Elektrische Vorrichtung oder Maschine

Abstract

 Bei einer elektrischen Vorrichtung oder Maschine mit wenigstens einer einen Elektromagnet (1) und einen Permanentmagnet (2) aufweisenden Magnetanordnung liegt der Permanentmagnet (2) mit seinen Polflächen beiderseits der Wicklung (3) des Elektromagneten (1) am Kern (4, 5, 6) desselben an und die Enden des Kernes des Elektromagneten bilden oder tragen die Polschule (7, 8) der Magnetanordnung.
Der Elektromagnet (1) wird in der Weise erregt, daß die Pole (N, S) des Permanentmagneten (2) den gleichnamigen Polen des Elektromagneten benachbart sind, wobei zur günstigen Nutzung von Material und zugeführter elektrischer Energie der Maximalwert des Erregerstromes des Elektromagneten (1) ausreichend, aber nicht größer ist, als zum Erreichen des ersten, praktischen Sättigungswertes der magnetischen Induktion in den Polenden des Kernes (4, 5, 6) der Magnetanordnung bei Abwesenheit des Permanentmagneten (2) erforderlich ist.
Die Querschnittfläche der Polschuhe (7, 8) hat eine solche Größe, daß bei Anwesenheit des Permanentmagneten (2) und voller Erregung des Elektromagneten (1) der doppelte Betrag der dem ersten, praktischen Sättigungswert entsprechenden magnetischen Induktion auftritt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung oder Maschine mit wenigstens einer einen Elektromagnet und einen Permanentmagnet aufweisenden Magnetanordnung, wobei der Permanentmagnet mit seinen Polflächen beiderseits der Wicklung des Elektromagneten am Kern desselben anliegt und die Enden des Kernes des Elektromagneten die Polschuhe der Magnetanordnung bilden oder tragen und wobei bezogen auf den erregten Zustand des Elektromagneten die Pole des Permanentmagneten den gleichnamigen Polen des Elektromagneten benachbart sind.

[0002] In einer solchen Magnetanordnung ist bei unerregtem Elektromagnet der magnetische Kreis für den Permanentmagnet über die Schenkel und das Joch des Elektromagneten geschlossen, so daß der von den Polschuhen der Magnetanordnung ausgehende äußere magnetische Fluß im wesentlichen Null ist. Bei zunehmender Erregung des Elektromagneten in dem Sinne, daß an den den Polen des Permanentmagneten benachbarten Enden des Kernes des Elektromagneten gleichnamige Pole entstehen, wird der magnetische Fluß durch die Polschuhe in den äußeren Kreis gedrängt und solcherart der magnetische Fluß des Elektromagneten dem magnetischen Fluß des Permanentmagneten überlagert.

[0003] Bisher wurde von den Fachleuten die Meinung vertreten, daß von der Anschlußstelle des Permanentmagneten am Kern des Elektromagneten bis zu den Polflächen der Polschuhe der Querschnitt der Schenkel der Magnetanordnung so groß dimensioniert werden müsse, daß bei Überlagerung des magnetischen Flusses des Permanentmagneten und des magnetischen Flusses des voll erregten Elektromagneten in diesen Abschnitten des magnetischen Kreises der erste, praktische Sättigungswert des Materials nicht überschritten wird. Bei Festhalten an dieser Ansicht kann zwar durch zusätzliche Verwendung eines Permanentmagneten elektrische Energie für die Erregung des Elektromagneten eingespart werden, die zur Erzielung eines gewünschten magnetischen Flusses erforderliche Materialmenge sowie die Größe und das Gewicht einer mit einer derartigen Magnetanordnung ausgestatteten elektrischen Vorrichtung oder Maschine können aber nicht herabgesetzt werden. Als erster, praktischer Sättigungswert wird im Elektromaschinenbau vielfach eine magnetische Induktion von 0,5 bis 0,7 T angenommen. Beim Überschreiten dieser Grenze wird im Elektromaschinenbau im allgemeinen der technische Aufwand unökonomisch.

[0004] Die Erfindung zielt darauf ab, den vorher erwähnten Nachteil der bekannten Magnetanordnung zu vermeiden. In von der Anmelderin angestellten Versuchen hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bei unbeeinträchtigter ökonomie die kombinierten magnetischen Flüsse des Permanentmagneten und des Elektromagneten auch ohne drastische Querschnittvergrößerung der Schenkel und Polschuhe der Magnetanordnung ausnützbar sind, und demgemäß besteht die Erfindung im wesentlichen darin, daß der Maximalwert des Erregerstromes des Elektromagneten ausreichend, aber nicht größer ist, als zum Erreichen des ersten, praktischen Sättigungswertes der magnetischen Induktion in den Polenden des Kernes der Magnetanordnung bei Abwesenheit des Permanentmagneten erforderlich ist.

[0005] Die erfindungsgemäße Magnetanordnung ist für alle elektromagnetischen Vorrichtungen und elektrischen Maschinen nützlich, bei welchen ein Magnetfeld mit hohen Induktionswerten erforderlich ist, insbesondere wenn das Magnetfeld zwischen Null und einem Maximalwert periodisch veränderbar sein soll.

[0006] Bei rotierenden elektrischen Maschinen kann die Erfindung im Stator und im Rotor oder nur in einem der beiden Teile angewendet werden.

[0007] Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich bei elektromagnetischen Vorrichtungen, wie Hubmagneten, Relais und magnetischen Separatoren zum Zurückhalten und Absondern ferromagnetischer Teilchen aus Strömungsmedien. Eine besonders gute Ausnützung des Magnetkreises ist dadurch erzielbar, daß die Querschnittfläche der Polschuhe bzw. der Enden des Kernes des Elektromagneten eine solche Größe hat, daß bei voller Erregung des Elektromagneten der doppelte Betrag der dem ersten, praktischen Sättigungswert entsprechenden magnetischen Induktion auftritt.

[0008] Zweckmäßig ist die Anordnung so getroffen, daß der Querschnitt der Polschuhe kleiner ist als die Summe aus dem Querschnitt, der beim ersten, praktischen Sättigungswert zum Leiten des magnetischen Flusses des voll erregten Elektromagneten allein, und dem Querschnitt, der beim ersten praktischen Sättigungswert zum Leiten des magnetischen Flusses des Permanentmagneten allein erforderlich ist.

[0009] Eine ökonomische Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn der Querschnitt der Polschuhe gleich oder kleiner als zwei Drittel und größer als ein Drittel, vorzugsweise zwei Drittel der Summe der Querschnitte ist.

