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Diese Erfindung bezieht sich auf einen Motor oder einen
Generator, insbesondere auf einen Dauermagnettyp, in dem der
Rotor magnetische Pole hat, deren Polarachsen tangential in
der Richtung der Rotorrotation angeordnet sind und wobei die
Statorspulen besagte Pole einschließen.[0001]
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Nach dem bisherigen Stand der Technik werden
elektromagnetische Motoren oder Generatoren normalerweise mit
einer radialen Orientierung der magnetischen Felder des Stator
und des Rotors ausgestattet. Zusätzlich wird der magnetische
Fluß sowohl des Stators als auch des Rotors durch Verwendung
eines Materials mit hoher magnetischer Permeabilität
verstärkt. In einem solchen Motor oder Generator gibt es
aufgrund von Wirbelströmen einen Energieverlust, der
traditionell durch die Verwendung von Schichten des
magnetischen Materials ausgeglichen wird.[0002]
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Außerdem hat das magnetische Material
Hystereseverluste, und es kann an Punkten im Magnetkreis eine
Sättigung des Eisenkreises auftreten,[0003]
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Außerdem haben elektromagnetische Vorrichtungen, die
einen Magnetkreis verwenden, einen Nachteil beim Gewicht, weil
die bekannten magnetischen Materialien, die in solchen,
Vorrichtungen verwendet werden, wie Eisen, Nickel und Kobalt
schwer sind, zusätzlich zu den oben ausgeführten Problemen der
Wirbelströme oder der Hystereseverluste.[0004]
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Die vorliegende Erfindung versucht diese Nachteile bei
Maschinen nach dem bisherigen Stand der Technik aufzuheben
oder zumindest zu vermindern oder eine Alternative dazu zu
bieten.[0005]
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DE -A-37 05 089 und US-A-3922574 legen jeweils
elektromagnetische Maschinen offen, die exemplarisch für den
bisherigen Stand der Technik sind und die Dauermagneten
tragende Rotoren und gewickelte Statoren haben.[0006]
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Gemäß einem breiten Aspekt der Erfindung wird eine
elektromagnetische Maschine des Typs zur Verfügung gestellt,
der einen Stator und einen Rotor hat, der besagte Rotor
(20,30) eine Vielheit von Dauermagneten (10,12,14,16; 34,36)
hat, die um den besagten Rotor (20,30) in einem gegebenen
Radius angeordnet sind mit Polarachsen, die tangential zum
Kreisumfang des durch den besagten Radius gebildeten Kreises
sind, und besagter Stator eine Anordnung von sattelförmigen
zylindrisch-gewickelten Statorspulen (44) ist, die über ein
nichtmagnetisches Statorgehäuse (41) in einer offenen, hohlen
Ringkonfiguration geformt sind und besagte Statorspulen (44),
wenn sie erregt sind, ein magnetisches Feld in einem
zylindrischen Raum, der von besagten Statorspulen (44) und
besagtem Statorgehäuse (41) geformt wird, erzeugen, wobei die
besagte offene, hohle Ringkonfiguration auf eine Art offen
ist, daß die besagten Dauermagnete (10,12,14,16; 34,36) des
besagten Rotors hinein reichen und in dem besagten
zylindrischen Raum eingeschlossen sind.[0007]
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Die Ringkonfiguration der Statorspulen hat vorzugsweise
eine C- oder U-Form, mit einer Lücke in der
Statorspulenstruktur, durch die möglich ist, die Magneten des
Rotors in den allgemeinen dadurch gebotenen Torus einzupassen.
Vorzugsweise werden die Dauermagneten so angeordnet, daß sich
gleiche Pole gegenüberstehen.[0008]
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Der Rotor kann aus nichtmagnetischem Material, wie zum
Beispiel aus Plastikmaterial, hergestellt sein, oder er kann
aus leitendem Material, wie zum Beispiel Aluminium oder
Edelstahl, hergestellt sein. Die Dauermagnete können im Rotor
eingebettet sein oder auf andere Art im vorgegebenen Radius
vom Rotationszentrums des Rotors daran befestigt sein, zum
Beispiel am Umfange des Rotors, oder sie können auch einwärts
von der gewünschten Position angebracht sein, mit einem
Magnet- oder Flußkreis, der das magnetisches Feld in das
gewünschte Gebiet, zum Beispiel an den Umfang, bringt, so daß
die magnetischen Pole des Rotors sich innerhalb des durch die
Statoren definierten ringförmigen Raums befinden, und dabei
das Gebiet mit der maximalen Feldstärke der Statorspulen
einschließen.[0009]
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Das nichtmagnetische Statorgehäuse wird zum Beispiel
aus Plastikmaterial hergestellt.[0010]
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorgezogenen Anwendungsformen der Erfindung werden
nun in Bezug auf die folgenden Abbildungen beschrieben, in
denen:[0011]
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Abb. 1 eine erste Anwendungsform der Erfindung zeigt.
