DE60036003T2

DE60036003T2 - Elektromagnetische motor oder generator vorrichtungen

Info

Publication number: DE60036003T2
Application number: DE60036003T
Authority: DE
Inventors: Claude Oudet; Jean-Francois Urwyler
Original assignee: MMT SA
Current assignee: MMT SA
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: EP1069670A1; AU5518200A; EP1201021B1; WO2001005019A1; EP1201021A1; DE60036003D1; JP2003522511A; ATE370543T1; US6628032B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektromagnetische Vorrichtungen, d.h. Motoren mit unbegrenztem oder begrenztem Hub (Stellantriebe) und ein- oder mehrphasige Generatoren, die mindestens zwei Sätze von Zähnen aus weichmagnetischem Werkstoff und mit relativer phasenweiser Verschiebung aufweisen, wobei ein Satz von Zähnen mit dem Stator und der andere mit dem beweglichen Teil mit drehender oder linearer Bewegung (nachfolgend "Rotor") verbunden ist. Jeder Satz von Zähnen kann mehrere Zähne aufweisen, deren Anzahl beim Stator und beim Rotor unterschiedlich sein kann. Im Grenzfall kann einer der Sätze oder können beide Sätze nur einen Zahn aufweisen.
Bei vielen Vorrichtungen dieser Art ist die Teilung zwischen den Zähnen im Wesentlichen konstant und für beide Sätze von Zähnen im Wesentlichen gleich. Die Reluktanz beim Durchgang des Magnetfelds zwischen diesen beiden Sätzen von Zähnen, und folglich die Permeanz, die der Umkehrwert der Reluktanz ist, ist während der Verschiebung variabel. Wenn ein Ende eines Statorzahns und ein Ende eines Rotorzahns einander gegenüber liegen, bestimmen sie zwischen sich einen Magnetspalt einer minimalen Länge E. Bei den von der Erfindung betroffenen Vorrichtungen ist die elementare Verschiebung dx (siehe 5) des Rotorzahns parallel zur Tangente zum Ende des Statorzahns, was sie von den Elektromagneten unterscheidet, bei denen die Verschiebung in Richtung des minimalen Magnetspalts erfolgt.
Vorrichtungen mit drehender oder linearer Bewegung, die die obigen Eigenschaften aufweisen, können Motoren, Stellantriebe oder Generatoren mit variabler Reluktanz, d.h. ohne Dauermagnet, oder Hybrid-Motoren, -Stellantriebe oder -Generatoren sein, die auch als polarisierte Reluktanz-Motoren, -Stellantriebe oder -Generatoren bezeichnet werden, die mindestens einen Dauermagneten am Stator oder am Rotor aufweisen.
Bei den geläufigsten drehenden Versionen weist die Vorrichtung einen Rotor von allgemein zylindrischer Form auf, der aus mindestens einer koaxialen Einheit besteht, die mindestens einen Rotor-Polbereich aufweist, der an einer Achse befestigt ist, wobei jeder Rotor-Polbereich eine Zahnung aufweist, die von radialen Zähnen gebildet wird, die entlang seines Umfangs angeordnet sind und eine gleichmäßige Teilung aufweisen. Die Vorrichtung besitzt einen Stator, der einen Magnetkreisbereich aus weichmagnetischem Werkstoff aufweist, der allgemein ringförmig und koaxial zum Rotor ist und aus einem Umfangsbereich und mehreren Stator-Polbereichen besteht. Jeder diese Stator-Polbereiche wird von mindestens einer elektrischen Spule gespeist und weist einen oder mehrere radial so ausgerichtete Zähne auf, dass sie der Zahnung des Rotors gegenüber liegen. Die Zähne des Stators, wenn es mehr als einen je Polbereich gibt, sind im Wesentlichen mit der gleichen Teilung angeordnet wie die Zähne des Rotors, wobei ein Zahn des Rotors und ein Zahn des Stators, die einander gegenüberliegen, zwischen sich einen radialen Magnetspalt von minimaler Länge E definieren. Es gibt auch Varianten mit axialem oder schrägem Magnetspalt.
Solche elektromagnetischen Vorrichtungen sind seit einigen Jahrzehnten bekannt. Die hybriden Arten werden häufig verwendet, insbesondere in Form von zwei- oder dreiphasigen Schrittschaltmotoren. Beschreibungen dieser Vorrichtungen findet man zum Beispiel in dem Buch "Stepping motors and their microprocessor controls" von Takashi Kenio und Akira Sugavara, Clarendon Press, Oxford 1994, 2. Ausgabe, Seiten 28 bis 36 für die Motoren mit variabler Reluktanz, Seiten 37 bis 44 für die Hybrid-Motoren, oder in der Elektrizitäts-Abhandlung der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Band IX, "Electromécanique" von Marcel Jufer, Presses polytechniques et universitaires romandes, § 11.2.5 "Moteur réluctant à simple circuit" und § 11.2.11 "Moteur réluctant polarisé". Die Varianten mit linearer Bewegung entsprechen einem Umlauf der drehenden Motoren und sind zum Beispiel auf Seite 33 im erwähnten Werk von T. Kenjo und im § 11.13 im erwähnten Werk von M. Jufer beschrieben.
Diese Vorrichtungen waren Gegenstand vieler theoretischer Studien, siehe insbesondere den Artikel von Marcel Jufer und Gunter Heine "Hybrid stepper motor torque and inductance characteristics with saturation effects", erschienen in "Incremental Motion Control Systems and Devices (IMCSD) Proceedings", Fifteenth Annual Symposium, 1986, Seiten 207 bis 211, und die in diesem Artikel angeführten Bezugsquellen.
