DE3217956C2 - Elektromotorische Antriebseinrichtung - Google Patents

Abstract

Elektromotorische Antriebseinrichtung mit stationärem Statorteil und drehbar in diesem zentral gelagerten Rotorteil, wobei jede polbildende Einheit des Stators paarweise zusammengesetzt ist aus einem Permanentmagneten gegebener Polarisierung und einem mit diesem derart in Wirkverbindung stehenden Elektromagneten, daß letzterer je nach seiner zeitabhängigen Anschaltung an eine elektrische Versorgungsquelle den vom Permanentmagneten ausgehenden Magnetfluß unterstützt, anderenfalls übernimmt und daß zur Polbildung des Rotors dieser weitere Permanentmagneten aufweist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromotorische Antriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei einer bekannten elektromotorischen Antriebseinrichtung dieser Art (AT-PS 2 19 701) sind zu Statorpole bildenden Permanentmagneten Elektromagnete parallel angeordnet, so daß sich ein magnetischer Nebenschluß ergibt, durch den es möglich ist, den erzeugten Magnetfluß längs einer vorgegebenen Magnetisierungskurve auf einen gewünschten Wert zu verschieben und so die Induktion zu variieren.

Der eigentliche Antrieb bei diesem bekannten Elektromotor erfolgt durch Stromzuführung über die Bürstenträger zum Anker, der aus flachen Wicklungen mit lamellenförmigen Leitern gebildet eine flache scheibenförmige Form aufweist und zu den Statomolen in axialer Schichtung angeordnet ist. Die zu den die Statorpole bildenden Permanentmagneten prallelen Elektromagnet sind ein ergänzendes Steuermittel für Drehzahl oder Drehmoment bei diesem Elektromotor, wobei der hierdurch erzeugte Nebenschluß beispielsweise subtraktiv auf den Nutzfluß des Induktors wirken kann. Es ist ferner bekannt (DE-OS 28 04 166), bei einer als Antriebsmotor oder Generator verwendbaren elektrischen Maschine zur Realisierung von mindestens zwei

ίο unterschiedlichen Drehmoment-Drehzahlkurven zwei jeweils getrennt wirkende, räumlich parallele Statorsysteme anzuordnen, wobei ein jeweiliger Statorpol gebildet ist von einem in ihm eingebetteten Permanentmagneten mit diesen umschließenden elektrischen Wick-Iungen, die von den Polrändern gehalten sind. Hierdurch ist es möglich, den von den Statorpolen ausgehenden magnetischen Nutzfluß entsprechend zu reduzieren oder auch umzuleiten. Hierdurch kann man eine Drehmoment-Drehzahlkurve entweder mit hohem Drehmoment und niedriger Drehzahl oder mit niedrigem Drehmoment und hoher Drehzahl vorgeben.

Allgemein ist es bekannt (DE-GM 19 94 015 bzw. DE-GM 76 40 710), bei Elektromotoren permanentmagnetische Erregerpole im Rotorkreis anzuordnen; dies ist jedoch lediglich die Umkehrung solcher Elektromotoren, bei denen die Scatorpole von Permanentmagneten gebildet sind oder solche enthalten, wobei dann der Antriebsstrom dem Rotor über Bürsten zugeführt werden muß. Eine solche übliche Umkehrung bedeutet Iediglich, daß bei der Ausbildung der Rotorerregerpole in Form von Permanentmagneten auf Bürsten verzichtet werden kann.

Schließlich ist es bei einer Permanentmagnete aus der Gruppe der Seltenen Erden verwendenden elektrischen Maschine bekannt (DE-OS 28 !3 70!), einen wicklungsfreien Rotor vorzusehen, der mit Statorpolen üblicher Art zusammenarbeitet und auch jeweils abwechselnd aus Eisenpolen und Permanentmagactpolen gebildet sein kann, so daß sich Einsparungen im Bereich der Permanentmagnete erzielen lassen. Diese bekannte elektrische Antriebsmaschine arbeitet mit einer sogenannten Folgepolanordnung, wie sie auch bei Multipol-Induktionsmotoren verwendet wird und die es ermöglicht, solche Motoren entweder mit halber Geschwindigkeit zu betreiben, oder eine gewünschte Feldkontrolle auszuüben.

