SE441796B - Elektrisk maskin - Google Patents

Description

8301002-5 (7) Inneboende magnetfältintensitet (Hc) -- den magnet- fältintensitet som erfordras för reducering av magnetflödes- tätheten i ett permanentmagnetiskt material till noll efter materialets mättning (dvs. lika med den maximala koercitiv- kraften). (8) Avmagnetiseringskurva -- den del av hysteresslingan hos ett permanentmagnetiskt material som uppträder i den andra kvadranten. Den är ett kurvavsnitt som begränsas av Br och Hc. (9) Energiprodukt (BH) -- en lämplig enhet i ingenjörsve- tenskapen för jämförande av permanenta magneter; produkten av magnetflödestäthet och magnetfältintensitet vid ett ställe på avmagnetiseringskurvan för ett material; energienheter per volym. ' (10) Maximal energiprodukt (BHfiax) -- produkten av B och H som är större än vid varje annan punkt på avmagnetiserings- kurvan. ' (ll) Bnergitäthet (E/V) -- energin per volymenhet i cgs- enheter som erhålles genom division av energiprodukten med 8¶É V (12) Uteffekttäthet -- uteffekten per volymenhet hos en motor eller generator.~ I (l3) Effektomvandlingsverkningsgrad -- förhållandet mel- lan uteffekt och ineffekt hos en motor eller generator. (14) Driftspunkt -- punkten på avmagnetiseringskurvan för en permanentmagnet vid vilken magneten användes ifen magnet- krets, bestämd genom luftgapsstorleken eller andra fysikaliska egenskaper hos magnetkretsen där den permanenta magneten användes eller genom andra yttre inflytanden, exempelvis externa magnetfält eller temperatur. (15) Kuggning -- en egenskap hos elektriska maskiner som använder kuggade beståndsdelar på sådant sätt att ett vridmo- ment erfordras för kringvridning av rotorn över en kugglängd till nästa kugg -P fördelaktigt använt hos stegframflyttnings- l motorer. ' r (16) Reluktans (R) -- förhållandet mellan magnetomotorisk kraft och magnetflöde i en magnetkrets eller en del därav. Re- luktansen hos en speciell beståndsdel i en krets är proportio- 8301002-5 nell mot dess längd i riktning för flödeslinjerna och omvänt proportionell till dess magnetiska permeabilitet och tvärsek- tionsarea. (17) Linjär hastighets-vridmomentegenskap -- egenskapen hos en motor genom vilken dess utgående vridkraft avtar i huvudsak linjärt i proportion till ökningar i dess rotations- hastighet.

I samband med traditionella konstruktioner av elektriska maskiner, exempelvis motorer och generatorer, vilka använder permanenta (magnetiskt “hårda") magneter av Alnico-, ferrit-, kobolt- eller annan typ, söker man driva magneten vid en driftspunkt nära punkten för den remanenta magnetflödestäthe- ten genom att bibehålla en komponent med tillräckligt litet luftgap i magnetkretsen, där magneten användes för att minska ner kretsens reluktans och därigenom maximera flödestätheten.

Hos sådana elektriska maskiner kan den permanenta magnet som tjänstgör såsom källa för magnetflödet i magnetkretsen vara anordnad antingen i rotor- eller statorelementet, varvid maskinens ledande fältlindning, som samverkar med magnet- kretsen för alstring av en motors rotation eller en elektrisk uteffekt från en generator, är anordnad på det motsatta ele- mentet, normalt fastsatt vid en kärna av mjukt magnetiskt material med vilket den permanenta magneten bildar magnetkret- sen. Nämnda luftgapsbeståndsdel i magnetkretsen föreligger normalt mellan den permanenta magneten och kärnan och kommer vid minsta möjliga utförande normalt att minska magnetkretsens reluktans. Sådant minsta utförande av magnetkretsens reluktans skapar i sin tur en driftspunkt för magneten som maximerar flödet i kretsen enligt följande baskretsekvation: magnetomotorisk kraft flöde = reluktans Luftgapet är till följd av luftens låga magnetiska permeabili- tet i regel det viktigaste reluktans-framkallande elementet i kretsen (medan magneten och kärnan vanligtvis har hög magne~ tisk permeabilitet, såvida de icke ogynnsamt påverkas genom 8301002-5 4 temperatur eller högfrekvensdrift).

Nedminskning av luftgapet för maximering av flödet i per- manentmagnetmaskiner uppnås vanligtvis genom användning av kuggade kärnstrukturer, vilka erbjuder mellanrum mellan kuggarna för upptagande av lindningen och vilka söker att minska ner det effektiva luftgapet genom att kuggarnas toppar placeras så nära som möjligt den permanenta magneten.

Vid vissa tillfällen har man i det förflutna uppgivit de kugglösa kärnkonstruktionerna hos permanentmagnetanordningar av speciella skäl, exempelvis för undvikande av kuggning, för medgivande av lätt och billig montering och avlägsnande av lindningen, för underlättande av tillverkning eller för elimi- nering av övertoner i samband med fältfördelning genom kuggarr i och för erhållande av ett sinusformat fält. Även om dessa ~kuggar utelämnas hos en permanentmagnetisk anordning, har konstruktörerna fortfarande försökt att minska ner luftgapet så mycket som möjligt i och för maximering av flödet i magnet- kretsen. Ett exempel av en tidigare beskriven kugglös perma- nentmagnetkonstruktion visas i amerikanska patentet 4 130 769, som använder en kugglös kärnkonstruktíon för möjliggörande av billig påsättning och borttagning av lindningen, men trots detta framhåller vikten av nedminskning av luftgapet, som är förenlig med den minsta lindningsstorleken som tillgodoser motorns vridmomentkrav. Även amerikanska patentskriften 4 135 107 använder en kugglös kärnkonstruktion för eliminering av övertoner i och för erhållande av ett sinusformat fält, men - framhåller ävenledes vikten av en nedminskning av luftgapet genom användning av största möjliga rotor i konstruktionen.

Liknande kugglösa kärnkonstruktioner visas i amerikanska patentskrifterna 2 952 788, 3 360 668, 4 019 075 och 4 080 540.

Det finns flera skäl varför nedminskning av luftgapet och därav betingad maximering av flödet i magnetkretsen har varit vägledande för konstruktionen av tidigare permanentmagnetmoto- rer och -generatorer. Ett skäl är kunskapen om det faktum att den av en sådan motor eller generator alstrade uteffekten är proportionell mot magnetkretsens flödestäthet och att man till 8301002-5 följd av det vanliga önskemålet att maximera uteffekten även önskar att maximera flödestätheten. Ännu viktigare är att tidigare uppfattningar kraftigt uppmuntrat konstruktörerna att driva permanenta magneter vid höga flödestätheter med hänsyn till risken av en definitiv avmagnetisering av den permanenta magneten. Problemet av defi- nitiv avmagnetisering hos varje permanentmagnetmotor eller -generator är allvarligt, eftersom något av ett flertal yttre inflytanden kan ändra en permanentmagnets driftspunkt under pågående drift, så att punkten kommer att ligga för nära "knäet" på avmagnetiseringskurvan. Om därefter flödestätheten ytterligare nedminskas av någon anledning och därefter ökas, kommer driftspunkten icke att rekylera utmed den ursprungliga avmagnetiseríngskurvan utan snarare utmed en mindre slinga av kurvan till en lägre flödestäthet. Om de yttre effekterna, som framkallar en sådan förflyttning av driftspunkten, fortsätter periodiskt, kan ytterligare avmagnetisering inträffa under efterföljande periodiska ändringar utmed i tur och ordning lägre småslingor, vilka uppträder den ena efter den andra, tills en slutlig småslinga uppträder, som är reversibel. När detta stadium uppnåtts, inträffar icke någon vidare avmagneti- sering, men magneten arbetar anslutningsvis vid mycket lägre flödestäthet med motsvarande förlust av energi. De yttre inflytanden som kan framkalla en sådan avmagnetisering, när en inledande driftspunkt med förhållandevis låg flödestäthet framkallas, är: (1) temperaturändringar som ändrar avmagneti- seringskurvans form; (2) ändringar i magnetkretsens reluktans till följd av temperaturen, frekvensen eller mekaniska variab- ler som strävar att öka reluktansen, nedsätta flödestätheten och således flytta driftspunkten längre ner på avmagnetise~ ringskurvan; och (3) ändringar i yttre motriktade magnetfält, som alstras genom anordningens lindning. På grund av dessa risker har man tidigare allmänt rekommenderat att konstruktö- ren borde välja en driftspunkt som med hänsyn till de väntade temperaturnivåerna ligger avsevärt ovanför avmagnetiserings- kurvans knä och följaktligen befinner sig vid en relativt hög 83010Ö2-5 flödestäthet nära remanentflödestäthetspunkten. Såsom nämnts, uppnås detta genom nedminskning av luftgapets storlek.

