DE19723302A1 - Permanentmagnetsystem mit Reluktanzunterstützung für Läufer von elektrischen Maschinen - Google Patents
Permanentmagnetsystem mit Reluktanzunterstützung für Läufer von elektrischen MaschinenInfo
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- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
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- H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
- H02K1/2706—Inner rotors
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- H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
- H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
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Description
Die Erfindung betrifft Läufer von elektrischen Maschinen mit einem Erregersystem aus
Permanentmagnete.
Nach dem Stand der Technik werden bei elektrischen Maschinen im mittleren und höheren
Leistungsbereich Dauermagnete durch Klebeverbindungen oder Klammern aus
antimagnetischem Material auf dem Umfang des Läufers befestigt. Bei kleineren Maschinen
z. B. Schrittmotoren ist eine Vielzahl von Lösungen bekannt, auf die hier aus
Übersichtsgründen nicht eingegangen werden kann.
Die Magnetisierungsachse der Magnete verläuft bei den Eingangs erwähnten Maschinen
parallel zum Radius des Läufers. Kennzeichnendes Merkmal ist dabei, daß nur die äußere also
eine Seite der Magnete über den Luftspalt zwischen Ständer wirksame Arbeit verrichtet.
Nachteil dieser Anordnung ist die Befestigungsart mit eingeschränkter Stabilität, die keine
extrem hohen Winkelgeschwindigkeiten erlaubt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetsystem für Läufer zur Verfügung zu
stellen,
- - das durch die Befestigungsart Zugbelastungen der Permanentmagnete ausschließt und damit sehr hohe Winkelgeschwindigkeiten zuläßt
- - das beide Polflächen der Magnete nutzt und damit auch die Verwendung von kostengünstigen Hartferriten für leistungsoptimierte Maschinen ermöglicht.
- - das die Energie der magnetischen Trägheit des Eisens (Reluktanz) nutzt.
Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß nach Anspruch 1 vorgesehen, den Eisenkern des
Läufer, massiv oder aus Blechen, so mit Nuten zu versehen, daß mit der verbleibenden
Eisenmasse Pole (2) gebildet werden, die sich in Richtung des äußeren Läuferumfangs
keilförmig verbreitern und durch Stege (5) mit dem inneren Rückführungsjoch (7) verbunden
sind.
In die Nute werden Dauermagnete eingeschoben, deren Pole auf die geraden Kanten der
Eisenpole wirken in der Art, daß immer eine Fläche von zwei Magnete mit gleicher Polarität
auf einem Eisenpol (2) wirken. Durch den Winkel der Polflächen zueinander richten sich die
Feldlinien zum Außenrand der Eisenpole aus.
Dieses Magnetsystem hat folgende Eigenschaften:
- 1. Magnetische Gegenfelder mit einem Entmagnetisierungspotential für die Dauermagnete werden durch die Eisen-Reluktanz abgeschwächt. Ist die Energiedichte der Gegenfelder, z. B. durch Kurzschluß oder Überlastung größer als die der Reluktanz und die der Felder aus den Dauermagneten erfolgt ein Polaritätswechsel im Eisen, deren Energie zu wesentlichen Teilen über den Steg -5- kurzgeschlossen wird. Letzteres setzt voraus, daß für den Eisenkern Bleche verwendet werden, um die bei dem Polaritätswechsel auftretende Wirbelströme zu reduzieren. Die Wirkung der Reluktanz folgt dem Verhältnis von Eisenlänge zu dem Produkt aus der Permeabilität und der Grundfläche. Da sowohl die Permeabilität als auch die geometrische Form der Eisenpole -2- beeinflußbare Faktoren sind, kann durch konstruktive Maßnahmen auch bei Magnete aus AlNiCo-Legierungen mit eine um den Faktor von ca. 4 geringere Koerzitivfeldstärke als Hartferrite ein sehr enger Luftspalt zwischen Läufer und Ständer realisiert werden.
Kleine Luftspalte verbessern den Wirkungsgrad bei Motoren und die Leistungsdichte bei
Generatoren.
- 2. Magnetfelder mit gleicher Polarität, die mit höherer Energiedichte als die der Dauermagnete über den Luftspalt auf die Eisenpole wirken, steigern die magnetische Flußdichte im Eisen mit dem Rückfluß über die Stege -5- entsprechend der angedeuteten Feldlinien -4-. Diese nutzbare Energie entspricht wieder der Reluktanz mit umgekehrten Vorzeichen und kann durch die Breite der Stege und Materialauswahl konstruktiv beeinflußt werden. Bei Generatoren stabilisiert dieser Effekt bei unterschiedlicher Amperebelastung die Spannung in einem von der Stegbreite -5- abhängigen Bereich. Gleiche Induktionsfrequenz vorausgesetzt. Bei Motoren erweitert dieser Effekt die maximale Drehmomentkurve.
Der erfindungsgemäße Läufertyp kann für alle Synchronmotoren und -generatoren genutzt
werden, bei denen schon nach dem Stand der Technik Erregerfelder durch Dauermagnete
vom Läufer her aufgebaut werden. Die Rotationsfestigkeit und die günstigen
Herstellungskosten des Läufers nach Anspruch 1 erschließt auch neue
Anwendungsbereiche z. B. für die Nutzung in Drehstromlichtmaschinen oder für hochtourige
Elektromotoren im zweistelligen kW-Leistungsbereich.
