EP2027641A1 - Elektromagnetische drehantriebseinrichtung - Google Patents

Elektromagnetische drehantriebseinrichtung

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Publication number
EP2027641A1
EP2027641A1 EP07718491A EP07718491A EP2027641A1 EP 2027641 A1 EP2027641 A1 EP 2027641A1 EP 07718491 A EP07718491 A EP 07718491A EP 07718491 A EP07718491 A EP 07718491A EP 2027641 A1 EP2027641 A1 EP 2027641A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
rotary drive
drive device
stator
segments
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07718491A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Siegfried Silber
Wolfgang Amrhein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Austrian Center of Competence in Mechatronics GmbH
JOHANNES KEPLER UNIVERSITAT LINZ
Original Assignee
Austrian Center of Competence in Mechatronics GmbH
JOHANNES KEPLER UNIVERSITAT LINZ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Austrian Center of Competence in Mechatronics GmbH, JOHANNES KEPLER UNIVERSITAT LINZ filed Critical Austrian Center of Competence in Mechatronics GmbH
Publication of EP2027641A1 publication Critical patent/EP2027641A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/0493—Active magnetic bearings for rotary movement integrated in an electrodynamic machine, e.g. self-bearing motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/46—Fans, e.g. ventilators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/15—Sectional machines

Definitions

  • Electromagnetic rotary drive device
  • the invention relates to an electromagnetic rotary drive device with a stator having electromagnet means which cooperate with a rotor which is formed with at least one permanent magnet, for its rotation as well as for its electromagnetic storage, and with a control device for the electromagnetic bearing and rotation of the rotor.
  • Such a rotary drive device is known from WO 96/31934 A and is also referred to as a "bearingless" (electric) motor or rotary machine
  • the known design principle with electromagnetic mounting of the rotor is particularly suitable for a flat design of the motor especially for applications in medicine and pharmaceutics, where mechanically sensitive fluids have to be pumped, such as for pumping blood, and in this context is an integration of an impeller, for example, to realize an axial or centrifugal pump, with the actual, provided annular rotor.
  • the invention is therefore based on the problem to propose an electromagnetic rotary drive device as mentioned above, which is characterized not only by a long life and extremely low noise, and further for short axial lengths, as a disk-shaped drive, is suitable, but moreover, in particular also an optimal space utilization in given housing designs as well as also allows a reduction in the mass of components of the rotary drive.
  • the invention provides a elektroma ⁇ gnetician rotary drive device as characterized in claim 1.
  • Advantageous embodiments and further developments are specified in the dependent claims.
  • the electromagnetic rotary drive device is particularly suitable as a drive for fan and blower and further for motors that have a very large diameter and at the same time an axially short length due to the application.
  • stator By segmenting the stator not only a weight and cost reduction of the stator is possible, but also an optimal use of the given place, for example in the four corners of a square in cross-section housing.
  • stator is not constructed in one piece, but with individual segments, then the number of segments which are magnetically separated from each other, depends in particular on the application and the electronic control provided; In principle, however, the number of segments of the stator is arbitrary, and it is also conceivable for certain applications to provide only one stator segment, which extends over a 3/4 circular arc, for example.
  • At least two stator segments can be connected to one another via at least one non-ferromagnetic component or material, in particular in web form.
  • the distance between two stator segments for example, at least one half pole pitch of the rotor or at least one pole pitch of the rotor and more correspond.
  • the stator segments may each be equipped with one or more electric coils, and it may further be particularly favorable if at least one coil carries both current components for bringing about the carrying forces and superimposed current components for producing the torque.
  • the stator segments are each provided with three independent coils or strands, which separately receive currents for the carrying forces or the torque.
  • At least one electromagnetic stator segment is designed as a slotless segment with an air gap winding; Furthermore, a simple construction results if at least one electromagnetic stator segment has a (single) ferromagnetic leg.
  • At least one stator segment has ferromagnetic teeth and grooves, wherein at least one ferromagnetic tooth is wound with at least one coil;
  • the teeth may have the same tooth widths or uneven tooth widths, depending on the training goal.
  • At least one ferromagnetic stator segment is mounted, which supports the passive mounting of the rotor in at least one degree of freedom;
  • at least one permanent-magnet stator segment is mounted centrally or axially offset between two stator segments, which permits the passive mounting of the rotor. supported in at least one degree of freedom.
  • stator segments are attached to at least one non-ferromagnetic carrier, e.g. made of plastic, are attached.
  • the rotor may include at least one surface mounted permanent magnet; Furthermore, the permanent magnet or magnets can be embedded in the rotor material.
  • the permanent magnets can be magnetized in the radial direction, in the diametrical (parallel) direction as well as in the tangential direction or in the axial direction.
  • the rotor may be designed as a permanent magnet rotor, i. be formed by a single permanent magnet.
  • a ferromagnetic flux guide Leit Published may be provided.
  • at least one ferromagnetic flux concentrate guide piece in particular an annular flux guide piece, can furthermore be provided;
  • the guide piece (s) may also have toothed or claw-shaped outer projections which follow one another alternately, as seen in the circumferential direction, and are alternately poled.
  • At least one electrically conductive workpiece is mounted on the stator or rotor directly or in its surroundings in such a way that mechanical vibrations of the rotor are damped during movement of the rotor as a result of the penetration of the conductive workpiece with temporally or spatially variable magnetic fields become.
  • stator segments are mounted in the corner regions of a rectangular housing of the rotary drive device.
  • the present rotary drive or motor especially suitable for use in fans or blowers, and accordingly, the rotor with an impeller to promote ⁇ tion of gases, but also of liquid media, be executed.
  • control or regulating device is integrated in the stator. This relates in particular to the signal and control electronics of the control loop as well as the electronics of the sensor devices, apart from the fact that the sensors are to be mounted in the vicinity of the rotor.
  • FIGS. 1A and 1B show a cross-sectional and axial section of a first embodiment of a magnetically supported rotary drive device, wherein different embodiments with respect to embodiments of stator teeth and stator coils are illustrated in the cross-sectional view according to FIG. 1A for the sake of simplicity;
  • FIGS. 2A and 2B show, in a corresponding transverse or axial section illustration, a further, particularly preferred embodiment of the electromagnetic rotary drive device according to the invention
  • Fig. 2C shows examples of possible current waveforms for the four coils of the four stator segments shown in Fig. 2A with respect to one complete revolution of the rotor of the rotary drive device shown in Fig. 2A;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of yet another embodiment. form of the rotary drive device according to the invention.
  • Figures 4 and 5 in schematic axial sections, the principle of passive stabilization in deflections in the axial direction ( Figure 4) or when tilting the rotor ( Figure 5) relative to the stator, even with the additional application of a damping device.
  • FIG. 6 shows only in cross-section a further embodiment of a rotary drive with additional ferromagnetic or permanent-magnet stator segments
  • FIG. 7 shows in various partial views 7A-7D an embodiment of a rotary drive device with a flux concentrator mounted on the rotor, FIG. 7A being an axial section, FIG. 7B being a view of the rotor of this rotary drive, FIG. 7C being a circle-framed detail in FIG. 7A C is an enlarged sectional view (see also section line CC in Fig. 7D); and Fig. 7D illustrates the detail D framed with a circle in Fig. 7B in scale larger view;
  • FIG. 8C on an enlarged scale the axial section detail framed by a circle at C in Fig. 8B;
  • Figures 10, 11 and 12 further possible embodiments of the rotary drive in schematic cross-sectional views.
  • FIG. 13 is a schematic block diagram of an electronic control or regulating device for a rotary drive or motor according to the invention.
  • DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION In FIG. 1A, an electromagnetic rotary drive device, also referred to below as rotary drive 10, in the form of a motor for a fan with a rotor 11, whose outer surface 2 passes through an air gap 1 from one through four in this embodiment Stator segments 14 formed stator is illustrated, illustrated.
  • the rotor 11 is an integrated impeller rotor with an inner impeller 25, on the outer circumference of a (ferromagnetic) magnetic return ring 12 is mounted on the outside, for example - according to FIG.
  • IA - a total of twelve permanent magnets 13 are mounted, which alternately radially outward and radially inwardly magnetized as indicated by short arrows in FIG. 1A; Thus, a total of six magnetic pole pairs are given.
  • radial magnetization shown in FIG. 1A instead of the radial magnetization shown in FIG. 1A, however, other magnetizations are conceivable, such as diametrical magnetizations, as will be explained in more detail below with reference to FIG. 10, or else tangential magnetization directions, as also shown schematically in FIG Moreover, axial magnetization is also possible, to which reference will now be made in greater detail with reference to FIG. 9B.
  • a housing 4 which is square in cross-section, is provided for the rotary drive 10, and the four stator segments 14 are arranged in the quadrilateral areas of this housing 4, so that between the permanent magnets 13 and the stator segments 14 fastened to the rotor 11 such an air gap 1 sets, that during the operation of the rotary drive 10, a contact-free rotation of the rotor 11 is made possible within the total given by the segments 14 stator.
  • the segments 14 of the stator cover only a part of the given geometric circumference, for example, in each case via an arc or an overlap 19 in accordance with a central angle indicated by a double arrow.
  • FIG. 1A a housing 4, which is square in cross-section, is provided for the rotary drive 10, and the four stator segments 14 are arranged in the quadrilateral areas of this housing 4, so that between the permanent magnets 13 and the stator segments 14 fastened to the rotor 11 such an air gap 1 sets, that during the operation of the rotary drive 10, a contact-free rotation of the rotor
  • the arc lengths of the individual stator segments 14 each correspond to slightly less than one ⁇ circle, whereas the distances between the segments 14 are slightly larger than a k circle.
  • the distances of the stator segments 14 from one another should, however, preferably be at least one half pole pitch (and may also be several times). rere pole divisions) amount.
  • more or fewer than four segments 14 can be provided, even though in the exemplary embodiment of FIG. 1A, an embodiment with four segments 14 proves advantageous with regard to the housing shape shown.
