiner Stärke veränderbaren Magnetfeldes einer einzigen Magnetisierungsrichtung mittels eines Elektromagneten allein ist durch die erfindungsgemäße Anordnung nicht nur eine Energieersparnis, sondern auch eine Materialersparnis erzielbar.
  • In Fig. 2 ist eine Versuchsanordnung zum Messen der Verteilung der magnetischen Induktion im Luftspalt einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung dargestellt. Hiebei sind 12 und 13 die Pole eines im übrigen nicht dargestellten großen Elektromagneten. Der für die Probe nicht benötigte Bereich des Abstandes zwischen den Polflächen des Elektromagneten wurde durch ein Bündel 14 von Transformatorblechen mit reichlich bemessenem Gesamtquerschnitt überbrückt. An dieses Bündel 14 wurde ein Polschuh 15 angefügt, dessen gegen den Pol 13 des Elektromagneten vorspringender Bereich 16 seiner rechten Stirnfläche einen Luftspalt 17 mit einem Querschnitt von 12,7 x 31,75 mm2 begrenzt. Im unteren, größeren Bereich war ein Permanentmagnet 18 mit quadratischem Querschnitt und einer Seitenlänge von 25,4 mm sowie einer Länge von 6,35 mm eingesetzt, der mit einer Polfläche am Pol 13 des Elektromagneten und mit der anderen Polfläche am Polschuh 15 dicht anlag. Die Verteilung der magnetischen Induktion im Luftspalt 17 wurde mit einer kleinen Hall-Sonde ausgemessen, wobei sich bei einer bestimmten Erregung des Elektromagneten die im Diagramm der Fig. 3 dargestellte gleichförmige Verteilung der Induktion ergab.
  • In Fig.4 ist eine Meßanordnung zur Untersuchung einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit technischem Wechselstrom im Halbwellenbetrieb dargestellt. Untersucht wurde eine Magnetanordnung gemäß Fig. 1, wobei die mittlere magnetische Weglänge im Joch 4 (einschließlich des Anteils der Breite der Schenkel 5, 6) 55 mm und in den Schenkeln 5, 6 je 65 mm betrug . Der Querschnitt des Joches, der Schenkel und des Ankers 9 hatte die Größe 17,5 mm x 6,3 mm. Jeder Luftspalt 10, 11 hatte eine Länge von 0,25 mm und in einem dieser Luftspalte war eine Hall-Sonde 19 zum Messen der magnetischen Induktion angeordnet. Die Wicklung 3 hatte 1000 Windungen.
  • Zum beliebigen Verringern der Netzspannung dient ein Stell-Trenntransformator 20. Da die Magnetisierung des Elektromagneten nur in einer Richtung sinnvoll ist, liegt zwischen dem Abgriff des Transformators 20 und einem Ende der Wicklung 3 eine Diode 21. Das andere Ende der Wicklung 3 liegt an Erde. Ein Ende der Sekundärwicklung des Transformators 20 ist über einen eine Strommessung ermöglichenden Widerstand 22 mit Erde verbunden. Zum Messen des Erregerstromes des Elektromagneten wird der Spannungsabfall am Widerstand 22 an den Klemmen 23 abgegriffen. Die Hall-Sonde 19 wird über Klemmen 24 mit einem konstanten Strom von 50 mA gespeist. Dabei ergibt sich für eine Induktion im Luftspalt von 0,6 T an den Klemmen 25 eine Spannung von 30 mV. An die Klemmen 23 und 25 können den Spitzenwert anzeigende Meßinstrumente angeschlossen werden, besser überschaubar sind die Vorgänge jedoch, wenn die Klemmen 23 und 25 mit den Vertikaleingängen eines Zweikanaloszilloskops verbunden werden, dessen Horizontalablenkung mit der Netzfrequenz synchronisiert ist.
  • Zunächst wurde ohne in der Magndanordnung vorhandenen Permanentmagnet 2 die Wicklung 3 mit einem Halbwellenstrom von 0,7 A Scheitelwert beaufschlagt, wobei noch keine Sättigung der Weicheisenteile 4, 5, 6 und 9 auftrat. Der Scheitelwert der von der Hall-Sonde 19 an den Klemmen 25 abgegebenen Spannung betrug 23 mV, entsprechend einer magnetischen Induktion von 0,46 T.
