PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3888970T2 15.09.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0368930
Titel MOTOR ODER GENERATOR.
Anmelder Cadac Holdings Ltd., Newmarket, Auckland, NZ
Erfinder CLARK, Peter, Bruce, Warkworth, NZ
Vertreter Straßer, W., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 81667 München
DE-Aktenzeichen 3888970
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 12.09.1988
EP-Aktenzeichen 889077285
WO-Anmeldetag 12.09.1988
PCT-Aktenzeichen GB8800742
WO-Veröffentlichungsnummer 8902671
WO-Veröffentlichungsdatum 23.03.1989
EP-Offenlegungsdatum 23.05.1990
EP date of grant 06.04.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.09.1994
IPC-Hauptklasse H02K 29/10
IPC-Nebenklasse H02K 1/02   H02K 23/58   

Beschreibung[de]

ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf dauermagnetische, rotierende, dynamoelektrische Maschinen von der Art, bei welcher eine relative Rotation zwischen einer Vielzahl von dauermagnetischen Polen und einer Vielzahl von gewickelten Polen vorhanden ist. Die gewickelten Pole sind in dem Sinne gewickelt, daß sie mit ihnen zusammenwirkende, elektrischen Strom führende Leiter aufweisen. "Dauermagnetische Pole" werden im allgemeinen durch Dauermagnete mit hoher Feldstärke geschaffen, welche aus Keramik-Ferriten oder aus Seltenen-Erden-Magneten gebildet werden, aber sie können auch durch geschlossene Einzel- oder Mehrwindungsschleifen aus Supraleitern geschaffen werden, bei welchen der magnetische Pol so lange dauermagnetisch ist, so lange der Leiter betrieben wird und in einem supraleitenden Zustand verbleibt. Der Ausdruck "dauermagnetische, rotierende, dynamoelektrische Maschinen" schließt sowohl Motoren und Generatoren für Gleichstrom als auch für Wechselstrom ein und schließt somit Gleichstromgeneratoren wie auch Wechselstromgeneratoren ein. STAND DER TECHNIK

Elektrische Motoren und Generatoren/Wechselstromgeneratoren wurden traditionell in einer koaxialen, zylindrischen Formation mit einem zentralen Rotor konstruiert, welcher eine Vielzahl gewickelter Pole aufweist, welche durch Wicklungen auf Stahllamellen oder auf einen Weicheisenkern gebildet wurden. Der Stator bildet ein zylindrisches Gehäuse, welches den Rotor um gibt und erfordert eine präzise Konstruktion, weil zwischen dem Rotor und dem Stator nur ein enger zylindrischer Spalt vorhanden ist, welcher normalerweise für kleine Maschinen mit weniger als 5 kW, weniger als 0,25 mm beträgt. Der Stator weist auch eine Vielzahl gewickelter Pole auf, welche durch Wicklungen in Lamellen im Innern eines Stahlgehäuses gebildet werden. Derartige Siliziumstahl-Lamellenanordnungen weisen im allgemeinen eine hohe magnetische Permeabilität auf in der Größenordnung von 2000 (im Verhältnis zu Luft). Die magnetische Permeabilität eines Werkstoffes wird herkömmlich als ein numerischer Wert ausgedrückt, welcher angibt, um ein Wievielfaches er größer ist als die magnetische Permeabilität von Luft.

Im Falle von Synchronmotoren und Universalmotoren werden die Verbindungen zum Rotor mit Hilfe eines Kommutators und Bürsten oder mit Hilfe von Schleifringen und Bürsten hergestellt, welche dazu neigen, sich abzunutzen. Diese traditionellen Elektromotoren und auch zu einem geringeren Ausmaß Wechselstromgeneratoren leiden an Problemen, welche von der Verwendung von Eisen in den gewickelten Polen entweder im Rotor oder im Stator, oder noch typischer in beiden ausgehen. Das Eisen legt eine Begrenzung der Frequenz auf. Typischerweise ist ein Gleichstrommotor wegen der von dem vorhandenen Eisen ausgehenden induzierten Wirbelstromverluste auf eine innere Betriebsfrequenz von nicht mehr als 500 Hertz begrenzt.

Zum Beispiel können die kleinen elektrischen Hochgeschwindigkeitsmotoren, welche in Staubsaugern Verwendung finden, bis zu 30000 U/min erreichen (d. h. 500 Hertz), aber sie sind auf eine Betriebsdauer von ungefähr einer Stunde begrenzt, da Wirbelstrom-Erwärmungsprobleme auftreten, die mit den Eisenlamellen der gewickelten Pole des Rotors wie auch des Stators zusammenhängen. Um diese hohe Geschwindigkeiten innerhalb der Frequenz-Beschränkung, welche durch die Eisenlamellen auferlegt ist, zu erreichen, verwenden diese nur zwei Bürsten. Wenn die Anzahl der Bürsten erhöht werden sollte, würden viel größere Verluste auftreten, wie auch eine größere Komplexität in der Schaltung, die zur Steuerung des Motors verwendet wird.

Es sind Versuche unternommen worden, dauermagnetische, rotierende, elektrodynamische Maschinen einer ähnlichen koaxialen, zylindrischen Konfiguration zu bauen, wobei jedoch im allgemeinen herkömmliche Konstruktions-Technologien zur Anwendung kamen, so daß ein schmaler Luftspalt zwischen den Dauermagneten eines äußeren Stators besteht und die gewickelten Pole in die Eisenlamellen eines innenliegenden Rotors gewickelt sind.

Die nachfolgenden US-Patentschriften enthalten Beispiele von Maschinen mit Dauermagneten:

1 958043 Heintz, 1934

2 104707 Rawlings, 1938

3296471 Cochardt, 1967

3531 670 Loudon, 1970

3564306 Ott, 1971

3 818586 Harkness und andere, 1974

4303 843 Arnoux und andere, 1981

4417 167 Ishii und andere, 1983

4471252 West, 1984

4636671 Terada, 1987

4638 201 Feigel, 1987

4651066 Gritter und andere 1987

Alle diese Patente beinhalten Motoren/Wechselstromgeneratoren, welche Dauermagnete mit unterschiedlichen Konfigurationen verwenden. Das älteste Patent zeigt eine Magnetzündvorrichtung, das Patent von Rawlings beschreibt einen Fahrraddynamo und die anderen Patente enthalten verschiedene Motoren/Wechselstromgeneratoren, meist mit Dauermagneten, die mit ihren Achsen parallel zu der Rotorwelle ausgerichtet sind. Das Patent von West beschreibt einen Aniassmotor mit Dauermagneten, welcher einen herkömmlichen, lamellierten (Eisen), gewickelten Rotor und nur vier bogenförmige Dauermagnete aufweist. In diesem Patent geht es um Abdeckungen für die Dauermagnete, welche an der Innenseite des umgebenden Stators in einer Weise angeordnet sind, daß sie die Entmagnetisierung der Ecken der Magnete verhindern. Die anderen US-Patentschriften, die im Vorangegangenen aufgeführt sind, beschreiben Motoren, welche zwischen 4 und 12 Dauermagnete enthalten und welche alle herkömmliche, lamellierte Eisenrotoren mit gewickelten Polen aufweisen, welche in Schlitze in den Lamellen hineingewickelt sind.

Wegen der Notwendigkeit für Eisenlamellen in Verbindung mit den gewickelten Polen leiden diese Konstruktionen alle unter den selben Wirbelstrom- und Hystereseverlusten.