Abb. 2 eine zweite Anwendungsform der Erfindung zeigt;
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Abb. 3 eine dritte Anwendungsform der Erfindung zeigt;
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Abb. 4-6 schematisch den Betrieb eines dreiphasigen, 4-
poligen Motors entsprechend der Erfindung zeigen;
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Abb. 7 eine schematische Darstellung einer bevorzugten
Anordnung der Dauermagnete entsprechend der Erfindung zeigt;
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Abb. 8 die Kurvenformen der Spannungsabgabe eines
dreiphasigen, 4-poligen Motors entsprechend einer anderen
Anwendungsform der Erfindung zeigt;
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Abb. 9 die Kurvenformen der Spulenerregung für die
Anwendungsform der Abb. 4-6 zeigt;
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Abb. 10 die Leistung eines Motors mit einem 8-poligen
Rotor entsprechend der Erfindung zeigt und
Abb. 11 eine Schaltplan. der elektronisch die
Anwendungsform zeigt, die Abb. 4-6 wiedergibt.
BEVORZUGTE ARTEN DER DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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[0012] Während die Beschreibung und die Anwendungsformen, die
folgen, die des Betriebs eines Motors sind und in Bezug auf
eine festgelegte Zahl von magnetischen Polen und Phasen
beschrieben werden, ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte
Anzahl von magnetischen Polen oder Phasen begrenzt und auch
nicht auf einen Motor per se und die hier enthaltene
Beschreibung ist in dieser Hinsicht nicht als Einschränkung zu
verstehen.
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[0013] In Bezug auf Abb. 7 wird die allgemein bevorzugte
Anordnung der magnetischen Pole bei der Verwendung von
Dauermagneten dargestellt.
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[0014] Eine Anzahl Dauermagnete 10,12,14 und 16 sind um einen
imaginären Rotor in einem vorgegebenen Radius um das
Rotationszentrum angeordnet, die Rotationsbewegung des Rotors
wird schematisch durch den Pfeil 20 dargestellt. Die Zeichnung
zeigt vier Dauermagnete, aber die Erfindung kann auf jede
beliebige Zahl von Magneten, die hintereinander um den Rotor
angeordnet sind, angewendet werden. Vorzugsweise haben sich
gegenüberstehende Pole benachbarter Magnete 10-16, so wie
gezeigt, die gleiche Polarität NNSSNNSS. So ist zum Beispiel
der Südpol 14a benachbart zum Südpol 12a des Dauermagneten 12.
Entsprechend für die anderen Dauermagnete. Die Anordnung für
die dargestellten vier Pole ist daher (NN)(SS)(NN)(SS).
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[0015] Alternativ können die Dauermagnete auch mit ihren Polen
abwechselnd NSNSNSNS (gegensätzliche Pole einander
gegenüberstehend) um den Rotor angeordnet werden, allerdings
wäre diese Anordnung weniger effektiv.
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[0016] Die Anordnung mit sich gegenüberstehenden magnetischen
Polen erzeugt einen sehr starken magnetischen Fluß in den
Lücken 18 zwischen den Dauermagneten 10-16. Dadurch wird der
für Wechselwirkung mit der Statorkomponente des Motors oder
Wechselstromgenerators zur Verfügung stehende Fluß erhöht und
in einem Motor kann dieser Fluß ein großes Drehmoment liefern
und den Wirkungsgrad erhöhen, da der erforderliche Steuerstrom
wirksamer abgestimmt werden kann.
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[0017] Abb. 1 zeigt eine erste Anwendungsform der
Erfindung, in der die Dauermagnete an einem scheibenförmigen
Rotor 30 angeordnete sind, der einen zentralen Auflagebereich
32 hat und bei dem die Dauermagnete 34,36 tangential auf dem
Umfang des Rotors 30 angebracht sind. Der Rotor 30 wird von
den Lagern 38,40 auf Schaft 42 getragen. Die Dauermagnete
34,36 sind am Rotor befestigt, indem sie entweder eingebettet
sind in das oder umgeben sind durch das Material des Rotors,
das vorzugsweise ein Material mit geringer magnetischer
Permeabilität ist, es kann zum Beispiel ein Plastikmaterial
oder ein metallisches oder elektrisch leitendes Material (mit
geringer magnetischer Permeabilität) wie Aluminium oder
Edelstahl sein.
