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Die
Erfindung betrifft allgemein einen Feinservomotor mit an seinem
Rotor angeordneten Permanentmagneten, und spezieller betrifft sie
eine verbesserte Rotorstruktur eines derartigen Motors.
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11 zeigt
die Beziehung zwischen einem Stator und einem Rotor eines herkömmlichen
Feinservomotors mit am Rotor angebrachten Permanentmagneten. Es
ist ein Stator 1 mit Schlitzen S1 bis S18 vorhanden. Durch
jeden Schlitz ist eine bipolare, dreiphasige Wechselstromwicklung
gewickelt, wie sie allgemein bei einem derartigen Induktionsmotor
verwendet wird. Die Zähne
des Stators sind so ausgebildet, dass die Breite jedes Vorderendes
der Breite jedes der Schlitzeinlässe
entspricht. Daher ändert
sich der magnetische Widerstand mit regelmäßigen Intervallen in Richtung
der Statordrehung, gesehen vom Rotor aus. Siebzehn Permanentmagnetpole
sind gleichmäßig um den
Umfang des Rotors 2 herum angeordnet, wie es in 11 dargestellt
ist. Der Rotor dreht sich um eine Achse 4.
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Aus
der Fleming'schen
Regel ergibt sich als Kraft F, wie sie von einer einzelnen Windung
der Motorwicklung erzeugt wird, der folgende Wert: F
= B·I·L,wobei
B die Magnetflussdichte ist, I der elektrische Strom ist und L die
effektive Länge
eines elektrische Drahts ist, die dem Doppelten der effektiven Rotorlänge entspricht.
Die Motorleistung P ist wie folgt repräsentiert: P
= F·SP
= F·r·dΘ/dt,wobei
SP die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors ist, r der Radius desselben
ist und 0 sein Rotationswinkel ist.
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Wenn
die Spannung mit V bezeichnet wird, lässt die elektrische Leistung
des Motors sich wie folgt angeben: P = V·I = dΦ/dt·I,wobei Φ der Streufluss
einer einzelnen Windung der Wicklung ist. Die beiden obigen Formeln
führen
zu: P = F·r·dΘ/dt = dΦ/dt·I
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Infolgedessen
ist das vom Motor erzeugte Drehmoment T wie folgt repräsentiert: T = R·r
= dΦ/dΘ·I
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D.
h., dass das vom Motor erzeugte Drehmoment T proportional zur Änderungsrate
dΦ/dΘ des Magnetflusses
bei der Drehung ist, wie durch Kopplung zur Wicklung erzeugt.
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Demgemäß kann z.
B. für
den Fall eines herkömmlichen
Bipolar-Synchronmotors mit Permanentmagnet mit einem Stator, wie
er in 11 dargestellt ist, bei dem
es sich jedoch nicht um einen Feinservomotor handelt, der nicht
dargestellt ist, das erzeugte Drehmoment T (Änderungsrate dΦ/dΘ des Magnetflusses Φ bei Drehung,
wie durch Kopplung zur Wicklung erzeugt) als unmittelbar proportional
zum Magnetfluss B abgeschätzt
werden.
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Für den in 11 dargestellten
Motor ist dasselbe anzunehmen, wie es soeben genannt wurde. Beispielsweise
sei angenommen, dass eine einzelne Windung der Wicklung durch den
Schlitz S5 in der Richtung von der Ober- zur Unterseite der Papierebene
von 11 sowie durch den Schlitz S14 in der entgegengesetzten
Richtung geführt
ist. Hinsichtlich der Änderungsrate
des Streuflusses Φ bei
der Drehung in Bezug auf die Wicklung, wie durch dΦ/dΘ ≈ ΔΦ/ΔΘ, ist in
diesem Fall für
die infinitesimale Änderung ΔΘ bei der
Drehung eine leichte Drehung in Uhrzeigerrichtung anzunehmen. Dann
scheint die infinitesimale Änderung ΔΦ des Magnetflusses
den Magnetfluss des Nordpols in der Richtung von der Unter- zur
Oberseite der Papierebene an acht oder neun jeweiligen vorstehenden
Polen des Stators in 11 zu erhöhen. Daher würde die Änderungsrate dΦ/dΘ des Magnetflusses Φ bei Verwendung
dieser einfachen Theorie ungefähr
eine achtfache Erhöhung
gegenüber
dem oben genannten Synchronmotor mit Permanentmagnet zeigen, wobei
dasselbe für das
erzeugte Drehmoment gelten würde.
