ELECTRIC MACHINE

Abstract: 1. An electric machine, comprising : a stator (2) having annularly distributed stator poles (3) provided with current conductors (10), a rotor (32) provided with annularly distributed permanent magnets (30) cooperating with the stator poles (3), at least one sensor (38) sensing the relative position of stator (2) and rotor (32), and a sensor-controlled electronic means for drive-effective switching of the stator pole current conductors (10) depending on the relative position of stator (2) and rotor (32), with the centre-to-centre spacing between adjacent permanent magnet poles (30) being different from the centre-to-centre spacing between adjacent stator poles (3), characterized in that there is provided a plurality of sensor-controlled electronic switching means (40), each for simultaneously switching a partial number of adjacent stator poles (3) which, despite the difference in the pole centre-to-centre spacing mentioned, have a substantially identical relative position with respect to the permanent magnet poles (30).

Description: Elektromotor Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor gemäss den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor mit guter Regelbarkeit und hohem Wirkungsgrad zu schaffen. Erfindungsgemässe Lösungen dieser Aufgabe ergeben sich aus der Merkmalskombination des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 sowie der Merkmalskombination des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 2. Diese beiden Lösungen können auch miteinander kombiniert sein. Der erfindungsgemässe Elektromotor benötigt keine verschleissgefährdeten und störungsanfälligen Schleifkontakte und keinen Kollektor, weil die jeweils zeitgerechte Einschaltung der einzelnen Stromleiter auf elektronische Weise erfolgt. Die unterschiedliche Polteilung von Stator und Läufer erbringt die Vorteile eines sicheren Motoranlaufs, eines gleichmässigen Motorlaufs und einer gleichmässigen Netzbelastung, wobei diese unterschiedliche Polteilung erst infolge der zeitgerechten elektronischen Einschaltung der Stromleiter problemlos für die Praxis verfügbar wird. Die Auslegung mit im wesentlichen gleicher Anzahl von Statorpolen und Dauermagnetpolen, die sogenannte einphasige Auslegung, lässt eine optimal hohe Anzahl von Dauermagneten am Läuferumfang zu; infolgedesssen können die magnetischen Rückschlusswege sowohl am Läufer zwischen den Dauermagneten als auch am Stator zwischen den Statorpolen mit geringerem Querschnitt ausgeführt werden, wodurch an Motor#gewicht gespart wird. Die Worte "im wesent lichen" im Kennzeichnungsmerkmal (a) von Anspruch 1 und Anspruch 2 sind verwendet, um der möglichen unterschiedlichen Polteilung am Stator und am Läufer Rechnung zu tragen, wodurch ja mindestens ein Statorpol mehr oder weniger vorhanden ist als der Anzahl der Dauermagnetpole entspricht. Wenn die Dauermagnete radial ausserhalb der Statorpole angeordnet sind, rückt die eigentliche Wirkfläche des Elektromotors, nämlich der Ringspalt zwischen den Dauermagneten und den Statorpolen, radial weiter nach aussen, weil die Dauermagnete im allgemeinen radial weniger Platz benötigen als die Statorpole mit den Stromleitern bzw. Wicklungen. Dies führt zur Möglichkeit der Unterbringung einer gemessen am Bauvolumen besonders hohen Anzahl von Dauermagnetpolen und Statorpolen sowie zu einem grösseren Hebelarm der in der Wirkfläche herrschenden Kräfte relativ zur Drehachse des Motors. Ausserdem werden die Dauermagnete durch die Fliehkraft nach aussen gegen ihre Anbringungsfläche gedrückt, was ihre Befestigung vereinfacht. Der erfindungsgemässe Motor weist ein hohes Verhältnis von Leistung bzw. Drehmoment zu Gewicht bzw. Bauvolumen auf. In den meisten