DE2842517A1

DE2842517A1 - Stator fuer eine dynamoelektrische gleichstrommaschine

Info

Publication number: DE2842517A1
Application number: DE19782842517
Authority: DE
Inventors: Matsuo Dipl Ing Mishima
Original assignee: Micro Technology Laboratory Co Ltd
Current assignee: Micro Technology Laboratory Co Ltd
Priority date: 1977-10-06
Filing date: 1978-09-29
Publication date: 1979-04-19
Also published as: US4243903A; DE7829171U1; JPS5454214A; JPS5827747B2

Description

Stator für eine dynamoelektrische Gleichstrommaschine Priorität: 6. Oktober 1977 Japan 120240/1977

Beschrieben wird ein permanentmagnetischer Stator für eine dynamoelektrische Gleichstrommaschine. Dieser Stator ist so ausgebildet, daß er einen extrem großen Luftspalt zwischen den Polstücken definiert, die Seite an Seite zu einem nichtmagnetischen oder im wesentlichen nichtmagnetischen, stabförmigen, als fester Körper ausgebildeten Rotor angeordnet sind. Zwei permanente Hauptmagneten mit rechtwinkligem Querschnitt sind einander gegenüber auf der Innenseite eines quadratförmigen StatorJochs angeordnet, um darin ein magnetisches Zweipol-Feld zu erzeugen. Die Polstücke sind plattenförmig und jeweils auf gegenüberliegenden Flächen der Hauptmagnete angeordnet, so daß ein Magnetfeld entlang der Mittellinie des zwischen den Polstücken definierten Raums parallel zu den magnetischen Leckfeldern auf beiden Seiten des extrem großen Luftspalts ist. Blockierende Magneten, die jeder ein Magnetfeld in der entgegengesetzten Richtung, jedoch mit gegenüber dem jeweiligen magnetischen Leckfeld gleicher Intensität erzeugen, sind auf der Innenseite des Jochs angeordnet, so daß sichergestellt ist, daß ein starkes Magnetfeld in dem extrem großen Luftspalt erzeugt wird.

Die Erfindung betrifft einen Stator für dynamoelektrische Gleichstrommaschinen, welcher aus permanenten Magneten zusammengesetzt ist, die um einen im wesentlichen nichtmagnetischen, stabförmigen, als fester Körper ausgebildeten Rotor oder einen nichtmagnetischen, stabförmigen, kernlosen, als fester Körper ausgebildeten Rotor, der eine dichtgepackte Wicklung besitzt, angeordnet sind, um ein starkes Magnetfeld in einem extrem großen Luftspalt, der zwischen den Permanentmagneten definiert ist, zu erzeugen.

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In verschiedenen bekannten dynamoelektrischen Gleichstrommaschinen wird ein magnetischer Kreis auf dem Weg (PoI-stück-Luftspalt-Läufer-Luftspalt-Polstück) dadurch erzeugt, daß für den Fluß ein schleifenformiger Weg mit sehr geringer Reluktanz (magnetischer Widerstand) gebildet wird. Der Läufer besitzt einen Kern mit Wicklungsschlitz oder einen glatten Kern, und im Fall eines Glockenläufermotors wird ein stationärer zentraler Flußrückkehrkern angeordnet.

Ein sehr schmaler Luftspalt, der zwischen einem derartigen Läuferkern oder einem Zentralkern definiert ist, wird gewöhnlich als ein "Arbeitsluftspalt" bezeichnet. Soweit es den Luftspalt in den dynamoelektrischen Gleichstrommaschinen betrifft, wird der oben genannte sehr schmale Luftspalt beim Stand der Technik verallgemeinert (allgemein benutzt). Bei einem stabförmigen, als fester Körper ausgebildeten Rotor, wie er früher vom gleichen Anmelder vorgeschlagen wurde, ist jedoch ein stabförmiger Magnetpulverkern an der Rotorachse befestigt, und ein dünner zylinderförmiger Isolator ist um den Magnetpulverkern herum angeordnet, und dann ist eine Rotorwicklung auf dem Außenumfang des Isolators in großer Menge angeordnet. Bei einem stabförmigen, als fester Körper ausgebildeten, kernlosen Rotor, der ebenfalls vom vorliegenden Anmelder vorgeschlagen wurde, ist ein hülsenförmiger Isolator rund um eine Rotorachse herum angeordnet, und ein großer Teil der Rotorwicklung liegt zwischen dem Isolator und dem Außenumfang des Rotors. Die beiden Rotoren sind stabförmige, als feste Körper ausgebildete Rotoren und besitzen die Vorteile einer großen Aufnahmefähigkeit für die Wicklung, einer exzellenten mechanischen Festigkeit, einer geringen Trägheit und einer geringen Induktanz. Aus diesem Grund zeigen diese Rotoren ein exzellentes Steuerverhalten, außerdem halten sie eine Rotation mit hoher Geschwindigkeit und eine impulsförmige Ausgangsspannung aus, und außerdem geben sie eine hohe Ausgangsleistung ab.