Eine andere Methode befaßt sich mit der Benutzung von Dauermagneten und einem Nichteisenstator mit schwach wirksamer Kopplung zwischen beiden, um einen Motor zu produzieren, welcher ein geringes Drehmoment aufweist. Diese Methode ist für Gleichstrommotoren mit geringer Leistung und hoher Drehzahl geeignet.

Ein Beispiel eines solchen Motors wird von Teldix in GB 1500955 beschrieben. Im Falle des Teldix-Motors sind die Magnete in einem Abstand voneinander angebracht, mit Harz zwischen ihnen, so daß durch die Verwendung einer großen Anzahl von Stabmagneten geringer Breite, die Magnete im äußeren Rotor ziemlich genau mit dem Kurvenradius der Innenseite des Rotors übereinstimmen. Teldix schlägt die Verwendung von 24 Magneten vor, welche so in Gruppen angeordnet werden, daß sie nur acht Pole bilden. Diese sich im Abstand voneinander befindenden magnetischen Pole erzeugen eine Kopplung geringer Wirkung zwischen den Feldlinien und den Windungen, da die Teldix-Windungen die Feldlinien unter einem flachen Winkel schneiden.

In US 4,618,806 wird von Grouse ein anderes Beispiel eines Motors beschrieben, welcher eine Kopplung geringer Wirkung besitzt. Das Patent von Grouse zeigt einen Motor, welcher am Stator einen Ringmagneten und eine Zick-zack - oder maändrische Wicklung aufweist. Diese maändrische Wicklung reduziert das zur Verfügung stehende Drehmoment auf etwa 40% von dem, welches von einer axialen Wicklung zur Verfügung steht. ZIEL DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel dieser Erfindung eine verbesserte dauermagnetische, rotierende, dynamoelektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, oder eine solche, welche der Öffentlichkeit wenigstens eine brauchbare Auswahl anbietet. DARLEGUNG DES WESENS DER ERFINDUNG

In einer Ausführungsvariante der Erfindung stellt diese eine bürstenlose, dauermagnetische, rotierende, dynamoelektrische Maschine zur Verfügung, bestehend aus: mindestens einem im allgemeinen zylindrischen Stator und wenigstens einem im allgemeinen zylindrischen Rotor, welcher um eine Achse drehbar ist, und im allgemeinen eine zylindrische Oberfläche aufweist, welche dem genannten im allgemeinen zylindrischen Stator gegenüber angeordnet ist, und von diesem durch einen im allgemeinen zylindrischen Spalt getrennt ist; einer Vielzahl dauermagnetischer Pole, auf der genannten Oberfläche des Rotors angeordnet, in Form von Bändern, parallel zur Rotationsachse und in der Nachbarschaft des genannten im allgemeinen zylindrischen Spaltes, wobei der besagte Stator eine Vielzahl von gewickelten Polen auf oder in einem Substrat des Stators besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrheit der genannten gewickelten Pole sich auf oder in der Oberfläche des Stators befinden, welche dem genannten Rotor gegenüber liegt, so daß die gewickelten Pole in der Nachbarschaft des genannten zylindrischen Spaltes angeordnet sind und mindestens die genannte Mehrheit der gewickelten Pole im wesentlichen parallel zu der Rotationsachse des Rotors angeordnet ist und die dauermagnetischen Pole um den im allgemeinen zylindrischen Umfang der Rotoroberfläche dicht verteilt sind, so daß für den magnetischen Fluß zwischen den am Umfang angrenzenden dauermagnetischen Polen verhältnismäßig kurze, im wesentlichen halbkreisförmige Wege vorhanden sind, genannte verhältnismäßig kurze Wege des magnetischen Flusses sich auf einem Bereich erstrecken, welcher von genannter Mehrheit von genannten gewickelten Polen durchschnitten wird, wobei die genannte Mehrheit von genannten gewickelten Polen im wesentlichen alle Wege des magnetischen Flusses im wesentlichen rechtwinklig durchschneidet, genannter Bereich und das Substrat des Stators besitzen beide eine niedrige relative magnetische Permeabilität und sind im wesentlichen nicht leitfähig.

Vorzugsweise ist eine verhältnismäßig große Anzahl von Polen sowohl auf dem Rotor, als auch auf dem Stator eines Rotor/Stator-Paares vorgesehen, derart, daß für den magnetischen Fluß zwischen benachbarten Polen ein entsprechend kurzer Weg geschaffen wird. In den meisten Fällen wird ein einziges Rotor/Stator-Paar genügen, obwohl diese Erfindung auch auf mehrfache Rotor/Stator-Paare angewendet werden kann. Es wird weiterhin bevorzugt, daß die gewickelten Pole eine geringe Tiefe aufweisen und auf oder dicht an der Oberfläche des Substrates gewickelt sind. Das Substrat kann aus einem beliebigen Werkstoff hergestellt sein, welcher eine geringe magnetische Permeabilität aufweist, wie zum Beispiel Holz, Glasfaser, Kunststoffe, Kunstharze oder in einigen Fällen Ferriten. Vorzugsweise beträgt die magnetische Permeabilität des Werkstoffes weniger als 20 (im Verhältnis zu Luft). Die gewickelten Pole können auf eine abnehmbare Form gewickelt werden und in ein Kunstharz eingebettet werden, derart, daß das Harz das Substrat bildet.

Vorzugsweise sind die gewickelten Pole auf oder dicht an der äußeren zylindrischen Oberfläche eines Stators angeordnet, derart, daß die dauermagnetischen Pole auf der inneren Oberfläche eines umgebenden becherförmigen Rotors angeordnet sind

Alternativ dazu kann der Rotor im Innern des Stators angeordnet sein, das heißt, die Positionierung ist umgekehrt, in welchem Falle die dauermagnetischen Pole auf der Außenseite des Rotors und die gewickelten Pole auf der inneren zylindrischen Oberfläche des Stators angeordnet sein werden.

Wenn die dauermagnetischen Pole auf der inneren Oberfläche eines sich drehenden äußeren Zylinders angeordnet werden sollen, würde es im allgemeinen zweckmäßig sein, eine Vielzahl von Stabmagneten hoher Feldstärke zu verwenden, wie zum Beispiel Keramikmagnete oder Magnete aus Seltenen Erden, welche angrenzend aneinander, mit ihren Achsen parallel zur Achse des Rotors angeordnet sind. Wenn sie auf der Innenseite des Rotors angebracht sind, ist es möglich, höheren Drehzahlen standzuhalten, als dieses möglich wäre, wenn die Magnete auf der äußeren Oberfläche des Rotors angebracht wären.

Nichtsdestoweniger ist es möglich, einen elektrischen Motor oder Generator/Wechselstromgenerator in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung herzustellen, bei welchem die Magnete auf der äußeren Oberfläche eines Rotors angeordnet sind, welcher im Innern eines zylindrischen Stators angeordnet ist. In einem solchen Falle würde es im allgemeinen zweckmäßig sein, einen einzigen keramischen Ringmagneten zu verwenden, welcher auf eine solche Weise magnetisiert ist, daß der Ring Bereiche wechselnder Polarität aufweist.