Fällen sind die Stromleiter in Form von Spulen bzw. Wicklungen vorgesehen. Nach dem Prinzip der Erfindung kann auch ein Generator aufgebaut werden. Die verwendeten Begriffe "Stator" und "Läufer" sollen nicht bedeuten, dass der Stator unbedingt der unbewegt bleibende Teil des Elektromotors und der Läufer unbedingt der sich bewegende Teil des Elektromotors ist. Vielmehr sind beide Möglichkeiten, also sich bewegender Stator mit unbewegt bleibendem Läufer und unbewegt bleibender Stator mit sich bewegendem Läufer, ausführbar, sogar die Möglichkeit, dass sich sowohl Stator als auch Läufer mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Der Fall des unbewegt bleibenden Stators ist jedoch bevorzugt, da diesem Strom zugeführt werden muss. Bei der Erfindung werden bevorzugt hochkoerzitive Dauermagnete aus einer Legierung eines Elements aus der Gruppe der seltenen Erden, insbesondere Samarium, mit Kobalt eingesetzt. Solche Magnete erlauben es, mit vergleichsweise grossen Spaltweiten zu arbeiten. Sie zeichnen sich ferner durch eine praktisch gerade Kennlinie im vierten Quadranten aus, wodurch sie gegen Spaltweitenänderungen und Gegenfelder, beispielsweise durch Elektromagnete, relativ unempfindlich sind. Bevorzugte Merkmale hinsichtlich des Aufbaus und insbesondere der elektronischen Steuerung des Elektromotors gehen aus der am gleichen Tage eingereichten europäischen Patentanmeldung mit dem Titel Linearer, elektrischer Antrieb oder Generator" (Anmelderin: Magnet-Bahn GmbH, Anwaltsaktenzeichen: Q 848M) hervor, deren Gesamtinhalt durch ausdrückliche Bezugnahme zum Teil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Als Sensoren sind Hallgeneratoren besonders bevorzugt, da diese konstruktiv bequem auf die Magnetfelder der Dauermagnete ansprechend angeordnet werden können. Es sind aber auch andere Sensoren einsetzbar, beispielsweise Reedkontakte,Photozellen, Ultraschallsensoren, Gasstromsensoren, Induktionssensoren oder Permeabilitätssensoren. Die Weiterbildungen gemäss Anspruch 4 und 5 ergeben Elektromotoren mit an die jeweiligen Einsatzbedingungen anpassbarer Charakteristik und mit besonders gutem, vielfältigem Regelverhalten. Man kann pro Stromleiter bzw. Spule bzw. pro Statorpol einen eigenen Sensor und eine eigene Schalteinrichtung vorsehen. Dabei müssen von der jeweiligen Schalteinrichtung nur vergleichsweise geringe Ströme bzw. Leistungen bewältigt werden, wodurch deren Preis ganz wesentlich überproportional sinkt. Damit einher geht die Verringerung des Kühlaufwandes für die Schalteinrichtungen, die Erhöhung der Redundanz bzw. Zuverlässigkeit, da der Ausfall einzelner Schalteinrichtungen die Gesamtfunktion nicht wesentlich stört, und eine Vereinfachung der Wartung durch Austausch vergleichsweise billiger einzelner Schalteinrichtungen. Schliesslich kommt man auch insgesamt in einen niedrigeren Spannungsbereich, da die Gegen-EMK pro geschaltetem Stromleiter klein bleibt und man sich in einer Vom Isolationsaufwand und damit vom Preisaufwand her günstigen VDE-Klasse halten kann. Andererseits ist es jedoch durchaus möglich und dann, wenn die vorstehenden Gesichtspunkte nicht so stark zu Buche schlagen, günstig, mit einem Sensor bzw. einer Schalteinrichtung mehrere Stromleiter bzw. Spulen mehrerer Statorpole, die sich in mindestens im wesentlichen gleicher Relativstellung zu Dauermagnetpolen befinden, zu schalten. Dabei kann es sich um eine Gruppe benachbarter Statorpole handeln, die trotz der geschilderten unterschiedlichen Polteilung von Stator und Läufer noch eine im wesentlichen gleiche Relativstellung zu Dauermagnetpolen haben. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um das gleichzeitige Schalten von Stromleitern eines Paars von sich diametral gegenüberliegenden Statorpolen bei einem Stator mit einer geraden Anzahl von Statorpolen. Es ist auch möglich, die zugleich zu schaltenden Stromleiter bzw; Spulen verschiedener Statorpole wahlweise in Reihe oder parallel zu schalten. In den Ansprüchen und in der vorstehenden Beschreibung ist durchgehend von einem Einschalten der Stromleiter bzw. Spulen gesprochen worden. Diese Ausdrucksweise soll das nachfolgende, zeitgerechte, elektronische Ausschalten der Stromleiter bzw. Spulen mit umfassen. Die einphasige Auslegung, also das Vorsehen eines Statorpols im wesentlichen pro Dauermagnetpol, hat den weiteren Vorteil, dass unter sich gleiche Spulen bzw. Wicklungen eingesetzt werden können, die sich nicht gegenseitig überlappen bzw. überkreuzen, so dass keine Platz benötigenden Wickelköpfe entstehen. Das ermöglicht eine Serienfertigung der Spulen bzw. Wicklungen und erleichtert ihre Austauschbarkeit. Die Erfindung wird im folgenden anhand schematisch darge stellter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 bis 4 grundsätzliche Konfigurationen eines Elektromotors; Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Elektro motor. In den Figuren 1 bis 4 sind einige grundsätzliche Konfigurationen von Elektromotoren dargestellt. Der in diesen Figuren rechte Teil des jeweiligen Elektromotors ist jeweils mit Lagern 50 drehbar gelagert und bildet den Läufer. Bei der Ausführungs form nach Fig. 1 ist der eigentliche Läuferbereich im wesent lichen becherförmig, wobei am Innenumfang des Bechers ring förmig Dauermagnete mit wechselnder Polung ringförmig verteilt sind. Der Stator 2 hat die Form einer Walze, die am Aussen umfang lamelliert ist, wobei die einzelnen Lamellen axial aneinandergepackt sind. Der Stator 2 trägt am Aussenumfang axial verlaufende und zeichnerisch nicht dargestellte Strom leiter in geeigneter Teilung. Der Bereich des Läufers 32, an dem die Dauermagnete 30 befestigt sind, besteht aus ferro magnetischem Material als Rückschlussweg. Die Stromleiter können beispielsweise in axial verlaufenden Nuten des Stators einge legt sein. Der Stator 2 trägt am Aussenumfang ringförmig verteilt mehrere Hallsonden 38, die mit den Dauermagneten 30 zusammenwirken. Sobald hallsondenseitig festgestellt wird, dass sich ein läufer seitiger Teil und ein statorseitiger Teil eines magnetischen Kreises oder mehrerer magnetischer Kreise in antriebsgerechter Relativlage befinden, wird der Stromleiter bzw. die Spule oder werden die Stromleiter bzw. die Spulen dieses Kreises bzw. dieser Kreise selbsttätig eingeschaltet. Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch, dass der radial innerhalb des Ringes der Dauermagnete.30 angeordnete Statorbereich becherförmig hineinragt und dass radial innerhalb dieses Statorbereichs ein ringförmiger Vorsprung 52 des Läufers 32 unter Einhaltung eines geringen Luftspalts zum Statorring vorgesehen ist. Auf diese Weise ist der vorher auf den Stator 2 entfallende Teil der magnetischen Kreise hauptsächlich auf den Ringvorsprung 52 verlagert, der mit gleicher Drehzahl wie die Dauermagnete 30 rotiert. Auf diese Weise lassen sich die Wirbelstromverluste reduzieren. Der radial zwischen den Dauermagneten 30 und dem Ringvorsprung 52 befindliche Statorbereich kann auch in Form von sogenannten Luftstromleitern bzw. Luftspulen oder in Form von Stromleitern bzw. Spulen, deren Zwischenräume unter Freilassung der am Aussenumfang und am Innenumfang liegenden Leiteroberflächen mit einer ferromagnetisches Pulver enthaltenden Vergussmasse gefüllt sind, ausgebildet sein. Die Ausführunqsform nach Fiq. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch, dass der Läufer 32 als Scheibe ausgebildet ist und dass die Dauermagneten axial auf der den Lagern 50 abgewandten Stirnseite der Schreibe ringförmig verteilt angeordnet sind. Auch der Stator 2 ist scheibenförmig und trägt das Lamellenpaket und die nicht dargestellten Stromleiter auf seiner dem Läufer 32 zugewandten Stirnseite. Die einzelnen in Umfangsrichtung verlaufenden Lamellen des Lamellenpakets sind radial einander benachbart. Die Ausführungsform nach Fig. 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 3 dadurch, dass der Läufer 32 zwei am Aussenumfang miteinander verbundene Scheiben aufweist, zwischen denen sich der als Scheibe ausgebildete Stator befindet. Auf der den Lagern 50 abgewandten Scheibe des Läufers 32 kann entweder ein mitrotierender, magnetischer Rückschluss nach dem Prinzip der Ausführungsform gemäss Fig. 2 vorgesehen sein, oder es kann, wie zeichnerisch dargestellt, dort eine Reihe ringförmig verteilter Dauermagnete 30 stirnseitig angebracht sein. Im letzteren Fall wirkt also die Statorscheibe auf beiden Stirnseiten mit Dauermagneten 30 zusammen, so dass sich ein Ausgleich der axial wirkenden, magnetischen Anziehungskräfte ergibt. Die Ausführungsform gemäss Fig. 4 kann durch Hinzufügung weiterer Statorscheiben und Läuferscheiben erweitert werden. Der Statorbereich zwischen den beiden mit Dauermagneten 30 bestückten Läuferscheiben kann, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 beschrieben, mit Luftstromleitern bzw. Luftspulen oder Vergussmasse gefüllten Leitern bzw. Spulen verwirklicht sein. Bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis 4 sind die Mittenabstände der Stromleiter des Stators 2 bzw. die Mittenabstände von Statorpolen und die Mittenabstände der Dauermagnete 30, jeweils in Umfangsrichtung, im wesentlichen aufeinander abgestimmt, wobei allerdings eine leicht unterschiedliche Teilung am Stator und am Läufer zur Vermeidung des sogenannten Nuteffekts vorgesehen sein kann. In Fig. 5 ist ein Elektromotor dargestellt, der nach dem in Fig. 1 beschriebenen Grundprinzip, allerdings mit radial innerhalb des Stators angeordnetem Läufer, auf gebaut ist. Analog kann man aber auch entsprechend dem Grundprinzip von Fig. 1 den Stator innerhalb des Läufers anordnen, wodurch der Ringspalt zwischen Stator und Läufer weiter nach aussen rückt und die Dauermagnete durch die Fliehkraft gegen ihrer Anbringungsfläche gedrückt werden. Der insgesamt zylindrische Stator 2 besteht aus einem axial zusammengefügten Paket von - grob gesprochen - ringförmigen Blechen aus ferromagnetischem Material. Der Stator 2 weist über den Innenumfang verteilt nach innen ragende Statorpole bzw. Statorzähne 3 auf. Jeder Statorzahn 3 weist radial aufeinanderfolgend drei Spulen 10 auf. Jede Spule 10 besteht aus zwei Axialästen und zwei stirnseitigen, die Axialäste verbindenden Ästen. Jede Spule ist aus mehreren, voneinander isolierten Drähten gewickelt, in Fig. 5 jedoch als einziger, dicker Draht dargestellt. Der innerhalb des Stators 2 rotierende Läufer 31 trägt an seinem Aussenumfang ringförmig verteilt eine Reihe von in geradzahliger Anzahl vorgesehenen Dauermagneten 30 wechselnder Polung, die sich axial erstrecken. Aus weiter unten noch deutlicher werdenden Gründen sind die untereinander gleichen Abstände der Statorzähne 3, gemessen in Umfangsrichtung von Mitte zu Mitte, derart kleiner oder grösser als die analog gemessenen Mittenabstände der Dauermagneten 30, dass ein oder zwei Polzähne 3 mehr oder weniger als Dauermagnete vorhanden sind. An jedem Polzahn 3 ist eine auf die Dauermagneten 30, und zwar sowohl auf Nordpole als auch auf Südpole, ansprechende Hallsonde 38 vorgesehen. Stellt die Hallsonde 38 eine antriebsgerechte Relativstellung zwischen einem Dauermagneten 30 und dem dieser Hallsonde 38 zugeordneten Statorzahn 3 fest, werden