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[0018] Der Stator besteht aus C-förmigen oder U-förmigen
Spulen 44, die einen ringförmigen Raum bilden, in dem die
Rotormagnete rotieren können. Die Statorspulen 44 sind vom
Rotor durch eine Gehäuse 41 aus nichtmagnetischem Material
getrennt, das sich zwischen den beiden Lagern 38,40 erstreckt.
Die Statorspulen 44 werden aus einer Anzahl Windungen
hergestellt, von denen jede in der üblichen Zylinderform
gewickelt und dann in die gewünschte C- oder U-Form gepreßt
wird, (wie zum Beispiel in Abb. 1a dargestellt),
entweder über eine geformte Wickelschablone oder in situ über
dem Statorgehäuse 41. Die Spulen 44 werden zwischen die Riefen
oder Rippen, die als Teil des Statorgehäuses 41 geformt sind,
plaziert, wobei der Abstand der Rippen 39 durch die gewünschte
Spulenanordnung bestimmt wird.
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[0019] Abb. 1a zeigt die allgemeine Form einer Spule,
wobei der Einfachheit halber nur eine Windung dargestellt ist,
die Form der Spule entspricht ungefähr der des Magneten 36,
wie in Abb. 1 dargestellt. Die Spule 44 bildet, wenn sie
in die gewünschte Form gebogen wird, eine erste Halbschleife
A, die über die Bügel C und D mit einer zweiten Halbschleife
verbunden ist. Der Strom I betritt und verläßt die Spule 44
über die Spulenenden E und F. Der Strom I fließt in der ersten
Halbschleife A in Richtung des Pfeils G und in der zweiten
Halbschleife B in der entgegengesetzten Richtung, die durch
Pfeil H dargestellt ist, und erzeugt einen sehr starken
magnetischen Fluß im Raum zwischen den Halbschleifen A und B,
der Raum in dem die Dauermagnete 34, 36 enthalten sind und der
von diesen durchlaufen wird. Die Brücken C, D tragen nicht zum
Arbeitsfluß bei und sind außerdem kurz, da sie am inneren
Radius des Stators angebracht sind, dadurch ergeben sie einen
geringeren Spulenwiderstand als bei anderen Designs.
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[0020] Die Anzahl und die Anordnung der Wicklungen hängt von
der Konstruktion des Motors, einschließlich der Anzahl der
Rotorpole und der Anzahl der verwendeten Phasen ab. So kann
zum Beispiel jede Spule für eine gegebene Phase eine Anzahl
separater, überlappender Wicklungen haben, die entlang des
Statorgehäuses in festgelegten Abständen angeordnet sind (zum
Beispiel in Bezug zum Abstand der Rippen 39 festgelegt) und
die zusammengeschlossen eine einzelne Spule formen. Außerdem
kann jede Spule aus zwei separaten, durch Zwischenraum
getrennte Hälften bestehen, jede in der eben beschriebenen Art
und so wie unten in Bezug auf die Abb. 4-6 für einen 4-
poligen, 3-phasigen Motor beschrieben wird.
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[0021] Das Statorgehäuse 41 kann aus zwei Hälften 43a, 43b,
die durch Muttern 54 zusammengehalten werden, hergestellt
sein. Das Statorgehäuse 41 wird aus nichtmagnetischem
Material, zum Beispiel aus Plastikmaterial, hergestellt.
Außerhalb der Spulen 44 kann ein äußeres Gehäuse (nicht
dargestellt) mitverwendet werden, um die Spulen 44
einzuschließen.
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Dieses kann aus Plastikmaterial oder aus magnetischem
Material, zum Beispiel aus mit Ferrit imprägniertem
Plastikmaterial oder, falls Gewicht nicht von Nachteil ist,
aus Weicheisenlaminat, hergestellt sein.