Beim herkömmlichen Konzept dieser Vorrichtungen wird angenommen, dass die Länge des Magnetspalts zwischen zwei einander gegenüberliegenden Zähnen unter Berücksichtigung der technischen Zwänge, die von den Herstellungstoleranzen bezüglich des Durchmessers, der Konzentrizität, der Zentrierung, der Gussnähte und anderer Quellen von Ungenauigkeiten stammen, so kurz wie möglich sein muss. T. Kenjo sagt dies klar auf Seite 30 des erwähnten Werks im Kapitel mit dem Titel «Air-gap should be as small as possible». Dieses Konzept wurde von der Theorie unterstützt. Gemäß dem wohl bekannten Grundausdruck zur Berechnung der Kräfte oder Drehmomente beim Elektromagnetismus, der aus dem Ausdruck der im Magnetspalt gespeicherten magnetischen Energie abgeleitet wird, erzeugen zwei Sätze von Zähnen in relativer Verschiebung gemäß dem Freiheitsgrad α ein Drehmoment C proportional zu
eine Formel, in der U die zwischen diesen Sätzen von Zähnen angelegte magnetische Potentialdifferenz und A die Permeanz zwischen ihnen ist. Es kann sich bei einem Motor mit variabler Reluktanz um eine magnetische Potentialdifferenz handeln, die nur auf die Amperewindungen zurückzuführen ist, die von einer oder mehreren von einem Strom durchflossenen Spulen erzeugt werden, die auf verschiedene mögliche Arten angeordnet sind, oder in einem Hybrid-Motor um die algebraische Summe aus der magnetischen Potentialdifferenz U_a, die den Magnetspalt unter dem Einfluss des Dauermagneten polarisiert, und der magnetischen Potentialdifferenz U_ni handeln, die von der oder den bereits erwähnten Spulen erzeugt wird.
Die Ableitung der Permeanz dA/dα kann die Form einer Fourierreihenentwicklung annehmen, wie die Permeanz selbst: A = a0 + a1 sin(Nq) + a2 sin(2Nα)..., dA/dα = Na1 cos(Nα) + 2Na2 cos(2Nα)... wobei N die Anzahl von Zähnen des Rotors pro Umdrehung, oder, wenn der Rotor nicht vollständig gezahnt ist, das Verhältnis 2π/(Winkelteilung) der vorhandenen Zähne ist.
Der erste Term der Ableitung dieses Ausdrucks bezüglich α, genannt Grundterm, ist Na₁ cos(Nα). Bei einem Motor oder einem Stellantrieb, der zur Bewegungssteuerung bestimmt ist, oder bei einem Generator, von dem man eine wirklich sinusförmige Spannung erwartet, wobei die Anzahl von Zähnen festliegt, will man die Amplitude a₁ des Grundterms erhöhen und so weit wie möglich die Amplitude a₂, a₃, ... der Oberwellen in cos(2Nα), cos(3Nα)... reduzieren. Der Grundterm des Drehmoments nimmt dann den Ausdruck [1] an
Es ist wohl bekannt, dass der Term a₁ zunimmt, wenn der Magnetspalt abnimmt. Da das Drehmoment C proportional zu diesem Term ist, schien es logisch, den minimalen Magnetspalt mit dem Herstellungsverfahren kompatibel zu wählen.
Bei einem Hybrid-Motor üblicher Größe (so genannte Größe 23, d.h. Durchmesser ≈ 57 mm, Länge ≈ 51 mm) liegt der übliche minimale Magnetspalt in der Größenordnung von 0,07 bis 0,08 mm, was zu schwerwiegenden Zwängen bei den Herstellungstoleranzen führt und somit die Herstellungskosten erhöht. In der Praxis ist der Magnetspalt E der üblichen Motoren dieser Größe immer ≤ 0,1 mm.
Bei einem solchen Hybrid-Motor ist die maximale Potentialdifferenz U_max in der obigen Formel des Drehmoments U_max = U_ni(max) + U_a. Bei der erwähnten Größe liefert die Spule zum Beispiel im Dauerbetrieb eine maximale Potentialdifferenz U_ni(max) = 85 Aw zwischen Zähnen. Da das durch den Strom erzeugte Drehmoment maximal ist, wenn U_a = U_ni(max), ist U_a auch auf etwa 85 Aw geregelt, also U_max = 170 Aw. Unter Vernachlässigung der Potentialverluste in den weichmagnetischen Werkstoffen des Stators und des Rotors ist die Induktion B im Magnetspalt B = μ0Umax/E [2]
Wenn man sich aufgrund der Sättigung des Materials des Magnetkreises auf B = 2T beschränken möchte, rechnet man E = 1,07 × 10^–4 m. Ein Magnetspalt von 7 bis 8 × 10^–4 m führt also zu einer leichten Sättigung des Eisen-Siliziums, das als weichmagnetischer Werkstoff verwendet wird. Wenn man aber nur diese Art von Motor mit einem prozentual geringen Betrieb (duty cycle) verwendet, könnte man die Amperewindungen während der kurzen Betriebsperioden erhöhen und somit den Magnetspalt so vergrößern, dass man im von der Gleichung [2] beschriebenen linearen Bereich bleibt. Bei den üblichen Vorrichtungen tut man es aber aus den weiter oben angebenden Gründen nicht: man zieht vor, die Ableitung der Permeanz maximal zu halten, also den geringen Magnetspalt, und den Magnetkreis stärker zu sättigen.
Im erwähnten Werk von M. Jufer, das im §11.19.1 die Eigenschaften eines drehenden Reluktanz-Schrittschaltmotors der Marke WARN ER angibt, findet man zum Beispiel: E = 0,05 mm und U_max = 14/5·80 = 224 Aw, d.h. den dreifachen Wert der Amperewindungen, die ausreichen, um B auf 2T im Magnetspalt von 5 × 10^–2 m zu bringen. Dies lässt zwar das Spitzendrehmoment noch zunehmen, erzeugt aber vor allem eine große Verzerrung der Funktion C = f(α), die überhaupt keine sinusförmige Funktion ist. Dies wird im Werk von M. Jufer im §11.11.7 und in 11.85 gut dargestellt. Außerdem ist das Moment nicht mehr eine einfache Funktion des Stroms: Der Term a₁ wird selbst eine Funktion von U_max. Daraus entstehen bei vielen Anwendungen schwerwiegende Nachteile durch eine Erhöhung der Modulation der Augenblicksgeschwindigkeit und des Drehmoments (englisch "cogging") aufgrund des Stroms, wenn der Motor bei konstanter Geschwindigkeit drehen und ein konstantes Drehmoment liefern soll, und durch eine Verstärkung des Geräuschs. Daraus entstehen auch weniger gute Qualitäten der Positionierung in offener Schleife, insbesondere, wenn man die Teilungen unterteilen muss.