Der Erfindung lieg?, die Aufgabe zugrunde, eine elektromotorische Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich bei der Verwendung von unmittelbar synchron zur Drehbewegung des Roiors gesteuerten Permanentmagneten ein Elektromotor mit besonders gutem Wirkungsgrad und nur geringer, erforderlicher elektrischer Eingangsleistung ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen elektromotorischen Antriebseinrichtung ergibt sich der Vorteil, daß größere Teilbewegungen des Rotors, bezogen auf beispielsweise eine vollstädige Umdrehung innerhalb des Stators, durchgeführt werden können ausschließlich unter der Einwirkung von magnetischen Kraftlinien, die von Permanentmagneten erzeug! werden, so daß während dieser Zeiten die Zuführung elektrischer Energie völlig unterbleibt.

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Dabei ist die Antriebseinrichtung in der Lage, auch bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment zu entwickeln, was sie als Langsamläufer mit hoher Ausgangsleistung dazu befähigt, bei einer Vielzahl von servounterstützten Arbeits- und Verstellbewegungen eingesetzt zu werden.

Schließlich ist von Vorteil, daß durch die auf die Rolorposiiion bezogene Stromzuführung zu den den Permanentmagneten wirkungsmäßig zugeordneten Elektromagneten die Taktung des Speisestroms zu einer vergleichsweise geringen Stromentnahme im zeitlichen Durchschnitt führt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Antriebseinrichtung als Elektromotor möglich. Besonders vorteilhaft ist der einfache Aufbau, wobei jeweils eine polbildende Einheit aus der paarweisen Zusammensetzung jeweils eines Permanentmagneten mit einem Elektromagneten besteht Umgekehrt kann dann der Rotor in seiner Polbildung so aufgeteilt sein, daß .-:af einen von einem Permanentmagneten gebildeten Pol jeweils ein mit einem Polschuh vesehenes freies Eisenstück folgt, welches im Verlaufe der Drehbewegung aufgrund der Zuführung elektrischer Energie zunehmend der magnetischen Anziehungskraft des betreffenden Statorpols unterworfen wird, wenn es sich diesem annähert. Durch die Zuführung der elektrischen Energie zu den Elektromagneten der polbildenden Einheiten und durch die zeitlich geordnete Aufschaltung des Stroms werden die von den paarweise zusammengesetzten Polen ausgehenden magnetischen Kraftlinien zeitgerecht auf die Drehbewegung des Rotors synchronisiert, so daß eine durchgehende Drehbewegung bei Abgabe besonders großer Drehmomente erzielt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 a und 1 b anhand einer schematisierten Darstellung die Parallelschaltung eines Permanentmagneten mit einem Elektromagneten zur Verdeutlichung der bei vorliegender Erfindung eingesetzten Wirkungsweise eines solchen paarigen Pols und

F i g. 2a und 2b jeweils in einer Querschnitt- und einer Längsschnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich entsprechend der Darstellung der F i g. 1 durch die paarige, nach außen als Einheit wirkende Anordnung je eines Permanentmagneten mit einem Elektromagneten eine Äußerung nach außen bezüglich des Magnetflusses ergibt, die so beschaffen ist, daß entweder keine magnetischen Feldlinien in nennenswerter Weise aus dieser Einheit austreten oder die Einheit insgesamt als starker Magnet wirkt.