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[0022] Alternativ kann an Stelle eines äußeren Gehäuses eine
Scheibe aus magnetischem Material an einer oder beiden Seiten
des Statorgehäuses 41 befestigt werden, die mit dem Schaft 42
rotiert, und dazu dient, Komponenten außerhalb des Motors
abzuschirmen und den magnetischen Fluß für den Stator zu
erhöhen. Indem sich die Scheibe(n) mit dem rotierenden
Magnetfeld des Stators dreht, werden alle Wirbelströme oder
Hystereseverluste im magnetischen Material verringert oder
vermieden. Das äußere Gehäusematerial hat vorzugsweise einen
großen spezifischen Widerstand, um induzierte
Leerlaufspannungen zu reduzieren.
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[0023] Die Motor kann mit passendem Befestigungsmitteln, wie
Muttern und Schrauben an einer Halterung (nicht dargestellt)
angebracht sein. Die Leiterplatte 50 trägt die elektronischen
Komponenten zur Steuerung der elektronischen Kommutierung der
Statorspulen. An der Leiterplatte 50 ist das Mittel zum
Erkennen der Position des Rotors 30 angebracht, in diesem Fall
ein photoelektrischer Sensor 62. Das Verschlußgehäuse 60 hat
eine Anzahl von Rippen 61, die das Licht oder die Strahlung,
die von der Quelle 64 auf den Detektor 62 fällt, unterbricht,
wenn sich das Gehäuse 60 auf dem Schaft 41 dreht. Dieses
wiederum wird dazu verwendet, den Stromzufluß zu den
Statorspulen 44 zu regulieren, in einer in der Technik
wohlbekannten Art.
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[0024] Andere bekannte Methoden zum Erkennen der
Rotorposition, wie zum Beispiel Halleffektsensoren oder
ähnliches, können ebenfalls verwendet werden. Mechanische
Kommutierung kann ebenfalls verwendet werden, indem
Schlupfringe und Kommutatorsegmente zur Ausführung dieser
Funktion verwendet werden, wie dies in der Technik wohl
bekannt ist.
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[0025] Abb. 2 und 3 zeigen andere Anwendungsformen der
Erfindung. Abb. 2 zeigt eine "umgekehrte" Geometrie
verglichen zu der in Abb. 1, wohingegen Abb. 3 eine
"einseitige" Anordnung zeigt.
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[0026] In Abb. 2 sind die Statorspulen 70 so geformt, daß
sie im Zentrum des ring- oder kreisförmigen Rotors 72 einen C-
förmigen Raum bilden, der die Magnete 74 einschließt, die am
inneren Radius des Rotorkreisrings angebracht sind. Der Rotor
72 kann in dieser Anordnung entweder luftgelagert sein oder
durch ein Kugellager, das zwischen dem Stator und dem
Rotorgehäuse 71,73 angebracht ist, gelagert sein.
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[0027] In Abb. 3 dreht sich der Rotor 80 um eine Achse
82, die vom Statorgehäuse 85 auf einem Lager 88 getragen wird,
wobei die Magnete 86 auf der einen Seite der Rotorscheibe 81
angebracht sind. Die Magnete 86 müssen nicht, wie in dieser
Anwendungsform gezeigt auf dem Umfang oder an einem Rand des
Rotors 80, wie dies in den vorherigen Anwendungsformen der
Abb. 1 und 2 dargestellt war, liegen. Die Magnete 86
sind von den Statorspulen 84 in der Art, wie oben für die
Anwendungsform der Abb. 1 beschrieben, eingeschlossen. Es
könnte auch eine beidseitige Anordnung der Magnete 86
verwendet werden.
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[0028] Hier wird nun der Betrieb einer Anwendungsform eines 3-
phasigen Motors in Bezug auf die Abb. 4-6 beschrieben,
wobei der Motor einen 4-poligen Dauermagnetrotor (bei dem sich
gleiche Pole gegenüberstehen) hat und entsprechend der
Anwendungsform von Abb. 1 konstruiert ist.
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[0029] In dieser Anordnung gibt es drei separate Spulenpaare
100,102 : 112,114; 116,118, bei denen jede Einzelspule des Paars,
zum Beispiel 100 und 102 in einem Abstand und mit ihren
Zentren um 180 mechanische Grad angeordnet sind und die
jeweiligen Spulen 100, 112, 116 oder 102, 114, 116 um jeweils
60 mechanische Grad versetzt auf dem Umfang des Stators
angeordnet sind. Benachbarte Spulen überlappen in der
Reihenfolge 100,112,116,102,114,118.