  • stator segments 14 namely with teeth or legs 22 having the same tooth widths 5a, 5b or with unequal tooth widths 6a, 6b, as well as with different windings, with coils 15a, 15b, 15c, respectively, are shown in FIG 15d, 15e and 15f, 15g and 15h, respectively.
  • stator segment 14 in Fig. 1A upper left the winding has been omitted for the sake of simplicity.
  • the geometric shape of the stator segments 14 is also basically arbitrary, with the proviso that the desired coils can be attached.
  • material for the segments 14 ferromagnetic material can be used, in principle, however, the use of magnetically non-conductive materials is conceivable.
  • the stator segments 14 are mounted on a non-magnetic support, which is formed for example by a frame or the housing 4, wherein this support, the frame or the housing 4, in particular may be made of plastic.
  • stator segments 14 in conjunction with the arrangement of the permanent magnets 13 is expediently to be selected so that a rotary or alternating field motor is formed by a suitable winding of the segments 14.
  • the windings formed from the energized coils of the individual electromagnetic stator segments 14 can build up alternating fields, traveling fields, rotating fields or alternating fields with superposed traveling or rotating fields in the gap 1 and in its surroundings.
  • Such training are known per se and require no further explanation.
  • the number of stator segments 14 and their distribution on the circumference of the rotor 11 is arbitrary per se, with the distribution in each case allowing influencing of the generation of force and torque in a very targeted manner.
  • the coverage 19 of a partial circumference of the rotor 11 by the respective segment 14 may also be very different, and in particular may be from a fraction of a pole pitch to a plurality of pole pitches.
  • the execution of the coils or windings 15; 21; 31 is predetermined by the geometric design of the stator segments 14. In most cases, it makes sense to design the segments 14 in such a way that the coils, for example 15, lie in grooves 23 or around one (see eg coil 15a in Fig. IA) or around a plurality of teeth 22 (see eg coil 15a in Figs Fig. IA), ie concentrated or distributed. be disgusted. As already mentioned, the teeth 22 can have the same tooth widths 5a, 5b or unequal tooth widths ⁇ a, 6b.
  • the number of sensors 16, 17 is to be selected such that two independent paths in the plane normal to the rotor axis of rotation 7 and the angle of rotation ⁇ (see Fig. 2C) of the rotor 11 can be measured.
  • these sensors 16, 17 can be omitted in part or even omitted entirely, if from the electrical or magnetic circuits, a mathematical determination of the rotor position based on measurements of currents, etc. is possible, as is known per se.
  • FIGS. 2A and 2B show an advantageous, very cost-effective embodiment of a rotary drive 10 with a simplified winding system, wherein only one concentrated coil 21a, 21b, 21c or 21d is mounted on each stator segment 14. These independent individual coils are used simultaneously to generate the torque for the rotor 11 and the bearing forces for the magnetic bearing of the rotor 11. A targeted control of the bearing forces and the torque of the rotor 11 is carried out in this embodiment by the driving of the individual coils 21a to 21d with different electrical currents, see. Fig. 2C. In this Fig.
  • the coils 21a to 21d are again housed in grooves 23 of the stator elements 14, and by way of example inside the housing 4 sensors, such as Position sensors 16, similar to that illustrated in FIG. 1, which serve to detect the position and angular position of the rotor 11.
  • this rotor 11 is again illustrated with an impeller 25 with respect to an application of the rotary drive 10 shown in a fan or blower.
  • the ideal axis of rotation 7 of the rotor is illustrated.
  • FIG. 3 another electromagnetic rotary drive 10 is shown with an integrated impeller rotor 11, with very simple running stator segments 14 are illustrated, each having only a single ferromagnetic leg or tooth 151, these stator legs 151, where appropriate, turn , similar to the rotary drive of FIG. 1, the stator segments 14 may be connected to each other via magnetically non-conductive webs 18.
  • the windings applied to the legs 151 each consist of three independent coils or strands 31a, 31b and 31c. In each case one of these coils 31a to 31c is provided for generating a torque (coil 31a) or supporting forces for the purpose of magnetic bearing in two different directions (coil 31b and coil 31c).
  • the respective coils 31a to 31c electrically.
  • the four torque coils 31a may also be connected in series so that the generated torques add up.
  • damping element 42 For special applications it can be useful to improve the passive stabilization effect that additional be ⁇ rhakungsshift damping elements 42 are integrated into the structure to undesirable vibration tendencies in the axial direction (Fig. 4) and in the tilting direction (Fig. 5) to be avoided.
  • a damping element 42 consists for example of an electrically conductive plate 42 ', which is attached to the impeller 25 and rotor 11.
  • permanent magnets 41 By means of permanent magnets 41, which are fixedly connected to the housing (4 in Fig. IA), eddy currents are induced in the conductive plate 42 'upon movement of the rotor 11 in the axial direction or in the tilting direction, which in turn forces the magnetic field form contrary to the direction of motion and thus damp unwanted vibrations.
  • the permanent magnets 41 are connected to the rotor 11, and the electrically conductive plate 42 'is fixedly attached to the housing (4 in Fig. IA).
  • the stiffness of the passive stabilization increases with the square of the flux density in the air gap 1 between the permanent magnets 13 and the ferromagnetic stator segments 14.
  • additional ferromagnetic stator segments 91 or permanent-magnet stator segments 92 can be inserted between the electromagnetic stator segments 14, as in the case of rotary drive 10 6 is provided according to FIG.
  • the configurations of the rotor 11 and the stator segments 14 may hereby otherwise correspond to one of the previously explained embodiments, so that a further description of, for example, the rotor 11 together with the impeller, etc., can be made. can.
  • FIG. 6 it should be pointed out that in FIG. 6 too, the winding of the stator segments 14 has been omitted for the sake of simplicity.
  • the ferromagnetic or permanent-magnetic stator segments 92, 91 shown in FIG. 6 are expediently designed such that the generation of the torque and the bearing forces by the stator segments 14 is not disturbed. In particular, it should be ensured that no additional disturbing cogging moments arise.
  • Favorable here would be such a geometric design and shape of the ferromagnetic or permanent magnetic segments 92, 91, that any cogging torques resulting from these segments 92, 91 are compensated.
  • magnets in particular axially magnetized permanent magnets (not shown), on the stator (i.e., on individual stator segments 14) or on the rotor 11 for the purpose of passive stabilization of the rotor 11 in the radial direction.
  • the magnetic flux of these permanent magnets causes repulsive forces that can be used for magnetic passivation of the rotor 11 in the radial direction. Any stabilization in the axial direction opposite effect of this permanent magnet arrangement would be compensated by a geeigene magnetic axial bearing.
  • the flux density in the region of the permanent magnets 13 of the rotor 11 may also be expedient to choose the flux density in the region of the permanent magnets 13 of the rotor 11 as high as possible.
  • Such an increase in flux density can be achieved by a flux concentrator 61 of ferromagnetic material, as shown in Figs. 7A to 7D.
  • the flux density of the permanent magnet 13 is characterized by an inwardly extending from the outside cross-sectional taper of the cross section of the z.
  • B annular Flußkonzentrators 61 increases, see. 7A and 7C, so that the desired flux density is established in the air gap 1 between the flux concentrator 61 and the stator segments 14 (only schematically indicated in FIGS. 7A, 7C).
  • the geometric configuration of the cross-section of the flux concentrator 61 is expediently to be selected so that the ferromagnetic material in the middle of a magnet segment is operated at the saturation limit. ben will.
  • the ferromagnetic material of the flux concentrator 61 at the pole changes is strongly saturated, so that only a small proportion of flux through the flux concentrator 61 is short-circuited.
  • a magnetic saturation is to be avoided, in particular at the pole changes (see region 71).
  • FIGS. 8A to 8C Another favorable embodiment for the concentration of the flux density is shown in FIGS. 8A to 8C.
  • Both flux guides 81, 82 are formed with tooth projections 81A, 82A such that in adjacent angular segments defined by the projections 81A, 82A of the flux guides 81, 82, either the inner flux guide 81, 82 or the outer flux guide 82 will sense the magnetic flux redirects in the radial direction.
  • FIG. 9A An alternative embodiment for the purpose of concentration of the flux density shown in Figures 9A and 9B may also be such that the flow of an axially magnetized (see arrows 115 in Figure 9B) permanent magnet ring 13 of the rotor 11 by means of such serrated ferromagnetic Flussleit Cultureen 81, 82 at the "top” (81) and “bottom” (82) of the rotor 11 is collected in the radial direction.
  • the flux guides 81, 82 are formed with radial tooth projections 81A, 82A such that a radial flux distribution with different polarity to the outer circle edge of the radially projecting claw-shaped projections 81A, 82A of the flux guides 81 and 82 is formed.
  • FIG. 10 schematically shows a cross-section of a rotary drive 10 with a rotor 11 which is mounted electromagnetically radially inside a stator with segments 14 (here again shown without coils for the sake of simplicity) and rotates.
  • the rotor 11 in turn has in the circumferential direction several consecutive permanent magnets 13, for example, a total of 16 permanent magnets 13, which are alternately magnetized opposite.
  • Fig. 10 illustrates different directions of magnetization, namely on the one hand opposite radial magnetization directions 111 (in Fig.
  • FIG. 11 Another favorable embodiment of a non-contact magnetically mounted rotary drive 10 (segment drive) is shown in Fig. 11, in which case the rotor 11 preferably performs only torsional movements (pivoting movements).
  • the rotor 11 in turn has over its entire circumference alternately radially inwardly and externally magnetized permanent magnets 13, which cooperate with a single stator segment 14, that several - in the illustrated embodiment 8 - leg or teeth 22 with coils 15 has.
  • the coverage 19 is here, for example, a little less than a ⁇ -Kreis.
  • FIG. 12 shows an embodiment of an electromagnetic rotary drive 10 with a rotor 11 and with corner-side stator segments 14 within a housing 4 which is square in cross-section - very similar to, for example, in FIG. 1A;
  • position or angle sensors 16 are again illustrated, and to simplify the illustration, the coils of the stator segments 14 have also been omitted in FIG.