Aufgrund dieser Nachteile ist es ein Ziel der Erfindung, eine elektromagnetische Vorrichtung zu liefern, die so ausgebildet ist, dass sie eine deutliche Verringerung der Herstellungskosten und/oder eine Verbesserung ihrer Drehmomentcharakteristik C = f(α) erlaubt.
Für eine Verwendung zur Bewegungssteuerung in offener oder geschlossener Schleife ist es vorteilhaft, eine elektromagnetische Vorrichtung zu liefern, die für jede Phase ein im Wesentlichen sinusförmiges Drehmomentgesetz bis zu einem Wert des magnetischen Potentials liefert, der nur wenig unter dem vorgesehenen maximalen Potential liegt.
Ziele der Erfindung werden durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht.
Die erfindungsgemäße elektromagnetische Vorrichtung, die von einer Größe ist, die die Erzeugung eines maximalen magnetischen Potentials U_max von etwa 1,7 × 10^–4 J/μ₀ erlaubt, d.h. etwa 270 Aw (Amperewindungen), wenn J = 2T oder mehr ist, ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Länge E des minimalen Magnetspalts, gemessen in lotrechter Richtung zum Freiheitsgrad, so gewählt wird, dass:
E etwa gleich oder größer ist als 0,7[1 – 5 × 10–4(Umax – 1,7 × 10–4 J/μ0)]μ0 Umax/J, wenn [1 – 5 × 10–4(Umax – 1,7 × 10–4 J/μ0)] ≥ 0,5,oder E etwa gleich oder größer ist als 0,35 μ0 Umax/J, wenn [1 – 5 × 10(Umax – 1,7 × 10–4 J/μ0)] < 0,5;oder dass E größer ist als 2·10^–3 m,
wobei:

– μ₀ die Permeabilität des Vakuums ist;
– U_max die maximale magnetische Potentialdifferenz ist, die erzeugt wird, um das Magnetfeld in den Magnetspalt E übergehen zu lassen, wobei diese Potentialdifferenz verursacht wird durch – entweder nur die Amperewindungen der Spule(n), die den Magnetspalt E speist (speisen), – oder durch die Addition der Amperewindungen und der magnetischen Potentialdifferenz zwischen den beiden Sätzen von Zähnen in Abwesenheit von Strom aufgrund eines Dauermagneten (Polarisationspotential genannt); und
– J die maximale Polarisation des zur Herstellung der Zahnung verwendeten weichmagnetischen Werkstoffs ist; dieses J wird durch die übliche Beziehung B = μ₀ H + J definiert, in der H groß genug ist, um etwa 99% des Grenzwerts von J zu erreichen, oder auch, indem die relative Permeabilität μ_r eingeführt wird, durch die Beziehung J = μ₀(μ_r – 1)H (wobei H groß genug ist, um etwa 99% des Grenzwerts von J zu erzeugen).

Für das üblicherweise als weichmagnetischer Werkstoff verwendete laminierte Eisen-Silizium ist J ≈ 2T.
Eine weitergehende Untersuchung der Betriebsbedingungen eines Motors oder Generators hat in überraschender Weise und entgegen der allgemeinen Tendenz, die Magnetspalte zu verringern, ergeben, dass es zur Optimierung des Motors oder Generators im Gegenteil vorteilhaft ist, wenn man über ausreichend viele Amperewindungen verfügt, die Magnetspalte zu vergrößern, insbesondere für die Motoren oder Generatoren, deren maximales magnetisches Potential größer ist als etwa 1,7·10^–4 J/μ₀.
In der vorliegenden Erfindung ist es das im Ausdruck [1] vorhandene Produkt a₁U², das optimiert wird, im Gegensatz zu allen üblichen Vorrichtungen, bei denen nur der Grundterm a₁ der Permeanzvariation der Zahnung optimiert wird.
Bei einem Elektrizitätsgenerator, zum Beispiel vom Typ mit polarisierter variabler Reluktanz, ist die Spannung proportional zu dΦ/dt oder dΦ/dα·dα/dt. Der Term da ist die Winkelgeschwindigkeit. Der Fluss ist das Produkt einer Permeanz mit einer Potentialdifferenz; die Flussvariation ist proportional zu a₁U_a. Wenn der Generator liefert, erhöht der Strom die Potentialdifferenz zwischen bestimmten Zahnsätzen, und man findet eine Beziehung a₁U² wie für einen Motor, was zu den gleichen Schlussfolgerungen bezüglich des minimalen Magnetspalts E führt.
Wenn der weichmagnetische Werkstoff mit einer Induktion arbeitet, die nur 2% über seiner Polarisation J liegt, hat man einen im Wesentlichen linearen Variationsbereich der maximalen Induktion B in Abhängigkeit von U, die weiter oben in der Beziehung [2] angegeben ist. Man kann dann U im Ausdruck des Drehmoments durch den Wert BE/μ₀ ersetzen, was ergibt
Es ist klar, dass vorzugsweise B erhöht wird, das im Quadrat vorliegt ist, soweit es der weichmagnetische Werkstoff erlaubt, unter Einhaltung der erwähnten Bedingung, dass B vorzugsweise nur um 2% oder weniger größer ist als J, um nur einen geringen Teil von U_max im weichmagnetischen Werkstoff zu verlieren. Die Auswahlkriterien dieses Materials sind zum Beispiel seine einfache Herstellung, seine Kosten und die Betriebsfrequenz der Vorrichtung.