[0010] Bei einer günstigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder Maschine ist der Querschnitt des die Wicklung tragenden Joches des Elektromagneten dem Querschnitt des Permanentmagneten in magnetischer Hinsicht angepaßt, so daß das Joch des unerregten Elektromagneten durch den magnetischen Fluß des Permanentmagneten annähernd auf dem ersten, praktischen Sättigungswert gesättigt ist. Dadurch ist der magnetische Kreis des an den Schenkeln bzw. Polschuhen des Elektromagneten unmittelbar anliegenden Permanentmagneten über die Schenkel und das Joch des unerregten Elektromagneten geschlossen und aus den Polflächen der Polschuhe der Magnetanordnung tritt kein nennenswerter magnetischer Fluß in den äußeren magnetischen Kreis aus, zumal der äußere magnetische Kreis bei rotierenden elektrischen Maschinen auf jeden Fall, aber auch bei den meisten anderen elektrischen Vorrichtungen und Maschinen einen den magnetischen Widerstand vergrößernden Luftspalt aufweist. Eine Erregung des Elektromagneten bewirkt im Joch einen dem vom Permanentmagneten verursachten magnetischen Fluß entgegengerichteten Fluß und es kommt dann durch die Überlagerung beider Flüsse ein magnetischer Fluß im äußeren magnetischen Kreis zustande.

[0011] Der optimale Effekt der Magnetanordnung ist erzielbar, wenn im Betrieb der Elektromagnet zum Liefern eines dem magnetischen Fluß des Permanentmagneten etwa gleichen magnetischen Flusses erregt ist. Wenn solcherart der voll erregte Elektromagnet und der Permanentmagnet annähernd gleiche Beiträge zum gesamten magnetischen Fluß liefern, ist der magnetische Fluß im äußeren Kreis zwischen nahezu Null und annähernd dem doppelten Wert des vom Permanentmagneten gelieferten magnetischen Flusses steuerbar.

[0012] Die magnetische Energie ist dem Quadrat des magnetischen Flusses bzw. der magnetischen Induktion proportional. Zur Illustration wird auf nachstehende, in der Praxis verwendete Näherungsformel für die Tragkraft eines Hubmagneten verwiesen:

worin A die Polfläche in m², B die magnetische Induktion in T und F die Tragkraft in N bedeuten. Die magnetische Induktion eines mit Gleichstrom zu betreibenden Hubmagneten braucht nur zwischen Null und einem möglichst großen Wert in einer einzigen Magnetisierungsrichtung geändert zu werden und hiebei ist die Erfindung zum Einsparen von elektrischer Energie und Materialaufwand für die den magnetischen Fluß leitenden Teile der Magnetanordnung sowie deren Kupferwicklung vorteilhaft anwendbar. Theoretisch ist mit dem gleichen Erregerstrom wie für einen Elektromagneten ohne zusätzlichen Permanentmagnet durch die Erfindung eine Verdoppelung des magnetischen Flusses und somit die vierfache Tragkraft erzielbar. In durchgeführten Versuchen wurde mit der erfindungsgemäßen Magnetanordnung bei gleichem Erregerstrom wie für eine entsprechende Anordnung ohne Permanentmagnet eine Erhöhung des magnetischen Flusses um 60 % erreicht.

[0013] In Filtereinrichtungen zum Absondern von aus ferromagnetischem Material bestehenden Teilchen aus Strömungsmedien finden lose Bündel von Stäben oder Drähten aus ferromagnetischem Material Verwendung, die während eines Abscheidezyklus stark magnetisierbar sind, um Teilchen magnetisch anzuziehen und festzuhalten, und die während eines nachfolgenden Spülzyklus entmagnetisiert sind. Eine hiefür geeignete erfindungsgemäße Magnetanordnung besteht aus je einem Weicheisenstab und einem parallel zu diesem angeordneten stabförmigen Permanentmagnet, welche beide von einer Wicklung umgeben sind, wobei die Pole des Permanentmagneten außerhalb der Enden der Wicklung am Weicheisenstab anliegen. Eine andere Möglichkeit besteht bei Beibehaltung einer Matrix von Weicheisendrähten in der erfindungsgemäßen Ausbildung des das Drahtbündel umgebenden äußeren Magnetsystems mit Permanentmagnet und Elektromagnet.

[0014] Die Erfindung ist auch in rotierenden elektrischen Maschinen vorteilhaft einsetzbar. Hiebei ist zu berücksichtigen, daß für Magnetkreise der Maschine, welche ein konstantes oder pulsierendes Gleichfeld erzeugen sollen, die erfindungsgemäße Magnetanordnung ohne weiteres anwendbar ist, wogegen in beiden Magnetisierungsrichtungen zu betreibende Magnetkreise der Maschine mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung nur in einer Halbwelle betrieben werden können, so daß für einen Vollwellenbetrieb zwei erfindungsgemäße Magnetanordnungen erforderlich sind. Auf Grund der durct die Erfindung theoretisch möglichen Vergrößerung der magnetischen Energie um den Faktor Vier ist aber auch im Falle einer notwendigen Verdoppelung der Anzahl der Magnetanordnungen und demnach Halbierung des Faktors Vier auf einen Wert Zwei noch immer eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Magnetanordnungen gegeben. Bezogen auf den Aufwand an Eisen und Kupfer ist beispielsweise bei einem Elektromotor durch die Anwendung der Erfindung eine Verdoppelung des Drehmomentes gegenüber einem herkömmlichen Motor möglich, wobei außerdem infolge der geringeren Eisenmasse die durch Änderung der Magnetisierung bedingten sogenannten Eisenverluste herabgesetzt sind.

[0015] Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung ist bei Zündspulen für Brennkraftmaschinen gegeben, in deren Primärstromkreis im Betrieb ein Gleichstrom ein- und ausgeschaltet wird, so daß bei einer herkömmlichen Zündspule nur in einem Quadranten der Magnetisierungslinie des magnetischen Kreises gearbeitet wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der weichmagnetische, insbesondere stabförmige Kern der Zündspule an einer Stelle unterbrochen und an dieser Stelle ist ein Permanentmagnet eingefügt, der mit seinen Polen an den beiden Kernteilen anliegt. Alternativ kann wenigstens an einem Ende des Kernes ein Permanentmagnet mit einem seiner beiden Pole anliegen. Hiebei wird für eine Magnetisierung des Kernes durch den Primärstrom im ersten Quadranten der Magnetisierungslinie mit Hilfe des Permanentmagneten eine "Vorspannung" in den dritten Quadranten bewirkt, wodurch ein größerer Bereich der Magnetisierungslinie ausnützbar wird, so daß zur Erzielung der gleichen Sekundärspannung wie bei einer herkömmlichen Zündspule die erfindungsgemäße Zündspule kleiner gebaut werden kann (kleinerer Kern und/oder geringere Sekundär-Windungszahl).

[0016] Weitere Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit dem Vorteil einer Verringerung des Material- und/oder Energieaufwandes liegen auf dem Gebiet der Teilchenbeschleuniger, wie Betatrons, Ionen- und Plasmabeschleuniger.

