Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Elektromotor, nämlich einen Gleichstrommotor oder einen Synchronmotor. Jedoch können die Prinzipien der Erfindung vorteilhaft auch für andere rotierende oder nicht rotierende elektrische Maschinen Anwendung finden, die zur Übertragung von Kräften dienen, eine technisch nutzbare Arbeit leisten oder in andere Energieformen umsetzen. So ist die Erfindung auch anwendbar für elektrische Generatoren, für Umformer und Magnet- kupplungen sowie für Elektromagneten. Darüberhinaus ist die Erfin¬ dung anwendbar auch für Linearmotoren oder für elektrische Meßinstrumente. ^■

Bei klassischen permanentmagneterregtem Elektromotoren, gleichgültig ob Gleichstrommotoren oder Synchronmotoren, sind die schalenförmigen Permanentmagnete mit ihrer magnetischen Nord-Süd-Achse radial im Ständer oder im Läufer angeordnet.

Es ist auch bereits ein Elektromotor bekanntgeworden, bei dem die Magnetisierung nicht radial, sondern parallel zu der Polachse verläuft.

Beide Magnetisierungsarten bewirken eine Leerlaufinduktion im Luftspalt des Motors, die ungefähr rechteckig verläuft (vgl. Fig. 9). Diese Induktion läßt sich bis zu einer gewissen Grenze erhöhen, indem man die radiale Höhe der Dauermagnetpole vergrößert. Von einer bestimmten Magnet- höhe an gewinnt man jedoch praktisch nichts mehr an Luftspaltinduktion

(und somit an Erregerfluß im Motor). Dieser Grenzwert der Induktion liegt immer unter der remanenten Induktion des verwendeten dauermagnetischen Werkstoffs (vgl. Fig. 9 für einen 6-poligen Motor: die Luftspaltinduktion beträgt etwa 70% von der Remanenz) .

Sowohl die Form als auch der Wert, der mit radial (oder achsparallel) magnetisierten Magneten erreichbaren Luftspaltinduktion sind nicht immer vorteilhaft. Ein Weg zur leichten Verbesserung des InduktionsVerlaufs - in Richtung eines sinusförmigen Verlaufs über den Polwinkel - besteht in einer teuren Gestaltung der Magnete: diese sind radial nicht mehr gleichmäßig hoch, sondern weisen in der Polmitte eine größere Höhe als an den Polrändern auf. Ein Weg die Luftspaltinduktion über die Remanenz hinaus zu erhöhen, ist die sogenannte "Sammler-Konstruktion", welche den Dauermagnetfluß über Eisenpole "sammelt" und zum Luftspalt führtl (Das Prinzip eines bekannten "Sammler-Motors" geht aus Fig.I hervor.) 0 Die Nachteile der Sammler-Konstruktion sind bekannt: Außer den viel höheren Herstellungskosten sind noch die viel stärkere unvorteilhafte Ankerrückwirkung (die mit kostspieligen Maßnahmen unter¬ drückt werden muß) und die höheren Reluktanz-Drehmomente im Leerlauf zu nennen. Außerdem "sammelt" so ein Motor nur bei verhältnismäßig - kleinen Polteiϊungen, also bei großen Polzahlen (unter 6 Polen lohnt ' ' sich kaum eine Sammlerkonstruktion) . Allerdings erreicht man mit einem Sammlermotor im (idealen) Grenzfall Luftspaltinduktionen bis zur Sättigungsinduktion des Weicheisens und somit größere Drehmomente als mit der Schalenkonstruktion. Auch kann man durch eine besondere Gestaltung Q der Eisenpole zwischen den Dauermagneten die Form der Luftspaltinduktion sehr elegant beeinflussen.

Alle bekannten Permanentmagnet-Erregungen für Motoren bedingen einen magnetischen Rückschluß zwischen den entgegengesetzt magnetisierten ~ benachbarten Dauermagneten (der Sammler-Effekt basiert sogar auf der Wirkung dieser Weicheisenteile).

Der Schalenmotor kann zwar auch ohne Rückschluß arbeiten, doch fällt dann die Lufts altInduktion drastisch ab (Fig. 9) und zwar ausgerechnet Q in der Polachse, wo sie hoch sein sollte. Ein solcher Verlauf ist über¬ haupt nicht mehr interessant. Um diese verminderte Luftspaltinduktion

zu erhöhen, müssen die Dauermagnete extrem hoch ausgelegt werden, was sicherlich unvorteilhaft ist.