In der vorliegenden Erfindung muss bestimmt werden, wie das Produkt a₁E², und nicht mehr nur a₁ alleine, sich entwickelt. Der Faktor a₁ ist eine Funktion des Verhältnisses Teilung/Magnetspalt (P/E) der Zahnung. Diese Funktion konnte empirisch mit einer Funktion Leistung in einem großen Variationsbereich von P/E korreliert werden. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer konstanten Teilung P der Rotorzahnung (gemäß dem Bogen gemessen) a₁ im Wesentlichen proportional zu E^–1,42 ist, und dies bis zu P/E-Verhältnissen unter 10. Daraus folgt, dass das Produkt a₁E², und folglich C, auf sehr überraschende Weise proportional zu E^0,58 ist, was eine zunehmende Funktion ist. Wenn man zum Beispiel E verdoppelt, erhöht sich der Term E^0,58 um etwa 50 %. Die Leistung 0,58 kann in Abhängigkeit von der Form der Zähne geringfügig variieren, aber die Schlussfolgerung ist nach wie vor, dass das Produkt a₁E² eine zunehmende Funktion von E ist.
Es ist klar, dass man, um von diesem Vorteil profitieren zu können, U_max wie E erhöhen können muss, wie es 7 zeigt, die im Bereich 25 die Formel E = 0,7 μ₀U_max/J für zwei Werte von J darstellt, die einem gebräuchlichen Eisen-Silizium (Linie 23) bzw. einem der besseren Werkstoffe, d.h. Eisen-Kobalt (Linie 23'), entsprechen. Dieser Wert von E geht also über den Wert hinaus, den eine Induktion nahe der Sättigung des verwendeten weichen Werkstoffs erzeugen würde. Bei schwachen Potentialen, d.h., bei denen U_max für Eisen-Silizium unter etwa 114 Aw liegt, wie im Bereich 24 der 7 angegeben, kommt man zu Magnetspaltwerten von weniger als 5 × 10^–5 m, die den Grenzen der Möglichkeiten der mechanischen Herstellung entsprechen. Dieser Magnetspalt wird dann durch andere Betrachtungen als die obige Formel bestimmt, auch wenn die Werte sich decken.
Die Erfindung betrifft daher die Vorrichtungen mit einer Größe von mehr als einigen 40 bis 50 mm in der drehenden Version. Für diese Vorrichtung ist U_max ungefähr größer als 1,2·10^–4 J/0,7 μ₀, wie vom Bereich 25 in 7 angegeben.
Wenn man keine sehr große Betriebsqualität bei der Bewegungssteuerung erreichen will, kann man in der Praxis akzeptieren, dass B größer wird als J, zum Beispiel um 5% am Zahnende. E würde durch die Formel μ₀U_max/1,05J definiert, wenn man zulassen würde, dass es keinen Potentialverlust im weichen Werkstoff gibt. In Wirklichkeit ist der Potentialverlust im weichen Werkstoff aber nicht mehr vernachlässigbar, insbesondere in Höhe der Zähne, und die verbleibende Potentialdifferenz zwischen den beiden Zahnsätzen beträgt nur noch etwa 84 % von U_max. Man kann also den Grenzwert von E durch 0,84 μ₀U_max/1,05 J, d.h. E ≥ 0,8μ₀U_max/J definieren. Bei manchen weichmagnetischen Werkstoffen verliert man aber mehr Amperewindungen bei B = 1,05 J, und es ist vernünftig, einen Verlust von 30 % des in diesem weichen Werkstoff erzeugten Potentials zu akzeptieren, ohne die Linearität des Drehmoments in Abhängigkeit von der angelegten oder erzeugten (je nachdem, ob es ein Motor oder ein Generator ist) elektrischen Leistung zu sehr zu beeinflussen, so dass zwischen den Zähnen nur die 70 % von U_max, also 0,7 U_max bleiben.
Ein erfindungsgemäß bevorzugter Wert von E folgt also der Beziehung E ≥ 0,7 μ0Umax/J [4]
Es ist anzumerken, dass die Entwicklung der Magnetspalte der üblichen Vorrichtungen auch mit U_max zunimmt, da die zunehmende Größe der Vorrichtungen die Vergrößerung der Herstellungstoleranzen, der Zentrierung und des für die Wärmeausdehnung notwendigen Spiels nach sich zieht. Bei den üblichen Vorrichtungen versucht man aber immer, den Magnetspalt so klein wie möglich zu halten, was zu einer Entwicklung der Magnetspalte in Abhängigkeit von U_max führt, die weniger steil ist als die obige Beziehung [4]. Es ist also möglich, die vorhandenen Vorrichtungen zu verbessern, indem ihre Magnetspalte vergrößert werden, ohne jedoch den bevorzugten Wert von E ≥ 0,7 μ₀U_max/J zu erreichen.
Für Vorrichtungen zunehmender Größe, die erhöhte Werte von U_max erzeugen können, kann in dieser Hinsicht die Länge des Magnetkreises aus weichem Werkstoff zu zunehmenden, aber für manche Verwendungen (zum Beispiel Zugmotoren) akzeptablen Verluste führen, so dass man akzeptieren kann, den Wert des Koeffizienten von μ₀U_max/J zu senken. Man kann diesen Dämpfungskoeffzienten durch den folgenden Ausdruck definieren: E ≥ k 0,7 μ0Umax/Jwobei k = 1 – 5·10–4(Umax – 1,7 × 10–4 J/μ0)mit der Bedingung k ≥ 0,5.
Da es in den üblichen Vorrichtungen keine Magnetspalte E gibt, die größer sind als 1 bis 2 mm, kann man die Leistungen der großen Vorrichtungen verbessern, indem man den Magnetspalt über 1 bis 2 mm hinaus vergrößert, selbst wenn man unter dem Wert des Magnetspalts gemäß der obigen optimaleren Beziehung [4] des Magnetspalts ist.
