DE102016218328A1 - Electric machine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit mindestens einem Stator und mindestens einem mit dem Stator zusammenwirkenden Läufer. Der Stator und/oder der Läufer weist eine Anordnung von mehreren Hauptmagneteinrichtungen auf. Die Hauptmagneteinrichtungen verjüngen sich zu einer ersten Seite hin. Die erste Seite bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen ist die dem Stator zugewandte Seite und/oder ist bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Läufer zugewandte Seite.The present invention relates to an electric machine having at least one stator and at least one rotor cooperating with the stator. The stator and / or the rotor has an arrangement of a plurality of main magnetic devices. The main magnetic devices taper to a first side. The first side with main magnetic devices arranged on the rotor is the side facing the stator and / or the main magnetic devices arranged on the stator are the side facing the rotor.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.The present invention relates to an electrical machine according to the preamble of
Derartige herkömmliche elektrische Maschinen werden als Elektromotor zur Erzeugung einer Bewegung oder als Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet. Häufig werden derartige elektrische Maschinen als rotatorische Maschinen ausgebildet, bei denen der Läufer somit als Rotor ausgebildet ist, der in einem ringförmigen Stator oder ringförmig um einen Stator angeordnet ist.Such conventional electric machines are used as an electric motor for generating a movement or as a generator for generating electrical energy. Frequently, such electrical machines are designed as rotary machines, in which the rotor is thus formed as a rotor which is arranged in an annular stator or annularly around a stator.
An dem Stator und/oder dem Läufer sind dabei Magneteinrichtungen angeordnet, über die der Läufer in Bewegung versetzt werden kann.At the stator and / or the rotor magnetic devices are arranged, via which the rotor can be set in motion.
Die häufigste Ausgestaltung derartiger Elektromaschinen weist Elektromagnete am Stator auf, die mit einem ferromagnetischen Läufer zusammenwirken. Die Elektromagneten des Stators sind dabei in einer Reihe kreisförmig um den Läufer angeordnet. Durch abwechselnde Betätigung der Elektromagneten wird ein fortlaufendes Magnetfeld erzeugt, das den Läufer antreibt.The most common embodiment of such electric machines has electromagnets on the stator, which cooperate with a ferromagnetic rotor. The electromagnets of the stator are arranged in a row in a circle around the rotor. By alternating actuation of the electromagnets, a continuous magnetic field is generated, which drives the rotor.
Die an dem Stator angeordneten Elektromagnete sind aus Spulen gebildet, die einen ferromagnetischen Kern umgeben.The electromagnets arranged on the stator are formed from coils which surround a ferromagnetic core.
Bei der Optimierung der vorbekannten elektrischen Maschinen sind unter anderem zwei Ansätze möglich, einerseits die notwendige elektrische Energie für die Bereitstellung des magnetischen Feldes zum Antrieb des Läufers und/oder im Materialeinsatz für den Elektromagneten zu verringern.In the optimization of the known electrical machines, two approaches are possible, on the one hand to reduce the necessary electrical energy for the provision of the magnetic field for driving the rotor and / or in the material used for the electromagnet.
Daher wurde in
Bei einer Anordnung von Magneten in einem Halbach-Array wird erreicht, dass bei einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Magneten das magnetische Feld sich an einer Seite nahezu auslöscht und an der gegenüberliegenden Seite dadurch verstärkt ist. Bei dem beschriebenen sogenannten Halbach-Array Motor besteht somit der Vorteil, dass nur jeweils dem Stator bzw. Läufer zugewandten Seite des Magnetfelds aus dem Magneten heraustritt und auf den gegenüberliegenden Seiten das Magnetfeld nahezu vollständig ausgelöscht ist. Dadurch werden Verluste im magnetischen Fluss vermieden. Dies hat zur Folge, dass zur Bereitstellung eines in einem herkömmlichen Motor vergleichbaren Magnetfeldes weniger elektrische Energie notwendig ist oder Elektromagneten mit einer geringeren Anzahl von Wicklungen eingesetzt werden können.With an arrangement of magnets in a Halbach array it is achieved that, in the case of a multiplicity of magnets arranged next to one another, the magnetic field almost extinguishes on one side and is thereby reinforced on the opposite side. In the described so-called Halbach array motor thus has the advantage that only each of the stator or rotor side facing the magnetic field emerges from the magnet and on the opposite sides of the magnetic field is almost completely extinguished. This avoids losses in the magnetic flux. As a result, to provide a comparable magnetic field in a conventional motor, less electric power is required or electromagnets having a smaller number of windings can be used.