  • Danach wurde der Permanentmagnet 2 zwischen die Schenkel 5 und 6 eingefügt und der Erregerstrom des Elektromagneten so eingestellt, daß die Hall-Sonde 19 an den Klemmen 25 wieder eine Spannung mit einem Scheitelwert von 23 mV entsprechend einer magnetischen Induktion von 0,46 T lieferte. Der Scheitelwert des erforderlichen Magnetisierungsstromes betrug nun nur noch 0,4 A, was eine Verringerung um 43 % bedeutet. Ein Vergleich der Spitze-Spitze-Werte der Wechselspannung an der Wicklung 3 in beiden Fällen zeigte nur eine geringfügige Abnahme von 65 V auf 62 V.
  • Danach wurde der Magnetisierungsstrom bis zur Erreichung der Sättigung erhöht. Ohne eingesetzten Permanentmagnet 2 wurde dabei ein Scheitelwert des Stromes von 1,4 A gemessen. Die Hall-Sonde 19 lieferte an den Klemmen 25 eine Spannung mit einem Scheitelwert von 32 mV, entsprechend einer Induktion von 0,64 T.
  • Danach wurde der Permanentmagnet 2 in die Magnetanordnung eingesetzt und die neuen Meßwerte wurden ohne Veränderung der Einstellung des Stelltransformators 20 bestimmt. Der Spitze-Spitze-Wert der Spannung an der Wicklung 3 betrug in beiden Fällen 85 V. Der Scheitelwert des Magnetisierungsstromes verringerte sich auf 0,7 A, also um 50 %, wogegen der Scheitelwert der von der Hall-Sonde 19 an den Klemmen 25 gelieferten Spannung auf 42 mV anstieg, was bedeutet, daß die magnetische Induktion, deren Sättigung vorher bei 0,64 T eingesetzt hatte, sich nun auf 0,84 T erhöhte, also um rund 30 % zunahm.
  • Im letzteren Fall zeigte sich im Zusammenwirken von Permanentmagnet und Elektromagnet eine Erhöhung des Magnetisierungsstromes des Magneten allein innerhalb vernünftiger Grenzen ohne Vorhandensein des Permanentmagneten nicht erreichbar war.
  • Unter den vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung in allen jenen Fällen, in welchen der magnetische Fluß bzw. die magnetische Induktion eines Magnetsystems zwischen etwa Null und einem Maximalwert schaltbar bzw. veränderbar sein muß, wie Hubmagnete, Relais, rotierende elektrische Maschinen u.dgl., sind auch magnetische Filtervorrichtungen zum Absondern von aus ferromagnetischem Material bestehenden Teilchen aus einem Strömungsmedium zu erwähnen. Hiebei ist im Weg des Strömungsmediums eine Matrix von Drähten aus ferromagnetischem Material vorgesehen, welche Drähte von einem äußeren Elektromagneten magnetisierbar sind. Während einer Abscheidungsphase sind die Drähte möglichst stark magnetisiert und halten dadurch ferromagnetische Teilchen aus dem Strömungsmedium fest. Am Ende der Abscheidungsphase ist die Matrix mit abgeschiedenen Teilchen beladen und muß während einer anschließenden Reinigungsphase von den Ablagerungen befreit werden, indem die Magnetisierung abgeschaltet und die Matrix von Drähten mit einer Spülflüssigkeit gespült wird, wodurch die vorher festgehaltenen ferromagnetischen Teilchen entfernt werden. Bei einer solchen Filtervorrichtung kann der äußere Elektromagnet vorteilhaft durch eine erfindungsgemäße Magnetanordnung ersetzt werden, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist.
  • Denkbar ist aber auch für diesen und andere Zwecke eine Anordnung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, wobei neben einem Stab oder Draht 26 aus weichmagnetischem Material ein Permanentmagnet 27 angeordnet ist, dessen Pole außerhalb der Enden einer Wicklung 28 an dem Stab oder Draht 26 anliegen. Die Wicklung 28 umgibt hiebei sowohl den vom Stab oder Draht 26 gebildeten Kern des Elektromagneten als auch den Permanentmagneten 27. Wesentlich ist es hiebei, daß der Stab oder Draht 26 den Permanentmagnet 27 in Längsrichtung an beiden Enden überragt.
  • Eine Deutung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Magnetanordnung kann an Hand der Fig. 6, 7 und 8 gegeben werden. Fig. 6 zeigt die Magnetisierungslinie des weichmagnetischen Materials eines magnetischen Kreises, der beispielsweise von den Teilen 4, 5, 6 und 9 gemäß Fig. 1 gebildet sein kann und der bei Stromdurchgang durch die Wicklung 3 einen Elektromagnet darstellt. Hiebei gibt es keine bevorzugte Magnetisierungsrichtung, der magnetische Fluß kann je nach der elektrischen Erregung entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn verlaufen und die Magnetisierungskurve ist bezüglich des Ursprunges des Koordinatensystems völlig symmetrisch.
