Title:
Elektrische Maschine
Kind Code:
U1


Abstract:

Elektrische Maschine mit mindestens einem Stator und mindestens einem mit dem Stator zusammenwirkenden Läufer, wobei der Stator und/oder der Läufer eine Anordnung von mehreren Hauptmagneteinrichtungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagneteinrichtungen sich zu einer ersten Seite hin verjüngen, wobei die erste Seite bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Stator zugewandte Seite ist und/oder bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Läufer zugewandte Seite ist. embedded image




Application Number:
DE202017000584U
Publication Date:
05/04/2018
Filing Date:
02/03/2017
Assignee:
AWAS AG (Salenstein, CH)
AWAS FEE GmbH, 57234 (DE)
International Classes:



Foreign References:
201601643532016-06-09
Attorney, Agent or Firm:
dompatent von Kreisler Selting Werner - Partnerschaft von Patentanwälten und Rechtsanwälten mbB, 50667, Köln, DE
Claims:
Elektrische Maschine mit mindestens einem Stator und mindestens einem mit dem Stator zusammenwirkenden Läufer, wobei der Stator und/oder der Läufer eine Anordnung von mehreren Hauptmagneteinrichtungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagneteinrichtungen sich zu einer ersten Seite hin verjüngen, wobei die erste Seite bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Stator zugewandte Seite ist und/oder bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Läufer zugewandte Seite ist.

Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagneteinrichtungen jeweils eine Form mit jeweils mindestens zwei Oberflächenabschnitten aufweisen, die sich zu der ersten Seite hin verjüngen, wobei die mindestens zwei Oberflächenabschnitte kongruent zueinander sind.

Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Hauptmagneteinrichtungen die Form eines Tetraeders, eines Doppeltetraeders, einer Pyramide, einer Doppelpyramide, eines Oloids, eines Oktaeders, eines Keils, eines Tetraederstumpfes, eines Doppeltetraederstumpfes, eines Pyramidenstumpfes, eines Doppelpyramidenstumpfes, eines Oloidstumpfes, eines Oktaederabschnitts oder eines Obelisk aufweist.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagneteinrichtungen jeweils einen Mantel aus einem magnetisch und/oder elektrischen Strom leitenden Material aufweisen, der die Hauptmagneteinrichtungen teilweise bedeckt.

Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel eine zweite Seite der Hauptmagneteinrichtungen bedeckt, wobei die zweite Seite bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die von dem Stator abgewandte Seite der Hauptmagneteinrichtungen ist und/oder bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die von dem Läufer abgewandte Seite der Hauptmagneteinrichtungen ist.

Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel die erste Seite der Hauptmagneteinrichtungen teilweise bedeckt und ein Endbereich unbedeckt vom Mantel verbleibt, wobei der Endbereich bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen dem Stator zugewandt ist und/oder bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen dem Läufer zugewandt ist.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagneteinrichtungen zur Bildung Netzwerks magnetisch leitend miteinander verbunden sind.

Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die verbundenen Hauptmagneteinrichtungen ein Halbach-Array bilden.

Elektrische Maschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von der jeweils ersten Seite abgewandten Endabschnitte der Hauptmagneteinrichtung miteinander verbunden sind.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen zwei Hauptmagneteinrichtungen über mindestens eine Verbindungsmagneteinrichtung erfolgt.

Elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verbindungsmagneteinrichtung sich jeweils zu den Hauptmagneteinrichtungen hin, die sie verbindet, verjüngt.

Elektrische Maschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Hauptmagneteinrichtungen über mehrere Verbindungsmagneteinrichtungen verbunden sind, wobei die Verbindungsmagneteinrichtungen parallel zueinander oder in Reihe angeordnet sind.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verbindungsmagneteinrichtung oder die mehreren Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils eine Ummantelung aus einem ferromagnetischen und/oder elektrischen Strom leitenden Material aufweist bzw. aufweisen.

Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung die zweite Seite der mindestens eine Verbindungsmagneteinrichtung bzw. der mehreren Verbindungsmagneteinrichtungen bedeckt, wobei die zweite Seite bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die von dem Stator abgewandte Seite der Verbindungsmagneteinrichtung bzw. Verbindungsmagneteinrichtungen ist und/oder bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die von dem Läufer abgewandte Seite der Verbindungsmagneteinrichtung bzw. Verbindungsmagneteinrichtungen ist.

Elektrische Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung die erste Seite der mindestens eine Verbindungsmagneteinrichtung bzw. der mehreren Verbindungsmagneteinrichtungen angeordnet ist, wobei die erste Seite bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Stator zugewandte Seite der Verbindungsmagneteinrichtung bzw. Verbindungsmagneteinrichtungen ist und/oder bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Läufer zugewandte Seite der Verbindungsmagneteinrichtung bzw. Verbindungsmagneteinrichtungen ist.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils die Form eines platonischen Körpers oder eines Abschnitts eines platonischen Körpers aufweisen.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils eine Zylinderform mit rautenförmigen oder hexagonalen Querschnitt aufweisen.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmagneteinrichtungen als Permanentmagnete oder als Elektropermanentmagnete ausgebildet sind.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmagneteinrichtungen als Elektromagnete ausgebildet sind.

Elektrische Maschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete der Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils aus einer oder mehreren Spulen gebildet sind.

Elektrische Maschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die die Elektromagnete der Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils einen Kern aufweisen.

Elektrische Maschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne der Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils eine an die geometrische Form der Verbindungsmagneteinrichtung angepasste Form aufweisen.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmagneteinrichtung über Verbindungselemente mit den Hauptmagneteinrichtungen verbunden ist.

Elektrische Maschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente aus einem ferromagnetischen oder magnetisch leitendenden Material bestehen oder Permanentmagnete sind.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagneteinrichtungen gleich ausgebildet sind.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagneteinrichtungen an dem Stator angeordnet und Permanentmagnete oder Elektropermanentmagnete sind, wobei der Läufer eine Anordnung aus Elektromagneten oder Elektropermanentmagneten aufweist oder dass die Hauptmagneteinrichtungen an dem Läufer angeordnet und Permanentmagnete oder Elektropermanentmagnete sind, wobei der Stator eine Anordnung aus Elektromagneten oder Elektropermanentmagnete aufweist.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagneteinrichtungen Elektromagneten sind.

Elektrische Maschine nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagneten jeweils aus einer oder mehreren Spulen gebildet sind.

Elektrische Maschine nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die die Elektromagneten jeweils einen Kern aufweisen.

Elektrische Maschine nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern eine an die geometrische Form der Hauptmagneteinrichtung angepasste Form aufweist.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Derartige herkömmliche elektrische Maschinen werden als Elektromotor zur Erzeugung einer Bewegung oder als Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet. Häufig werden derartige elektrische Maschinen als rotatorische Maschinen ausgebildet, bei denen der Läufer somit als Rotor ausgebildet ist, der in einem ringförmigen Stator oder ringförmig um einen Stator angeordnet ist.

An dem Stator und/oder dem Läufer sind dabei Magneteinrichtungen angeordnet, über die der Läufer in Bewegung versetzt werden kann.

Die häufigste Ausgestaltung derartiger Elektromaschinen weist Elektromagnete am Stator auf, die mit einem ferromagnetischen Läufer zusammenwirken. Die Elektromagneten des Stators sind dabei in einer Reihe kreisförmig um den Läufer angeordnet. Durch abwechselnde Betätigung der Elektromagneten wird ein fortlaufendes Magnetfeld erzeugt, das den Läufer antreibt.

Die an dem Stator angeordneten Elektromagnete sind aus Spulen gebildet, die einen ferromagnetischen Kern umgeben.

Bei der Optimierung der vorbekannten elektrischen Maschinen sind unter anderem zwei Ansätze möglich, einerseits die notwendige elektrische Energie für die Bereitstellung des magnetischen Feldes zum Antrieb des Läufers und/oder im Materialeinsatz für den Elektromagneten zu verringern.