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Bei dem stabförmigen, als fester Körper ausgebildeten Rotor wird jedoch ein Magnetpulverkern, dessen Eisenverluste im wesentlichen vernachlässigbar sind, verwendet, und die äquivalente Permeabilität der Rotorwicklung insgesamt wird klein gehalten, so daß die mittlere Volumenumwandlungs-Permeabilität /U des Rotors in einigen Fällen auf einem so niedrigen Wert wie beispielsweise 2 gehalten werden kann. Da die Permeabilität des Läuferkerns oder des Zentralkerns bei bekannten Gleichstrommaschinen beispielsweise bei ungefähr 800 liegt, wie angenommen werden kann, kann die Permeabilität von ax =» 2 des stabförmigen, als fester Körper ausgebildeten Rotors im wesentlichen als der Raumpermeabilität gleich angesehen werden.

Da der stabförmige, kernlose, als fester Körper ausgebildete Rotor als ganzer nicht magnetisch ist, kann der Raum zwischen den Feldpolen, die dem nichtmagnetischen oder im wesentlichen nichtmagnetischen Rotor zugewandt sind, als ein extrem großer Luftspalt angesehen werden. Dementsprechend gleicht der Polstück-zum-Polstück-Magnetkreis um einen solchen, als fester Körper ausgebildeten Rotor einem offenen magnetischen Weg, welcher bei bekannten Gleichstrommaschinen ausgebildet würde, wenn der Läuferkern oder der Zentralkern entfernt würden. Bei einem solchen Polstück-zum-Polstück-Magnetkreis ist eine Multipolanordnung unmöglich. Der Grund dafür liegt darin, daß die Flußlinien an den Seiten benachbarter Polstücke entlang von Wegen, die kürzer sind als der Weg zwischen den Mittelpunkten der Polstücke, gebündelt werden, dies führt dazu, daß kein effektiver Fluß zum nichtmagnetischen oder im wesentlichen nichtmagnetischen, als fester Körper ausgebildeten Rotor geführt wird. Damit ist der magnetische Stator, der entsprechend einem solchen als fester Körper ausgebildeten Rotor, wie er oben beschrieben wurde, einen extrem großen Luftspalt besitzt, speziell auf Zweipolanordnungen begrenzt.

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Für die Erzeugung eines starken Hagnetfelds in dem extrem großen Luftspalt sind anisotrope Bariumferrit-, Strontiumferrit- oder ähnliche Permanentmagnete mit hoher Koerzitivkraft geeignet.

Im Falle der Ausbildung eines magnetischen Weges mit einem extrem großen Luftspalt durch Verwendung derartiger Permanentmagnete tritt bei einer Bauartbeschränkung des sogenannten "Bauart-Ausgang-Verhältnisses" ein starker Leckfluß auf, und zwar aufgrund des Verhältnisses zwischen der Luftspaltlänge und der Länge eines magnetischen Leck-Nebenschlusses des magnetischen Hauptwegs, damit wird es schwierig, den Feldfluß auf dem Magnetpol konvergieren zu lassen.

Nun wird eine derartige Doppelpolstruktur, wie sie beispielsweise in Fig.1 dargestellt ist, betrachtet, dabei bezeichnen 3 ein Feldjoch, 1 und 1' Hauptmagnete, 2 und Polstücke, und 4 bezeichnet einen stabförmigen, kernlosen, als fester Körper ausgebildeten Rotor. 0* soll nun den magnetischen Fluß über der gesamten Fläche eines jeden Magnetpols wiedergeben, dessen Fläche das Produkt der Breite Ip des Magnetpols, entsprechend der Breite des Rotors, und der Länge eines Magnetwegs senkrecht zur Papierebene ist. 0o soll den magnetischen Fluß zwischen den geneigten Teilen der Magnetpole wiedergeben. 0, soll den magnetischen Fluß zwischen den Endteilen der Hauptmagneten wiedergeben. 0^ soll den magnetischen Fluß zwischen der Seite eines jeden Magnetpolstücks und dem Joch wiedergeben. 0c soll den magnetischen Fluß zwischen der Seite eines jeden Hauptmagneten und dem Joch wiedergeben, und 0 soll den gesamten magnetischen Fluß eines jeden Hauptmagneten wiedergeben· Dann gilt:

⁰m " ⁰I ^{+ 2(0}2 ^{+ 0}3 ^{+ 0}4 ^{+ 0}5⁾

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Der Feldfluß 0* ist, wenn auch mit den magnetischen Eigenschaften der Hauptmagneten und der verwendeten Ausbildung des magnetischen Weges unterschiedlich, in dem Luftspalt Ig so klein, daß er beispielsweise 25% des Gesamtflusses 0_m ist. Mit anderen Worten, der magnetische Fluß wird nahezu als Leckfluß verbraucht, dies führt zu einem verminderten Wert des Effektivflusses und bringt viele Schwierigkeiten bei der Konstruktion eines jeweiligen magnetischen Arbeitswegs mit sich.

In dem US-Patent 3,334,254 ist eine Konstruktion zur Vermeidung des magnetischen Leckfelds zwischen den Polstücken beschrieben, dazu wird ein entgegengesetztes Magnetfeld verwendet. In dem US-Patent 3,906,268 wird eine Konstruktion beschrieben, die mehrere Hauptmagneten besitzt, die so angeordnet sind, daß sie auf vielen Seiten Kontakt mit den Polstücken haben.