Die Darstellung der F i g. 1 a zeigt einen mit 1 bezeichneten Permanentmagneten mit der in der Zeichnung ebenfalls angegebenen Nordpol- und Südpolorientierung sowie mit einem unter Lager oder Trägerteil 2, welches einen eventuellen Magnetfluß ohne nennenswerten Widerstand aufnimmt. In praktisch unmittelbar angrenzender Nähe zu dem Permanentmagneten 1 ibt ein Elektromagnet 3 angeordnet, der über eine nur teilweise angedeutete Wicklung 3;j und einen Eisenkern 4 vcrfügl, der auch aus geschichteten Dynamoblechen bestehen kann. Beide Magnete, nämlich den Permanentmagneten 1 und den Elektromagneten 3 überdeckend ist ein oberes Joch 5 vorgesehen. Luftspalte sind in dieser Einheit im wesentlichen nicht vorhanden und man erkennt, daß bei fehlender Durchflutung des Elektromagneten 3, also bei abgeschaltetem Strom in den Wick lungen, der vom Permanentmagneten 1 ausgehende Magnetfluß entsprechend dem dünn gezeichneten, idealisiert dargestellten Magnetflußverlauf 6 sich über das obere Joch 5, den inneren Eisenkern 4 und das untere Joch oder Trägerteil 2 in der Weise schließt, daß nach außen praktisch Feldlinien in nennenswerter Weise nicht zutage treten.

Neben dieser ersten Einheit mit einer Polarisierung Südpol oben und Nordpol unten in der Zeichenebene ist noch eine zweite Einheit aus Permanentmagnet und Elektromagnet mit umgekehrter Orientierung der Pole dargestellt Die Fig. Ib zeigt die beiden Einheiten jeweils aus Permanentmagnet upH. Elektromagnet in Draufsicht

Wird nun an die Spulenwicklung 3a ein Gleichstrom mit einer solchen Richtung angelegt daß sich aus Eisenkern 4 mit stromdurchflossener Spulenwicklu;:g 3a ein Elektromagnet mit der gleichen Polorientierung wie der benachbarte Permanentmagnet 1 ausbildet dann ergeben sich nunmehr zwei parallel liegende Magnete, deren Polorientierung in beiden Fällen gleichgerichtet ist, so daß sich bei beiden Magneten in der Zeichenebene oder der Südpol und in der Zeichenebene unten der Nordpol befindet. Nach außen äußert sich diese parallel liegende und insofern auch parallel wirksame Einheit aus Permanentmagnet und Elektromagnet als ein einheitlicher Magnet mit Südpol oben und Nordpol unten, der eine starke, nach außen in den freien Raum tretende magnetische Flußorientierung aufweist und daher eine magnetische Anziehungskraft entwickeln kann.

Die Ausnutzung dieses Grundprinzips zur Schaffung eines Elektromotors, der hauptsächlich auf der geschickt verteilten Anordnung von Permanentmagneten, ••oilweise als Einheit mit parallel geschalteten Elektromagneten besteht, ist in Fig.2a in Verbindung mit F i g. 2b dargestellt.

Die dortige elektromotorische Antriebseinrichtung umfaßt einen Stator 7 mit unterem Befestigungsteil 8 und mit bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier gleichmäßig über den Umfang verteilten Statorpolen 9a, 96,9c und 9d

Es versteht sich und es wird in diesem Zusammenhang ausdrücklich darauf hingewiesen, daß der im folgenden geschilderte spezielle Aufbau mit einer vorgegebenen Anzahl von polbildenden Statoreinheiten und entsprechend der Anzahl von polbildenden Rotoreinheiten nur ein Ausführungsbeispiel darstellt und nicht als Einschränkung zu verstehen ist; es kann im Grunde eine beliebige Anzahl von polbildendsn Statoreinheiten mit einer entsprechenden Ausbildung des Rotors vorgsehen werden; ferner wird darauf hingewiesen, daß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Längsachse eine Schichtung von drei jeweils einander zugeordneten und miteinander in Wirkverbindung tretenden Systemen aus Statoreinheiten und Polverteilung des Rotors entsprechend der Darstellung der F i g. 2b angeordnet ist; es versteht sich, daß auch hier beliebige Abweichungen nach Art, Aufbau und Anzahl der Axialschichtungen innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens liegen.

Bei dem in F i g. 2a dargestellten Ausführungsbeispiel werden die vier Statorpole 9a bis 9dgetragen von einer

ringförmigen Umhüllung oder Ummantelung II, die auch die eigentlichen Lager für den Rotorteil bilden kann, was nicht gesondert dargestellt ist. Die Lagerung des Rotors innerhalb eines Stators bei einer Elektromaschine ist in einer für sich gesehen bekannten Art und Weise durchzuführen und insoweit auch nicht Gegenstad vorliegender Erfindung.