Vorzugsweise ist der zylindrische Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator größer als derjenige, welcher bei herkömmlichen elektrischen Motoren oder herkömmlichen Generatoren/Wechselstromgeneratoren Verwendung findet, bei welchen das Vorhandensein von Eisen innerhalb des Stators erforderlich ist, um einen Weg für den Magnetfluß im Stator zu schaffen. ZEICHNUNGEN

Andere Betrachtungsweisen dieser Erfindung, welche in allen ihren neuartigen Aspekten betrachtet werden sollte, werden durch die nachfolgende Beschreibung offensichtlich, welche nur in Beispielen mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen ausgeführt wird, in welchen:

Abbildung 1a: eine Ansicht auf die Antriebsseite (Befestigungsplatte weggelassen) einer dauermagnetischen, rotierenden, dynamoelektrischen Maschine ist, welche die äußere Rotorkonstruktion zeigt, bei welcher Stabmagnete Verwendung finden.

Abbildung 1b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der Abbildung 1 ist, (mit der Befestigungsplatte in ihrer Position), welche die Anordnung der Stabmagnete im äußeren Rotor zeigt und die relative Position des Stators im Innern des Rotors.

Abbildung 2a: eine Ansicht auf die Antriebsseite einer dauermagnetischen, rotierenden, dynamoelektrischen Maschine ist, welche einen äußeren Rotor aufweist, welcher von einem Ringmagneten gebildet wird, der aus einem Stück besteht (die Statorkonstruktion wurde bei dieser Zeichnung weggelassen).

Abbildung 2b: eine Schnittdarstellung entlang der Linie BB der Abbildung 2a ist, welche nur die Rotorkonstruktion zeigt

Abbildung 3a: ein Flußdiagramm für eine typische, dauermagnetische, rotierende, dynamoelektrische Maschine entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.

Abbildung 3b: einen Spannungsverlauf für eine typische dauermagnetische, orotierende, dynamoelektrische Maschine entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.

Abbildung 4: einen dreiphasigen Wicklungsaufbau für eine typische dauermagnetische, rotierende, dynamoelektrische Maschine entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.

Abbildung 5a, 5b, 5c: drei Ausschnitte eines Schaltplanes für den Betrieb eines dreiphasigen Motors, gemäß Abbildungen 1a/1b, mit einer Gleichspannungsversorgung zeigt.

Abbildung 6: ein Blockdiagramm für den Motorbetrieb gemäß Abbildung 1a/1b mit einer Gleichspannungsversorgung ist

Abbildung 7a: eine Ansicht auf die Antriebsseite (Lagerdeckel entfernt) einer dauermagnetischen, rotierenden, dynamoelektrischen Maschine zeigt, welche eine innere Rotorkonstruktion aufweist, bei welcher ein zylindrischer Magnet Verwendung findet

Abbildung 7b: eine auseinandergezogene Schnittdarstellung der Endabdeckung, des inneren Rotors und des äußeren Stators, entlang der Linie C- C der Abbildung 7a ist

Abbildung 8: das Verhältnis der Länge des Magnetflusses zu der Magnetgröße ist.

Der Motor/Wechselstromgenerator entsprechend der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise unter Verwendung einer Reihe benachbarter Stabmagnete im Innern eines stählernen Kreisringes konstruiert, welche den Rotor bilden, wie dieses in Abbildung 1a dargestellt ist. Der stählerne Kreisring weist zwei wichtige Funktionen auf:

1. Mechanische Abstützung der Magnete gegen die hohen Zentrifugalkräfte, welche auftreten, wenn sich der Motor mit hoher Drehzahl dreht. Es ist offensichtlich, daß Magnete aus Keramik oder aus Seltenen Erden, verglichen zu dem becherförmigen Stahlrotor der Abbildung 1b, eine geringere Zugfestigkeit aufweisen.

2. Rückweg für den Magnetfluß zwischen benachbarten Magneten. Die Stabmagnete könnten gleichermaßen gut durch einen zylindrischen "Ring"- Magneten ersetzt werden, welcher um seinen Umfang herum abwechselnd Nordpole und Südpole aufweist, wie dieses in der Abbildung 2a dargestellt ist.

Der Motor/Wechselstromgenerator entsprechend der vorliegenden Erfindung kann auch derart konstruiert sein, daß der Rotor das innere Element bildet und der Stator das äußere Element, siehe Abbildungen 7a und 7b, aber diese Ausführung ist nicht so vorteilhaft wie die Konstruktion mit dem äußeren Rotor, wegen der geringeren Höchstdrehzahl, welche der Rotor, gemäß Abbildung 7a, auf Grund der geringeren Zugfestigkeit der Magnete aus Keramik oder aus Seltenen Erden, verglichen mit dem becherförmigen Stahlrotor, gemäß Abbildung 1b, aushalten kann.

Die Konstruktion mit dem innenliegenden Rotor hat ihr Anwendungsgebiet im niedrigen bis mittleren Geschwindigkeitsbereich, da sie für die gegenwärtige Konstruktionstechnik geeignet ist, wie sie zur Herstellung kleiner Induktionsmotoren und Wechselstromgeneratoren Verwendung findet.

Bei den folgenden Beispielen ist es am zweckmäßigsten, wenn die Dauermagnete auf dem Rotor angeordnet werden, so daß die elektrischen Verbindungen leicht zu den gewickelten Polen auf dem Stator geführt werden können. Bei einer solchen Konstruktion kann man von einem Motor/Wechselstromgenerator mit eisenlosem Stator sprechen. Es sind auch andere Konfigurationen möglich. Wenn zum Beispiel die Konstruktion des koaxialen eisenlosen Gleichstrommotors mit Hilfe von Kohlebürsten und einem Kommutator gesteuert wird, würde er die Magnete feststehend haben (Stator) und die Wicklungen und den Kommutator rotierend (Rotor) und würde somit eher einen eisenlosen Rotor aufweisen, als einen eisenlosen Stator.

Wenn der koaxiale Gleichstrommotor mit eisenlosem Stator mit Hilfe elektronischer Mittel gesteuert wird, würde die Konstruktion entsprechend Abbildung 1 oder Abbildung 2 ausgeführt werden, und aus diesem Grunde würden die Magnete rotierend (Rotor) und die Wicklungen feststehend sein (Stator).

Bei den folgenden Beispielen wurden geschlitzte optische Schalter verwendet, um die Position des Rotors genau zu ermitteln und die Transistoren zu steuern, um eine Gleichspannung zu den dreiphasigen Statorwicklungen zuzuschalten, siehe Abbildungen 3, 4, 5 und 6. Der Rotor weist eine Reihe von Fortsätzen auf, eine pro Magnetpol Paar und 120º, um eine aufeinanderfolgende Erregung in den Statorwicklungen zu erzeugen. Es werden drei Optokoppler mit logischen Gattern verwendet, um, wie in Abbildung 5a, 5b, 5c dargestellt, Steuersignale für die Transistoren zu erzeugen. Es wird darüberhinaus eine nichtüberlappende Logik verwendet, derart, daß zu einem Zeitpunkt lediglich eine Windung Stromfluß aufweist Wenn es gewünscht wird, könnten zwei oder mehrere Phasen Verwendung finden, aber im allgemeinen ergeben drei Phasen ein Optimum bezüglich des Wirkungsgrades mit einer Stromleitung von 120º pro Phase. BEISPIEL 1 - Abbildungen 1a und 1b

In diesem Beispiel ist ein koaxialer Motor oder Wechselstromgenerator dargestellt, welcher eine außen angeordnete Rotorkonstruktion aufweist, bei welcher Stabmagnete Verwendung finden. Ob die Einheit als Motor oder als Wechselstromgenerator Verwendung findet, hängt von der Anwendung ab und davon, ob ein Strom von diesem von den Statorwicklungen abgenommen wird, oder ob ein Strom zu den Statorwicklungen zugeführt wird, um die Einheit als einen Motor zu betreiben.

