DE2657892A1

DE2657892A1 - Gleichstrom-dynamomaschine

Info

Publication number: DE2657892A1
Application number: DE19762657892
Authority: DE
Inventors: Matsuo Dipl Ing Mishima
Original assignee: Micro Technology Laboratory Co Ltd
Current assignee: Micro Technology Laboratory Co Ltd
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-12-21
Publication date: 1977-07-07
Also published as: US4376903A; DE2657892C2

Description

PATENTANWÄLTE

DR. CLAUS REINLÄNDER -ING. KLAUS BERNHARDT O - 8 MÖNCHEN 60 ötTHSTRASSEIJt

' 5

MICRO TECHNOLOGY LABORATORY CO., LTD.

No.23-19» Denenchofu 4-chome, Ota-ku, Tokyo, Japan

Gleichstrom-Dynamomaschine

Prioritäten: 23. Dezember 1975 Japan 153703/1975 29. Dezember 1975 Japan 159022/1975

Zusammenfassung

Eine Gleichstrom-Dynamomaschine enthält einen zylindrischen kernlosen Rotor, wobei ein isolierender Zylinder an einer Rotorwelle befestigt ist, eine Wicklung, die um den Außenumfang des isolierenden Zylinders angeordnet ist, wobei der Großteil des Rotors durch die Wicklung belegt ist, eine Einrichtung zum drehbaren Halten des Rotors und einen Stator mit Permanentmagneten, wobei Streuflüsse des Permanentmagnetenfeldes mittels eines entgegengesetzten magnetischen Feldes gesperrt werden und wobei ein großes magnetisches Feld an den nichtmagnetischen, zylindrischen, kernlosen Rotor entsprechend einem Spaltteil angelegt wird.

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Dynamomaschine, bei der starke, mit Permanentmagneten gebildete magnetische Feldpole außerhalb eines zylindrischen kernlosen Rotors angeordnet sind, dessen Großteil durch eine Wicklung belegt ist«

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Um die Ansprechempfindlichkeit einer Gleichstrom-Dynamomaschine zu erhöhen, sind Rotoren bekannt, wie beispielsweise ein glatter Rotor mit einer am Außenumfang eines glatten Kerns angebrachten Wicklung, ein Rotor mit gedruckter Schaltung und ohne Rotorkern oder ein topfförmiger Rotor mit einer topfförmigen Wicklung. Der glatte Rotor ist so aufgebaut, daß eine Wicklung am Außenumfang eines Kerns des glatten Rotors durch die Technik der gedruckten Schaltung gebildet ist oder eine gewickelte Wicklung mittels eines Klebstoffs befestigt ist. Dieser glatte Rotor hat den Nachteil, daß, wenn die Spaltmagnetflußdichte groß ist, die Eisenverluste des Rotorkerns groß sind und folglich der Wirkungsgrad niedrig ist. Zusätzlich besteht ein Problem bei der Herstellung des glatten Rotors darin, daß die Wicklung auf dem Kern des glatten Rotors als dünne Schicht' befestigt wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß, wenn die Wicklung durch eine gedruckte Schaltung gebildet ist, die Zahl der Windungen der Wicklung begrenzt ist. Darüber hinaus muß eine hohe Eingangsleistung zugeführt werden, um eine hohe Geschwindigkeitsansprechempfindlichkeit zu erhalten. Wenn die Wicklung dünn auf dem Kern des glatten Rotors aufgebracht ist, ist es trotz der hohen Eingangsleistung nicht leicht, den Rotorkern und die Wicklung so festzulegen, daß die feste Lage ausreichend aufrechterhalten wird.

Bei einem Rotor mit gedruckter Schaltung wird auf eine oder beide Seiten einer isolierenden Scheibe eine gedruckte Schaltung aufgebracht, um die Wicklung zu bilden. Dieser

Rotor hat den Nachteil, daß die Zahl der Windungen der Wicklung begrenzt ist, so daß der Wirkungsgrad der Rotationsfrequenz bei niedriger Geschwindigkeit gering ist. Während die axiale Abmessung verringert werden kann, erhöht sich des weiteren die radiale Abmessung, um ein gewünschtes Drehmoment zu erhalten.

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Der topfförmige Rotor hat zwei Typen. Bei dem einen ist die Wicklung extrem dünn in Topfform gebracht, während bei dem anderen die Wicklung relativ dick in Topfform gebracht ist. Bei dem ersteren Typ besteht eine Begrenzung in der

Zahl der Windungen, wodurch der Wirkungsgrad der Rotationsfrequenz bei niedriger Geschwindigkeit nicht erhöht werden kann. Die mechanische Festigkeit dieses Typs ist auch gering und folglich kann dieser Rotor nicht bei einer Gleichstrom-Dynamomaschine mit geringer Ausgangsleistung angewendet werden. Bei dem letzteren Typ kann andererseits zwar die Zahl der Windungen erhöht werden, um den Wirkungsgrad der Rotationsfrequenz bei niedriger Frequenz relativ hoch zu machen, jedoch muß in diesem Fall die Spaltlänge vergrößert werden, so daß die Spaltmagnetflußdichte nicht erhöht werden kann. Der topfförmige Rotor hat darüber hinaus darin einen Nachteil, daß die mechanische Festigkeit verringert ist, da er auf der Welle auskragend gehalten ist.