Wie festgestellt, ist ein Feinservomotor mit am Rotor angebrachten
Permanentmagneten durch die Erzeu gung eines hohen Drehmoments gekennzeichnet.
Jedoch erschweren es Begrenzungseffekte hinsichtlich der Ansteuerungsfrequenz
und der Streuinduktivität
eines Motors im Allgemeinen, hohe Drehzahlen zu erzielen, da die
Ansteuerungsfrequenz bei steuerbarem Betrieb ungefähr verachtfacht
ist.
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Beim
in 11 dargestellten Motor besteht das Problem, dass
der Magnetfluss der jeweiligen Permanentmagnete nicht effektiv genutzt
ist. Wenn z. B. der Magnetfluss betrachtet wird, der am vorstehenden
Pol des Stators zwischen den Schlitzen S4 und S5 erzeugt wird, ist
festzustellen, dass dieser vorstehende Pol dem Nordpol eines Permanentmagnets über einen
kleinen Spalt gegenübersteht.
Dies führt
dazu, dass der am vorstehenden Pol des Stators auftretende Magnetfluss
des Nordpols durch viele Komponenten beeinflusst wird, die den Magnetfluss
zwischen dem Nordpol und dem Südpol
schließen,
und zwar wegen eines Streuflusses vom benachbarten Pol zu jeder
Seite des Nordpols über
einen unmagnetischen Teil wie den Spalt zwischen vorstehenden Polen
des Stators. Derjenige Teil des Magnetflusses des Nordpols, der
den Magnetfluss des Südpols
schließt,
wird beim Antriebsvorgang des Motors nicht genutzt. Demgemäß ist es
unmöglich,
den Magnetfluss des Nordpols am vorstehenden Pol des Stators zwischen
den Schlitzen S4 und S5 vollständig
zu nutzen, und dasselbe gilt für
die anderen jeweiligen vorstehenden Pole des Stators, was dazu führt, dass
nur unzureichender effektiver Magnetfluss erzielbar ist. Im Ergebnis
entsteht das Problem, dass das Motordrehmoment verringert ist.
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Nachfolgend
wird der Streufluss des Südpols mittels
der magnetischen Eigenschaften eines Permanentmagnets erläutert. Markierungen
von B0 bis H0 in 12 veranschaulichen ein charakteristisches
Beispiel einer typischen Magnetflussdichte B und der magnetomotorischen
Kraft H eines Seltenerdmagnets. Der Arbeitspunkt des Nordpols eines Magnets,
der dem vorstehen Statorpol zwischen den Schlitzen S4 und S5 gegenübersteht,
ist OP1. An diesem Punkt wird die magnetomotorische Kraft H1 hauptsächlich als
magnetomotorische Kraft an einem Luftspaltteil, und die Magnetflussdichte
ist B1. Andererseits liegt der Arbeitspunkt der benachbarten Südpole zu
jeder Seite des Nordpols bei OP2. An diesem Punkt wirkt, da ein
Streufluss in einem unmagnetischen Teil wie dem Spalt zwischen den
Schlitzen S4 und S5 erzeugt wird, eine hohe magnetomotorische Kraft
H2, und es liegt die Magnetflussdichte B2 vor. Der Teil von B2 schließt den Magnetfluss
zwischen benachbarten Magneten und wirkt nicht effektiv für den Motorbetrieb.
Infolgedessen entspricht der beim Motorbetrieb wirkende Magnetfluss
der Magnetflussdichte von B1 minus B2. Abhängig von der Motorkonstruktion
variiert der Magnetflusswert, jedoch kann der Wert von B2 häufig mehr
als die Hälfte
von B1 sein, so dass in vielen Fällen
nicht einmal die Hälfte der
Kraft eines Permanentmagnets genutzt werden kann.
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Ein
anderes Problem ist das folgende. Die maximale Magnetflussdichte
von Magnetstahl in einem Teil der vorstehenden Statorpole hat den
hohen Wert von 1,7 Tesla. Im Gegensatz hierzu beträgt die maximale
Magnetflussdichte in einem Teil der vorstehenden Rotorpole nur 1,0
Tesla, wenn ein Seltenerdmagnet, dessen Restflussdichte hoch ist,
verwendet wird, und Beschränkungen
hinsichtlich der Rotorkonstruktion stören eine Erhöhung der
Magnetflussdichte. Daher ist abhängig
von einer Erhöhung
der Magnetflussdichte in jedem Rotormagnetpol eine Erhöhung des
Motordrehmoments zu erwarten.
