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Die
Erfindung betrifft einen Rotor für
Elektromotoren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, einen Permanentmagneten
für einen
solchen Rotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 17 sowie eine elektrische
Maschine mit einem Rotor nach Anspruch 20.
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Bei
Elektromotoren, wie beispielsweise elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren,
erfassen die Magnetsensoren beim Drehen des Rotors die Pollücken zwischen
benachbarten Permanentmagneten. Um eine optimale Signalbildung für die Motorsteuerung
zu erreichen, müssen
die Permanentmagnete so gestaltet und angeordnet sein, dass die
Magnetsensoren die Pollücken
zwischen benachbarten Permanentmagneten zuverlässig erfassen können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Rotor,
den gattungsgemäßen Permanentmagneten
und die gattungsgemäße elektrische
Maschine so auszubilden, dass in einfacher und dennoch zuverlässiger Weise
eine optimale Signalbildung durch die die Permanentmagnete erfassenden
Magnetsensoren gewährleistet
ist.
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Diese
Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Rotor
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1, beim erfindungsgemäßen Permanentmagneten
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 17 und bei der gattungsgemäßen elektrischen
Maschine erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 20 gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Rotor
sind die Permanentmagnete so angeordnet und ausgebildet, dass sie
zumindest zwei unterschiedlich breite Pollücken bilden. Im Erfassungsbereich
des Magnetsensors wird zwischen benachbarten Permanentmagneten eine
sehr schmale Pollücke
gebildet. Im Bereich außerhalb
des Erfassungsbereiches des Magnetsensors hat die Pollücke eine
größere Breite.
Dadurch wird erreicht, dass der Magnetsensor aufgrund der schmalen
Pollücke
sehr genau die Nulldurchgänge zwischen
Nord-Süd
und Süd-Nord
der Magnetkanten der Permanentmagnete erfassen kann. Der vom Magnetsensor
nicht erfasste Bereich der Permanentmagneten kann eine wesentlich
breitere Pollücke
aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Permanentmagnete aufgrund
der größeren Pollücken problemlos am
Rotor montiert werden können.
Die Permanentmagnete lassen sich aufgrund der breiten Pollücken problemlos
mit dem Handhabungsgerät
ergreifen und an dem Rotor positionieren.
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Unter
Rotor ist nicht nur ein drehbares Bauteil, wie ein Läufer, zum
Beispiel Innen- oder Außenläufer, zu
verstehen, sondern allgemein ein bewegliches Teil. Der erfindungsgemäße Rotor
kann beispielsweise auch für
Linearmotoren oder Schwenkmotoren eingesetzt werden, bei denen der
Rotor keine Drehbewegungen ausführt,
sondern z. B. Linearbewegungen oder hin- und hergehende Bewegungen.
Auch dort kommt es darauf an, die Nulldurchgänge zwischen Nord-Süd und Süd-Nord der
Magnetkanten der Permanentmagnete zuverlässig und genau zu erfassen
und eine einfache Handhabung bei der Montage zu gewährleisten.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Übergang zwischen den beiden
unterschiedlich breiten Pollücken
durch einen Eckbereich des Permanentmagneten gebildet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Permanentmagnet zumindest im Erfassungsbereich des Magnetsensors
und einem anschließenden Bereich
etwa T-förmig
gestaltet. Durch diese T-förmige
Gestaltung lassen sich in einfacher Weise die beiden unterschiedlich
breiten Pollücken
am Rotor erzeugen. Im übrigen
Bereich kann der Permanentmagnet jede geeignete Form haben, da dieser
Bereich nicht vom Magnetsensor erfasst und zur Signalbildung herangezogen
wird. In diesem Bereich kann der Permanentmagnet somit beispielsweise
in Hinsicht auf eine einfache Handhabung bei der Montage optimiert
werden.
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Eine
besonders einfache Ausgestaltung ergibt sich, wenn der Permanentmagnet
insgesamt etwa T-Form hat.
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Der
Steg des Permanentmagneten kann vorzugweise gleich weit über den
Fuß des
Permanentmagneten ragen.
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Es
ist aber auch möglich,
dass der Steg an einer Seite weiter über den Fuß vorsteht als an der anderen
Seite.
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Für eine präzise Bildung
der Signale und eine einfache Handhabung der Permanentmagnete ist
es vorteilhaft, wenn die Pollücken
im Erfassungsbereich des Magnetsensors um ein Mehrfaches kleiner
sind als außerhalb
dieses Erfassungsbereiches.