  • Fig. 7 soll die Veränderung des magnetischen Kreises andeuten, wie sie durch Einsetzen des Permanentmagneten 2 in die in Fig. 1 dargestellte Magnetanordnung hervorgerufen wird. Man kann sich dies als eine Parallelverschiebung der Magnetisierungslinie um den Betrag des Permanentfeldes vorstellen, wodurch man zu der Arbeitskennlinie 30 gelangt. Wenn es hiebei gelingt, die obere Grenze der magnetischen Induktion von B0 im Diagramm der Fig. 6 auf einen Wert 2 B0 im Diagramm der Fig. 7 anzuheben, ist mit der neuen Magnetanordnung mit eingefügtem Permanentmagnet gegenüber einem gleich großen und gleich stark erregten Elektromagnet eine Vervierfachung der Hubkraft erzielbar.
  • Dies ist in Fig. 8 dargestellt, in welcher die Hubkraft F in Abhängigkeit vom Erregerstrom I des Elektromagneten aufgetragen ist. Die strichlierte Kurve 31 zeigt den bezüglich der Ordinatenachse symmetrischen Verlauf der Hubkraft eines Elektromagneten, wobei die Hubkraft von der Stromrichtung unabhängig und nur von der Stromstärke abhängig ist und wobei bei kleinen Stromstärken die bekannte quadratische Abhängigkeit der Hubkraft vom Erregerstrom vorhanden ist, wogegen bei sehr großen Stromstärken infolge der magnetischen Sättigung des ferromagnetischen Materials eine weitere Erhöhung der Hubkraft nicht mehr erzielbar ist. Die Kurve 32 zeigt den Verlauf für eine erfindungsgemäße Magnetanordnung, welcher Verlauf auch von der Richtung des Magnetisierungsstromes abhängig ist, wobei im Falle der additiven Kombination der magnetischen Flüsse von Elektromagnet und Permanentmagnet im äußeren magnetischen Kreis bei gleichen Flußanteilen vom Elektromagnet und vom Permanentmagnet entsprechend Fig. 7 eine Verdoppelung des magnetischen Flusses gegenüber Erregung durch den Elektromagnet allein und somit eine Vervierfachung der Hubkraft erzielbar ist.
  • Fig. 9 zeigt eine übliche Gleichrichterschaltung mit Netztransformator 33, Gleichrichterbrücke 34, Siebdrossel 35, Ladekondensator 36, Siebkondensator 37 und einem Verbraucher 38. In einer derartigen Gleichrichterschaltung ist die Wicklung der Drossel 35 von einem pulsierenden Gleichstrom durchflossen, oder, anders ausgedrückt, einem kleinen Wechselstrom ist ein großer Gleichstrom J0 überlagert. Die Ausnützung der Masse des Eisenkernes kann nun durch die Erfindung verbessert werden. Eine Ausführungsform der Drossel ist in Fig. 10 dargestellt. Der Eisenkern 36 dieser Drossel trägt eine Wicklung 37 und weist außerhalb der Wicklung einen Luftspalt 38 auf. Der Luftspalt soll durch Scherung der Magnetisierungslinie eine Linearisierung der wirksamen Magnetisierungslinie der Gesamtanordnung herbeiführen, es soll dadurch das Auftreten einer magnetischen Sättigung vermieden werden und schließlich wird dadurch in der Serienfabrikation der Einfluß von Toleranzen der physikalischen Eigenschaften des Kernmaterials verringert, so daß die Selbstinduktionswerte der einzelnen Drosseln nur wenig von einem vorgegebenen Sollwert abweichen. Durch Vorsehen eines an den "Polschuhen" der Drossel 35 anliegenden Permanentmagneten 39 kann wieder der gewünschte Effekt erreicht werden, durch welchen eine bessere Ausnützung des Eisenkernquerschnittes ermöglicht wird. Je nach den Eigenschaften des Permanentmagnetmaterials ist die Bauart gemäß Fig. 10 mit dem Permanentmagnet 39 oder die in Fig. 11 gezeigte Bauart günstiger, wobei ein scheibenförmiger Permanentmagnet 40 im Luftspalt des Eisenkernes 36 angeordnet ist.