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[0030] Die Position der Magnete des Rotors kann, wie obern
beschrieben, durch Verwendung der Unterbrechung einer
Lichtquelle bestimmt werden, die auf einen Detektor fällt, für
diese Diskussion wird aber angenommen, daß ein
Halleffektsensor verwendet wird, der das Magnetfeld nachweist,
das von den verwendeten Dauermagneten ausgesandt wird.
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[0031] Eine ähnliche 3-phasige Statorspulenanordnung mit einem
4-poligen Rotor wurde in dem Prioritätsbeleg PM0011
beschrieben, sie verwendete allerdings Halbwellenerregung
(unipolar), wohingegen die folgende Beschreibung sich auf
Ganzwellenerregung (bipolar) bezieht.
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[0032] In diesem Beispiel der Erfindung, das entsprechend der
Abb. 5-7 des Prioritätsbelegs PM0011 beschrieben wird,
wird zu jeder Zeit nur ein Spulensatz, zum Beispiel 100,102
aktiviert, während die beiden anderen Sätze abgeschaltet
werden. Halbwellenerregung eines solchen Motors aktiviert
einen Spulensatz für ein Drittel der Periode T der erregenden
Welle (eine unipolare Rechteckwelle) und ist AUS während der
beiden anderen Drittel der Periode, wobei zwei solcher
Perioden für eine ganze Umdrehung benötigt werden. In dieser
Anwendungsform wird, wenn ein aktiver Satz deaktiviert wird,
ein benachbarter Satz aktiviert, wobei die Reihenfolge, in der
die Sätze angeschaltet werden zu Wahl steht, um entweder eine
Drehung des Rotors im Uhrzeigersinn oder gegen den
Uhrzeigersinn zu ergeben.
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[0033] Abb. 9 zeigt eine geeignete Steuerwellenform zum
Steuern der Spulenpaare 100,102; 112,114; 116,118 mit einer
Ganzwellenerregung, wobei die Position der Magnete in drei
aufeinanderfolgenden Stufen in Abb. 4-6 dargestellt wird.
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[0034] Die Wellenform der Steuerspannung ist eine bipolare
Rechteckwelle mit der Periode T, wobei bei dieser
Anwendungsform zwei Perioden notwendig sind, um eine
vollständige Drehung des Rotors um 360 mechanische Grad zu
erreichen. Jedes der Spulenpaare 100,102; 112,114; 116,118
wird über ein Drittel der Periode T mit einer positiven
Rechteckwelle erregt, ist in Ruhe (AUS) für ein Sechstel der
Periode T und wird über ein Drittel der Periode T mit einer
negativen Rechteckwelle erregt, worauf wieder ein
Ruheintervall (AUS) über ein weiteres Sechstel der Periode T
folgt. Die Spulenpaare 100,102; 112,114; 116,118 werden so
getaktet, daß der Beginn des positiven Schwingwegs auf die
ansteigende Kante der erfaßten Ausgangssignalwelle von 120,
122, 124 geschaltet ist, also zum Beispiel 100,102 auf die
ansteigende Kante des erfaßten Ausgangssignalwelle 120
geschaltet ist. Diese Signale 120,122,124 sind die
Ausgangssignale von drei Halleffektsensoren, die um 60 Grad
versetzt sind (und folglich einen 120º Bogen des Rotors
abdecken)
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[0035] Die drei aufeinanderfolgenden Stufen, die in den
Abb. 4-6 dargestellt werden, entsprechen den
Magnetpositionen bei Eindrittelintervallen der
Erregungsperiode T und beginnen in Abb. 4 mit dem
Spulenpaar 100, 102 am Anfang dieses Erregungszyklus. Zu
diesem Zeitpunkt ist das Spulenpaar 112,114 auf halben Weg
durch seinen negativen Schwingweg, während das Spulenpaar
116, 118 sich in seinem ersten Ruheintervall (nach seinem
positiven Schwingweg) befindet.
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[0036] Die Aktivierung der Spulen in der oben beschriebenen
Art führt zu einer Drehung im Uhrzeigersinn in die Papierebene
der Abb. 4-6. Aktivierung der Spulen in der umgekehrten
Reihenfolge 100, 102 dann 118, 116 dann 112,114 würde zu einer
Drehung gegen den Uhrzeigersinn führen.
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[0037] Die Anzahl der Zyklen, die für zum Erreichen einer
vollen 360-Grad-Bewegung des Rotors notwendig ist, ist eine
Funktion der Anzahl der Magnete geteilt durch zwei. Daher
würde ein Rotor mit acht Magneten (8-polig, wobei sich gleiche
Pole gegenüberstehen) vier Zyklen pro Umdrehung benötigen und
würde daher ungefähr viermal das Anfangsdrehmoment eines
Zweimagnetrotors dieser Form haben.