[0017] Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Magnetanordnung für eine elektrische Vorrichtung oder Maschine,

Fig. 2 eine Versuchsanordnung zum Messen der Verteilung der magnetischen Induktion in einem Luftspalt,

Fig. 3 ein Diagramm von mit der Anordnung gemäß Fig. 2 erhaltenen Meßwerten,

Fig. 4 eine Versuchsanordnung zur Untersuchung einer Magnetanordnung mit Wechselstromhalbwellen,

Fig. 5 eine weitere Magnetanordnung,

die Fig. 6, 7 und 8 Diagramme zur Erklärung der wesentlichen Eigenschaften der Erfindung,

Fig. 9 eine Gleichrichterschaltung mit Siebkette,

die Fig. 10 und 11 Ausführungsformen einer Drossel für eine solche Siebkette und

die Fig. 12 und 13 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Drossel,

Fig. 14 das Prinzip der Zündschaltung für einen Otto-Motor,

Fig. 15 eine erfindungsgemäß ausgebildete Zündspule hiefür und

die Fig. 16 und 17 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Zündspule,

Fig. 18 die erfindungsgemäße Ausbildung eines Statormagnetpaares für eine Wechselstrommaschine,

Fig. 19 die erfindungsgemäße Ausbildung der Statormagnete einer Gleichstrommaschine,

Fig. 20 einen magnetischen Separator,

Fig. 21 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm eines Gleichstrommotors bei drei verschiedenen Feldströmen jeweils mit und ohne Permanentmagnet,

Fig. 22 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm zum Vergleich eines herkömmlichen Gleichstrommotors und eines mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung zur Felderzeugung ausgestatteten Gleichstrommotors,

Fig. 23 ein Diagramm der mit und ohne Permanentmagnet in Abhängigkeit vom Feldstrom erzielten Luftspaltinduktion bei einer ersten Versuchsausführung einer erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine und

Fig. 24 ein ähnliches Diagramm der mit und ohne Permanentmagnet in Abhängigkeit von der Speisespannung der Feldspule erzielten Luftspaltinduktion einer zweiten Versuchsausführung einer erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine.

[0018] Die in Fig. 1 dargestellte Magnetanordnung weist einen Elektromagnet 1 und einen Permanentmagnet 2 auf. Der Elektromagnet besitzt ein mit einer Wicklung 3 versehenes Joch 4 aus ferromagnetischem Material. An jeder der beiden Stirnflächen des Joches 4 liegt ein Schenkel 5 bzw. 6 aus ferromagnetischem Material dicht an. Die freien Enden der Schenkel 5 und 6 stellen Polschuhe 7 bzw. 8 dar. In Fig. 1 ist jeder Polschuh mit dem zugehörigen Schenkel einstückig dargestellt. Selbstverständlich könnten aber auch gesonderte Polschuhe aus einem vom Material der Schenkel abweichenden ferromagnetischen Material und bzw. oder mit einer besonderen geometrischen Form stumpf an den Schenkelenden anliegen. Der Permanentmagnet 2 ist zwischen den Schenkeln 5 und 6 des Elektromagneten an diesen mit seinen Stirnflächen dicht anliegend eingesetzt. Gegenüber den Polflächen der Polschuhe 7 und 8 der Magnetanordnung befindet sich ein Anker 9 aus ferromagnetischem Material, wobei zwischen den Polflächen und dem Anker beiderseits ein Luftspalt 10 bzw. 11 vorhanden ist. Ein solcher Luftspalt ist bei rotierenden elektrischen Maschinen mit gegeneinander bewegten Teilen unbedingt erforderlich, vielfach ist aber auch bei sonstigen elektromagnetischen Vorrichtungen ein mit nicht ferro- oder paramagnetischem Material ausgefüllter Arbeitsspalt vorhanden, um beispielsweise ein Haftenbleiben ("Kleben") des Ankers am Elektromagneten durch einen remanenten magnetischen Fluß oder Streufluß zu verhindern.

[0019] Der Querschnitt des Joches 4 ist unter Berücksichtigung der magnetischen Eigenschaften.seines Materials der Arbeitsinduktion des Permanentmagneten 2 angepaßt, so daß das Joch des unerregten Elektromagneten 1 durch den magnetischen Fluß des Permanentmagneten 2 annähernd gesättigt ist. Somit kann der gesamten magnetische Fluß des Permanentmagneten 2 durch die Schenkel 5, 6 und das Joch 4 gelangen und in dem den Anker 9 enthaltenden äußeren magnetischen Kreis, der infolge des Vorhandenseins von Luftspalten 10 und 11 einen erhöhten magnetischen Widerstand aufweist, tritt durch den Magnetismus des Permanentmagneten 2 allein kein nennenswerter magnetischer Fluß auf. Bei einer Erregung des Elektromagneten 1 mittels Stromdurchganges durch seine Wicklung 3 in einem solchen Sinne, daß bei der Darstellung gemäß Fig. 1 in gleicher Weise wie beim Permanentmagneten 2 ebenfalls am linken Ende des Joches 4 ein Nordpol und am rechten Ende des Joches 4 ein Südpol entsteht, wird der vom Permanentmagneten 2 herrührende magnetische Fluß im Joch 4 und in den von den Polschuhen 7 und 8 abgewandten Bereichen der Schenkel 5 bzw. 6 in Abhängigkeit von der Feldstärke des Elektromagneten 1 mehr oder weniger unterdrückt und auf diese Weise in den den Anker 9 enthaltenden äußeren magnetischen Kreis gedrängt. Unter Berücksichtigung der vorstehend angegebenen Dimensionierung des Jochquerschnittes liefern bei der stärksten sinnvollen Erregung des Elektromagneten 1 dieser und der Permanentmagnet 2 annähernd gleiche Anteile magnetischen Flusses in den äußeren magnetischen Kreis.

[0020] Bisher herrschte in der Fachwelt die Meinung, daß zur Ermöglichung der additiven Überlagerung der magnetischen Flüsse des Elektromagneten 1 und des Permanentmagneten 2 die Querschnitte der Polschuhe 7 und 8 so groß dimensioniert werden müßten, daß eine Sättigung des Polschuhmaterials unter den vorerwähnten Bedingungen nicht erreicht wird. Es wurde aber nun gefunden, daß eine derartige Überdimensionierung der Polschuhquerschnitte nicht erforderlich ist. Bei Verwendung der in Fig. 1 schematisch dargestellten Magnetanordnung als Hubmagnet könnte bei Verwendung des Elektromagneten 1 allein (ohne den eingesetzten Permanentmagneten 2) oder bei Verwendung des gleich starken Permanentmagneten 2 allein (ohne das eingesetzte Joch 4) auf den Anker 9 eine bestimmte Tragkraft ausgeübt werden. Bei kombinierter Verwendung beider Magnete kann durch Verdoppelung des magnetischen Flusses theoretisch die vierfache Tragkraft erreicht werden und analoges gilt für das erzielbare Drehmoment einer rotierenden elektrischen Maschine, wobei auf Grund der Erkenntnisse der Anmelderin der auf gleiche magnetische Eigenschaften bezogene Querschnitt der Polschuhe 7, 8 nicht größer dimensioniert zu werden braucht als der Querschnitt des Joches 4 des Elektromagneten 1. Dieser überraschende und noch nicht völlig geklärte Umstand beruht möglicherweise auf unterschiedlichen "Generatoreigenschaften" eines Elektromagneten einerseits und eines Permanentmagneten anderseits als Magnetfelderzeuger. Gegenüber der Erzeugung eines in seiner Stärke veränderbaren Magnetfeldes einer einzigen Magnetisierungsrichtung mittels eines Elektromagneten allein ist durch die erfindungsgemäße Anordnung nicht nur eine Energieersparnis, sondern auch eine Materialersparnis erzielbar.