  • a modification of a stator segment 14 is shown in Fig. 12 bottom left, namely with a "grooveless" winding 141 on the inner surface of a flat, circular arc-shaped segment portion 142.
  • Such an embodiment with an "air gap winding" 141 is structurally particularly simple and inexpensive.
  • a control or regulating device 20 for the rotary drive 10 is further shown in FIG. 12 in the region of the last-mentioned stator segment 14, it being of advantage to have such a control device 20 at least largely in the region of the stator itself. within the housing 4, to accommodate. As a result, short electrical lines can be ensured and any interference due to distortion of signals on external lines can be avoided.
  • Such Steuert. Control device 20 can, in principle, similar to what has already been proposed for bearingless slice motors (see pp. Silver, W. Amrhein, "Power Optimal Current Control Scheme for Bear Meaningless PM Motors", 7 th International Symposium on Magnetic Bearings, Zurich, Switzerland 2002) An example of this is shown schematically in FIG.
  • an input control unit 24 which is provided in particular for the speed, with linear regulators, where reference values for the position and rotational speed of the rotor 11 are set, and a decoupling matrix module 25, the output of which is shown in FIG Adding member 26 is applied to an input of the rotary drive 10 or more precisely of its stator segments 14 (or their coils).
  • state signals x which are actually vectors
  • the input control unit 24 and, on the other hand, a feedback module 28 are connected to the output of this transformation unit 27. closed to perform compensation for nonlinearities according to a known static state feedback law (see Franklin, JD Powell, A. Emami-Naeini, "Feedback Control of Dynamic Systems” - Addison-Wesley, 3 rd Editon 1994)
  • a respective adapted voltage signal u s is then applied as a manipulated variable.
  • the input control unit 24 may include linear regulators for the individual manipulated variables, and the decoupling unit 25 performs calculations according to a decoupling matrix algorithm in terms of the power-current relationship, as is known per se from the aforementioned reference silver, Amrhein.
  • the unit 28 is used to compensate for nonlinearities from the state transformation module 26.
  • control or regulating device 20 or at least parts thereof, to this device 20 basically also the sensors 16, 17 include, even in the previous embodiments in the region of the stator segments 14, approximately in the region of the end faces , Are housed within the housing 4, so in detail the electrical signal and power electronics and as mentioned the sensors 16 and 17 together with their electronics.
  • any existing imbalances of the rotor 11 including the impeller 25 can be automatically compensated by means of control engineering methods via the control device 20 during operation of the rotary drive 10 or equipped with this rotary drive 10 fan or the like. From the existing orbit (deviation from the target position), the exact position of the main axis of inertia of the rotor 11 including impeller 25 can be calculated with the aid of fundamental core quantities of the route.
  • At least three independent coils are expediently associated with the stator segments 14 in the present rotary drive 10 in order to provide corresponding force components for the three degrees of freedom (two radial directions and the direction of rotation) produce.
  • stator segments 14 with teeth with unequal tooth widths 6a, 6b are also advantageous for a purposeful influencing of the carrying forces or the torque formation.
  • a permanent magnet rotor ie, a rotor having a single permanent magnet ring (see Fig. 8A) as well as a rotor 11 having a plurality of circumferentially juxtaposed permanent magnets 13, as shown in Fig. 1A, may be used. be used. In the latter case, it is often favorable to embed the permanent magnets 13 in an outer surface material of the rotor 11, wherein, for example, a supporting ring made of aluminum with a corresponding embedding material (plastic) for the permanent magnets 13 can be used.
  • the rotor 11 may, except as an inner rotor, as shown, also be designed as an external rotor, and it may be designed as Poltexr as well as a pancake.

Abstract

Elektromagnetische Drehantriebseinrichtung (10) mit einem Stator, der Elektromagneteinrichtungen aufweist, die mit einem Rotor (11) , der mit zumindest einem Permanentmagneten (13) ausgebildet ist, zu dessen Drehung ebenso wie zu dessen elektromagnetischer Lagerung zusammenarbeiten, und mit einer Steuerbzw. Regeleinrichtung (20) für die elektromagnetische Lagerung und Drehung des Rotors (11) , wobei der Stator in Form von Segmenten (14) mit einer Erstreckung (19) nur über ein Teil eines durch den Rotor (11) definierten geometrischen Kreisumfangs ausgebildet ist, wobei im Betrieb durch die den Elektromagneteinrichtungen (15, 21) der Segmente (14) des Stators zugeführten Ströme in zur Oberfläche des Rotors (11) tangentialer sowie normaler Richtung Kraftkomponenten (3a, 3b) gebildet werden, die ein Drehmoment sowie zwei Tragkräfte in unterschiedlichen radialen Richtungen senkrecht zur Rotor-Drehachse (7) herbeiführen.

Description

Elektromagnetische Drehantriebseinrichtunq
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Drehantriebseinrichtung mit einem Stator, der Elektromagneteinrichtungen aufweist, die mit einem Rotor, der mit zumindest einem Permanentmagneten ausgebildet ist, zu dessen Drehung ebenso wie zu dessen elektromagnetischer Lagerung zusammenarbeiten, und mit einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung für die elektromagnetische Lagerung und Drehung des Rotors.
Stand der Technik - Hintergrund
Eine derartige Drehantriebseinrichtung ist aus der WO 96/31934 A bekannt und wird auch als „lagerloser" (Elektro-) Motor oder Rotationsmaschine bezeichnet. Das bekannte Konstruktionsprinzip mit elektromagnetischer Lagerung des Rotors eignet sich insbesondere für eine flache Bauweise des Motors. Der bekannte Motor ist vor allem für Anwendungen in der Medizin und Pharmazeutik, wo mechanisch empfindliche Fluide gepumpt werden müssen, gedacht, wie etwa zur Förderung von Blut, und in diesem Zusammenhang ist eine Integration eines Pumpenrads, beispielsweise zur Realisierung einer Axialpumpe bzw. Zentrifugalpumpe, mit dem eigentlichen, kreisringförmigen Rotor vorgesehen.
Für die angegebenen spezifischen Anwendungen des bekannten lagerlosen Motors sind kleine Abmessungen des Motors möglich, und dementsprechend spielen auch etwaige Gewichtsprobleme bei diesem bekannten Motor weniger eine Rolle. Wird jedoch das bekannte Bauprinzip für größere Motoren, insbesondere solchen, wo überdies ein quaderförmiges Gehäuse vorgegeben ist, gewünscht, so sind Reduktion von Masse und möglichst gute Platzausnutzung sehr wohl von Bedeutung. Beispielsweise kommen bei Lüftern zur Kühlung von elektronischen Komponenten, wo sich aufgrund des erforderlichen Volumenstroms bzw. Druckbedarfs axiale oder halbaxiale Laufradbauformen durchgesetzt haben, hauptsächlich Gehäuse mit einer quadratischen Grundfläche zum Einsatz. Hier haben bisher überwiegend Außenläufer-Motoren Anwendung gefunden, die im Zentrum eines Flügelrads angeordnet sind, wobei dann der Bauraum in den Ecken des Gehäuses ungenützt bleibt. Weiters wirken sich bei Direktantrieben mit großen Durchmessern Bauweisen mit einem äußeren, einteiligen Stator kostenmäßig ungünstig aus.
Ganz allgemein ist festzuhalten, dass im Bereich der elektrischen Antriebstechnik ein Trend zu Antriebsmotoren mit immer größeren Durchmessern zu verzeichnen ist, beispielsweise bei Direktantrieben. Vielfach besteht dabei zusätzlich die Forderung, dass die axiale Baulänge sehr kurz ausgeführt werden soll. Dies trifft insbesondere auf Antriebe für Lüfter und Gebläse, aber auch für Pumpen, Waschmaschinen und dergl. Geräte. Weiters erfordern manche Anwendungen ein sehr präzises Positionieren des Rotors sowie gleichzeitig höchste Beschleunigungswerte. Für derartige Anwendungen sind lagerlose Elektromotoren mit entsprechender Regelung für die Stromzufuhr von Bedeutung, wobei auch eine hohe Lebensdauer sowie eine verringerte Lärmemission zu Folge der berührungsfreien magnetischen Lagerung des Rotors ermöglicht werden. Bei den lagerlosen Motoren fällt somit eine mechanische Reibung oder ein Lebensdauer-mindernder Verschleiß weg, und die Lebensdauer der Drehantriebseinrichtung ist ausschließlich durch die elektrischen Komponenten des Systems vorgegeben, wodurch extrem hohe Lebensdauern erzielt werden können.
Speziell für viele Lüfter und Gebläse, für die im Besonderen die vorliegende elektromagnetische Drehantriebseinrichtung gedacht ist, ebenso wie für Pumpen, Waschmaschinenantriebe und allgemein Antriebe mit im Vergleich zur axialen Länge großen Durchmesser, bestehen besonders hohe Anforderungen an die Laufruhe sowie wie erwähnt an die hohe Lebensdauer. Insbesondere weisen bekannte Lüfter zur Kühlung von elektronischen Schaltungen, wie z.B. Lüfter für EDV-Anlagen, Lüfter für Netzteile in Workstations und für nachrichtentechnische (Telekom) -Anwendungen, teilweise große Mängel hinsichtlich Lärmentwicklung und Lebensdauer auf. Speziell in verschmutzter Umgebung können sich Staubteilchen an der Laufradoberflache anlagern und sowohl zu einer beträchtlichen Erhöhung der Unwucht als auch zum Verschleiß der bisher bei diesen Einrichtungen üblichen Lager führen. Diese Effekte wirken sich insbesondere negativ auf die Geräuschentwicklung und die Lebensdauer der Lüfter aus. Demgemäß besteht insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen zunehmend ein Bedarf an Lüftern mit sehr hoher Lebensdauer bei sehr geringer Lärmbelastung. Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt demgemäß das Problem zugrunde, eine elektromagnetische Drehantriebseinrichtung wie eingangs angeführt vorzuschlagen, die sich nicht nur durch eine hohe Lebensdauer und eine äußerst geringe Lärmentwicklung auszeichnet, und die weiters für kurze axiale Baulängen, als scheibenförmiger Antrieb, geeignet ist, sondern die überdies insbesondere auch eine optimale Bauraum-Ausnutzung bei vorgegebenen Gehäusekonstruktionen wie weiters auch eine Verringerung der Masse von Komponenten des Drehantriebs ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung einen elektroma¬ gnetische Drehantriebseinrichtung wie in Anspruch 1 gekennzeichnet vor. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße elektromagnetische Drehantriebseinrichtung eignet sich insbesondere als Antrieb für Lüfter und Gebläse sowie weiters für Motoren, die aufgrund der Applikation einen sehr großen Durchmesser und gleichzeitig eine axial kurze Baulänge aufweisen.