Es ist deshalb ein zylindrischer, kernloser Rotor entwickelt worden, welcher derart ausgebildet ist, daß eine Rotorwicklung auf einer Welle des Rotors über einem hülsenartigen Isolator angebracht ist. Bei diesem Rotor ist der größte Teil des Rauminhalts von einer Wicklung ausgefüllt, was zu einem großen Rauminhalt der Wicklung führt, wodurch die Vorteile einer sehr geringen Induktivität, mechanischer Festigkeit und niedriger Trägheit erhalten werden. Ein starkes magnetisches Feld kann auf diesen zylindrischen, kernlosen Rotor ausgeübt werden, wodurch ein hoher Wirkungsgrad, eine geringe mechanische elektrische Zeitkonstante, eine hohe Ansprechempfindlichkeit und stoßfester Eingang erhalten werden. Da dieser zylindrische, kernlose Rotor nicht magnetisch ist, kann aber der Spalt zwischen den magnetischen Feldpolen als äquivalenter Spalt betrachtet werden. Um ein starkes Feld auf den sehr langen Spalt einwirken zu lassen, sind Permanentmagnete mit hoher Koerzitivkraft aus anisotropem Strontiumferrit, Bariumferrit

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od.dgl. notwendig. Wenn solche Permanentmagnete zum Bilden eines magnetischen Weges mit einer großen Länge des Spalts verwendet werden, ergibt sich jedoch eine Einschränkung in der Form, sogenanntes Verhältnis des Formausgangs, und es ist schwierig, magnetische Flüsse in magnetischen Polen unter Berücksichtigung des Maßes zwischen der Länge des Spalts und der Länge eines magnetischen Streunebenflusses in einem magnetischen Hauptweg zusammenlaufen zu lassen. Dies bedeutet, daß der größte Teil der magnetischen Flüsse als magnetischer Streufluß verbraucht wird, während die wirksamen magnetischen Flüsse verringert werden, woraus sich verschiedene Schwierigkeiten bei dem Aufbau konkreter magnetischer Wege ergeben.

Andererseits ist ein Permanentmagnetmotor bekannt (Jp-OS 5O-957O5)i bei dem keine Maßnahme in Hinsicht auf die großen magnetischen Streuflüsse getroffen worden ist, die unvermeidlich in einem Magnetfeldweg mit einer großen Spaltlänge erzeugt wird. Auch wenn Permanentmagnete aus einer Seltenerdlegierung verwendet würden, kann deren magnetische Kennlinie nicht wirkungsvoll ausgenutzt werden. Des weiteren sind für Dynamomaschinen mit relativ hoher Ausgangsleistung Samarium-Kobalt-Magnete teuer und die Permanentmagnete können nicht wirksam ausgenützt werden. Unter Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte hat die bekannte Vorrichtung einen xvesentliehen Nachteil bei der praktischen industriellen Anwendung.

Es ist des weiteren ein Rotor bekannt (Jp-OS 50-125203), bei dem ein Rotorkern einer üblicherweise verwendeten Gleichstrom-Dynamomaschine nicht magnetisiert ist. Dabei handelt es sich um einen kernlosen Rotor, Jedoch ist der größte Teil des Rauminhalts des Rotors nicht von der Wicklung ausgefüllt. Der zylindrische, kernlose Rotor soll die Spaltlänge in Längsrichtung entsprechend dessen Außendurchmesser zu einem Raum zwischen magnetischen Feldpolen machen und folglich beeinflußt die geschichtete Anordnung der Wicklung in dem Rotor die Leistung.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gleichstrom-Dynamomaschine mit einem zylindrischen, kernlosen Rotor und insbesondere eine solche Gleichstrom-Dynamomaschine zu schaffen, die mit einem Stator versehen ist, der ein starkes magnetisches Feld auf den Rotor ausüben kann, obwohl der Rotor aus nichtmagnetischem Material zwischen den magnetischen Feldpolen der Permanentmagneten vorhanden ist.

Bei der Gleichstrom-Dynamomaschine nach der Erfindung soll auch die Wicklung für den zylindrischen, kernlosen Rotor in einfacher Weise hergestellt werden.