De flesta konstruktörerna har tidigare varit medvetna om att ovan beskrivna, allmänt godtagna praxis att minska ner luftgapets storlek och maximera flödestätheten visserligen maximerar permanentmagnetmotorers uteffekt och förhindrar oåterkallelig avmagnetisering, men teoretiskt icke leder till en permanentmagnetmotor med högsta möjliga uteffekttäthet (den leder således teoretiskt icke till en permanentmagnetmotor med minsta möjliga volym och i stånd att alstra en given ut- effekt). Skälet härför är att uteffekt visserligen är propor- tionell mot det utgående drivmomentet, som i åin EEE är pro- portionell mot flödestätheten, men att effekttätheten är omvänt proportionell mot den permanenta magnetens dimensioner (dvs. dess längd mellan polerna och dess area vinkelrätt mot flödesriktningen). Dessa dimensioner påverkar motorns allmänna volym. Avmagnetiseringskurvor för permanenta magneter visar att ökningar i flödestätheten framkallar motsvarande minsknin- gar i magnetfältintensiteten och omvänt. Följaktligen kräver i enlighet med ovan nämnda grundläggande magnetkretsekvation en given procentuell ökning av flödestätheten till följd av mot- svarande minskning i magnetfältintensiteten en mer än propor-V ïtionell ökning i magnetlängden som kompensation för den minskade magnetfältintensiteten för att därigenom tillhanda- hålla tillräcklig magnetomotorisk kraft (produkten av magnet- fältintensitet Hm och magnetlängd Lm) för upprätthållande av den ökade flödestätheten.På samma sätt kräver en given pro- centuell ökning i magnetfältintensiteten på grund av motsva- rande minskning av flödestätheten en mer än proportionell ökning i magnetarean för upprätthållande av ett önskat flöde.

Missförhållandet med ökningen av magnetens i sambandet viktiga dimensioner ökar, då flödestäthet eller magnetfältintensitet maximeras. Detta antyder att den högsta uteffekttätheten följ- aktligen kommer att svara mot en driftspunkt på avmagnetise- ringskurvan som ligger någonstans mellan maximal flödestäthet och maximal fältintensitet. Det har matematiskt visats att den 8301002-5 teoretiskt maximala uteffekttätheten uppnås genom drift av magneten vid en punkt på avmagnetiseringskurvan, där produkten av flödestäthet och magnetfältintensitet (dvs. den permanenta magnetens energiprodukt) är maximerad. Önskemålet att maximera uteffekten (snarare än uteffekt- täthet) eller mera allmänt rädslan för en definitiv avmagneti- sering av den permanenta magneten vid drift nära driftspunkten för den teoretiskt maximala uteffekttätheten har varit bestäm- mande för den motsatta och allmänt godtagna principen att maximera flödestätheten, såsom ovan avhandlats. Även om det är ett ändamål med konstruktionen att maximera permanentmagnetan- ordningars uteffekttäthet, är följaktligen den traditionella lösningen på grund av rädslan för oåterkallelig avmagnetise- ring att välja ett permanentmagnetmaterial som har förhållan- devis hög remanent flödestäthet, exempelvis en Alnico-magnet, och att minska ner luftgapet för maximering av flödestätheten, eftersom detta anses vara en praktisk väg att maximera uteffekttätheten (dvs. förenlig med permanentmagnetens stabi- litet). Detta är motsatt valet av en driftspunkt på avmagneti- seringskurvan vid eller nära den lägre flödestäthet som sva- rar mot punkten för den maximala energiprodukten och den teoretiska uteffekttätheten. ' Det bör observeras att samma konstruktionsprinciper och -problem icke nödvändigtvis är giltiga hos anordningar med igke-permanenta magneter, dvs. anordningar där magnetkretsens magnetomotoriska kraft induceras under driften. Detta har flera skäl. Det första är att det föreligger icke någon risk för definitiv avmagnetisering av icke-permanentmagnetiska anordningar. Det andra skälet är följande: medan permanentmag- neter arbetar utmed en andra kvadrants avmagnetiseringskurva, där en i huvudsak förutbestämd relation föreligger mellan mag- netfältintensitet, flödestäthet och magnetkretsens reluktans, arbetar icke-permanenta induktionsmagneter i första kvadranten av sina hystereskurvor, där magnetfältintensiteten och flödes- tätheten icke behöver vara beroende av magnetkretsens reluk- tans utan snarare kan vara beroende i främsta rummet på ett 8301002-5 inducerat magnetfält. Följaktligen finns där ett antal exempel på maskiner med icke-permanent magnet, exempelvis de i ameri- kanska patenten 3 082 337, 3 963 950 och 4 238 702 visade, där kugglösa kärnor och vida luftgap med förhållandevis hög reluk- tans användes på grund av de större variationsmöjligheterna i magnetkretsens konstruktion som erhålles genom icke-permanenta I magneter. En sådan gapvidgning kräver sitt pris i förhållande till verkningsgraden, eftersom större ineffekt med därav 'betingad större värmeförlust erfordras för inducering av samma magnetflödestäthet i en magnetkrets med hög reluktans jämfört med en magnetkrets med låg reluktans.

Det finns även vissa slags permanentmagnetanordningar, exempelvis enligt amerikanska patentet 4 151 431, där avvikan- de principer och problem är tillämpliga, eftersom anordningar- na saknar kärnor och/eller lindningar.' Om man nu återvänder till konstruktionen av permanent- magnetmaskiner av mera normal typ med kärnor och lindningar som föreliggande uppfinning hänför sig till, framgår av ovan- stående diskussion varför konstruktörerna följt den principen att den praktiska vägen att maximera uteffekttätheten hos en permanentmagnet i en motor eller generator innebär en minime- ring av reluktansen och maximering av magnetkretsens flödes- täthet, främst i syfte att undvika definitiv avmagnetisering.

Detta har varit den vanliga konstruktionsprincipen, fastän man visste att den teoretiska maximala uteffekttätheten i själva verket icke inträffar vid hög flödestäthet nära avmagnetise- ringskurvans remanenspunkt, utan snarare inträffar vid lägre A flödestäthet på en mellanliggande del av avmagnetiseringskur- van där trots viss minskning av flödestäthetsfaktorn i energi- produkten magnetfältintensitetsfaktorn kraftigt ökas, så att produkten av dessa två faktorer har sitt maximivärde. (Detta står i motsättning till situationen i hystereskurvans första kvadrant, som är tillämplig hos icke-permanenta magneter, där punkten för den teoretiska maximala energíprodukten normalt skulle svara mot punkten för maximal flödestäthet). Fastän driftspunkten för den teoretiska maximala energiprodukten och 8301002-5 uteffekttätheten på avmagnetiseringskurvan hos en permanent- magnet har undvikits av fackmännen av ovan angivna skäl, skulle det ej desto mindre vara ytterst fördelaktigt med hän- syn till en maximering av uteffekttätheten och därmed perma- nentmagnetanordningars ekonomi, om ett praktiskt tillväga- gångssätt kunde anges genom vilket den teoretiska drifts- punkten för maximal energiprodukt och uteffekttäthet faktiskt skulle kunna utnyttjas effektivt.