[0021] In Fig. 2 ist eine Versuchsanordnung zum Messen der Verteilung der magnetischen Induktion im Luftspalt einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung dargestellt. Hiebei sind 12 und 13 die Pole eines im übrigen nicht dargestellten großen Elektromagneten. Der für die Probe nicht benötigte Bereich des Abstandes zwischen den Polflächen des Elektromagneten wurde durch ein Bündel 14 von Transformatorblechen mit reichlich bemessenem Gesamtquerschnitt überbrückt. An dieses Bündel 14 wurde ein Polschuh 15 angefügt, dessen gegen den Pol 13 des Elektromagneten vorspringender Bereich 16 seiner rechten Stirnfläche einen Luftspalt 17 mit einem Querschnitt von 12,7 x 31,75 mm2 begrenzt. Im unteren, größeren Bereich war ein Permanentmagnet 18 mit quadratischem Querschnitt und einer Seitenlänge von 25,4 mm sowie einer Länge von 6,35 mm eingesetzt, der mit einer Polfläche am Pol 13 des Elektromagneten und mit der anderen Polfläche am Polschuh 15 dicht anlag. Die Verteilung der magnetischen Induktion im Luftspalt 17 wurde mit einer kleinen Hall-Sonde ausgemessen, wobei sich bei einer bestimmten Erregung des Elektromagneten die im Diagramm der Fig. 3 dargestellte gleichförmige Verteilung der Induktion ergab.

[0022] In Fig.4 ist eine Meßanordnung zur Untersuchung einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit technischem Wechselstrom im Halbwellenbetrieb dargestellt. Untersucht wurde eine Magnetanordnung gemäß Fig. 1, wobei die mittlere magnetische Weglänge im Joch 4 (einschließlich des Anteils der Breite der Schenkel 5, 6) 55 mm und in den Schenkeln 5, 6 je 65 mm betrug . Der Querschnitt des Joches, der Schenkel und des Ankers 9 hatte die Größe 17,5 mm x 6,3 mm. Jeder Luftspalt 10, 11 hatte eine Länge von 0,25 mm und in einem dieser Luftspalte war eine Hall-Sonde 19 zum Messen der magnetischen Induktion angeordnet. Die Wicklung 3 hatte 1000 Windungen.

[0023] Zum beliebigen Verringern der Netzspannung dient ein Stell-Trenntransformator 20. Da die Magnetisierung des Elektromagneten nur in einer Richtung sinnvoll ist, liegt zwischen dem Abgriff des Transformators 20 und einem Ende der Wicklung 3 eine Diode 21. Das andere Ende der Wicklung 3 liegt an Erde. Ein Ende der Sekundärwicklung des Transformators 20 ist über einen eine Strommessung ermöglichenden Widerstand 22 mit Erde verbunden. Zum Messen des Erregerstromes des Elektromagneten wird der Spannungsabfall am Widerstand 22 an den Klemmen 23 abgegriffen. Die Hall-Sonde 19 wird über Klemmen 24 mit einem konstanten Strom von 50 mA gespeist. Dabei ergibt sich für eine Induktion im Luftspalt von 0,6 T an den Klemmen 25 eine Spannung von 30 mV. An die Klemmen 23 und 25 können den Spitzenwert anzeigende Meßinstrumente angeschlossen werden, besser überschaubar sind die Vorgänge jedoch, wenn die Klemmen 23 und 25 mit den Vertikaleingängen eines Zweikanaloszilloskops verbunden werden, dessen Horizontalablenkung mit der Netzfrequenz synchronisiert ist.

[0024] Zunächst wurde ohne in der Magndanordnung vorhandenen Permanentmagnet 2 die Wicklung 3 mit einem Halbwellenstrom von 0,7 A Scheitelwert beaufschlagt, wobei noch keine Sättigung der Weicheisenteile 4, 5, 6 und 9 auftrat. Der Scheitelwert der von der Hall-Sonde 19 an den Klemmen 25 abgegebenen Spannung betrug 23 mV, entsprechend einer magnetischen Induktion von 0,46 T.

[0025] Danach wurde der Permanentmagnet 2 zwischen die Schenkel 5 und 6 eingefügt und der Erregerstrom des Elektromagneten so eingestellt, daß die Hall-Sonde 19 an den Klemmen 25 wieder eine Spannung mit einem Scheitelwert von 23 mV entsprechend einer magnetischen Induktion von 0,46 T lieferte. Der Scheitelwert des erforderlichen Magnetisierungsstromes betrug nun nur noch 0,4 A, was eine Verringerung um 43 % bedeutet. Ein Vergleich der Spitze-Spitze-Werte der Wechselspannung an der Wicklung 3 in beiden Fällen zeigte nur eine geringfügige Abnahme von 65 V auf 62 V.

[0026] Danach wurde der Magnetisierungsstrom bis zur Erreichung der Sättigung erhöht. Ohne eingesetzten Permanentmagnet 2 wurde dabei ein Scheitelwert des Stromes von 1,4 A gemessen. Die Hall-Sonde 19 lieferte an den Klemmen 25 eine Spannung mit einem Scheitelwert von 32 mV, entsprechend einer Induktion von 0,64 T.

[0027] Danach wurde der Permanentmagnet 2 in die Magnetanordnung eingesetzt und die neuen Meßwerte wurden ohne Veränderung der Einstellung des Stelltransformators 20 bestimmt. Der Spitze-Spitze-Wert der Spannung an der Wicklung 3 betrug in beiden Fällen 85 V. Der Scheitelwert des Magnetisierungsstromes verringerte sich auf 0,7 A, also um 50 %, wogegen der Scheitelwert der von der Hall-Sonde 19 an den Klemmen 25 gelieferten Spannung auf 42 mV anstieg, was bedeutet, daß die magnetische Induktion, deren Sättigung vorher bei 0,64 T eingesetzt hatte, sich nun auf 0,84 T erhöhte, also um rund 30 % zunahm.

[0028] Im letzteren Fall zeigte sich im Zusammenwirken von Permanentmagnet und Elektromagnet eine Erhöhung des Magnetisierungsstromes des Magneten allein innerhalb vernünftiger Grenzen ohne Vorhandensein des Permanentmagneten nicht erreichbar war.

[0029] Unter den vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung in allen jenen Fällen, in welchen der magnetische Fluß bzw. die magnetische Induktion eines Magnetsystems zwischen etwa Null und einem Maximalwert schaltbar bzw. veränderbar sein muß, wie Hubmagnete, Relais, rotierende elektrische Maschinen u.dgl., sind auch magnetische Filtervorrichtungen zum Absondern von aus ferromagnetischem Material bestehenden Teilchen aus einem Strömungsmedium zu erwähnen. Hiebei ist im Weg des Strömungsmediums eine Matrix von Drähten aus ferromagnetischem Material vorgesehen, welche Drähte von einem äußeren Elektromagneten magnetisierbar sind. Während einer Abscheidungsphase sind die Drähte möglichst stark magnetisiert und halten dadurch ferromagnetische Teilchen aus dem Strömungsmedium fest. Am Ende der Abscheidungsphase ist die Matrix mit abgeschiedenen Teilchen beladen und muß während einer anschließenden Reinigungsphase von den Ablagerungen befreit werden, indem die Magnetisierung abgeschaltet und die Matrix von Drähten mit einer Spülflüssigkeit gespült wird, wodurch die vorher festgehaltenen ferromagnetischen Teilchen entfernt werden. Bei einer solchen Filtervorrichtung kann der äußere Elektromagnet vorteilhaft durch eine erfindungsgemäße Magnetanordnung ersetzt werden, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist.