Vorzugsweise weist der Motor/Wechselstromgenerator 10 eine zylindrische Hülse 11 auf, welche zweckmäßigerweise in der Form eines Bechers ausgeführt ist, welcher eine Endoberfläche 12 besitzt, die an einer zentralen Welle 13 befestigt ist. Die Welle ist vorzugsweise in Lagern 14, 15 befestigt, welche im Innern eines Stators 16 angeordnet sind. Zweckmäßigerweise hat die Welle ein Ende 17 mit einer Gewindebohrung für die Verbindung mit anderen Maschinen.

Vorzugsweise ist die innere Oberfläche 20 der Hülse 11 mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Stabmagneten 27 versehen, welche mit ihren Achsen parallel zu der Achse des Rotors ausgerichtet sind. Es ist verständlich, daß die Anzahl der in dichtem Abstand angeordneten Magneten geradzahlig ist, derart, daß die Polarität der dauermagnetischen Pole wechselt, wenn man den inneren Umfang abfährt, welcher durch diese Magnete dargestellt wird. (Dieses unterscheidet sich von den traditionellen Motorkonstruktionen, bei welchen die magnetischen Pole in weiten Abständen voneinander angeordnet sind und bei denen viel längere Wege für den Magnetfluß durch das Eisen des Stators/Kerns gegeben sind).

Die Magnete sind vorzugsweise Stabmagnete aus Seltenen Erden oder Keramik, und 20 derartiger Magnete sind in der Abbildung 1a zum Zwecke der Veranschaulichung dargestellt. Es kann jede gerade Anzahl derartiger Magnete Verwendung finden, abhängig von den Konstruktionskriterien, wie zum Beispiel der Größe, dem Gewicht, dem Preis, der Verfügbarkeit und der Frequenz. Für Maschinen mittlerer Geschwindigkeit werden vorzugsweise 12 bis 30 Pole verwendet, wobei 20 dauermagnetische Pole ein optimales Betriebsverhalten für einen Motor ergeben, wie er in den Abbildungen 1a und 1b dargestellt ist.

Durch die Anordnung der Magnete in engen Abständen um den Umfang des Motors kann das optimale Verhältnis der Länge l des magnetischen Poles zur Dicke t des Magneten gewählt werden, wie dieses in Abbildung 8 dargestellt ist. Die in der Luft freien Flußlinien sind halbkreisförmig dargestellt, während der Metallrotor R einen metallischen Weg für den Rückfluß zur Verfügung stellt.

Die maximale Länge der Flußlinien f nähert sich halbkreisförmigen Wegen an, wenn eine höhere Anzahl von Polen vorhanden ist, und somit Abbildung 8 einem Rotor mit unendlich großem Radius entspricht. Die maximale Länge der Flußlinien f kann ausgedrückt werden durch:

2t= pi/2·1

daraus t = 0,785 1.

Diese Beziehung gilt für Strontium-Ferrit-Magnete, Magnete aus Seltenen Erden, wie zum Beispiel Samarium-Kobalt und Neodym-Eisen, und auch für einfach oder mehrfach geschleifte, supraleitende Elektromagnete mit Luftkernen.

Vorzugsweise werden die Stabmagnete entweder durch Magnete aus Seltenen Erden oder durch Keramikmagnete gebildet, was sie in die Lage versetzt, einen höheren Magnetfluß über einen viel breiteren Luftspalt zu erzeugen, als dieses mit herkömmlichen Magneten möglich ist, aber gleichzeitig wird bevorzugt, daß die benachbarten dauermagnetischen Pole in engen Abstand voneinander angeordnet sind, um einen kurzen Weg für den Magnetfluß zwischen benachbarten Polen zu erreichen.

Die Rotorhülse und die Endoberfläche werden vorzugsweise aus Stahl hergestellt, obwohl andere Werkstoffe Verwendung finden könnten.

Der Stator 16 ist vorzugsweise mit einer Befestigungsplatte 22 verbunden, welche auch die geschlitzten optischen Schalter 23 tragen könnte (es ist nur eine von ihnen dargestellt), um die Stellung der Magnete anzuzeigen. Die geschlitzten optischen Schalter 23 zeigen zweckmäßigerweise die Stellung der Fortsätze 26 auf der Endoberfläche der Hülse an, Fortsätze 26, die mit magnetischen Polen einer bestimmten Polarität in Verbindung gebracht werden können.

Es wird bevorzugt, daß der Rotor und der Stator durch einen verhältnismäßig breiten, zylindrischen Luftspalt 28, in der Größenordnung von 0,25mm bis 1,5mm und vorzugsweise 0,75mm für den zwanzigpoligen Motor/Wechselstromgenerator dieses Beispieles, voneinander getrennt sind. Dieses ermöglicht es den gewickelten Polen den Magnetfluß zu schneiden, wie es in der Abbildung 3a dargestellt ist. Der Luftspalt ist vorzugsweise geringer als die Tiefe der Magneten und sollte so groß sein, daß er die normalen technischen Spielräume und Toleranzen zuläßt.

Der Stator besitzt ein ringförmiges, im allgemeinen zylindrisches Substrat 24 aus einem Werkstoff geringer magnetischer Permeabilität mit einer Vielzahl gewickelter Pole 25 auf seiner äußeren zylindrischen Oberfläche. Ein bevorzugt verwendetes Material ist glasfaserverstärkter Kunststoff, da dieser in eine geeignete steife zylindrische Oberfläche geformt werden kann, welche sich bei der Erprobung eines Prototyps der Maschine ohne Ventilator nicht verzogen hat. Die Anzahl der gewickelten Pole entspricht der Anzahl der dauermagnetischen Pole auf der Innenseite des Rotors. Die gewickelten Pole sind verhältnismäßig flach ausgebildet, insofern, als sie auf oder dicht an der Oberfläche des Substrates ausgebildet sind (im Gegensatz zu konventionellen gewickelten Polen, welche in Schlitze gewickelt werden, die in den Stahllamellen ausgebildet sind). Die Tiefe der gewickelten Pole auf oder dicht an der Oberfläche des Stators hängt von der Größe des Stators und von der erforderlichen Motornennleistung ab. Bei dem gezeigten Beispiel würde die Tiefe in der Größenordnung von 1mm bis 10mm liegen und vorzugsweise ungefähr 3mm betragen.

Es wird im allgemeinen zweckmäßig sein, die gewickelten Pole als Wellenwicklungen auf der Oberfläche des Stators auszuführen, welche den dauermagnetischen Polen gegenüberliegt. Die Abbildung 4 zeigt zum Beispiel die Wellenwicklungen W1, W2, W3 von denen jede eine Vielzahl gewickelter Pole 201-211, 201A-211A, und 201B- 211B auf der Oberfläche eines Substrates für eine Dreiphasen-Statorwicklung aufweist, wie sie bei dem Motor/Wechselstromgenerator der Abbildung 1a/1b Verwendung findet. Wie im nachfolgenden erläutert wird, wird eine Dreiphasenwicklung für die meisten Anwendungen bevorzugt, aber auch andere Phasenzahlen finden ihre Verwendung für bestimmte Anwendungen. Sie können der Luft ausgesetzt sein oder in ein Kunstharz eingekapselt sein, welches eine geringe magnetische Permeabilität aufweist.