Ett övervinnande av problemet med definitiv avmagnetise- ring för drift av den permanenta magneten vid eller nära dess teoretiska punkt för maximal energiprodukt löser emellertid icke samtliga problem. Fortfarande kvarstår nämligen problemen att maximera uteffekten trots minskad flödestäthet och att göra detta på sådant sätt att ineffektkraven minimeras och de linjära hastighets-vridmoment-egenskaperna hos borstlösa per- manentmagnetanordningar främjas (vilket bidrar till att för- enkla en exakt styrning av anordningen). Här gäller det främst problem av effektomvandlingsverkningsgraden beroende på största möjliga minskning av slösaktig värmealstring.

På ett flertal alternativa vägar är det möjligt att åstadkomma en driftspunkt med minskad flödestäthet motsvarande den teoretiska maximala energiprodukten och uteffekttätheten hos en permanentmagnet. Eftersom en minskning i den magnetiska kretsens flödestäthet till en mellanliggande punkt på avmagne- tiseringskurvan betydligt nedanför remanenspunkten erfordras för att åstadkomma driftspunkten med teoretiskt maximal energiprodukt och eftersom flödestätheten är omvänt proportio- nell mot magnetkretsens reluktans i enlighet med ovan angivna grundläggande magnetkretsekvation, kan flera olika vägar att öka kretsens reluktans övervägas för uppnående av den önskade driftspunkten. Ett tänkbart sätt är inställning av luftgapet mellan permanentmagneten och kärnan (dvs. dess vidgning); en annan lämplig metod består i att införa luftgapet på ett annat ställe i magnetkretsen, exempelvis inom en ihålig rörformad permanentmagnetisk rotor genom att dess inre fylls med luft eller ett icke-magnetiskt material; ytterligare en möjlighet 8301002-5 10 kan bestå i att minska permeabiliteten eller tvärsektionsarean hos kärnmaterialet för att därigenom öka dess reluktans. En alltför kraftig ökning av reluktansen hos kretsen genom något av dessa medel medför en drift av den permanenta magneten vid en flödestäthet som ligger alltför långt nedanför det värde som svarar mot dess maximala energiprodukt, varigenom ut- effekttätheten minskas och sannolikheten för definitiv avmag- netisering ökas på samma sätt som hos ovan nämnda Siemens motor. Dessutom kommer endast ett av dessa alternativ att optimera effektomvandlingseffektiviteten genom minskning av slösaktig värmealstring. En minskning av permeabiliteten eller tvärsektionsarean hos kärnmaterialet medför endast en ökning av värmealstringen, medan placering av luftgapet vid ett annat ställe än mellan permanentmagneten och kärnan icke har någon effektminskning av värmealstringen. V Ett annat problem som har varit besvärande hos permanent- magnetmotorer och -generatorer är högfrekvensproblemet med alltför stora kärnförluster i form av hysteres och virvel- strömsbetingade värmeförluster, som ogynnsamt påverkar verk- ningsgraden, framkallar överdrivna, icke-linjära hastighets- vridmoment-egenskaper och begränsar den maximala driftsfrek- vensen hos lindningen även som rotationshastigheten hos motorn eller generatorn. Amerikanska patenten 3 657 583 och 2 885 645 samt brittiska patentet 760 269 lär ut fördelen med att använda ett magnetiskt mjukt ferritkärnmaterial för minskning av nämnda kärnenergiförluster vid högfrekvenstillämpningar av .icke-permanentmagnetiska anordningar. Eftersom de flesta permanentmagneterna har högre remanensflödestätheter än mätt- ningsflödestätheten hos magnetiskt mjuk ferrit och drivs van- ligen nära dessa remanensflödestätheter av ovan angivna skäl, *och eftersom konventionella konstruktionsprinciper för alla elektriska maskiner kräver att mättningsflödestätheten hos kärnan bör vara åtminstone så stor som den i magnetkretsen tillgängliga flödestätheten, så att den tillgängliga flödes- tätheten skall kunna utnyttjas fullt, har det emellertid ansetts olämpligt att använda magnetiskt mjuk ferrit eller 8301002-5 ll annat möjligen fördelaktigt kärnmaterial i kombination med permanentmagneter med högre remanensflödestätheter än mätt- ningsflödestätheten hos kärnmaterialet. Följaktligen förekom- mer icke några förslag beträffande sättet att med fördel utnyttja sådana potentiellt fördelaktiga kärnmaterial i anord- ningar som arbetar med permanenta magneter med högre remanens- flödestätheter än mättningsflödestätheten hos kärnmaterialet.

Följaktligen föreligger ett behov av en konstruktionsidè för permanentmagnetmotorer och -generatorer enligt vilket per manentmagneterna kan drivas vid eller nära sina driftspunkter med teoretiskt maximal energiprodukt och uteffekttäthet utan definitiv avmagnetisering av de permanenta magneterna. Sättet att åstadkomma sådana driftspunkter bör dessutom vara det mest lämpliga för maximering av uteffekten, effektomvandlingsverk- ningsgraden och linjära hastighets-vridmoment-egenskaper hos permanentmagnetanordningen. Slutligen bör konstruktionen ut- nyttja magnetiskt mjuk ferrit och andra lämpliga kärnmaterial med låga förluster som är förenliga med användningen av per- manentmagnetiska material med högre remanensflödestätheter än kärnmaterialets mättningsflödestäthet.

Föreliggande uppfinning hänför sig till principer för konstruktionen och driftsättet för permanentmagnetmotorer óch -generatorer, främst av borstlös, roterande typ, men även an- vändbar på andra typer, exempelvis sådana med rätlinjig rörel- se, vilka i inbördes förenlighet tillgodoser alla ovan angivna konkurrerande krav för maximerande av uteffekttätheten, effektomvandlingsverkningsgraden och linjära hastighets-vrid- moment-egenskaper. En tillämpning av uppfinningens principer leder till den minsta permanentmagnetmaskinen med högsta verk- ningsgraden för ett givet permanentmagnetiskt material och en given uteffektnivå eller, med andra ord, ger den starkaste och mest verkningsfulla permanentmagnetmaskinen för en given yttre volym och givna permanentmagnetmaterial.

Det valda sättet att inställa permanentmagnetens drifts- punkt vid eller nära punkten för den teoretiska maximala ener- giprodukten på magnetens avmagnetiseringskurva består i en 8301002-s 12 inställning (dvs. vidgning) av gapet mellan permanentmagneten och kärnan och därigenom en ökning av magnetkretsens reluktans i tillräcklig grad för minskning av kretsens och permanentmag- netens flödestäthet till en flödestäthet som ligger i närheten av den flödestäthet som svarar mot driftspunkten med teore- tiskt maximal energiprodukt. Risken för en oåterkallelig avmagnetisering, som normalt väntas uppträda vid detta val av -driftspunkten, undvikes på olika sätt. Ett av dessa sätt består i användningen av permanentmagneter tillhörande en exklusiv grupp, vars avmagnetiseringskurva har sådan form att ändringar i driftspunkten till följd av ovan nämnda yttre inflytanden, även när driftspunkten ligger nära punkten för den teoretiskt maximala energiprodukten, sannolikt endast framkallar reversibel snarare än irreversibel avmagnetisering.