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Aus
der
US 3,849,682 A ist
ein Permanentmagnetrotor bekannt, bei dem die Statorwicklung dieselbe
Anzahl von Polen aufweist, wie der Rotor. Der Stator ist mit Schlitzen
versehen, während
der Rotor Pole aufweist. Dieser Permanentmagnetrotor besitzt demnach
eine zweiphasige, sechzehnpolige Wechselstromwicklung.
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Die
JP 05-083 911 A offenbart eine elektrische Drehmaschine mit einem
ringförmigen
Stator, an dessen Innenseite axial verlaufende Ausnehmungen vorgesehen
sind, in welchen mehrschichtige Windungen vorgesehen sind. Die Drähte der
aus magnetischem Draht bestehenden Windungen sind mit einer aus
keramischem Material bestehenden Beschichtung isoliert.
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Der
Rotor ist mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten versehen, die
in Axialrichtung magnetisiert sind.
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Die
JP 4-255 439 A offenbart einen Rotor für eine elektrische Maschine,
dessen Permanentmagnete an der Innenseite des Rotors angeordnet
sind, sich mit ihrer Längsseite
in Axialrichtung erstrecken und in Umfangsrichtung (tangential)
magnetisiert sind. Des Weiteren sind Magnetflusskreise für den Nordpol
vorgesehen, die die Nordpole der Permanentmagnete untereinander
verbinden. Auch für
den Südpol
sind Magnetflusskreise vorgesehen, die jedoch nicht miteinander
verbunden sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Permanentmagnetmotor
mit hohem Drehmoment zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch den Permanentmagnetmotor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßer Motor
verfügt über einen
gemeinsamen Magnetflusskreis für
den N-Pol, mit einer gemeinsamen Verbindung zu jedem Nordpol der
Permanentmagnete, und einen gemeinsamen Magnetflusskreis für den S-Pol,
mit gemeinsamer Verbindung zu jedem Südpol der Permanentmagnete,
um die Kraft jedes Permanentmagnets innerhalb des gesamten Motors
wirkungsvoll zu nutzen. Der Motor verfügt ferner über N-Magnetpole in Form vorstehender
Pole sowie S-Magnetpole in Form vorstehender Pole. Die einen Teil
des Magnetflusskreises für
den N-Pol bildenden N-Magnetpole liegen in einem Teil um den Umfang
des Rotors, wobei die Anzahl R derselben von der Anzahl m von Statorpolen verschieden
ist. Die S-Magnetpole, die einen Teil des Magnetflusskreises für den S-Pol bilden, liegen
in einem Teil um den Umfang des Rotors, abwechselnd mit den N-Magnetpolen
in der Motordrehrichtung, mit der Form vorstehender Pole der Anzahl
R.
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Bei
der Erfindung ist es auch bevorzugt, dass ein N-Hilfsmagnetpol vorhanden
ist, der alle oben genannten N-Magnetpole mit einem benachbarten
verbindet, sowie einen S-Hilfsmagnetpol, der alle oben genannten
S-Magnetpole mit einem benachbarten verbindet.
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Der
Motor kann auch einen gemeinsamen Permanentmagnet in Form einer
Kreisplatte aufweisen, die im Rotor enthalten ist und gemeinsam
mit allen in ihm enthaltenen Magnetpolen verbunden ist.
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Der
Motor kann auch einen gemeinsamen Permanentmagnet in Form einer
Scheibe im Rotor mit gemeinsamer Verbindung zu allen Magnetpolen in
diesem zusätzlich
zu mehreren einzelnen Permanentmagneten aufweisen, die in der Nähe jedes
Magnetpols am Rotor angebracht sind.
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Wenn
jeweils gemeinsame Magnetflusskreise für den Nordpol und den Südpol erzeugt
werden, wird die magnetomotorische Kraft jedes Magnetpols, wie sie
in einem Teil des Stators auftritt, beinahe gleichmäßig. Infolgedessen
geht der in unmagnetischen Teilen, wie einem Spalt oder einem Hohlraum, existierende
Magnetfluss ungefähr
proportional zum darin herrschenden magnetischen Widerstand. Dies bedeutet,
dass der nachteilige Effekt verringert werden kann, bei dem, wie
in der Vergangenheit, ein großer
Streufluss durch die Wirkung einer hohen magnetomotorischen Kraft
auftritt, wenn der magnetische Widerstand hoch ist.
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Es
ist möglich,
mit Elektromagnetstahl als Material für einen Rotormagnetpol eine
Magnetflussdichte vom hohen Wert von 1,7 Tesla zu erzielen.