Daher wurde in US 2016/0164353 A1 ein Ansatz gewählt, bei dem die Elektromagneten an dem Stator in einem sogenannten Halbach-Array angeordnet sind. An dem Rotor sind ferner Permanentmagnete angeordnet, die ebenfalls ein Halbach-Array bilden.

Bei einer Anordnung von Magneten in einem Halbach-Array wird erreicht, dass bei einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Magneten das magnetische Feld sich an einer Seite nahezu auslöscht und an der gegenüberliegenden Seite dadurch verstärkt ist. Bei dem beschriebenen sogenannten Halbach-Array Motor besteht somit der Vorteil, dass nur jeweils dem Stator bzw. Läufer zugewandten Seite des Magnetfelds aus dem Magneten heraustritt und auf den gegenüberliegenden Seiten das Magnetfeld nahezu vollständig ausgelöscht ist. Dadurch werden Verluste im magnetischen Fluss vermieden. Dies hat zur Folge, dass zur Bereitstellung eines in einem herkömmlichen Motor vergleichbaren Magnetfeldes weniger elektrische Energie notwendig ist oder Elektromagneten mit einer geringeren Anzahl von Wicklungen eingesetzt werden können.

Es ist jedoch ein angestrebtes Ziel, die herkömmlichen Motoren, insbesondere den Halbach-Array Motor, weiter zu verbessern.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, vorzugsweise einen Halbach-Array Motor, zu schaffen, der hinsichtlich des Materialeinsatzes und/oder des Energieeinsatzes verbessert ist.

Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit mindestens einem Stator und mindestens einem mit dem Stator zusammenwirkenden Läufer, wobei der Stator und/oder der Läufer eine Anordnung von mehreren Hauptmagneteinrichtungen aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagneteinrichtungen sich zu einer ersten Seite hin verjüngen, wobei die erste Seite bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Stator zugewandte Seite ist und/oder bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Läufer zugewandte Seite ist.

Mit anderen Worten: Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass Hauptmagneteinrichtungen, die an dem Stator angeordnet sind, sich in Richtung zu dem Läufer hin verjüngen bzw. Hauptmagneteinrichtungen, die am Läufer angeordnet sind, sich zu dem Stator hin verjüngen.

Es hat sich herausgestellt, dass der von derartig geformten Hauptmagneteinrichtungen erzeugte magnetische Fluss im Vergleich zu herkömmlichen Hauptmagneteinrichtungen, die bei elektrischen Maschinen eingesetzt sind und die eine Quaderform aufweisen, deutlich stärker ist. Entsprechende Simulationen haben ergeben, dass bei derart geformten Hauptmagneteinrichtungen sich in Hauptmagneteinrichtungen das Magnetfeld an mindestens einer Linie (der sog. Magnetfeldkonzentrationslinie) ausgerichtet konzentriert, die in Richtung zu der Verjüngung hin verläuft. Der von einer derart geformten Hauptmagneteinrichtung hervorgerufene magnetische Fluss ist somit im Vergleich zu Magneteinrichtungen anderer Formen stärker, so dass mit geringem Materialeinsatz oder Energieeinsatz ein vergleichbares Magnetfeld gebildet werden kann.

Die elektrische Maschine kann ein Motor oder ein Generator sein. Der Läufer kann als Rotor ausgebildet sein, wobei der Rotor ein Innenläufer oder ein Außenläufer sein kann, d.h. dass der Rotor innerhalb eines Stators oder einen Stator umgebend angeordnet sein kann. Die elektrische Maschine kann auch ein linearer Motor oder Generator sein, bei dem der Stator langgestreckt ausgebildet ist und der Läufer eine lineare Bewegung ausführt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine mehrere Statoren und/oder Läufer aufweist.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann beispielsweise als „schwebender“ Motor in sogenannter Flachbauweise verwirklicht werden. Hierbei ist der Rotor als flache, eine Welle umgebende Scheibe ausgestaltet und zwei scheibenförmige Statoren sind oberhalb und unterhalb der Scheibe des Rotors angeordnet. Die Statoren weisen die Hauptmagneteinrichtungen auf und bilden jeweils ein Magnetfeld, das einerseits den Rotor antreibt und andererseits den Rotor in axialer und radialer Richtung stabilisiert, so dass eine berührungslose Lagerung erfolgen kann.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Hauptmagneteinrichtung jeweils eine Form mit jeweils mindestens zwei Oberflächenabschnitten aufweist, die sich zu der ersten Seite hin verjüngen, wobei die mindestens zwei Oberflächenabschnitte kongruent zueinander sind. Die Hauptmagneteinrichtung weist somit mindestens zwei gleiche Oberflächenabschnitte auf, die zu einer Seite hin schmaler werden. Unter Oberflächenabschnitte werden hierbei Teile der Oberfläche einer Hauptmagneteinrichtung verstanden, die zumindest zur Bildung eines Teils der verjüngenden Form durch eine Kante in der Oberfläche begrenzt sind. Es hat sich herausgestellt, dass derart geformte Hauptmagneteinrichtungen in besonders vorteilhafter Weise den magnetischen Fluss und somit das Magnetfeld verstärken, da besonders ausgeprägte Magnetfeldkonzentrationslinien vorhanden sind.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Form der Hauptmagneteinrichtungen die Form eines Tetraeders, eines Doppeltetraeders, einer Pyramide, einer Doppelpyramide, eines Oloids, eines Oktaeders, eines Keils, eines Tetraederstumpfes, eines Doppeltetraederstumpfes, eines Pyramidenstumpfes, eines Doppelpyramidenstumpfes, eines Oloidstumpfes, eines Oktaederabschnitts oder eines Obelisk aufweist. Insbesondere die sogenannten platonischen Körper oder Abschnitte hiervon haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Unter Abschnitt eines Körpers wird eine Scheibe eines Körpers verstanden, beispielsweise wird unter Oktaederabschnitt ein Oktaeder verstanden, bei dem zwei sich gegenüberliegende Ecken abgeschnitten sind. Unter einem Stumpf einer Form wird die Grundform verstanden, bei der an einer Seite ein Teil abgeschnitten ist. Unter Obelisk wird ein Keilstumpf, d.h. ein abgeschnittener Keil, verstanden. Vorzugsweise weist die Hauptmagneteinrichtung die Form einer russischen Pyramide auf. Grundsätzlich kann die Hauptmagneteinrichtung eine beliebige Pyramidenform aufweisen, beispielsweise mit einer quadratischen Grundfläche, oder auch einem anderen Polygon als Grundfläche. Eine mögliche Grundfläche ist rechteckig, vorzugsweise mit einem Seitenverhältnis nach dem „Goldenen Schnitt“, ausgebildet Die Form der Hauptmagneteinrichtungen kann auch eine Kuppelform, beispielsweise eine Dreieckskuppelform, aufweisen. Auch kann vorgesehen sein, dass Oberflächenabschnitte, insbesondere die zwei kongruenten Oberflächenabschnitte, gewölbt sind, wie beispielsweise bei einem Oloid. Auch können die Formen der Hauptmagneteinrichtung ein Reuleaux-Tetraeder sein.

Bei einer Ausführungsform, bei der keine zwei kongruenten Oberflächenabschnitte vorgesehen sind, kann die Hauptmagneteinrichtung die Form eines Kegels, eines Kegelstumpfes, eines Rotationsparaboloiden und eines entsprechenden Stumpfes, eines Rotationshyperboloiden oder eines entsprechenden Stumpfes, eines Stumpfes eines Rotationshyperboloiden, eines Ellipsenkegels oder eines Ellipsenkegelstumpfes, eines Sphäroiden oder eines Stumpfes hiervon, eines Bizylinders oder eines Trizylinders (Steinmetzkörper) sein.