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[0038] Die Wicklungen des Stators sind um die Magnete des
Rotors herum geformt und der erzeugte Fluß ist im wesentlichen
auf den Raum beschränkt, in dem sich die Rotormagnete drehen,
daher trägt er zum Wirkungsgrad des Motors bei.
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[0039] Abb. 10 zeigt das Verhältnis Geschwindigkeit-
Leistung einer Anwendungsform eines 8-poligen, 3-phasigen
Motors ähnlich der in Abb. 1. Der Rotor hat einen
Außendurchmesser von 90 mm, mit 8 Neodymmagneten (gleiche Pole
stehen sich gegenüber), 12,7 mm im Durchmesser und 12,7 mm
lang, der Länge nach ausgerichtet auf dem Umfang verteilt. Die
Statorspulen sind über eine Y-Konfiguration (oder Stern-
Konfiguration) miteinander verbunden, jede Phase besteht aus 4
parallelen Wicklungen, von denen jede aus 50 Windungen aus
Draht mit dem Durchmesser 0,56 mm besteht. Geschwindigkeit und
Wirkungsgrad werden an der vertikalen Achse dargestellt,
während das Drehmoment in Newtonmeter an der horizontalen
Achse dargestellt wird. Die Kurve, die den Wirkungsgrad des
Motors darstellt, ist mit der Zahl 140 gekennzeichnet, während
die Geschwindigkeit durch die Kurve 142 gekennzeichnet wird.
Die Wirkungsgradkurve 140 zeigt über einen weiten
Drehmomentsbereich ein reaktiv flaches Verhalten. Die
gestrichelte Linie 146 entspricht einer Dauerleistung von 223
Watt Leistungsabgabe bei 7100 U/min und einem Wirkungsgrad von
82 Prozent. Außerdem wird das Verhältnis Strom-Drehmoment im
Diagramm als Kurve 144 dargestellt, wobei die Stromskala auf
der vertikalen Achse auf der rechten Seite und die
Drehmomenteinstellung wie zuvor entlang der horizontalen Achse
dargestellt sind. Die Diagramme wurden für einen Motor
erstellt, der mit 24 Volt Spitze-zu-Spitze bei Verwendung
einer Ganzwellenansteuerung betrieben wird.
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[0040] Die Elektronik zum Steuern des Umschaltens der Welle zu
den verschiedenen Spulen kann von beliebiger Art, die einer
Person mit entsprechender technischer Erfahrung wohlbekannt
ist, sein. Außerdem wurde herausgefunden, daß, wenn
Halleffektsensoren verwendet werden, diese, zum Beispiel in
einer Anwendung des in Abb. 1 gezeigten Typs, außerhalb
der Statorspule plaziert werden können. Folglich war es
möglich die Bewegung der Rotormagnete ungeachtet der Gegenwart
des Magnetfelds, das durch den Strom in den Statorspulen
erzeugt wird, nachzuweisen. Dadurch wird die Plazierung dieser
Sensoren bequemer.
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[0041] Abb. 11 zeigt eine einfache elektronische
Kommutierungschaltung, die Halleffektsensoren einsetzt, die
zum Schalten des Stroms zu den verschiedenen Spulen verwendet
werden soll, in einer Anordnung wie die, die oben in Bezug auf
die Abb. 4-6 beschrieben wurde.
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[0042] Die Anwendungsform der Abb. 4-6 hat einen
dreiphasigen Motor, und Abb. 11 zeigt eine
pulsbreitenmodulierten 3-Phasensteuerschaltkreis, bei dem der
Einfachheit halber nur eine Phase vollständig dargestellt ist.
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[0043] Jedes Spulenpaar 100,102; 112, 114 und 116, 118 wird vom
Nullpunkt eines entsprechenden Hoch-Tief-FET-Paares 150,152;
154,156 bzw. 158,160 gesteuert. Jedes FET-Paar ist in Reihe
zwischen der Motorsteuerspannung 162 und der Erde 164
geschaltet, mit einem stromaufnehmenden Widerstand 166, an dem
ein regelbarer Widerstand 168 angeschlossen ist, um eine
variable Stromgebermöglichkeit zur Rückführungsregelung zum
Pulsbreitenmodulationsmodul zu bieten.