Bei der Konstruktion gemäß dem US-Patent 3,334,254 ist eine Bauart mit einem rotierenden Multipol-Magnetfeld vorgesehen, diese Konstruktion hat den Nachteil, daß ein Magnetfeld eines zusätzlichen Magneten auf der Seite eines Hauptmagneten unter einem Winkel von nahezu 90° zur Richtung des Magnetfelds des Hauptmagneten erzeugt wird.

Bei der Konstruktion gemäß dem US-Patent 3,906,268 sind mehrere Hauptmagnete in wirkungsvollem Kontakt mit einem mehrsextigen Polstück. Diese Konstruktionen gehen beide von der Prämisse aus, daß ein magnetischer Kreis, der auf dem Weg fPolstück-Luftspalt-Läufer (Stator gemäß US-Patent 3,334,254)-Luftspalt-Polstück] gebildet wird, einen Weg für den magnetischen Fluß mit sehr geringer Reluktanz aufstellt. Wenn beide Patente für den oben genannten nichtmagnetischen oder im wesentlichen nichtmagnetischen, festen Rotor (im Falle des,US-Patents 3,334,254 ein im wesentlichen nichtmagnetischer Stator) verwendet werden, darauf ist diese Erfindung gerichtet, so wird der von einem der benachbarten Polstücke zum

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anderen Polstück ausgehende magnetische Fluß an einem Teil des letzteren entlang des Weges des kürzesten Abstands zwischen diesen Polstücken gebündelt,

und es steht nahezu kein effektiver Fluß für den Läufer (beim US-Patent 3,334-,254 für den Stator) zur Verfügung.

Fig. 2 ist ein Beispiel eines Stators der dynamoelektrischen Gleichstrommaschine, welche den stabförmigen, kernlosen, als fester Körper ausgebildeten Rotor besitzt, wie er früher vom gleichen Anmelder vorgeschlagen wurde. Die dargestellte Struktur besitzt das Merkmal, daß ein großer Teil des Leckflusses, der auf dem Weg eines magnetischen Feldes bei der Zweipol -Konstruktion, welche Permanentmagnete verwendet, die zwischen sich einen extrem großen Luftspalt definieren, dadurch blockiert wird, daß ein umgekehrtes Magnetfeld erzeugt wird, welches gleich groß wie das Leckfeld ist, und der Feldfluß wird auf den extrem breiten Luftspalt fokussiert, so daß ein stark vergrößertes Verhältnis des Effektivflusses erreicht wird.

In Fig. 2 sind Hauptmagnete 1 und 1·, welche Ferritoder entsprechende Permanentmagnete mit hoher Koerzitivkraft sind, auf der Innenseite eines Feldjochs 3 angeordnet. Polstücke 2 und 2' sind jeweils auf den Hauptmagneten 1 und 1¹ gegenüber einem stabförmigen, kernlosen, als fester .Körper ausgebildeten Rotor 4 angeordnet. In den Wegen des magnetischen Leckfelds zwischen den Hauptmagneten 1 und 1' sind jeweils blockierende Magnete 5 angeordnet. Auf einem geschlossenen Schleifenweg, der über den Hauptmagneten 1, den blockierenden Magneten 5» den Hauptmagneten 1' und das Joch 3 entlang der Linie T-U verläuft, soll der Fluß der Flußdichte Bg im Luftspalt in der durch den Pfeil angezeigten Richtung positiv sein, Im und Ic sollen die Längen der Hauptmagnete 1 und 1·

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bzw. des blockierenden Magneten 5 wiedergeben, und -Hm und Hj- sollen die magnetischen Felder an den Arbeitspunkten des Hauptmagneten bzw. des blockierenden Magneten wiedergeben, dabei sind diese Größen so ausgewählt, daß gilt

-2Hm · Im a Hc · Ic»

damit wird das magnetische Leckfeld zwischen den Magnetpolen durch ein umgekehrtes Magnetfeld blockiert, welches gleich stark wie das magnetische Leckfeld ist. Auch die magnetischen Leckfelder zwischen jedem Hauptmagneten und der Seite eines jeden Polstücks und zwischen dem Hauptmagneten und dem Joch und ein magnetisches Leckfeld zwischen jedem blockierenden Magneten 5 und dem Joch 3 werden in ähnlicher Weise durch blockierende Magneten 6 und 6¹ blockiert, wobei das oben genannte Verfahren bei den mit gebrochenen Linien dargestellten, geschlossenen Schleifen a-b-c und d-e-f-h angewandt wird. Bei einer solchen Anordnung kann das Verhältnis des Feldflusses 0 zum Gesamtfluß 0 des Hauptmagneten, d.h.

der effektive Fluß, bis auf 70% erhöht werden, und zwar unter der ungünstigen Bedingung des extrem großen Luftspalts.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen besonders wirkungsvollen und wirtschaftlichen Stator für dynamoelektrische Gleichstrommaschinen aufzuzeigen, dieser Stator soll außerdem gegenüber früher vorgeschlagenen Statorkonstruktionen vereinfacht sein, um die Herstellungskosten zu senken. Außerdem soll der Stator so ausgelegt sein, daß der Permanentmagnet in dem begrenzten Raum zur

Bildung eines Feldsystems wirkungsvoller benutzt wird, um ein maximales Magnetfeld zwischen den magnetischen Feldpolen zu erzeugen, die gegenüber einem als fester Körper ausgebildeten Rotor angeordnet sind. 35