[0030] Denkbar ist aber auch für diesen und andere Zwecke eine Anordnung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, wobei neben einem Stab oder Draht 26 aus weichmagnetischem Material ein Permanentmagnet 27 angeordnet ist, dessen Pole außerhalb der Enden einer Wicklung 28 an dem Stab oder Draht 26 anliegen. Die Wicklung 28 umgibt hiebei sowohl den vom Stab oder Draht 26 gebildeten Kern des Elektromagneten als auch den Permanentmagneten 27. Wesentlich ist es hiebei, daß der Stab oder Draht 26 den Permanentmagnet 27 in Längsrichtung an beiden Enden überragt.

[0031] Eine Deutung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Magnetanordnung kann an Hand der Fig. 6, 7 und 8 gegeben werden. Fig. 6 zeigt die Magnetisierungslinie des weichmagnetischen Materials eines magnetischen Kreises, der beispielsweise von den Teilen 4, 5, 6 und 9 gemäß Fig. 1 gebildet sein kann und der bei Stromdurchgang durch die Wicklung 3 einen Elektromagnet darstellt. Hiebei gibt es keine bevorzugte Magnetisierungsrichtung, der magnetische Fluß kann je nach der elektrischen Erregung entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn verlaufen und die Magnetisierungskurve ist bezüglich des Ursprunges des Koordinatensystems völlig symmetrisch.

[0032] Fig. 7 soll die Veränderung des magnetischen Kreises andeuten, wie sie durch Einsetzen des Permanentmagneten 2 in die in Fig. 1 dargestellte Magnetanordnung hervorgerufen wird. Man kann sich dies als eine Parallelverschiebung der Magnetisierungslinie um den Betrag des Permanentfeldes vorstellen, wodurch man zu der Arbeitskennlinie 30 gelangt. Wenn es hiebei gelingt, die obere Grenze der magnetischen Induktion von B₀ im Diagramm der Fig. 6 auf einen Wert 2 B₀ im Diagramm der Fig. 7 anzuheben, ist mit der neuen Magnetanordnung mit eingefügtem Permanentmagnet gegenüber einem gleich großen und gleich stark erregten Elektromagnet eine Vervierfachung der Hubkraft erzielbar.

[0033] Dies ist in Fig. 8 dargestellt, in welcher die Hubkraft F in Abhängigkeit vom Erregerstrom I des Elektromagneten aufgetragen ist. Die strichlierte Kurve 31 zeigt den bezüglich der Ordinatenachse symmetrischen Verlauf der Hubkraft eines Elektromagneten, wobei die Hubkraft von der Stromrichtung unabhängig und nur von der Stromstärke abhängig ist und wobei bei kleinen Stromstärken die bekannte quadratische Abhängigkeit der Hubkraft vom Erregerstrom vorhanden ist, wogegen bei sehr großen Stromstärken infolge der magnetischen Sättigung des ferromagnetischen Materials eine weitere Erhöhung der Hubkraft nicht mehr erzielbar ist. Die Kurve 32 zeigt den Verlauf für eine erfindungsgemäße Magnetanordnung, welcher Verlauf auch von der Richtung des Magnetisierungsstromes abhängig ist, wobei im Falle der additiven Kombination der magnetischen Flüsse von Elektromagnet und Permanentmagnet im äußeren magnetischen Kreis bei gleichen Flußanteilen vom Elektromagnet und vom Permanentmagnet entsprechend Fig. 7 eine Verdoppelung des magnetischen Flusses gegenüber Erregung durch den Elektromagnet allein und somit eine Vervierfachung der Hubkraft erzielbar ist.

[0034] Fig. 9 zeigt eine übliche Gleichrichterschaltung mit Netztransformator 33, Gleichrichterbrücke 34, Siebdrossel 35, Ladekondensator 36, Siebkondensator 37 und einem Verbraucher 38. In einer derartigen Gleichrichterschaltung ist die Wicklung der Drossel 35 von einem pulsierenden Gleichstrom durchflossen, oder, anders ausgedrückt, einem kleinen Wechselstrom ist ein großer Gleichstrom J₀ überlagert. Die Ausnützung der Masse des Eisenkernes kann nun durch die Erfindung verbessert werden. Eine Ausführungsform der Drossel ist in Fig. 10 dargestellt. Der Eisenkern 36 dieser Drossel trägt eine Wicklung 37 und weist außerhalb der Wicklung einen Luftspalt 38 auf. Der Luftspalt soll durch Scherung der Magnetisierungslinie eine Linearisierung der wirksamen Magnetisierungslinie der Gesamtanordnung herbeiführen, es soll dadurch das Auftreten einer magnetischen Sättigung vermieden werden und schließlich wird dadurch in der Serienfabrikation der Einfluß von Toleranzen der physikalischen Eigenschaften des Kernmaterials verringert, so daß die Selbstinduktionswerte der einzelnen Drosseln nur wenig von einem vorgegebenen Sollwert abweichen. Durch Vorsehen eines an den "Polschuhen" der Drossel 35 anliegenden Permanentmagneten 39 kann wieder der gewünschte Effekt erreicht werden, durch welchen eine bessere Ausnützung des Eisenkernquerschnittes ermöglicht wird. Je nach den Eigenschaften des Permanentmagnetmaterials ist die Bauart gemäß Fig. 10 mit dem Permanentmagnet 39 oder die in Fig. 11 gezeigte Bauart günstiger, wobei ein scheibenförmiger Permanentmagnet 40 im Luftspalt des Eisenkernes 36 angeordnet ist.

[0035] Fig. 12 zeigt übliche Verhältnisse an einer Siebdrossel ohne Verwendung eines Permanentmagneten. Man sieht, daß die Stromschwankungen nur einen Bruchteil, beispielsweise 10 %, des durch die Wicklung der Drossel fließenden Gleichstromes ausmachen. Der größte Teil des Eisenquerschnittes der Drossel ist daher für die Aufnahme des durch den Gleichstrom J₀ hervorgerufenen magnetischen Flusses Φ₀ erforderlich. Außerdem werden Siebdrosseln aus ökonomischen Gründen meist so bemessen, daß bereits im gekrümmten Teil der Magnetisierungslinie gearbeitet wird. Dies bedeutet, daß durch die Gleichstrom-Vormagnetisierung nicht mehr die maximale Selbstinduktion zur Verfügung steht. Durch.die erfindungsgemäße Anwendung eines Permanentmagneten kann nun der Arbeitspunkt trotz des durch die Wicklung 37 der Drossel 35 fließenden Gleichstromes in die Nähe des Ursprunges der Magnetisierungslinie oder doch zumindest in einen Bereich geringer Krümmung der Magnetisierungslinie verlegt werden, wie dies Fig. 13 zeigt. Dadurch steht für die Siebwirkung die maximale Selbstinduktion der Drossel zur Verfügung bzw. es kann der Querschnitt des Eisenkernes 36 kleiner dimensioniert werden.