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[0044] Das Gate jedes FETs des Paares 150, 152 ist über einen
strombegrenzenden Widerstand 172, der mit einer
Rückspannungsschutzdiode 174 ausgestattet ist, am
Ansteuerkreis 180 angeschlossen, wobei dieser jeder beliebige
passende Ansteuerkreis sein kann, wie zum Beispiel der
gezeigte International Rectifier IR2110. Der Nullpunkt
zwischen den beiden FETs 150, 152 wird am Null- oder
Erdungsanschluß des Ansteuerkreises 180 angeschlossen. Für den
IR2110 wird die Motorsteuerspannung an Pin 3 angeschlossen,
während eine digitale Spannungsversorgung VDD, zum Beispiel
eine 5 Volt TTL Spannung, an Pin 9 angeschlossen wird. Die
angelegte Motorsteuerspannung beträgt 12 Volt.
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[0045] Die Steuerung 180 hat digitale Steuereingänge 190, 192,
die mit Signalen vom Decodierer 196 versorgt werden. Der
Decodierer ist eine Nur-Lese-Speicher-Vorrichtung (ROM), zum
Beispiel vom Typ 82S23AM, der von American Micro Devices
angeboten wird. Der Decodierer 196 aktiviert die geeignete
Steuereinheit 180,186 oder 188 in Abhängigkeit von den
Eingangssignalen 198, 200, 202, 204, 206. Die Eingangssignale
202, 204 und 206 sind die Ausgangssignale (siehe Abb. 9) des
Halleffektsensors 210, 212,0214, die die Position der vom
Rotor des Motors getragenen Magnete erfaßt. Das Eingangssignal
198 entspricht dem Motorsteuerspannungseingang, der ebenfalls
an einem Schalter angeschlossen ist, der das An-/Aus-Schalten
des Motors steuert. Das Eingangssignal 200 ist ein
Eingangssignal, mit dem die Drehrichtung des Motors gesteuert
werden kann, indem die Adresse, die dem ROM 196 zugewiesen
wird, geändert wird, um die Reihenfolge, in der die
Ansteuerkreise 180, 186 und 188 aktiviert werden, zu ändern.
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[0046] Die Pulsbreitenmodulationsteuerung 170, wie zum
Beispiel ein NE5568, hat einen Leistungsausgang 216 von Pin 7
des Bausteins. Die Steuereinheit 170 wird mit der analogen
Spannung (Pin 1) und digitalen Spannungsversorgung (Pin 7)
versorgt. Das pulsbreitenmodulierte Ausgangssignal der Leitung
216 ist mit der An-/Aus-Eingangsleitung 198 des Decodierers
196 verbunden. Die Pulsbreite der Ausgangsspannung kann, wie
dargestellt, durch einen passenden externen Widerstand 128
gesteuert werden, oder sie kann durch Rückmeldung der
Betriebsparameter des Motors gesteuert werden. Im ersten Fall
kann die Geschwindigkeit des Motors von Hand gesteuert werden
und im zweiten Fall kann sie automatisch auf einem
vorgegebenen Wert gehalten werden. Die Leistung des Motors
kann auch durch den stromaufnehmenden Widerstand 168 gesteuert
werden, der justiert werden kann um die maximalen Stromspitzen
zu variieren, indem die AN-Zeit der Motorsteuerspannung
variiert wird.
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[0047] Wenn sich der Rotor im Uhrzeigersinn dreht, aktivieren
die Magnete die Sensoren 210, 212 oder 214 der Reihe nach, die
wiederum eine Eingangssignal an den Decodierer 196 liefern.
Für die einzelne gezeigte Phase aktiviert die Aktivierung des
Sensors 210 über den Decodierer 196 die Leitung 190 und 192
des Ansteuerkreises 180. Ebenso geht bei Annäherung der
Magnete an den Sensor 212 die Leitung 204 in den
Hochpegelzustand über, während die Leitung 202 sowie die
Leitung 206 im Tiefpegelzustand sind. Der Decodierer 196 wird
daher die Adresse aktivieren, die dem Ansteuerkreis 186
entsprechen. Ebenso wird bei Annäherung an den Sensor 214 der
Ansteuerkreis 188 aktiviert.