  • Fig. 12 zeigt übliche Verhältnisse an einer Siebdrossel ohne Verwendung eines Permanentmagneten. Man sieht, daß die Stromschwankungen nur einen Bruchteil, beispielsweise 10 %, des durch die Wicklung der Drossel fließenden Gleichstromes ausmachen. Der größte Teil des Eisenquerschnittes der Drossel ist daher für die Aufnahme des durch den Gleichstrom J0 hervorgerufenen magnetischen Flusses Φ0 erforderlich. Außerdem werden Siebdrosseln aus ökonomischen Gründen meist so bemessen, daß bereits im gekrümmten Teil der Magnetisierungslinie gearbeitet wird. Dies bedeutet, daß durch die Gleichstrom-Vormagnetisierung nicht mehr die maximale Selbstinduktion zur Verfügung steht. Durch.die erfindungsgemäße Anwendung eines Permanentmagneten kann nun der Arbeitspunkt trotz des durch die Wicklung 37 der Drossel 35 fließenden Gleichstromes in die Nähe des Ursprunges der Magnetisierungslinie oder doch zumindest in einen Bereich geringer Krümmung der Magnetisierungslinie verlegt werden, wie dies Fig. 13 zeigt. Dadurch steht für die Siebwirkung die maximale Selbstinduktion der Drossel zur Verfügung bzw. es kann der Querschnitt des Eisenkernes 36 kleiner dimensioniert werden.
  • Fig. 14 zeigt die Zündschaltung für einen Otto-Motor, bei welcher an die Primärwicklung einer Zündspule 41 über einen Unterbrecher 42 periodisch die Spannung eines Akkumulators 43 angeschaltet wird. An die Sekundärwicklung der Zündspule 41 sind über einen Verteiler 44 Zündkerzen 45, von welchen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist, anschließbar. Aus der Art der Speisung der Primärwicklung der Zündspule 41 ergibt sich ohne weiteres, daß die Magnetisierung des Eisenkernes der Zündspule nur zwischen Null und einem Maximalwert stets ein und derselben Magnetisierungsrichtung schwankt, d.h. es wird nur eine Hälfte des nützbaren Teiles der Magnetisierungslinie tatsächlich verwertet, was einer energiemäßigen Ausnützung des Eisenkernes von 25 % entspricht. Auch in diesem Fall schafft die Erfindung Abhilfe durch Abänderung des Eisenkernes in der in Fig. 15 dargestellten Art und Weise. Alle übrigen Teile der Zündspule sind gleich wie bei den bisher verwendeten Zündspulen. Somit ist in einem Metallbecher 46 zwischen einem die elektrischen Anschlüsse tragenden Isolator 47 und einem bodenseitigen Isolierstein 48 ein stabförmiger laminierter Eisenkern angeordnet, welcher eine Sekundärwicklung 49 und eine Primärwicklung 50 trägt. Der Eisenkern ist in zwei Teile 51a und 51b unterteilt und zwischen diesen beiden Teilen ist ein Permanentmagnet 52 angeordnet, der mit seinen Polflächen an den ihm zugewandten Stirnflächen der Kernteile anliegt. Bei Stromdurchgang durch die Primärwicklung 50 werden die Kernteile 51a und 51b in solcher Richtung magnetisiert, daß an der dem Nordpol des Permanentmagneten benachbarten Stirnfläche des einen Kernteiles ein Nordpol und an der dem Südpol des Permanentmagneten 52 benachbarten Stirnfläche des anderen Kernteiles ein Südpol entsteht.
  • Der durch die Erfindung erzielte Vorteil ist aus einem Vergleich der Fig. 16 und 17 ersichtlich. Fig. 16 zeigt, daß bei einer herkömmlichen Zündspule nur eine Hälfte der Magnetisierungslinie des Eisenkernes ausnützbar ist. Wird dagegen gemäß der Erfindung eine Vormagnetisierung des Eisenkernes in Gegenrichtung zu der mittels Durchflutung seitens der Primärwicklung erzeugten Magnetisierung bewirkt, dann steht für die magnetische Aussteuerung des Eisenkernes ein nahezu doppelt so großer Bereich der Magnetisierungslinie zur Verfügung, wie Fig. 17 zeigt.