Denna exklusiva grupp av magneter innefattar barium- eller strontiumferrit-permanentmagneter, permanentmagneter baserade på sällsynta jordarter och andra ämnen baserade koboltföre- ningar (exempelvis samarium-kobolt och platina-kobolt) och andra permanentmagneter av ett slag, där förhållandena mellan storlekarna för dessas magnetiska remanensflödestätheter och dessas inneboende magnetfältintensiteter uppgår till icke mer än omkring 2:1, eller blandningar därav. I gruppen inneslutes ej Alnico-i(aluminium-nickel-kobolt) -permanentmagneter. i _ Valet av ett vidgat gap mellan permanentmagneten och kärnan såsom ett medel att inställa driftspunkten för den teo- retiskt maximala energiprodukten hjälper också att förebygga den oåterkalleliga avmagnetiseringen genom att den inverkan på driftspunkten minskas, som beror av ändringar i yttre, .omkastade magnetfält, alstrade av lindningen, och genom att temperaturändríngseffekter på avmagnetiseringskurvan och på magnetkretsens reluktans till följd av i lindningen alstrat Vvärme minskas, detta av längre fram förklarade skäl.

Valet av ett vidgat gap har dessutom betydelse för maxi- mering av uteffekten och effektomvandlingsverkningsgraden hos permanentmagnetmaskinen. Eftersom enligt föreliggande uppfin- ning gapstorleken uteslutande bestämmas genom den permanenta 8301002-5 13 magnetens önskade driftspunkt (snarare än av andra faktorer, såsom lindningsstorlek som i ovan nämnda U.S. patent 4 130 769) och eftersom gapet är förstorat för erhållande av den minskade flödestäthet som svarar mot den önskade driftspunkten, kan en lindning med större tvärsektionsarea och större enskilda varv och/eller ett större antal varv som fyller det vidgade gapet användas. Den förstorade lindningen medför betydande fördelar vid användning i kombination med en driftspunkt för permanent- magneten vid eller nära punkten för maximal energiprodukt.

Exempelvis kommer förhållandet mellan ohmisk värmealstring i lindningen och uteffekt att minskas genom den minskade resistansen hos större enskilda lindningar till följd av dessas ökade tvärsektioner, varigenom effektomvandlingsgraden främjas genom minskning av värmeförluster. På samma sätt med- ger ett ökat antal varv i parallell- eller serieanordning en minskning av strömmen i varje varv i sådan utsträckning i jäm- förelse med ett önskat antal varv att även förhållandet mellan ohmisk värmealstring och uteffekt minskas. Det framgår av ohm- ekvationen P = IZR att värmespridningen varierar med kvadra- ten på strömmen och med första potensen på motståndet. Även om motståndsgraden kan ökas genom tillkommande varv i lindningen har således den därigenom medgivna andra potensens reduktion hos strömmen större inverkan på den spridda totaleffekten än den första potensens ökning i motståndet.

Den minskade ohmiska värmealstringen minskar ävenledes anordningens temperaturfluktuation, varigenom ovan avhandlade, av temperaturen beroende avmagnetiseringseffekter minskas och alltför kraftig uppvärmning av andra, närbelägna, temperatur- känsliga komponenter förhindras och borstlösa anordningars linjära hastighets-vridmoment-egenskaper främjas. Den försto- rade lindningen kompenserar även tänkbara minskningar i uteffekt som annars skulle kunna uppträda som följd av den minskade flödestätheten som svarar mot en driftspunkt med teoretiskt maximal energiprodukt.

Vidare bidrar det vidgade gapet till att förebygga oâter- kallelig avmagnetisering genom att den effekt på magnetens 8301002-s 14 driftspunkt minskas, som beror av ändringar i yttre, omkastade magnetfält, alstrade av lindningen. Enligt ovan angivna grund- läggande magnetkretsekvation uppgår det totala flödet i mag- netkretsen, innefattande icke endast det som alstras av per- gmanentmagneten utan även det som alstras av lindningens yttre omkastade magnetfält, till: mmf. hos magneten (HmLm) - mmf. hos lindningen (NI) flöde = reluktans Av denna ekvation framgår att även vid en ökning av den magne- tomotoriska kraften (mmf.) hos lindningen (NI) genom att det vidgade gapet fylls med lindning för ökning av strömmen eller 'antalet varv i och för kompensering för den minskade flödes- tätheten hos permanentmagneten motsvarande punkten för maximal energiprodukt, den ökade reluktansen hos magnetkretsen till följd av luftgapets Vidgning normalt har en minskande inverkan på nivån för det.avmagnetiserande magnetflöde som induceras genom lindningen i permanentmagneten. Om exempelvis gaplängden fördubblades i och för fördubbling av reluktansen genom avlägsnande av kärntänder eller, i frånvaro av sådana tänder, genom minskning av en inom den omgivande lindningen belägna permanentmagnetrotors storlek, skulle den därvid erhållna tvärsektionsargan hos gapet som skulle kunna fyllas med lind- ning icke fördubblas därigenom. Även om kretsens reluktans skulle fördubblas, skulle följaktligen antalet varv och därmed den magnetomotoriska kraften och det därav betingade avmagne- tiseringsflödet, som induceras i permanentmagneten genom lind- ningsspolen, ökas med mindre än det dubbla. Följaktligen skulle avvikelserna kring permanentmagnetens driftspunkt till följd av lindningens avmagnetiseringsflöde i själva verket _minskas, vilket ytterligare möjliggör en inställning av driftspunkten nära "knäet" på avmagnetiseringskurvan (dvs. i närheten av den maximala energiprodukten) utan risk för oåter- kallelig avmagnetisering.

Vidgning av gapet mellan permanentmagneten och kärnan och 8301002-5 15 dess fördelaktiga utnyttjande enligt föregående beskrivning möjliggöres genom ett erkännande av det faktum att vid inställning av driftspunkten för en permanent magnet genom vidgning av gapet, denna driftspunkt kommer att vara i huvud- sak oberoende av det genom lindningarna införda magnetflödet.

Om man antar att i huvudsak hela reluktansen i magnet- kretsen är belägen i det vidgade luftgapet, förstår man att den av permanentmagneten alstrade energin, dvs. produkten av dess flödestäthet och dess magnetfältintensitet, är i själva verket uteslutande koncentrerad i gapet, där den på ett för- delaktigt sätt samverkar med lindningen. Om driftspunkten med maximal energiprodukt utnyttjas, kommer magnetens energitäthet och energitätheten inom gapet att i huvudsak maximeras.

Vid driftspunkterna med hög flödestäthet, sådana de valdes för permanentmagneter enligt den tidigare konstruk- tionsteorin, krävdes kärnmaterial, som var i stånd att uthärda motsvarande höga magnetflödesnivåer. Med de lägre flödestät- heter som erhålles vid drift nära punkten för teoretiskt maxi- mal energiprodukt på avmagnetiseringskurvan i enlighet med föreliggande uppfinning, kan kärnmaterial med mycket lägre mättnadsflödestätheter användas. Detta medger då användningen av magnetiskt mjuka kärnmaterial av ferrit eller amorf metall med sina fördelaktiga egenskaper avseende högfrekvens och låg- förlust, i kombination med permanentmagneter med mycket högre remanensflödestätheter än kärnmaterialets mättnadsflödestät- het. Genom att åstadkomma driftspunkten vid eller nära punkten för maximal energiprodukt främjas således effektomvandlings- verkningsgrad och linjära hastighets-vridmoment-egenskaper vid högfrekvenstillämpningar genom att värmeförlust från kärnan minskas, vilket åstadkommes genom att ett kärnmaterial med högfrekvens och låg-förlust och med låg mättnadsflödestäthet göres förenligt med permanentmagneter med högre remanens~ flödestätheter. Eftersom reluktansen hos sådant kärnmaterial icke ökar med ökad driftsfrekvens i samma grad som järn eller andra i samband med sådana permanentmagneter tidigare använda material, kommer dessutom stabiliteten av magnetkretsens 8301002-5 16 'reluktans och därmed av driftspunkten att i sin tur maximeras, varigenom sannolikheten för en oåterkallelig avmagnetisering av permanentmagneten ytterligare minskas.