Die gewickelten Pole können in einer Vielzahl von Formen hergestellt werden und sie können für eine oder mehrere Phasen vorgesehen werden. Da das Substrat eine geringe magnetische Permeabilität aufweist, ist folglich kein Eisen vorhanden (zumindest im äußeren Teil des Substrates), um einen Weg für den Magnetfluß im Stator zu bilden. Die gewickelten Pole auf der Oberfläche des Stators sind derart angeordnet, daß sie die Magnetflußlinien schneiden, welche die benachbarten Keramikmagnete verbinden, da die Flußlinien im wesentlichen eine Reihe von Schleifen von einem Magneten zum anderen bilden, wenn man am inneren Umfang des Rotors entlangfährt. Dies ist in Abbildung 3a dargestellt, welche die relative Stellung von zwei gewickelten Polen, zum Beispiel 201 und 202, der Wellenwicklung auf der Oberfläche des Stators und die verhältnismäßig kurzen Wege des Magnetflusses zwischen benachbarten dauermagnetischen Polen auf dem Rotor veranschaulicht, welche einen äußeren Ring auf dem Stator durchdringen, der die gewickelten Pole enthält.

Es wird bevorzugt, daß die durchschnittliche Weglänge des magnetischen Flusses, welche in der Abbildung 3a als eine Reihe von Halbkreisen dargestellt ist (z. B. von Punkt "X" nach Punkt "Y"), sich in der Größenordnung von 16mm bewegt, wenn der Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor 0,75mm und die Tiefe der gewickelten Pole ungefähr 3mm beträgt. Zwischen benachbarten dauermagnetischen Polen wird die durchschnittliche Weglänge des magnetischen Flusses kürzer sein, als die durchschnittliche Weglänge des magnetischen Flusses in einem herkömmlichen Synchronmotor, bei welchem die Weglänge in erster Linie durch die Größe und die Geometrie der Stahllamellen bestimmt wird, welche die gewickelten Pole umgeben.

Abbildung 3b zeigt die Statorspannung für unterschiedliche Rotor-Stellungen für nur eine Phase der dreiphasigen Statorwicklung des Motors/Wechselstromgenerators gemaß Abbildungen 1a und 1b. STÜCKLISTE DER ELEKTRONISCHEN BAUTEILE - Abbildung 5a, 5b, 5c

Der Schaltplan der Abbildungen 5a, 5b und 5c ist aus Gründen der Zweckmäßigkeit auf drei verschiedenen Seiten dargestellt. Die in Kreisen dargestellten Buchstaben, zum Beispiel a bis k, zeigen, wie die Bauteile der Abbildung 5a mit den Bauteilen sowohl der Abbildung Sb als auch der Abbildung 5c verbunden sind. Zweckmäßigerweise sollte die Zeichnung der Abbildung 5a links von der Zeichnung der Abbildung 5b ausgelegt werden und die Zeichnung der Abbildung Sc sollte in einer Position unterhalb derjenigen der Abbildungen 5a und 5b ausgelegt werden. Die drei Zeichnungen 5a bis 5c weisen folgende Bauteile auf. 1. Halbleiter 2. Kondensatoren 3. Widerstände 4. Transformator 6. SchalterBETRIEB: 12V GLEICHSPANNUNG, ELEKTRONISCHER SCHALTPLAN ABBILDUNGEN 5a, 5b, 5c

Es soll nun der Betrieb eines Dreiphasen-Motors beschrieben werden, wie er in den Abbildungen 1a/1b dargestellt ist, wobei auf die Abbildungen 5a, 5b, 5c und 6 Bezug genommen wird. Das Blockdiagramm der Abbildung 6 zeigt das Verhältnis der Untersysteme in Bezug zum Motor:

100 - Mittel zum Erfassen der Rotorstellung (geschaffen durch die geschlitzten optischen Schalter)

110 - Mittel zur Pulsbreitenmodulation zum Starten und zur Steuerung oder Regelung der Geschwindigkeit

120 - Leistungstransistoren und Mittel zur Widerstandsbremsung

130 - Allgemeine Mittel zur Steuerung oder Regelung

- EIN/AUS Anlaßsteuerung

- Unterspannungsabschaltung

- Übertemperaturabschaltung

- Anzeige der Motorrotation.

Die Stellung des Rotors wird durch die geschlitzten optischen Schalter OPT01 bis OPT03 erfaßt und diese Information wird durch eine logische Schaltung in drei 120º, nichtüberlappende Signale zur Steuerung der Leistungstransistoren umgewandelt. Die Leistungstransistoren Tr17 bis Tr21, Tr12 bis Tr16 und Tr7 bis Tr11 sind mit jeder der Dreiphasen-Wicklungen auf dem Stator des Koaxialmotors verbunden.

Wenn die Leistungstransistoren Tr17 bis Tr21 durch die Steuerlogik durchgesteuert werden, fließt ein Strom durch die Wicklung W1, welche den Rotor magnetisch anzieht, wobei sich dieser, wenn er frei beweglich ist, um 120º dreht. Nachdem der Rotor sich um 120º gedreht hat, werden die Transistoren Tr17 bis Tr21 gesperrt und die Transistoren Tr12 bis Tr16 durchgesteuert. Nachdem der Rotor sich um weiter 120º gedreht hat, werden die Transistoren Tr12 bis Tr16 gesperrt, und die Transistoren Tr7 bis Tr11 durchgesteuert. Nachdem der Rotor sich wiederum um weitere 120º gedreht hat, werden die Transistoren Tr7 bis Tr11 gesperrt und die Transistoren Tr17 bis Tr21 wiederum durchgesteuert, wodurch der Zyklus vollkommen ausgeführt ist

Beim Anlaufen wird der Eingangsstrom lediglich durch den Widerstand des Schaltkreises begrenzt, weil zu diesem Zeitpunkt keine Gegeninduktionsspannung erzeugt wird, da der Rotor stillsteht. Der Anlaßstrom kann durch die Anwendung einer Pulsbreiten-Modulationstechnik (PWM) auf einen aktzeptierbaren Wert verringert werden. IC6 ist eine Vorrichtung zur Pulsbreitenmodulation, welche die Drehzahl und den maximalen Eingangsstrom für den Motor durch eine Veränderung der Pulsbreite steuern kann, was mit Hilfe einer Reihen-Drosselspule-DC-DC-Konverter geschieht, welche durch die Induktionsspule L und die Transistoren Tr22 bis Tr26 gebildet wird (siehe Abbildungen 5a, 5b und 5c).

Die Begrenzung des Eingangsstromes für den Motor wird durch Erfassen des Spannungsabfalls über den Widerstand R60 erreicht, welcher durch IC6 über IC4/b und OPT04 erfaßt wird und die Pulsbreite begrenzt, um die Strombegrenzung durchzuführen.

Die Begrenzung der Motordrehzahl wird erreicht, indem die Wechselspannung, welche in der Wicklung W3 erzeugt wird, gleichgerichtet wird und diese Spannung durch IC6 über IC4/a und OPTP4 erfaßt wird, um eine Pulsbreite geeigneter Einschaltdauer zu erzeugen.