[0036] Fig. 14 zeigt die Zündschaltung für einen Otto-Motor, bei welcher an die Primärwicklung einer Zündspule 41 über einen Unterbrecher 42 periodisch die Spannung eines Akkumulators 43 angeschaltet wird. An die Sekundärwicklung der Zündspule 41 sind über einen Verteiler 44 Zündkerzen 45, von welchen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist, anschließbar. Aus der Art der Speisung der Primärwicklung der Zündspule 41 ergibt sich ohne weiteres, daß die Magnetisierung des Eisenkernes der Zündspule nur zwischen Null und einem Maximalwert stets ein und derselben Magnetisierungsrichtung schwankt, d.h. es wird nur eine Hälfte des nützbaren Teiles der Magnetisierungslinie tatsächlich verwertet, was einer energiemäßigen Ausnützung des Eisenkernes von 25 % entspricht. Auch in diesem Fall schafft die Erfindung Abhilfe durch Abänderung des Eisenkernes in der in Fig. 15 dargestellten Art und Weise. Alle übrigen Teile der Zündspule sind gleich wie bei den bisher verwendeten Zündspulen. Somit ist in einem Metallbecher 46 zwischen einem die elektrischen Anschlüsse tragenden Isolator 47 und einem bodenseitigen Isolierstein 48 ein stabförmiger laminierter Eisenkern angeordnet, welcher eine Sekundärwicklung 49 und eine Primärwicklung 50 trägt. Der Eisenkern ist in zwei Teile 51a und 51b unterteilt und zwischen diesen beiden Teilen ist ein Permanentmagnet 52 angeordnet, der mit seinen Polflächen an den ihm zugewandten Stirnflächen der Kernteile anliegt. Bei Stromdurchgang durch die Primärwicklung 50 werden die Kernteile 51a und 51b in solcher Richtung magnetisiert, daß an der dem Nordpol des Permanentmagneten benachbarten Stirnfläche des einen Kernteiles ein Nordpol und an der dem Südpol des Permanentmagneten 52 benachbarten Stirnfläche des anderen Kernteiles ein Südpol entsteht.

[0037] Der durch die Erfindung erzielte Vorteil ist aus einem Vergleich der Fig. 16 und 17 ersichtlich. Fig. 16 zeigt, daß bei einer herkömmlichen Zündspule nur eine Hälfte der Magnetisierungslinie des Eisenkernes ausnützbar ist. Wird dagegen gemäß der Erfindung eine Vormagnetisierung des Eisenkernes in Gegenrichtung zu der mittels Durchflutung seitens der Primärwicklung erzeugten Magnetisierung bewirkt, dann steht für die magnetische Aussteuerung des Eisenkernes ein nahezu doppelt so großer Bereich der Magnetisierungslinie zur Verfügung, wie Fig. 17 zeigt.

[0038] Bei rotierenden elektrischen Maschinen ist die Erfindung ebenfalls mit Vorteil anwendbar. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei Wechselstrommaschinen eine erfindungsgemäße Magnetanordnung jeweils nur bei Halbwellen ein und derselben Polarität arbeiten kann. Für den Betrieb mit Halbwellen beider Polaritäten muß die Anzahl der Magnetanordnungen verdoppelt werden. Fig. 18 zeigt schematisch die Ausbildung von Statorpolen für einen Wechselstrommotor. Der Rotor 53 ist von einem Stator 54 umgeben, dessen Pole 55, 56 unter Einhaltung eines Luftspaltes an die Rotoroberfläche heranreichen. Jeder Statorpol trägt eine Wicklung 57 und gemäß der Erfindung ist zwischen benachbarten Statorpolen 55 und 56 ein Permanentmagnet 58 vorgesehen. Wenn kein Strom durch die Wicklungen 57 fließt, ist der magnetische Kreis des Permanentmagneten 58 über den Stator geschlossen und durch die Luftspalte dringt kein nennenswerter magnetischer Fluß in den Rotor 53 ein. Wenn dagegen die Wicklungen 57 vom Nennstrom beaufschlagt sind, fließen die einander überlagerten magnetischen Flüsse des Permanentmagneten 58 und der von den mit Wicklungen 57 versehenen Polteilen 55 und 56 gebildeten Elektromagnete über die Luftspalte durch den Rotor 53.

[0039] In ähnlicher Weise können die geometrisch etwas anders ausgebildeten Feldpole 59, 60, 61 und 62 des Stators eines Gleichstrommotors mit jeweils benachbart-ePolschuhe überbrückenden Permanentmagneten 63, 64, 65 und 66 ausgestattet werden, wie dies in Fig.19 dargestellt ist.

[0040] An Hand der Fig. 5 wurde bereits eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung für einen magnetischen Separator erläutert. In Fig.20 ist ein solcher magnetischer Separator mit einer abgewandelten Ausführungsform der Magnetanordnung, die sich außerhalb des Separatorbehälters und somit außerhalb des Strömungsmediums befindet, dargestellt. Der Separatorbehälter ist an gegenüberliegenden Stirnflächen mit einer Zulaufleitung 68 und einer Ablaufleitung 69 versehen. Der Behälter 67 besteht aus nicht-ferromagnetischem Material und ist lose mit Drähten aus ferromagnetischem Material gefüllt. Außen ist der Behälter 67 von einem Eisenkern 70 umgeben, welcher bezüglich der durch die Zuleitung 68 und die Ableitung 69 gehenden Achse rotationssymmetrisch ausgebildet sein kann. Der Eisenkern 70 trägt Wicklungen 71 und seine die Wicklungen tragenden Joche sind von Permanentmagneten 72 überbrückt. Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung besteht wieder darin, daß im unerregten Zustand der Wicklung 71 der Raum des Behälters 67 nahezu magnetfeldfrei ist, wogegen bei Stromdurchgang durch die Wicklungen 71 die einander überlagerten magnetischen Flüsse der Elektromagneten und der Permanentmagneten für die Durchflutung der im Behälter 67 vorhandenen Drähte aus ferromagnetischem Material wirksam sind. Dadurch kann zwischen einer Reinigungsphase ohne im Separator wirkendes Magnetfeld zum Spülen desselben und einer Abscheidungsphase mit im Separator wirkendem Magnetfeld umgeschaltet werden.