I samband med uppfinningen har en allmän matematisk for- mel uppställts, med hjälp av vilken magnetkretsen för varje permanentmagnetmotor eller -generator kan konstrueras för upp- nående av syftet att driva permanentmagneten vid eller nära dess driftspunkt med teoretiskt maximal energiprodukt. Formeln fastlägger ett önskat förhållande mellan den totala längden av samtliga gap i en magnetkrets och den totala längden av samt- liga permanentmagneter i samma krets. Enligt formeln är för- hållandet proportionellt mot förhållandet mellan en imaginär inneboende magnetfältintensitet hos det speciellt använda per- manentmagnetmaterialet (bestämt genom projicering av den del av magnetens avmagnetiseringskurva som ligger ovanför “knäetfi på fältintensitetsaxeln) och remanensflödestätheten hos ifrågavarande permanentmagnetmaterial. Formeln har följande lydelse: L¶+ = uo [Hcg] L ' B m+ r åär Lg+ är den totala längden av samtliga gap i magnetkretsen, L¿+ är den totala längden av samtliga permanentmagneter i samma krets, uo är det fria rummets permeabilitet (l i cgs-en- heter), HCP hos magneterna projicerad från den ovanför knäet belägna delen är den imaginära inneboende magnetfältintensiteten av dessas avmagnetiseringskurva, och Br är remansflödestäthe- ten hos permanentmagneterna. Formeln är en förenklad approxi- mation, eftersom den är baserad på vissa antaganden, bl.a. an- tagandet att avmagnetiseringskurvans del_ovanför knäet är i huvudsak en rak linje, att icke några betydelsefulla tempera- turvariationer föreligger och att något fransflöde icke före- kommer. Om någon avsevärd temperaturvariation kan väntas (exempelvis av yttre betingelser) skulle det vara klokt att tillämpa konstruktionsformeln på magnetens avmagnetiserings- kurva vid den lägsta väntade driftstemperaturen för minskning av sannolikheten för termisk avmagnetisering. 8301002-5 17 På grund av egenskaperna hos avmagnetiseringskurvan för permanenta koboltmagneter baserade på ferrit, sällsynta jord- arter och andra material, som särskilt avses med uppfinningen, ger formeln vanligtvis ett optimalt resultat, där Lg+ är ungefär lika Lm+, vilket är ett mycket större förhållande av total gaplängd till total magnetlängd än tidigare använts hos konstruktioner för permanentmagnetmotorer och -generatorer enligt de tidigare tillämpade konstruktionsprinciperna. som var inriktade på en maximering av magnetflödestätheten. För- hållanået mellan Lg+ 0Ch Lm+ bör enligt föreliggande uppfin- ning ligga inom området mellan 0,5 och 2,0 och företrädesvis inom området mellan 0,8 och 1,2, beroende på det speciellt använda permanentmagnetmaterialet.

Följaktligen är föreliggande uppfinning främst inriktad på att driva permanentmagnetmotorer och -generatorer vid en driftspunkt för permanentmagneten vid eller nära driftspunkten med teoretiskt maximal energiprodukt utan att därigenom fram- kallas oåterkallelig avmagnetisering av permanentmagneten, så att permanentmagnetens energitäthet och energitätheten inom luftgapet maximeras Ytterligare ett väsentligt syfte med uppfinningen är att maximera uteffekttätheten och effektomvandlingsverkningsgraden hos permanentmagnetmotorn eller -generatorn på ett sätt som är förenligt med ovan nämnda driftspunkt med teoretiskt maximal energiprodukt.

Ett annat viktigt syfte med uppfinningen är att göra användningen av permanentmagneter med förhållandevis höga remanenta flödestätheter förenliga med användning av kärnmate- rial, som har mättningsflödestätheter som är betydligt lägre än de remanenta flödestätheterna, så att fördelarna med sådana kärnmaterial, exempelvis magnetiskt mjuk ferrit, kan utnytt- jas, om så erfordras för den speciella användningen.

Uppfinningen förklaras närmare i följande beskrivning med hänvisning till bifogade ritningar, i vilka: Fig.l - 4 är delvis sektionerade, förenklade axialvyer av den inre utformningen av olika slags tidigare kända rote- "8301002-5 18 rande permanentmagnetmotorer, konstruerade enligt tidigare vedertagna konstruktionsprinciper; I Fig. 5 - 8 är delvis sektionerade, förenklade axialvyer av den inre utformningen av som exempel valda, med motorerna enligt fig.l - 4 jämförbara motorer, utförda i enlighet med konstruktionsprinciperna enligt föreliggande uppfinning i och för jämförelse. 7 _ Fig. 9 är en förenklad axialvy av det inre av ytterligare ett slags rotationsmotor i enlighet med uppfinningens princi- per.

Fig.l0 visar avmagnetiseringskurvan för en.typisk per- manentmagnet av med en enskild jordart legerad kobolt och en jämförande ursprunglig magnetiseringskurva för ett typiskt magnetiskt mjukt ferritkärnmaterial.

Fig. ll är en grafisk framställning som visar jämförande avmagnetiseringskurvor för olika kända permanentmagnetmate- rial.

Fig. l är en förenklad axialvy av det inre i en konven- tionell roterande borstlös permanentmagnetmotor, i vilken en radiellt symmetrisk fyrpolig rotor 10, hestående av med en järnaxel 20 förbundna permanentmagneter 12, 14, 16 och 18, är lagrad i icke visade lager som uppbär axeln 20 för rotation inom en koncentriskt lindad fältstator 22. I samtliga fig. 1-9 är växelström i statorns 22 lindning 24 synkroniserad med rotorns 10 läge genom konventionella anordningar, exempelvis ett Hall-effekt-element och lämpliga strömkretsar, som av tyd- lighetsskäl här icke visas, men som är av den i amerikanska I patentet 4 130 769 angivna allmänna typen. Magneterna 12, 14, 16 och 18 skulle kunna bestå av varje på marknaden förekomman- de permanentmagnetmaterial. För jämförelseändamål antas emel- lertid att, om inte motsatsen framhålles uttryckligen, samtli- ga magneterna i figurerna består av med sällsynta jordarts- imetaller legerad kobolt, exempelvis samarium-kobolt, som har den i fig. 10 visade avmagnetiseringskurvan. Statorn 22 är tillverkad genom utstansning av kuggade blad från ark av elektrisk stål- eller annan järnlegering, vilka är staplade på 8301002-5 19 varandra med något av många kända förfaranden för bildande av en statorkärna 26. Lindningen 24 är därefter införd i spår 26a mellan kärnans kuggar 26b, varefter hela enheten på brukligt sätt inneslutes i epoxi eller vakuumimpregneras med fernissa.

Flödesbanan genom en av fyra principiellt radiellt sym- metriska magnetkretsar i motorn enligt fig.1 antydes genom den streckade linjen 28. Magnetkretsen innefattar rotorns 10 del mellan magnetens 14 sydpol och magnetens 12 nordpol, kärnan 26 och de båda luftgapen 30 och 32 mellan magneterna 12 och 14 resp. kärnans tänder. Den totala reluktansen hos denna magnetkrets är summan av de enskilda reluktanserna hos magne- terna 12 och 14, axeln 20, gapen 30 och 32 och kärnan 28.