Die Rotorstellung wird durch die geschlitzten optischen Schalter OPT01 bis OPT03 erfaßt, welche die Fortsätze 26 auf dem Rotor alle 120º anzeigen. IC1 und IC2 stellen die nichtüberlappende Logik dar, derart, daß zu jedem Zeitpunkt nur eine Wicklung Strom führt. Außerdem bewirkt eine Zeitverzögerung beim Einschalten der Widerstände R11, R12 und R13 und der Kondensatoren C6, C7 und C8 zusätzlich eine Totzeit, welche es dem Strom, welcher in der vorhergehenden Wicklung fließt, gestattet sich auf Null abzusenken, bevor die nächste Wicklung von einem Strom durchflossen wird.

IC3 stellt die Logik zur Verfügung, die für die elektronische Bremse erforderlich ist. Während der Motor eingeschaltet ist, werden die Leistungstransistoren Tr7 bis Tr21 nacheinander durch die Steuerung der geschlitzten optischen Schalter OPT01 bis OPT03 durchgeschaltet oder gesperrt. Der Motor kann durch drei verschiedene Mittel ausgeschaltet werden.

1. Der Schalter SW1 wird durch das Bedienungspersonal ausgeschaltet.

2. Zu niedrige Batteriespannung verursacht, daß IC4/d "einschaltet" und den Motor abschaltet

3. Zu hohe Temperatur in der Motorwicklung oder den Hauptleistungstransistoren verursacht, daß IC4 "einschaltet" und den Motor abschaltet.

Wenn der Motor ausgeschaltet wird, steuert IC3 alle Leistungstransistoren für alle drei Motorwicklungen durch. Dadurch wird ein Kurzschluß zwischen allen drei Wicklungen erzeugt, welcher die Rotation des Motors in 1 bis 2 Sekunden anhält, wodurch eine brauchbare Bremsvorrichtung für den Motor geschaffen wird.

Als zusätzliche Sicherheitseinrichtung liefern IC7 und der Schalter SW2 eine drei Sekunden lange Zugriffszeit, während welcher der Schalter SW1 betätigt werden muß, um das Anlassen des Motors zu gestatten. STEUERUNG DER ROTORSTELLUNG

Der Dreiphasenmotor entsprechend der Abbildung 1a/1b verwendet geschlitzte optische Schalter, um Informationen über die Rotorposition zu liefern und damit den Schaltpunkt zu bestimmen, an welchem ein Strom zu den Motorwicklungen zugeführt werden muß. Auf Grund der 120º Leitungswinkel-Technik, die in dieser Konstruktion angewendet wird, bestehen noch andere Alternativen für eine genaue Erfassung der Rotorstellung. Dies ist auf Grund der Periode von 240 elektrischen Grad möglich, in welcher die Spannung über den Motorwicklungen lediglich eine Gegeninduktionsspannung ist, die durch die Rotationsbewegung des Rotors erzeugt wird.

Durch Differenzierung der Wellenform der Wicklung W2 während der nichtleitenden Winkelperiode von 240º ist es möglich, ein genaues Signal zu erzeugen, um den Zeitpunkt anzuzeigen, an welchem der Strom beginnen sollte in die Windungen des, sagen wir, gewickelten Poles 201 der Wicklung W1 zu fließen und wann der Stromfluß im gewickelten Pol 201B der Wicklung W3 aufhören soll zu fließen. Es kann auch der gewickelte Pol 201B der Wicklung 3 den Zeitpunkt anzeigen, an welchem der Strom beginnen sollte in die Windungen des gewickelten Poles 201A der Wicklung W2 zu fließen und wann der Stromfluß im gewickelten Pol 201 der Wicklung 1 aufhören sollte zu fließen. Dieses gilt für alle gewickelten Pole der Wicklungen, so daß im allgemeinen die Wicklung W1 den Zeitpunkt anzeigen kann, zu welchem der Strom anfangen sollte in der Wicklung W3 zu fließen und in der Wicklung W2 aufhören sollte zu fließen. Dieses kann für eine exakte Schrittmotor-Steuerung durch Einschaltung der unterschiedlichen Wicklungen verwendet werden, um eine schrittweise Bewegung zu erhalten.

Eine andere Methode zur Bestimmung der Rotorstellung aus der Gegeninduktionsspannung der Motorwicklungen besteht darin, die Schnittpunkte der Wellenformen der drei Spannungen zu erfassen und diese Information dazu zu verwenden, den Zeitpunkt zu bestimmen, zu welchem die entsprechende Wicklung "ein"- bzw. "aus"-geschaltet werden muß.

Magnetische Sensoren, wie z. B. Hall-Sensoren, können an Stelle von geschlitzten optischen Schaltern verwendet werden, speziell in staubiger Umgebung, wenn Probleme bezüglich einer vollkommenen Kapselung des Motors vorhanden sind.

Mit der elektronischen Konstruktion werden auch folgende Eigenschaften zur Verfügung gestellt:

(1) Abschaltung bei Unterspannung: wenn bei Batterie-Betrieb die Batterie- Spannung unter 10,V sinkt, schaltet die Elektronik den Motorstrom ab, um damit eine schädliche Überentladung zu verhindern.

(2) Thermische Abschaltung: wenn die Wicklungen oder die Leistungstransistoren überhitzt werden, schaltet die Elektronik den Motorstrom ab.

(3) Strombegrenzung: zur Begrenzung des Drehmomentes und des Anlaufstromes. BEISPIEL 2 - Abbildungen 2a und 2b

Diese Anordnung ist der von Beispiel 1 ähnlich, mit der Ausnahme, daß ein einziger zylindrischer Ringmagnet 30 Verwendung findet, welcher auf der Innenseite des becherförmigen Rotors 31 angeordnet ist. Ähnliche Fortsätze 32 stehen um die Kante des Rotors herum zur Verfügung, um die Stellung der dauermagnetischen Pole des Ringmagneten an einen geschlitzten optischen Schalter gemäß Abbildung 1b weiterzugeben. Der Stator (nicht dargestellt) kann der gleiche sein, wie der in Abbildung 1b. BEISPIEL 3 - Abbildungen 7a und 7b

Diese Anordnung weist einen einzigen zylindrischen Ringmagneten 41 auf einem innenliegenden Rotor 40 auf, das heißt, die dauermagnetischen Pole befinden sich auf der äußeren Oberfläche des Rotors 40 und sind von den gewickelten Polen 42 auf der inneren zylindrischen Oberfläche des Stators 43 umgeben. Die gewickelten Pole 42 sind auf einem Substrat 44 mit geringer Magnetisierung angeordnet, welches einen Teil des Stators bildet. Der Rotor ist auf einer Welle 45 angeordnet, welche in Lagern 46, 47 montiert ist, welche sich in Abschlußplatten 48, 49 befinden. Die Abschlußplatte 48 weist einen inneren geschlitzten optischen Schalter 50 auf, welcher die Stellung der Fortsätze 51 auf den Kanten des Rotors anzeigt. VORTEILE DER IN DIESER ERFINDUNG BEVORZUGTEN MASCHINEN

1. Da im Stator keine Stahllamellen Verwendung finden, treten keine Reibungsverluste durch Wirbelströme oder Hysterese auf. Dies ergibt einen höheren Wirkungsgrad bei Teillast oder niedriger Last der Maschine.