Die Hauptmagneteinrichtungen können jeweils auch eine aus mehreren der zuvor genannten Formen zusammengesetzte Form aufweisen. Beispielsweise können die Hauptmagneteinrichtungen eine aus mehreren Pyramidenstümpfen oder Kegelstümpfen zusammengesetzte Form aufweisen, bei der mehrere Pyramidenstümpfe bzw. Kegelstümpfe übereinandergesetzt sind. Es wird somit eine Art Tannenbaumform gebildet, wobei sich die verjüngende Form durch den obersten Pyramidenstumpf bzw. Kegelstumpf ergibt. Mit anderen Worten, die sich verjüngende Form der Hauptmagneteinrichtungen muss nicht zwangsläufig eine sich kontinuierlich verjüngende Form sein. Die Form kann auch Stufen und/oder Abschnitte mit unverändertem Querschnitt aufweisen. Die Form kann auch eine aus mehreren Doppelpyramidenstümpfen zusammengesetzte Form sein.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Hauptmagneteinrichtungen jeweils einen Mantel aus einem aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere einem ferromagnetischen Material, und/oder elektrischen Strom leitenden Material aufweisen, der die Hauptmagneteinrichtungen teilweise bedeckt. Ein derartiger Mantel hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da über den Mantel eine Verstärkung des magnetischen Flusses und somit des Magnetfelds erreicht werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der magnetische Fluss eine Hauptmagneteinrichtung an den von dem Mantel bedeckten Flächen nicht verlassen kann sondern über den Mantel rückgeleitet wird.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Mantel eine zweite Seite der Hauptmagneteinrichtungen vorzugsweise vollständig bedeckt, wobei die zweite Seite bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die von dem Stator abgewandte Seite der Hauptmagneteinrichtungen ist und/oder bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die von dem Läufer abgewandte Seite der Hauptmagneteinrichtungen ist. Somit kann ein Austritt des magnetischen Flusses an der zweiten Seite der Hauptmagneteinrichtungen nahezu vollständig verhindert werden, so dass auf der ersten Seite der Hauptmagneteinrichtungen ein wesentlich stärkerer magnetischer Fluss und somit ein stärkeres Magnetfeld erzeugbar ist. Bei Hauptmagneteinrichtungen, die eine Pyramiden-, Doppelpyramidenstumpf- oder Pyramidenstumpfform aufweisen kann beispielsweise nur die Grundfläche mit dem Mantel bedeckt sein.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Mantel die erste Seite der Hauptmagneteinrichtungen teilweise bedeckt und ein Endbereich unbedeckt vom Mantel verbleibt, wobei der Endbereich bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen dem Stator zugewandt ist und/oder bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen dem Läufer zugewandt ist. Der unbedeckte Endbereich ermöglicht ein Austritt des Magnetfeld an der ersten Seite in die gewünschte Richtung. Die von dem Mantel bedeckten Flächen können einen Austritt des magnetischen Flusses verhindern, so dass eine Art Konzentration des magnetischen Flusses auf den unbedeckten Endbereich erfolgt und an diesem ein vielfach verstärkter magnetischer Fluss austreten kann. Der Endbereich kann beispielsweise nur die obere Fläche einer Hauptmagneteinrichtung sein, wenn diese eine Stumpfform aufweist, oder es kann die Spitze sein, wobei der Endbereich hierbei sich beispielsweise maximal über 10% der Höhe der Hauptmagneteinrichtung erstreckt.

Es kann auch vorsehen sein, dass der Mantel nur einen Teilbereich der Hauptmagneteinrichtung bedeckt, wobei sich der Teilbereich sowohl auf die erste als auch auf die zweite Seite erstreckt, jedoch diese nicht vollkommen bedeckt. Beispielsweise kann eine Hälfte der Hauptmagneteinrichtung von dem Mantel bedeckt sein, wobei sich der dadurch ergebende Rand des Mantels von der zweiten in Richtung der ersten Seite erstreckt. Auf diese Weise können asymmetrische Magnetfelder erzeugt werden. Bei einer Form der Hauptmagneteinrichtung mit einer Grundfläche kann sich der Mantel bis über einen Teil oder die gesamte Grundfläche erstrecken. Auch besteht die Möglichkeit, dass nur eine Mantelfläche der Form der Hauptmagneteinrichtung ganz oder teilweise mit dem Mantel bedeckt ist.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hauptmagneteinrichtungen zur Bildung eines Netzwerks magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Durch die magnetisch leitende Verbindung der Hauptmagneteinrichtungen kann eine Verstärkung des magnetischen Flusses und somit des magnetischen Feldes erzeugt werden.

Zur Bildung des Netzwerkes kann die Anordnung der Hauptmagneteinrichtungen in eine Längsrichtung erstreckend zur Bildung eines Linearmotors oder -generators sein, ringförmig zur Bildung einer rotatorischen Maschine, schachbrettartig, spiralförmig, kreuzförmiger oder sphärisch.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die verbundenen Hauptmagneteinrichtungen ein Halbach-Array bilden. Eine derartige Anordnung ist von besonderem Vorteil, da sich die magnetischen Flüsse an einer Seite der Hauptmagneteinrichtungen, nämlich an der von der ersten Seite abgewandten Seite der Hauptmagneteinrichtungen nahezu vollständig auslöschen und somit auf der ersten Seite der Hauptmagneteinrichtungen ein wesentlich stärkerer magnetischer Fluss und somit ein stärkeres Magnetfeld erzeugbar ist.

Hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass die von der jeweils ersten Seite abgewandten Endabschnitte der Hauptmagneteinrichtungen miteinander verbunden sind. Die Endabschnitte befinden sich somit an der zweiten Seite der Hauptmagneteinrichtungen.

Die Verbindung zweier Hauptmagneteinrichtungen kann beispielsweise aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere einem ferromagnetischen Material, bestehen und eine Zylinderform aufweisen. Die Zylinderform kann beispielsweise einen rautenförmigen oder hexagonalen Querschnitt aufweisen. Der hexagonale Querschnitt kann dabei gleichmäßig oder auch ungleichmäßig, beispielsweise mit vier gleichlangen Seiten und zwei kürzeren, sich gegenüberliegenden Seiten sein. Derartige Verbindungen haben sich als sehr gute magnetische Leiter erwiesen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindung zwischen zwei Hauptmagneteinrichtungen über mindestens eine Verbindungsmagneteinrichtung erfolgt. Mit anderen Worten: Die magnetische Verbindung zwischen zwei Hauptmagneteinrichtungen erfolgt über eine Verbindungsmagneteinrichtung, die ebenfalls einen magnetischen Fluss und somit ein magnetisches Feld erzeugen kann. Es hat sich herausgestellt, dass hierdurch das von den Hauptmagneteinrichtungen erzeugte magnetische Feld in vorteilhafter Weise verstärkt werden kann.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Verbindungsmagneteinrichtung sich jeweils zu den Hauptmagneteinrichtungen hin, die sie verbindet, verjüngt. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer derartigen Ausgestaltung der Verbindungsmagneteinrichtungen sich in den Verbindungsmagneteinrichtungen Magnetfeldkonzentrationslinien ausbilden, die sich von einem verjüngenden Abschnitt der Verbindungsmagneteinrichtung zu dem anderen verjüngenden Abschnitt erstrecken und somit von einer Hauptmagneteinrichtung zu der anderen. Dadurch ist die magnetisch leitende Verbindung zwischen den Hauptmagneteinrichtungen besonders vorteilhaft. Alternativ können die Verbindungsmagneteinrichtungen auch zylinderförmige, beispielsweise kreiszylindrisch oder in Prismenform mit beispielsweise einer viereckigen Grundfläche, ausgebildet sein. Die mindestens eine Verbindungsmagneteinrichtung kann auch eine Zylinderform mit rautenförmigen oder hexagonalen Querschnitt aufweisen. Der hexagonale Querschnitt kann dabei gleichmäßig oder auch ungleichmäßig, beispielsweise mit vier gleichlangen Seiten und zwei kürzeren, sich gegenüberliegenden Seiten sein. Derartige Verbindungsmagneteinrichtungen haben sich als vorteilhaft für die Weiterleitung des magnetischen Flusses erwiesen.