Es ist bemerkenswert dass, wenn bei konstanter Induktion im Magnetspalt der Magnetspalt zunimmt, der Verlust an magnetischem Potential in den weichen Werkstoffen des Stators und des Rotors im Wesentlichen konstant bleibt. Dieser Verlust, reduziert auf die gesamte magnetische Potentialdifferenz U_max, wird also verringert, was die Charakteristik Drehmoment = f(angelegte elektrische Leistung) der Vorrichtung linearisiert. Tatsächlich ist die angelegte elektrische Leistung wie das Drehmoment in U². Umgekehrt, bei den Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, wie er weiter oben erwähnt wird (M. Jufer §11.19.1), kann der Potentialverlust im weichen Werkstoff den mehrfachen Wert der Potentialdifferenz darstellen, die zwischen den Spitzen der Zähne vorhanden ist. Man kann bei den üblichen Vorrichtungen keinerlei Linearität zwischen dem Drehmoment und der angelegten Leistung erwarten.
Eine Ausführungsform, die einen Hybrid-Motor betrifft, d.h. einen Motor mit einem Dauermagneten, bei dem der weichmagnetische Werkstoff ein durch J = 2T gekennzeichnetes Eisen-Silizium ist und bei dem jeder Stator-Polbereich unter der Wirkung des Stroms 160 Aw erzeugt, führt zum Beispiel dazu, für U_a ebenfalls einen Wert in der Größenordnung von 160 Aw zu wählen, d.h. U_max ≈ 320 Aw. Die an diesen Motor angewandte Abmessungsregel führt zu einem Wert von E von 1,6 × 10^–4 m oder 0,16 mm, ein Wert, der deutlich höher ist als derjenige, der der alten Technik der Bewegungssteuervorrichtungen entspricht.
Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen hervor. Diese Zeichnungen stellen als Beispiel zwei Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Motoren und ihre Abmessungen dar.
1 ist eine Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung, insbesondere eines Hybrid-Motors, im axialen Schnitt gemäß der Linie I-I der 2;
2 ist eine Vorderansicht des Motors der 1 in axialer Richtung;
3 ist ein vergrößertes Detail eines Bereichs der Zahnung eines erfindungsgemäßen Motors;
4 ist eine Vorderansicht einer Variante eines erfindungsgemäßen Hybrid-Motors in axialer Richtung; und
5 ist eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, insbesondere eines Motors oder Generators mit variabler Reluktanz, in axialer Richtung;
6 ist eine Vorderansicht einer Variante eines erfindungsgemäßen Motors oder Generators mit variabler Reluktanz in axialer Richtung; und
7 ist eine graphische Darstellung, die die optimale Beziehung zwischen dem minimalen Magnetspalt E und dem maximalen magnetischen Potential U_max der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zeigt.
Gemäß 1 weist der erfindungsgemäße Hybrid-Motor einen insgesamt mit 1 bezeichneten Stator und einen Rotor 2 auf, der auf eine Achse 3 montiert ist. Die Achse 3 ist in nicht dargestellten Lagern angeordnet, die in einem ebenfalls nicht dargestellten Gehäuse des Motors getragen werden, das die Zentrierung der Achse 3 bezüglich des Stators 1 gewährleistet.
Der Stator 1 weist einen Magnetkreisbereich 4 auf, der zum Beispiel aus einem Stapel von Blechen aus Eisen-Silizium hergestellt wird. Elektrische Spulen wie 5 sind auf diesen Stator in der weiter unten beschriebenen Weise montiert. Der Rotor 2 weist zwei Polbereiche 6 und 1 auf, die je zum Beispiel aus einem Stapel von Blechen aus Eisen-Silizium bestehen, wobei diese Polbereiche koaxiale Hohlkehlen 8 bzw. 9 besitzen, insbesondere, um die Trägheit des Rotors zu verringern, aber seine magnetischen Eigenschaften nicht zu beeinträchtigen. Ein Dauermagnet in Form einer Ringscheibe 10 ist zwischen den Polbereichen 6 und 7 so angeordnet, dass eine mit der Achse 3 fest verbundene, koaxiale Einheit gebildet wird. Der Magnet 10 ist in axialer Richtung magnetisiert, und seine Dicke in dieser Richtung ist sehr gering im Vergleich mit seinem Außendurchmesser.
2 zeigt die Stator-Rotor-Einheit in axialer Richtung gesehen. Gemäß dieser Figur weist der Magnetkreisbereich 4 des Stators 1 einen im Wesentlichen ringförmigen Bereich 11 und mehrere Polbereiche wie 12 auf, die radial zur Innenseite des Stators gerichtet sind. Jeder der Polbereiche 12 weist einen Körperbereich und eine Zahnung 13 auf, die von mehreren Zähnen wie 14 gebildet wird. Elektrische Spulen wie 5, 5' usw. sind auf Stützisolatoren wie 15, 15' vorgefertigt und auf die Körperbereiche der entsprechenden Polbereiche montiert. Diese Polbereiche haben eine gleichmäßige Länge in axialer Richtung und eine gleichmäßige Breite in der radialen Ebene des Motors, so dass die Einheiten aus Spule und Stützisolator über die Innenseite des Stators auf den Polbereichen angeordnet werden können. Die Stützisolatoren 15, 15', die eine gewisse Elastizität aufweisen, können auf ihrer Innenseite mit vorspringenden Bereichen 16 ausgestattet sein, die ausgebildet sind, um in entsprechende Kerben 17 auf der Flanke der Polbereiche einzudringen, damit die Spulen auf diesen Polbereichen gehalten werden. Die Form dieser Polbereiche, und insbesondere die Abwesenheit von Ausweitungen in Höhe der Zahnung, ermöglicht die beschriebene Montage, durch die die Notwendigkeit eines Aufspulens an Ort und Stelle vermieden wird, das wesentlich komplizierter und teuer ist.
Die Außenform des in 2 gezeigten Bereichs 4 ist im Querschnitt achteckig, wobei der Stator in diesem Fall acht Polbereiche 12 aufweist. Eine solche achteckige Form erlaubt es, in den Ecken des Polygons Öffnungen oder Bohrungen 18 zur Befestigung und zur Zentrierung vorzusehen, wodurch eine Dämpfung des Magnetkreises und die entsprechende Gefahr einer Sättigung an der Stelle eines verringerten Querschnitts vermieden werden.