Das:Vorhandensein eines kräftigen Eisenrückschlusses ist jedoch aus mehreren Gründen nicht erwünscht: Erstens bedingt dieser ein höheres Gewicht und (.bei äußerer Erregung) größere Gesamtabmessungen des Motors., Zweitens verstärkt der Rückschluß den negativen Effekt der Ankerrückwirkung, d.h. die Verzerrung der Luftspaltinduktion mit allen ihren.unerwünschten Folgen. Vor allem bei flachen Schalenmagneten - wie

101( die aus den hochenergetischen Werkstoffen SmCo und NdFeB immer sind - verstärkt der Rückschluß die Ankerrückwirkung sehr unvorteilhaft. Außerdem bedingt ein Eisenrückschluß eine höhere Induktivität der Ankerwicklung, was die dynamischen Vorgänge im System ebenfalls negativ beeinflussen kann. 5

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße elektrische Maschine derart zu verbessern, daß die Feldverteilung optimiert wird.

0:

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Durch die Lage der Magnetisierungsvektoren, die richtungsmäßig mit der magnetischen Vόrzugsrichtung der jeweiligen Einzelmagnete zusammenfallen, wird erreicht, da der. Fluß zwischen den beiden Polflächen eines einander zugeordneten Polpaares - im wesentlichen über die Permanentmagnete geschlossen wird, so daß ein magnetischer Rückschluß über zusätzliche Eisenteile nicht oder nur in sehr vie geringerem Maße als bisher erforderlich ist. Eine optimale Feldverteilung könnte dann erreicht werden, wenn unendlich viele Permanentmagnete aneinander¬ gereiht werden.

Aus praktischen Gründen ist es jedoch notwendig, die Zahl der Einzelmagnete zu begrenzen, und es hat sich herausgestellt, daß bereits drei Eiπzelmagnete pro Polpaar eine wesentliche Verbesserung in mehrfacherer Hinsicht gewährleisten.

Durc die Erfindung werden die Vorteile der Schalenmagnet-Ausführung (sehr einfache Herstellung, geringe Ankerrückwirkung, geringe Raster¬ momente) und die Vorteile der Sammlerausführung (hohes, flexibel gestalt- bares Luftspaltfeld) in einer Konstruktion vereinigt. Außerdem kann man mit der erfindungsgemäßen Permanentmagneterregung elektrische Maschinen realisieren, die keinen Eisenrückschluß für die Permanentmagnete benötigen, was bei allen bekannten Konstruktionen bisher praktisch noch nicht durch¬ führbar war.

Die Erfindung gewährleistet also eine Verringerung der Eisenverluste, weil meist kein magnetischer Rückschluß aus Eisen erforderlich ist. Die Ankerrückwirkung wird aus dem gleichen Grunde wesentlich kleiner. Ferner kann ein nahezu sinusförmiges Feld erreicht und die Gefahr der irreversiblen Entmagnetisierung der Dauermagnete verringert werden.

Es sind zwar für die Nuklearmedizin (Kernmagnetresonanz-Tomographie) bereits Ringmagnete entwickelt worden, die im Inneren ein homogenes Magnetfeld aufweisen. Auch für Elektronen-Fokussierung und andere physikalisch Geräte wurden "innere" Magnetfelder mit verschiedenartig magnetisierten

Magnetsegmenten bereits entwickelt. In allen diesen Fällen sind jedoch keine elektrischen Leiter vorhanden, die relativ zu diesem Magnetfeld bewegt werden und mit ihm zusammenwirken, um eine Kraft oder eine Spannung zu erzeugen. Alle bekannten Ringmagnete (neuerdings "magic rings" genannt) erzeugten (fast) homogene Magnetfelder. Bei der Erfindung ergeben sich ganz andere

Feldstrukturen, nämlich solche, die dann entstehen, wenn man in unmittelbarer Nähe eines solchen Ringmagneten Weicheisen anbringt (dies ist nicht der Rückschluß der Magnete, sondern das im Anker vorhandene Eisen, über das der Erregerfluß sich schließt). Oder es wird mit zwei Ringsystemen - das innere fü ein äußeres Feld und das äußere für ein inneres Feld - ein Luftspaltfeld erzeugt.