Die Verbindungsmagneteinrichtungen können insbesondere symmetrisch, vorzugsweise punktsymmetrisch, ausgebildet sein. Die Verbindungsmagneteinrichtungen weisen vorzugsweise die Form eines platonischen Körpers oder eines Abschnitts eines platonischen Körpers auf. Vorzugsweise weisen die Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils die Form eines Oloids, eines Oktaeders, einer Doppelpyramide, eines Doppeltetraeders oder einer Doppelpyramide oder Abschnitte eines dieser Körper auf.

Zwei benachbarte Hauptmagneteinrichtungen können auch über mehrere Verbindungsmagneteinrichtungen verbunden sein, wobei die Verbindungsmagneteinrichtungen parallel zueinander oder in Reihe angeordnet sind. Beispielsweise können die Verbindungsmagneteinrichtungen die Form mehrerer aneinandergereihter Oktaederabschnitte aufweisen. Es können hierbei sogar mehrere Hundert oder mehrere Tausend Oktaederabschnitte aneinander gereiht werden. Derartige Verbindungsmagnet-einrichtungen haben sich als vorteilhaft für die Weiterleitung des magnetischen Flusses erwiesen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Verbindungsmagneteinrichtung oder die mehreren Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils eine Ummantelung aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere einem ferromagnetischen Material, und/oder elektrischen Strom leitenden Material aufweist bzw. aufweisen. Die Ummantelung der Verbindungsmagneteinrichtungen ist vergleichbar mit dem Mantel der Hauptmagneteinrichtungen. Über die Ummantelung wird erreicht, dass der magnetische Fluss eine Verbindungsmagneteinrichtungen an den von der Ummantelung bedeckten Flächen nicht verlassen kann sondern über die Ummantelung rückgeleitet wird, so dass der magnetische Fluss mit geringen Verlusten geleitet werden kann.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Ummantelung die zweite Seite der mindestens eine Verbindungsmagneteinrichtung bzw. der mehreren Verbindungsmagneteinrichtungen bedeckt, wobei die zweite Seite bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die von dem Stator abgewandte Seite der Verbindungsmagneteinrichtung bzw. Verbindungsmagneteinrichtungen ist und/oder bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die von dem Läufer abgewandte Seite der Verbindungsmagneteinrichtung bzw. Verbindungsmagneteinrichtungen ist. Durch eine derartige Ausgestaltung der Ummantelung wird ein Austritt des magnetischen Flusses an der von dem Stator bzw. Läufer abgewandten Seite der Verbindungsmagneteinrichtung verhindert, wohingegen auf der dem Stator bzw. Läufer zugewandten Seite, auf der ein Magnetfeld erzeugt werden soll, ein Austritt des magnetischen Flusses aus dem Verbindungsmagneteinrichtung zumindest zum Teil gestattet wird. Die Ummantelung kann somit - vergleichbar mit dem Mantel der Hauptmagneteinrichtung - nur einen Teilbereich der Verbindungsmagneteinrichtung bedecken, beispielsweise Teile einer Mantelfläche der Verbindungsmagneteinrichtung.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ummantelung die erste Seite der mindestens eine Verbindungsmagneteinrichtung bzw. der mehreren Verbindungsmagneteinrichtungen angeordnet ist, wobei die erste Seite bei an dem Läufer angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Stator zugewandte Seite der Verbindungsmagneteinrichtung bzw. Verbindungsmagneteinrichtungen ist und/oder bei am Stator angeordneten Hauptmagneteinrichtungen die dem Läufer zugewandte Seite der Verbindungsmagneteinrichtung bzw. Verbindungsmagneteinrichtungen ist. Der magnetische Fluss kann somit auch auf der dem Stator bzw. Läufer zugewandten Seite der Verbindungsmagneteinrichtung nicht austreten und ein Austritt ist weitestgehend nur an den Hauptmagneteinrichtungen gestattet.

Die Verbindungsmagneteinrichtungen können als Permanentmagnete oder als Elektropermanentmagnete ausgebildet sein. Alternativ können die Verbindungsmagneteinrichtungen auch als Elektromagnete ausgebildet sein. Dabei können die Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils aus einer oder mehreren Spulen gebildet sein. Es hat sich herausgestellt, dass beispielsweise zwei separat ansteuerbare Spulen, die übereinander liegend an Verbindungsmagneteinrichtungen angeordnet sind, einen besonders starken magnetischen Fluss erzeugen können.

Es kann vorgesehen sein, dass die Elektromagnete der Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils einen Kern aufweisen, der beispielsweise ferromagnetisch ist. Kerne, insbesondere ferromagnetische Kerne, können den magnetischen Fluss, der durch die Elektromagnete erzeugt wird, besonders verstärken.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Kern der Verbindungsmagneteinrichtung eine an die geometrische Form der Verbindungsmagneteinrichtung angepasste Form aufweist. Der Kern kann beispielsweise eine Form aufweisen, die teilweise der Form der Verbindungsmagneteinrichtung entspricht. Beispielsweise kann der Kern eine Oktaederform aufweisen, wohingegen die durch die Spulen gebildete Form der Verbindungsmagneteinrichtung die Form eines Abschnitts eines Oktaeders bildet, da die Wicklungen der Spule nur bis zur Spitze der Oktaeder des Kerns erfolgen und die Spulen keine spitz zulaufenden Wicklungen bilden, da diese dann ohne Kern wären.

Die Ummantelung kann bei einer Ausbildung der Verbindungsmagneteinrichtung mit Permanentmagneten oder Elektropermanentmagneten direkt auf deren Aussenseite, bei der Ausbildung als Elektromagneten direkt auf die Spulen aufgebracht werden.

Die Erfindung kann ferner in vorteilhafter Weise vorsehen, dass eine Verbindungsmagneteinrichtung über Verbindungselemente mit den Hauptmagneteinrichtungen verbunden ist. Die Verbindungselemente sind dabei vorzugsweise magnetisch leitend ausgebildet. Die Verbindungselemente können ferromagnetisch sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Verbindungselemente jeweils mit den Kernen der Verbindungsmagneteinrichtungen verbunden sind. Bei einer Hauptmagneteinrichtung, die als Elektromagnet mit Kern ausgebildet ist, können die Verbindungselemente ebenfalls mit dem Kern der Hauptmagneteinrichtung verbunden sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hauptmagneteinrichtungen alle die gleiche Form aufweisen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Hauptmagneteinrichtungen unterschiedliche Formen aufweisen, wodurch die Form des erzeugten Magnetfeldes beeinflusst werden kann.

Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise vorsehen, dass die Hauptmagneteinrichtungen an dem Stator angeordnet und Permanentmagnete oder Elektropermanentmagnete sind, wobei der Läufer eine Anordnung aus Elektromagneten oder Elektropermanentmagneten aufweist oder dass die Hauptmagneteinrichtungen an dem Läufer angeordnet und Permanentmagnete oder Elektropermanentmagnete sind, wobei der Stator eine Anordnung aus Elektromagneten oder Elektropermanentmagneten aufweist. Dabei kann die Anordnung aus Elektromagneten oder Elektropermanentmagneten an dem Stator bzw. Läufer ebenfalls Hauptmagneteinrichtungen bilden.

Bei einer Ausführungsform, bei der die Hauptmagneteinrichtungen und die Verbindungsmagneteinrichtung als Permanentmagnete ausgebildet sind, können die Verbindungselemente ebenfalls als Permanentmagnete ausgebildet sein.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Hauptmagneteinrichtungen Elektromagneten sind. Bei einer Ausgestaltung der Hauptmagneteinrichtungen als Elektromagneten oder Elektropermanentmagneten kann auch vorgesehen sein, dass der mit den Hauptmagneteinrichtungen zusammenwirkende Gegenpart von Läufer bzw. Stator aus diamagnetischem Material besteht und somit erst das durch die Hauptmagneteinrichtungen erzeugte magnetische Feld, das in das diamagnetische Material induziert wird, eine magnetische Wirkung zum Antrieb des Läufers erzeugt.