Die Gleichstrom-Dynamomaschine nach der Erfindung enthält einen zylindrischen, kernlosen Rotor und einen Stator, wobei der Rotor mehrere Kalteplatten mit Vorsprüngen enthält, die an seinen gegenüberliegenden Seiten gebildet und radial an einem isolierenden Zylinder befestigt sind, der an einer Drehwelle angebracht ist. Zwischen die Halteplatten sind Spulenabschnitte eingesetzt, wobei die Spule in zwei Teile geteilt und so gewickelt ist, daß sie die Rotorwicklung bildet. Die Enden der Spulen sind innerhalb der Vorsprünge der Halteplatten gehalten. Der Stator enthält Permanentmagnete, um ein Magnetfeld von Permanentmagneten, die gegenüberliegend außerhalb des zylindrischen, kernlosen Rotors über einen Spalt angeordnet sind,und magnetische Streuflüsse des magnetischen Feldes der Permanentmagneten mittels eines entgegengesetzten magnetischen Feldes auszugleichen und zu sperren.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in der sind

Fig. 1 eine Ansicht zum Erläutern des magnetischen Wegs in einer Gleichstrom-Dynamomaschine,

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der magnetischen Kennlinie eines Permanentmagneten,

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Fig. 3 eine Ansicht zum Erläutern eines Stators einer Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 4 eine graphische Darstellung zum Erläutern der magnetischen Kennlinie eines Permanentmagneten,

Fig. 5 eine Ansicht zum Erläutern eines Stators einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 ein Längsschnitt eines Rotor vor dem Anbringen der Wicklung bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine Vorderansicht des Rotors nach Fig. 6,

Fig. 8 eine Seitenansicht des in Fig. 6 gezeigten Rotors nach dem Aufbringen der Wicklung und

Fig. 9 und 10 Querschnitte zum Erläutern der Herstellung der Wicklung.

In Fig. 1 ist ein Joch 3 aus reinem Eisen od.dgl. gezeigt, das innen mit Hauptmagneten 1 und 1' aus Strontiumferrit, Bariumferrit od.dgl. versehen ist, wobei die Hauptmagnete Λ und 1¹ jeweils daran angebrachte Polschuhe 2 und 2' aus reinem Eisen od.dgl. aufweisen, die einander außerhalb eines zylindrischen, kernlosen Rotors 4, der schematisch in der Figur gezeigt ist, gegenüberstehen.

S1 ist die Polfläche, die das Produkt aus der Polbreite entsprechend dem Rotor 4 und der Tiefe des magnetischen Wegs senkrecht zur Zeichenebene ist. S2 ist die durchschnittliche Fläche längs der Linie TU an einem geneigten Abschnitt an der Seite des magnetischen Pols. S3 ist die Fläche längs der Linie QR am Ende des Hauptmagneten und Sm ist die Querschnittsfläche des Hauptmagneten.01 ist der magnetische Fluß in der Fläche S1, 02 ist der magnetische Fluß in der Fläche S2, 03 ist der magnetische Fluß in der Fläche S3, 0m ist der gesamte magnetische Fluß in der Querschnittsfläche Sm des Hauptmagneten, 04 und 0*4 sind die magnetischen Flüsse jeweils zwischen den Hauptmagneten 1 und 1' und dem Joch 3, und 0y ist der Streufluß längs der Fläche

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-5.

am Umfang der Hauptmagnete. Damit ist der totale magnetische Fluß gegeben durch

0m = (01 + 202 + 203) + 204 + 0y ■ (1).

Obwohl die Werte von der magnetischen Kennlinie, dem Abmessungsverhältnis und der Form des magnetischen Weges des Permanentmagneten abhängen, erreicht beispielsweise 204 + 0j 50% von 0m und 01 ist wertmäßig gleich (202 + 203),

was bedeutet, daß der wirksame magnetische Feldfluß 01 relativ klein, beispielsweise 25% des gesamten magnetischen Flusses 0m ist.

Im ist die Länge der Hauptmagneten 1 und 1', Ig ist die Länge eines Spalts, 01//U_QS=Hg ist das magnetische Feld des Spalts, wobei ai_q - 1 entsprechend dem CGS-System gilt, Bm = 0m/Sm ist die magnetische Flußdichte der Hauptmagneten 1 und 1' und Hm ist das magnetische Feld entsprechend Bm aus der magnetischen Kennlinie der Magnete, wobei die magnetischen Widerstände der Polschuhe 2 und 2¹ und des Jochs 3 vernachlässigt sind, und aus einer geschlossenen Kurve, welche die Hauptmagnete 1 und 1' und das Joch 3 längs der Mittellinie von 01 passiert. Das magnetische Feld Hg des Spalts wird dann ausgedrückt durch

H. dl = |_lg Hg dl - 2 J₁JSm dl

= Hg Ig - 2Hm Im = 0 Hg = 2Hm Im/lg (2).

Fig. 2 zeigt die magnetische Kennlinie der Hauptmagneten, wobei die Magnetflußdichte durch die Streuflüsse 02, 03 und 04 erhöht ist. Wie in der Gleichung (1) zeigt der Arbeitspunkt einen niedrigen Wert, nämlich -H1 = Hm, was von der Lage des maximalen Energieprodukts der Magnete abweicht.

Ein Abfall von Hm in der Gleichung (2) zusätzlich zu einem Abfall des effektiven magnetischen Flusses 0i/0m, der durch Streuflüsse verursacht wird, ergibt sehr nachteilige Verhältnisse für den magnetischen Weg des Permanentmagneten mit großer Spaltlänge.