Während bei den bekannten "magic rings" ein homogenes Magnetfeld erzeugt werden soll, geschieht in der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ein viel komplizierteres Phänomen: das von dem Ring erzeugte multipolare Magnetfeld wird an der Eisenoberfläche "reflektiert" und im Luftspalt der Maschine erscheint die Superposition des ursprünglichen und des reflektierten Feldes. Hat der Ring zusätzlich einen eigenen magnetischen Rückschluß, so wirkt auch dessen Oberfläche als Reflexionsfläche für die Felder, so daß das Luftspaltfeld als die Superposition unterschiedlich starker multipolarer Felder erscheint. Der Verlauf der Feldstärke über der Polbreite sieht bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine völlig anders aus als bei dem "magic ring".

Die Erfindung ist primär vorgesehen zur Schaffung elektrischer Motoren, insbesondere auch solche hoher Leistung mit Durchmessern von mehreren Metern, bei denen eine verminderte Ankerrückwirkung und das Fehlen des Eisenrückschlusses besonders vorteilhaft sind.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele stellen sämtlich rotierende elektrische Maschinen dar. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch anwendbar ist für lineare Anordnungen, d.h. für abgewickelte Stator-Rotor-Anordnungen oder magnetische Hubvorrich¬ tungen oder dergleichen.

In der Zeichnung zeigen:

Fig.I eine schematische Ansicht eines den Stand der Technik repräsentierende "Sammlermagnet"-Motors;

Fig. 1 bis 3 schematische Darstellungen einer Ringmagnetanordnung mit außen liegendem Feld;

Fig. 4 eine Ringmagnetanordnung mit auf den Innenraum beschränktem Feld;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer rotierenden elektrischen Maschine mit innen liegendem Anker;

Fig. 6 bis 8 Ausführungsbeispiele elektrischer Maschinen mit außen liegendem Anker.

Fig. 9 in. einem Diagramm den Vergleich zwischen der Luftspaltinduktion in einem bekannten sechspoligen Motor mit radialer Magnetisierung und einem erfindungsgemäßen Erregersystem (jeweils bei glattem Anker);

Fig. 10 in einem Diagramm die Luftspaltinduktion in einem erfindungsgemäßen sechspoligen Motor (bei glattem Anker) bei verschiedener Anzahl der Segmente (2,3,10);

In allen Figuren sind die sektorförmigen Einzelmagnete (10), die sich zu einem Ring ergänzen, mit Pfeilen versehen. Diese Pfeile geben den Magnetisierungsvektor der einzelnen Magnete an, dessen Richtung mit der jeweiligen Vorzugsrichtung der Magnete zusammenfällt, falls diese an isotrop sind. Die Einzelmagnete schließen sich in Umfangsrichtung luftspaltl aneinander oder es sind, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, zwischen

verschiedenen Gruppen Luftspalte belassen. Der in den Figuren 1 bis 3 innerhalb des Ringmagneten angeordnete Ring (12) bzw. der bei Fig. 4 außen liegende Ring (14) bilden einen Rückschluß, der den Dauermagnetfluß führt. In vielen Fällen kann dieser Rückschluß wegfallen. In jedem Falle ka der Rückschluß mit geringeren Dimensionen hergestellt werden, als bei

_5 herkömmlichen Maschinen.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1, 3 und 4 liegt die Polachse

10 jeweils zwischen zwei Einzelmagneten, deren Magnetisierungsvektoren symmetri schräg verlaufend angeordnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 liegt der Magnetisierungsvektor des jeweils in der Polachse liegenden Einzelmagneten in radialer Richtung.

Im einzelnen ergibt sich die Richtung der Magnetisierungsvektoren _._ im i-ten Magnetsegment durch die folgende Beziehung:

^• Tfc * - ^■ ^. wenn ein Magnetfeld außerhalb des Ringes zu erzeugen ist und durch

•γi = v? fi

20 wenn ein Magnetfeld innerhalb des Ringes zu erzeugen ist. Dabei ist für das äußere Feld : n = 0,1,2,... für das innere Feld : n = 2,3,4,... „c- ^{' ~} - Winkel,der durch die Verbindung des Schwerpunktes des i-ten

Magnetsektors mit der Achse des Motors mit einem beliebigen, aber festen Radiusvektor gegeben ist. - = Winkel, der im gleichen Drehsinn und von der gleichen Winkel- Null-Lage ausgehend, wie Lf zu zählen ist.