Der Einsatz von Elektropermanentmagneten hat sich bei elektronischen Maschinen, die langsamere Bewegungen erzeugen oder in die langsamere Bewegungen eingespeist werden, als vorteilhaft erwiesen.

Die Elektromagneten können jeweils aus einer oder mehreren Spulen gebildet sein. Einzelne Abschnitte der Spulen können hierbei beispielsweise zumindest teilweise die mindestens zwei Oberflächenabschnitte bilden. Die Elektromagneten können beispielsweise jeweils einen Kern aufweisen, der vorzugsweise ferromagnetisch ist.

Die Ausgestaltung der Hauptmagneteinrichtungen als Elektromagneten kann somit in vergleichbarer Form in vergleichbaren Vorteilen erfolgen wie bei den Verbindungsmagneteinrichtungen.

Vorzugsweise weist der Kern eine an die geometrische Form der Hauptmagneteinrichtung angepasste Form auf. Der Kern kann zumindest teilweise die gleiche geometrische Form aufweisen. Bei einer Pyramidenform des Kerns besitzt beispielsweise die Hauptmagneteinrichtung die Form eines Pyramidenstumpfes, da die Spule lediglich bis zur Spitze des Kerns den Kern umgibt und somit die Spulen keine eigene Spitze bilden.

Insbesondere bei Hauptmagneteinrichtungen und/oder Verbindungsmagneteinrichtungen, die die Form einer Pyramide, einer russischen Pyramide, eines Oloids, eines Tetraeders oder eines Stumpfes dieser Formen aufweisen, hat sich herausgestellt, dass ein Magnetfeldkonzentrationspunkt vorliegt, in dem sich die Magnetfeldkonzentrationslinien treffen. Es hat sich ferner herausgestellt, dass die Anordnung von diamagnetischem oder paramagnetischem Material in dem Magnetfeldkonzentrationspunkt eine Verstärkung des Magnetflusses hervorruft. Die Erfindung kann daher vorsehen, dass in den Magnetfeldkonzentrationspunkten der Hauptmagneteinrichtungen und/oder der Verbindungsmagneteinrichtungen diamagnetisches oder paramagnetisches Material angeordnet ist. Das diamagnetische oder paramagnetische Material kann beispielsweise als kleiner Körper in den Kern oder den Magneten eingebracht werden und beispielsweise die gleiche Form wie die Hauptmagneteinrichtungen bzw. der Kern der Hauptmagneteinrichtung aufweisen. Auch kann das diamagnetische Material beispielsweise eine Kugelform aufweisen.

Die Anordnung des diamagnetischen oder paramagnetischen Materials in dem Magnetfeldkonzentrationspunkt einer Hauptmagneteinrichtung hat auch unabhängige erfinderische Bedeutung, d.h. dass eine derartige Magneteinrichtung auch losgelöst von der Erfindung der elektrischen Maschine verwirklichbar ist. Es sind somit auch Magneteinrichtungen, beispielsweise Elektromagnete oder Elektropermanentmagnete, verwirklichbar, die die zuvor genannte Form der Hauptmagneteinrichtungen aufweisen, wobei in dem gebildeten Magnetfeldkonzentrationspunkt diamagnetisches oder paramagnetisches Material angeordnet ist. Derartige Magneteinrichtungen sind in einer Vielzahl von Anwendungen einsetzbar, beispielsweise als Haftmagnete, Hubmagnete, Magnete zur Separation o.ä..

Bei Magneteinrichtungen aus Permanentmagneten die die Form einer Pyramide, einer russischen Pyramide, eines Oloids, eines Tetraeders oder eines Stumpfes dieser Formen aufweisen, kann vorgesehen sein, dass in dem Magnetfeldkonzentrationspunkt ein Körper angeordnet ist, der aus einem Permanentmagneten bestehen, der eine höhere Güte (stärke Magnetisierung) als der den Körper umgebende Permanentmagnet aufweist. Auch hierdurch kann auf einfache Art und Weise eine Verstärkung des Magnetflusses der Magneteinrichtung erreicht werden.

Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann auch vorgesehen sein, dass der Läufer schwebend gelagert ist, d.h. dass der Läufer über das von dem Stator erzeugte Magnetfeld berührungslos gelagert ist. Dadurch werden Reibungsverluste aufgrund von Roll- oder Gleitlagern, die üblicherweise für die Lagerung eines Läufers eingesetzt werden, vermieden. Dabei kann eine elektrodynamische Lagerung verwendet werden, in der beispielsweise an dem Stator eine Anordnung von mehreren Hauptmagneteinrichtungen ausgebildet ist und die Hauptmagneteinrichtungen sich zu einer ersten, dem Läufer zugewandten Seite hin verjüngen. Die Hauptmagneteinrichtungen können hierbei die Hauptmagneteinrichtungen der elektrischen Maschine sein oder separate Hauptmagneteinrichtungen. Der Läufer kann zumindest einen Abschnitt aus einem elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Material, beispielsweise einem diamagnetischen oder paramagnetischen Material, aufweisen, der mit dem durch die Hauptmagneteinrichtungen gebildeten Magnetfeld zusammenwirkt. Das Magnetfeld induziert in den sich bewegenden Läufer Wirbelströme, wodurch Magnetkräfte zur Lagerung des Läufers erzeugt werden. Die Hauptmagneteinrichtungen bei einer derartigen Lagerung können insbesondere Permanentmagnete oder Elektropermanentmagnete, die vorzugsweise in der zuvor beschriebenen Weise als Halbach-Array angeordnet sind, sein. Eine derartige dynamische Lagerung kann eine rotatorische Lagerung oder eine Linearlagerung sein. Grundsätzlich kann die Anordnung auch umgekehrt sein, so dass der Stator zumindest einen Abschnitt aus einem elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Material, beispielsweise einem diamagnetischen oder paramagnetischen Material, aufweist und der Läufer die Hauptmagneteinrichtungen aufweist.

Die Verwendung der erfinderischen Anordnung der Hauptmagneteinrichtungen, insbesondere in der zuvor beschriebenen Weise in einer Anordnung als Halbach-Array mit Verbindungsmagneteinrichtungen, für elektrodynamische Lagerungen hat auch eigenständige erfinderische Bedeutung und ist somit auch unabhängig von der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine verwirklichbar.

Die Ausgestaltung einer Magneteinrichtung, beispielsweise einem Permanentmagneten, einem Elektropermanentmagneten oder einen Elektromagneten, die sich zu einer Seite hin verjüngt und die einen Mantel aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere einem ferromagnetischen Material, und/oder elektrischen Strom leitenden Material aufweisen, der die Magneteinrichtung teilweise bedeckt, hat auch eigenständige erfinderische Bedeutung und ist somit auch unabhängig von der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine verwirklichbar. Ein derartiger Mantel hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da über den Mantel eine Verstärkung des magnetischen Flusses und somit des Magnetfelds erreicht werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der magnetische Fluss eine Magneteinrichtung an den von dem Mantel bedeckten Flächen nicht verlassen kann sondern über den Mantel rückgeleitet wird.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Mantel eine Seite der Magneteinrichtung vorzugsweise vollständig bedeckt. Somit kann ein Austritt des magnetischen Flusses an dieser Seite der Hauptmagneteinrichtungen nahezu vollständig verhindert werden, so dass auf einer anderen, unbedeckten Seite der Magneteinrichtung ein wesentlich stärkerer magnetischer Fluss und somit ein stärkeres Magnetfeld erzeugbar ist. Die Magneteinrichtung kann grundsätzlich die zuvor in Bezug auf die Hauptmagneteinrichtungen beschriebenen Formen besitzen. Bei einer Magneteinrichtung, die eine Pyramiden- oder Pyramidenstumpfform aufweist, kann beispielsweise nur die Grundfläche mit dem Mantel bedeckt sein. Es kann auch nur einen Teilbereich der Magneteinrichtung von dem Mantel bedeckt sein, so dass ein asymmetrisches Magnetfeld erzeugbar ist.