[0041] Bei rotierenden elektrischen Maschinen, wie Motoren und Generatoren, bei welchen im Betrieb im Stator ein magnetisches Gleichfeld erzeugt wird, besteht die Möglichkeit, dieses Gleichfeld entweder mit einem Elektromagnet oder mit einem Permanentmagnet zu erzeugen. Die Anwendung eines Elektromagneten bietet den Vorteil, daß die magnetische Feldstärke und damit die magnetische Induktion innerhalb weiter Grenzen einstellbar ist, hat aber den Nachteil, daß ein ständiger beträchtlicher Aufwand an elektrischer Energie erforderlich ist, der auch eine Erwärmung der Statorbauteile zur Folge hat. Anderseits erfordert die Verwendung eines Permanentmagneten zur Felderzeugung keinen dauernden Energieaufwand, wobei allerdings auch die Einschränkung in Kauf genommen werden muß, daß die magnetische Induktion im Luftspalt der Maschine nicht geändert werden kann. Die Anwendung einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung, wofür in den Fig. 18 und 19 Ausführungsbeispiele dargestellt sind, ermöglicht die Erzeugung eines magnetischen Gleichfeldes im Stator auf besonders ökonomische Weise mit im Vergleich zur ausschließlichen Verwendung eines Elektromagneten verringertem Aufwand an elektrischer Energie, wobei eine Einstellbarkeit der magnetischen Induktion im Luftspalt der Maschine zwischen nahezu Null und sehr hohen Werten gegeben ist und auch der Materialaufwand klein gehalten werden kann. Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Magnetanordnung durch Verändern der Erregung des Elektromagneten der im Luftspalt wirksam werdende Anteil des magnetischen Flusses des Permanentmagneten gesteuert wird und der Elektromagnet selbst einen Beitrag zu dem im Luftspalt wirksamen magnetischen Fluß liefert, kann bei einem Gleichstrommotor die Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik in üblicher Weise durch Verändern des Statorfeldes beeinflußt werden und bei einem Generator kann die erzeugte EMK durch Verändern des Statorfeldes gesteuert bzw. geregelt werden. Fig. 21 zeigt zum Vergleich ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm einer Versuchsausführung eines Gleichstrommotors mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung im Stator bei drei verschiedenen Feldströmen für die Erregung des Elektromagneten jeweils mit und ohne Permanentmagnet. Hiebei gelten die Kurven 73, 74 und 75 für das erfindungsgemäße Zusammenwirken von Elektromagnet und Permanentmagnet bei Erregerströmen von 0,4 A, 0,5 A bzw. 0,6 A und die Kurven 76, 77 und 78 für die Erzeugung des Statorfeldes mit dem Elektromagneten allein ebenfalls bei Erregerströmen von 0,4 A, 0,5 _A bzw. 0,6 A. Man erkennt deutlich den Gewinn an Motorleistung bei höherer Belastung durch das erfindungsgemäße Zusammenwirken von Permanentmagnet und Elektromagnet, wobei im Vergleich zur Verwendung eines gleichartigen Stators ohne Permanentmagnet bei gleicher Drehzahl ein höheres Drehmoment oder bei gleichem Drehmoment eine höhere Drehzahl erzielbar ist.

[0042] In Fig. 22 ist ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm zum Vergleich eines herkömmlichen Gleichstrommotors und eines mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung zur Felderzeugung im Stator ausgestatteten Gleichstrommotors dargestellt. Hiebei gelten für den erfindungsgemäß ausgestatteten Motor die Kurven79, 80 und 81 für Feldströme von 0,3 A, 0,4 A bzw. 0,5 A und die Kurven 82, 83 und 84 für einen herkömmlichen Motor für Feldströme von 0,4 A, O,5 A bzw. 0,6 A. Es wurden absichtlich für den herkömmlichen Motor jeweils um 0,1 A höher liegende Feldströme gewählt, wobei dennoch die Überlegenheit des erfindungsgemäß ausgestatteten Motors klar ersichtlich ist. Der erfindungsgemäß ausgestattete Motor erfordert weniger elektrische Energie für die Erzeugung des Statorfeldes, ist auch hinsichtlich des Materialaufwandes sehr ökonomisch und gibt eine höhere Leistung ab als der vergleichbare herkömmliche Elektromotor. Gegebenenfalls kann das sehr geringe remanente Statorfeld des erfindungsgemäß ausgestatteten Elektromotors für einen Leerlauf mit hoher Drehzahl bei abgeschalteter elektrischer Erregung des Stators ausgenützt werden.

[0043] Einen umfassenderen vergleichenden Überblick ermöglichen die nachfolgend tabellarisch zusammengefaßten elektrischen Daten, wobei die Werte eines im Stator mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung ausgestatteten Gleichstrommotors einmal ohne eingesetzten Permanentmagnet und dann mit eingesetztem Permanentmagnet mit den Werten eines entsprechenden herkömmlichen Gleichstrommotors verglichen werden.

[0044] Erfindungsgemäßer Gleichstrommotor ohne Permanentmagnet

[0045] Feldspannung 3,5V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,4A

[0046] Feldspannung 4,5V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,5A

[0047] Feldspannung 5 V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,6 A

[0048] Erfindungsgemäßer Gleichstrommotor mit eingesetztem Permanentmagnet

[0049] Feldspannung 3,5V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,4A

[0050] Feldspannung 4,2V Ankerspannung 18 V Feldstran 0,5A

[0051] Feldspannung 5V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,6A

[0052] Herkömmlicher Gleichstrommotor

[0053] Feldspannung 6,8 V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,4 A

[0054] Feldspannung 8,8 V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,5 A

[0055] Feldspannung 10,2 V Ankerspannung 18 V Feldstrom 0,6 A

[0056] Fig. 23 zeigt ein Diagramm- der mit und ohne Permanentmagnet in Abhängigkeit vom Feldstrom erzielten Luftspaltinduktion bei einer ersten Versuchsausführung einer erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine. Dabei gilt die Magnetisierungskurve 85 für die Magnetanordnung mit dem Elektromagnet allein und die Magnetisierungskurve 86 für die Magnetanordnung mit eingesetztem Permanentmagnet. Im letzteren Fall ist die Remanenz etwas höher als ohne Permanentmagnet, jedoch läßt sich die magnetische Induktion durch Abschalten des Elektromagneten immerhin noch auf recht kleine Werte bringen.

[0057] Ein ähnliches Diagramm zeigt Fig. 24, wobei auf die Erzielung einer möglichst hohen Luftspaltinduktion bei noch vertretbarem, ökonomischem Materialaufwand hingearbeitet wurde. Ein hinsichtlich Materialausnützung und Energieaufwand für den Elektromagneten günstiger Arbeitspunkt auf der Kurve 87, die für die erfindungsgemäße Magnetanordnung ohne eingesetztem Permanentmagnet gilt, liegt bei einer magnetischen Induktion von 0,53 T. Bei dieser Erregung durch eine Spannung von etwa 60 V an der Wicklung des Elektromagneten ergibt sich mit dem eingesetzten Permanentmagnet eine magnetische Induktion von 1 T im Luftspalt beim entsprechenden Arbeitspunkt auf der Kurve 88. Dies entspricht einer Erhöhung der magnetischen Induktion durch die steuernde Wirkung des magnetischen Flusses des Elektromagneten auf den magnetischen Fluß des Permanentmagneten um 88 %.