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Die Fig. 5 zeigt eine der Fig. 4 entsprechende Ringmagnetanordnung in Verbindung mit einem innen angeordneten Anker (16) mit zwölf Nuten und mit vier statt mit acht Polen. Diese Nuten sind in üblicher Weise mit Spulen versehen. Die Wicklungen können jedoch auch direkt im Luftspalt auf einem glatten Anker liegen.

Die Figuren 6 bis 8 zeigen eine den Figuren 1 bis 3 entsprechende R ng-r magnetanordnung (jedoch nur mit vier Polen) mit außen liegendem Anker (18), dessen Nuten ebenfalls in üblicher Weise mit Spulen versehen sind. Fig. 7 zeigt, wie man die gleiche 4-polige Erregung, wie bei Fig.6 mit nur zwölf statt mit 24 Magnetsegmenten erzeugen kann, nämlich mit drei Segmenten pro Pol. Bei Fig. 7 fällt die Polachse mit der Achse eines Magnetsegmentes zusammen, bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.8 dagegen mit der Grenze zwischen zwei Segmenten. Die erzeugten Feldverteilungen sind unterschiedlich, was die Flexibilität der Feldgestaltung erkennen läßt»

Fig 9 zeigt den Unterschied zwischen dem Induktionsverlauf im Luftspalt bei der bekannten radialen Magnetisierung und bei dem erfindungsgemäßem Erregersystem. Mit dem erfindungsgemäßen System kann man einen praktisch sinusförmigen Verlauf erreichen, wobei der Maximalwert über der Remanenz liegt. Mit stärkeren Magneten kann man diesen Wert noch weiter erhöhen. Bei der radialen Magnetisierung wurde demgegenüber bereits der Höchstwert ( 70% der Remanenz) e eicht. Das erfindungsgemäße System ohne Eisenrückschluß ist für viele Anwendungen günstiger, als bekannte Systeme mit Eisenrückschluß da in den seitlichen Bereichen ohnehin kein Feld erwünscht ist.

Fig..10 zeigt, wie mit ansteigender Anzahl von Segmenten der Induktionsver¬ lauf sich immer weiter der Sinusform annähert. Aber selbst bei drei oder bei zwei Segmenten pro Pol ergeben sich weitgehende Vorteile hinsichtlich der Induktion»

Außer diesen wenigen hier dargestellten Ausführungsbeispielen ist eine große Variation weiterer Ausführungsbeispiele im Rahmen der Erfindung denkbar. Beispielsweise ist es möglich, die Ringmagnet-Anordnungen gemäß Fig. 3 und 4 koaxial zueinander derart anzuordnen, daß ein inneres Magnetfeld (Fig. 4) mit einem äußeren Magnetfeld (Fig. 3) zusammenwirkt, d.h. die Magnetanordnung gemäß Fig. 3 ist von der Magnetanordnung gemäß Fig. 4 umschlossen. In diesem Falle erhält man eine wirksame Magnet¬ kupplung.

Es ist ferner möglich, bei einer derartigen konzentrischen Anordnung zweier Ringmagnetanordnungen dazwischen einen Spulenaufbau umlaufen zu lassen. Derartige Anordnungen können auch mehrfach konzentrisch ineinander geschachtelt sein.

Die Einzelmagnetbausteine sind, wie aus der Zeichnung ersichtlich, im wesentlichen symmetrisch bezüglich ihrer Magnetisierungsvektoren derart aufgebaut, daß mit einer relativ geringen Zahl von unterschiedlich « magnetisierten Bausteinen ausgekommen wird. So sind bei den Figuren 1, 3 und 4 jeweils nur drei unterschiedlich magnetisierte Segmente erforderlich, und bei der Ausführungsform nach Fig. 2 vier unter- schiedlich magnetisierte Segmente. Durch Umkehren lassen sich die jeweils symmetrischen Teile in der dargestellten Weise einbauen.

In den schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen sind jeweils nur Einzelmagnetsegmente ersichtlich. Es können jedoch in Achsrichtung hintereinander jeweils mehrere Magnete bzw. Magnetsegmente angeordnet werden, deren Magnetisierungsvektoren außer ihrer Radialkomponente und der in Umfangsrichtung verlaufenden Komponente auch noch eine Axialkomponente aufweisen.

Die Erfindung ist nicht auf die mathematisch exakte Winkellage der Magnetisierungsvektoren beschränkt, und sie umfaßt auch gewisse Abweichungen von diesen Winkeln. Die angegebenen Formeln liefern- Richtlinien, es sind jedo Korrekturen möglich zur flexiblen Gestaltung des Feldes.