Kurz gesagt ist diese Erfindung auf einen permanentmagnetischen Stator für dynamoelektrische

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Gleichstrommaschinen gerichtet, diese Maschinen sind so ausgebildet, daß ein extrem breiter Luftspalt zwischen den Polstücken definiert wird, die gegenüber einem nichtmagnetischen oder im wesentlichen nichtmagnetischen stabförmigen, als fester Körper ausgebildeten Rotor angeordnet sind. Zwei rechteckförmige permanente Hauptmagnete sind auf der Innenseite eines quadratförmigen Jochs einander gegenüber angeordnet und erzeugen ein magnetisches Zweipolfeld. Auf den einander gegenüberliegenden Hauptmagneten sind jeweils plattenförmige Polstücke angeordnet, so daß ein Magnetfeld entlang der Linie zwischen den Mittelpunkten der Polstücke und ein magnetisches Leckfeld auf beiden Seiten des extrem breiten Luftspalts parallel zueinander ausgerichtet sein können.

Ein blockierender Magnet, der ein entgegengesetztes magnetisches Feld erzeugt, welches gleich dem magnetischen Leckfeld ist, ist auf der Innenseite des Jochs auf jeder Seite des extrem breiten Luftspalts angeordnet, so daß sichergestellt ist, daß ein starkes magnetisches Feld in dem extrem großen Luftspalt erzeugt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein Beispiel eines magnetischen Vegs in einem Stator für eine bekannte dynamoelektrische Gleichstrommaschine,

Pig. 2 ein Beispiel eines Stators für eine bekannte dynamoelektrische Gleichstrommaschine, bei der

magnetische Leckflüsse blockiert werden, Fig. 3 ein Schnittbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 ein Schnittbild eines Viertelteils der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, und

Fig. 5 und 6 zeigen Querschnitte einer zweiten bzw. dritten Ausführungsform der Erfindung.

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Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer ersten Ausfühxungsform der Erfindung. Pur den Fall, daß beispielsweise ein

Bariumferrit-, ein Strontiumferrit- oder ein ähnlicher anisotroper Permanentmagnet als Feldmagnet verwendet wird, ist die Flußdichte Bd an dessen Arbeitspunkt niedrig. Deshalb muß, wenn eine hohe Flußdichte zwischen den magnetischen Feldpolen erforderlich ist, der Querschnittbereich der Permanentmagnete groß ausgewählt werden. Eine quadratförmige Feldform ist für eine effektive Benutzung des effektiven Querschnittbereichs des anisotropen Permanentmagneten geeignet. Die dargestellte Ausführungsform benutzt eine einfache Konstruktion eines

Zweipol-Feldsystems, welches vier anisotrope Permanentmagnete 7 t 7*» 8 und 8¹, deren Querschnitt rechtwinklig ist, und zwei plattenförmige Magnetpolstücke 9 und 9¹ besitzt, die auf der Innenseite eines Feldjochs 30 angeordnet sind, welches einen quadratischen Querschnitt hat. Das Feldjoch 30 ist in der Darstellung aus zwei Jochs mit U-förmigem Querschnitt so zusammengesetzt, daß eine einheitliche Struktur, die als Ganzes den quadratförmigen Querschnitt besitzt, gebildet wird, jedoch kann das Feldjoch 30 auch aus einem einzigen quadratförmigen Einzelstück bestehen. Auf der Innenseite des Feldjochs 30 sind zwei Hauptmagnete 7 und 7¹ angeordnet, dabei handelt es sich um Bariumferrit-, Strontiumferrit- oder ähnliche anisotrope Permanentmagnete mit hoher Koerzitivkraft. Die Polstüeke 9 und 9¹ bestehen aus reinem Eisen und sind jeweils in Aussparungen angeordnet, die in den gegenüberliegenden Flächenbereichen der Hauptmagnete 7 und 7¹ ausgebildet sind und in senkrechter Richtung zur Papierebene verlaufen.

Die Flußdichte Bd am Arbeitspunkt eines jeden Hauptmagneten 7 und 7' ist niedrig. Damit ist es in dem Fall, daß eine hohe Flußdichte zwischen den Polstücken 9 und 9¹ an einem Rotor 10 benötigt wird, notwendig, die Flächen der Polstüeke (I₂ " Ip= A) möglichst groß zu machen, wobei ljj die Länge jedes Polstücks senkrecht zur Papierebene darstellt. Sei die

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Fläche des Polstückteils, welches dem Rotor 10 zugewandt ist, durch I₇, · 1_D = Ap wiedergegeben und sei die Flußdichte in dem Raum Ig zwischen diesen Teilen der Polstücke 9 und 9¹ durch Bg wiedergegeben, so folgt Bd · A/Ap - Bg (1).