Der Mantel kann die Magneteinrichtung auch nahezu vollständig bedecken, wobei lediglich ein Ausschnitt unbedeckt bleibt, durch den ein der magnetische Fluss austreten kann. Der Mantel der Magneteinrichtung besitzt die zuvor in Bezug auf den Mantel der Hauptmagneteinrichtungen beschriebenen Wirkungen und Vorteile.

Eine Ausgestaltung einer Verbindungeinrichtung, beispielsweise einer Verbindungsmagneteinrichtung, zur Leitung von magnetischen Flüssen mit einer Ummantelung aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere einem ferromagnetischen Material, und/oder elektrischen Strom leitenden Material hat auch eigenständige erfinderische Bedeutung und ist somit auch unabhängig von der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine verwirklichbar. Beispielsweise kann die Verbindungseinrichtung aus einem magnetisch leitenden Material, insbesondere einem ferromagnetischen Material, bestehen.

Die Verbindungseinrichtung kann eine Zylinderform aufweisen. Die Zylinderform kann beispielsweise einen rautenförmigen oder hexagonalen Querschnitt aufweisen. Derartige Verbindungen haben sich als sehr gute magnetische Leiter erwiesen. Beispielsweise kann Verbindungeinrichtung die als Verbindungsmagneteinrichtungen ausgebildet ist und beispielsweise als Permanentmagnet, Elektropermanentmagnet oder als Elektromagnet ausgebildet ist, die Form mehrerer aneinander gereihter Oktaederabschnitte, die jeweils komplett mit der Ummantelung bedeckt sind, aufweisen. Derartige Verbindungsmagneteinrichtungen haben sich als vorteilhaft für die Weiterleitung eines magnetischen Flusses erwiesen. Die Ummantelung der Verbindungeinrichtung besitzt die zuvor in Bezug auf die Ummantelung der Verbindungsmagneteinrichtungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine beschriebenen Wirkungen und Vorteile.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist pyramidenstumpfförmige Hauptmagneteinrichtungen, die als Elektromagnete mit pyramidenförmigen Kernen ausgebildet sind. Die Verbindungsmagneteinrichtungen weisen die Form eines Abschnitts eines Oktaeders auf und sind ebenfalls als Elektromagnete ausgebildet. Sie weisen vorzugsweise einen oktaederförmigen Kern auf. Zwei benachbarte Hauptmagneteinrichtungen sind jeweils über zwei oder drei Verbindungsmagneteinrichtungen miteinander verbunden, so dass eine parallele Verbindung entsteht. Dabei sind vorzugsweise die Verbindungsmagneteinrichtungen jeweils mit Ecken der Hauptmagneteinrichtungen, vorzugsweise jeweils über Verbindungselemente verbunden. Vorzugsweise verbinden hierbei die Verbindungselemente die Kerne der Hauptmagneteinrichtungen und Verbindungsmagneteinrichtungen.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine bietet den Vorteil, dass die Hauptmagneteinrichtungen und/oder die Verbindungsmagneteinrichtungen aufgrund ihrer speziellen Form im Vergleich zu herkömmlichen quaderförmigen Magneteinrichtungen ein wesentlich stärkeres Magnetfeld erzeugen können. Dies hat zur Folge, dass zur Erzeugung einer im Vergleich zum Stand der Technik gleichen Magnetstärke weniger Energie notwendig ist und/oder Elektromagneten mit einer geringeren Anzahl von Windungen verwendet werden können. Bei dem Einsatz von Permanentmagneten können im Vergleich zum Stand der Technik kleinere Permanentmagnete verwendet werden, so dass eine Gewichtsreduzierung erfolgen kann.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
  • 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer Anordnung von Hauptmagneteinrichtungen und Verbindungsmagneteinrichtungen für ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
  • 3A eine zweite Anordnung von Hauptmagneteinrichtungen und Verbindungsmagneteinrichtungen für ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
  • 3B die Ausgestaltung der Kerne der Hauptmagneteinrichtungen und Verbindungsmagneteinrichtungen gemäß 3A,
  • 4A eine Anordnung von Hauptmagneteinrichtungen eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
  • 4B die Ausgestaltung der Kerne der Hauptmagneteinrichtung nach 4A,
  • 5a eine schematische Einzeldarstellung einer Hauptmagneteinrichtung,
  • 5b eine Ausgestaltung des Kerns der Hauptmagneteinrichtung der 5a.
  • 6 eine schematische Schnittdarstellung einer Hauptmagneteinrichtung mit Mantel,
  • 7a schematische Schnittdarstellungen von und 7b Verbindungmagneteinrichtung mit Mantel und
  • 8 eine schematische Schnittdarstellungen eine Verbindungseinrichtung zur Leitung von magnetischen Fluss

In 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine im Teilschnitt dargestellt.

Die elektrische Maschine weist einen Stator 3 und einen Läufer 4, der als Rotor ausgebildet ist, auf. Der Stator 3 umgibt den Läufer ringförmig. Die elektrische Maschine kann als Motor oder als Generator ausgebildet sein.

Der Läufer 4 ist mit einer nicht dargestellten Welle verbunden, die im Falle eines Motors den Abtrieb darstellt und im Falle eines Generators die Antriebswelle ist.

Der Stator 3 weist eine Anordnung von mehreren Hauptmagneteinrichtungen 5 auf. Die Hauptmagneteinrichtungen 5 des Stators sind in der 1 nur schematisch dargestellt. Konkretere Ausgestaltungen der Hauptmagneteinrichtungen sind in den 2 - 5b gezeigt.

An dem Läufer 4 sind Magneteinrichtungen 7 angeordnet, die ebenfalls Hauptmagneteinrichtungen sein können.

Die Hauptmagneteinrichtungen 5 des Stators 3 sind Elektromagneten. Die Magneteinrichtungen 7 des Läufers 4 sind Permanentmagnete. Die Hauptmagneteinrichtungen 5 sind beispielsweise an eine Drehstromquelle angeschlossen, so dass ein fortlaufendes Magnetfeld erzeugt wird, dass die Magneteinrichtungen 7 anzieht und somit eine rotatorische Bewegung des Läufers 4 hervorgerufen wird.

Die Hauptmagneteinrichtungen 5 verjüngen sich zu einer ersten Seite 5a hin, wobei die erste Seite 5a der Hauptmagneteinrichtungen die dem Läufer 4 zugewandte Seite ist. Die Magneteinrichtungen 7 sind sich zu der dem Stator 3 zugewandten Seite hin verjüngend ausgebildet.

Es hat sich herausgestellt, dass durch die verjüngte Ausgestaltung der Hauptmagneteinrichtungen 5 auf der sich verjüngenden Seite ein im Vergleich zu herkömmlichen Blockmagnetformen stärkeres Magnetfeld erzeugt werden kann. Auch die sich verjüngend ausgestalteten Permanentmagnete der Magneteinrichtungen 7 erzeugen auf der sich verjüngenden Seite ein stärkeres Magnetfeld als quaderförmige Permanentmagneten.

In 2 ist eine Ausführungsform der Anordnung einiger Hauptmagneteinrichtungen 5 schematisch in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die Hauptmagneteinrichtungen 5 der 2 können beispielsweise einige der Hauptmagneteinrichtungen 5 des Stators 3 der 1 sein. Die Hauptmagneteinrichtungen 5 sind zur vereinfachten Darstellung in der Längsrichtung nebeneinander angeordnet. Für eine Anordnung an einem Stator gemäß der 1 müsste selbstverständlich eine Krümmung der Anordnung verwirklicht sein.