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Um ein starkes magnetisches Feld, wie oben erwähnt, zu schaffen und Streuflüsse in dem Magnetfeldweg zu verhindern, die durch den Permanentmagneten mit großer Spaltlänge durch Ausnutzung oiner technischen Maßnahme bei den Abmessungen verursacht werden, ist es notwendig, die Länge der magnetischen Streuwege 12, 13 und 14 zu vergrößern, um den Einfluß wenigstens des Mehrfachen der Spaltlänge Ig, wie in Fig. 1 gezeigt ist, wesentlich zu verringern. Das Joch 3 wird deshalb in seiner Abmessung wesentlich vergrößert und der Zustand des Formausgangsverhältnisses, das bei der Anwendung der beschriebenen Art erforderlich ist, wird verschlechtert, womit die praktische Anwendbarkeit verringert wird.

Fig. 3 ist eine Ansicht zum Erläutern der ersten Ausführungsform nach der Erfindung, wobei die Teile, die den Teilen in Fig. 1 gemeinsam sind, mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

Gemäß der Erfindung wird ein umgekehrtes Feld zum Ausgleichen des Streufelds angelegt, um einen großen Teil der Streuflüsse, die in den magnetischen Wegen erzeugt werden, unter Verwendung eines Permanentmagneten mit großer Spaltlänge zu sperren, um dadurch die Feldflüsse in dem langen Spaltteil konvergieren zu lassen, wodurch das Maß der effektiven Magnetflüsse vergrößert wird und gleichzeitig die Form der magnetischen Wege auf das kleinstmögliche Maß reduziert wird.

Gemäß Fig. 3 ist ein Joch 3 aus reinem Eisen od.dgl. innen mit Hauptmagneten 8 und 8¹ versehen, die aus Permanentmagneten mit hoher Koerzitivkraft aus Strontiumferrit, Bariumferrit od.dgl. bestehen, wobei die Hauptmagnete 8 und 8' daran angebrachte Polschuhe 2 und 2¹ aus reinem Eisen od.dgl. in der Weise aufweisen, daß sie einander außerhalb eines zylindrischen, kernlosen Rotors 4- gegenüberstehen.

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Sperrmagnete 5 und 6, die aus anisotropen Permanentmagneten mit vorzugsweise derselben magnetischen Kennlinie wie die der Hauptmagnete bestehen, sind jeweils zwischen Polen der Hauptmagnete über Spalte 17 und 18 angeordnet. Des weiteren sind Sperrmagnete 7 und 7¹ über Spalte 19 und gegenüberliegend derart angeordnet, daß sie Teile der Seiten der Hauptmagnete und der Seiten der Sperrmagnete 5 und 6 belegen. Während diese Sperrmagnete 7 und 7' vorzugsweise dieselbe magnetische Kennlinie wie die der Sperrmagnete 5 und 6 aufweisen, können selbstverständlich auch andere anisotrope Permanentmagnete verwendet werden.

Fig. 4 zeigt die magnetische Kennlinie der Sperrmagnete 5 und 6. In der Demagnetisierungskurve der Fig. 4 ist der Arbeitspunkt (4·) der Sperrmagnete 5 und 6 in einem offenen magnetischen Weg angeordnet, obwohl sich der Arbeitspunkt mit dem Abmessungsverhältnis und der Form ändern kann. Durch Anordnen der Sperrmagnete 5 und 6 zwischen den Hauptmagneten 8 und 8' bewegt sich der Arbeitspunkt zu den Stellen (5) und (5¹) als Ergebnis einer Demagnetisierungskraft, die durch die Hauptmagnete 8 und 8' erzeugt wird.

Wenn in dem magnetischen Weg nach Fig. 1 der größere Teil der magnetischen Streuflüsse 02 und 03, die einen nichtmagnetischen Nebenfluß in dem Spalt S1 bilden, und des magnetischen Streuflusses 04 zwischen den Hauptmagneten und dem Joch gesperrt werden soll, nehmen die magnetischen Streuflüsse in den Hauptmagneten wesentlich ab und als Folge bewegt sich der Arbeitspunkt in der Demagnetisierungskurve der Hauptmagnete nach Fig. 2 von der Stelle (1) zur Stelle (3)· Deshalb nehmen die Sperrmagnete ein großes entgegengesetztes Feld auf und auf diese Weise bewegt sich der Arbeitspunkt gemäß Fig. 4 zur Stelle (5¹)·

Da der Arbeitspunkt sowohl der Hauptmagnete als auch der Sperrmagnete in einem Bereich angeordnet ist, der aufgrund von Temperaturänderungen nicht umgekehrt ist, ist die

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Querschnittsfläche Sm2 des Hauptmagneten in Fig. 3 kleiner als die Querschnittsfläche Sm im Falle der Fig. Λ und der Arbeitspunkt gemäß Fig. 2 wird auf die Stelle (2) eingestellt, während die magnetischen Streuflüsse gesperrt werden. Demgemäß nimmt das durch die Hauptmagnete erzeugte umgekehrte Feld ab und der Arbeitspunkt der Sperrmagnete wird auch auf die Stelle (5) in Fig. 4 eingestellt.