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Wenn
der Permanentmagnet insgesamt T-Form hat, kann er entweder symmetrisch
oder asymmetrisch zu seiner Längsmittelebene
ausgebildet sein.
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Die
Permanentmagnete sind beispielhaft in wenigstens zwei Reihen vorgesehen.
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Die
Permanentmagnete der einen Reihe sind vorteilhaft gegenüber den
Permanentmagneten der anderen Reihe in Längsrichtung der Reihe versetzt
angeordnet. Durch diesen Versatz können gewünschte Effekte erreicht werden,
beispielsweise gewünschte
Stromkommutierungswinkel eingestellt werden.
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Es
ist bei diesem Versatz in vorteilhafter Weise möglich, die Permanentmagnete
der beiden Reihen so gegeneinander zu versetzen, dass der mittlere
Kommutierungspunkt im Schrägungsmittelpunkt der
Permanentmagnete liegt. Dann entspricht die Ist-Lage des Kommutierungspunktes
der Soll-Lage des Kommutierungspunktes. Dadurch ist eine Korrektur
der Kommutierungssteuerung nicht erforderlich.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführung
sind die Permanentmagnete der einen Reihe um etwa 180° gedreht
zu den Permanentmagneten der anderen Reihe angeordnet.
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Der
Rotor kann Teil einer rotierenden elektrischen Maschine mit permanenterregtem
Feld im Läufer
und feststehender Ankerwicklung im Stator sein. Beispiele hierfür sind bürstenlose
Gleichstrommotoren oder permanenterregte Synchronmaschinen. Es können aber
auch Kommutatormaschinen und elektrische erregte Synchronmaschinen
und Asynchronmaschinen mit dieser Antriebseinheit ausgestattet werden.
Der Rotor kann beispielsweise ein Innen- oder ein Außenläufer sein.
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Der
Rotor kann aber auch Teil eines Linearmotors sein, beispielsweise
eines Linearantriebes.
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Der
Rotor kann auch so ausgebildet sein, dass er sich über einen
Winkelbereich von weniger als 360° erstreckt.
Der Rotor kann dann für
Motoren eingesetzt werden, bei denen der Rotor nur aus einem, gegebenenfalls
aus mehreren Segmenten besteht. In solchen Fällen erstreckt sich der Rotor
nicht über
360°. Mit
solchen Rotoren können
kontinuierliche Bewegungen erzeugt werden. Die Drehmomentbildung
erfolgt dann sequentiell, wenn Rotor und Stator einander überlappen.
Stator und Rotor können dabei
in Umfangsrichtung gleich lang, aber auch unterschiedlich lang sein.
Mit so ausgestatteten Motoren ist auch eine Schwenkbewegung möglich.
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Der
erfindungsgemäße Permanentmagnet zeichnet
sich dadurch aus, dass er zumindest annähernd T-Form hat. Ein solcher
Permanentmagnet lässt
sich einfach fertigen und so montieren, dass zum einen die gewünschte schmale
Pollücke
im Messbereich des Magnetsensors sowie eine breite Pollücke für die Montage
der Permanentmagneten erreicht wird.
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Der
Permanentmagnet kann zu seiner Längsmittellinie
symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet sein, so dass je nach
Einsatzfall der entsprechende Permanentmagnet verwendet werden kann.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die
Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es
zeigen
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1 in
perspektivischer Darstellung einen Teil eines erfindungsgemäßen Rotors
mit erfindungsgemäßen Permanentmagneten
in Form eines Innenläufers,
der von einem Stator umgeben ist,
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2 den
von einem Hall-Sensor erzeugten Kennlinienverlauf beim Drehen des
Rotors gemäß 1 mit
größeren Pollücken,
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3 in
einer Darstellung entsprechend 2 den Kennlinienverlauf
bei kleineren Pollücken,
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4 in
schematischer Darstellung die erfindungsgemäßen Permanentmagnete gemäß 1,
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5 in
einer Darstellung entsprechend 4 eine zweite
Ausführungsform
von erfindungsgemäßen Permanentmagneten.
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1 zeigt
beispielhaft einen Rotor 1, der von einem Stator 2 umgeben
ist. Vom Stator 2 sind das Statorpaket 3 sowie
ein oberer und ein unterer Wickelkopf 4, 5 erkennbar.
Der Rotor 1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Innenläufer ausgebildet.