Wenn in Fig. 3 die zwei blockierenden Magnete 8 und 8' weggenommen werden, so werden starke Leckflüsse zwischen den Polstücken 9 und 9¹ und zwischen den Hauptmagneten 7 und 7* erzeugt, so daß es unmöglich wird, den magnetischen Fluß eines jeden Hauptmagneten in dem Raum zwischen den Teilen 1, der Polstücke 9 und 9', die dem Rotor 10 gegenüberliegen, zu bündeln. Um dies

bei der vorliegenden Erfindung zu vermeiden, sind zwischen den Nord- und Südpolen der Hauptmagnete 7 und 7¹ zwei blockierende Magnete 8 und 8' mit rechtwinkligem Querschnitt angeordnet, dabei handelt es sich um anisotrope Permanentmagnete, um das magnetische Leckfeld zwischen den Nord- und Südpolen der Hauptmagnete auszugleichen.

Wenn das Amperesche Kreisintegralgesetz, bei Einheiten im CGS-System, auf einen geschlossenen Schleifenweg angewandt wird, der durch das Joch 30, den Hauptmagneten 7» den blockierenden Magneten 8, den H^uptmagneten 7¹ und dann durch das Joch 30 entlang der Linie T-U in Fig. 3 verläuft, so ergibt sich ein quellenfreies Feld, so daß das krummlinige Integral über diesen geschlossenen schleifenförmigen Weg Null ist. Das krummlinige Integral (Wegintegral) dieses geschlossenen Weges ist Null. Das Wegintegral sei positiv in der Richtung, die durch den Pfeil im Raum Ig angezeigt ist. Die magnetischen Felder an den Arbeitspunkten des Hauptmagneten und des blockierenden Magneten werden durch Hm bzw. Hg wiedergegeben. Da die Permeabilitäten der Polstücke 9 und 9¹ und des Jochs 10 mit

7.
einen Wert von ungefähr 10^ ausgewählt werden können, so folgt, wenn dieses weggelassen wird:

909816/0717 '

H«ds » Z₁ Hg*dl - 2/ _lmHm.dl
8

Hg·Ig « 2IM-Im . (2)

Hg = 2Hm-lm/lg [Oe]

Damit können die magnetischen Leckfelder zwischen den magnetischen Feldpolen blockiert werden.

Wie oben beschrieben wurde, ist die Flußdichte am Arbeitspunkt des Hauptmagneten gering, so daß es notwendig ist, wenn eine hohe Flußdichte zwischen den gegenüber dem Rotor liegenden Magnetpolen vorgesehen ist, die Querschnittsflächen der Hauptmagnete 7 und 7' und der Polstücke 9 und 9¹ senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes möglichst groß zu machen. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, sind die Hauptmagnete 7 und 7¹ bei der Erfindung jeweils in dem Joch 30 über dessen gesamte Breite angeordnet, und die Polstücke 9 und 9' haben eine Breite, wie sie durch I₂ angezeigt ist. Nachfolgend werden das Blockieren der Leckflüsse zwischen den rechtseitigen und linksseitigen Endstücken der Polstücke 9 und 9¹ und dem Joch 30 in der x-x¹-Richtung und die Einflüsse beschrieben, die auf· die magnetischen Felder der Hauptmagnete 7 und 7¹ und der blockierenden Magnete 8 und 8' in der y-y¹-Richtung ausgeübt werden, wenn diese direkt auf der Innenseite des- Jochs 30 angeordnet werden.

Da ein magnetisches Feld H, welches von einem Permanentmagneten erzeugt wird, ein quellenfreies Feld mit einem Potential Vm ist, wird es als ein negativer Gradient der skalaren Größe des magnetischen Potentials Ym ausgedrückt.

H » -gradVm

Die allgemeine Gleichung, die das magnetische Potential wiedergibt, ist wie folgt:

Vm - - /^Hl-dl [Gilbert] (3)

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Dementsprechend zeigt das Potential Tm einen Wechsel im magnetischen PeId an.

Pig. 4- ist eine vergrößerte Darstellung des linksseitigen unteren Viertelteils der Konstruktion nach Pig. 3- In Pig. 4 haben die Teile, die Teilen in' Pig. 3 entsprechen, die gleichen Bezugs zeichen. Die Pfeile Bin und Bg bezeichnen die -Richtungen der Magnetfelder, die durch den Hauptmagneten 7' bzw. den blockierenden Magneten 8¹ erzeugt werden. Die dicken gebrochenen Linien bezeichnen Veränderungen in den magnetischen Potentialen Vm des Hauptmagneten 7¹ und des blockierenden Magneten 8¹, diese Veränderungen werden durch den magnetischen Einfluß des Jochs 30 bewirkt, welches sich parallel zu den Magnetfeldern der Magnete 7'und 8¹ erstreckt. Der anisotrope Ferritmagnet besitzt eine Permeabilität von ungefähr 1,1, diese Permeabilität ist im wesentlichen gleich der in dem Spalt, so daß unter dem magnetischen Einfluß des Jochs 30 das magnetische Potential Vm an der Verbindung zwischen dem Hauptmagneten 7' und dem blockierenden Magneten 8¹ hoch ist, wie durch die Linie n-k angezeigt, und graduell bei Annäherung an das Joch 30 abnimmt, wie durch die dicken gebrochenen Linien angezeigt ist. Jedoch ist der linksseitige Endteil des Polstücks 9¹ von den entsprechenden Bereichen des Hauptmagneten 7¹ und des blockierenden Magneten 8¹ umgeben, in denen das magnetische Potential Vm nicht vermindert ist, d.h. das oben genannte linksseitige Endteil wird auf dem magnetischen Potential wie die Grenzfläche zwischen den beiden Magneten 7¹ und 8¹ gehalten.