Wenn das Amperesche Kreisgesetz längs der durchschnittlichen Mittellinie TU an einem Teil mit geneigtem Pol in Fig. 3 angewendet wird, d.h. längs einer geschlossenen Kurve, die von dem Joch 3 über die Länge Im des Hauptmagneten, den Spalt 171 cLie Länge 15 des Sperrmagnets, den Spalt 17

und die Länge Im des Hauptmagneten reicht, ist kein Ver-

kettungsstrom in dem magnetischen Weg vorhanden und deshalb tritt keine Rotation des Vektors auf, d.h. es gilt rot H=O, und die Linienintegration der geschlossenen Kurve

ist Null. Es wird nun angenommen, daß die Richtung der Magnetflußdichte positiv ist, wobei Hm2 das magnetische Feld der Hauptmagnete und E7 das magnetische Feld des Spalts 17 sind. Da die Permeabilität der Polschuhe 2 und 2¹ und des Jochs 3 1CK übersteigt, ergibt sich folgende Vereinfachung:

j H-dl = T₁₅ H5 dl + 2 J₁₇ H7 dl - 2^_m Hm2 dl = 0 (3).

Wenn der erste und der dritte Ausdruck gleich sind und der zweite Ausdruck Null ist, wird H7 = 0. Somit gilt

H-dl = H5 15 - 2Hm2 Im = 0

H5 15 = 2Hm2 Im (4)

H5 = 2Hm2 lm/15 fo)

zw

Hm2 entspricht H2 in der oben erwähnten Demagnetisierungskurve in Fig. 2. Die Querschnittsfläche wird derart bestimmt, daß der Arbeitspunkt des Sperrmagneten 5 auf die Stelle (5) in der Demagnetisierungskurve in Fig. 4 eingestellt wird. Die Gleichheit in der Gleichung (4) wird durch die Länge 15 des Sperrmagneten eingestellt.

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Auen wenn eine geringe Unsymmetrie gemäß Gleichung (4-) aufgrund eines Unterschieds des Temperaturkoeffizienten zwischen dem Hauptmagnet und dem Sperrmagnet oder Ungleichheit im Material auftreten sollte, wird das durch die Unsymmetrie erzeugte magnetische Feld an den Spalt 217 angelegt, womit das umgekehrte Feld weniger beeinflußt wird.

Auch in bezug auf die Linie QR von dem Ende des Hauptmagneten zu dem Sperrmagneten 5, die geschlossene Kurve aus den punktierten Linien a, b und c von der Seite des Hauptmagneten 8 zu dem Sperrmagneten 7 und dem Joch 3 und die geschlossene Kurve aus den punktierten Linien d, e, f und h von der Seite der Sperrmagnete 6 zu dem Joch kann eine Berechnung gleichartig zu der obigen Berechnung ausgeführt werden, um die Konstanten der Länge 16 des Sperrmagneten 5 und des Sperrmagneten 7 festzulegen.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Maß zwischen dem Feldfluß 0g und dem Gesamtfluß 0m2 der Hauptmagnete, d.h. des effektiven magnetischen Flusses, 70% unter dem ungünstigen Zustand der großen Spaltlänge.

Fig. .5 ist eine Ansicht zum Erläutern der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei diejenigen Teile, die denen in Fig. 1 und 3 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

Diese Ausführungsform ergibt eine Anordnung, die gleichartig der Anordnung der ersten Ausführungsform ist, wobei magnetische Streuflüsse gesperrt werden, um die magnetischen Feldflüsse in einem großen Spaltteil konvergieren zu lassen. Zusätzlich dazu sieht die vorliegende Ausführungsform Permanentmagnete ^μβ einem Material der Samariumgruppe od.dgl. vor, deren Koerzitivkraft hoch ist, wobei die Magnete in den Feldpolteilen angeordnet sind. Dies ergibt ein starkes Magnetfeld in einem langen Spalt und einen magnetischen Weg, der im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit sehr zweckmäßig ist.

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Um die magnetischen Streuflüsse mittels des umgekehrten Felds zu sperren, um eine hohe magnetische Flußdichte in dem Spalt zu erhalten, können in dem Feld der Permanentmagnete mit großer Spaltlänge, wie vorstehend beschrieben, Permanentmagnete für das Feld und Permanentmagnete für das entgegengesetzte Feld nur Samariumkobaltmagnete aufweisen.

Gemäß Fig. 5 sind die Permanentmagnete 9 und 9¹ mit hoher Koerzitivkraft aus der Samariumgruppe jeweils an Polschuhen 2 und 2¹ angeordnet. Wenn Is die Länge des Permanentmagneten ist und Hs die Feldstärke an dessen Arbeitspunkt ist, dann sind die Bezugszeichen und die Materialien für die verschiedenen Teile denen gleich, die in Fig. 3 gezeigt sind, allerdings mit der Ausnahme, daß die Querschnittsflache der Hauptmagnete 1 und 1' von Sm2 in Fig. 3 verschieden, jedoch gleich wie Sm in Fig. 1 ist.