[0058] Da sich in der erfindungsgemäßen Magnetanordnung der Permanentmagnet in einem geschlossenen ferromagnetischen Kreis befindet und da vollmagnetisierte Permanentmagnete, die sich nicht in einem geschlossenen ferromagnetischen Kreis befinden, eine Schwächung ihrer Magnetisierung erleiden, ist es zweckmäßig, das Aufmagnetisieren des Permanentmagneten erst nach dem Einbauen in eine erfindungsgemäße Magnetanordnung vorzunehmen, für welchen Zweck sich der in der Magnetanordnung vorhandene Elektromagnet eignet. Eine Überlastung der Wicklung des Elektromagneten kann dabei in Kauf genommen werden, weil das Aufmagnetisieren nur mit kurzen Stromimpulsen erfolgt. Bei dieser Art der Aufmagnetisierung braucht der Permanentmagnet nicht mehr aus dem geschlossenen ferromagnetischen Kreis entfernt zu werden und sein Magnetisierungszustand wird daher durch bauliche Maßnahmen nicht mehr beeinträchtigt. Ein bei der Anwendung der Magnetanordnung mit dem magnetischen Fluß des Elektromagneten zu kombinierender möglichst großer magnetischer Fluß des Permanentmagneten ist erwünscht, da beispielsweise bei der Erzeugung des Statorfeldes eines Gleichstrommotors bei einer bestimmten Drehzahl des Motors und gegebener Ankerspannung der Ankerstrom umso kleiner sein wird, je stärker das Statorfeld ist. Die Ergebnisse gehen aus den vorhergehend beschriebenen Versuchen mit Motoren und den zugehörigen Diagrammen hervor, wobei zu Vergleichszwecken ein herkömmlicher 1/16 PS-Motor , wie er für den Antrieb von Nähmaschinen verwendet wird, herangezogen wurde, bei welchem die normalerweise mit dem Anker in Reihe geschaltete Feldwicklung abgeklemmt und gesondert gespeist wurde.

[0059] Bei dem im Elektromaschinenbau vielfach angenommenen ersten, praktischen Sättigungswert von 0,5 bis 0,7 T wird bei Anwendung der Erfindung durch Kombination der magnetischen Flüsse des Permanentmagneten und des erregten Elektromagneten im Luftspalt elektrischer Maschinen vorzugsweise eine magnetische Induktion von 0,8 bis 1,1 T erzeugt, da unter diesen Bedingungen bei Verwendung gebräuchlicher ferromagnetischer Materialien und wirtschaftlicher Herstellung die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile, wie Material- und Gewichtsersparnis sowie verringerter Energieaufwand, gut zum Tragen kommen.

Ansprüche

1. Elektrische Vorrichtung oder Maschine mit wenigstens einer einen Elektromagnet (1) und einen Permanentmagnet (2) aufweisenden Magnetanordnung, wobei der Permanentmagnet (2) mit seinen Polflächen beiderseits der Wicklung (3) des Elektromagneten (1) am Kern (4, 5, 6) desselben anliegt und die Enden des Kernes des Elektromagneten die Polschuhe (7, 8) der Magnetanordnung bilden oder tragen und wobei, bezogen auf den erregten Zustand des Elektromagneten, die Pole (N, S) des Permanentmagneten den gleichnamigen Polen des Elektromagneten benachbart sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Maximalwert des Erregerstromes des Elektromagneten (1) ausreichend, aber nicht größer ist, als zum Erreichen des ersten, praktischen Sättigungswertes der magnetischen Induktion in den Polenden des Kernes (4, 5, 6) der Magnetanordnung bei Abwesenheit des Permanentmagneten (2) erforderlich ist.

2. Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Querschnittfläche der Polschuhe (7, 8) bzw. der Enden des Kernes des Elektromagneten (1) eine solche Größe hat, daß bei voller Erregung des Elektromagneten (1) der doppelte Betrag der dem ersten, praktischen Sättigungswert entsprechenden magnetischen Induktion auftritt.

3. Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Erregerstrom des Elektromagneten (1) periodisch zwischen Null und dem Maximalwert veränderlich, vorzugsweise ein- und ausgeschaltet, ist.

4. Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetische Induktion im Luftspalt bei Abwesenheit des Permanentmagneten (2) und voll erregtem Elektromagnet 0,5 bis 0,7 T beträgt.

5. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Permanentmagnet (2) mit seinen Polflächen am Kern (4, 5, 6) nahe bei dessen Enden anliegt.

6. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt der Polschuhe (7, 8) kleiner ist als die Summe aus dem Querschnitt, der beim ersten, praktischen Sättigungswert zum Leiten des magnetischen Flusses des voll erregten Elektromagneten (1) allein, und dem Querschnitt, der beim ersten, praktischen Sättigungswert zum Leiten des magnetischen Flusses des Permanentmagneten (2) allein erforderlich ist.

7. Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt der Polschuhe (7, 8) gleich oder kleiner als zwei Drittel und größer als ein Drittel, vorzugsweise zwei Drittel der Summe der Querschnitte ist.

8. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt des die Wicklung (3) tragenden Joches (4) des Elektromagneten (1) dem Querschnitt des Permanentmagneten (2) in magnetischer Hinsicht angepaßt ist, so daß das Joch (4) des unerregten Elektromagneten (1) durch den magnetischen Fluß des Permanentmagneten (2) annähernd auf dem ersten, praktischen Sättigungswert gesättigt ist.

9. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Betrieb der Elektromagnet (1) zum Liefern eines dem magnetischen Fluß des Permanentmagneten (2) etwa gleichen magnetischen Flusses erregt ist.

10. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der magnetische Widerstand des Kraftlinienweges zwischen den am Luftspalt (10, 11) liegenden Polflächen der Magnetanordnung und dem Permanentmagnet (2) nur einem Bruchteil des magnetischen.Widerstandes des Kraftlinienweges im Joch (4) des Elektromagneten (1) zwischen den anliegenden Enden des Permanentmagneten (2) entspricht.

11.Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge des Kraftlinienweges zwischen den am Luftspalt (10, 11) liegenden Polflächen der Magnetanordnung und dem Permanentmagnet (2) nur einem Bruchteil der Länge des Kraftlinienweges im Joch (4) des Elektromagneten (1) zwischen den anliegenden Enden des Permanentmagneten (2) entspricht.

12. Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß das Längenverhältnis der beiden Kraftlinienwege kleiner als 1 : 10, vorzugsweise kleiner als 1 : 20, ist.

13. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetanordnung (54 - 58; 59 - 66) Bestandteil eines Elektromotors ist.

14. Vorrichtung oder Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetanordnung (70, 71, 72) Bestandteil eines magnetischen Separators ist, der in einem für das Durchströmen eines mit abzusondernden Stoffen beladenen Mediums eingerichteten Behälter (67) am Luftspalt eine beträchtliche magnetisierbare Oberfläche aufweist.

15. Vorrichtung oder Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetisierbare Oberfläche mit den den Luftspalt begrenzenden Polen der Magnetanordnung (70, 71, 72) verbunden ist oder einen Teil derselben bildet.

16. Zündspule für Brennkraftmaschinen mit einem offenen, insbesondere stabförmigen Kern aus weichmagnetischem Material,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern (51) an einer Stelle unterbrochen ist und daß an der Unterbrechungsstelle ein Permanentmagnet (52) mit seinen Polen an den beiden Kernteilen (51a, 51b) anliegt oder daß wenigstens an einem Ende des Kernes ein Permanentmagnet mit einem Pol anliegt, wobei bei Erregung der Primärwicklung (50) der Zündspule gleichnamige Pole des Kernes (51) und des Permanentmagneten (52) aneinanderliegen.

Zeichnung