Es ist jedoch ein angestrebtes Ziel, die herkömmlichen Motoren, insbesondere den Halbach-Array Motor, weiter zu verbessern.However, it is a desired goal to further improve the conventional motors, in particular the Halbach array motor.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, vorzugsweise einen Halbach-Array Motor, zu schaffen, der hinsichtlich des Materialeinsatzes und/oder des Energieeinsatzes verbessert ist.It is therefore the object of the present invention to provide an electric machine according to the preamble of
Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.The invention is defined by the features of
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit mindestens einem Stator und mindestens einem mit dem Stator zusammenwirkenden Läufer, wobei der Stator und/oder der Läufer eine Anordnung von mehreren Hauptmagneteinrichtungen aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagneteinrichtungen sich zu einer ersten Seite hin verjüngen, wobei die erste Seite bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Stator zugewandte Seite ist und/oder bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Läufer zugewandte Seite ist.The electric machine according to the invention with at least one stator and at least one rotor interacting with the stator, wherein the stator and / or the rotor has an arrangement of a plurality of main magnetic devices, characterized in that the main magnetic devices taper towards a first side, wherein the first Side is arranged on the rotor main magnet means the side facing the stator and / or arranged on the stator main magnet means is the side facing the rotor.
Mit anderen Worten: Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass Hauptmagneteinrichtungen, die an dem Stator angeordnet sind, sich in Richtung zu dem Läufer hin verjüngen bzw. Hauptmagneteinrichtungen, die am Läufer angeordnet sind, sich zu dem Stator hin verjüngen.In other words, in the electric machine according to the invention, it is provided that main magnetic devices which are arranged on the stator, tapering in the direction of the rotor or main magnetic devices which are arranged on the rotor, tapering towards the stator.
Es hat sich herausgestellt, dass der von derartig geformten Hauptmagneteinrichtungen erzeugte magnetische Fluss im Vergleich zu herkömmlichen Hauptmagneteinrichtungen, die bei elektrischen Maschinen eingesetzt sind und die eine Quaderform aufweisen, deutlich stärker ist. Entsprechende Simulationen haben ergeben, dass bei derart geformten Hauptmagneteinrichtungen sich in Hauptmagneteinrichtungen das Magnetfeld an mindestens einer Linie (der sog. Magnetfeldkonzentrationslinie) ausgerichtet konzentriert, die in Richtung zu der Verjüngung hin verläuft. Der von einer derart geformten Hauptmagneteinrichtung hervorgerufene magnetische Fluss ist somit im Vergleich zu Magneteinrichtungen anderer Formen stärker, so dass mit geringem Materialeinsatz oder Energieeinsatz ein vergleichbares Magnetfeld gebildet werden kann.It has been found that the magnetic flux generated by such shaped main magnetic devices is significantly stronger as compared with conventional main magnetic devices used in electric machines and having a cuboid shape. Corresponding simulations have shown that with main magnetic devices formed in this way, in magnetic main devices, the magnetic field concentrates on at least one line (the so-called magnetic field concentration line) oriented in the direction towards the taper. The magnetic flux produced by such a shaped main magnetic device is thus stronger in comparison to magnetic devices of other shapes, so that a comparable magnetic field can be formed with a low use of material or energy input.
Die elektrische Maschine kann ein Motor oder ein Generator sein. Der Läufer kann als Rotor ausgebildet sein, wobei der Rotor ein Innenläufer oder ein Außenläufer sein kann, d. h. dass der Rotor innerhalb eines Stators oder einen Stator umgebend angeordnet sein kann. Die elektrische Maschine kann auch ein linearer Motor oder Generator sein, bei dem der Stator langgestreckt ausgebildet ist und der Läufer eine lineare Bewegung ausführt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine mehrere Statoren und/oder Läufer aufweist.The electric machine may be a motor or a generator. The rotor may be formed as a rotor, wherein the rotor is an internal rotor or a External rotor can be, that is, that the rotor can be arranged within a stator or a stator surrounding. The electric machine may also be a linear motor or generator in which the stator is elongated and the rotor performs a linear movement. It can also be provided that the electric machine has a plurality of stators and / or runners.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann beispielsweise als ”schwebender” Motor in sogenannter Flachbauweise verwirklicht werden.The electric machine according to the invention can be realized for example as a "floating" engine in so-called flat construction.