Damit kann ein Leckfluß von dem Polstück 9¹ zum Joch 30 in der x-x'-Kichtung blockiert werden. Wie aus der Veränderung des magnetischen Potentials Vm ersichtlich ist, ist außerdem die Verminder,-ag der magnetischen Kraft, welche durch die Anordnung des Hauptmagneten 7* und des blockierenden Magneten 8', diese Magneten sind direkt auf der Innenfläche des Jochs 30 angeordnet, bewirkt wird, nur auf kleine Bereiche begrenzt. Damit ist eine effektive

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Benutzung des Hauptmagneten in dem begrenzten Raum sichergestellt, d.h.. die effektive Querschnittsfläche des Hauptmagneten wird maximiert.

In Fig. 3 verlaufen die Magnetfelder der Hauptmagnete und 7¹ in der y-y¹-Richtung, und an der Grenzfläche zwischen den Hauptmagneten 7 und 7¹ und den Polstücken 9 und 9¹ sind die Vertikalkomponenten der magnetischen Induktion B stetig, so daß die magnetische Induktion senkrecht zur Verbindungsebene eines jeden Polstücks den gleichen Wert wie die magnetische Induktion Bd hat, wobei die Flußdichte am Arbeitspunkt eines jeden Hauptmagneten durch Bd wiedergegeben sei.

Da die magnetischen Leckfeider zwischen den Polstücken und 9' und den Hauptmagneten 7 und 7¹ durch zwei blockierende Magneten 8 und 8¹ blockiert werden, wie durch die Gleichung (2) ausgedrückt wird, wird die Flußdichte Bg auf der Breite 1, auf jedem Polstück gegenüber dem Rotor durch Bg = Bd»A/Ap wiedergegeben, wie durch die Gleichung (1) gezeigt ist, dabei ist A die Gesamtfläche der Polstücke, und die Fläche des Teilstücks mit der Breite 1,, welches zum Rotor gewandt ist, ist Ap. Damit dienen die Polstücke dazu, den Fluß der Flußdichte Bd auf dem Teil mit der Breite I^ zu bündeln. Wenn das magnetische Feld am Arbeitspunkt eines jeden Hauptmagneten 7 und 7' als Hm angenommen wird und wenn die magnetischen Widerstände des Jochs 30 und der Polstücke 9 und 9' vernachlässigt werden, ist das Magnetfeld Hg im Luftspalt auf dem geschlossenen Schleifenweg, der durch das Joch 30 und die Hauptmagneten 7 und 7' entlang der Linie y-y¹ auf dem Mittelpunkt des Rotors 10 verläuft, wie folgt gegeben:

/H-dl =« Z₁ Hg·dl - 2/^Hm-dl - 0 = HgIg - 2HmIm « 0

Hg - 2Hm·Im/lg (4)

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Wenn der oben genannte stabförmige, kernlose, als fester Körper ausgebildete Rotor benutzt wird, so ist Hg der Gleichung (4) gleich Bg der Gleichung (1). Wenn ein stabförmiger Rotor mit einer geringen Permeabilität von beispielsweise 2 verwendet wird, so werden aus der Beziehung zwischen den Gleichungen (4) und (1) die FeIdmagnete so gewählt, daß, falls die zwischen den magnetischen Feldpolen umgewandelte mittlere Permeabilität, die vom Rotor resultiert, der Einfachheit halber als Z angenommen wird, gilt Z'Hg =» Bg.

Die oben beschriebene Feldstruktur kann dadurch magnetisiert werden, daß eine magnetisierende Spule zwischen den Polstücken eingesetzt wird, nachdem das Feldsystem zusammengebaut wurde. Da jedoch Permanentmagnete mit hoher Koerzitivkraft benutzt werden, und da deren Querschnittsflächen im Verhältnis zur Querschnittsfläche des Jochs groß sind, wird jedoch ein starkes magnetisches. Feld zur Magnetisierung des Feldsystems benotigt. Deshalb ist es notwendig, nicht nur die Dicke des Jochs 30, sondern auch die Dicke der Polstücke 9 und 9¹ so stark zu vergrößern, daß sie durch das starke magnetische Feld, welches zur Magnetisierung benutzt'wird, nicht gesättigt werden. Die vergrößerten Dicken sind unnötig .im Fall des Feldsystems, bei dem Permanentmagnete benutzt werden, und bringen die Gefahr einer Abnahme der Stärke der Permanentmagnete mit sich, die in dem begrenzten Raum des Jochs benutzt werden, in welchem das Feldsystem ausgebildet ist. Bei dem obigen Magnetisierungsverfahren ist es unmöglich, den gesamten anisotropen Permanentmagneten in der gleichen Richtung zu magnetisieren.

Um dies zu vermeiden, werden die Hauptmagnete 7 und 7' und die blockierenden Magnete 8 und 8', die jeweils mit einem einfachen rechteckigen anisotropen Permanentmagneten aufgrund ihrer hohen Koerzitivkraft und geringen Selbstentmagnet is ierungswirkung gebildet werden, vor dem

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Zusammenbau jeweils insgesamt in der gleichen Richtung magnetisiert, und dann werden die Magnete mit dem Feldjoch zusammengesetzt, so daß das Peldsystem mit ideal magnetisieren Permanentmagneten erzeugt wird.