Under normala betingelser består dock de enda komponenterna med nämnvärd reluktans av gapen 30 och 32, i vilka något magnetmaterial icke förekommer och vilka på i fig. 1 visat sätt är ganska smala för att hålla magnetkretsens totala reluktans vid minsta möjliga värde. Härigenom minskas åter flödet och flödestätheten i magnetkretsen. På grund av den låga reluktansen och därav betingade höga flödestätheten i magnetkretsen ligger magnetens driftspunkt ungefärligen vid den punkt som betecknas X1 i fig. 10. Det bör observeras att denna driftspunkt ligger mycket nära remanensflödestätheten'Br för permanentmagneten och har en relativt liten energiprodukt som representeras av rektangelns 34 area som bestämmes genom multiplicering av magnetflödestätheten och magnetfältintensi- teten vid punkten X1. Detta betyder att man erhåller en magnet med relativt låg energitäthet.

Fig. 5 visar en maskin, som kan jämföras med maskinen enligt fig. 1 med den skillnaden att den är konstruerad i enlighet med de för föreliggande uppfinning vägledande princi- perna. Konstruktionen för rotorn 110 i fig. 5 är densamma som för rotorn 10 i fig. l och har samma avmagnetiseringskurva.

Statorn 122 enligt fig. 5 är däremot i hög grad avvikande från statorn 22 i fig. l. Eftersom några kuggar icke förekommer på statorkärnan 126 är den effektiva längden Lg för vart och ett av gapen 130 och 132 betydligt större än den effektiva längden 8301002-5 20 för gapen 30 och 32 i fig. l. Denna ökning av den totala gap- längden i magnetkretsen 128 enligt fig.5 jämfört med fig.l medför en betydligt större reluktans hos magnetkretsen enligt fig. 5 än enligt fig. l. Detta betyder att flödestätheten i magnetkretsen enligt fig. 5 kommer att vara betydligt lägre än i kretsen enligt fig. 1, varigenom en driftspunkt erhålles på avmagnetiseringskurvan enligt fig. l0 som ligger på en mellan- liggande del av kurvan vid eller nära punkten X2 för den teo- retiskt maximala energiprodukten, som representeras av rektan- gelns 36 area, som är betydligt större än rektangelns 34 area, vilket betyder en motsvarande högre energitäthet.

På grund av de små gapen 30 och 32 vid den kända utfö- ringsformen enligt fig. 1 uppgår förhållandet mellan total gaplängd och total magnetlängd hos den genom den streckade linjen 28 representerade magnetkretsen endast till omkring 1:4. Till skillnad därifrån är förhållandet mellan total gaplängd (2Lg) och total magnetlängd (2Lm) hgs den genom den streckade linjen 128 representerade magnetkretsen i fig. 5 av storleksordningen l:l.Detta är i överensstämmelse med ovan *angivna allmänna matematiska formel för uppställande av för- hållandet mellan total gaplängd och total magnetlängd i kretsen. Enligt denna formel är förhållandet proportionellt mot förhållandet mellan dels en imaginär inneboende magnet- fältintensitet för det specifika permanentmagnetmaterialet, som bestämmes genom projicering av den del av magnetens avmag- netiseringskurva som ligger ovanför "knäet" på fältinten- sitetsaxeln (dvs. HCP i fig. 10), dels remanensflödestätheten' för magnetmaterialet (Br i fig. LOL (En projicerad imaginär inneboende magnetfältintensitet H¿p, snarare än den verkliga inneboende fältintensiteten Hc, användes i formeln, eftersom detta värde i kombination med Br mera exakt representerar sluttningen av den del av avmagnetiseringskurvan ovanför "knäet". där en driftspunkt lämpligen kan etableras utan risk för avmagnetisering i enlighet med föreliggande uppfinningJ Eftersom enligt den specifika, i fig. 10 visade avmagnetise- ringskurvan HCP uppgår till 8.000 örsteds, medan Br uppgår 8301002-5 21 till 8.000 gauss, är förhållandet mellan total gaplängd och total magnetlängd 1:1, vilket enligt formeln betyder att för magnetkretsen 128 i fig. 5 2L bör vara lika 2Lm och fö1jakt_ 9 ligen Lg Borttagandet av kuggarna från statorn 126 i fig. 5 och bör vara lika Lm- den därav betingade vidgningen av gapet i förhållande till magnetlängden har skapat utrymme för en förstorad lindning 124, som i huvudsak fyller gapet med optimalt resultat. Såsom tidigare nämnts medför den förstorade lindningen, eftersom den är placerad i det vidgade gapet, där största delen av perma- nentmagnetens energi tillföres, en maximering av uteffekten, medan dess avmagnetiserande flödeseffekter minskas, och den minskar även förhållandet mellan ohmisk värmealstring i lind- ningen och uteffekt.Härigenom maximeras effektomvandlings- verkningsgraden, minskas temperatursvängningar och därigenom temperaturkänsliga avmagnetiseringseffekter, främjas de linjära hastighets-vridmoment-egenskaperna hos anordningen och förebygges alltför stor upphettning av andra närbelägna tempe- raturkänsliga beståndsdelar.

Om motorn enligt fig. 5 skall drivas med relativt hög hastighet och hög frekvens, kan statorkärnan 126 med fördel bestå av magnetiskt mjuk ferrit, amorf metall eller annat kärnmaterial med högfrekvens och låga förluster. I främsta rummet är det möjligt att använda någon magnetiskt mjuk ferrit som uppvisar en spinellkristallstruktur, som i regel svarar mot formeln XFQZO4, där X kan vara mangan, zink, kobolt, nickel eller annan metalljon, eller en blandning därav. Vid högfrekvensdrift skulle kärnförlusten för ett sådant material normalt vara tre till fyra storleksordningar mindre än det bästa elektriska järnet, exempelvis det från vilket statorkär- nan 26 i fig. 1 är konstruerad. Såsom framgår av fig. 10 är mättningsflödestätheten Bs för den magnetiskt mjuka ferriten oförenlig med den trånga gapkonstruktionen enligt fig. 1, eftersom flödestätheten för driftspunkten Xl för magneten är högre än mättningsflödestätheten för ferritkärnmaterialet och således icke kan upprätthållas, såvida icke ett kärnmaterial, 8301002-5 22 exempelvis järn, med åtminstone lika hög mättningsflödestäthet användes. Till skillnad därifrån gör driftspunkten X2, som åstadkommes enligt principerna för föreliggande uppfinning genom användning av ett mycket större förhållande mellan gap- längd och magnetlängd, ferritkärnmaterialet förenligt med per- manentmagneten, eftersom driftspunkten X2 ligger vid minskad flödestäthet, som är lägre än mättningsflödestätheten för kärnmaterialet, och uppnåendet av driftspunkten X2 hindras följaktligen icke genom ferritkärnmaterialet såsom fallet 'skulle vara med driftspunkten X1. Användningen av ett sådant kärnmaterial möjliggör uppnåendet av mycket höga varvtal och frekvenstal under driften utan alltför stora kärnförluster i form av värme, vilket ytterligare bidrar till en ökning av uteffekten, effektomvandlingsverkningsgraden och de linjära hastighets-vridmoment-egenskaperna, samtidigt.som man erhåller __en minskning av temperaturberoende avmagnetiseringseffekter och ogynnsamma högtemperatureffekter på andra närbelägna tem- peraturkänsliga beståndsdelar.

Fig. ll visar ett antal avmagnetiseringskurvor för på marknaden förekommande typiska permanentmagnetmaterial, vilka med undantag för Alnico-materialet skulle vara lämpliga att användas inom ramen för föreliggande uppfinning. För varje kurva visas en streckad linje som projicerar den del av kurvan som liggeri ovanför' knäet på magnetfältintensitetsaxeln.