Die Hauptmagneteinrichtungen 5 sind über Verbindungsmagneteinrichtungen 9 zur Bildung eines Netzwerks miteinander verbunden. Die Verbindungsmagneteinrichtungen 9 sind magnetisch leitend und können ebenfalls ein magnetisches Feld erzeugen. Zur Verbindung der Verbindungsmagneteinrichtungen 9 mit den Hauptmagneteinrichtungen sind Verbindungselemente 11 vorgesehen.

Die Hauptmagneteinrichtungen 5 sind als Elektromagnete ausgestaltet, wobei ein Kern 13, der beispielsweise aus ferromagnetischem Material besteht, von schematisch dargestellten Spulen 15 umwickelt ist. Die von den Spulen 15 hervorgerufene Form der Hauptmagneteinrichtungen 5 weisen jeweils vier Oberflächenabschnitte 5b auf, die sich zu der ersten Seite 5a hin verjüngen und die kongruent zueinander sind. Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Hauptmagneteinrichtung jeweils die Form eines Pyramidenstumpfes auf.

Die Verbindungsmagneteinrichtungen 9 sind ebenfalls als Elektromagneten ausgebildet und weisen jeweils einen Kern 17 auf. Der Kern 17 ist von Spulen 19, die in 2 schematisch dargestellt sind, umwickelt, wobei die Spulen 19 die Form der Verbindungsmagneteinrichtungen 9 vorgeben. Die Verbindungsmagneteinrichtungen 9 weisen eine sich jeweils zu den Hauptmagneteinrichtungen 5 hin verjüngende Form auf und besitzen eine symmetrische Form. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Verbindungsmagneteinrichtungen 9 die Form eines Abschnitts eines Oktaeders auf. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Ausgestaltung der Verbindungsmagneteinrichtungen als besonders vorteilhaft für die Leitung des Magnetfeldes zwischen den Hauptmagneteinrichtungen 5 ist.

Die Verbindungselemente 11 verbinden jeweils die Kerne 13 und 17 der Hauptmagneteinrichtungen 5 bzw. Verbindungsmagneteinrichtung 19.

Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei benachbarte Hauptmagneteinrichtungen 5 jeweils durch zwei Verbindungsmagneteinrichtungen 9 verbunden. Dabei sind jeweils Ecken 5c der Hauptmagneteinrichtung 5 mittels der Verbindungsmagneteinrichtung 9 und der Verbindungselemente 11 miteinander verbunden. Durch die spezielle Form der Hauptmagneteinrichtungen 5 werden in den Hauptmagneteinrichtungen 5 Magnetfeldkonstellationslinien gebildet, die von den Ecken 5c der sich zu einem Punkt in der Mitte erstrecken und von diesem in Richtung zu der ersten Seite 5a. Daher ist die Verbindung über die Ecken 5c von besonderem Vorteil, da somit die Magnetfeldkonzentrationslinien der benachbarten Hauptmagneteinrichtungen 5 miteinander verbunden sind.

Die spezielle Form der Verbindungsmagneteinrichtung 9 ist ebenfalls von Vorteil, da die abgeschnittene Oktaederform ebenfalls eine Magnetfeldkonzentrationslinie in der Mitte des Oktaeders ausbildet, so dass diese, für die Verbindung der Magnetfeldkonzentrationslinien der Hauptmagneteinrichtungen 5 dienen kann.

Die Verbindungsmagneteinrichtungen 9 sind über die Verbindungselemente 11 jeweils an Endabschnitten 5d der Hauptmagneteinrichtungen 5 angeschlossen, wobei sich die Endabschnitte 5d auf der von der ersten Seite 5a abgewandten zweiten Seite der Hauptmagneteinrichtungen 5 befinden. Dadurch kann erreicht werden, dass durch die Anordnung der Hauptmagneteinrichtungen 5 ein sogenanntes Halbach-Array gebildet wird, bei dem auf der von der ersten Seite 5a abgewandten Seite der Hauptmagnetverbindungseinrichtungen nahezu kein Magnetfeld außerhalb der Hauptmagneteinrichtungen 5 erzeugt wird bzw. sich dieses auslöscht und dadurch auf der ersten Seite 5a, die beispielsweise dem Läufer 3 zugewandt ist, ein verstärktes Magnetfeld erzeugt wird.

Grundsätzlich ist auch die Ausgestaltung der Hauptmagneteinrichtung 5 in Form eines Doppelpyramidenstumpfes möglich, so dass die Hauptmagneteinrichtungen 5 in der Mitte verbunden sind. Eine derartige Ausgestaltung hat jedoch den Nachteil, dass im Vergleich zu einem Pyramidenstumpf kein so starkes Halbach-Array gebildet wird, da an beiden Seiten der Hauptmagneteinrichtung 5 ein Magnetfeld austritt und somit das Magnetfeld, das dem Läufer zugewandt ist, schwächer ist als bei einem Pyramidenstumpf. Derartige Ausgestaltungen sind beispielsweise bei Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit mehreren Läufern, die den Stator beidseitig umgeben, von Vorteil. Auch ist eine derartige Ausgestaltung gegenüber herkömmlichen Magnetanordnungen von Vorteil, da der auf der ersten Seite 5a austretende Magnetfluss gegenüber dem Magnetfluss von herkömmlichen quaderförmigen Magneten dennoch stärker ist.

In 3a ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Hauptmagneteinrichtungen 5 gezeigt.

Das in 3a gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen durch die Form der Hauptmagneteinrichtungen 5 und den Verbindungsmagneteinrichtungen 9. Die Hauptmagneteinrichtungen 5 sind in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls pyramidenstumpfförmig ausgebildet, wobei die Pyramidenstumpfform die Hauptmagneteinrichtung 5 bei dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel eine Polygonengrundfläche aufweist, die vier Außenecken und vier Innenecken besitzt. Die Pyramidenstumpfform ist somit in ihren Flächen „eingeschnürt“. Die Hauptmagneteinrichtungen 5 weisen somit acht Oberflächenabschnitte 5b auf, wobei vier Oberflächenabschnitte 5b gleich sind und die weiteren Oberflächenabschnitte spiegelverkehrt zu den Oberflächenabschnitten 5b sind. Die nach innen gerichteten Ecken bildenden Oberflächenabschnitte 5b können beispielsweise einen Winkel zwischen 1 und 3 ° aufweisen.

Die Verbindungsmagneteinrichtungen 9 sind vergleichbar ausgebildet. Die Verbindungsmagneteinrichtungen 9 weisen eine Abwandlung eines Abschnitts einer Oktaederform auf. Auch hierbei weisen die Seitenflächen eine „Einschnürung“ auf. Die Form der Verbindungsmagneteinrichtungen 9 ist somit ein Doppelpyramidenstumpf. Der Winkel zwischen den eine Innenecke bildenden Flächenabschnitten kann ebenfalls zwischen 1 und 3 ° sein.

Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Ausgestaltung der Hauptmagneteinrichtung 5 und der Verbindungsmagneteinrichtung 9 von besonderem Vorteil ist, da hierdurch die Magnetfeldkonzentrationslinien in besonders vorteilhafter Weise ausgebildet sind.

In 3b sind die Kerne 13 der Hauptmagneteinrichtung 5 sowie die Kerne 17 der Verbindungsmagneteinrichtungen 9 schematisch dargestellt. Wie aus 3b ersichtlich ist, verbinden die Verbindungselemente 11 die Kerne 13 der Hauptmagneteinrichtungen 5 und die Kerne 17 der Verbindungsmagneteinrichtungen 9. Die Kerne 13 der Hauptmagneteinrichtungen 5 sind pyramidenförmig ausgebildet. Die Pyramidenstumpfform der Hauptmagneteinrichtung 5 ergibt sich dadurch, dass die Spulen 15 nur bis zur Spitze der Kerne 13 gewickelt sind.

Die Kerne 13 der Hauptmagneteinrichtungen 5 und die Kerne 17 der Verbindungsmagneteinrichtungen 9 geben somit im Wesentlichen die Form der Hauptmagneteinrichtungen 5 bzw. der Verbindungsmagneteinrichtungen 9 vor.