Durch die Segmentierung des Stators ist nicht nur eine gewichtsmäßige und kostenmäßige Reduktion des Stators möglich, sondern auch eine optimale Nutzung des gegebenen Platzes beispielsweise in den vier Ecken eines im Querschnitt quadratischen Gehäuses.
Wenn der Stator nicht aus einem Stück aufgebaut wird, sondern mit einzelnen Segmenten, so richtet sich die Anzahl der Segmente, die voneinander magnetisch getrennt sind, insbesondere nach der Anwendung und der zur Verfügung gestellten elektronischen Ansteuerung; grundsätzlich ist allerdings die Anzahl der Segmente des Stators beliebig, und es ist für bestimmte Anwendungen auch denkbar, nur ein Stator-Segment vorzusehen, welches sich beispielsweise über einen 3/4-Kreisbogen erstreckt.
Abgesehen davon wird beim vorliegenden elektromagnetischen Drehantrieb eine außerordentlich hohe Lebensdauer ebenso wie eine äußerst geringe Lärmentwicklung sichergestellt, und es sind Bauweisen in Form eines Scheibenläufermotors möglich. - A -
Zur Montageerleichterung können mindestens zwei Stator-Segmente über mindestens ein nicht-ferromagnetisches Bauteil oder Material, insbesondere in Stegform, miteinander verbunden sein.
Je nach Anwendung des vorliegenden Motors, d.h. der Drehantriebseinrichtung, kann der Abstand zwischen zwei Stator-Segmenten beispielsweise mindestens einer halben Polteilung des Rotors oder mindestens einer Polteilung des Rotors und mehr entsprechen. Die Stator-Segmente können jeweils mit einer oder mehreren elektrischen Spulen ausgerüstet sein, wobei es weiters insbesondere günstig sein kann, wenn mindestens eine Spule sowohl Stromkomponenten zur Herbeiführung der Tragkräfte als auch überlagerte Stromkomponenten zur Herbeiführung des Drehmoments führt. Andererseits ist es auch von Vorteil, wenn die Stator- Segmente je mit drei voneinander unabhängigen Spulen oder Strängen versehen sind, die gesondert Ströme für die Tragkräfte bzw. das Drehmoment zugeführt erhalten.
Für eine einfache Bauweise ist es auch von Vorteil, wenn mindestens ein elektromagnetisches Stator-Segment als ein nutenloses Segment mit einer Luftspaltwicklung ausgebildet ist; weiters ergibt sich eine einfache Konstruktion, wenn mindestens ein elektromagnetisches Stator-Segment einen (einzelnen) ferromagnetischen Schenkel aufweist.
Zur Flussführung ist es günstig, wenn mindestens ein Stator-Segment ferromagnetische Zähne und Nuten aufweist, wobei mindestens ein ferromagnetischer Zahn mit mindestens einer Spule bewickelt ist; dabei können die Zähne gleiche Zahnbreiten oder ungleiche Zahnbreiten, je nach Ausbildungsziel, aufweisen.
Von Vorteil ist es auch, wenn in Umfangsrichtung des Stators mittig oder axial versetzt zwischen zwei Stator-Segmenten mindestens ein ferromagnetisches Statorsegment angebracht ist, das die passive Lagerung des Rotors in mindestens einem Freiheitsgrad unterstützt; in entsprechender Weise ist es günstig, wenn in Umfangsrichtung des Stators mittig oder axial versetzt zwischen zwei Stator-Segmenten mindestens ein permanentmagnetisches Statorsegment angebracht ist, das die passive Lagerung des Ro- tors in mindestens einem Freiheitsgrad unterstützt.
Für die Montage ist es auch günstig, wenn die Stator-Segmente an mindestens einem nicht-ferromagnetischen Träger, z.B. aus Kunststoff, angebracht sind.
Der Rotor kann mindestens einen Oberflächen-montierten Permanentmagneten aufweisen; weiters können der oder die Permanentmagnete im Rotormaterial eingebettet sein. Die Permanentmagnete können in radialer Richtung, in diametraler (paralleler) Richtung ebenso wie in tangentialer Richtung bzw. in axialer Richtung magnetisiert sein. Weiters kann der Rotor als Permanentmagnetrotor ausgeführt, d.h. durch einen einzelnen Permanentmagneten gebildet sein.
Zur Leitung des Flusses im Rotor kann ein ferromagnetisches Flussführungs-Leitstück (Rückschlussring) vorgesehen sein. Zur Erhöhung der Flussdichte im Luftspalt zwischen Stator und Rotor kann ferner mindestens ein ferromagnetisches Flusskonzentrat- Leitstück, insbesondere ein ringförmiges Flussleitstück, vorgesehen sein; das oder die Leitstücke können auch gezahnte oder klauenförmige äußere Vorsprünge haben, die abwechselnd - in Um- fangsrichtung gesehen - aufeinander folgen und abwechselnd gepolt sind. Mit Hilfe eines solchen Leitstückes kann im Übrigen auch der permanentmagnetische Fluss in eine Richtung umgelenkt werden, die nicht mit der Magnetisierungsrichtung des bzw. der Permanentmagneten übereinstimmt.
Von besonderem Vorteil ist es auch, wenn am Stator oder Rotor direkt oder in deren Umgebung mindestens ein elektrisch leitfähiges Werkstück so angebracht ist, dass bei einer Bewegung des Rotors infolge der Durchdringung des leitfähigen Werkstücks mit zeitlich oder räumlich veränderlichen magnetischen Feldern mechanische Schwingungen des Rotors gedämpft werden.
Für eine optimale Platzausnutzung ist es günstig, wenn die Stator-Segmente in den Eckbereichen eines rechteckigen Gehäuses der Drehantriebseinrichtung angebracht sind.
Wie bereits angeführt ist der vorliegende Drehantrieb bzw. Motor insbesondere für die Anwendung in Lüftern oder Gebläsen geeignet, und demgemäß kann der Rotor mit einem Flügelrad zur Förde¬ rung von Gasen, aber auch von flüssigen Medien, ausgeführt sein.
Durch entsprechende Regelung der Spulenströme ist es möglich, auf den Rotor Kräfte zur Erzeugung von Vibrationen, zwecks Ent¬ fernung von an der Rotoroberfläche haftenden Teilen, Partikeln oder Flüssigkeiten, auszuüben, wobei diese Vibrationen insbesondere in radialer Richtung erfolgen.
Aus Platzgründen ebenso wie aus Gründen einer möglichst geringen Störung von Sensor- und Steuer- bzw. Regelsignalen ist es günstig, wenn zumindest ein Teil der Steuer- bzw. Regeleinrichtung im Stator integriert ist. Dies betrifft insbesondere die Signal- und Steuerelektronik des Regelkreises ebenso wie die Elektronik der Sensoreinrichtungen, abgesehen davon, dass die Sensoren in der Nähe des Rotors anzubringen sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dar¬ gestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen im Einzelnen: die Fig. IA und IB eine erste Ausführungsform einer magnetgelagerten Drehantriebseinrichtung im Querschnitt bzw. Axialschnitt, wobei in der Querschnittsansicht gemäß Fig. IA der Einfachheit halber verschiedene Ausführungen bzgl. Ausbildungen von Statorzähnen sowie Stator-Spulen veranschaulicht sind;
die Fig. 2A und 2B in einer entsprechenden Quer- bzw. Axialschnittdarstellung eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Drehantriebseinrichtung;
Fig. 2C Beispiele für mögliche Stromformen für die vier Spulen der vier in Fig. 2A gezeigten Stator-Segmente, bezogen auf eine komplette Umdrehung des Rotors der Drehantriebseinrichtung gemäß Fig. 2A;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht noch einer anderen Ausführungs- form der erfindungsgemäßen Drehantriebseinrichtung;
die Fig. 4 und 5 in schematischen Axialschnitten das Prinzip einer passiven Stabilisierung bei Auslenkungen in axialer Richtung (Fig. 4) bzw. beim Kippen des Rotors (Fig. 5) relativ zum Stator, auch unter zusätzlicher Anwendung einer Dämpfungseinrichtung;
Fig. 6 nur im Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines Drehantriebs mit zusätzlichen ferromagnetischen bzw. permanentmagnetischen Stator-Segmenten;
Fig. 7 in verschiedenen Teilansichten 7A-7D eine Ausführung einer Drehantriebseinrichtung mit einem am Rotor angebrachten Flußkonzentrator, wobei Fig. 7A einen Axialschnitt, Fig. 7B eine Ansicht des Rotors dieses Drehantriebs, Fig. 7C das in Fig. 7A mit einem Kreis umrahmte Detail C in einer vergrößerten Schnittansicht (vgl. auch Schnittlinie C-C in Fig. 7D) und Fig. 7D das in Fig. 7B mit einem Kreis umrahmte Detail D in maßstäblich größerer Ansicht veranschaulichen;
die Fig. 8A und 8B in einer Ansicht bzw. in einem axialen Querschnitt einen Rotor gemäß noch einer anderen Ausführungsform, bei der der Rotor mit äußeren und inneren Flussleitstücken zur Umleitung des magnetischen Flusses des Permanentmagneten des Rotors ausgebildet ist;
Fig. 8C in größerem Maßstab das mit einem Kreis bei C in Fig. 8B umrahmte Axialschnitt-Detail;
die Fig. 9A und 9B in einer Ansicht bzw. Axialschnittdarstellung einen weiteren Rotor mit ferromagnetischen Flussleitstücken;
Die Fig. 10, 11 und 12 weitere mögliche Ausführungsformen des Drehantriebs in schematischen Querschnittsdarstellungen; und
Fig. 13 schematisch in einem Blockschaltbild eine elektronische Steuer- bzw. Regeleinrichtung für einen erfindungsgemäßen Drehantrieb bzw. Motor. Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung In Fig. IA ist eine elektromagnetische Drehantriebseinrichtung, nachstehend auch kurz Drehantrieb 10 genannt, in Form eines Motors für einen Lüfter mit einem Rotor 11, dessen äußere Oberfläche 2 durch einen Luftspalt 1 von einem durch - in diesem Ausführungsbeispiel vier - Stator-Segmente 14 gebildeten Stator getrennt ist, veranschaulicht. Der Rotor 11 ist ein integrierter Flügelrad-Rotor mit einem inneren Flügelrad 25, an dessen Außenumfang ein (ferro-) magnetischer Rückschlussring 12 angebracht ist, auf dem außen beispielsweise - gemäß Fig. IA - insgesamt zwölf Permanentmagnete 13 angebracht sind, die abwechselnd radial auswärts und radial einwärts magnetisiert sind, wie in Fig. IA durch kurze Pfeile angegeben ist; dabei sind somit insgesamt sechs magnetische Polpaare gegeben. Anstatt der in Fig. IA gezeigten radialen Magnetisierung sind aber auch andere Magnetisierungen denkbar, wie etwa diametrale Magnetisierungen, wie nachfolgend anhand von Fig. 10 noch näher erläutert werden wird, oder aber tangentiale Magnetisierungsrichtungen, wie ebenfalls schematisch in Fig. 10 gezeigt ist, und überdies ist auch eine axiale Magnetisierung möglich, auf die nachfolgend anhand der Fig. 9B noch näher Bezug genommen werden wird.