Da die Permanentmagnete aus der Samariumgruppe beispielsweise hohe Koerzitivkraft und Energie haben, sind diese für dünne magnetische Wege wirkungsvoll. Wenn diese Magnete als Hauptmagnete verwendet werden, um ein starkes Feld in dem langen Spalt zu erhalten, ist dies teuer und damit für industrielle Zwecke in wirtschaftlicher Hinsicht nachteilig.

Gemäß dieser Ausführungsform werden Permanentmagnete aus anisotropem Strontiumferrit, Bariumferrit od.dgl. als Hauptmagnete verwendet, um magnetische Flüsse durch den magnetischen Weg zu leiten, dessen Spaltlänge groß ist, und ein großer Betrag der magnetischen Streuflüsse, die unvermeidbar erzeugt werden, wird gesperrt, um die magnetischen Flüsse zwischen Feldpolen zusammenzufassen, wobei Permanentmagnete 9 und 9¹ mit hoher Koerzitivkraft, wie Permanentmagnete, die durch eine kleine Menge eines Materials aus der Samariumgruppe gebildet sind, an den Spitzen der Pole angebracht sind, wodurch in wirtschaftlicher Weise

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ein sehr starkes zusammengesetztes Feld erhalten wird, wie nachfolgend "beschrieben wird.

Gemäß Fig. 5 sind die Sperrmagnete 5» 6, 7 "und 7¹ in magnetischen Weg, wie in Fig. 1 gezeigt ist, derart angeordnet, daß der Arbeitspunkt der Hauptmagnete 1 und 1¹ eine Stelle (3) auf der Demagnetisierungskurve der Fig. 2 in einem Zustand mit gesperrten Streuflüssen einnehmen kann. Permanentmagnete mit hoher Koerzitivkraft aus einem Material der Samariumgruppe od.dgl., die an den Magnetpolschuhen angebracht sind, sind so angeordnet, daß die magnetische Flußdichte in dem Spalt und in den Hauptmagneten erhöht ist, wodurch der Arbeitspunkt auf die Stelle (2) eingestellt wird.

Die Kreisintegration einer geschlossenen Kurve, die sich von dem Joch 3 über eine Linie erstreckt, welche die Länge Im der Hauptmagnete 1 und 1' längs der Mittellinie des magnetischen Feldes, die Länge Is der Permanentmagnete 9 und 9¹ aus einem Material der Samariumgruppe, den Spalt Ig, die Länge Is der Permantentmagnete 9 und 9¹ mit hoher Koerzitivkraft aus einem Material der Samariumgruppe od.dgl.

und die Länge Im der Hauptmagnete 1 und 1¹ enthält, ist gegeben durch

Hg dl - 2^₁₈ Hs dl - 2 /_lm Hm3 dl

Ig - 2HsIs - 2Hm3 Im = 0 (5),

worin Hm3 = H2 das magnetische Feld am Arbeitspunkt der Hauptmagnete ist und Hg das magnetische Feld in dem Spalt ist, wobei der magnetische Widerstand der Polschuhe 2 und und des Jochs 3 vernachlässigt ist.

Hg Ig = 2(Hs Is + Hm Im)

Hg = 2(Hs Is + Hm Im) /Ig (6).

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•46.

Wie sich aus der Gleichung (6) ergibt, kann ein zusammengesetztes magnetisches Feld des Feldes der Hauptmagnete , das durch Sperren der Streuflüsse erhalten wird, und des Feldes der Permanentmagnete aus einem Material der Samariagruppe in dem Spaltteil konzentriert werden, wodurch ein starkes magnetisches Feld in dem Spalt großer Länge erzeugt wird. In diesem Fall erreicht das Verhältnis des Feldflusses 0g zum Fluß 0m3 der Hauptmagnete, d.h. der effektive Fluß, 84 %. Gemäß der Erfindung kann das starke magnetische Feld außerhalb des zylindrischen kernlosen Rotors angelegt werden, wobei dessen Maß des Wicklungsrauminhalts sehr groß ist und die Trägheit sehr klein ist, um einen Steuer-Gleichstrom-Motor mit hohem Wirkungsgrad und mit hoher Ansprechleistung zu erhalten.

Als nächstes wird ein zylindrischer, kernloser Rotor in einer Ausfuhrungsform der Erfindung beschrieben.