  • Bei rotierenden elektrischen Maschinen ist die Erfindung ebenfalls mit Vorteil anwendbar. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei Wechselstrommaschinen eine erfindungsgemäße Magnetanordnung jeweils nur bei Halbwellen ein und derselben Polarität arbeiten kann. Für den Betrieb mit Halbwellen beider Polaritäten muß die Anzahl der Magnetanordnungen verdoppelt werden. Fig. 18 zeigt schematisch die Ausbildung von Statorpolen für einen Wechselstrommotor. Der Rotor 53 ist von einem Stator 54 umgeben, dessen Pole 55, 56 unter Einhaltung eines Luftspaltes an die Rotoroberfläche heranreichen. Jeder Statorpol trägt eine Wicklung 57 und gemäß der Erfindung ist zwischen benachbarten Statorpolen 55 und 56 ein Permanentmagnet 58 vorgesehen. Wenn kein Strom durch die Wicklungen 57 fließt, ist der magnetische Kreis des Permanentmagneten 58 über den Stator geschlossen und durch die Luftspalte dringt kein nennenswerter magnetischer Fluß in den Rotor 53 ein. Wenn dagegen die Wicklungen 57 vom Nennstrom beaufschlagt sind, fließen die einander überlagerten magnetischen Flüsse des Permanentmagneten 58 und der von den mit Wicklungen 57 versehenen Polteilen 55 und 56 gebildeten Elektromagnete über die Luftspalte durch den Rotor 53.
  • In ähnlicher Weise können die geometrisch etwas anders ausgebildeten Feldpole 59, 60, 61 und 62 des Stators eines Gleichstrommotors mit jeweils benachbart-ePolschuhe überbrückenden Permanentmagneten 63, 64, 65 und 66 ausgestattet werden, wie dies in Fig.19 dargestellt ist.
  • An Hand der Fig. 5 wurde bereits eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung für einen magnetischen Separator erläutert. In Fig.20 ist ein solcher magnetischer Separator mit einer abgewandelten Ausführungsform der Magnetanordnung, die sich außerhalb des Separatorbehälters und somit außerhalb des Strömungsmediums befindet, dargestellt. Der Separatorbehälter ist an gegenüberliegenden Stirnflächen mit einer Zulaufleitung 68 und einer Ablaufleitung 69 versehen. Der Behälter 67 besteht aus nicht-ferromagnetischem Material und ist lose mit Drähten aus ferromagnetischem Material gefüllt. Außen ist der Behälter 67 von einem Eisenkern 70 umgeben, welcher bezüglich der durch die Zuleitung 68 und die Ableitung 69 gehenden Achse rotationssymmetrisch ausgebildet sein kann. Der Eisenkern 70 trägt Wicklungen 71 und seine die Wicklungen tragenden Joche sind von Permanentmagneten 72 überbrückt. Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung besteht wieder darin, daß im unerregten Zustand der Wicklung 71 der Raum des Behälters 67 nahezu magnetfeldfrei ist, wogegen bei Stromdurchgang durch die Wicklungen 71 die einander überlagerten magnetischen Flüsse der Elektromagneten und der Permanentmagneten für die Durchflutung der im Behälter 67 vorhandenen Drähte aus ferromagnetischem Material wirksam sind. Dadurch kann zwischen einer Reinigungsphase ohne im Separator wirkendes Magnetfeld zum Spülen desselben und einer Abscheidungsphase mit im Separator wirkendem Magnetfeld umgeschaltet werden.
  • Bei rotierenden elektrischen Maschinen, wie Motoren und Generatoren, bei welchen im Betrieb im Stator ein magnetisches Gleichfeld erzeugt wird, besteht die Möglichkeit, dieses Gleichfeld entweder mit einem Elektromagnet oder mit einem Permanentmagnet zu erzeugen. Die Anwendung eines Elektromagneten bietet den Vorteil, daß die magnetische Feldstärke und damit die magnetische Induktion innerhalb weiter Grenzen einstellbar ist, hat aber den Nachteil, daß ein ständiger beträchtlicher Aufwand an elektrischer Energie erforderlich ist, der auch eine Erwärmung der Statorbauteile zur Folge hat. Anderseits erfordert die Verwendung eines Permanentmagneten zur Felderzeugung keinen dauernden Energieaufwand, wobei allerdings auch die Einschränkung in Kauf genommen werden muß, daß die magnetische Induktion im Luftspalt der Maschine nicht geändert werden kann. Die Anwendung einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung, wofür in den Fig. 18 und 19 Ausführungsbeispiele dargestellt sind, ermöglicht die Erzeugung eines magnetischen Gleichfeldes im Stator auf besonders ökonomische Weise mit im Vergleich zur ausschließlichen Verwendung eines Elektromagneten verringertem Aufwand an elektrischer Energie, wobei eine Einstellbarkeit der magnetischen Induktion im Luftspalt der Maschine zwischen nahezu Null und sehr hohen Werten gegeben ist und auch der Materialaufwand klein gehalten werden kann. Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Magnetanordnung durch Verändern der Erregung des Elektromagneten der im Luftspalt wirksam werdende Anteil des magnetischen Flusses des Permanentmagneten gesteuert wird und der Elektromagnet selbst einen Beitrag zu dem im Luftspalt wirksamen magnetischen Fluß liefert, kann bei einem Gleichstrommotor die Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik in üblicher Weise durch Verändern des Statorfeldes beeinflußt werden und bei einem Generator kann die erzeugte EMK durch Verändern des Statorfeldes gesteuert bzw. geregelt werden. Fig. 21 zeigt zum Vergleich ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm einer Versuchsausführung eines Gleichstrommotors mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung im Stator bei drei verschiedenen Feldströmen für die Erregung des Elektromagneten jeweils mit und ohne Permanentmagnet. Hiebei gelten die Kurven 73, 74 und 75 für das erfindungsgemäße Zusammenwirken von Elektromagnet und Permanentmagnet bei Erregerströmen von 0,4 A, 0,5 A bzw. 0,6 A und die Kurven 76, 77 und 78 für die Erzeugung des Statorfeldes mit dem Elektromagneten allein ebenfalls bei Erregerströmen von 0,4 A, 0,5 A bzw. 0,6 A. Man erkennt deutlich den Gewinn an Motorleistung bei höherer Belastung durch das erfindungsgemäße Zusammenwirken von Permanentmagnet und Elektromagnet, wobei im Vergleich zur Verwendung eines gleichartigen Stators ohne Permanentmagnet bei gleicher Drehzahl ein höheres Drehmoment oder bei gleichem Drehmoment eine höhere Drehzahl erzielbar ist.
  • In Fig. 22 ist ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm zum Vergleich eines herkömmlichen Gleichstrommotors und eines mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung zur Felderzeugung im Stator ausgestatteten Gleichstrommotors dargestellt. Hiebei gelten für den erfindungsgemäß ausgestatteten Motor die Kurven79, 80 und 81 für Feldströme von 0,3 A, 0,4 A bzw. 0,5 A und die Kurven 82, 83 und 84 für einen herkömmlichen Motor für Feldströme von 0,4 A, O,5 A bzw. 0,6 A. Es wurden absichtlich für den herkömmlichen Motor jeweils um 0,1 A höher liegende Feldströme gewählt, wobei dennoch die Überlegenheit des erfindungsgemäß ausgestatteten Motors klar ersichtlich ist. Der erfindungsgemäß ausgestattete Motor erfordert weniger elektrische Energie für die Erzeugung des Statorfeldes, ist auch hinsichtlich des Materialaufwandes sehr ökonomisch und gibt eine höhere Leistung ab als der vergleichbare herkömmliche Elektromotor. Gegebenenfalls kann das sehr geringe remanente Statorfeld des erfindungsgemäß ausgestatteten Elektromotors für einen Leerlauf mit hoher Drehzahl bei abgeschalteter elektrischer Erregung des Stators ausgenützt werden.
  • Einen umfassenderen vergleichenden Überblick ermöglichen die nachfolgend tabellarisch zusammengefaßten elektrischen Daten, wobei die Werte eines im Stator mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung ausgestatteten Gleichstrommotors einmal ohne eingesetzten Permanentmagnet und dann mit eingesetztem Permanentmagnet mit den Werten eines entsprechenden herkömmlichen Gleichstrommotors verglichen werden.
  • Erfindungsgemäßer Gleichstrommotor ohne Permanentmagnet
  • Feldspannung 3,5V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,4A
    Figure imgb0002
  • Feldspannung 4,5V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,5A
    Figure imgb0003
  • Feldspannung 5 V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,6 A
    Figure imgb0004
  • Erfindungsgemäßer Gleichstrommotor mit eingesetztem Permanentmagnet
  • Feldspannung 3,5V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,4A
    Figure imgb0005
  • Feldspannung 4,2V Ankerspannung 18 V Feldstran 0,5A
    Figure imgb0006
  • Feldspannung 5V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,6A
    Figure imgb0007
  • Herkömmlicher Gleichstrommotor
  • Feldspannung 6,8 V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,4 A
    Figure imgb0008
  • Feldspannung 8,8 V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,5 A
    Figure imgb0009
  • Feldspannung 10,2 V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,6 A
    Figure imgb0010
  • Fig. 23 zeigt ein Diagramm- der mit und ohne Permanentmagnet in Abhängigkeit vom Feldstrom erzielten Luftspaltinduktion bei einer ersten Versuchsausführung einer erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine. Dabei gilt die Magnetisierungskurve 85 für die Magnetanordnung mit dem Elektromagnet allein und die Magnetisierungskurve 86 für die Magnetanordnung mit eingesetztem Permanentmagnet. Im letzteren Fall ist die Remanenz etwas höher als ohne Permanentmagnet, jedoch läßt sich die magnetische Induktion durch Abschalten des Elektromagneten immerhin noch auf recht kleine Werte bringen.