eine, zwei oder alle drei Spulen 10 dieses Statorszahns 3 mittels der mit 40 angedeuteten Schalteinrichtungen eingeschaltet. Mit einem Steuerteil 114 kann Einfluss darauf genommen werden, ob alle drei Spulen 10 des betreffenden Statorzahns 3 eingeschaltet werden oder nur zwei Spulen 10 oder nur eine Spule 10. Wird dem Motor ein hohes Drehmoment abverlangt, werden alle drei Spulen 10 eingeschaltet, bei niedrigerem verlangten Drehmoment weniger Spulen 10. Die Steuereinheit kann zusätzlich die Funktion haben, die einzelnen Spulen 10 jedes Statorzahns 3 von Parallelschaltung in Reihenschaltung umzuschalten und umgekehrt. Dies kann auch bei der weiter unten beschriebenen Möglichkeit der gleichzeitigen Schaltung mehrerer Spulen an unterschiedlichen Umfangsstellen geschehen. Die Reihenschaltung empfiehlt sich bei kleiner Drehzahl und hohem Drehmoment, die Parallelschaltung bei hoher Drehzahl und kleinem Drehmoment. Die Spulen 10 jedes Statorzahns 3 jeweils über eine eigene Schalteinrichtung 40 einzuschalten kann zum einen aus Gründen der Verkleinerung der Schaltleistung geschehen, was die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile erbringt. Zum anderen ergeben sich zusammen mit der leicht unterschiedlichen Polteilung von Stator 2 und Läufer 32 die Vorteile eines sicheren Anlaufs, eines gleichmässigeren Motorlaufs und einer gleichmässigeren Netzbelastung. Die Spulen 10 jedes Statorzahns 3 werden, je nachdem ob sich ein Nordpol eines Dauermagneten 30 oder ein Südpol eines Dauermagneten 30 gegenüber dem Statorzahn befindet, mit unterschiedlicher Stromrichtung eingeschaltet. Dies wird von den Schalteinrichtungen 40 gesteuert. In praxi sind beim Betrieb immer Spulen 10 mehrerer benachbarter Statorzähne 3 eingeschaltet. Wenn die Polteilungsdifferenz zwischen Stator 2 und Läufer 32 relativ gering ist, sind zur gleichen Zeit sogar Spulen 10 nahezu aller Statorzähne eingeschaltet. Die Spulen von in Umfangsrichtung benachbarten Statorzähnen 3 sind mit entgegengesetzter Stromrichtung beaufschlagt, wie in Fig. 5 angedeutet. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 5 ist die sogenannte einphasige Auslegung verwirklicht: Wenn zwei in Umfangsrichtung benachbarter Dauermagnete 30 zwei Statorzähnen 3 gegenüberstehen, befindet sich zwischen diesen beiden Statorzähnen 3 kein weiterer Statorzahn. Aufgrund der einphasigen Auslegung gibt es keine sogenannte Wickelköpfe an den axialen Stirn seiten des Stators 2, an denen sich bei mehrphasiger Auslegung die Stromleiter der verschiedenen Phasen kreuzen würden. Vielmehr können die Spulen 10 unter sich gleich ausgebildet sein und auf die Statorzähne 3 aufgesteckt werden, oder es können die unter sich gleichen, mit Spulen 10 versehenen Statorzähne 3 in den Stator einzeln eingesetzt werden. Es sei ferner ausdrücklich betont, dass sich das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 auch dahingehend abwandeln lässt, dass pro Statorzahn 3 nicht ein radial geschichtetes Paket von mehreren Spulen 10 vorhanden ist, sondern nur eine einzige Spule 10. Wenn man über den Umfang zwei Statorzähne 3 mehr hat als Dauermagnetpole, dann tritt eine identische Relativstellung von Dauermagnetpolen und Statorzahnpolen immer gleichzeitig an zwei Stellen des Umfangs des Motors auf. Man kann die Spulen dieser beiden Stellen mit einer einzigen Schalteinrichtung 40 zugleich schalten. Analoges gilt für grössere Differenzen in der Zahl der Statorzähne 3 und der Dauermagneten 30. Statt einer einzigen Hallsonde 38, die sowohl auf magnetische Nordpole als auch auf magnetische Südpole anspricht, kann man auch axial nebeneinander zwei Hallsonden vorsehen, von denen die eine nur auf Nordpole anspricht und die andere nur auf Südpole.

