DE3427677C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der JP-OS 77 359/1980 ist eine elektrische Maschine bekannt, bei welcher zum Zwecke der Miniaturisierung im Läufer vier bogenförmige Permanentmagnete so angeordnet sind, daß sie sich spiralartig vom Bereich der Rotations­ achse ausgehend nach außen mit geringfügiger radialer Überlappung erstrecken, damit eine möglichst große Quer­ schnittsfläche des Läufers von den Magneten abgedeckt wird.

Aus der DE-PS 27 38 175 ist eine gattungsgemäße elektri­ sche Maschine bekannt, deren Läuferkern koaxial im Innen­ raum des Ankerkerns angeordnet und mit einer Welle fest verbunden ist. Im Ankerkern bzw. Ständer sind vier bo­ genförmig ausgebildete Permanentmagneten angeordnet, die zusammen mit Zwischenstücken aus unmagnetischem Material einen geschlossenen Kreis bilden und sich durchgehend über nahezu die gesamte axiale Länge der Maschine erstrecken. Die bogenförmigen Permanentmagnete begrenzen unmittelbar den Ständerinnenraum zur Aufnahme des Läufers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der angegebenen Gattung zu schaffen, deren Per­ manentmagnete relativ große Polflächen bei ungestörten Magnetflußfeldern haben und die bei einfacher Herstellung zur Miniaturisierung geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei es im Hinblick auf den Anspruch 6 bereits aus der US-PS 41 44 469 bereits bekannt ist, bo­ genförmige Permanentmagnete diametral gegenüberliegend im Ankerkern anzuordnen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsge­ mäßen Maschine anhand der Zeichnung ausführlich beschrie­ ben:

Fig. 1 eine elektrische Maschine mit Permanent­ magneten im Axialschnitt mit einem in der Linie I-I′ in Fig. 2 geschnittenen Läufer;

Fig. 2 einen Querschnitt des Läufers nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Vorderansicht einer Stirnplatte des Läufers nach Fig. 1; und

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der elek­ trischen Maschine im Querschnitt.

In den Fig. 1 bis 3 ist ein Vierpol-Synchronmotor mit Per­ manentmagnetfeld dargestellt, der nachstehend erläutert wird.

Ein Ständer 2 ist in einem zylindrischen Gehäuse 1 fest­ gelegt und weist eine kreisrunde Ausnehmung 5 auf, in der ein Läufer 3 unter Ausbildung eines Spalts 4 aufgenommen ist. Der Ständer 2 besitzt eine Vielzahl von zur Ausneh­ mung hin offenen Schlitzen, in deren Ständerwicklung 6 zur Ausbildung ein umlaufendes Vierpolfeld angeordnet ist.

Der Läufer 3 umfaßt eine Welle 7, einen Polkern 8, Perma­ nentmagnete 9 a bis 9 d von gleicher Anzahl wie die Pole, eine Doppelkäfigwicklung 10 und Stirnplatten 11.

Die Welle 7 ist in Lagern 13 a, 13 b in Deckeln 12 a, 12 b ge­ lagert, die an den Enden des Gehäuses 1 festgelegt sind. Die Welle 7 kann entweder aus einem Magnetwerkstoff oder aus einem nichtmagnetischen Werkstoff bestehen. Der Pol­ kern 8 besteht aus einem Paket von gestanzten Eisenblechen 15, die kreisrunden Umfang 16 und eine mittige Bohrung 17 zum Einpassen der Welle 7 aufweisen. In den Eisenblechen 15 sind bogenförmige Öffnungen 18 a, 18 c mit einem kleine­ ren Innenradius D ₁ und mit einem größeren Innenradius D ₂ ausgebildet, in die die Permanentmagnete 9 a bis 9 d einge­ paßt sind.

Die Innenradien D ₁, D ₂ sind so gewählt, daß ihre Kreis­ bogenmitte mit der Rotationsachse 14 des Läufers zusammen­ fällt (was das Abschrägen des Polkerns vereinfacht). Die bogenförmigen Öffnungen 18 a, 18 c und 18 b, 18 d sind symme­ trisch um die Rotationsachse 14 angeordnet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Aufbau ferner der­ art, daß die Endabschnitte der Öffnungen 18 a, 18 c mit kleinem Radius D ₁ und der Öffnungen 18 b, 18 d mit großem Radius D ₂ sich mit Abstand gegenseitig überlappen (bei Be­ trachtung in der Rotationsachse 14), so daß die Summe der von diesen Kreisbögen eingeschlossenen Winkel geometrisch größer als 360° ist.