Hierbei ist der Rotor als flache, eine Welle umgebende Scheibe ausgestaltet und zwei scheibenförmige Statoren sind oberhalb und unterhalb der Scheibe des Rotors angeordnet. Die Statoren weisen die Hauptmagneteinrichtungen auf und bilden jeweils ein Magnetfeld, das einerseits den Rotor antreibt und andererseits den Rotor in axialer und radialer Richtung stabilisiert, so dass eine berührungslose Lagerung erfolgen kann.In this case, the rotor is configured as a flat disk surrounding a shaft, and two disk-shaped stators are arranged above and below the disk of the rotor. The stators have the main magnetic devices and each form a magnetic field, on the one hand drives the rotor and on the other hand stabilizes the rotor in the axial and radial directions, so that a non-contact storage can take place.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Hauptmagneteinrichtung jeweils eine Form mit jeweils mindestens zwei Oberflächenabschnitten aufweist, die sich zu der ersten Seite hin verjüngen, wobei die mindestens zwei Oberflächenabschnitte kongruent zueinander sind. Die Hauptmagneteinrichtung weist somit mindestens zwei gleiche Oberflächenabschnitte auf, die zu einer Seite hin schmaler werden. Unter Oberflächenabschnitte werden hierbei Teile der Oberfläche einer Hauptmagneteinrichtung verstanden, die zumindest zur Bildung eines Teils der verjüngenden Form durch eine Kante in der Oberfläche begrenzt sind. Es hat sich herausgestellt, dass derart geformte Hauptmagneteinrichtungen in besonders vorteilhafter Weise den magnetischen Fluss und somit das Magnetfeld verstärken, da besonders ausgeprägte Magnetfeldkonzentrationslinien vorhanden sind.It is preferably provided that the main magnetic device each have a shape with in each case at least two surface sections, which taper towards the first side, wherein the at least two surface sections are congruent to each other. The main magnetic device thus has at least two identical surface portions, which become narrower towards one side. Here, surface sections are understood as meaning parts of the surface of a main magnetic device which are delimited by an edge in the surface at least to form part of the tapered shape. It has been found that such shaped main magnetic devices in a particularly advantageous manner enhance the magnetic flux and thus the magnetic field, since particularly pronounced magnetic field concentration lines are present.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Form der Hauptmagneteinrichtungen die Form eines Tetraeders, eines Doppeltetraeders, einer Pyramide, einer Doppelpyramide, eines Oloids, eines Oktaeders, eines Keils, eines Tetraederstumpfes, eines Doppeltetraederstumpfes, eines Pyramidenstumpfes, eines Doppelpyramidenstumpfes, eines Oloidstumpfes, eines Oktaederabschnitts oder eines Obelisk aufweist. Insbesondere die sogenannten platonischen Körper oder Abschnitte hiervon haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Unter Abschnitt eines Körpers wird eine Scheibe eines Körpers verstanden, beispielsweise wird unter Oktaederabschnitt ein Oktaeder verstanden, bei dem zwei sich gegenüberliegende Ecken abgeschnitten sind. Unter einem Stumpf einer Form wird die Grundform verstanden, bei der an einer Seite ein Teil abgeschnitten ist. Unter Obelisk wird ein Keilstumpf, d. h. ein abgeschnittener Keil, verstanden. Vorzugsweise weist die Hauptmagneteinrichtung die Form einer russischen Pyramide auf. Grundsätzlich kann die Hauptmagneteinrichtung eine beliebige Pyramidenform aufweisen, beispielsweise mit einer quadratischen Grundfläche, oder auch einem anderen Polygon als Grundfläche. Die Form der Hauptmagneteinrichtungen kann auch eine Kuppelform, beispielsweise eine Dreieckskuppelform, aufweisen. Auch kann vorgesehen sein, dass Oberflächenabschnitte, insbesondere die zwei kongruenten Oberflächenabschnitte, gewölbt sind, wie beispielsweise bei einem Oloid. Auch können die Formen der Hauptmagneteinrichtung ein Reuleaux-Tetraeder sein.Preferably, it is provided that the shape of the main magnetic means in the form of a tetrahedron, a double tetrahedron, a pyramid, a double pyramid, an oloid, an octahedron, a wedge, a tetrahedral stump, a double truncated tetrahedron, a truncated pyramid, a Doppelpyramidenstumpfes, a Oloidstumpfes, an octahedron or an obelisk. In particular, the so-called platonic bodies or portions thereof have been found to be particularly advantageous. A section of a body is understood to mean a disk of a body, for example an octahedron section is understood to mean an octahedron in which two opposite corners are cut off. A stump of a mold is understood to mean the basic shape in which a part is cut off on one side. Under Obelisk becomes a wedge stump, d. H. a truncated wedge, understood. Preferably, the main magnetic device has the shape of a Russian pyramid. In principle, the main magnetic device can have any pyramidal shape, for example with a square base surface, or even another polygon as the base surface. The shape of the main magnetic means may also have a dome shape, for example, a triangular dome shape. It can also be provided that surface sections, in particular the two congruent surface sections, are arched, as for example in the case of an oloid. Also, the shapes of the main magnetic means may be a Reuleaux tetrahedron.
Bei einer Ausführungsform, bei der keine zwei kongruenten Oberflächenabschnitte vorgesehen sind, kann die Hauptmagneteinrichtung die Form eines Kegels, eines Kegelstumpfes, eines Rotationsparaboloiden und eines entsprechenden Stumpfes, eines Rotationshyperboloiden oder eines entsprechenden Stumpfes, eines Stumpfes eines Rotationshyperboloiden, eines Ellipsenkegels oder eines Ellipsenkegelstumpfes, eines Sphäroiden oder eines Stumpfes hiervon, eines Bizylinders oder eines Trizylinders (Steinmetzkörper) sein.In an embodiment in which no two congruent surface portions are provided, the main magnet means may be in the shape of a cone, a truncated cone, a paraboloid of revolution and a corresponding stump, a hyperboloid of revolution or a corresponding stump, a stump of a hyperboloid of revolution, an ellipse cone or an elliptical cone stump, Spheroids or a stump of this, a biz cylinder or a tricylinder (stonemason) be.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hauptmagneteinrichtungen zur Bildung eines Netzwerks magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Durch die magnetisch leitende Verbindung der Hauptmagneteinrichtungen kann eine Verstärkung des magnetischen Flusses und somit des magnetischen Feldes erzeugt werden.In a particularly preferred embodiment of the invention it is provided that the main magnetic devices are connected to form a network magnetically conductive. By the magnetically conductive connection of the main magnetic devices, an amplification of the magnetic flux and thus of the magnetic field can be generated.