Claims: Ansprüche: 1. Elektromotor, mit einem Stator, der mit Stromleitern versehen ist und ringförmig verteilte Statorpole darbietet, und mit einem Läufer, der mit ringförmig verteilten und mit den Statorpolen zusammenwirkenden Dauermagneten versehen ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) pro Statorpol (3) ist im wesentlichen ein Dauer magnetpol vorgesehen; b) der Mittenabstand benachbarter Dauermagnetpole unter scheidet sich von dem Mittenabstand benachbarter Statorpole (3); c) am Stator sind Sensoren (38) vorgesehen, die die Relativstellung von Stator (2) und Läufer (32) er fassen, und es sind elektronische Schalteinrichtungen (40) vorgesehen, die gesteuert von den Sensoren (38) bei antriebsgerechter Relativstellung jeweils einen oder mehrere Stromleiter (10) einschalten. 2. Elektromotor, mit einem Stator, der mit Stromleitern versehen ist und ringförmig verteilte Statorpole darbietet, und mit einem Läufer, der mit ringförmig verteilten und mit den Statorpolen zusammenwirkenden Dauermagneten versehen ist, gekennzeichnet r durch die Kombination folgender Merkmale: a) pro Statorpol (3) ist im wesentlichen ein Dauer magnetpol vorgesehen; b) die Dauermagnete (30) sind radial ausserhalb der Statorpole (3) angeordnet; c) am Stator ist mindestens ein Sensor (38) vorgesehen, der die Relativstellung von Stator (2) und Läufer (32) erfasst, und es ist mindestens eine elektronische Schalteinrichtung (40) vorgesehen, die gesteuert von dem Sensor (38) bei antriebsgerechter Relativ stellung jeweils einen oder mehrere Stromleiter (10) einschaltet. 3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren Hallgeneratoren (38) vorgesehen sind. 4. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass pro Statorpol mehrere, gesondert einschaltbare Strom leiter vorgesehen sind. 5. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass einem Statorpol zugeordnete Stromleiter wahlweise in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung einschaltbar sind. 6. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schalteinrichtung (40) zum gemeinsamen Einschalten von Stromleitern (10) mehrerer Statorpole (3), die sich in mindestens im wesentlichen gleicher Relativstellung zu Dauermagnetpolen befinden, vorgesehen ist. 7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennnzeichnet, dass die mindestens eine Schalteinrichtung (40) zum Einschalten von Stromleitern (10) eines Paars von sich diametral gegen überliegenden Statorpolen (3) vorgesehen ist.

Inventors: HEIDELBERG, GOTZ, DIPL.-PHYS., Heidelberg, Götz, Dipl.-Phys.
Applicants: MAGNET-MOTOR GESELLSCHAFT FUR MAGNETMOTORISCHE TECHNIK MBH
Application year: 1981
Main classification: H02K29
IPC codes: H02K29, B60L9, B60L11, H02K7, B60L15, B60K25, H02K41, B60L13