Der Hybrid-Motor gemäß der 4 ist sehr ähnlich demjenigen der 2, außer dass es vier Polbereiche 12' gibt. Die Verwendung von zwei Spulen 5'', 5''' pro Phase anstelle von vier für die Ausführungsform der 2 ermöglicht es, doppelt soviel elektrische Leistung pro Spule anzulegen, während jede Spule mehr Kupfer enthält. Daraus folgt die Möglichkeit, fast doppelt so viele Amperewindungen pro Spule zu erzeugen wie mit der Anordnung mit acht Polen/acht Spulen gemäß der 2.
Der Rotor 2 besitzt an seinem Umfang eine Reihe von Zähnen 19, die eine Zahnung mit gleichmäßiger Teilung 14 bilden.
3 zeigt ein Detail der Zahnung 20 des Rotors, die gegenüber der Zahnung 13 eines Polbereichs des Stators angeordnet ist. Die Form und die Abmessung der Zähne 14 und 19 und der benachbarten Hohlbereiche 21 bzw. 22 sind gleich, obwohl der Zahn des Stators stärker ausgehöhlt ist als der Zahn des Rotors. Zwei einander gegenüber liegende Zähne bilden zwischen sich einen Magnetspalt einer Länge E in radialer Richtung, wobei der Wert von E im Verhältnis zur Höhe der Zähne gering ist. Die Besonderheit der in 3 dargestellten Zähne besteht insbesondere in der Form der Hohlkehlen 21, 22, die vorzugsweise in der radialen Ebene des Motors im Wesentlichen parabolisch ist, wobei der zwischen den Tangenten zum Profil der Zähne an deren Ecken gebildete Winkel β einen Wert von etwa 110° hat, d.h. ein Wert zwischen 95° und 125°, vorzugsweise zwischen 105° und 115°. Eine solche Form hat sich in Gegenwart einer hohen Induktion als besonders vorteilhaft erwiesen, da der Potentialverlust an den Enden der Zähne dadurch wesentlich verringert ist, trotz einer guten Tiefe (d) der Zähne.
Die Abmessung des erfindungsgemäßen Magnetspalts beruht auf der maximalen magnetischen Potentialdifferenz U_ni(max) gleich den Amperewindungen der Spule(n), die den Magnetspalt E speist (speisen). Dieses Potential wird von dem maximalen Wert des Stroms I begrenzt, den der Motor entweder im Dauerbetrieb oder bei einer Betriebsweise mit prozentual reduziertem Lauf aushalten kann, wobei dieser letztere Wert des Stroms ein Vielfaches des maximalen Stroms im Dauerbetrieb sein kann.
In den Ausführungsformen der 1, 2 und 4 (Hybrid-Motoren) wählt man den Dauermagneten und gibt ihm solche Abmessungen, dass er im Magnetspalt in etwa die gleiche Potentialdifferenz wie der maximale Strom erzeugt, d.h. U_a ≈ U_ni(max). Die maximale Potentialdifferenz zwischen gegenüberliegenden Zähnen ist also U_(max) = 2U_ni(max).
Im Fall des weiter oben erwähnten Motors, der einen durch J = 2T charakterisierten und für einen Dauerbetrieb optimierten Magnetkreis aus Eisen-Silizium verwendet, kann eine Spule U_ni(max) = 160 Aw erzeugen. Indem man die weiter oben bereits begründete Beziehung E ≥ 0,8 μ₀U_(max)/J anwendet, hat man E ≥ 1,61 × 10^–4 m. Es wäre nur dann angebracht, einen Wert zu nehmen, der wesentlich über der Untergrenze liegt, zum Beispiel 2,2 × 10^–4 m, d.h. plus 37%, wenn eine ausgezeichnete Linearität und ein sehr geringer Verzerrungsgrad des Drehmomentgesetzes jeder Phase gefordert wären, zu Ungunsten des maximalen Drehmoments. Die maximale Induktion im Magnetspalt und in den Zahnenden betrüge für das erwähnte Beispiel etwa 1,8 T.
Es ist aber vorteilhaft, in einem Wertebereich zu bleiben, der von der Beziehung 0,7 μ₀U_(max)/J ≤ E ≤ 1,1 μ₀U_(max)/J definiert wird. Die Obergrenze wurde empirisch so gewählt, dass eine ausgezeichnete Linearität mit einem maximalen Drehmomentverlust von weniger als 30% bezüglich der Untergrenze von E unter Berücksichtigung der starken Reduzierung der Potentialverluste im weichen Werkstoff erhalten wird.
Es ist anzumerken, dass der Magnet, da er zwei Magnetspalte in Reihe speist, ein Potential von 320 Aw und zusätzlich genug erzeugen muss, um verschiedene Verluste in den Schutzschichten gegen Korrosion und den Zwischenräumen zwischen Blechen zu kompensieren. Dies wird einfach mit einem NdFeB-Magneten (Neodym-Eisen-Bor) erhalten, der im Fall des Motorbeispiels gemäß 4, d.h. einem zweiphasigen Motor mit insgesamt zwei Statorpolen pro Phase, eine Dicke in der Größenordnung von 1,5 mm haben kann, indem er geringfügig oberhalb seines Punkts BHmax arbeitet.