Zur Bildung des Netzwerkes kann die Anordnung der Hauptmagneteinrichtungen in eine Längsrichtung erstreckend zur Bildung eines Linearmotors oder -generators sein, ringförmig zur Bildung einer rotatorischen Maschine, schachbrettartig, spiralförmig, kreuzförmiger oder sphärisch. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die verbundenen Hauptmagneteinrichtungen ein Halbach-Array bilden. Eine derartige Anordnung ist von besonderem Vorteil, da sich die magnetischen Flüsse an einer Seite der Hauptmagneteinrichtungen, nämlich an der von der ersten Seite abgewandten Seite der Hauptmagneteinrichtungen nahezu vollständig auslöschen und somit auf der ersten Seite der Hauptmagneteinrichtungen ein wesentlich stärkerer magnetischer Fluss und somit ein stärkeres Magnetfeld erzeugbar ist.To form the network, the array of main magnetic devices may be longitudinally extending to form a linear motor or generator, annular to form a rotary machine, checkerboard, spiral, cruciform, or spherical. It is preferably provided that the connected main magnetic devices form a Halbach array. Such an arrangement is of particular advantage, since the magnetic fluxes on one side of the main magnetic devices, namely on the side facing away from the first side of the main magnetic devices almost completely extinguish and thus on the first side of the main magnetic devices a much stronger magnetic flux and thus a stronger Magnetic field is generated.
Hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass die von der jeweils ersten Seite abgewandten Endabschnitte der Hauptmagneteinrichtungen miteinander verbunden sind. Die Endabschnitte befinden sich somit an einer zweiten Seite der Hauptmagneteinrichtungen.For this purpose, it is preferably provided that the end sections of the main magnetic devices facing away from the respective first side are connected to one another. The end portions are thus located on a second side of the main magnetic devices.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindung zwischen zwei Hauptmagneteinrichtungen über mindestens eine Verbindungsmagneteinrichtung erfolgt. Mit anderen Worten: Die magnetische Verbindung zwischen zwei Hauptmagneteinrichtungen erfolgt über eine Verbindungsmagneteinrichtung, die ebenfalls einen magnetischen Fluss und somit ein magnetisches Feld erzeugen kann. Es hat sich herausgestellt, dass hierdurch das von den Hauptmagneteinrichtungen erzeugte magnetische Feld in vorteilhafter Weise verstärkt werden kann. In a preferred exemplary embodiment of the invention, it is provided that the connection between two main magnet devices takes place via at least one connecting magnet device. In other words, the magnetic connection between two main magnetic devices takes place via a connecting magnet device, which can likewise generate a magnetic flux and thus a magnetic field. It has been found that in this way the magnetic field generated by the main magnetic devices can be advantageously amplified.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Verbindungsmagneteinrichtungen sich jeweils zu den Hauptmagneteinrichtungen hin, die sie verbinden, verjüngen. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer derartigen Ausgestaltung der Verbindungsmagneteinrichtungen sich in den Verbindungsmagneteinrichtungen Magnetfeldkonzentrationslinien ausbilden, die sich von einem verjüngenden Abschnitt der Verbindungsmagneteinrichtung zu dem anderen verjüngenden Abschnitt erstrecken und somit von einer Hauptmagneteinrichtung zu der anderen. Dadurch ist die magnetisch leitende Verbindung zwischen den Hauptmagneteinrichtungen besonders vorteilhaft. Alternativ können die Verbindungsmagneteinrichtungen auch zylinderförmige, beispielsweise kreiszylindrisch oder in Prismenform mit beispielsweise einer viereckigen Grundfläche, ausgebildet sein.It can be provided that the connecting magnet devices each taper towards the main magnetic devices that connect them. It has been found that, in such a configuration of the connection magnet devices, magnetic field concentration lines are formed in the connection magnet devices, extending from a tapered portion of the connection magnet means to the other tapered portion, and thus from one main magnet device to the other. As a result, the magnetically conductive connection between the main magnetic devices is particularly advantageous. Alternatively, the connection magnet devices can also be cylindrical, for example circular-cylindrical or in prismatic form with, for example, a quadrangular base area.
Die Verbindungsmagneteinrichtungen können insbesondere symmetrisch, vorzugsweise punktsymmetrisch, ausgebildet sein. Die Verbindungsmagneteinrichtungen weisen vorzugsweise die Form eines platonischen Körpers oder eines Abschnitts eines platonischen Körpers auf. Vorzugsweise weisen die Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils die Form eines Oloids, eines Oktaeders, eines Doppeltetraeders oder einer Doppelpyramide oder Abschnitte eines dieser Körper auf.The connection magnet devices can in particular be designed symmetrically, preferably point-symmetrically. The connection magnet devices preferably have the shape of a platonic body or a portion of a platonic body. The connection magnet devices preferably each have the shape of an oloid, an octahedron, a double tetrahedron or a double pyramid, or sections of one of these bodies.