Gemäß Fig. IA ist ein im Querschnitt quadratisches Gehäuse 4 für den Drehantrieb 10 vorgesehen, und die vier Stator-Segmente 14 sind in den Viereckbereichen dieses Gehäuses 4 so angeordnet, dass sich zwischen den am Rotor 11 befestigten Permanentmagneten 13 und den Stator-Segmenten 14 ein solcher Luftspalt 1 einstellt, dass während des Betriebs des Drehantriebs 10 ein berührungsfreies Drehen des Rotors 11 innerhalb des durch die Segmente 14 insgesamt gegebenen Stators ermöglicht wird. Die Segmente 14 des Stators überdecken dabei je nach Ausführung des Rotors 11 nur einen Teil des gegebenen geometrischen Kreisum- fangs, beispielsweise jeweils über einen Bogen bzw. eine Überdeckung 19 gemäß einem durch einen Doppelpfeil angegebenen Zentriwinkel. In dem in Fig. IA gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechen die Bogenlängen der einzelnen Stator-Segmente 14 jeweils etwas weniger als einem ^-Kreis, wogegen die Abstände zwischen den Segmenten 14 etwas größer als ein k-Kreis sind. Die Abstände der Stator-Segmente 14 voneinander sollten aber vorzugsweise mindestens eine halbe Polteilung (und können auch meh- rere Polteilungen) betragen. Vorsorglich sei darauf hingewiesen, dass im Prinzip auch mehr oder weniger als vier Segmente 14 vorgesehen werden können, wenn gleich sich im Ausführungsbeispiel von Fig. IA im Hinblick auf die gezeigte Gehäuseform eine Ausbildung mit vier Segmenten 14 als vorteilhaft erweist.
Der Einfachheit halber sind in Fig. IA verschiedene Ausführungen von Stator-Segmenten 14, nämlich mit Zähnen oder Schenkeln 22 mit gleichen Zahnbreiten 5a, 5b bzw. mit ungleichen Zahnbreiten 6a, βb ebenso wie mit unterschiedlichen Bewicklungen, mit Spulen 15a, 15b, 15c bzw. 15d, 15e bzw. 15f, 15g und 15h, gezeigt. Für das Stator-Segment 14 in Fig. IA links oben wurde der Einfachheit halber die Bewicklung weggelassen. Es ist in deren Bereich weiters schematisch veranschaulicht, dass von einer bewirkten elektromagnetischen Kraft 3 Kraftkomponenten 3a in tangentialer Richtung sowie Kraftkomponenten 3b in (auf die Drehachse 7 des Rotors 11) normaler bzw. radialer Richtung auf die Oberfläche 2 des Rotors 11 einwirken, so dass unabhängig voneinander ein mittleres Drehmoment sowie mittlere Tragkräfte in zwei unter¬ schiedlichen radialen Richtungen in der Ebene normal zur Rotor- Drehachse 7 entstehen. Für die Bildung dieser Kraftkomponenten 3a, 3b ist das Bewicklungssystem entsprechend vorzusehen, wobei wie ersichtlich die Wicklungssysteme auf den Stator-Segmenten 14 aus einer gleichen Anzahl von Teilspulen oder einer unterschiedlichen Anzahl von Teilspulen bestehen können, und wobei die Verteilung der Spulen auf die Segmente 14 an sich beliebig ist. Im Fall eines Drehantriebs 10 für einen Lüfter ist es aber nicht erforderlich, dass für jede Rotorstellung beliebige Kräfte in radialer Richtung und unabhängig davon ein Drehmoment einstellbar ist. Es können hier vielmehr Spulenanordnungen, die bei bestimmten Rotor-Drehwinkeln φ (vgl. Fig. 2C) keine unabhängigen Kräfte ermöglichen oder kein Drehmoment erzeugen können, nichtsdestoweniger für einen lagerlosen Betrieb zulässig sein. Selbst einzelne unbewickelte Stator-Segmente 14, wie das Segment 14 in Fig. IA links oben, sind grundsätzlich möglich, sofern ein mittleres Drehmoment und mittlere Tragkräfte einstellbar sind.
Die geometrische Ausformung der Stator-Segmente 14 ist ebenfalls grundsätzlich beliebig, mit der Maßgabe, dass die gewünschten Spulen angebracht werden können. Als Werkstoff für die Segmente 14 kann ferromagnetisches Material verwendet werden, im Prinzip ist jedoch auch der Einsatz von magnetisch nicht leitfähigen Materialien denkbar. Beispielsweise werden die Stator-Segmente 14 auf einen nicht-magnetischen Träger, der z.B. durch einen Rahmen oder das Gehäuse 4 gebildet ist, montiert, wobei dieser Träger, der Rahmen oder das Gehäuse 4, insbesondere aus Kunststoff ausgeführt sein kann. Weiters ist es zur einfachen Integration der Segmente 14 im Gehäuse 4 beispielsweise möglich, einzelne Segmente 14, beispielsweise immer zwei benachbarte Segmente 14, die beispielsweise magnetisch leitfähige Materialien enthalten, über magnetisch nicht leitfähige Verbindungs-Stege 18 miteinander vorab zu verbinden, um sie so gemeinsam, als Verbundelement, im Gehäuse 4 montieren zu können.
Die Gestaltung der Stator-Segmente 14 ist in Verbindung mit der Anordnung der Permanentmagnete 13 zweckmäßig so zu wählen, dass durch eine geeignete Bewicklung der Segmente 14 ein Dreh- oder Wechselfeldmotor gebildet wird. Ganz allgemein können die aus den bestromten Spulen den einzelnen elektromagnetischen Stator- Segmente 14 gebildeten Wicklungen im Spalt 1 und in dessen Umgebung Wechselfelder, Wanderfelder, Drehfelder oder aber Wechselfelder mit überlagerten Wander- oder Drehfeldern aufbauen. Derartige Ausbildungen sind an sich bekannt und bedürfen hier keiner näheren Erläuterung. Die Anzahl der Stator-Segmente 14 sowie deren Verteilung am Umfang des Rotors 11 ist an sich beliebig, wobei durch die jeweilige Verteilung ganz gezielt eine Beeinflussung der Kraft- und Drehmomenterzeugung ermöglicht wird.
Die Überdeckung 19 eines Teil-Umfangs des Rotors 11 durch das jeweilige Segment 14 kann ebenfalls sehr verschieden sein, und sie kann insbesondere von einem Bruchteil einer Polteilung bis zu mehreren Polteilungen betragen.
Die Ausführung der Spulen bzw. Wicklungen 15; 21; 31 ist durch die geometrische Ausführung der Stator-Segmente 14 vorgegeben. Meistens ist es sinnvoll, die Segmente 14 so zu gestalten, dass die Spulen, z.B. 15, in Nuten 23 liegen bzw. um einen (vgl. z.B. Spule 15a in Fig. IA) oder um mehrere Zähne 22 (vgl. z.B. Spule 15a in Fig. IA) liegen, d.h. konzentriert oder verteilt gewi- ekelt werden. Wie bereits erwähnt können die Zähne 22 dabei gleiche Zahnbreiten 5a, 5b oder aber ungleiche Zahnbreiten βa, 6b aufweisen.
Zur Erfassung der Position des Rotors 11 in zwei radialen Richtungen, z.B. in X-Richtung und Y-Richtung (wenn gemäß der Darstellung in Fig. IA die Z-Richtung als in Achsrichtung eingenommen wird), dienen Positions-Sensoren 16, wie aus Fig. IA und IB ersichtlich ist, sowie weiters Winkel-Sensoren 17, vgl. Fig. IA. Die Anzahl der Sensoren 16, 17 ist so zu wählen, dass zwei voneinander unabhängige Wege in der Ebene normal zur Rotor- Drehachse 7 sowie der Drehwinkel φ (vgl. Fig. 2C) des Rotors 11 gemessen werden können. Diese Sensoren 16, 17 können jedoch zum Teil entfallen oder sogar zur Gänze weggelassen werden, falls aus den elektrischen bzw. magnetischen Kreisen eine rechnerische Bestimmung der Rotor-Position auf Basis von Messungen von Strömen etc. möglich ist, wie dies an sich bekannt ist.