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Um
einen Permanentmagnet gemeinsam für jeden Magnetpol zu verwenden
und um eine Magnetflussdichte mit einem Wert nahe an der Sättigungsflussdichte
von Magnetstahl zu verwenden, ist es erforderlich, einen Magnetflusskreis
für den
N-Pol, einen Magnetflusskreis für
den S-Pol und einen isolierenden Teil auf wirkungsvolle Weise im
Inneren des Rotors unterzubringen. Jedoch bestand das Problem, dass
der Raum innerhalb eines Rotors nicht wirkungsvoll genutzt werden
konnte. Genauer gesagt, bestand nicht ausreichend Raum dafür, dass der
induktive Magnetpfad einen Magnetfluss aus jedem Teil eines Magnetpols
an der Rotorfläche
auf den Teil des gemeinsamen Magnetflusskreises für den N-Pol,
oder desjenigen für
den S-Pol, induzierten konnte, um Magnetpole an der Rotorfläche zwischen dem
Nordpol und dem Südpol
umzuschalten und einen Wert nahe an 1,7 Tesla zu erzielen.
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Als
Maßnahme
zum Überwinden
des genannten Problems ist durch die Erfindung eine Vorgehensweise
zum Erhöhen
der effektiven Magnetflussdichte jedes Teils der Magnetpole an der
Rotorfläche unter
Verwendung der oben genannten Motorstruktur ge schaffen. Beispielsweise
liefern, wenn in einem speziellen Teil der Rotoroberfläche ein
bestimmter Magnetfluss erforderlich ist, mehrere einzelne Permanentmagnete,
die in der Nähe
des Rotorumfangs angeordnet sind, den erforderlichen Fluss, und
andere individuelle Permanentmagnete, die an einem anderen Ort positioniert
sind, liefern die Hälfte
des erforderlichen Flusses an Magnetpole im oben genannten speziellen
Teil des Rotorumfangs über
den gemeinsamen Magnetflusskreis und den induktiven Magnetpfad,
der Teil des Kreises ist. Derartige Vorgänge ermöglichen es, dass der induktive
Magnetpfad nur die Hälfte
des an der Rotoroberfläche
erforderlichen Magnetflusses benötigt.
Dies führt
zur Erzeugung eines starken Magnetflusses an der Rotoroberfläche und ergibt
ein großes
Drehmoment.
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Darüber hinaus
kann durch das Anbringen eines gemeinsamen Permanentmagnets zwischen dem
gemeinsamen Magnetflusskreis für
den N-Pol sowie eines gemeinsamen Permanentmagnets für den S-Pol
der durch den Rotor erzeugte Magnetfluss weiter erhöht werden.
Obwohl die Konstruktion eines erfindungsgemäßen Motors etwas komplizierter
als diejenige des in 11 dargestellten herkömmlichen Motors
ist und die Tendenz besteht, dass innerhalb des Rotors mehr Streufluss
erzeugt wird, kann die erfindungsgemäße Konstruktion den Streufluss
kompensieren und dafür
sorgen, dass ein Motor mehr Drehmoment erzeugt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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1 ist
eine Schnittansicht eines Permanentmagnetmotors gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 ist
eine axiale Schnittansicht des Motors von 1;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, die einen Hauptteil des Rotors im
Motor gemäß 1 zeigt;
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4 ist
eine vergrößerte Teilansicht
von 2;
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5 ist
eine Schnittansicht eines Permanentmagnetmotors gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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6 ist
eine axiale Schnittansicht des Motors von 5;
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7 ist
eine Zeichnung der Rotoroberfläche
des Motors von 5 mit Abwicklung in die Rotationsebene;
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8 ist
eine Schnittansicht eines anderen Permanentmagnetmotors;
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9 ist
eine axiale Schnittansicht des Motors von 8;
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10 ist
eine Schnittansicht eines Permanentmagnetmotors gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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11 ist
eine Schnittansicht eines bekannten Permanentmagnetmotors; und
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12 ist
ein Betriebscharakteristikdiagramm hinsichtlich des Magnetflusses
B und der magnetomotorischen Kraft H eines Permanentmagnets.
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1 zeigt
die Strukturen eines Stators und eines Rotors in einem Permanentmagnetmotor
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Der Stator 1 besteht aus einem Laminat von Elektromagnet-Stahlblechen
in axialer Richtung, und er ist mit 18 Schlitzen S1 bis S18 versehen.