Der Rotor ist insgesamt mit 12 bezeichnet: er umfaßt, strahlenförmig von einem mittleren, eisenkernartigen Längsträger 13 ausgehend, der auf der Welle 14 sitzt, eine vorgegebene Anzahl von permanentmagnetischen Rotorpolen 15a, 156,15c, 15c/erster Art, wobei Orientierung und Richtung der Permanentmagnete an dem sich drehenden Rotorteil in ihrer gegenseitigen strukturellen Positionierung unveränderbar sind. So sind bei dem in F i g. 2a dargestellten Ausführungsbeispiel die Permanentmagnete, die die Rotorpole erster Art bilden und jeweils über einen mit dem zugewandten Polschuh 10 der Statorpole in Wirkverbindung tretenden Polschuh 16 verfügen, so am zentralen Achsträger 13 angeordnet, daß die Nordpole nach außen und die Südpole nach innen weisen, wie in der Zeichnung auch angedeutet.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung vorliegender Erfindung befinden sich dann zwischen den Rotorpolen 15a, 15/j, 15c, 15c/erster Art am Rotor noch symmetrisch zu diesen im Winkel vesetzt Rotorpole 17a, 176,17cund 17c/zweiter Art, die hier allerdings lediglich aus magnetisierbarem Eisen bestehen mit jeweils einem Polschuh in der üblichen Form, so daß durchgehend konstante Luftspalte zu den Polschuhen der Statorpole hergestellt werden können.

Jeder der Statorpole 9a bis 9c/ besteht aus dem Grundaufbau entsprechend Fig. la, wobei die Wirkungsweise des in der F i g. 2a und 2b gezeigten ersten Ausführungsbeispiels eines Elektromotors dann wie folgt ist:

Bei Annäherung jeweils eines der Rotorpole 15a bis 15c/erster Art an die zugeordneten Statorpole 9a bis 9c/ sind die Elektromagnete 18 jedes aus diesem Elektromagnet 18 und einem benachbarten Permanentmagneten 19 bestehenden Pols nicht erregt, so daß diese Einheit ohne nennenswerte Magnetflußlinien nach außen etwa wie ein Eisenstück wirkt und insoweit auch keine polbildenden Eigenschaften aufweist: mit anderen Worten, der von den Statorpolen 9a bis 9</ gegebenenfalls gebildete Nordpol ist bei abgeschaltetem Elektromagnet 18 nicht wirksam und daher ist die entsprechende Bezeichnung am Statorpol auch eingeklammert. Es erfolgt dann eine unter der Anziehungswirkung des jeweiligen Rotormagnetcn bewirkte Annäherung der Polschuhe der Rotorpole erster Art an die Polschuhe der Statoreinheiten, bis sich schließlich in etwa die in der Darstellung der F i g. 2 gezeigten Position des Rotors ergibt In diesem Moment, also etwa nach einem halben Durchgang, wird den Stromspulen der Elektromagnete 18 Strom zugeführt — die Steuerung dieses Stroms kann durch entsprechende Kollektorbereiche vom Rotor in bekannter Weise selbst vorgenommen werden. Die Statorpole bilden dann schlagartig im oberen Teil einen magnetischen Nordpol aus, was dazu führt, daß M) die entsprechenden Nordpol-Rotorpole abgestoßen werden, was insgesamt zu einer Fortsetzung der Drehbewegung führt. Gleichzeitig werden durch diese Nordpol-Felder — die Polverteilung kann selbstverständlich auch umgekehrt verlaufen mit entsprechend umgekehrter Polbildung der Rotorstruktur — die Eisenpole des Rotors angezogen, was ergänzend Drehmoment bei der fortgesetzten Drehung des Rotors liefert. Sobald die reinen Rotor-Eisenpole, also die Pole 17,/ bis 17c/zweiter Art voll in den Polbereich der Statorpolc gelangt sind, wird nach halbem Durchgang die Spannung der Elektromagnete 18 wieder in den Statoreinheiten abgeschaltet und der jeweilige Eisenpol des Rotors kann die Statorpole praktisch problemlos und ohne nennenswerte Rückhaltekräfte verlassen, da bis auf einen geringen restlichen Magnetismus in beiden sich gegenüberstehenden Polen kein Magnetismus mehr vorhanden ist.