Das Eisenblech 15 weist ferner gestanzte Ausschnitte 20 a bis 20 d an den Enden der Öffnungen 18 a bis 18 d auf, die sich bis nahe an den Scheibenrand 16 erstrecken und zwi­ schen den kleineren Öffnungen 18 a und den größeren Öffnun­ gen 18 b, 18 d durch schmale Verbindungsbrücken 19 unterbro­ chen sind, die Zonen 21 a bis 21 d erhöhter Reluktanz bil­ den, wodurch der magnetische Streufluß der Permanentmagne­ te 9 a bis 9 d im Ankerkern 2 minimiert wird.

Die Ausschnitte 20 a bis 20 d weisen gegenüberliegende schwalbenschwanzförmige Zonen 22 a, 22 b auf, die mit dem Gießwerkstoff der Doppelkäfigwicklung 10 einschließlich der Ausschnitte 20 a bis 20 d ausgegossen sind und die Funktion von Riegeln haben. Die Verbindungsbrücken 19 sind so schmal, daß bei geringem Magnetfluß eine magnetische Sättigung erreicht werden kann. Die Doppelkäfigwicklung 10 wird durch die Schlitze 23 am Außenrand 16 des Eisenblechs 15 gegossen.

Außerhalb der Verbindungsbrücken 19 weisen die Ausschnitte 20 a bis 20 d Zonen 24 erhöhter Reluktanz auf. Ausgestanzte Löcher 26 dienen der Anpassung der Reluktanz der Magnetpo­ le 25 a, 25 c außerhalb der größeren Öffnungen 18 b, 18 d an die Reluktanz der Magnetpole 25 b, 25 d außerhalb der klei­ neren Öffnungen 18 a, 18 c.

Nach Fig. 1 und 3 hat die Stirnplatte 11 den gleichen Außendurchmesser wie die Eisenbleche 15 und weist eine Mittelbohrung 17′ zur Aufnahme der Welle 7 und Schlitze 23′, 24′ auf, die mit dem Werkstoff der Doppelkäfigwick­ lung 10 ausgegossen sind. Ein Teil der Schlitze 24′ hat gegenüberliegende schwalbenschwanzförmige Zonen 22 a′, 22 b′. Die Verstärkungsplatte 11 besteht aus nichtmagneti­ schem Werkstoff. Stanzlöcher 26′ sind an den Stellen ent­ sprechend den Löchern 26 vorgesehen.

Die Verstärkungsplatten 11 sind an beiden Enden und zwi­ schen den Eisenblechen 15 vorgesehen und die Löcher 23 und 23′, 24 und 24′ sind in Axialrichtung fluchtend oder leicht abgeschrägt in Axialrichtung angeordnet. Die Eisen­ bleche 15 zwischen den Verstärkungsplatten 11 sind so ge­ schichtet, daß die kleineren und die größeren Öffnungen 18 a, 18 c bzw. 18 b, 18 d jeweils miteinander fluchten, wodurch Kammern 27 a bis 27 d für die Permanentmagnete 9 a bis 9 d gebildet werden. Die Permanentmagnete 9 a, 9 c bzw. 9 b, 9 d mit kleinem Radius und größerem Radius werden in die Kammern 27 a, 27 c bzw. 27 b, 27 d eingepaßt. Die Perma­ nentmagnete 9 a bis 9 d sind diametral gegenüberliegend an­ geordnet, wobei sich die Enden benachbarter Permanent­ magnete in Umfangsrichtung überlappen und radial beabstan­ det sind. Die Permanentmagnete 9 a bis 9 d sind so magneti­ siert, daß die Polarität des Außenrands der größeren Per­ manentmagnete S und diejenige des Außenrands der kleineren Permanentmagnete N ist.

Aluminium oder eine Aluminiumlegierung wird in die Schlitze 23 a, 24 a gegossen, die durch Verbinden der schlitzbildenden Löcher 23, 23′ und 24, 24′ gebildet sind, wodurch die Doppelkäfigwicklung 10 entsteht. Mit 10 a, 10 b sind Abschlußringe der Doppelkäfigwicklung bezeichnet.

Aluminium oder eine Aluminiumlegierung wird ferner in die Ausschnitte 20 a bis 20 d und ihre schwalbenschwanzförmigen Zonen 22 a, 22 b, 22 a′, 22 b′ sowie auch in die Räume zwi­ schen den Kammern 27 a bis 27 d und den Permanentmagneten 9 a bis 9 d gegossen. Die Stanzlöcher 26, 26′ werden nicht ver­ gossen und dienen als Belüftungslöcher.

Wenn bei dem oben erläuterten Aufbau die Ankerwicklung 6 erregt wird, beginnt der Läufer 3 zuerst als Induktor ent­ sprechend der Doppelkäfigwicklung 10 zu arbeiten, bis die Synchrondrehzahl annähernd erreicht ist.