Fig. 6 ist ein Längsschnitt des Rotors, bevor die Wicklung darauf angebracht ist, und Fig. 7 ist eine Vorderansicht. Der Rotor enthält eine Drehwelle 11 aus magnetischem Material, wie rostfreiem Stahl, eine dünne, darauf angebrachte Isolierschicht 12, einen Isolierzylinder 13, der am Außenumfang der Isolierschicht befestigt ist, und Halteplatten die fest in mehrere axiale Aussparungen in dem Isolierzylinder 13 eingesetzt sind. Jede Halteplatte 14 ist mit Vorsprüngen 14a an ihren gegenüberliegenden Enden und einer Anzahl von Aussparungen 14b an ihrer Außenseite gebildet, wobei der in die Aussparung des Isolierzylinders 13 einzusetzende Basisteil 14c im wesentlichen dieselbe Länge wie die axiale Länge des IsolierZylinders 13 hat. Vorzugsweise bestehen die Halteplatten 14, die Isolierschicht 12 und der Isolierzylinder 13 aus hitzebeständigen Kunststoffen, beispielsweise Epoxydharz. Die Isolierschicht 12 und der Isolierzylinder 13 können auch aus einem Stück gebildet sein.

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Fig. 8 Ist eine Seitenansicht des zylindrischen, kernlosen Rotors mit der darauf aufgebrachten Wicklung, wobei 15 eine Wicklung, 16 einen Bindedraht und 17 mit punktierten Linien einen Kommutator bezeichnen. Bei dieser Wicklung enthält eine Spule nicht eine Wicklung, sondern zwei Wicklungen, um die Wicklung der gesamten Spule zu erhalten, ohne einen Zwischenraum über dem Isolierzylinder 13 mit geringem Durchmesser zu bilden. Der gewickelte Draht kann auch durch die Vorsprünge 14a der Halteplatte 14 gehalten werden, ohne eine Unordnung des Drahts herbeizuführen, weshalb die Wicklung auf einer automatischen Wickelmaschine hergestellt werden kann.

Nachdem die Wicklung I5 aufgebracht worden ist, wird vorzugsweise ein Bindedraht 16, beispielsweise aus einem Material der Nylongruppe od.dgl., längs der Aussparung 14b in der Halteplatte 14 aufgewickelt, um Aufweitungen der Wicklung mit einem Isoliermaterial, wie Epoxydharz, zu verringern, das für eine feste Anordnung und einen feuchtigkeitsdichten Abschluß der Wicklung.1-5 imprägniert wird. Nachdem die Wicklung 15 durch das Isoliermaterial, wie Epoxydharz, fixiert worden 1st, kann der Bindedraht 16 auch entfernt werden. Wenn der Bindedraht 16 belassen wird, kann er die Wicklung gegen Abspringen schützen, das von einer Zentrifugalkraft herrühren könnte.

Wie in Fig. 9 gezeigt ist, wird die Wicklung I5 zuerst mit einer Windungszahl der Hälfte der Spule gewickelt, woraufhin sie, wie in Flg. 10 gezeigt ist, mit der verbleibenden Windungszahl gewickelt wird. Wenn acht Halteplatten auf dem Isolierzylinder 13 in gleichem Abstand angeordnet sind, um acht Spulen zu bilden, wird ein erster Spulenteil aus Spulenabschnitten 51Aa, 51Ab, ..., 58Aa, 58Ab, die In zwei Spulen geteilt sind, gebildet. Das heißt, daß ein Spulenteil aus den Spulenabschnitten 51Aa und 51Ab gebildet wird und daß ein weiterer Spulenteil aus den Spulenabschnitten 52Aa und 52Ab gebildet wird. Auf diese Weise werden die

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Spulenteile aus den. Spulenabschnitten 58Aa und 58Ab aufeinanderfolgend gebildet.

Demgemäß hat jeder erste Spulenteil eine Zahl von Windungen

der Spule j geteilt durch zwei, so daß eine Wicklung auf einen Isolierzylinder 13 mit geringem Durchmesser ohnen einen freien Raum gebildet werden kann. Der Außenumfang, auf den der erste Spulenabschnitt gewickelt ist, hat eine zylindrische Form um die Welle 11.

In einem zweiten Spulenteil aus den Spulenabschnitten 51Bb, .. 58Ba,und 58Bb, wie in Fig. 10 gezeigt ist, ist der Durchmesser des Außenumfangs des vorstehend erwähnten ersten Spulenteils relativ groß, so daß der zweite Spulenteil leicht um dessen Außenumfang ohne einen freien Raum gewickelt werden kann. Die Spulenenden werden in den 'Vorsprüngen 14a an den gegenüberliegenden Enden der Halteplatte 14 gehalten. Auch wenn die Wicklung soweit

ausgeführt ist, daß deren Fläche im wesentlichen dieselbe Höhe wie die Außenfläche der Halteplatte 14 hat, wird deshalb keine Unordnung beim Wickeln verursacht.

Die Spulen können auf diese Weise ohne einen freien Raum um den Außenumfang des IsolierZylinders 13 gewickelt xverden, der eine aureichende Dicke hat, um der dielektrischen Beanspruchung in bezug auf die Drehwelle 11 zu widerstehen, wodurch ein zylindrischer, kernloser Rotor geschaffen wird, der fast dem Kern gleichartig ist, der durch die Wicklung gebildet ist. Da keine Unordnung beim Wickeln erzeugt wird, kann ein automatischen Wickeln angewendet werden, um die Wicklung 15 zu bilden.