Durch jeden Schlitz ist eine bipolare, dreiphasige Wechselstromwicklung
geführt,
wie sie üblicherweise
bei einem Induktionsmotor verwendet wird. Die Zähne des Stators sind so ausgebildet,
dass die Breite jedes Vorderendes beinahe der Breite jedes Schlitzeinlasses
entspricht. Daher ändert
sich der magnetische Widerstand in regelmäßigen Intervallen in Richtung der
Statordrehung, gesehen vom Rotor aus. Der Rotor verfügt über eine
etwas komplizierte Form, bei der 17 Sätze von Nord- und Südpolen um
den Umfang herum angeordnet sind. Die Materialien und die Grundkonstruktion
des Rotors entsprechen weitgehend denjenigen des Stators, wobei
Elektromagnet-Stahlblech in axialer Richtung aufeinanderlaminiert
sind, jedoch besteht keine Einschränkung auf Elektromagnetstahl.
Durch die Anzahl 17 der Schlitze ist zwischen den Statorschlitzen
und den Rotormagnetpolen eine solche Beziehung errichtet, dass ihre Relativpositionen
verschieden sind. In 2 ist eine axiale Schnittansicht
nur des Rotorteils dargestellt, wie er in 1 durch
die Linie A und B gekennzeichnet ist, und 3 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines zugehörigen Hauptteils. Eine unmagnetische Rotorachse 4 besteht
z. B. aus rostfreiem Stahl. Die Magnetflusskreise für den N-Pol 5 sowie
diejenigen für
den S-Pol 6, wie sie in den 1 bis 3 veranschaulicht
sind, haben dieselbe Form. Sie sind abwechselnd mit einer Verschiebung
von 1/34 in Drehrichtung angeordnet, und sie sind auch abwechselnd in
Richtung der Rotorachse angeordnet, wie es in 2 dargestellt
ist. Da sich die Magnetflusskreise für den N-Pol 5 sowie
diejenigen für
den S-Pol 6 in den Zeichnungen in axialer Richtung überlappen, sind
die Magnetflusskreise für
den N-Pol 5 durch durchgezogene Linien gekennzeichnet,
während
diejenigen für
den S-Pol 6 durch gestrichelte Linien gekennzeichnet sind.
Jeder von einer Anzahl von Permanentmagneten 7 ist als
Rechteck ausgebildet, dass sich in Richtung der Rotorachse über die
Magnetflusskreise 5 und 6 erstreckt. Die Magnetpole
der Permanentmagnete sind in 1 durch
schraffierte Linien gekennzeichnet, und sie zeigen in Richtung S oder
N, wie es in der Figur dargestellt ist. Daher ist ein Teil des Rotorumfangs,
der zu den Magnetflusskreisen für
den N-Pol 5 gehört,
zum Nordpol magnetisiert, und ein Teil, der zu den Magnetflusskreisen
für den
S-Pol 6 gehört,
ist zum Südpol
magnetisiert. Die Magnetflusskreise für den N-Pol 5 sind
im Inneren des Rotors magnetisch von den Magnetflusskreisen für den S-Pol 6 getrennt.
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Nun
wird der Betrieb des in 1 dargestellten Permanentmagnetmotors
betrachtet. Sein Betriebsgrundkonzept ist ähnlich demjenigen des bekannten
Motors von 11. Als Beispiel sei angenommen,
dass eine einzelne Windung einer Wicklung durch den Schlitz S5 von
der Oberseite zur Unterseite der Papierebene von 1 gezogen
ist, während
sie in der entgegengesetzten Richtung durch den Schlitz S14 gezogen
ist. Hinsichtlich der Änderungsrate
des Streuflusses Φ bei
Drehung gegenüber
der Wicklung, wie durch dΦ/dΘ ≈ ΔΦ/ΔΘ repräsentiert,
ist in diesem Fall davon auszugehen, dass eine infinitesimale Änderung ΔΘ bei der
Drehung eine leichte Drehung in Uhrzeigerrichtung zeigt. Dann scheint
eine infinitesimale Änderung ΔΦ des Magnetflusses