Dieser Betriebspunkt wird durch die Länge der Pole des Rotors in axialer Richtung und durch die Oberfläche des Magnets geregelt. Der gemäß dem Stand der Technik verwendete minimale Magnetspalt macht die Regelung des Betriebspunkts eines modernen Magneten vom Typ NdFeB in der Nähe seines Punkts BHmax schwierig; man hat oft eine durch B/μ₀H = –4 bis –5 charakterisierte Belastungslinie. Daraus folgt, dass ein größeres Magnetvolumen (also höhere Kosten) als das Volumen des Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
Bei den erfindungsgemäßen Motoren ist es vorteilhaft, Maßnahmen zu ergreifen, um das parasitäre Expansionsmoment auf 2P × N Perioden/Umdrehungen zu reduzieren, wobei P die Anzahl von Phasen des Motors und N die Anzahl von Zähnen des Rotors ist. Dieses Expansionsmoment nimmt mit dem Quadrat des Polarisationspotentials des Magnetspalts durch den Magnet zu, nimmt aber auch sehr schnell mit dem Magnetspalt ab. Um es zu annullieren oder zumindest zu reduzieren, wenn die Herstellungspräzision nicht perfekt ist, kann man, wie es wohl bekannt ist, die Teilung zwischen den Zähnen jedes Polbereichs des Stators leicht verfälschen, so dass die geometrische Addition der Vektoren, die die 2P-te Oberwelle aufgrund jedes Zahns darstellen, Null ist.
Wenn der obige Motor für einen Betrieb bei 25 % prozentualem Lauf optimiert worden wäre, würden die Potentiale verdoppelt und der empfohlene Magnetspalt betrüge 0,32 mm. Die Anstiegsgeschwindigkeit der mechanischen Leistung C²/I, auch "power rate" genannt, wobei I das Trägheitsmoment des Rotors ist, wäre mehr als verdoppelt, was im Vergleich mit dem Stand der Technik sehr überraschend ist, bei dem die kleinstmöglichen Magnetspalte hergestellt werden.
Die Vergrößerung der Länge des Magnetspalts bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ermöglicht, abgesehen von den weniger engen Herstellungstoleranzen als bei üblichen Motoren oder Generatoren, den Erhalt vieler Vorteile bezüglich der Herstellung, wie zum Beispiel die Tatsache, dass der Dauermagnet des Rotors aufgrund des größeren Einführspielraums des Rotors in den Stator magnetisiert werden kann, während er sich außerhalb des Stators befindet. Durch eine solche Magnetisierung kann der Magnet besser gesättigt, und permanente Verformungen aufgrund des Stoßes im Moment der Magnetisierung an Ort und Stelle können vermieden werden. Vor allem wird es aber aufgrund einer Magnetisierung außerhalb des Stators möglich, den Rotor eines Motors herzustellen, der zwei Einheiten aufweist, die je von einem Magnet und seinen Polbereichen gebildet werden, die in axialer Richtung in Form einer Folge von einem externen Polbereich, einem ersten Magneten, zwei zentralen aneinander liegenden Polbereichen, einem zweiten Magneten, und einem externen Polbereich angeordnet sind. Da die Magnetisierung der Magnete in diesem Fall entgegengesetzt sein kann, haben die zentralen Polbereiche die gleiche Polarität, zum Beispiel Norden, und die externen. Polbereiche bilden Süd-Pole. So gibt es keine magnetischen Lecks zwischen den Enden des Rotors, und es ist nicht notwendig, die zentralen Polbereiche magnetisch zu trennen, wie im Fall einer Magnetisierung des Rotors in einem zusammengebauten Motor, wo die zentralen Polbereiche von entgegengesetzter Polarität sind.
Bei dem Hybrid-Motor mit einem Stator mit vier Polen und einem Rotor mit N = 50 Zähnen gemäß 4 ist der dynamische Ausgleich der Magnetkräfte mit zwei Polbereichen am Rotor nicht optimal. Mit drei Polbereichen, gemäß der Erklärung in Zusammenhang mit der Ausführung gemäß der obigen 5, erhält man einen sehr guten Ausgleich.
Man kann auch den Vorteil der Erfindung für den Fall erwähnen, in dem sie zu einem ausreichend großen Magnetspalt führt, um es zu erlauben, die den Rotor und den Stator bildenden Bleche gleichzeitig auszuschneiden. Dies führt zu einer Vereinfachung der Herstellung und einer großen Materialersparnis.
5 zeigt einen dreiphasigen Motor mit reiner variabler Reluktanz, d.h. ohne Magnet zur Polarisierung der Zahnung, mit sechs nicht gezahnten Polbereichen 12'' am Stator, zwei pro Phase, und vier Zähnen 19'' am Rotor 2''. Diese Art Motor wird mit den modernen Möglichkeiten der elektronischen Prüfung wieder interessant. Er kann mit elektronischer Umschaltung verwendet werden und kann gemäß der vorliegenden Erfindung einen ausgezeichneten Servomotor bilden, da er kein Expansionsmoment und keine magnetischen Verluste am Rotor bei Abwesenheit von Strom aufweist. Das Trägheitsmoment seines Rotors kann sehr viel geringer sein als dasjenige des Hybrid-Motors, bei dem der Rotordurchmesser von der Magnetfläche bedingt wird, die notwendig ist, um das Polarisationspotential zu erzeugen. Wie es bei den Servomotoren üblich ist, wird ein solcher Motor konstruiert, um Spitzenströme auszuhalten, die 8 bis 10 mal höher sind als der Strom, der im Dauerbetrieb akzeptabel ist.
Wenn der Dauerstrom 150 Aw pro Spule 5 erzeugt, in der gleichen Größe wie beim spezifischen Beispiel des oben beschriebenen Hybrid-Motors, muss der Magnetspalt für ein maximales Potential von mindestens 1200 Aw bemessen sein, was zu einem Magnetspalt E von mindestens 0,6 mm führt, der wesentlich größer ist als die Magnetspalte des Stands der Technik, die in der Größenordnung von 0,1 mm oder weniger liegen, je nach der Herstellungspräzision und anderen Toleranzwerten.