Die Verbindungsmagneteinrichtungen können als Permanentmagnete oder als Elektrompermanentmagnete ausgebildet sein. Alternativ können die Verbindungsmagneteinrichtungen auch als Elektromagnete ausgebildet sein. Dabei können die Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils aus einer oder mehreren Spulen gebildet sein. Es hat sich herausgestellt, dass beispielsweise zwei separat ansteuerbare Spulen, die übereinander liegend an Verbindungsmagneteinrichtungen angeordnet sind, einen besonders starken magnetischen Fluss erzeugen können.The connection magnet devices can be designed as permanent magnets or as electromagnetic magnets. Alternatively, the connection magnet devices can also be designed as electromagnets. In this case, the connection magnet devices can each be formed from one or more coils. It has been found that, for example, two separately controllable coils, which are arranged one above the other on connection magnet devices, can generate a particularly strong magnetic flux.
Es kann vorgesehen, dass die Elektromagnete der Verbindungseinrichtungen jeweils einen Kern aufweisen, der beispielsweise ferromagnetisch ist. Kerne, insbesondere ferromagnetische Kerne, können den magnetischen Fluss, der durch die Elektromagnete erzeugt wird, besonders verstärken.It is provided that the electromagnets of the connecting devices each have a core, which is ferromagnetic, for example. Cores, especially ferromagnetic cores, can particularly enhance the magnetic flux generated by the electromagnets.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Kern der Verbindungsmagneteinrichtung eine an die geometrische Form der Verbindungsmagneteinrichtung angepasste Form aufweist. Der Kern kann beispielsweise eine Form aufweisen, die teilweise der Form der Verbindungsmagneteinrichtung entspricht. Beispielsweise kann der Kern eine Oktaederform aufweisen, wohingegen die durch die Spulen gebildete Form der Verbindungsmagneteinrichtung die Form eines Abschnitts eines Oktaeders bildet, da die Wicklungen der Spule nur bis zur Spitze der Oktaeder des Kerns erfolgen und die Spulen keine spitz zulaufenden Wicklungen bilden, da diese dann ohne Kern wären.It can be provided that the core of the connecting magnet device has a shape adapted to the geometric shape of the connecting magnet device. For example, the core may have a shape that partially corresponds to the shape of the connection magnet device. For example, the core may have an octahedron shape, whereas the shape of the bonding magnet formed by the coils may be in the shape of a portion of an octahedron, since the windings of the coil are only to the top of the octahedron of the core and the coils do not form tapered windings then without core would be.
Die Erfindung kann ferner in vorteilhafter Weise vorsehen, dass eine Verbindungsmagneteinrichtung über Verbindungselemente mit den Hauptmagneteinrichtungen verbunden ist. Die Verbindungselemente sind dabei vorzugsweise magnetisch leitend ausgebildet. Die Verbindungselemente können ferromagnetisch sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Verbindungselemente jeweils mit den Kernen der Verbindungsmagneteinrichtungen verbunden sind. Bei einer Hauptmagneteinrichtung, die als Elektromagnet mit Kern ausgebildet ist, können die Verbindungselemente ebenfalls mit dem Kern der Hauptmagneteinrichtung verbunden sein.The invention may also provide, in an advantageous manner, that a connecting magnet device is connected to the main magnet devices via connecting elements. The connecting elements are preferably formed magnetically conductive. The connecting elements can be ferromagnetic. It can be provided that the connecting elements are respectively connected to the cores of the connecting magnet devices. In a main magnetic device, which is designed as a solenoid with core, the connecting elements may also be connected to the core of the main magnetic device.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hauptmagneteinrichtungen alle die gleiche Form aufweisen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Hauptmagneteinrichtungen unterschiedliche Formen aufweisen, wodurch die Form des erzeugten Magnetfeldes beeinflusst werden kann.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the main magnetic devices all have the same shape. Of course, it is also possible that the main magnetic devices have different shapes, whereby the shape of the generated magnetic field can be influenced.
Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise vorsehen, dass die Hauptmagneteinrichtungen an dem Stator angeordnet und Permanentmagnete oder Elektropermanentmagnete sind, wobei der Läufer eine Anordnung aus Elektromagneten oder Elektropermanentmagneten aufweist oder dass die Hauptmagneteinrichtungen an dem Läufer angeordnet und Permanentmagnete oder Elektropermanentmagnete sind, wobei der Stator eine Anordnung aus Elektromagneten oder Elektropermanentmagneten aufweist. Dabei kann die Anordnung aus Elektromagneten oder Elektropermanentmagneten an dem Stator bzw. Läufer ebenfalls Hauptmagneteinrichtungen bilden.The invention may advantageously provide that the main magnetic means are arranged on the stator and are permanent magnets or electro-permanent magnets, wherein the rotor comprises an arrangement of electromagnets or electropermanent magnets or that the main magnetic means are arranged on the rotor and are permanent magnets or electro-permanent magnets, the stator having an arrangement comprising electromagnets or electro-permanent magnets. The arrangement of electromagnets or electro-permanent magnets on the stator or rotor can also form main magnetic devices.
