DE102006005566A1

DE102006005566A1 - Rotor für einen elektrischen Reluktanzmotor

Info

Publication number: DE102006005566A1
Application number: DE200610005566
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Grabner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-30

Abstract

Der Rotor eines elektrischen Reluktanzmotors umfasst mehrere in Richtung einer Drehachse (2) hintereinander gestapelte runde Rotorbleche (1), die einen äußeren Umfang (10), eine zentrale Bohrung (3) sowie mehrere rotationssymmetrisch angeordnete, insbesondere gestanzte Ausnehmungen (5, 6) aufweisen. Die Ausnehmungen (5, 6) sind so angeordnet, dass innerhalb des Rotorblechs (1) und senkrecht zur Drehachse (2) orientiert mindestens eine erste Achse (7) mit hoher magnetischer Leitfähigkeit und mindestens eine zur ersten Achse (7) winkelversetzte zweite Achse (8) mit niedrigerer magnetischer Leitfähigkeit gebildet sind. An jeder Kreuzungsstelle (9) einer der zweiter Achsen (8) mit dem äußeren Umfang (10) ist eine Randausnehmung (5) vorgesehen. Längs jeder der zweiten Achsen (8) ist eine durch Materialstege (11) gebildete direkte Materialverbindung (12) zwischen der jeweiligen Randausnehmung (5) und der zentralen Bohrung (3) vorhanden. Es resultiert eine hohe Drehmomentausbeute und eine Eignung für hohe Drehzahlen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen elektrischen Reluktanzmotor umfassend mehrere in Richtung einer Drehachse hintereinander gestapelter runder Rotorbleche.
Ein Reluktanzmotor ist ein elektrischer Antrieb, mit dem eine hohe Drehzahl erreicht werden kann. Er kann als geschalteter Reluktanzmotor (= Switched Reluctance (SR)-Motor) ausgebildet sein.
Das Prinzip des Reluktanzmotors beruht auf der Anziehungskraft, die mehrere in einem Ständer ortsfest angeordnete zu- und abschaltbare Elektromagnete auf einen aus einem Eisen oder einem anderen magnetischen Metall bestehenden und um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor ausüben. Die Kraft wirkt auf Bereiche des Rotors mit besonders guter magnetischer Flussführung, beispielsweise auf ausgeprägte Rotorzähne. Ein Elektromagnet bleibt solange eingeschaltet und zieht den nächst gelegenen Rotorzahn solange an, bis sie einander (fast) gegenüberstehen. Dann wird dieser Elektromagnet ab- und ein anderer eingeschaltet. So kommt es zu einer Drehbewegung des Rotors. Der richtige Umschaltzeitpunkt wird anhand einer Drehstellungserfassung bestimmt, die mittels eines gesonderten Sensors oder bevorzugt durch Auswertung der elektrischen Betriebsgrößen des Ständerwicklungssystems, also sensorlos, erfolgt.

Die Leistungsfähigkeit eines derartigen Rotors hängt entscheidend von der Ausbildung der Bereiche mit hoher magnetischer Leitfähigkeit ab. Diese Bereiche sind um eine oder mehrere Achse(n) mit hoher magnetischer Leitfähigkeit (d-Achse) angeordnet und wechseln sich in Umfangsrichtung mit Bereichen niedrigerer magnetischer Leitfähigkeit ab, die um eine oder mehrere Achse(n) mit niedrigerer magnetischer Leitfähigkeit (q-Achse) angeordnet sind. Um diese unterschiedlichen magne tischen Leitfähigkeiten innerhalb des Rotors zu erreichen, sind die Rotorbleche beispielsweise mit ausgestanzten Ausnehmungen versehen. Hierzu gibt es die unterschiedlichsten Ausführungsformen, von denen einige Beispiele in dem Fachartikel von A. Vagati, „AC Motors for High-Performance Drives: A Design-Based Comparison", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No. 5, September/October 1996, pp. 1211, gezeigt und beschrieben sind.