Mit einem einzigen Zahn pro Stator-Polbereich und mit einem konstanten Magnetspalt ist es schwierig, einen geringen Anteil an Oberwellen in der Funktion Permeanz A ≈ f(α) zu erhalten. Es ist eher angebracht, zum Beispiel einen zylindrischen Rotor zu verwenden, der mit ebenen Stator-Polenden zusammenwirkt, wie in 3 gezeigt. Wenn zwei Zähne einander gegenüber liegen, variiert der Magnetspalt E zwischen ihren Spitzen also leicht von einem maximalen Wert auf jeder Seite bis zu einem minimalen Wert auf der Symmetrieachse. In diesem Fall ist der von der beanspruchten Abmessungsformel betroffene Magnetspalt E der minimale Magnetspalt. Die Variante der 6 ist gleich der Variante der 5, nur dass es acht Zähne 19''' am Rotor 2''' gibt. Die Hohlkehle 22'' zwischen Zähnen kann vorteilhafterweise die Form einer Parabel haben, aus den gleichen Gründen, wie sie bereits bezüglich der in 3 dargestellten Zähne angegeben wurden. Jeder Stator-Polbereich weist eine Schräge 26 an seinem Ende auf, um die Induktion zu verringern, wenn man sich vom Ende entfernt. Das Ende 27 der Zähne des Rotors hat den gleichen Radius wie der Umfangskreis des Rotors. Jedes Ende 28 eines Stator-Polbereichs 12'' ist mit einem solchen Radius gekrümmt, dass, wenn die Zähne des Stators und des Rotors sich gegenüber liegen, zwischen ihnen ein variabler Magnetspalt vorhanden ist. In einem spezifischen Beispiel, bei dem das Potential U_max 1100 Aw beträgt, variiert der Magnetspalt um ein Minimum E von 5·10^–4 bis etwa 1,65 E, d.h. 8,25·10^–4 m, um ein Permeanzvariationsgesetz zu erhalten, das einen sehr geringen Prozentsatz von Oberwellen aufweist.
Die Erfindung kann auf andere Varianten von Motoren angewandt werden, zum Beispiel gemäß den von T. Kenjo auf Seite 33 2.19 (linearer Motor) und Seite 34, 2.22 (zwei Magnetspalte in Reihe) erwähnten Konstruktionen, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Möglichkeiten und Vorteile eröffnen sich dem Fachmann sowohl bezüglich der Herstellung als auch der Verwendung des erfindungsgemäßen Motors.

Claims

Elektromagnetische Vorrichtung, d.h. ein ein- oder mehrphasiger linearer oder drehender Motor oder Generator, der mindestens zwei Sätze von Zähnen aus weichmagnetischem Werkstoff und mit relativer Phasenverschiebung aufweist, wobei ein Satz von Zähnen mit dem Stator und der andere mit dem Rotor verbunden ist, wobei die Vorrichtung eine Größe hat, die ihr die Erzeugung eines maximalen magnetischen Potentials U_max von etwa 1,7·10^–4 J/μ₀ Amperewindungen (Aw) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge E des minimalen Magnetspalts zwischen den Zähnen des Rotors und des Stators, gemessen in lotrechter Richtung zum Freiheitsgrad, etwa gleich oder größer ist als: der Wert von 0,7[1 – 5 × 10–4 (Umax – 1,7 × 10–4 J/μ0)]μ0 Umax/J, wenn [1 – 5 × 10–4(Umax – 1,7 × 10–4 J/μ0)]≥ 0,5,oder der Wert von 0,35 μ₀ U_max/J wenn [1 – 5 × 10–4(Umax – 1,7 × 10–4 J/μ0)] < 0,5;oder dass E größer ist als 2·10^–3 m; wobei μ₀ die Permeabilität des Vakuums, U_max die maximale magnetische Potentialdifferenz, die erzeugt wird, um das Magnetfeld in den Magnetspalt E übergehen zu lassen, wobei diese Potentialdifferenz verursacht wird entweder nur die durch Amperewindungen der Spule(n), die den Magnetspalt E speisen, oder durch die Addition der Amperewindungen und der magnetischen Potentialdifferenz zwischen den beiden Sätzen von Zähnen in Abwesenheit von Strom, aufgrund eines Dauermagneten, und J die maximale Polarisation des weichmagnetischen Werkstoffs ist, der zur Herstellung der Zahnung verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge E des Magnetspalts kleiner als der oder etwa gleich dem Wert 1,1 μ₀U_max/J ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge E des Magnetspalts größer ist als 1,2 × 10^–4 m.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge E des Magnetspalts größer ist als 1,5 × 10^–4 m.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlkehlen (22, 22'') zwischen den Zähnen des Rotors im Wesentlichen parabelförmig sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlkehlen des (21) zwischen den Zähnen des Stators im Wesentlichen parabelförmig sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen den Tangenten zum Profil der Zähne an deren Ecken gebildete Winkel β eine Größe zwischen 95° und 120° hat.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel β eine Größe zwischen 100° und 115° hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stator-Polbereiche (12) in axialer Richtung eine gleichmäßige Länge und in einer radialen Ebene eine gleichmäßige Breite haben, und dass die Spulen (5) auf Stützisolatoren (15) vorgefertigte Spulen sind, wobei diese Spulen und die Stator-Polbereiche so ausgebildet sind, dass sie das Einsetzen dieser vorgefertigten Spulen auf die Stator-Polbereiche erlauben.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Hybrid-Motor ist, der einen Dauermagneten (10) aufweist, der ein derartiges magnetisches Potential liefert, dass die gesamte magnetische Potentialdifferenz an den Polen des Magnetspalts im Wesentlichen gleich 0,5 U_max ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) von allgemein zylindrischer Form ist und aus mindestens einer koaxialen Einheit besteht, die den Dauermagneten (10) in Form einer axial magnetisierten Ringscheibe und zwei magnetisch permeable Rotor-Polbereiche (6, 7) aufweist, die zu beiden Seiten der Scheibe angeordnet sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Motor oder Generator mit variabler Reluktanz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende (28) eines Stator-Polbereichs (12'') mit einem solchen Radius gekrümmt ist, dass, wenn die Zähne des Stators und des Rotors einander gegenüber liegen, zwischen ihnen ein variabler Magnetspalt vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Magnetspalts E größer als oder im Wesentlichen gleich dem Wert von 0,7 μ₀U_max/J ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Magnetspalts E größer als oder im Wesentlichen gleich 0,8 μ₀U_max/J ist.