  • Ein ähnliches Diagramm zeigt Fig. 24, wobei auf die Erzielung einer möglichst hohen Luftspaltinduktion bei noch vertretbarem, ökonomischem Materialaufwand hingearbeitet wurde. Ein hinsichtlich Materialausnützung und Energieaufwand für den Elektromagneten günstiger Arbeitspunkt auf der Kurve 87, die für die erfindungsgemäße Magnetanordnung ohne eingesetztem Permanentmagnet gilt, liegt bei einer magnetischen Induktion von 0,53 T. Bei dieser Erregung durch eine Spannung von etwa 60 V an der Wicklung des Elektromagneten ergibt sich mit dem eingesetzten Permanentmagnet eine magnetische Induktion von 1 T im Luftspalt beim entsprechenden Arbeitspunkt auf der Kurve 88. Dies entspricht einer Erhöhung der magnetischen Induktion durch die steuernde Wirkung des magnetischen Flusses des Elektromagneten auf den magnetischen Fluß des Permanentmagneten um 88 %.
  • Da sich in der erfindungsgemäßen Magnetanordnung der Permanentmagnet in einem geschlossenen ferromagnetischen Kreis befindet und da vollmagnetisierte Permanentmagnete, die sich nicht in einem geschlossenen ferromagnetischen Kreis befinden, eine Schwächung ihrer Magnetisierung erleiden, ist es zweckmäßig, das Aufmagnetisieren des Permanentmagneten erst nach dem Einbauen in eine erfindungsgemäße Magnetanordnung vorzunehmen, für welchen Zweck sich der in der Magnetanordnung vorhandene Elektromagnet eignet. Eine Überlastung der Wicklung des Elektromagneten kann dabei in Kauf genommen werden, weil das Aufmagnetisieren nur mit kurzen Stromimpulsen erfolgt. Bei dieser Art der Aufmagnetisierung braucht der Permanentmagnet nicht mehr aus dem geschlossenen ferromagnetischen Kreis entfernt zu werden und sein Magnetisierungszustand wird daher durch bauliche Maßnahmen nicht mehr beeinträchtigt. Ein bei der Anwendung der Magnetanordnung mit dem magnetischen Fluß des Elektromagneten zu kombinierender möglichst großer magnetischer Fluß des Permanentmagneten ist erwünscht, da beispielsweise bei der Erzeugung des Statorfeldes eines Gleichstrommotors bei einer bestimmten Drehzahl des Motors und gegebener Ankerspannung der Ankerstrom umso kleiner sein wird, je stärker das Statorfeld ist. Die Ergebnisse gehen aus den vorhergehend beschriebenen Versuchen mit Motoren und den zugehörigen Diagrammen hervor, wobei zu Vergleichszwecken ein herkömmlicher 1/16 PS-Motor , wie er für den Antrieb von Nähmaschinen verwendet wird, herangezogen wurde, bei welchem die normalerweise mit dem Anker in Reihe geschaltete Feldwicklung abgeklemmt und gesondert gespeist wurde.
  • Bei dem im Elektromaschinenbau vielfach angenommenen ersten, praktischen Sättigungswert von 0,5 bis 0,7 T wird bei Anwendung der Erfindung durch Kombination der magnetischen Flüsse des Permanentmagneten und des erregten Elektromagneten im Luftspalt elektrischer Maschinen vorzugsweise eine magnetische Induktion von 0,8 bis 1,1 T erzeugt, da unter diesen Bedingungen bei Verwendung gebräuchlicher ferromagnetischer Materialien und wirtschaftlicher Herstellung die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile, wie Material- und Gewichtsersparnis sowie verringerter Energieaufwand, gut zum Tragen kommen.

Claims (16)

1. Elektrische Vorrichtung oder Maschine mit wenigstens einer einen Elektromagnet (1) und einen Permanentmagnet (2) aufweisenden Magnetanordnung, wobei der Permanentmagnet (2) mit seinen Polflächen beiderseits der Wicklung (3) des Elektromagneten (1) am Kern (4, 5, 6) desselben anliegt und die Enden des Kernes des Elektromagneten die Polschuhe (7, 8) der Magnetanordnung bilden oder tragen und wobei, bezogen auf den erregten Zustand des Elektromagneten, die Pole (N, S) des Permanentmagneten den gleichnamigen Polen des Elektromagneten benachbart sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Maximalwert des Erregerstromes des Elektromagneten (1) ausreichend, aber nicht größer ist, als zum Erreichen des ersten, praktischen Sättigungswertes der magnetischen Induktion in den Polenden des Kernes (4, 5, 6) der Magnetanordnung bei Abwesenheit des Permanentmagneten (2) erforderlich ist.
2. Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Querschnittfläche der Polschuhe (7, 8) bzw. der Enden des Kernes des Elektromagneten (1) eine solche Größe hat, daß bei voller Erregung des Elektromagneten (1) der doppelte Betrag der dem ersten, praktischen Sättigungswert entsprechenden magnetischen Induktion auftritt.
3. Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Erregerstrom des Elektromagneten (1) periodisch zwischen Null und dem Maximalwert veränderlich, vorzugsweise ein- und ausgeschaltet, ist.
4. Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetische Induktion im Luftspalt bei Abwesenheit des Permanentmagneten (2) und voll erregtem Elektromagnet 0,5 bis 0,7 T beträgt.
5. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Permanentmagnet (2) mit seinen Polflächen am Kern (4, 5, 6) nahe bei dessen Enden anliegt.
6. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt der Polschuhe (7, 8) kleiner ist als die Summe aus dem Querschnitt, der beim ersten, praktischen Sättigungswert zum Leiten des magnetischen Flusses des voll erregten Elektromagneten (1) allein, und dem Querschnitt, der beim ersten, praktischen Sättigungswert zum Leiten des magnetischen Flusses des Permanentmagneten (2) allein erforderlich ist.
7. Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt der Polschuhe (7, 8) gleich oder kleiner als zwei Drittel und größer als ein Drittel, vorzugsweise zwei Drittel der Summe der Querschnitte ist.
8. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt des die Wicklung (3) tragenden Joches (4) des Elektromagneten (1) dem Querschnitt des Permanentmagneten (2) in magnetischer Hinsicht angepaßt ist, so daß das Joch (4) des unerregten Elektromagneten (1) durch den magnetischen Fluß des Permanentmagneten (2) annähernd auf dem ersten, praktischen Sättigungswert gesättigt ist.
9. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Betrieb der Elektromagnet (1) zum Liefern eines dem magnetischen Fluß des Permanentmagneten (2) etwa gleichen magnetischen Flusses erregt ist.
10. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der magnetische Widerstand des Kraftlinienweges zwischen den am Luftspalt (10, 11) liegenden Polflächen der Magnetanordnung und dem Permanentmagnet (2) nur einem Bruchteil des magnetischen.Widerstandes des Kraftlinienweges im Joch (4) des Elektromagneten (1) zwischen den anliegenden Enden des Permanentmagneten (2) entspricht.
11.Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge des Kraftlinienweges zwischen den am Luftspalt (10, 11) liegenden Polflächen der Magnetanordnung und dem Permanentmagnet (2) nur einem Bruchteil der Länge des Kraftlinienweges im Joch (4) des Elektromagneten (1) zwischen den anliegenden Enden des Permanentmagneten (2) entspricht.
12. Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß das Längenverhältnis der beiden Kraftlinienwege kleiner als 1 : 10, vorzugsweise kleiner als 1 : 20, ist.
13. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetanordnung (54 - 58; 59 - 66) Bestandteil eines Elektromotors ist.
14. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetanordnung (70, 71, 72) Bestandteil eines magnetischen Separators ist, der in einem für das Durchströmen eines mit abzusondernden Stoffen beladenen Mediums eingerichteten Behälter (67) am Luftspalt eine beträchtliche magnetisierbare Oberfläche aufweist.
15. Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetisierbare Oberfläche mit den den Luftspalt begrenzenden Polen der Magnetanordnung (70, 71, 72) verbunden ist oder einen Teil derselben bildet.
16. Zündspule für Brennkraftmaschinen mit einem offenen, insbesondere stabförmigen Kern aus weichmagnetischem Material,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern (51) an einer Stelle unterbrochen ist und daß an der Unterbrechungsstelle ein Permanentmagnet (52) mit seinen Polen an den beiden Kernteilen (51a, 51b) anliegt oder daß wenigstens an einem Ende des Kernes ein Permanentmagnet mit einem Pol anliegt, wobei bei Erregung der Primärwicklung (50) der Zündspule gleichnamige Pole des Kernes (51) und des Permanentmagneten (52) aneinanderliegen.
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