Härigenom visas hur värdet HCP skulle erhållas i varje fall för tillämpning av formeln för bestämmande av förhållandet mellan total gaplängd och total magnetlängd enligt föreliggan- de uppfinning. Detta förhållande ligger i regel inom området för värdet l och bör falla inom området mellan 0,5 och 2,0, företrädesvis inom området mellan 0,8 och 1,2, beroende på det speciellt använda permanentmagnetmaterialet.

Fig. ll visar även varför en Alnico-magnet är olämplig I att användas inom ramen för föreliggande uppfinning till följd av det extremt höga förhållandet (omkring 20:l) mellan värdena för dess remanensflödestäthet Br Och dess inneboende fält- intensitet Hc, vilka värden alstrar en så brant avmagnetise- 8301002-5 23 ringskurva att den tål ytterst liten variation i avseende på flödestäthet utan avmagnetisering, om begynnelsedriftspunkten icke ligger nära remanenspunkten. I största allmänhet har för användning inom ramen för föreliggande uppfinning lämpliga permanentmagnetmaterial mycket lägre förhållanden mellan värdena för sina remanensflödestätheter Br 0Ch Sina inn8bOenÖe fältintensiteter Hc, varvid dessa förhållanden icke är högre än omkring 2:1.

Fig. 2 åskådliggör permanentmagnetmotorn enligt ameri- kanska patentskriften 4 130 769. Denna motor innefattar en fyrpolig rotor 38, på vilken magneterna icke är uppdelade i segment utan snarare magnetiserade till en isotrop magnet.

Motorn har en kugglös statorkärna 40, som skiljes från rotorn 38 9@fl0m ett 9aP 42 med länädefl Lg, varvid en lindning 44 är insatt i gapet 42. En av de fyra radiellt symmetriska magnet- kretsarna hos motorn enligt fig. 2 antydes genom den streckade linjen 46 och innefattar en magnet med längden Lm: tVå 939 med längden Lg och en del av kärnan 40. Såsom tidigare framhål- lits, användes i denna motor en kugglös kärnkonstruktion, som medger billig lindningsmontering och -borttagning, men som framtvingar minimering av gapet i den utsträckning som är för- enlig med den minsta lindningsstorleken som tillgodoser motorns vridmomentkrav. Fastän förhållandet mellan den totala gaplängden 2Lg i magnetkretsen 46 och magnetlängden Lm illustreras såsom varande approximativt 1:3, är det i realite- ten mycket mindre i enlighet med läran enligt patentet. Följ- aktligen ligger driftspunkten för permanentmagneten icke mycket längre bort från remanenspunkten än driftspunkten för motorn enligt fig. L Till skillnad därifrån visas i fig. 6 en med motorn enligt fig. 2 jämförbar motor som är konstruerad i enlighet med de för föreliggande uppfinning vägledande principerna.

Motorn enligt fig. 6 har samma ytterdimensioner som motorn enligt fig. 2 men betydligt större energitäthet till följd av att en driftspunkt X2 (fig. 10) skapas, som ligger i närheten av den teoretiskt maximala energiprodukten för dess permanent- 8301002-5 24 magnetiska rotor 138. Driftspunkten för teoretiskt maximal energiprodukt åstadkommas genom ökning av förhållandet mellan _ den totala gaplängden 2Lg och magnetlängden Lm för magnetkret- sen l46 så att dessa värden är ungefärligen lika. Detta kräver en vidgning av gapet 142 mellan rotorn 138 och kärnan 140, en motsvarande minskning av diametern för permanentmagnetrotorn 138 och en uppfyllning av det vidgade gapet 142 med en vidgad 'lindning 144 i enlighet med de för föreliggande uppfinning vägledande principerna.

Fig. 3 visar motorn enligt amerikanska patentskriften 4 135 107, som innefattar en tvåpolig permanentmagnetisk rotor 48 med en genom dess mitt förlöpande stålaxel 49, vilken rotor genom ett gap 50 är skild från statorkärnan 52 som uppbär en ”förhållandevis platt lindning 54. En av motorns två diametralt motstående magnetkretsar visas genom den streckade linjen 56 och innefattar en total gaplängd av 2Lg 0Ch en t0t&l magnet- längd av 2Lm. I likhet med motorn enligt fig. l är förhållan- det mellan total gaplängd hos magnetkretsen och total magnet- längd i realiteten mycket mindre än det illustrerade- I likhet med motorn enligt fig. 2 användes ett kugglöst gap i motorn enligt fig. 3 av andra skäl än för maximering av energi- produkten hos permanentmagnetrotorn 48, nämligen därför att den kugglösa kärnan användes för eliminering av övertoner i och för erhållande av ett sinusformat fält. En nedminskning av luftgapet eftersträvades emellertid genom användning av största möjliga rotor i konstruktionen.

Fig. 7 visar en med motorn enligt fig. 3 jämförbar motor enligt föreliggande uppfinning.Som hos motorn enligt fig.6 är permanentmagnetrotorns 148 diameter nedminskad i stor ut- sträckning för erhållande av ett betydligt större gap 150 mellan rotorn l48 och statorkärnan 152. De yttre lindningarna hos motorn enligt fig. 3 förekommer icke i fig. 7, eftersom de ligger utanför magnetkretsen och.följaktligen icke bidrar till uteffekten. I enlighet med föreliggande uppfinning är de båda gaplängderna Lg enligt fig. 7 ungefärligen lika med de två magnetlängderna Lm¿ och det utökade gapet 150 är i huvudsak 8301002-5 25 fyllt med den utökade lindningen 154.

Fig.4 visar i förenklad form de väsentliga delarna hos en hypotetisk permanentmagnetmotor som ej är konstruerad i en- lighet med föreliggande uppfinning. Denna motor har en kugglös statorkärna 58 omgiven av en cylindrisk, tvåpolig, rörformad permanentmagnetisk rotor 60 med en icke-magnetisk zinkkärna 62 inom den rörformade permanentmagneten och en central stålaxel 63. En lindning 64 är fastsatt vid statorkärnan 58 inom gapet 66 som skiljer rotorn 60 från statorkärnan 58. I en av motorns två diametralt motstående magnetkretsar, som antydes genom den streckade linjen 68, förekommer icke endast tvâ gap Lg mellan rotorn 60 och statorkärnan 58, utan även - eftersom zink 62 är omagnetisk - två mycket stora effektiva gap L inom själva z den rörformade permanentmagneten 60, vilket i4:tor utsträck- ning ökar kretsens reluktans. Den totala längden av magneterna i magnetkretsen är de två sträckorna Lm. såsom visas i fig. 4.

Här föreligger ett förhållande mellan den totala gaplängden 2L + 2L 9 92 68, som är i huvud-sak det motsatta jämfört med motorerna och den totala magnetlängden 2Lm för magnetkretsen enligt fig. 1, 2 och 3 genom att i fig. 4 den totala gaplängden uppgår till omkring tre gånger den totala magnetlängden. Härigenom erhålles en driftspunkt vid'en flödestäthet som ligger långt nedanför driftspunkten för den teoretiskt maximala energiprodukten, vilket i själva verket kan medföra omfattande avmagnetisering.

Om en med motorn enligt fig. 4 jämförbar motor skulle konstrueras enligt de för föreliggande uppfinning vägledande principerna, skulle den se ut i huvudsak som den i fig. 8 visade motorn, där den rörformade permanentmagnetiska rotorn 160 är betydligt tjockare än rotorn enligt fig. 4, vilket betyder en större sammanlagd magnetlängd 2Lm. Zinkkärnan 62 skulle vara betydligt mindre, varigenom betydligt mindre gap- längder Lgz skulle erhållas, medan gapet 166 mellan rotorn 160 och statorkärnan 158 skulle ha ungefärligen samma längd Lg som i fig. 4, så att 2Lg+2LgZ ungefärligen skulle vara lika 2Lm magnetkretsen 168. En permanentmagnet av lämpligt ferritmate- 8301002-5 26 irial eller en legering av en sällsynt jordart med kobolt skulle kunna användas. Helst skulle emellertid en motor enligt föreliggande uppfinning konstrueras helt utan zinkkärna l62.