Die Verbindungselemente 11 sind nicht umwickelt. Sie können beispielsweise aus einem ferromagnetischen Material bestehen.

In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Hauptmagneteinrichtung 5 und die Verbindungsmagneteinrichtung 9 aus Permanentmagneten. Dabei können diese Permanentmagneten die Form der in 3b dargestellten Kerne 13,17 aufweisen, so dass die in 3B dargestellte Form auch für die Ausgestaltung der Hauptmagneteinrichtungen 5 und Verbindungsmagneteinrichtungen 9 als Permanentmagnete dienen kann.

In 4a und 4b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Anordnung der Hauptmagneteinrichtungen 5 der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 dargestellt. In 4A sind hierbei die Hauptmagneteinrichtungen 5 und Verbindungsmagneteinrichtungen 9 jeweils als Elektromagnet mit einem mittels einer Spule 15 bzw. 19 umwickelten Kern 13 bzw. 17 ausgebildet. Die Kerne 13 bzw. 17 sind in der 4b schematisch dargestellt. Die Kerne 13,17 weisen jeweils die Form eines Oloiden auf. Die Kerne 13 der Hauptmagneteinrichtung 5 sind dabei mit der von dem Oloid gebildeten Kante zu der ersten Seite 5a hin gerichtet angeordnet, wohingegen die Kerne 17b „liegend“ angeordnet sind.

Es hat sich herausgestellt, dass die Anordnung der Hauptmagneteinrichtungen 5 und Verbindungsmagneteinrichtungen 9 gemäß der 4a in besonders vorteilhafter Weise ein Halbach-Array ergibt. Die Richtung der Magnetflüsse ist dabei in der 4a schematisch durch Pfeile angedeutet.

Die in den 2 bis 4b gezeigten Anordnungen der Hauptmagneteinrichtungen 5 und Verbindungsmagneteinrichtungen 9 können auch für die Verwirklichung von elektrodynamischen Lagerungen somit auch für andere Einsatzzwecke als elektrische Maschinen verwendet werden. Der Aufbau der elektrodynamischen Lagerung kann dabei ähnlich dem in der 1 gezeigtem Aufbau sein. Die Hauptmagneteinrichtungen 5 und Verbindungsmagneteinrichtungen 9 können beispielsweise als Halbach-Array rotationssymmetrisch an einem Stator 3 um einen Läufer 4 aus elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Material, beispielsweise einem diamagnetischen oder paramagnetischen Material, zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, angeordnet werden, der mit dem durch die Hauptmagneteinrichtungen 5 gebildeten Magnetfeld zusammenwirkt. Das Magnetfeld induziert in den rotierenden Läufer 4 Wirbelströme, wodurch Magnetkräfte zur Lagerung des Läufers 4 erzeugt werden. Grundsätzlich kann die Anordnung auch umgekehrt sein, so dass die Hauptmagneteinrichtungen 5 und Verbindungsmagneteinrichtungen 9 an dem Läufer 4 angeordnet sind und der Stator 3 zumindest teilweise aus elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Material, beispielsweise einem diamagnetischen oder paramagnetischen Material besteht

In 5a ist eine einzelne Hauptmagneteinrichtung 5 schematisch dargestellt. Die Hauptmagneteinrichtung 5 weist wiederum einen Kern 13 auf, der in 5B dargestellt ist. Der Kern 13 ist von einer Spule 15 umwickelt. Die Hauptmagneteinrichtung 5 des in 5a dargestellten Ausführungsbeispiels weist die Form eines Stumpfes einer russischen Pyramide auf. Entsprechend weist der Kern 13 die Form einer russischen Pyramide auf. Eine derartige Form hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. In dem Kern 13 der Hauptmagneteinrichtung 5 entstehen Magnetfeldkonzentrationslinien 21, die sich von allen Ecken erstrecken und in einem Magnetfeldkonzentrationspunkt 23 treffen. In diesem Punkt ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Körper 25 aus diamagnetischem oder paramagnetischem Material angeordnet. Der Körper ist bei dem in 5b dargestellten Ausführungsbeispiel kugelförmig ausgebildet. Es hat sich herausgestellt, dass die Anordnung eines derartigen Körpers in dem Magnetfeldkonzentrationspunkt 23 den an der Seite 5a verlassenden Magnetfluss verstärken kann.

In 5a ist eine einzelne Hauptmagneteinrichtung 5 schematisch dargestellt. Die Hauptmagneteinrichtung 5 weist wiederum einen Kern 13 und eine den Kern 13 umgebende Spule 15 auf. Um die Spule ist ein Mantel 27 aus ferromagnetischem Material angeordnet, der die Spule 15 fast vollständig bedeckt. Lediglich der der ersten Seite 5a zugewandte Fläche ist unbedeckt. Der unbedeckte Endbereich ermöglicht ein Austritt des Magnetfelds an der ersten Seite 5a. Die von dem Mantel 27 bedeckten Flächen können einen Austritt des magnetischen Flusses verhindern, so dass eine Art Konzentration des magnetischen Flusses auf den unbedeckten Endbereich erfolgt und an diesem ein vielfach verstärkter magnetischer Fluss austreten kann. Wie durch die Pfeile angedeutet ist, tritt der magnetische Fluss aus der Spule 15 aus und wird über den Mantel 27 zu dem Kern geleitet, wodurch die Verstärkung bewirkt wird.

Die in den 5a, 5b und 6 dargestellte Ausführungsform der Magneteinrichtung ist auch unabhängig von der zuvor beschriebenen elektrischen Maschine 1 verwirklichbar. Eine derartige Magneteinrichtung kann somit auch für andere Einsatzzwecke als elektrische Maschinen verwendet werden.

In den 7a und 7b sind Verbindungsmagneteinrichtungen 9 schematisch einzeln im Schnitt dargestellt. Die in 7a dargestellte Verbindungsmagneteinrichtung 9 besitzt im Wesentlichen den Aufbau der in 2 gezeigten Verbindungsmagneteinrichtungen 9 mit einem Kern 17 und einer Spule 19, die die Form eines Oktaederabschnitts besitzen. Zusätzlich weist die in 7a dargestellte Verbindungsmagneteinrichtung 9 jedoch eine Ummantelung 29 aus einem ferromagnetischen Material auf, die die Spule 19 bedeckt. Die Ummantelung 29 hat einen mit dem zuvor beschriebenen Mantel 27 vergleichbaren Effekt und verbessert die Leistung des magnetischen Flusses durch die Verbindungsmagneteinrichtung 9. In 7b ist die Verbindungsmagneteinrichtung 9 dahingehend abgeändert, dass sie aus mehreren aneinandergereihten Oktaederabschnitten besteht.

8 zeigt eine Verbindungseinrichtung 9a, die für die Verbindung zwischen zwei Magneteinrichtungen, insbesondere zwei Hauptmagneteinrichtungen dienen kann. Die Verbindungseinrichtung 9a erzeugt selbst kein Magnetfeld und weist eine Zylinderform auf. Sie besteht aus einem ferromagnetischen Material. Die Zylinderform kann einen hexagonalen Querschnitt aufweisen, wobei der Querschnitt ungleichmäßig mit vier gleichlangen Seiten und zwei kürzeren, sich gegenüberliegenden Seiten ist. Derartige Verbindungseinrichtung haben sich als sehr gute magnetische Leiter erwiesen.

Die in den 7a, 7b und 8 dargestellte Ausführungsform der Verbindungsmagneteinrichtung 9 bzw. Verbindungseinrichtung 9a ist auch unabhängig von der zuvor beschriebenen elektrischen Maschine 1 verwirklichbar. Eine derartige Verbindungsmagneteinrichtung bzw. Verbindungseinrichtung kann somit auch für andere Einsatzzwecke als elektrische Maschinen verwendet werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 2016/0164353 A1 [0007]