Als Energiedichte kann immer das 1,5fache gegenüber Systemen mit am Umfang
befestigte Magnete erreicht werden. Dieser Faktor wird wesentlich beeinflußt durch das
Verhältnis von Polteilung zum Durchmesser des Läufers. Daraus folgert, daß der größte
Faktor bei Einphasenmaschinen und Nutzung von Dauermagneten nach Fig. 2 erreicht
wird.
Mit dem Faktor von 1,5 und höher sind Energiedichten mit Hartferrite möglich, die der
Energiedichte bei am äußeren Umfang befestigten kunstoffgebundenen Seltenerden
magnete entsprechen.
Daraus, sowie aus der Rotationsfestigkeit und dem einfachen Herstellverfahren ergeben
sich die Vorteile des Magnetsystems nach Anspruch 1.
Wenn die Leistungsdichte der Maschinen eine höhere Priorität hat als die Materialkosten
der Magnetwerkstoffe, können selbstredend auch AlNiCo oder Seltenerdenmagnete
genutzt werden. Als Vorteil verbleibt die Rotationsfestigkeit und das einfache
Herstellverfahren.
Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung wiedergegeben sind; es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen achtpoligen Läufer einer Drehstromlichtmaschine als
Beispiel. Die Nutbreite und Länge ist ausgerichtet auf die erforderlichen Dimensionen für
Aufnahme von Hartferrite als Dauermagnete (1). Die Magnete in Form von Blöcken werden
voll magnetisiert in die Nute eingeschoben und durch Lack oder Klebe gegen axialen
Versatz gesichert.
Dabei muß sichergestellt sein, daß jeweils zwei Flächen mit gleicher Polarität auf einem
Eisenpol (2) wirken. Die magnetisch wirksame Eisenkörper mit den Polen (2) ist aus
Dynamoblechen zusammengefügt auf der Antriebswelle (3) aufgepreßt. Die als Beispiel
punktiert angedeuteten Feldlinien (4) zeigen den Verlauf in einem geringfügigen
Belastungszustand. (Ohne Feldverschiebungen). Der Boden der Nute ist kreisförmig
ausgebildet, um den Magnetflußweg von möglichen Streufeldern zu vergrößern.
Verluste durch Streufelder im Bereich des Steges (5) sind dabei wesentlich abhängig von
dem theoretischen Winkel (6) der aufeinander wirkenden Feldlinien und der Stegbreite (5).
Größere Polteilungen erfordern deshalb verjüngte Stege (5), was durch eine Verlängerung
der Nute und Magnete in radialer Richtung möglich ist. Letzteres reduziert jedoch den
Reluktanzeffekt und ist auch aus Stabilitätsgründen nicht beliebig erweiterbar. Ab einer
gewissen Grenze der Polteilung müssen Magnete verwendet werden, deren Feldlinien in
einem spitzeren Winkel als 90° aus der Polfläche austreten in Richtung des Läuferumfangs.
Fig. 2 eine Magnet aus anisotropem Werkstoff der aus zwei Einzelteilen (8) und (9)
zusammengesetzt ist, bei dem die wirksamen Feldlinien (10) und (11) in einem spitzeren
Winkel als 90° zu Oberfläche austreten. Die Einzelteile werden in dem gewünschten
Austrittswinkel zur Vorzugsrichtung schräg aus einem Rohling ausgeschnitten und in den
Vorzugsrichtungen (10) und (11) magnetisiert. Realisierbar ist dies mit allen anisotropen
Magnetwerkstoffen. (Hatferrit, AlNiCo und Seltenerden). Die direkte Magnetisierung eines
einzigen Blocks mit der angedeuteten Austriftsrichtung ist nicht möglich.
Claims (3)
1. Läufer für eine elektrische Maschine mit einem Erregersystem aus Permanentmagnete
dadurch gekennzeichnet, daß durch Nute Eisenpole (2) gebildet werden, die sich zum
äußeren Umfang des Läufers keilförmig erweitern und durch Stege (5) mit dem inneren
Rückführungsjoch verbunden sind, und das Dauermagnete (1) in die Nute eingeschoben
werden, die so magnetisiert sind oder werden, daß immer zwei Flächen mit gleicher
Polarität auf einen Eisenpol (2) wirken.
2. Läufer für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
anisotrope Dauermagnete verwendet werden, die aus zwei Einzelteilen (8) und (9) so
zusammengesetzt sind, daß die austretenden Feldlinien (10) und (11) an den Polflächen
spiegelbildlich in die gleiche Richtung weisen in einem Winkel, der ungleich 90° ist.
3. Dauermagnet nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelmagnete (8)
und (9) schräg zur Vorzugsrichtung in einem Winkel ungleich 90° aus einem Rohling
geschnitten werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1997123302 DE19723302A1 (de) | 1997-06-04 | 1997-06-04 | Permanentmagnetsystem mit Reluktanzunterstützung für Läufer von elektrischen Maschinen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1997123302 DE19723302A1 (de) | 1997-06-04 | 1997-06-04 | Permanentmagnetsystem mit Reluktanzunterstützung für Läufer von elektrischen Maschinen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19723302A1 true DE19723302A1 (de) | 1998-12-10 |
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ID=7831300
Family Applications (1)
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DE1997123302 Withdrawn DE19723302A1 (de) | 1997-06-04 | 1997-06-04 | Permanentmagnetsystem mit Reluktanzunterstützung für Läufer von elektrischen Maschinen |
Country Status (1)
Country | Link |
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