Wenn Bariumferrit-, Strontiumferrit- oder ähnliche anisotrope Permanentmagnete, die jeweils eine hohe Koerzitivkraft und eine geringe Flußdichte Bd an ihrem Arbeitspunkt besitzen, gemäß der Erfindung in dem begrenzten Raum des Feldsystems und dem großen Luftspalt zwischen den Feldpolstücken als ein äquivalenter Raum oder Luftspalt mit geringer Permeabilität verwendet werden, so werden starke magnetische Leckfelder zwischen den Hauptpolen und den Feldpolstücken und zwischen den Feldpolstücken und dem Joch blockiert. Gleichzeitig werden die Permanentmagnete höchst effektiv innerhalb des begrenzten Raums genutzt, und außerdem können die Herstellungskosten durch die Vereinfachung der Feldsystemkonstruktion einschließlich der Permanentmagnete vermindert werden.

Fig. 5 ist ein Beispiel einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Hier ist die Feldflußdichte Bg¹ höher als bei der ersten in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform. Die dargestellte Ausführungsform weicht von der Ausführungsform nach Fig. 3 in der Ausbildung der jeweiligen Magnetpolstücke 11 und 11' ab, die Breite I¹, jedes Feldpolstücks entspricht dem Rotor und der Luftspaltlänge l'g. Dies bedeutet, daß das Verhältnis A/Ag in Gleichung (1) groß ist, und daß die Luftspaltlänge l'g klein ist im Vergleich zum Fall nach Fig. 3. H'g entspricht Hg in Gleichung (4·) und ist größer als bei der ersten Ausführungsform, da das Verhältnis zwischen l'g und 21Ί vermindert ist. In Fig. 5 haben die dargestellten Polstücke gegenüber dem Rotor flache Flächen, jedoch können diese Flächen auch kurvenförmig sein, wenn ein Rotor mit einer vorbestimmten Permeabilität verwendet wird.

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Pig. 6 ist ein Beispiel einer dritten Ausführungsform der Erfindung, Teile, die Teilen in Pig. 3 bis 5 entsprechen, sind durch die gleichen Bezugszeichen und Bezugsziffern bezeichnet. Beispielsweise hat ein Permanentmagnet des Samarium-Systems eine hohe Koerzitivkraft und ein großes Energieprodukt, jedoch ist er teuer. Dementsprechend ist dieser Permanentmagnet sehr effektiv für die Ausbildung eines kleinen magnetischen Wegs, jedoch als Hauptmagnet zur Erzeugung eines starken Magnetfelds für einen derart großen Luftspalt, wie er oben beschrieben wurde, unwirtschaftlich.

In dieser Ausführungs ist der Weg der magnetischen Felds des extrem großen Luftspalts aus anisotropen Bariumferrit-, Strontiumferrit- oder ähnlichen Permanentmagneten zusammengesetzt, um einen großen Wert des unvermeidlich resultierenden Leckflusses zu blockieren und damit den Fluß zwischen den Magnetpolstücken 12 und 12', die gegenüber dem Rotor angeordnet sind, zu konzentrieren, wie im Fall der ersten Ausführungsform, und Permanentmagnete I5 und 13' des Samarium-Systems, die eine hohe Koerzitivkraft besitzen, sind jeweils auf den Polstücken und 12 und 12' angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung wird ein sehr starkes zusammengesetztes Magnetfeld in dem extrem großen Luftspalt erzeugt, und ein sehr wirtschaftlicher Weg des Magnetfelds wird erhalten.

In Fig. 6 mögen l"m, Is, l"g die Längen der Hauptmagnete 7 und 7¹» der Permanentmagnete 13 und I3¹ des Samariumsystems bzw. der Luftspaltlänge entlang der Mittellinie des Feldsystems wiedergeben. H"m, Hs und H"g mögen die magnetischen Felder an den Arbeitspunkten der Hauptmagnete 7 und 7¹ und der permanenten Samariummagnete 13 und I3¹ bzw. im Luftspalt wiedergeben. Wenn nun die magnetischen Widerstände der Polstücke 12 und 12' und des Jochs 30 vernachlässigt werden, und wenn die durch den

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Pfeil auf der Mittellinie im Luftspalt angezeigte Richtung als die positive Flußrichtung angenommen wird, so ist das Kreisintegral des geschlossenen Schleifenwegs (Joch 30- Hauptmagnet 7- Permanentmagnet 13 Luftspalt - Permanentmagnet 13' - Hauptmagnet 7' - Joch 30) entlang der Mittellinie des Feldsystems wie folgt:

^H-dl -Z₁,, H"g-dl - 2/_l8Hs-dl - 2/_lllmH^Mm»dl - 0

» H^Mg-l"g - 2Hs-Is - 2H"m-l"m - 0 H"g-l"g « 2(Hs-Is + H"m«lⁿm)
H^flg « 2(Hs-Is + H"m-l"m)/l"g (5)