Er hat eine Drehachse 6, um die der Rotor 1 drehbar
ist. Der Rotor 1 kann in bekannter Weise ein (nicht dargestelltes)
Elektroblechpaket aufweisen oder aus Vollstahl, Stahlguss oder Sintermaterial
bestehen. In 1 ist außerdem ein Rotorrückschluss 7 zu
erkennen. Am Umfang des Rotors 1 befinden sich Permanentmagnete 8,
die in zwei Reihen übereinander
angeordnet sind. Die Permanentmagnete 8 haben in Ansicht
T-Form. Die Permanentmagnete 8 in der oberen Reihe in 1 sind
so am Rotor 1 angeordnet, dass der Quersteg 9 im
Bereich der oberen Stirnseite des Rotors 1 liegt und sich
der Fuß 10 in
Richtung auf die gegenüberliegende
Rotorstirnseite erstreckt. Die Permanentmagnete 8 der unteren
Reihe sind so angeordnet, dass ihr Quersteg 9 in Höhe der unteren
Stirnseite des Rotors 1 liegt und dass sich die Füße 10 aufwärts erstrecken.
Die Permanentmagnete 8 der beiden Reihen liegen mit ihren
Füßen 10 stirnseitig
aneinander. Innerhalb einer Reihe haben die Permanentmagnete 8 einen
eine Pollücke 11 bildenden
Abstand voneinander. Die Permanentmagnete 8 der oberen
Reihe sind in Umfangsrichtung gegenüber den Permanentmagneten 8 der
unteren Reihe geringfügig
versetzt. Dadurch bildet sich zwischen den beiden Reihen von Permanentmagneten
jeweils eine Stufe 12.
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Aufgrund
der T-Form der Permanentmagnete 8 wird im Bereich der Füße 10 der
Permanentmagnete 8 jeweils eine Pollücke 13 gebildet, die
wesentlich größer ist
als die Pollücken 11 zwischen
den Stegen 9 benachbarter Permanentmagnete 8.
Aufgrund des geringfügigen
Versatzes der Permanentmagnete 8 in den beiden Reihen liegen
die kleinen Pollücken 11 im
Stegbereich der Permanentmagnete 8 in Axialrichtung des
Rotors 1 nicht fluchtend zueinander, sondern sind geringfügig in Umfangsrichtung
gegeneinander versetzt (4). Auch die breiteren Pollücken 13 der
beiden Permanentmagnetreihen liegen in Umfangsrichtung versetzt
zueinander. Aufgrund des Versatzes der Permanentmagnete 8 der
oberen Reihe gegenüber
der unte ren Reihe ergibt sich eine Stufenschrägung, wodurch das Nutrastmoment
zumindest verringert wird.
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Die
schmalen Pollücken 11 werden
für die Kommutierung
des mit dem Rotor ausgestatteten Elektromotors eingesetzt. Im Bereich
dieser schmalen Pollücken 11 befinden
sich Magnetsensoren 14, beispielsweise Hall-Sensoren. Mit
ihnen werden beim Drehen des Rotors 1 die Nulldurchgänge zwischen
Nord-Süd
und Süd-Nord
der Magnetkanten erfasst. Sie werden durch die Stirnseiten 15, 16 der Stege 9 der
Permanentmagnete 8 gebildet (4). Die
Breite der Pollücken 11 bestimmt
die Genauigkeit, mit der dieser Nord/Süd-Süd/Nord-Übergang der Magnete 8 erfasst
werden kann.
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Anhand
der 2 und 3 wird erläutert, dass die Breite der
Pollücken 11 Einfluss
auf die Steilheit der Kennlinie an den Nulldurchgängen hat. In 2 sind
die Permanentmagnete 8 des Rotors 1 schematisch
dargestellt. Die zugehörige
Kennlinie zeigt die vom Magnetsensor 14 gemessene Kenngröße BHall in Abhängigkeit vom Drehwinkel φ des Rotors 1.
Im Bereich der Pollücken 11 weist
die Kennlinie eine Steigung mit dem Steigungswinkel γ auf. Im Bereich
der Magnete 8 verläuft
die Kennlinie annähernd
konstant.
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3 zeigt
diese Kennlinie bei einem Rotor, dessen Permanentmagnete 8 so
angeordnet sind, dass die Pollücken 11 zwischen
ihnen wesentlich kleiner sind als beim Beispiel nach 2.
Die kleineren Pollücken 11 führen zu
einer wesentlich steileren Kennlinie im Bereich des Nulldurchganges.