Für eine möglichst hohe Drehmomentausbeute werden die Rotorbleche so dimensioniert, dass eine Ersatzschaltbild-Reaktanz in Richtung der q-Achse möglichst klein ist. In Richtung der q-Achse sind deshalb üblicherweise viele und/oder großflächige Ausstanzungen im Rotorblech vorgesehen. Dies führt aber zu einer Schwächung der mechanischen Stabilität, so dass die Drehzahl begrenzt ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Rotor der eingangs bezeichneten Art anzugeben, der sowohl ein hohes Drehmoment als auch eine hohe Drehzahl ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Rotor weisen die Rotorbleche jeweils

a) einen äußeren Umfang,
b) eine zentrale Bohrung sowie
c) mehrere rotationssymmetrisch angeordnete, insbesondere gestanzte Ausnehmungen auf, sodass innerhalb des Rotorblechs und senkrecht zur Drehachse orientiert mindestens eine erste Achse mit hoher magnetischer Leitfähigkeit und mindestens eine zur ersten Achse winkelversetzte zweite Achse mit niedrigerer magnetischer Leitfähigkeit gebildet sind, wobei
d) an jeder Kreuzungsstelle einer der zweiten Achsen mit dem äußeren Umfang eine Randausnehmung vorgesehen ist, und
e) längs jeder der zweiten Achsen eine durch Materialstege gebildete direkte Materialverbindung zwischen der jeweili gen Randausnehmung und der zentralen Bohrung vorhanden ist.

Der erfindungsgemäße Rotor hat aufgrund der Randausnehmungen in Richtung der zweiten Achse, also in Richtung der q-Achse, eine geringe magnetische Leitfähigkeit. Er ist in dieser Richtung aus demselben Grund sättigungsarm. Es resultiert eine erwünschte hohe magnetische Achsigkeit. Insbesondere ist auch die Ersatzschaltbild-Reaktanz in Richtung der q-Achse (= q-Induktivität) klein, so dass mit dem erfindungsgemäßen Rotor ein hohes Drehmoment erzielt werden kann.

Die längs der zweiten Achsen vorgesehenen und die Materialverbindung bildenden Materialstege führen zu einer mechanischen Versteifung und damit zu einem insgesamt sehr robusten Aufbau. Der erfindungsgemäße Rotor kann somit auch bei sehr hohen Drehzahlen, insbesondere auch im sog. Feldschwächbetrieb, betrieben werden, ohne dass die dann zunehmend auftretenden Fliehkräfte zu einer Deformation und/oder Zerstörung des Rotors führen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Rotors ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.

Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Rotorblechs eines Reluktanzmotors.
Das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel eines runden Rotorblechs 1 ist Teil eines nicht näher gezeigten vierpoligen (2p = 4) Reluktanzmotors. Grundsätzlich sind aber auch andere Polpaarzahlen p, also größer oder kleiner als zwei, denkbar. Das Rotorblech 1 besteht z.B. aus dem EBG-Blech U800 50A, das magnetisch leitfähig, aber nicht permanent magnetisiert ist. Im Ausführungsbeispiel hat das Rotorblech einen Durchmesser von 70 mm.
Mehrere Rotorbleche 1 sind in Richtung einer Drehachse 2, also in axialer Richtung, hintereinander gestapelt und bilden so einen ebenfalls nicht gezeigten Rotor, der auf eine um die Drehachse 2 drehbare Welle montiert ist. Die Welle ist durch eine zentrale Bohrung 3 des Rotorblechs 1 geführt. Zur radialen Fixierung der Welle in den Rotorblechen 1 sind zwei Fixierungsaussparungen 4 an der zentralen Bohrung 3 vorgesehen, in die korrespondierende Fixierungsvorsprünge der Welle eingreifen.
Das Rotorblech 1 umfasst neben der zentralen Bohrung 3 mehrere weitere Ausstanzungen in Gestalt von Randausnehmungen 5 und von Schlitzausnehmungen 6. Diese weiteren Ausstanzungen sind in einem rotationssymmetrischen, sich in Umfangsrichtung wiederholenden Muster angeordnet. Aufgrund dieser speziellen Anordnung resultieren zwei Achsen 7, entlang derer im Rotorblech 1 eine gute magnetische Flussführung und hohe magnetische Leitfähigkeit gegeben ist (= d-Achsen), sowie zwei Achsen 8, entlang derer im Rotorblech 1 eine verglichen mit den d-Achsen 7 niedrigere magnetische Flussführung und Leitfähigkeit gegeben ist (q-Achsen). Die unterschiedliche magnetische Leitfähigkeit in Richtung der d- und q-Achsen 7 bzw. 8 wird durch das Verhältnis x_d/x_q angegeben (wobei x_d die bezogene Längsreaktanz und x_q die bezogene Querreaktanz ist), das vorzugsweise in einem Bereich zwischen etwa 5/1 und 8/1 liegt. Die d- und q-Achsen 7 bzw. 8 sind gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt und wechseln sich ab. Benachbarte der d- und q-Achsen 7 bzw. 8 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit 2p = 4 Polen jeweils um 45° gegeneinander winkelversetzt. Die d- und q-Achsen 7 bzw. 8 verlaufen in der Ebene des Rotorblechs 1 und sind senkrecht zur Drehachse 2 orientiert.
Jede der Randausnehmungen 5 ist an einer fiktiven Kreuzungsstelle 9 eines äußeren Umfangs 10 des Rotorblechs 1 mit einer der q-Achsen 8 angeordnet und liegt in radialer Richtung (= Umfangsrichtung) symmetrisch bezüglich der betreffenden q-Achse 8.
Jede Randausnehmung 5 hat in Richtung der q-Achse 8 eine Randausnehmungsbreite b₁, die größer ist als eine senkrecht zur (gebogenen) Längsrichtung der Schlitzausnehmungen 6 bestimmte Schlitzbreite b₂. Insbesondere ist die Randausnehmungsbreite b₁ um mindestens den Faktor 1,2 größer als die Schlitzbreite b₂. Eine in dieser Richtung möglichst groß dimensionierte Randausnehmungsbreite b₁ wirkt sich günstig auf die gewünschte Sättigungsarmut und niedrige magnetische Leitfähigkeit in Richtung der q-Achsen 8 aus.
Längs der q-Achsen 8 sind durch Materialstege 11 gebildete direkte Materialverbindungen 12 zwischen der jeweiligen Randausnehmung 5 und der zentralen Bohrung 3 vorhanden. Dies führt zu einer mechanischen Versteifung und einem robusten Aufbau des Rotorblechs 1. Die Materialstege 11 haben im Ausführungsbeispiel eine Breite von etwa 25 mm.
Zwischen jeweils zwei benachbarten der d- und q-Achsen 7 bzw. 8 sind jeweils mehrere – im Ausführungsbeispiel drei – der Schlitzausnehmungen 6 vorgesehen. Sie haben eine längliche, gebogene Form, wobei die bezogen auf die jeweilige Kreuzungsstelle 9 konvexe Biegung mit zunehmendem Abstand der betreffenden Schlitzausnehmung 6 vom Kreuzungspunkt 9 abnimmt.
Die Biegung der zum jeweiligen Kreuzungspunkt 9 am nächsten gelegenen Schlitzausnehmung 13 weist abgesehen von einer Eckenrundung im Wesentlichen eine L-Form auf. Dagegen hat die vom jeweiligen Kreuzungspunkt 9 am weitesten entfernt gelegene Schlitzausnehmung 14 eine Biegung, die im Wesentlichen der Form eines Ellipsenbogens gleicht.
Die Schlitzausnehmungen 6 laufen im Bereich des äußeren Umfangs 10 mit ihrem einen Längsende 15 im Wesentlichen senkrecht zur Umfangsrichtung aus. Ihre gedachten Verlängerungen bilden hier mit der Umfangstangente jeweils in etwa einen rechten Winkel β₁, β₂ oder β₃.
Mit ihrem anderen Längsende 16 laufen die Schlitzausnehmungen 6 im Bereich der jeweiligen q-Achse 8 so aus, dass gedachte Verlängerungen der beiden zu beiden Seiten der Materialverbindung 12 in etwa auf gleicher Höhe der q-Achse auslaufenden Schlitzausnehmungen 6 einen flachen Winkel α₁, α₂ und α₃ miteinander bilden.
In Richtung der d-Achsen 7 ist ein durchgehender Flusskanal 17 vom äußeren Umfang 10 des Rotorblechs 1 bis zur zentralen Bohrung 3 vorhanden. Dadurch resultiert in diesen Richtungen eine sehr gute magnetische Flussführung.
Insgesamt zeigt das Rotorblech 1 ein sehr vorteilhaftes Verhalten. Aufgrund der ausgeprägten Achsigkeit, die insbesondere in Richtung der q-Achsen 8 durch die relativ breiten und tiefen Randausnehmungen 5 einerseits sowie in Richtung der d-Achsen durch die Flusskanäle 17 andererseits hervorgerufen wird, kann eine sehr hohe Drehmomentausbeute erzielt werden. Zugleich ist aufgrund der durch die Verbindungsstege 12 bedingten guten mechanischen Robustheit eine sehr hohe Drehzahl möglich, ohne dass die Ausnehmungen 5 und 6 mit einem verfestigenden nichtmagnetischen Material aufgefüllt werden müssen. Auch ohne derartige Maßnahmen hält das Rotorblech 1 den Fliehkräften bei hohen Drehzahlen stand. Eine Drehzahl von bis zum Siebenfachen der Nenndrehzahl, die z.B. bei 1500 Umdrehungen/Minute liegt, sind zulässig. Insbesondere eignet sich ein mit Rotorblechen 1 aufgebauter Reluktanzmotor für eine sensorlose Regelung.