den Magnetfluss des Nordpols in der Richtung von der Unter- zur
Oberseite der Papierebene an acht oder neun jeweiligen vorstehenden
Polen des Stators in 1 zu erhöhen. Daher zeigt die Änderungsrate ΔΦ/ΔΘ des Magnetflusses Φ bei Drehung
eine ungefähr
achtfache Erhöhung
im Vergleich zum oben genannten Bipolar-Synchronmotor mit Permanentmagnet, und
dasselbe gilt für
das erzeugte Drehmoment. Der Motor von 1 unterscheidet sich
von dem gemäß 11 hinsichtlich
der magnetischen Funktion der Permanentmagnete, die von den verschiedenen
Strukturen der Magnete abhängt. Wie
es in 4, einer Teilvergrößerung aus 1, veranschaulicht
ist, wirken die Permanentmagnete 7 wie folgt. In einem
Teil, in dem die Magnetpole des Rotors einem Teil der vorstehenden
Statorpole gegenüberstehen,
fließt
der Magnetfluss, der von den an der Seitenfläche der Magnetpole liegenden
Permanentmagnete herrührt, in
einen Teil der vorstehenden Pole der Schlitze. Gleichzeitig fließt überschüssiger Magnetfluss,
wie er von anderen Permanentmagneten herrührt, über Magnetflusskreise im mittleren Teil
des Rotors zu den Magnetpolen des Rotors. Im Ergebnis wird der überschüssige Magnetfluss
an denjenigen Teil der vorstehenden Statorpole geliefert, der den
Rotormagnetpolen zugewandt ist. In einem anderen Teil, in dem die
Rotormagnetpole einem Teil der Schlitze des Stators zugewandt sind,
ist der magnetische Widerstand im Teil der Schlitze hoch. Daher
wird magnetischer Fluss, wie er von den Permanentmagneten herrührt, die
an der Seitenfläche
der Magnetpole des Rotors liegen, entgegengesetzt zum oben genannten
Fall, an andere Magnetpole mit geringerem magnetischem Widerstand
geliefert, d. h. an einen Teil, in dem die Magnetpole den vorstehenden
Statorpolen zugewandt sind, und zwar über Magnetflusskreise im zentralen
Teil des Rotors. Da der Magnetfluss jedes Permanentmagnets auf diese
Weise über
einen gemeinsamen Magnetflusskreis für den N-Pol oder einen solchen
für den
S-Pol an die Magnetpole mit niedrigem magnetischem Widerstand geliefert
wird, werden die Permanentmagnete wirkungsvoll genutzt. Dies ermöglicht es,
ein hohes Drehmoment zu erzeugen. Betreffend die BH-Eigenschaften
des in 12 dargestellten Permanentmagnets,
liegt jeder Arbeitspunkt der jeweiligen Permanentmagnete nahe an
P1. Daher wirkt ein großer, B1
entsprechender Magnetfluss auf wirkungsvolle Weise. Es existiert
auch nur eine sehr geringe Möglichkeit
der Erzeugung eines B2 entsprechenden Magnetflusses, der am Arbeitspunkt
OP2 wirkt, wobei die magnetomotorische Hauptkraft H2 an den Teil
der Schlitze geliefert wird, mit einer Wechselwirkung hinsichtlich
des Motorbetriebs wie im Fall des in 11 dargestellten
Motors.
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5 zeigt
eine Schnittansicht eines Permanentmagnetmotors gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Der Grundaufbau dieses Ausführungsbeispiels ist identisch
mit dem des Permanentmagnetmotors von 1. In 6 ist eine
axiale Schnittansicht nur des Rotorteils dargestellt, wie durch
die Schnittlinien C und D in 6 gekennzeichnet.
Im Gegensatz zum durch die 1 und 2 veranschaulichten
Motor sind N-Hilfsmagnetpole 9 und S-Hilfsmagnetpole 8,
wie in 6 angegeben, hinzugefügt. Beim Motor von 2 folgen die
einzelnen Magnetpole des Rotors in axialer Richtung nicht aufeinander.