Wie durch die obige Gleichung (5) dargestellt ist, wird das zusammengesetzte Magnetfeld, welches aus dem Magnetfeld des Hauptmagneten, welches bei Blockierung des Leckflusses erhalten wird, und dem Magnetfeld des permanenten Samariummagneten zusammengesetzt ist, am Luftspaltteil gebündelt, so daß ein starkes magnetisches Feld in dem extrem großen Luftspalt erzeugt wird. In diesem Fall ist das Verhältnis zwischen dem magnetischen Feld H"g im Luftspalt und der Querschnittsfläche A des Hauptmagneten ähnlich dem entsprechenden Verhältnis bei der ersten Ausführungsform, und im Fall des stabförmigen, kernlosen, als fester Körper ausgebildeten Rotors gilt H"g * B"g. Diese dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, daß der Unterschied zwischen B"g und der Flußdichte Bd am Arbeitspunkt des Hauptmagneten groß ist, und daß das Verhältnis A/Ag in Gleichung (1) ebenfalls groß ist. Wenn die Flußdichte Bd gleich der Flußdichte bei der ersten Ausführungsform gemacht wird, so ist die Querschnittsfläche des Hauptmagneten bei der dritten Ausführungsform größer als bei der ersten Ausführungsform, und damit ist die Feldsystemkonstruktion ebenfalls größer.Auch im Fall des stabförmigen Rotors mit niedriger Permeabilität, Z¹ soll dabei die vom Rotor resultierende mittlere umgewandelte Permeabilität zwischen den Feldpolstücken wiedergeben, gilt Z'»H"g « B^Mg,

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und aufgrund der Beziehung zwischen den Gleichungen (5) und (1) werden die Querschnittsfläche und die Konstruktion der Hauptmagnete wie im Fall der ersten Ausführungsform gewählt.

Wie vorangehend beschrieben wurde, werden bei einer dynamoelektrischen Gleichstrommaschine, welche eine geringe Trägheit aufweist, und einen stabförmigen Rotor geringer Permeabilität oder einen stabförmigen, kernlosen, als fester Körper ausgebildeten Rotor mit einer dichtgepackten Wicklung verwendet, wobei der Raum zwischen den Hauptmagneten als ein Raum mit gleichermaßen geringer Permeabilität oder Luftspalt angesehen wird, erfindungsgemäß blockierende Magnete zur Blockierung des Leckflusses zwischen den Hauptmagneten, zwischen den Polstücken bzw. zwischen den Polstücken und dem Feldjoch angeordnet. Bei einer solchen Anordnung kann ein starkes magnetisches Feld auf den Rotor ausgeübt werden, und damit kann eine sehr effektive dynamoelektrische Gleichstrommaschine realisiert werden. Da die Hauptmagnete im Querschnitt rechtwinklig sind, können sie leicht hergestellt werden, und da sie im Feldjoch, welches einen quadratförmigen Querschnitt besitzt, nahe beieinander gepackt angeordnet sind, wird der Raum im Joch mit hoher Effektivität ausgenutzt.

Diese Erfindung ist nicht auf die besonderen, vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, beschränkt, vielmehr können viele Modifikationen und Abänderungen vorgesehen werden. Beispielsweise müssen die Hauptmagnete oder die blockierenden Magnete nicht immer anisotrope Permanentmagnete sein, vielmehr können sie auch isotrop sein.

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Claims

REINLÄNDER & BERNHARDT 315/3 Orthstraße12 D-8000 München 60 MICRO TECHNOLOGY LABORATORY CO., LTD. No. 23-19» Denenchofu, 4-chome Ota-Ku, Tokyo, Japan Patentansprüche

1.J Stator für eine dynamoelektrische Gleichstrommaschine mit einem nichtmagnetischen oder im wesentlichen nichtmagnetischen stangenförmigen, als fester Körper ausgebildeten Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator besitzt

zwei gegenüberliegende Hauptmagneten, die in einem quadratförmigen Joch angeordnet sind, so daß sie ein Magnetfeld in einem extrem großen dazwischenliegenden Luftspalt erzeugen,

plattenförmige Polstücke, die jeweils auf den gegenüberliegenden Bereichen der Hauptpole angeordnet sind, so daß das in dem extrem großen Luftspalt erzeugte Magnetfeld parallel zu den magnetischen Leckfeldern auf beiden Seiten des extrem großen Luftspalts verläuft, und zwei einander gegenüberliegende blockierende Magnete, die in dem Joch vorgesehen sind und magnetische Felder erzeugen, deren Feldrichtung den magnetischen Leckfeldern entgegengesetzt und deren Feldstärke gleich groß wie die Feldstärke dieser magnetischen Leckfelder ist, um diese Leckfelder auszugleichen.

2. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke in ihrer Breite schmaler als die einander gegenüberliegenden Bereiche der Hauptmagnete, jedoch breiter als der Raum zwischen den einander gegenüberliegenden

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blockierenden Magnete sind, und daß diese Polstücke zwischen den Hauptmagneten und den blockierenden Magneten teilweise auf dem gleichen magnetischen Potential wie die Magnete gehalten werden.

3. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstückteile, die dem Rotor zugewandt sind, dicker als die zwischen den Hauptmagneten und den blockierenden Magneten gehaltenen Polstückteile sind. 10

4-, Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem dieser Polstücke auf einem zum Rotor zeigenden Teil ein Stück eines Permanentmagneten mit hoher Koerzitivkraft angeordnet ist.

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