In Fig. 2A und 2B ist ein vorteilhaftes, sehr kostengünstiges Ausführungsbeispiel eines Drehantriebs 10 mit einem vereinfachten Wicklungssystem gezeigt, wobei auf jedem Stator-Segment 14 nur eine konzentrierte Spule 21a, 21b, 21c bzw. 21d angebracht ist. Diese voneinander unabhängigen einzelnen Spulen werden gleichzeitig zur Erzeugung des Drehmoments für den Rotor 11 sowie der Tragkräfte für die magnetische Lagerung des Rotors 11 genützt. Eine gezielte Steuerung der Tragkräfte und des Drehmoments des Rotors 11 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Ansteurung der einzelnen Spulen 21a bis 21d mit unterschiedlichen elektrischen Strömen, vgl. Fig. 2C. In dieser Fig. 2C ist mehr im Detail in vier Zeilen übereinander ein Muster von Strömen für die Spulen 21a, 21b, 21c und 21d über dem Rotor-Winkel φ (von 0 bis 360°) veranschaulicht, wobei mit diesen vier Strömen in den Wicklungen bzw. Spulen 21a bis 21d des Drehantriebs 10 gemäß Fig. 2A und 2B die gewünschten Tragkräfte für die magnetische Lagerung einerseits sowie das gewünschte Drehmoment andererseits erhalten werden können.
Wie weiters in Fig. 2A ersichtlich sind die Spulen 21a bis 21d wiederum in Nuten 23 der Stator-Elemente 14 untergebracht, und beispielhaft sind auch innerhalb des Gehäuses 4 Sensoren, wie Positionssensoren 16, ähnlich wie in Fig. 1 veranschaulicht, die zur Erfassung der Position und Winkellage des Rotors 11 dienen. Dieser Rotor 11 ist im Übrigen wiederum mit einem Flügelrad 25 im Hinblick auf eine Anwendung des gezeigten Drehantriebs 10 in einem Lüfter oder Gebläse veranschaulicht. Weiters ist auch die ideale Drehachse 7 des Rotors veranschaulicht.
In Fig. 3 ist ein weiterer elektromagnetischer Drehantrieb 10 mit einem integrierten Flügelrad-Rotor 11 gezeigt, wobei sehr einfach ausgeführte Stator-Segmente 14 veranschaulicht sind, die je nur einen einzelnen ferromagnetischen Schenkel oder Zahn 151 aufweisen, wobei diese Stator-Schenkel 151 gegebenenfalls wiederum, ähnlich wie beim Drehantrieb gemäß Fig. 1 die Stator-Segmente 14, über magnetisch nicht leitende Stege 18 miteinander verbunden sein können. Die auf den Schenkeln 151 aufgebrachten Wicklungen bestehen jeweils aus drei unabhängigen Spulen oder Strängen 31a, 31b und 31c. Jeweils eine dieser Spulen 31a bis 31c ist zur Erzeugung eines Drehmoments (Spule 31a) bzw. von Tragkräften zwecks magnetischer Lagerung in zwei unterschiedlichen Richtungen (Spule 31b und Spule 31c) vorgesehen. Zur Vereinfachung der elektronischen Ansteuerung ist es möglich, die jeweiligen Spulen 31a bis 31c elektrisch zu verschalten. Bei der in Fig. 3 gezeigten Pol-Konfiguration können die vier Drehmoment-Spulen 31a auch so in Serie geschaltet werden, dass sich die erzeugten Drehmomente addieren.
Zur vollständig berührungslosen Lagerung des Flügelrads 25 bzw. Rotors 11 ist es nötig, alle Freiheitsgrade zu stabilisieren. Dabei werden drei Freiheitsgrade (Bewegungen in der Ebene normal zur Drehachse 7 des Rotors 11 und die Rotor-Drehbewegung um die Drehachse 7), wie bereits beschrieben, aktiv mit Hilfe von elektromagnetischen Kräften stabilisiert. Die Bewegungsmöglichkeit des Flügelrads 25 bzw. Rotors 11 entlang der Drehachse 7 und die beiden möglichen Kipprichtungen werden dagegen bevorzugt passiv stabilisiert .
In Fig. 4 ist eine passive Stabilisierung des Rotors 11 entlang der Rotor-Drehachse 7 dargestellt. Die Auslenkung des Rotors 11 mit dem Flügelrad 25 in axialer Richtung wird durch die Maxwellkräfte zwischen den ferromagnetischen Stator-Segmenten 14 und den Rotor-Permanentmagneten 13, d.h. durch resultierende rückstellende Kräfte 43 korrigiert, die der Auslenkung entgegenwirken und den Rotor 11 axial stabilisieren.
In Fig. 5 ist die passive Stabilisierung in Kipprichtung (s. gekippte Achse 7') dargestellt. Ebenso wie bei der axialen Stabilisierung wirken Maxwellkräfte, die bei einer Verkippung des Rotors 11 ein stabilisierendes Kräftepaar 51 bilden.
Für spezielle Anwendungen kann es zweckmäßig sein, die passive Stabilisierung dahingehend zu verbessern, dass zusätzliche be¬ rührungsfreie Dämpfungselemente 42 in den Aufbau integriert werden, um ungewünschte Schwingungsneigungen in axialer Richtung (Fig. 4) und in Kipprichtung (Fig. 5) zu vermeiden. Ein solches Dämpfungselement 42 besteht beispielsweise aus einer elektrisch leitfähigen Platte 42', die am Flügelrad 25 bzw. Rotor 11 befestigt ist. Mit Hilfe von Permanentmagneten 41, die fest mit dem Gehäuse (4 in Fig. IA) verbunden sind, werden bei einer Bewegung des Rotors 11 in axialer Richtung oder in Kipprichtung Wirbelströme in der leitfähigen Platte 42' induziert, die wiederum mit dem magnetischen Feld Kräfte entgegen der Bewegungsrichtung ausbilden und somit ungewünschte Schwingungen dämpfen.
Bei einer anderen möglichen Ausführungsform des Dämpfungsele¬ ments 42 sind die Permanentmagnete 41 mit dem Rotor 11 verbunden, und die elektrisch leitfähige Platte 42' ist fest am Gehäuse (4 in Fig. IA) befestigt.
Die Steifigkeit der passiven Stabilisierung nimmt mit dem Quadrat der Flussdichte im Luftspalt 1 zwischen den Permanentmagneten 13 und den ferromagnetischen Stator-Segmenten 14 zu. Zur Erhöhung der axialen Steifigkeit und der Steifigkeit in Kipprichtung (vgl. Fig. 4 und 5) können zusätzliche ferromagne- tische Stator-Segmente 91 oder aber permanentmagnetische Stator- Segmente 92 zwischen den elektromagnetischen Stator-Segmenten 14 eingefügt werden, wie dies beim Drehantrieb 10 gemäß Fig. 6 vorgesehen ist. Die Ausbildungen des Rotors 11 und der Stator-Segmente 14 können hier im Übrigen einer der bereits voranstehend erläutertenden Ausbildung entsprechen, so dass sich eine neuerliche Beschreibung etwa des Rotors 11 samt Flügelrad etc. erüb- rigen kann. Vorsorglich sei nur darauf hingewiesen, dass auch in Fig. 6 die Bewicklung der Stator-Segmente 14 der Einfachheit halber weggelassen wurde.
Die in Fig. 6 gezeigten ferro- bzw. permanentmagnetischen Stator-Segmente 92, 91 werden zweckmäßig so ausgebildet, dass die Erzeugung des Drehmoments und der Lagerkräfte durch die Stator- Segmente 14 nicht gestört wird. Insbesondere wäre darauf zu achten, dass keine zusätzlichen, störenden Rastmomente entstehen. Günstig wäre hier eine derartige geometrische Ausführung und Form der ferro- bzw. permanentmagnetischen Segmente 92, 91, dass etwaige Rastmomente, die sich aufgrund dieser Segmente 92, 91 ergeben, kompensiert werden.
An sich ist es auch möglich, zur passiven Stabilisierung des Rotors 11 in radialer Richtung in vergleichbarer Weise Magnete, insbesondere axialmagnetisierte Permanentmagnete (nicht dargestellt) , am Stator (d. h. an einzelnen Stator-Segmenten 14) bzw. am Rotor 11 anzubringen. Der magnetische Fluss dieser Permantma- gneten bewirkt abstoßende Kräfte, die zur magnetischen Passivie- rung des Rotors 11 in radialer Richtung herangezogen werden können. Eine etwaige der Stabilisierung in axialer Richtung entgegengerichtete Wirkung dieser Permanentmagnet-Anordnung wäre durch eine geeigene magnetische Axiallagerung zu kompensieren.
Um hohe Tragkräfte sowie insbesondere hohe Steifigkeiten zu erzielen, kann es auch zweckmäßig sein, die Flussdichte im Bereich der Permanentmagnete 13 des Rotors 11 so hoch wie möglich zu wählen. Eine solche Erhöhung der Flussdichte kann durch einen Flusskonzentrator 61 aus ferromagnetischem Material erreicht werden, wie er in den Fig. 7A bis 7D dargestellt ist. Die Flussdichte der Permanentmagneten 13 wird durch eine von innen nach außen verlaufende Querschnitts-Verjüngung des Querschnittes des z. B ringförmigen Flusskonzentrators 61 erhöht, vgl. Fig. 7A und 7C, so dass sich im Luftspalt 1 zwischen dem Flusskonzentrator 61 und den Stator-Segmenten 14 (in Fig. 7A, 7C nur schematisch angedeutet) die gewünschte Flussdichte einstellt. Die geometrische Ausbildung des Querschnitts des Flusskonzentrators 61 ist zweckmäßig so zu wählen, dass das ferromagnetische Material in der Mitte eines Magnetsegmentes an der Sättigungsgrenze betrie- ben wird. Bei einer Ausführung des Flusskonzentrators 61 als Ring, wie in Fig. 7B dargestellt, wird das ferromagnetische Material des Flusskonzentrators 61 an den Polwechseln (vgl. Bereich 71 in Fig. 7D) stark in Sättigung getrieben, so dass nur ein geringer Flussanteil durch den Flusskonzentrator 61 kurzgeschlossen wird. Bei der geometrischen Auslegung des ferromagne- tischen Rückschlussringes 12 ist insbesondere an den Polwechseln (s. Bereich 71) eine magnetische Sättigung zu vermeiden.