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[0048] Beim Betrieb als Generator bietet die 4-polige, 3-
phasige Vorrichtung, entsprechend den Abb. 4-6
dargestellt, die Ausgangswellen 130, 132, 134 von den
jeweiligen Spulen 100,102; 112,114 und 116, 118 wie in
Abb. 8 dargestellt. Die Kurven 130, 132, 134 sind um 60
elektrische Grad phasenversetzt und hängen von der
Konstruktion des Rotors ab. Um die Vorrichtung wirksam als
Motor zu verwenden, sollte der den Spulen zugeführte Strom
ungefähr die in Abb. 8 dargestellte Form haben. Wie an der
gestrichelten Linie 136 zu sehen ist, ist jede der Wellenform
130-134 ungefähr eine Rechteckwelle, daher arbeitet die
Erfindung als Motor mit einer Steuerspannung in
Rechteckwellenform effizient. Die Länge der Dauermagnete und
ihre Abstände auf dem Umfang des Rotors können angepaßt
werden, um diese Leistung zu optimieren.
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[0049] Alternativ kann an Stelle einer elektrischen
Kommutierungssteuerung für den Motor, die oben beschrieben
ist, auch ein mechanischer Kommutator verwendet werden. Der
Kommutator ist am Rotor befestigt und dreht sich mit diesem.
Eine Anzahl positiver und negativer Segmente sind um eine
zylindrische Hülse angeordnet, von denen aus Leitungen zu den
Spulen, die auf dem Umfang des Stator angeordnet sind, führen.
Eine komplementäre Anzahl von Kontakten ist radial um einen
Zylinder innen im Kommutator angeordnet, wodurch die Rotation
des Kommutators selektiv die Kommutatorsegmente und somit auch
die Spulen des Stators mit Spannung versorgt. Ein Motor mit
mechanischer Kommutierung kann eventuell eine billigere
Alternative zu dem oben beschriebenen Motor mit elektronischer
Kommutierung bieten.
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[0050] Die Anwendungsformen oben beschreiben grundsätzlich
Motoren und es muß verstanden werden, daß die Erfindung in
gleicher Weise zur Herstellung von Generatoren und
Wechselstromgeneratoren anwendbar ist.
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[0051] Zusätzlich hängen die Kenndaten für die Leistung und
das Drehmoment des Motors insgesamt von der Anzahl der Pole
und der Stärke der verwendeten Dauermagnete ab. So sollten
zum Beispiel vorzugsweise Dauermagnete, die seltene Erden wie
Samarium-Kobalt oder Neodym verwenden, als Dauermagnet
eingesetzt werden. Es wäre auch möglich Ferritmagnete,
supraleitende Magnete oder Elektromagnete zur Erzeugung der
magnetischen Pole des Rotors zu verwenden, der durch die
Verwendung von Dauermagneten in der Beschreibung oben
typisiert wurde. In diesen Fällen, in denen das magnetische
Feld durch einen Elektromagneten erzeugt wird, erfordert der
Strom für die Spulen eine Art von mechanischem Schlupfring.
ÄlNiCo-Dauermagnete sind eventuell nicht wirksam, weil
aufgrund ihrer geringen Koerzitivkraft sich zwei
gegenüberstehende Magnete (in der bevorzugten Anordnung mit
gleichen Polen nebeneinander), wenn sie in einem geringen
Abstand angeordnet sind, gegenseitig schwächen können.
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[0052] Der Rotor kann als Preßteil konstruiert sein, in dem
die Dauermagneten als eine Einheit oder als gepreßte
Metallstücke gebildet sind. Alternativ kann der Rotor auch mit
Befestigungsvorrichtungen hergestellt werden, an denen die
Dauermagneten mit verschiedenen Techniken befestigt werden,
die von einer Person mit entsprechender technischer Erfahrung
beherrscht werden.
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[0053] Dauermagnetmotoren des hier beschriebenen Typs arbeiten
bei eine hohen Drehzahl und sind daher großen
Zentrifugalkräften ausgesetzt, wodurch es notwendig wird, daß
die Dauermagnete ausreichend befestigt sein müssen, um solchen
Kräften zu widerstehen. Der Rotor sollte aus nichtmagnetischem
Material hergestellt werden, und es wurde auch gefunden, daß
leitendem Material wie zum Beispiel Aluminium oder Edelstahl
den Betrieb des Motors nicht ungünstig beeinflussen. Da im
letzteren Fall sich das Material des Rotors mit der gleichen
Geschwindigkeit dreht wie das rotierende Magnetfeld, werden
darin keine Wirbelströme induziert. Der Rotor kann auch
magnetisches Material, enthalten, wie zum Beispiel Polstücke.