Den skulle snarare vara mera lik motorn enligt fig. 7, där hela gapet i magnetkretsen i huvudsak är utfyllt med lindning, så att ingen del av gapet förblir outnyttjad, vilket är fallet med zinkkärnan.

Fig. 9 visar ytterligare en motortyp, som är konstruerad i enlighet med föreliggande uppfinning. I detta fall förekom- mer en permanentmagnetisk rotor 170, som innefattar ett ytter- hölje 172 av magnetiskt stål, på vilket ett par bågformade permanentmagneter 174 är monterade, och denna rotor 170 rote- rar kring en inre stator l76 med en kärnring 178 som innesluts av en lindning 180. En av de två diametralt motstående magnet- kretsarna i motorn antydes genom den streckade linjen 182.

Magnetkretsen passerar förbi kärnringens 178 centrala parti 7 183 och lindningen 180, och det är följaktligen icke nödvän- digt att detta centrala parti innehåller magnetiskt material.

De båda magnetlängderna i kretsen betecknas med Lm och de båda gaplängderna har beteckningen Lg- I enlighet med den allmänna konstruktionsformeln enligt föreliggande uppfinning är 2Lm .ungefärligen lika 2Lg för erhållande av den önskade drifts- punkten vid eller nära punkten för den teoretiskt maximala energiprodukten.

I samtliga ovan beskrivna maskiner är lindningen fast monterad på och isolerad gentemot statorkärnan och kan lämpli- gen inneslutas i ett lämpligt material, exempelvis epoxi, för bibehållande av formen och upprätthållande av erforderligt mekaniskt avstånd mellan lindningen och rotorn. Det bör fram- hållas att i var oclxen av dessa maskiner rotorns och statorns funktioner kan utbytas och att antingen rotorn eller statorn kan vara det roterande elementet. På samma sätt kan permanent- magneterna placeras antingen på det inre eller yttre elementet och ävenledes i förhållande till lindningen och kärnan.

Typiska variationer av dessa elektriska maskiner innefattar permanentmagnetiska likströmsmotorer, takometrar, växelrikta- 8301002-5 27 re, generatorer och stegmotorer.

Termer och uttryck som användes i föregående beskrivning är avsedda att åskådliggöra men icke att begränsa uppfinningen och dessa termer och uttryck skall icke utesluta element som är ekvivalenta med de visade och beskrivna konstruktionsdetal- jerna eller delar därav,- uppfinningens skyddsomfång bestämmes och begränsas endast av följande patentkrav.

Claims (12)

8301002-5, 28 PATENTKRAV

1. l. Elektrisk maskin innefattande en permanentmagnet med en förutbestämd remanensflödestäthet, en kärna som är skild från permanentmagneten genom ett gap av förutbestämd storlek, en elektriskt ledande lindning inbyggd i gapet mellan permanent- magneten och kärnan och organ vilka medger relativ rörelse mellan permanentmagneten och lindningen, varvid magneten, kär- 'nan och gapet bildar en magnetkrets i vilken magneten drives vid en förutbestämd magnetflödestäthet och en förutbestämd magnetfältintensítet bestämda av gapets storlek, samt varvid produkten av den förutbestämda flödestätheten och den förut- bestämda fältintensiteten svarar mot en energiprodukt och mag- neten har en förutbestämd maximal energiprodukt, som inträffar vid en flödestäthet som är lägre än remanensflödestätheten, k_ä n n e t e c k n a d av *att storleken av gapet är till- räcklig för erhållande av en motsvarande förutbestämd flödes- täthet och fältintensitet som i huvudsak maximerar energipro-1 dukten, så att magneten bibehålles i närheten av den maximala energiprodukten under den relativa rörelsen, att permanentmag- neten uppvisar en kvot mellan magnituden av remanensmagnetflö- Kdestätheten och magnituden av den inneboende magnetiska fält- intensiteten som ej är större än omkring 2:1, samt att gapet ”är i huvudsak fullständigt utfyllt med lindningen.

2. Maskin enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att pmagneten, kärnan och gapet bildar en magnetkrets i vilken en förutbestämd magnetflödestäthet och en förutbestämd magnet- fältintensitet induceras i gapet, varvid den förutbestämda flödestätheten och den förutbestämda fältintensiteten i gapet bestämmes av storleken av gapet och svarar mot en energitäthet i gapet, varvid storleken av gapet är tillräcklig så att vär- det av den förutbestämda flödestätheten i gapet är väsentligt mindre än remanensflödestätheten och så att energitätheten i gapet under den relativa rörelsen i huvudsak maximeras. 8301002-5 29

3. Maskin enligt krav l eller 2. k ä n n e t e c k n a d av att magnetkretsen har ett eller flera gap och en eller flera inbördes samverkande permanentmagneter verksamt inbygg- da, varvid magnetkretsen har en total gaplängd bestående av den totala längden av gapet eller gapen och en total magnet- längd bestående av den totala längden av magneten eller magne- terna.

4. Maskin enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att kvoten mellan den totala gaplängden och den totala magnetläng- den ligger inom området 0,5 - 2.

5. Maskin enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att kvoten mellan den totala gaplängden och den totala magnetläng- den ligger inom området 0,8 - 1,2.

6. Maskin enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att kvoten mellan den totala gaplängden och den totala magnetläng- den är i huvudsak 1.

7. Maskin enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att magnetkretsen har ett eller flera gap och en eller flera inbördes samverkande permanentmagneter verksamt inbygg- da, att magnetkretsen har en total gaplängd bestående av den totala längden av gapet eller gapen och en total magnetlängd bestående av den totala längden av magneten eller magneterna, varvid magneten har en avmagnetiseringskurva som kännetecknas av en remanensmagnetflödestäthet, en inneboende magnetfältin- tensitet och ett knä, som är placerat mellan remanensflödes- tätheten och den inneboende fältintensiteten, varvid gapets storlek och magneten väljes enligt formeln Egg = uo Hcg' Lmt Br 1 vilken Lgt = totala gaplängden Lmt = totala magnetlängden u = tomrumspermeabiliteten Br = remanensflödestätheten H = imaginära inneboende magnetfältintensiteten, 8301002-5 30 varvid Hc är bestämd genom utsträckning av den del av avmag- netiserišgskurvan som ligger mellan knäet och Br fram till avmagnetiseringskurvans magnetfältintensitetsaxel.

8. Maskin enligt något av kraven 3 - 7, k ä n n e t e c k - n a d av att varje gap vars längd ingår i den totala gap- längden i huvudsak fullständigt är utfyllt med lindningen.

9. Maskin enligt något av kraven 1 - 8, k ä n n e t e c k - n a d av' att kärnan består av ett magnetiskt mjukt mate- rial med en förutbestämd mättningsmagnetflödestäthet som är mindre än remanensmagnetflödestätheten av permanentmagneten, och att gapets storlek är tillräcklig för att begränsa magnet- flödestätheten av permanentmagneten till en flödestäthet som 'är mindre än mättningsmagnetflödestätheten av det magnetiskt mjuka materialet.

10. Maskin enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d av att det magnetiskt mjuka materialet utgöres av magnetiskt mjuk ferrit. 7

11. ll. Maskin enligt krav 9, kfä n n e t e c k n a d av att det magnetiskt mjuka materialet utgöres av amorf metall.

12. Maskin enligt något av kraven 1 - ll, k ä n n e t e c1<- n a"d- av att permanentmagneten och.líndningen_är montera- de för att kunna rotera relativt varandra.