Die sich aus dem Schwungverlauf ergebende fortlaufende Drehung bringt dann wieder den nächsten definierten Rotorpol, nämlich Nordpol mit seiner Anziehungskraft in den Statorpolbereich bei jeder der vier Einheiten und die Drehbewegung setzt sich zyklisch entsprechend den bisherigen Erläuterungen fort. Ein aufgebautes Modell eines solchen Elektromotors entwickelte erhebliche, zur Arbeitsleistung verfügbare Drehmomente bei insgesamt ruhiger Drehbewegung in einem mittleren Drehzahlbereich.

Mit Vorteil können weitere, in ähnlicher Weise wie die soeben erläuterte erste Axialschichtung 20 ausgebildete Axialschichtungen 21,22 vorgesehen und so angeordnet sein, wie in Fig. 2b gezeigt; d. h. die nächstfolgende Axialschichtung 21 trägt die umgekehrte Polverteilung, während die dritte Axialschichtung dann mit der ersten Axialschirhtung 20, auf die anhand der Durstellung der F i g. 2a nach Aufbau und Wirkungsweise weiter vorn soeben im einzelnen eingegangen worden ist, wieder identisch ist. Alle Schichtungen arbeiten auf eine Welle.

Es ist ferner auch möglich, die Axialschichiungcn sowohl axial, wie in Fig. 2b gezeigt, im Abstand zueinande, aber auch in Drehrichtung winkelmäßig in gleichmäßigen Abständen anzuordnen, so daß eventuelle Toipunktbildungen besser überwunden werden können und der Selbstanlauf der Maschine gewährleistet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektromtorische Antriebseinrichtung mit einem Stator und drehbar in diesem zentral gelagerten Rotor, wobei die Statorpole paarweise zusammengesetzt sind und aus einem Permanentmagneten gegebener Polarisierung und einem durch ein oberes und unteres Joch mit diesem in Wirkverbindung stehenden, den vom Permanentmagneten ausgehenden Magnetfluß verändernden Elektromagneten, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) Rotorpole (15a, 156,15c, \5d)erster Art, diese bestehend aus nach Lage und Richtung unveränderbaren Permanentmagneten, sowie Rotorpole (17a, 176, 17c, Md) zweiter Art in Form von Eisenpolen jeweils akernierend umfaßt und daß den Elektromagneten (18) der Statorpole (9a, 96. 9c, 9d) die den Antrieb bewirkende Versorgungsspannung lediglich während derjenigen Roiorteildrehbewegung zugeführt ist, während welcher ein jeweiliger Rotorpol erster Art unter Abstoßungswirkung sich vom entsprechenden Statorpol wegbewegt und der jeweils nachfolgende Rotorpol zweiter Art in den Bereich dieses Statorpols hineingezogen wird.

2. Elektromotorische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) so viele von Permanentmagneten gebildete Rotorpole aufweist, wie Statorpole vorhanden sind, wobei die gk'.ehnamigen Perrmanentmagnetpole von Stator und Rotor aufeinander zu gerichtet sind und an ihren zugewandten Endbereichen jeweils Polschuhe (10,16) aufweisen.

3. Elektromotorische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole und die Rotorpole in axialer Schichtung aufeinanderfolgend zur Bildung einer Gesamtmaschine angeordnet sind, gegebenenfalls mit zueinander im Winke! gleichmäßig versetzten Zuordnungen von Rotor- und Statorpolen.

4. Elektromotorische Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitlich gesteuerten Zuführung des Erregerstroms zu den Spulenwicklungen der Elektromagnete (18) Unterbrecherschalter vorgesehen sind, die mit der Drehbewegung der Rotorwelle (14) synchronisiert sind.