Der Steigungswinkel α dieser
Kennlinie im Bereich des Nulldurchganges ist kleiner als der Steigungswinkel γ beim Ausführungsbeispiel
nach 2. Damit kann durch die geringen Pollücken erreicht
werden, dass die Sensoren 14 den Nulldurchgang der Kennlinie sehr
exakt erfassen. Dadurch wird die Messgenauigkeit hoch, so dass die
Signalbildung zur Ansteuerung einer Motorsteuerung, wie Umrichtern
oder Controllern, deutlich verbessert wird.
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Aufgrund
der T-förmigen
Ausbildung bilden die Permanentmagnete 8 am Übergang
vom Steg 9 zum Fuß 10 Kommutierungsecken 17 (4).
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Bei
der Ausführungsform
gemäß den 1 und 4 sind
die Permanentmagnete 8 symmetrisch ausgebildet. Der Steg 9 ragt
an beiden Seiten gleich weit über
den Fuß 10 vor.
Da die Permanentmagnete 8 der einen Reihe in Umfangsrichtung
des Rotors gegenüber
den Permanentmagneten 8 der anderen Reihe versetzt angeordnet
sind, liegen die Pollücken 11 der
beiden Permanentmagnetreihen in unterschiedlichen Axialebenen. Die
Linie 18 kennzeichnet den Ist-Kommutierungspunkt 24i und
die Linie 19 den Soll-Kommutierungspunkt 24s.
Der Versatz der beiden Linien 18 und 19 ist in 4 mit β bezeichnet.
Da die Ist-Lage von der Soll-Lage abweicht, ist eine Korrektur der
Kommutierungssteuerung notwendig.
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Sind
die Permanentmagnete nicht symmetrisch ausgebildet, dann kann erreicht
werden, dass die Ist-Lage des Kommutierungspunktes der Soll-Lage
entspricht. Ein Ausführungsbeispiel
hierfür
ist in 5 dargestellt. Die Permanentmagnete 8 haben ebenfalls
etwa T-Form, jedoch ragt der Steg 9 ungleich weit über den
Fuß 10 vor.
Die Permanentmagnete 8 innerhalb einer Reihe haben weiterhin
die schmale Pollücke 11 zwischen
den Stegen 9 und die Pollücken 13 zwischen den
Füßen 10.
Die Permanentmagnete 8 der einen Reihe sind ebenfalls in
Umfangsrichtung des Rotors 1 gegenüber den Permanentmagneten 8 der
anderen Reihe versetzt, wodurch sich wiederum eine Schrägung des
Magnetsystems ergibt. Der Steg 9 weist an einer Seite den Überstand 20 und
an der anderen Seite den wesentlich kleineren Überstand 21 in Bezug
auf den Fuß 10 auf.
Aufgrund der asymmetrischen T-Form der Permanentmagnete 8 wird
erreicht, dass die Ist-Lage des Kommutierungspunktes 24 der
Soll-Lage des Kommutierungspunktes 24 entspricht, was der
Bedingung β =
0 entspricht. Bei einer solchen Gestaltung und Anordnung der Permanentmagnete 8 sind Korrekturen
der Kommutierungssteuerung nicht mehr erforderlich. In Verbindung
mit der steilen Kennlinie im Nulldurchgang wird somit erreicht,
dass die Magnetsensoren 14 die Nulldurchgänge mit
hoher Genauigkeit erfassen können
und auf eine Korrektur der Kommutierungssteuerung verzichtet werden kann.
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Aufgrund
der beschriebenen T-Formen der Permanentmagnete 8 weisen
die Kennlinien beim Nulldurchgang eine sehr hohe Steilheit bzw.
einen sehr kleinen Steigungswinkel auf, so dass die Magnetsensoren 14 die
Nulldurchgänge
bei der Rotation des Rotors 1 mit hoher Genauigkeit erfassen
können. Dadurch
kann mit den Magnetsensoren auch eine sehr genaue Signalbildung
für die
Motorsteuerungen, wie Umrichter oder Controller, erzeugt werden.
Dies führt
zu einer wesentlichen Verbesserung der Stromform bzw. der Referenzsignale
für die
Kommutierung. Bei Spannungsstellern kann auf diese Weise eine sehr
genaue Spannungsumschaltung erreicht werden. Dies wiederum hat zur
Folge, dass der Motorwirkungsgrad erhöht und die Motorerwärmung niedrig gehalten
werden kann. Bei baulich integrierten Steuerungen wird auch die
Erwärmung
der Elektronikteile niedrig gehalten, und es entstehen weniger Drehzahl-
und Momenten-Oberwellen. Dadurch kann die Drehmomentwelligkeit sehr
gering gehalten werden. Auch die Geräuschbildung beim Betrieb des
Motors wird auf diese Weise gering gehalten.
