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Permanentmagnetischer Rotor Die Erfindung bezieht sich auf einen zweipoligen,
permanentmagnetischen Rotor, insbesondere für eine elektrische Maschine.
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Es ist bekannt, einen zweipoligen, permanentmagnetischen Rotor einer
Synchronmaschine so aufzubauen, daß vier Permanentmagnete auf einer Welle aus magnetisch
leitendem Stahl aufsitzen, wobei die Querschnittsfläche der Welle ein Rhombus ist.
Je zwei Permanentmagnete sind derartig parallel angeordnet, daß die einen beiden
Polflächen jedes Paars den stumpfen Winkel des Rhombus bilden, während die anderen
beiden Polflächen der Permanentmagnete an einem Ring aus geblättertem Stahl anliegen
(USA.-Patent 2 735 952). Durch diese Konstruktion sind vor allem zwei Schwierigkeiten
der früher bekannten Anordnungen beseitigt. Magnetische Kurzschlüsse treten an der
Welle aus magnetisch leitendem Stahl nicht auf. Verschiedene Flußwege sind im Permanentmagneten
etwa gleich lang.
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Bei dieser bekannten Anordnung ist jedoch nachteilig, daß die Konstruktion
sehr aufwendig ist. Es müssen vier einzelne Permanentmagnete in komplizierter Form
auf genaues Maß geschliffen werden. Hinzu kommt, daß die Herstellung der Welle in
rhomboider Form teuer ist. Außerdem ist das den Permanentmagneten zur Verfügung
stehende Rotorvolumen nicht voll ausgenutzt. Auch läßt sich die Konstruktion ohne
den äußeren Stahlring nicht verwenden.
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Diese und andere Nachteile werden vermieden, indem erfindungsgemäß
ein zweipoliger Rotor mit einem ausgerichteten Permanentmagneten vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Vorzugsrichtungen des Permanentmagneten
etwa senkrecht auf seine kreiszylinderförmige Außenfläche und im wesentlichen kreiszylinderförmige
Innenfläche oder nur etwa senkrecht auf seine kreiszylinderförmige Außenfläche auftreffen.
Überraschenderweise kann an Stelle der vier Permanentmagnete mit komplizierter Form
nur ein Permanentmagnet mit einfacher, z. B. hohlzylinderförmiger Form verwendet
werden, wenn der Permanentmagnet anisotrop ist, und wenn keine magnetische Vorzugsrichtung
unter einem von 90° stark abweichenden Winkel auf die radiale Außen- und Innenfläche
des Permanentmagneten auftrifft. Trotz der einfachen Form des Permanentmagneten
können an der Welle aus magnetisch leitendem Stahl keine magnetischen Kurzschlüsse
vorkommen, da an der Oberfläche der Welle durch die erfindungsgemäße Konstruktion
keine nennenswerte magnetische Spannung anliegt. Der z. B. hohlzylinderförmige Permanentmagnet
ist entlang seiner magnetischen Vorzugsrichtungen magnetisiert. Daher trifft der
permanentmagnetische Fluß unter keinem von 90° stark abweichenden Winkel auf die
Oberfläche der Welle auf.
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In der erfindungsgemäßen Anordnung sind die meisten Flußwege etwa
gleich lang. Dadurch ergibt sich eine günstige Ausnutzung des Permanentmagneten,
denn das meiste Permanentmagnetvolumen kann optimal nahe des Punktes mit höchstem
Energieprodukt arbeiten. Die Leistung einer Maschine mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Rotor ist dementsprechend hoch. Im Gegensatz zu der bekannten Anordnung kann der
Rotor der Erfindung auch ohne einen äußeren Stahlring verwendet werden. Doch empfiehlt
sich oft, die Verwendung des äußeren Stahlringes, da dadurch unter anderem die zentrifugale
Festigkeit des Rotors erhöht ist. Außerdem kann der Ring zusätzlich die übliche
Käfiganordnung aus Kupfer oder Aluminium enthalten.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist an Hand der Figuren näher beschrieben.
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F i g. 1 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Achse durch einen zweipoligen
Rotor einer Synchronmaschine; F i g. 2 zeigt im oberen Teil den zu F i g. 1 senkrechten
Schnitt A-A und im unteren Teil eine Seitenansicht des Rotors der F i g. 1.
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Der Rotor der F i g. 1 besteht aus einem ausgerichteten, hohlzylinderförmigen
Permanentmagneten 1. Die angedeuteten magnetischen Vorzugsrichtungen 2 bis 13 des
Permanentmagneten 2 treffen etwa senkrecht auf seine kreiszylinderförmige Außenfläche
und kreiszylinderförmige Innenfläche oder nur etwa senkrecht auf seine kreiszylinderförmige
Außenfläche auf. Da der Permanentmagnet 2 in üblicher Weise entlang seiner magnetischen
Vorzugsrichtungen magnetisiert ist, trifft der permanentmagnetische Fluß etwa senkrecht
auf die Oberfläche 14 der Welle 15 auf. Nennenswerte magnetische Kurzschlüsse können
an der Oberfläche 14 der Welle 15 nicht vorkommen, da das
magnetische
Potential an der Oberfläche 14 überall etwa gleich ist. Die meisten Flußwege sind
im Permanentmagneten gleich lang. Der Fluß läuft z. B. zuerst von der Polfläche
16 entlang den magnetischen Vorzugsrichtungen 2, 3, 4, 5 und 6 durch die Welle 15
und dann z. B. entlang den magnetischen Vorzugsrichtungen 8, 9, 10, 11,12 zur Polfläche
17. Die Flußwege entlang der magnetischen Vorzugsrichtungen 7 und 13 sind etwas
kürzer als die übrigen angedeuteten Flußwege im Permanentmagneten. Dies ist jedoch
kein Nachteil, denn die Summe der Längen z. B. der Flußwege entlang der Vorzugsrichtungen
4 und 10 muß größer als z. B. die Länge des Flußweges entlang der Vorzugsrichtung
7 sein, damit der größte Teil des Permanentmagnetvolumens optimal ausgenutzt ist.