Bei einer Ausführungsform, bei der die Hauptmagneteinrichtungen und die Verbindungsmagneteinrichtung als Permanentmagnete ausgebildet sind, können die Verbindungselemente ebenfalls als Permanentmagnete ausgebildet sein.In an embodiment in which the main magnet devices and the connecting magnet device are designed as permanent magnets, the connecting elements can likewise be designed as permanent magnets.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Hauptmagneteinrichtungen Elektromagneten sind. Bei einer Ausgestaltung der Hauptmagneteinrichtungen als Elektromagneten oder Elektropermanentmagneten kann auch vorgesehen sein, dass der mit den Hauptmagneteinrichtungen zusammenwirkende Gegenpart von Läufer bzw. Stator aus diamagnetischem Material besteht und somit erst das durch die Hauptmagneteinrichtungen erzeugte magnetische Feld, das in das diamagnetische Material induziert wird, eine magnetische Wirkung zum Antrieb des Läufers erzeugt.Alternatively it can be provided that the main magnetic devices are electromagnets. In one embodiment of the main magnetic devices as electromagnets or electropermanent magnets can also be provided that the cooperating with the main magnetic devices counterpart of rotor or stator consists of diamagnetic material and thus only the magnetic field generated by the main magnetic devices, which is induced in the diamagnetic material, a generates magnetic effect to drive the rotor.
Der Einsatz von Elektropermanentmagneten hat sich bei elektronischen Maschinen, die langsamere Bewegungen erzeugen oder in die langsamere Bewegungen eingespeist werden, als vorteilhaft erwiesen.The use of electro-permanent magnets has been found to be advantageous in electronic machines that produce slower motions or are fed into slower motions.
Die Elektromagneten können jeweils aus einer oder mehreren Spulen gebildet sein. Einzelne Abschnitte der Spulen können hierbei beispielsweise zumindest teilweise die mindestens zwei Oberflächenabschnitte bilden. Die Elektromagneten können beispielsweise jeweils einen Kern aufweisen, der vorzugsweise ferromagnetisch ist.The electromagnets can each be formed from one or more coils. For example, individual sections of the coils can at least partially form the at least two surface sections. The electromagnets may for example each have a core, which is preferably ferromagnetic.
Die Ausgestaltung der Hauptmagneteinrichtungen als Elektromagneten kann somit in vergleichbarer Form in vergleichbaren Vorteilen erfolgen wie bei den Verbindungsmagneteinrichtungen.The design of the main magnetic devices as electromagnets can thus be carried out in comparable form in comparable advantages as in the connection magnet devices.
Vorzugsweise weist der Kern eine an die geometrische Form der Hauptmagneteinrichtung angepasste Form auf. Der Kern kann zumindest teilweise die gleiche geometrische Form aufweisen. Bei einer Pyramidenform des Kerns besitzt beispielsweise die Hauptmagneteinrichtung die Form eines Pyramidenstumpfes, da die Spule lediglich bis zur Spitze des Kerns den Kern umgibt und somit die Spulen keine eigene Spitze bilden.Preferably, the core has a shape adapted to the geometric shape of the main magnetic device. The core may at least partially have the same geometric shape. In a pyramidal shape of the core, for example, the main magnetic device has the shape of a truncated pyramid, since the coil surrounds the core only to the top of the core and thus the coils do not form their own tip.
Insbesondere bei Hauptmagneteinrichtungen und/oder Verbindungsmagneteinrichtungen, die die Form einer Pyramide, einer russischen Pyramide, eines Oloids, eines Tetraeders oder eines Stumpfes dieser Formen aufweisen, hat sich herausgestellt, dass ein Magnetfeldkonzentrationspunkt vorliegt, in dem sich die Magnetfeldkonzentrationslinien treffen. Es hat sich ferner herausgestellt, dass die Anordnung von diamagnetischem oder paramagnetischem Material in dem Magnetfeldkonzentrationspunkt eine Verstärkung des Magnetflusses hervorruft. Die Erfindung kann daher vorsehen, dass in den Magnetfeldkonzentrationspunkten der Hauptmagneteinrichtungen und/oder der Verbindungsmagneteinrichtungen diamagnetisches oder paramagnetisches Material angeordnet ist. Das diamagnetische oder paramagnetische Material kann beispielsweise als kleiner Körper in den Kern oder den Magneten eingebracht werden und beispielsweise die gleiche Form wie die Hauptmagneteinrichtungen bzw. der Kern der Hauptmagneteinrichtung aufweisen. Auch kann das diamagnetische Material beispielsweise eine Kugelform aufweisen.In particular, in the case of main magnetic devices and / or connecting magnet devices, which have the shape of a pyramid, a Russian pyramid, an oloid, a tetrahedron or a stump of these shapes, it has been found that there is a magnetic field concentration point in which the magnetic field concentration lines meet. It has also been found that the arrangement of diamagnetic or paramagnetic material in the magnetic field concentration point causes amplification of the magnetic flux. The invention can therefore provide that diamagnetic or paramagnetic material is arranged in the magnetic field concentration points of the main magnet devices and / or the connecting magnet devices. The diamagnetic or paramagnetic material may for example be introduced as a small body in the core or the magnet and, for example, have the same shape as the main magnetic means or the core of the main magnetic means. Also, the diamagnetic material may for example have a spherical shape.