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Die
Pollücken 13 zwischen
benachbarten Permanentmagneten 8 innerhalb einer Reihe
im sogenannten Aktivbereich können
größer gehalten
werden, wodurch ebenfalls eine Minimierung der Nutrastmomente sowie
eine Oberwellenoptimierung und damit eine Geräuschoptimierung erreicht werden. Die
größeren Pollücken 13 sind
vorteilhaft bei der Montage der Permanentmagnete 8, weil
mit Greifeinrichtungen die Permanentmagnete für die Montage bequem am Fuß 10 erfasst
und am Rotor 1 montiert werden können. Auch die Teilungsgenauigkeit
wird durch die größeren Polabstände 13 verbessert.
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Die
Pollücken 11 im
Bereich des Kommutierungsteiles, der teilweise außerhalb
des Statorbereiches liegen kann, sind nur minimal. Dies hat in der beschriebenen
Weise den Vorteil, dass die Nulldurchgänge der Kennlinien der Magnetsensoren 14 mit
hoher Genauigkeit erfasst werden können. Dementsprechend kann
auch eine sehr genaue Signalbildung für die Motoransteuerung erreicht
werden.
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Die
Permanentmagnete 8 können
zueinander parallele oder auch nicht parallele Außenseiten 22, 23 (1)
aufweisen. Die eine Außenseite
kann auch eben und die andere Außenseite gekrümmt sein.
Werden die Permanentmagnete 8 bei Linearmotoren eingesetzt,
können
diese Außenseiten 22, 23 auch
eben sein.
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Die
Ecken der Permanentmagnete 8 können technologisch oder funktionell
bedingt Radien aufweisen. Selbstverständlich sind auch andere Übergangsformen
an den Eckbereichen möglich.
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Als
Materialien für
die Permanentmagnete 8 kommen Ferrit Fe2O3 und/oder Bariumcarbonat BaCO3 und/oder
Strontium-Karbonat SrCO2, Samarium-Kobalt-Varianten
und Neodym-Eisen-Bor-Varianten, Gandolium-Varianten sowie Mischungen
dieser Materialien in Betracht. Je nach Anwendungsfall werden die
entsprechenden Materialien für
die Permanentmagnete ausgewählt.
Für alle
Beispiele kommen auch kunststoffgebundene Varianten in Betracht.
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Für die beiden
Enden des Rotors 1 können, wie
in den Figuren beispielhaft dargestellt ist, gleiche Permanentmagnete
verwendet werden. An der Seite des Rotors, an der keine Magnetsensoren 14 vorgesehen
sind, können
auch herkömmliche
Permanentmagnete ohne T-Form und mit größeren Polabständen 11 eingesetzt
werden.
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Durch
die asymmetrische T-Form der Permanentmagnete 8 gemäß 5 wird
erreicht, dass der Kommutierungspunkt 24 auch der Schrägungsmittelpunkt
ist. Dadurch erübrigen
sich rechnerische Korrekturen, um die Ströme symmetrisch zum mittleren
Kommutierungspunkt 24 auszubilden. Auf diese Weise wird
eine hervorragende Symmetrie zwischen Links- und Rechtslauf des
Motors erreicht.
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Es
ist auch möglich,
gewünschte
Stromkommutierungswinkel durch gezielte Unsymmetrien der T-förmigen Permanentmagnete 8 zu
erreichen. Auch können
durch entsprechende Asymmetrien vor- oder nacheilende Ströme, bezogen
auf die Spannung oder induzierte Spannung, eingestellt werden.
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Der
Rotor 1 ist für
Elektromotoren und Generatoren einsetzbar. Die Elektromotoren können Innen-
oder Außenläufer oder
auch Segmentmotoren sein. Die T-förmigen Permanentmagnete 8 können aber
nicht nur für
rotatorische Motoren, sondern auch für Linearmotoren eingesetzt
werden.
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Überhaupt
ist der Einsatz der beschriebenen Permanentmagnete 8 nicht
auf bestimmte Arten von Motoren und Generatoren beschränkt. Die
von den Magnetsensoren 14 erzeugten Signale können für unterschiedlichste
Steuerungen eingesetzt werden, so für Umrichter oder Controller,
oder für
Spannungssteller. Eine einfachere Verwendung ist die Erfassung impulsartiger
Signale pro Umdrehung oder pro Linearbewegung, um hieraus Drehzahl-Informationen zu generieren
oder Drehgeberfunktionen zu erhalten.