Dies liegt unter anderem daran, daß der Flußweg z. B. entlang der Vorzugsrichtungen
4 und 10 durch die Welle 15 geht, wobei zusätzliche magnetische Spannung verbraucht
wird. Die zusätzlich durch die Welle 15 verbrauchte Spannung ist um so größer, je
größer der magnetische Widerstand der Welle ist. Eine Welle aus teurem, urmagnetischem
Stahl ist daher nicht nur nicht notwendig, sondern ist aus diesem Grunde sogar unerwünscht.
Es ist oft aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft, eine dünnwandige Buchse
aus z. B. einem gießbaren, urmagnetischem Stoff zwischen der Welle aus magnetischem
Stahl und der radialen Innenfläche des Permanentmagneten 2 anzubringen (in F i g.
1 nicht gezeigt).
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Einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung im Vergleich zu
der bekannten Konstruktion ist der, daß ein einziger Permanentmagnet verwendet werden
kann und daß dieser einzige Permanentmagnet eine einfache, z. B. hohlzylinderförmige
Form hat. Dadurch sind die Herstellungskosten, besonders bei kleineren Rotoren,
bedeutend erniedrigt. Denn ein Hohlzylinder der beschriebenen Art läßt sich viel
billiger als vier quasi-rhomboide Körper herstellen. Das kleine Permanentmagnetvolumen
an z. B. der Stelle 18, das nicht viel zum Gesamtfluß des Rotors beiträgt und z.
B. urmagnetisiert bleiben kann, vereinfacht nicht nur die Herstellung, sondern sorgt
vor allen Dingen dafür, daß die zentrifugale Festigkeit des Rotors erhöht ist.
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Der Permanentmagnet 1 kann mit seinen beiden Polflächen 16 und 17
an einem Ring 19 aus geblättertem. magnetischen Stahl anliegen, wie in F i g. 1
gezeigt ist. Der Ring 19 kann die Nuten 20 und Leibolzen 21 in der
üblichen Käfiganordnung enthalten. Dadurch wird die zentrifugale Festigkeit des
Rotors weiter erhöht. Bei Verwendung des Rotors in z. B. einem Synchronmotor wird
zusätzlich hierdurch erreicht. daß der Motor mit großem Antriebsmoment hochläuft
und beschleunigt. Die Innenfläche des ; Permanentmagneten 1 kann anders als kreiszylinderförmig
gestaltet sein, um z. B. das Losreißen einer auf der Welle aufsitzenden Buchse zu
erschweren.
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In dem Schnitt des oberen Teiles der F i g. 2 sind die magnetischen
Vorzugsrichtungen 22 des Permanentmagneten 1 angedeutet, die in diesem Schnitt alle
radial von der Oberfläche 14 der Welle 15 zur Polfläche 16 des Permanentmagneten
1 laufen. An den beiden axialen Rotorenden befinden sich Kurzschlußrirtge 23 und
24 in der üblichen Käfiganordnung aus z. B. Kupfer, Aluminium oder einer Legieniti,g@
mit hoher, elektrischer Leitfähigkeit. Die Leitbolzen 21 können z. B. an den Enden
mit Nieten 25 befestigt sein. In einer anderen Ausführungsart können die Leitbolzen
und Kurzschlußringe aus einem Stück Aluminiumdruckguß bestehen.
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Permanentmagnete. die eine magnetische Vorzugsrichtung aufweisen,
werden anisotrope oder ausgerichtete Permanentmagnete genannt. Solche Permanentmagnete
zeichnen sich dadurch aus, daß die permanentmagnetischen Eigenschaften in der Vorzugsrichtung
bedeutend besser als in den Richtungen senkrecht zur Vorzugsrichtung sind. Hinzu
kommt, daß sich solche Permanentmagnete relativ leicht entlang den Vorzugsrichtungen
magnetisieren lassen.
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Als Permanentmagnete eignen sich in der erfindungsgemäßen Anordnung
ganz besonders die synthetischen Klein-Eisenteilchen-Magnete mit hoher Formanisotropie
(USA.-Patent 2 974 104) und die Legierungen, die unter den Narren Alnico VI und
Alnico VIII bekannt sind. Auch die Oxydmagnete, z. B. die modifizierten Strontiumferritmagnete,
eignen sich gut.
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Der Erfindungsgemäß vorgeschlagene Rotor eignet sich besonders für
Synchronmaschinen, Zündmagnetsysteme, Synchronkupplungen. Wirbelstrombremsen und
Wirbelstromkupplungen.