Eine weitere günstige Ausführungsform zur Konzentration der Flussdichte ist in der Fig. 8A bis 8C dargestellt. Der magnetische Fluss des einzelnen ringförmigen Permanentmagneten 13 des Rotors 11, der bei dieser Ausführung am gesamten Umfang entweder von innen nach außen oder aber von außen nach innen magnetisiert ist, wird mit Hilfe eines inneren Flussleitstücks 81 und eines äußeren Flussleitstücks 82 gesammelt, vgl. Magnetfeld B in Fig. 8C. Beide Flussleitstücke 81, 82 sind so mit Zahn-Vorsprüngen 81A, 82A geformt, dass in benachbarten, durch die Vorsprünge 81A bzw. 82A der Flussleitstücke 81, 82 definierten Winkelsegmenten jeweils entweder das innere Flussleitstück 81, 82 oder das äußere Flussleitstück 82 den magnetischen Fluss in radiale Richtung umleitet. Durch diese geometrische Ausformung kommen abwechselnd Winkelsegmente (Vorsprünge 81A/82A) mit unterschiedlicher magnetischer Polarität nebeneinander zu liegen, welche in der Folge die magnetischen Polpaare ausbilden. Als Werkstoff für die Flussleitstücke 81, 82 ist ferromagnetisches Material mit hoher Sättigungsflussdichte empfehlenswert .
Eine alternative Ausführung zwecks Konzentration der Flussdichte, die in Fig. 9A und 9B gezeigt ist, kann auch so erfolgen, dass der Fluss eines axial magnetisierten (s. Pfeile 115 in Fig. 9B) Permanentmagnetrings 13 des Rotors 11 mit Hilfe von derartig gezahnten ferromagnetischen Flussleitstücken 81, 82 an der „Oberseite" (81) und „Unterseite" (82) des Rotors 11 in radialer Richtung gesammelt wird. Die Flussleitstücke 81, 82 sind so mit radialen Zahn-Vorsprüngen 81A, 82A geformt, dass wiederum eine radiale Flussverteilung mit unterschiedlicher Polarität zum äußeren Kreisrand der radial vorstehenden klauenförmigen Vorsprünge 81A, 82A der Flussleitstücke 81 bzw. 82 entsteht. In Fig. 10 ist schematisch ein Querschnitt eines Drehantriebs 10 mit einem Rotor 11 gezeigt, der radial innerhalb eines Stators mit Segmenten 14 (hier wieder der Einfachheit halber ohne Spulen dargestellt) elektromagnetisch gelagert ist und umläuft. Der Rotor 11 hat wiederum in Kreisumfangsrichtung mehrere aufeinander folgende Permanentmagnete 13, beispielsweise insgesamt 16 Permanentmagnete 13, die abwechselnd entgegengesetzt magnetisiert sind. Dabei sind der Einfachheit halber in dieser (ein und derselben) Fig. 10 verschiedene Magnetiserungsrichtungen veranschaulicht, nämlich zum einen entgegengesetzte radiale Magnetiserungsrichtungen 111 (in Fig. 10 oben), andererseits gemäß Pfeil 112 Magnetisierungen nach innen und nach außen „diametral", d.h. mit im jeweils gesamten Permanentmagnet 13 parallelem Flussverlauf (gemäß der Darstellung in Fig. 10 auf der rechten Seite gezeigt) ; oder aber (siehe die Darstellung in Fig. 10 unten) Magnetisierungen in tangentialer Richtung abwechselnd im Uhrzeigersinn bzw. Gegenuhrzeigersinn, s. die Pfeile 113.
Eine weitere günstige Ausführungsform eines berührungsfrei magnetisch gelagerten Drehantriebs 10 (Segmentantriebs) ist in Fig. 11 gezeigt, wobei hier der Rotor 11 bevorzugt bloße Verdrehbewegungen (Schwenkbewegungen) ausführt. Der Rotor 11 weist wiederum über seinen gesamten Kreisumfang abwechselnd radial nach innen und außen magnetisierte Permanentmagnete 13 auf, die mit einem einzelnen Stator-Segment 14 zusammenwirken, dass mehrere - im gezeigten Ausführungsbeispiel 8 - Schenkel oder Zähne 22 mit Spulen 15 aufweist. Die Überdeckung 19 beträgt hier beispielsweise etwas weniger als ein ^-Kreis.
Theoretisch wäre es beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 auch denkbar, den Rotor 13 fest anzuordnen und den Stator, d.h. das Segment 14 beweglich vorzusehen, also Rotor und Stator zu vertauschen. Weiters können hier sowohl Rotor 13 als auch Stator- Segment 14 beweglich sein.
In Fig. 12 ist eine Ausführungsform eines elektromagnetischen Drehantriebs 10 mit einem Rotor 11 sowie mit eckseitigen Stator- Segmenten 14 innerhalb eines im Querschnitt quadratischen Gehäuses 4 - ganz ähnlich wie beispielsweise in Fig. IA - gezeigt; dabei sind wiederum Positions- bzw. Winkelsensoren 16 veranschaulicht, und zur Vereinfachung der Darstellung sind auch in Fig. 12 die Spulen der Stator-Segmente 14 weggelassen worden. Zusätzlich ist in Fig. 12 links unten eine Modifikation eines Stator-Segments 14 gezeigt, nämlich mit einer „nutlosen" Wicklung 141 an der inneren Oberfläche eines platten, kreisbogenförmigen Segmentteiles 142. Eine derartige Ausführung mit einer „Luftspaltwicklung" 141 ist konstruktiv besonders einfach und preiswert .
Schematisch ist in Fig. 12 weiters im Bereich des letztgenannten Stator-Segments 14 eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung 20 für den Drehantrieb 10 dargestellt, wobei es von Vorteil ist, eine derartige Steuer- bzw. Regeleinrichtung 20 zumindest größtenteils im Bereich des Stators selbst, innerhalb des Gehäuses 4, unterzubringen. Dadurch können kurze elektrische Leitungen sichergestellt und etwaige Störungen durch Verzerrungen von Signalen auf außen liegenden Leitungen vermieden werden. Eine solche Steuerbzw. Regeleinrichtung 20 kann im Prinzip ähnlich wie es für lagerlose Scheibenmotoren bereits vorgeschlagen wurde (vgl. S. Silber, W. Amrhein, „Power Optimal Current Control Scheme for Bearingless PM Motors", 7th International Symposium on Magnetic Bearings, Zürich, Schweiz 2002) ausgebildet sein; ein Beispiel hierfür ist schematisch in Fig. 13 gezeigt.
Im Einzelnen sind in Fig. 13 diesbezüglich eine für die Vorgabe insbesondere der Drehzahl vorgesehene Eingangs-Regeleinheit 24, mit linearen Reglern, wo Referenzwerte für die Position und Drehzahl des Rotors 11 eingestellt werden, sowie ein Entkopplungsmatrix-Modul 25 gezeigt, dessen Ausgang über einen Addierglied 26 an einen Eingang des Drehantriebs 10 bzw. genauer von dessen Stator-Segmenten 14 (bzw. deren Spulen) angelegt wird. Über die erwähnten Sensoren 16, 17 werden Zustandssignale x (bei denen es sich tatsächlich um Vektoren handelt) an eine Transformationseinheit 27 angelegt, wo eine nichtlineare Zustandstrans- formation z=Φ(x) zur Erzielung einer modifizierten Zustandsgröße z durchgeführt wird, wobei diese Zustandstransformation im Wesentlichen einer Koordinatenänderung entspricht. An den Ausgang dieser Transformationseinheit 27 sind einerseits die Eingangs- Regeleinheit 24 sowie andererseits ein Rückkopplungsmodul 28 an- geschlossen, um gemäß einem bekannten statischen Zustands-Rück- kopplungs-Gesetz (vgl. Franklin, J. D. Powell, A. Emami-Naeini, „Feedback Control of Dynamic Systems" - Addison-Wesley, 3rd Editon 1994) eine Kompensation von Nichtlinearitäten durchzuführen. An den Eingang der Spulen 14 des Drehantriebs 10 wird dann als Stellgröße ein jeweiliges angepasstes Spannungssignal us angelegt .
Die Eingangs-Regeleinheit 24 kann lineare Regler für die einzelnen Stellgrößen enthalten, und die Enkopplungseinheit 25 führt Berechnungen entsprechend einem Entkopplungsmatrix-Algorithmus hinsichtlich der Kraft-Strom-Beziehung durch, wie dies an sich aus der vorgenannten Literaturstelle Silber, Amrhein bekannt ist. Die Einheit 28 dient zur Kompensation von Nichtlinearitäten aus dem Zustandstransformationsmodul 26.
Selbstverständlich kann die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 20 bzw. zumindest Teile hiervon, wobei zu dieser Einrichtung 20 im Grunde genommen auch die Sensoren 16, 17 gehören, auch bei den vorhergehenden Ausführungsformen im Bereich der Stator-Segmente 14, etwa im Bereich von deren Stirnseiten, innerhalb des Gehäuses 4 untergebracht werden, also im Detail die elektrische Signal- und Leistungselektronik und wie erwähnt die Sensoren 16 bzw. 17 samt deren Elektronik.