Die Anordnung des diamagnetischen oder paramagnetischen Materials in dem Magnetfeldkonzentrationspunkt einer Hauptmagneteinrichtung hat auch unabhängige erfinderische Bedeutung, d. h. dass eine derartige Magneteinrichtung auch losgelöst von der Erfindung der elektrischen Maschine verwirklichbar ist. Es sind somit auch Magneteinrichtungen, beispielsweise Elektromagnete oder Elektropermanentmagnete, verwirklichbar, die die zuvor genannte Form der Hauptmagneteinrichtungen aufweisen, wobei in dem gebildeten Magnetfeldkonzentrationspunkt diamagnetisches oder paramagnetisches Material angeordnet ist. Derartige Magneteinrichtungen sind in einer Vielzahl von Anwendungen einsetzbar, beispielsweise als Haftmagnete, Hubmagnete, Magnete zur Separation o. ä..The arrangement of the diamagnetic or paramagnetic material in the magnetic field concentration point of a main magnetic device also has independent inventive significance, i. H. that such a magnetic device can also be realized detached from the invention of the electric machine. Magnetic devices, for example electromagnets or electro-permanent magnets, which have the abovementioned shape of the main magnetic devices, can therefore also be realized, wherein diamagnetic or paramagnetic material is arranged in the magnetic field concentration point formed. Such magnetic devices can be used in a variety of applications, for example as holding magnets, solenoids, magnets for separation o. Ä ..
Bei Magneteinrichtungen aus Permanentmagneten die die Form einer Pyramide, einer russischen Pyramide, eines Oloids, eines Tetraeders oder eines Stumpfes dieser Formen aufweisen, kann vorgesehen sein, dass in dem Magnetfeldkonzentrationspunkt ein Körper angeordnet ist, der aus einem Permanentmagneten bestehen, der eine höhere Güte (stärke Magnetisierung) als der den Körper umgebende Permanentmagnet aufweist. Auch hierdurch kann auf einfache Art und Weise eine Verstärkung des Magnetflusses der Magneteinrichtung erreicht werden.Magnetic devices made of permanent magnets in the form of a pyramid, a Russian pyramid, an oloid, a tetrahedron or a stump of these forms, it can be provided that in the magnetic field concentration point, a body is arranged, consisting of a permanent magnet, the higher quality ( strength magnetization) than the permanent magnet surrounding the body. This also makes it possible to easily increase the magnetic flux of the magnetic device.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann auch vorgesehen sein, dass der Läufer schwebend gelagert ist, d. h. dass der Läufer über das von dem Stator erzeugte Magnetfeld berührungslos gelagert ist. Dadurch werden Reibungsverluste aufgrund von Roll- oder Gleitlagern, die üblicherweise für die Lagerung eines Läufers eingesetzt werden, vermieden. Dabei kann eine elektrodynamische Lagerung verwendet werden, in der beispielsweise an dem Stator eine Anordnung von mehreren Hauptmagneteinrichtungen ausgebildet ist und die Hauptmagneteinrichtungen sich zu einer ersten, dem Läufer zugewandten Seite hin verjüngen. Die Hauptmagneteinrichtungen können hierbei die Hauptmagneteinrichtungen der elektrischen Maschine sein oder separate Hauptmagneteinrichtungen. Der Läufer kann zumindest einen Abschnitt aus einem elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Material, beispielsweise einem diamagnetischen oder paramagnetischen Material, aufweisen, der mit dem durch die Hauptmagneteinrichtungen gebildeten Magnetfeld zusammenwirkt. Das Magnetfeld induziert in den sich bewegenden Läufer Wirbelströme, wodurch Magnetkräfte zur Lagerung des Läufers erzeugt werden. Die Hauptmagneteinrichtungen bei einer derartigen Lagerung können insbesondere Permanentmagnete oder Elektropermanentmagnete, die vorzugsweise in der zuvor beschriebenen Weise als Halbach-Array angeordnet sind, sein. Eine derartige dynamische Lagerung kann eine rotatorische Lagerung oder eine Linearlagerung sein. Grundsätzlich kann die Anordnung auch umgekehrt sein, so dass der Stator zumindest einen Abschnitt aus einem elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Material, beispielsweise einem diamagnetischen oder paramagnetischen Material, aufweist und der Läufer die Hauptmagneteinrichtungen aufweist.In the case of the electric machine according to the invention, provision can also be made for the rotor to be suspended, ie for the rotor to be mounted without contact via the magnetic field generated by the stator. As a result, friction losses due to rolling or plain bearings, which are usually used for the storage of a rotor avoided. In this case, an electrodynamic bearing can be used in which, for example, an arrangement of a plurality of main magnetic devices is formed on the stator and the main magnetic devices taper towards a first side facing the rotor. The main magnetic devices may be the main magnetic devices of the electric machine or separate main magnetic devices. The rotor may comprise at least a portion of an electrically conductive, non-magnetic material, for example a diamagnetic or paramagnetic material, which cooperates with the magnetic field formed by the main magnetic means. The magnetic field induces eddy currents in the moving rotor causing magnetic forces to support the rotor. The main magnetic devices in such a storage, in particular permanent magnets or electro-permanent magnets, which are preferably arranged in the manner described above as Halbach array. Such a dynamic storage may be a rotary bearing or a linear bearing. In principle, the arrangement can also be reversed, so that the stator has at least one section of an electrically conductive, non-magnetic material, for example a diamagnetic or paramagnetic material, and the rotor has the main magnetic devices.