Wie oben beschrieben wurde, wird bei dieser Ausführungsform kein Rotorkern verwendet, so daß nicht die Gefahr besteht, daß Eisenverluste erzeugt werden, und eine niedrige Trägheit erreicht wird. Zusätzlich besteht keine Begrenzung in der Zahl der Windungen der Wicklung des Rotors, wodurch der Wirkungsgrad der Rotationsfrequenz bei niedriger Geschwindigkeit erhöht wird. Des weiteren kann das Verhältnis der

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Wicklungsausnutzung zum Durchmesser des Rotors erhöht werden. Auch kann die Drehmomentkonstante des Rotors verbessert werden. Da der Rotor kernlos ist, kann des weiteren die Induktivität der Wicklung weitgehend verringert werden, wodurch eine Rotorwicklung mit niedriger Impedanz geschaffen wird, die für ein Ansprechen bei hoher Geschwindigkeit erforderlich ist, und die Kommutatoreigenschaft verbessert wird. Darüber hinaus werden die Spulenenden durch die Vorsprünge an den gegenüberliegenden Enden der Halteplatten festgelegt, so daß die Rotorwicklung leicht hergestellt werden kann. Die Spule ist in zwei Teile zum Wickeln aufgeteilt,so daß sie leicht auf einem Isolierzylinder mit geringem Durchmesser ohne einen freien Raum hergestellt werden kann. Dabei kann automatisch gewickelt werden.

Durch die Wirkung der Halteplatten mit den Vorsprüngen kann das Wicklungsmaß in geeigneter Weise ausgewählt werden, wodurch die Wicklung in einem Verfahren aufgebracht werden kann, das dem bekannten Schleifenwickeln ohne Unterteilen der Spule in zwei Abschnitte gleichartig ist.

Bei einer Gleichstrom-Dynamomaschine unter Verwendung eines kernlosen Rotors, dessen größter Teil des Rauminhalts von einer Wicklung ausgefüllt ist, wie vorstehend beschrieben wurde, ist anzunehmen, daß die magnetische Flußdichte des Spalts gering ist, da alle Räume zwischen den Polen als Spalt betrachtet werden können. Jedoch können die Querschnittsfläche und die Länge der Permanentmagnete mit hoher Koerzitivkraft und die Form der Polschuhe so ausgewählt werden, wie dies vorangehend beschrieben wurde, um eine ausreichend große magnetische Plußdichte des Spalts zu erhalten. Wenn folglich ein Gleichstrommotor dadurch gebildet wird, daß ein zylindrischer kernloser Rotor gemäß der Erfindung vorgesehen wird, ergibt sich ein Rotor mit großer Geschwindigkeitsansprechempfindlichkeit und mit hohem Wirkungsgrad. Wenn

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ein Gleichstromgenerator in gleichartiger Weise wie der voranstehende Gleichstrommotor aufgebaut wird, wird ein Generator mit guter Linearität der Kennlinie der Rotationsfrequenz und der erzeugten Spannung erhalten.

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Claims

Patentansprüche

Gleichstrom-Dynamomaschine mit einem zylindrischen, kern-

Rotor, wobei ein Isolierzylinder an einer Rotorwelle befestigt ist, eine Wicklung um den Außenumfang des Isolierzylinders angeordnet ist und der Großteil des Rauminhalts des Rotors von der Wicklung ausgefüllt ist,

und mit einem Stator zum drehbaren Halten des Rotors, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator ein magnetisches Feld von Permanentmagneten, die dem Rotor über einen Spalt gegenüberliegend angeordnet sind, und zweite Permanentmagnete zum Sperren von magnetischen Streuflüssen des magnetischen Felds der ersten Permanentmagnete mittels eines umgekehrten magnetischen Feldes aufweist.
2. Gleichstrom-Dynamomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Permanentmagnete die magnetischen Streuflüsse zu einem Joch sperren.
3· Gleichstrom-Dynamomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Permanentmagnete die magnetischen Streuflüsse in der Nähe des magnetischen Feldes der ersten Permanentmagnete sperren.
4·. Gleichstrom-Dynamomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Permanentmagnete eine höhere-Koerzitivkraft als das Feld der ersten Permanentmagnete haben und daß die zweiten Permanentmagnete direkt auf magnetischen Polen des Felds der ersten Permanentmagnete angeordnet sind. .
5· Gleichstrom-Dynamomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Permanentmagnete auf den magnetischen Polen des Felds der ersten Permanentmagnete über Polschuhe angeordnet sind.

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6. Gleichstrom-Dynamomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische, kernlose Hotor den Isolierzylinder, der an einer Drehwelle befestigt ist, mehrere Halteplatten, die Vorsprünge an ihren gegenüberliegenden Seiten aufweisen und radial an dem Isolierzylinder befestigt sind, und eine Wicklung enthält, wobei Spulenabschnitte zwischen die Halteplatten eingesetzt sind, die Spule durch Aufteilen in zwei Abschnitte gewickelt ist und die Enden der Spule zwischen den Vorsprüngen gehalten sind.

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