2. Da im Stator keine Stahllamellen Verwendung finden, tritt kein herausragendes "Los"-Brechmoment auf, welches normalerweise mit dauermagnetischen Maschinen verbunden ist. Dieses ist in Bereichen von Bedeutung, in denen das Drehmoment bei geringen Geschwindigkeiten niedrig ist und möglicherweise nicht ausreicht, um die Maschine anlaufen zu lassen.

3. Die sehr geringe Eigeninduktivität der Statorwicklungen, bedingt durch den sehr breiten Luftspalt zwischen den abwechselnden Magnetpolen, gestattet eine gute Ausgangsregulierung der Spannung solange die Drehzahl konstant bleibt.

Dieses ermöglicht außerdem eine sehr einfache Steuerung durch Transistoren bei der Anwendung als Motor.

4. Sehr hohes Leistung/Gewichtsverhältnis im Vergleich zu äquivalenten Induktionsmotoren und zu "Universal"-Bürstenmotoren, wodurch sich eine eindeutige Gewichtsersparnis ergibt (da kein Eisen im Stator vorhanden ist).

5. Die elektronische Steuerung gestattet eine Verringerung des Anlaßstromes auf jedes gewünschte Niveau; vorhandene elektrische Motoren nehmen im allgemeinen den fünf- bis zehnfachen Strom ihres normalen Nennstromes während der Anlaufphase auf. UNTERSCHIEDLICHE PHASEN

In den obengenannten Beispielen ist ein Dreiphasen-Motor/Wechselstromgenerator beschrieben, es können jedoch auch andere Phasenwicklungen Verwendung finden und insbesondere sollen nachfolgend 1-, 2- und 4-Phasen-Konfigurationen beschrieben werden. EINPHASEN-KOAXIAL-MOTOREN/WECHSELSTROMGENERATOREN

1. Einphasen-Koaxial-Wechselstromgeneratoren bilden die einfachste Konfiguration des Stators für diese Maschine und sie können dort Verwendung finden, wo die Einfachheit ihrer Konstruktion gegenüber der absoluten Ausgangsleistung überwiegt. Das dreiphasige Äquivalent erzeugt die doppelte Ausgangsleistung bei den gleichen Widerstandsverlusten und 50% zusätzlichem Kupfer in den Statorwicklungen.

2. Einphasen-Koaxial-Motoren bilden die einfachste Konfiguration des Stators für diese Maschine, aber sie benötigen einige Hilfsmittel zum Anlaufen (ähnlich wie bei Einphasen-Induktionsmotoren) und erfordern aus diesem Grunde eine zusätzliche Wicklung oder mechanische Hilfsmittel, um das Anlaufen sicher zu stellen. Bereiche, bei denen ein geringes Anlaufdrehmoment erforderlich ist, das heißt, bei direkt verbundenen Ventilatoren, könnten ein Anwendungsgebiet für Einphasen-Motoren sein. ZWEIPHASEN-KOAXIAL-MOTOREN/WECHSELSTROMGENERATOREN

1. Zweiphasen-Koaxial-Wechselstromgeneratoren. Diese Maschinen erreichen einen 40 prozentigen Anstieg der Ausgangsleistung bei den gleichen Widerstandsverlusten wie sie eine einphasige Maschine aufweist

2. Zweiphasen-Koaxial-Motoren. Auf Grund des zweiphasigen Betriebes treten keinerlei Anlaufschwierigkeiten auf. Wenn die Maschine jedoch von einer Gleichspannungsversorgung elektronisch gesteuert werden soll, kann der Wirkungsgrad gering sein, sollte eine 180 Grad Stromeinspeisung Verwendung finden. Der Zweiphasenmotor könnte elektronisch gesteuert werden, um die 180 Grad Stromeinspeisung nur für das Anlassen zu verwenden und sie dann für den normalen Laufbetrieb auf 120 Grad oder weniger zu verringern. DREIPHASEN-KOAXIAL-MOTOREN/WECHSELSTROMGENERATOREN

1. Dreiphasen-Koaxial-Wechselstromgeneratoren. Diese Maschine erreicht einen Anstieg der Ausgangsleistung bei den gleichen Widerstandsverlusten wie sie bei einer einphasigen oder zweiphasigen Maschine auftreten. Wenn die dreiphasige Maschine die gleiche Menge an Kupfer verwendet, wie eine zweiphasige Maschine und die Statorwicklungen bei beiden Maschinen die vollen verfügbaren 360º einnehmen, kann die dreiphasige Maschine bei den gleichen Widerstandsverlusten eine um weitere 7% gesteigerte Ausgangsleistung gegenüber der zweiphasigen Maschine erzeugen (das sind 47% Anstieg gegenüber der einphasigen Maschine).

2. Dreiphasen-Koaxial-Motoren. Auf Grund des dreiphasigen Betriebes treten keinerlei Anlaufschwierigkeiten auf und die Maschine kann von einer Gleichspannungsversorgung leicht elektronisch gesteuert werden, wie dieses unter Bezugnahme auf die Abbildung 6 beschrieben wurde.

Auf Grund der 120º Einteilung beim Dreiphasen-Betrieb ist über die 120º eine ausreichende Gegeninduktionsspannung vorhanden, um eine wirkungsvolle Stromeinspeisung von einer Gleichspannungsversorgung zu ermöglichen, und diese Konstruktion gestattet eine genaue Steuerung der Rotorstellung, zum Beispiel für einen Schrittmotor. MEHR ALS DREIPHASEN-KOAXIAL-MOTOREN/WECHSELSTROM- GENERATOREN

1. Koaxial-Motoren. Geringfügig höherer Wirkungsgrad auf Grund der realisierbaren kleineren Stromeinspeisungswinkel möglich. Der Vierphasen-Motor hat Anwendungsmöglichkeiten auf Grund der Einfachheit, mit der die Rotordrehrichtung durch elektronische Steuerung geändert werden kann, während er immer noch nur zwei geschlitzte optische Schalter benötigt, um die Rotorstellung zu erfassen.

2. Koaxial-Wechselstromgeneratoren. Keine zusätzlichen Vorteile, außer einem geringfügig höheren Wirkungsgrad und niedrigerer Brummspannung, wenn der Ausgang des Wechselstromgenerators gleichgerichtet wird, um eine Gleichspannungsversorgung zu liefern. VARIANTEN

Bei allen diesen Beispielen sind die gewickelten Pole auf dem einen oder dem anderen Teil, dem Rotor oder dem Stator, angeordnet und die dauermagnetischen Pole auf dem verbleibenden der beiden Teile, dem Stator oder dem Rotor, vorgesehen. Es ist jedoch möglich, andere Konfigurationen zu schaffen. Zum Beispiel kann der Rotor mit einem Band dauermagnetischer Pole versehen sein, dann mit einem Band gewickelter Pole, (welche sich entlang seiner Länge wiederholen) und der Stator mit der entgegengesetzten Konfiguration, derart, daß ein Band gewickelter Pole auf dem Stator gegenüber einem Band aus dauermagnetischen Polen auf dem Rotor angeordnet ist und ein Band aus dauermagnetischen Polen auf dem Stator gegenüber dem Band aus gewickelten Polen auf dem Rotor.

Das Nichtvorhandensein von Eisen im Substrat angrenzend an den Luftspalt und die Vielzahl der dauermagnetischen Pole ermöglicht es, daß der Weg für den Magnetfluß von einem Pol zum benachbarten Pol relativ flach ist, so daß ein Verbundmotor oder Verbund- Gleichstromgenerator/Wechselstromgenerator mit einem zylindrischen Stator innerhalb einem ringförmigen, zylindrischen Rotor aufgebaut werden könnte, welcher sich seinerseits innerhalb eines ringförmigen zylindrischen Stators befindet (usw.).