Im anschließenden Synchronlauf wirkt die Doppelkäfigwick­ lung 10 als Dämpfungswicklung.

Gemäß Fig. 4 wird die Erfindung bei einem Vierpol-Gleich­ strommotor angewandt, bei welcher der Polkern 8 im Gehäuse 1 festgelegt und der Läufer 2′ in einer kreisrunden Öff­ nung 5′ angeordnet ist. Der Ankerwicklung 6 wird Gleich­ strom über eine Bürste 30 und einen Kommutator 31 zuge­ führt. Der Polkern 8 weist kreisbogenförmige kleinere und größere Kammern 27 a, 27 c bzw. 27 b, 27 d auf, in welche die kleineren bzw. größeren kreisbogenförmigen Permanentmagne­ te 9 a, 9 c bzw. 9 b, 9 d eingepaßt sind. Wenn die N-Pole der Permanentmagnete 9 a, 9 c einer Position zugewandt sind, an der sich der Ankerkern 2 befindet, sind die S-Pole der Permanentmagnete 9 b, 9 d der Position zugewandt, an der sich der Ankerkern 2 befindet. Die einander benachbarten Permanentmagnete sind mit unterschiedlichem Abstand von der Rotationsachse 14 angeordnet und ihre Enden überlappen sich mit radialem Abstand. Die Ausschnitte 20 a bis 20 d sind zwischen benachbarten Magnetpolen als Zonen 21 a bis 21 d erhöhter Reluktanz vorgesehen, und die Abschnitte des Polkerns 8 innerhalb und außerhalb der Permanentmagnete 9 a bis 9 d sind zur leichten magnetischen Sättigung über die Verbindungsbrücken 19 miteinander verbunden.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, sind die benachbarte Magnetpole bildenden Permanentmagnete paarweise in koaxialen Kreisbögen angeordnet, wobei jedes Paar einen unterschiedlichen Radius von der Rotationsachse hat und sich die Enden benachbarter Permanentmagnete über­ lappen. Daher sind die relativ großen Polflächen der Per­ manentmagnete direkt dem Ankerkern zugewandt. Somit wird eine elektrische umlaufende Maschine geschaffen, deren Permanentmagnete überlegene Eigenschaften haben und miniaturisiert werden können.

Claims (10)

1. Elektrische Maschine
mit einem Ankerkern,
einem im Ankerkern koaxial angeordneten und auf einer Welle befestigten Läuferkern und
mit mehreren Paaren von kreisbogenförmigen Permanentmagne­ ten, die sich konzentrisch zur Rotationsachse erstrecken und jeweils mehrere Magnetpole bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Paare von Permanentmagneten (9 a bis 9 d) jeweils auf koaxialen Bogensegmenten mit unterschiedlichen Radien (D ₁; D ₂) und gegenseitiger Überlappung in Umfangsrichtung angeordnet sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (9 a bis 9 d) im Läuferkern (8) ausgebildet sind.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkern (8) Zonen (21 a bis 21 d) erhöhter Reluk­ tanz zwischen den bogenförmigen Öffnungen (18 a bis 18 d) mit kleineren und größeren Radien (D ₁, D ₂) aufweist.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (21 a bis 21 d) erhöhter Reluktanz mit einem nichtmagnetischen Werkstoff gefüllt und von je einem Ver­ bindungssteg (19) unterbrochen sind.

5. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkern (8) Zonen (26) erhöhter Reluktanz an der Außenseite der kleineren bogenförmigen Öffnungen (18 a, 18 c) aufweist zur Anpassung der Reluktanz ihrer zugehöri­ gen Magnetpole (25 a, 25 c) an die Reluktanz der an der Außenseite der größeren bogenförmigen Öffnungen (18 b, 18 d) positionierten Magnetpole (25 b, 25 d).

6. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (9 a bis 9 d) im Ankerkern (2) an­ geordnet sind.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerkern (2) Zonen (21 a bis 21 d) erhöhter Reluk­ tanz aufweist zur Anpassung der Reluktanz der Magnetpole (25 a, 25 c) entlang den bogenförmigen Öffnungen (18 a, 18 c) mit kleinerem Radius an die Reluktanz der Magnetpole (25 b, 25 d), die an der Außenseite der bogenförmigen Öffnungen mit kleinerem Radius positioniert sind.

8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkern (8) mit einer Käfigwicklung (10) ver­ sehen ist.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Permanentmagnet (9 a bis 9 d) gleiche Winkel um die Rotationsachse (14) einnimmt.

10. Maschine nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtmagnetische Werkstoff gleiche Zusammensetzung wie der Werkstoff der Käfigwicklung (10) hat.