Die Verwendung der erfinderischen Anordnung der Hauptmagneteinrichtungen, insbesondere in der zuvor beschriebenen Weise in einer Anordnung als Halbach-Array mit Verbindungsmagneteinrichtungen, für elektrodynamische Lagerungen hat auch eigenständige erfinderische Bedeutung und ist somit auch unabhängig von der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine verwirklichbar.The use of the inventive arrangement of the main magnetic devices, in particular in the manner described above in an arrangement as a Halbach array with connecting magnet means for electrodynamic bearings also has independent inventive meaning and is therefore independent of the electrical machine according to the invention feasible.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist pyramidenstumpfförmige Hauptmagneteinrichtungen, die als Elektromagnete mit pyramidenförmigen Kernen ausgebildet sind. Die Verbindungsmagneteinrichtungen weisen die Form eines Abschnitts eines Oktaeders auf und sind ebenfalls als Elektromagnete ausgebildet. Sie weisen vorzugsweise einen oktaederförmigen Kern auf. Zwei benachbarte Hauptmagneteinrichtungen sind jeweils über zwei oder drei Verbindungsmagneteinrichtungen miteinander verbunden, so dass eine parallele Verbindung entsteht. Dabei sind vorzugsweise die Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils mit Ecken der Hauptmagneteinrichtungen, vorzugsweise jeweils über Verbindungselemente verbunden. Vorzugsweise verbinden hierbei die Verbindungselemente die Kerne der Hauptmagneteinrichtungen und Verbindungsmagneteinrichtungen.A preferred embodiment of the electric machine according to the invention comprises truncated pyramidal main magnetic devices, which are designed as electromagnets with pyramidal cores. The connection magnet devices have the shape of a portion of an octahedron and are also formed as electromagnets. They preferably have an octahedral core. Two adjacent main magnetic devices are connected to each other via two or three connecting magnet devices, so that a parallel connection is formed. In this case, the connecting magnet devices are preferably each connected to corners of the main magnet devices, preferably in each case via connecting elements. In this case, the connecting elements preferably connect the cores of the main magnet devices and connecting magnet devices.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine bietet den Vorteil, dass die Hauptmagneteinrichtungen und/oder die Verbindungsmagneteinrichtungen aufgrund ihrer speziellen Form im Vergleich zu herkömmlichen quaderförmigen Magneteinrichtungen ein wesentlich stärkeres Magnetfeld erzeugen können. Dies hat zur Folge, dass zur Erzeugung einer im Vergleich zum Stand der Technik gleichen Magnetstärke weniger Energie notwendig ist und/oder Elektromagneten mit einer geringeren Anzahl von Windungen verwendet werden können. Bei dem Einsatz von Permanentmagneten können im Vergleich zum Stand der Technik kleinere Permanentmagnete verwendet werden, so dass eine Gewichtsreduzierung erfolgen kann.The electrical machine according to the invention has the advantage that the main magnet devices and / or the connection magnet devices can generate a much stronger magnetic field due to their special shape in comparison to conventional cuboid magnet devices. As a result, less energy is needed to produce a magnetic strength equal to that of the prior art, and / or electromagnets having a smaller number of turns can be used. When using permanent magnets smaller permanent magnets can be used in comparison to the prior art, so that a weight reduction can take place.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the following figures. Show it:
In
Die elektrische Maschine weist einen Stator
Der Läufer
Der Stator
An dem Läufer
Die Hauptmagneteinrichtungen
Die Hauptmagneteinrichtungen
Es hat sich herausgestellt, dass durch die verjüngte Ausgestaltung der Hauptmagneteinrichtungen
In
Die Hauptmagneteinrichtungen
Die Hauptmagneteinrichtungen
Die Verbindungsmagneteinrichtungen
Die Verbindungselemente
Bei dem in
Die spezielle Form der Verbindungsmagneteinrichtung
Die Verbindungsmagneteinrichtungen
Grundsätzlich ist auch die Ausgestaltung der Hauptmagneteinrichtung
In
Das in
Die Verbindungsmagneteinrichtungen
Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Ausgestaltung der Hauptmagneteinrichtung
In
Die Kerne
Die Verbindungselemente
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Hauptmagneteinrichtung
In
Es hat sich herausgestellt, dass die Anordnung der Hauptmagneteinrichtungen
Die in den
In
Die in den
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2016/0164353 A1 [0007] US 2016/0164353 A1 [0007]
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