Die eng aneinander angeordneten dauermagnetischen Pole können durch einen einzelnen Ringmagneten gebildet werden (in welchem Fall die Pole unmittelbar aufeinanderfolgen) oder durch getrennte Magnete, die sich berühren gemäß Abbildung 1a, oder durch einen engen Spalt voneinander getrennt sind, um Konstruktions- Toleranzen (oder Wärmedehnung) zuzulassen. Solch ein Spalt würde im allgemeinen weniger als 2% der Breite 1 des Magneten gemäß Abbildung 8 betragen. Für sehr große Motoren, bei welchen die Magnete 150mm in Breite sein können, würde der Spalt in der Größenordnung von 3mm sein.

Die Anzahl der dauermagnetischen Pole wird passend auf eine bestimmte Anwendung des Motors und vor allem auf die erforderliche maximale Motorgeschwindigkeit abgestimmt. Es werden zwischen 4 und 30 Pole bevorzugt, wobei die kleine Polanzahl für kleine Hochgeschwindigkeitsmaschinen geeignet ist und die große Polanzahl für Maschinen mittlerer Geschwindigkeit.

Im allgemeinen kann die geschätzte maximale Motorgeschwindigkeit (s) in Umdrehungen pro Minute (U/min) durch die Formel

s = (3000·60)/n

ermittelt werden, wobei n = Anzahl der Pol-Paare.

Somit beträgt für eine Vierpol-Maschine (d. h. 2 Pol-Paare) die maximale Drehzahl

s = 90.000 U/min

aber für 30 Pole (d. h. 15 Pol-Paare) sinkt die Drehzahl auf

s = 12.000 U/min.

1. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) bestehend aus:

wenigstens einem im allgemeinen zylindrischen Stator (16) und wenigstens einem im allgemeinen zylindrischen Rotor (11), welcher um eine Achse (13) drehbar angeordnet ist und im allgemeinen eine zylindrische Oberfläche (20) aufweist, welche dem genannten, im allgemeinen zylindrischen Stator (16) gegenüber angeordnet ist und von diesem durch einen im allgemeinen zylindrischen Luftspalt (28) getrennt ist;

einer Vielzahl dauermagnetischer Pole (27), angeordnet in Form von Bändern, parallel zur Rotationsachse (13) auf der genannten Oberfläche des Rotors und benachbart zu dem genannten im allgemeinen zylindrischen Luftspalt (28), wobei der genannte Stator eine Vielzahl gewickelter Pole (25) aufweist, welche auf oder in einem Substrat (24) des Stators angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrheit der genannten gewickelten Pole (25) so auf oder in der Oberfläche des Stators, welche dem genannten Rotor gegenüberliegt, angeordnet ist, daß die gewickelten Pole (25) zu dem genannten zylindrischen Luftspalt (28) benachbart sind und wenigstens die genannte Mehrheit von gewickelten Pole (25) im wesentlichen parallel zur Rotationsachse (13) des Rotors angeordnet ist und die dauermagnetischen Pole (27) in kurzen Abständen um den im allgemeinen zylindrischen Umfang der Oberfläche des Rotors angeordnet sind, derart, daß verhältnismäßig kurze, im wesentlichen halbkreisförmige Wege für den Magnetfluß zwischen den auf dem Umfang benachbarten dauermagnetischen Polen (27) vorhanden sind, wobei sich die genannten, verhältnismäßig kurzen Wege des magnetischen Flusses auf einen Bereich erstrecken, welcher durch die genannte Mehrheit der genannten gewickelten Pole (25) geschnitten wird, so daß die genannte Mehrheit der genannten gewickelten Pole (25) im wesentlichen alle Wege des magnetischen Flusses unter im wesentlichen rechtem Winkel schneidet, wobei der genannte Bereich und das Substrat (24) des Stators eine niedrige relative magnetische Permeabilität aufweisen und im wesentlichen nicht leitfähig sind.

2. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen 4 und 30 in kurzem Abstand voneinander angeordnete dauermagnetische Pole (27) im wesentlichen gleichmäßig um den Umfang des Rotors (11) angeordnet sind.

3. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ungefähr 20 dauermagnetische Pole (27) gleichmäßig um den Umfang des Rotors (11) angeordnet sind.

4. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (24) eine relative magnetische Permeabilität aufweist, welche kleiner als 20 ist (im Verhältnis zu Luft).

5. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dauermagnetischen Pole (27) durch eine Vielzahl von Stabmagneten (27) mit hoher Feldstärke gebildet werden, welche benachbart zueinander mit ihren Hauptachsen parallel zu der Achse (13) des genannten Rotors (11) angeordnet sind.

6. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dauermagnetischen Pole (27) durch einen einzigen keramischen Ringmagneten (30) gebildet werden, welcher auf eine derartige Weise magnetisiert ist, daß der Ring (30) Bereiche wechselnder magnetischer Polarität aufweist

7. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Rotor (11) ein äußerer Rotor (11, 31) ist, mit den dauermagnetischen Polen auf der inneren zylindrischen Oberfläche des Rotors.

8. Eine bürstenlose, dauermagnetische, rotierende, dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine äußerer Rotor (11) becherförmig (12) geformt ist, und aus einem Material hergestellt ist, welches eine Zugfestigkeit hat, die höher ist als die Zugfestigkeit des Materials, in welchem die dauermagnetischen Pole (27) eingebettet sind.

9. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Rotor (11) ein innenliegender Rotor (40) ist.

10. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine Mittel (100) zum Erfassen der Position des Rotors aufweist und Schaltmittel (Tr17-21, Tr12- 16, Tr7-11) besitzt, um eine elektrische Leistungsquelle sequentiell mit der oder jeder Phase einer Wicklung (W1, W2, W3), welche die gewickelten Pole (25) des Stators bildet, zu verbinden.

11. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel für jede Phase der Wicklung eine leistungselektronische Schaltvorrichtung (Tr17-21, Tr12-16, Tr7-11) besitzt, wobei die oder jede Vorrichtung in der Lage ist durch ein entsprechendes Steuersignal in Abhängigkeit von dem Mittel (100) zur Erfassung der Rotorstellung, "eingeschaltet" zu werden.

12. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine eine dreiphasige Maschine ist, die drei Wicklungssätze (W1, W2, W3) aufweist, welche um 120º verschoben sind und daß das Mittel zur Erfassung der Rotorstellung, Mittel für die Erfassung von drei Positionen besitzt, wobei jede Position von der nächsten Position um 120º verschoben ist

13. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine zur Regelung der Maschinengeschwindigkeit ein Mittel (110) zur Pulsbreitenmodulation aufweist.

14. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 13, darüberhinaus bestehend aus einer Bremse für die Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse Mittel (120) zur elektrischen Abbremsung der Maschine aufweist.

15. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ein Mittel zum "Abschalten" der Maschine aufweist, welches bei zu niedriger Versorgungsspannung anspricht.

16. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ein Mittel (130) zum "Abschalten" der Maschine aufweist, welches bei Überhitzung anspricht.

17. Eine bürstenlose dauermagnetische rotierende dynamoelektrische Maschine (10) nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Erfassung der Rotorstellung geschlitzte optische Schalter (OPT01-OPT02) aufweist.








IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com