Der Motor des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ist so aufgebaut, dass alle Magnetpole des Rotors in axialer Richtung
aufeinanderfolgen, wie es in 6 dargestellt
ist. Die Außenform des
Rotors dieses Motors ist in 7 als Abwicklung in
der Drehebene veranschaulicht. Tatsächlich sind die Permanentmagnete 7 von
der Außenseite
des Rotors her nicht erkennbar. Jedoch sind zum Erleichtern des
Verständnisses
die im Inneren des Rotors liegenden Permanentmagnete 7 in
dieser Figur durch gestrichelte Linien veranschaulicht, wobei 17
Sätze von
Nord- und Südpolen
in der Auf-Ab-Richtung des Papiers positioniert sind, d. h. in der
Drehrichtung des Rotors. Magnetflusskreise des Rotors werden aus
einem Elektromagnetstahl erforderlicher Form hergestellt, der durch
eine Presse ausgestanzt wird, woraufhin ein Laminieren in axialer
Richtung erfolgt. Dieses Aufeinanderlaminieren von Elektromagnet-Stahlplatten
erfolgt mit einer Presse automatisch mittels eines Staplungsteils 10,
das wie folgt aufgebaut ist. Ungefähr die Hälfte der Dicke des Elektromagnetstahls
wird durch die Presse zusammengequetscht und mit einer benachbarten
Elektromagnet-Stahlplatte zusammengesetzt, um die Elektromagnet-Stahlplatten
zu stauchen und zu fixieren. Der Umfang des in 5 dargestellten
Rotors ist unter Verwendung eines kleinen Teils zu einem Kreis geformt,
und alle Magnetpole des Rotors sind durch das kleine Teil miteinander
verbunden. Diese Verbindung verhindert ein Verrutschen einzelner
Teile aus Elektromagnetstahl, wenn ein Stanzen durch die Presse
erfolgt, um so den Zusammenbau zu vereinfachen. Die Verbindung im
Um fangsbereich des Rotors ist für
den elektromagnetischen Betrieb nicht erforderlich. Für den Magnetpfad
ist dies etwas abträglich,
da der Magnetfluss jedes Magnetpols durch die Verbindung streut.
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Für den Betrieb
des in 5 dargestellten Permanentmagnetmotors ist es wesentlich,
dass die N-Hilfsmagnetpole 9 und die S-Hilfsmagnetpole 10 vorhanden
sind. Dadurch wird mehr Magnetfluss von jedem Permanentmagnet 7,
die in axialer Richtung in der Nähe
des Rotorumfangs liegen, an jeden Magnetpol des Rotors geliefert,
und zwar in Vergleich mit dem in 1 dargestellten
Motor. Diese Konstruktion erhöht
das vom Motor erzeugte Drehmoment.
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6 zeigt
die Schnittansicht eines anderen Permanentmagnetmotors. In 9 ist
eine axiale Schnittansicht nur des Rotorteils dargestellt, wie durch
die Schnittlinien E und F in 8 gekennzeichnet.
Die Grundstruktur dieses Ausführungsbeispiels ist
identisch mit der des Permanentmagnetmotors von 1,
jedoch sind keine in der Nähe
des Rotorumfangs positionierte Permanentmagnete 7 angebracht.
Als Kreisplatte geformte Permanentmagnete 11 sind zwischen
dem Magnetflusskreis für
den N-Pol 5 positioniert, und Permanentmagnete für den S-Pol 6 sind
innerhalb des Rotors, anstelle der Permanentmagnete 7,
positioniert. Die Permanentmagnete 11 müssen nicht notwendigerweise
als Kreisplatte geformt sein, sondern sie können verschiedene Formen aufweisen.
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Der
Motor dieses Ausführungsbeispiels
arbeitet ähnlich
wie die in den 1 und 5 dargestellten
Motoren, was nachfolgend beschrieben wird. Die innerhalb des Rotors
positionierten Permanentmagnete 11 liefern, wie oben angegeben,
Magnetfluss an jeden der Magnetpole in einem Teil um den Rotorumfang.
Im Vergleich mit den in den 1 und 5 dargestellten Motoren
benötigt
der Motor dieses Ausführungsbeispiels
weniger Permanentmagnete, und er verfügt über den Vorteil eines vereinfachten
Aufbaus. Beim Permanentmagnetmotor von 6 ist für die Rotorachse
unmagnetisches Material wie rostfreier Stahl verwendet, und der
Magnetflusskreis für
den N-Pol 5 ist z. B. über
einen Spalt magnetisch gegen den Magnetflusskreis für den S-Pol 6 getrennt.
Trotz der Trennung reicht die Spaltweite nicht aus, um die Erzeugung
eines Streuflusses völlig
zu verhindern. Beim Permanentmagnetmotor von 9 liegen
die Permanentmagnete 11 an einem Ort, an dem es wahrscheinlich
ist, dass kein Streufluss auftritt. Daher besteht der Effekt eines
verringerten Streuflusses.
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Ein
Permanentmagnetmotor gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der Erfindung entspricht dem in den 5 und 6 dargestellten Permanentmagnetmotor,
zu dem jedoch Permanentmagnete 11 hinzugefügt sind,
wie sie in 9 dargestellt sind. 8 zeigt
eine Schnittansicht dieses Motors in radialer Richtung, und 9 zeigt
einen axialen Schnitt, der durch Schnittlinien E-F in 8 gekennzeichnet
ist. Da der Nordpol und der Südpol
bei jedem erfindungsgemäßen Motor
nahe beieinander angeordnet sind, ist das Grenzgebiet der Magnetpole mit
einem Spalt oder dergleichen versehen, um den magnetischen Fluss
zu variieren. Jedoch kann aufgrund Konstruktionsbeschränkungen
betreffend die Spaltweite ein beachtlicher Streufluss auftreten.