Beim vorliegenden Drehantrieb 10 sind auch bewusste Bewegungen des Rotors 11 bzw. des Flügel- oder Lüfterrads 25 in radialer Richtung möglich, und es kann mit einer „Auslenkung" des Rotors 11 in eine Richtung durch entsprechende Regelung des Spulenstroms an der Stelle, an der sich der mechanische Luftspalt 1 zwischen Rotor 11 und Stator-Segment 14 verringert, ein etwaiger angelagerter Staub oder eine andere etwaige Verunreinigung gezielt entfernt werden. Weiters kann Staub, der sich an der Ro¬ tor-Oberfläche 2 ansammelt, mit Vibrationen, die ebenfalls durch Stromregelung mit Hilfe der Einrichtung 20 herbeigeführt werden können „abgeschüttelt" werden. Die Vibration des Rotors 11 zwecks Entfernung von Partikeln oder Flüssigkeiten auf der Rotoroberfläche 2 kann durch Vibration des Rotors insbesondere in radialer Richtung entfernt werden. Da beim vorliegenden Drehantrieb 10 keine mechanischen Lagerteile vorhanden sind, die einen Körperschall vom Lüfterrad (Flügelrad 25) auf das Gehäuse 4 übertragen werden, ist ein besonders leiser Betrieb des Drehantriebs 10 sichergestellt. Etwaige vorhandene Unwuchten des Rotors 11 samt Flügelrad 25 können mit Hilfe von regelungstechnischen Methoden über die Regeleinrichtung 20 während des Betriebs des Drehantriebs 10 bzw. des mit diesem Drehantrieb 10 ausgestatteten Lüfters oder dgl. automatisch kompensiert werden. Aus dem vorhandenen Orbit (Abweichung von der Sollposition) ist die exakte Lage der Hauptträgheitsachse des Rotors 11 samt Flügelrad 25 unter Zuhilfenahme von fundamentalen Kerngrößen der Strecke berechenbar. Wird nun das Lüfterrad, d.h. der Rotor 11 mit dem Flügelrad 25, nicht um die geometrische Drehachse 7 gedreht, sondern um die so berechnete Haupträgheitsachse, so ist ein vollkommen kräftefreier Betrieb des Drehantriebs 10 möglich. Da eine Kompensation von Unwucht auch während des Betriebs möglich ist, kann selbst bei starker Verschmutzung der Flügel des Flügelrads 25 ein vibrationsfreier Betrieb gewährleistet werden.
Wie vorstehend bereits in Zusammenhang insbesondere mit Fig. 2 und 3 erläutert wurde, werden beim vorliegenden Drehantrieb 10 zweckmäßiger Weise mindestens drei unabhängige Spulen den Stator-Segmenten 14 zugeordnet, um so für die drei Freiheitsgrade (zwei radiale Richtungen und die Drehrichtung) entsprechende Kraftkomponenten zu erzeugen. Möglich ist es jedoch, wie ebenfalls bereits erwähnt wurde, einem Strom mit Stromkomponenten für die Erzeugung der Tragkräfte für den Rotor 11 weitere Stromkomponenten zu überlagern, um tangentiale Kräfte und somit ein Drehmoment, d.h. die Drehung des Rotors 11, zu bewirken.
Für eine gezielte Beeinflussung der Tragkräfte bzw. der Drehmomentbildung ist dabei auch die Ausbildung der Stator-Segmente 14 mit Zähnen mit ungleichen Zahnbreiten 6a, 6b (siehe. Fig. IA rechts unten) von Vorteil.
Wie erwähnt kann ein Permanentmagnetrotor, d.h. ein Rotor mit einem einzelnen Permanentmagnet-Ring (vgl. Fig. 8A) ebenso wie ein Rotor 11 mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung aneinander gereihten Permanentmagneten 13, wie etwa in Fig. IA gezeigt, eingesetzt werden. Im letzteren Fall ist es vielfach günstig, die Permanentmagneten 13 in einem außenseitigen Oberflächen-Material des Rotors 11 einzubetten, wobei beispielsweise ein Tragring aus Aluminium mit entsprechendem Einbettungsmaterial (Kunststoff) für die Permanentmagneten 13 eingesetzt werden kann.
Der Rotor 11 kann außer als Innenläufer, wie gezeigt, auch als Außenläufer ausgebildet sein, und er kann als Polläufer ebenso wie als Scheibenläufer ausgeführt sein.

Claims

Patentansprüche :
1. Elektromagnetische Drehantriebseinrichtung (10) mit einem Stator, der Elektromagneteinrichtungen aufweist, die mit einem Rotor (11), der mit zumindest einem Permanentmagneten (13) ausgebildet ist, zu dessen Drehung ebenso wie zu dessen elektromagnetischer Lagerung zusammenarbeiten, und mit einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung (20) für die elektromagnetische Lagerung und Drehung des Rotors (11) , dadurch gekennzeichnet, dass der Stator in Form eines Segments (14) oder mehrerer Segmente (14) mit einer Erstreckung (19) nur über ein Teil oder über Teile eines durch den Rotor (11) definierten geometrischen Kreisumfangs ausgebildet ist, wobei im Betrieb durch die den Elektromagneteinrichtungen (15, 21) des Segments (14) oder der Segmente (14) des Stators zugeführten Ströme in zur Oberfläche des Rotors (11) tangentialer sowie normaler Richtung Kraftkomponenten (3a, 3b) gebildet werden, die ein resultierendes Drehmoment sowie zwei resultierende Tragkräfte in unterschiedlichen radialen Richtungen senkrecht zur Rotor-Drehachse (7) herbeiführen.
2. Drehantriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Stator-Segmente (14) über mindestens ein nicht-ferromagnetisches Bauteil (18) oder Material verbunden sind.
3. Drehantriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Stator-Segmente (14) vorgesehen sind, die in einem Abstand (19) voneinander vorliegen, der mindestens gleich einer halben Polteilung des Rotors (11) entspricht .
4. Drehantriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass zwei aufeinander folgende Stator-Segmente (14) bezüglich ihres Abstandes so zueinander angeordnet sind, dass sie um mindestens eine Polteilung des Rotors (11) versetzt sind.
5. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mehrere Segmente (14) mit jeweils einer elektrischen Spule (21a-21d) aufweist.
6. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spule (21a bis 2Id) sowohl Stromkomponenten zur Herbeiführung der Tragkräfte als auch überlagerte Stromkomponenten zur Herbeiführung des Drehmoments führt.
7. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stator-Segmente (14) je mit drei voneinander unabhängigen Spulen oder Strängen (31a, 31b, 31c) versehen sind.
8. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektromagnetisches Stator-Segment (142) als ein nutenloses Segment mit einer Luftspaltwicklung (141) ausgebildet ist.
9. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektromagnetisches Stator-Segment (142) einen ferromagnetischen Schenkel (151) aufweist.
10. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stator-Segment (14) ferromagnetische Zähne (22) und Nuten (23) aufweist, wobei mindestens ein ferromagnetischer Zahn mit mindestens einer Spule
(15; 21) bewickelt ist.
11. Drehantriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (22) eines Stator-Segments (14) gleiche Zahnbreiten (5a, 5b) aufweisen.
12. Drehantriebseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (22) eines Stator-Segments (14) zumindest zum Teil ungleiche Zahnbreiten (6a, βb) aufweisen.
13. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung des Stators mittig oder axial versetzt zwischen zwei Stator-Segmenten (14) mindestens ein ferromagnetisches Statorsegment (91) angebracht ist, das die passive Lagerung des Rotors (11) in mindestens einem Freiheitsgrad unterstützt.
14. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung des Stators mittig oder axial versetzt zwischen zwei Stator-Segmenten (14) mindestens ein permanentmagnetisches Statorsegment (92) angebracht ist, das die passive Lagerung des Rotors (11) in mindestens einem Freiheitsgrad unterstützt.
15. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stator-Segmente (14) an mindestens einem nicht-ferromagnetischen Träger (4), z.B. aus Kunststoff, angebracht sind.
16. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) mindestens einen oberflächenmontierten Permanentmagneten (13) aufweist.
17. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Permanentmagnet (en) (13) im Rotormaterial eingebettet ist bzw. sind.
18. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) mit mindestens einem in radialer Richtung (111) magnetisierten Permanentmagnet (13) bestückt ist.
19. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) mit jeweils in diametralen, parallelen Richtungen (112) magnetisierten Permanentmagneten (13) bestückt ist.
20. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) mit mindestens einem in tangentialer Richtung (113) magnetisierten Permanentmagnet (13) bestückt ist.
21. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) mit mindestens einem in axialer Richtung (115) magnetisierten Permanentmagnet (13) bestückt ist . ,
22. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) als Permanentmagnetrotor ausgeführt ist.
23. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung des Flusses im Rotor (11) über mindestens ein ferromagnetisches Flussführungs-Leitstück (12) erfolgt .
24. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Flussdichte im Spalt (1) zwischen Stator und Rotor (11) mindestens ein ferroma- gnetisches Flusskonzentrator-Leitstück (61) vorgesehen ist.
25. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) mindestens ein gezahntes oder klauenförmiges ferromagnetisches Leitstück (81, 82) aufweist.
26. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass durch mindestens ein ferromagnetisches Leitstück (12, 61, 81, 82) der permanentmagnetische Fluss in eine Richtung umgelenkt wird, die nicht mit der Magnetisierungsrichtung des/der Permanentmagnet (en) (13) übereinstimmt.
27. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass am Stator oder Rotor (11) direkt oder in deren Umgebung mindestens ein elektrisch leitfähiges Werkstück (42) so angebracht ist, dass bei einer Bewegung des Rotors (11) infolge der Durchdringung des leitfähigen Werkstücks (42) mit zeitlich oder räumlich veränderlichen magnetischen Feldern mechanische Schwingungen des Rotors (11) gedämpft werden.
28. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Stator-Segmente (14) in den Eckbereichen eines rechteckigen Gehäuses (4) der Drehantriebseinrichtung (10) angebracht sind.
29. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) mit einem Flügelrad
(25) zur Förderung von Gasen oder flüssigen Medien ausgeführt ist.
30. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (11) zur Entfernung von an der Rotor Oberfläche haftenden Teilen, Partikeln oder Flüssigkeiten mit einer Vibration insbesondere in radialer Richtung, beaufschlagbar ist.
31. Drehantriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Steuerbzw. Regeleinrichtung (20) in den Stator integriert ist.
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