Um diesen zu kompensieren, ist der Permanentmagnetmotor dieses Ausführungsbeispiels
so aufgebaut, dass zum mittels 5 beschriebenen
Permanentmagnetmotor die Permanentmagnete 11 hinzugefügt sind.
Diese verringern den Streufluss und liefern magnetischen Fluss an
jeden Magnetpol am Umfang des Rotors, elektrisch parallel zu den
Permanentmagneten 7 in der Nähe eines Teils um den Rotorumfang.
Dies macht den Magnetfluss jedes Magnetpols in der Nähe des Teils
um den Rotorumfang hoch und erhöht
das vom Motor erzeugte Drehmoment.
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10 zeigt
einen Permanentmagnetmotor gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Der Stator dieses Motors verfügt über vier Magnetpole XP, XN,
NP und YN mit vier vorstehenden Polen, die jeweils in der Statorrotationsrichtung positioniert
sind. Um jeden der Magnetpole für
den Stator ist eine bipolare Wechselstromwicklung 12 gewickelt.
Die Pole XP und XN verfügen über entgegengesetzte
Phasen einphasiger Magnetpole für
den Stator, und ihre jeweiligen Wicklungen sind umgekehrt in Reihe
gewickelt. Die Pole NP und YN weisen entgegengesetzte Phasen andersphasiger
Magnetpole für
den Stator auf, als es der einzelnen Phase entspricht, und ihre
jeweiligen Wicklungen sind umgekehrt in Reihe gewickelt. Die Phasen
der Pole XP und XN sind elektrisch um 90° gegen die Phasen der Pole YP
und YN versetzt. Der Rotor dieses Motors ist dem Rotor des in 5 dargestellten
Motors ähnlich. Andere
Rotoren, wie sie zu den oben genannten Figuren beschrieben sind,
können
beim Motor dieses Ausführungsbeispiels
angewandt werden.
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Der
Motor dieses Ausführungsbeispiels
arbeitet so, dass das Drehmoment dadurch erzeugt wird, dass ein
bipolarer Wechselstrom synchron mit der Rotordrehung durch jeweilige
Wicklungen geleitet wird. Was die Stärke des Drehmoments betrifft, könnte die
Rotationsänderungsrate ΔΦ/ΔΘ des Magnetflusses Φ ungefähr eine
vierfache Erhöhung
im Vergleich zum oben genannten Bipolar-Synchronmotor mit Permanentmagneten
zeigen, und dasselbe gilt für
das erzeugte Drehmoment.
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Obwohl
die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
beschrieben wurde, ist zu beachten, dass die Struktur erfindungsgemäßer Motoren
nicht auf die Anwendung bei Rotationsmotoren beschränkt ist,
sondern dass durch lineares Abwickeln der Struktur auch eine Anwendung
bei Linearmotoren erfolgen kann. Durch die Erfindung ist auch eine
Modifizierung umfasst, bei der ein Teil der in jedem Bereich positionierten
Permanentmagneten weggelassen ist, da teilweises Weglassen von Permanentmagneten
die Wirkung nicht ändert.
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Obwohl
bei den Ausführungsbeispielen
Motoren mit dreiphasiger Wechselstromwicklung und zweiphasiger Wechselstromwicklung
veranschaulicht sind, können
auch Motoren mit andersphasigen Wechselstromwicklungen verwendet
werden, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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Die
Erfindung hat die Wirkung einer Erhöhung des durch den Motor erzeugten
Drehmoments, da die Permanentmagnete die magnetomotorische Kraft
und den Magnetfluss verringern können,
die den Motorbetrieb stören.
Gleichzeitig wird die Funktion der Permanentmagnete unter Verwendung
der Magnetflusskreise für
den N-Pol, der Magnetflusskreise für den S-Pol, der N-Hilfsmagnetpole sowie der
S-Hilfsmagnetpole wirkungsvoll genutzt. Infolgedessen nehmen die
Magnetflussdichte im Betrieb und das durch den Motor erzeugte Drehmoment
zu. Dies ermöglicht,
dass der Motor billig mit erhöhtem Drehmoment
und/oder kleinerer Größe hergestellt werden
kann.