Claims

Rotor für einen elektrischen Reluktanzmotor umfassend mehrere in Richtung einer Drehachse (2) hintereinander gestapelter runder Rotorbleche (1), die jeweils a) einen äußeren Umfang (10), b) eine zentrale Bohrung (3) sowie c) mehrere rotationssymmetrisch angeordnete, insbesondere gestanzte Ausnehmungen (5, 6) aufweisen, sodass innerhalb des Rotorblechs (1) und senkrecht zur Drehachse (2) orientiert mindestens eine erste Achse (7) mit hoher magnetischer Leitfähigkeit und mindestens eine zur ersten Achse (7) winkelversetzte zweite Achse (8) mit niedrigerer magnetischer Leitfähigkeit gebildet sind, wobei d) an jeder Kreuzungsstelle (9) einer der zweiten Achsen (8) mit dem äußeren Umfang (10) eine Randausnehmung (5) vorgesehen ist, und e) längs jeder der zweiten Achsen (8) eine durch Materialstege (11) gebildete direkte Materialverbindung (12) zwischen der jeweiligen Randausnehmung (5) und der zentralen Bohrung (3) vorhanden ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei benachbarten der ersten und zweiten Achsen (7, 8) mehrere längliche Schlitzausnehmungen (6) vorgesehen sind, die eine bezogen auf die Kreuzungsstelle (9) der jeweiligen zweiten Achse (8) mit dem äußeren Umfang (10) konvexe Biegung aufweisen.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegung mit zunehmendem Abstand der jeweiligen Schlitzausnehmung (6) vom Kreuzungspunkt (9) abnimmt.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegung der zum Kreuzungspunkt (9) am nächsten gelegenen Schlitzausnehmung (13) abgesehen von einer Eckenrundung im Wesentlichen eine L-Form aufweist.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegung der vom Kreuzungspunkt (9) am weitesten entfernt gelegenen Schlitzausnehmung (14) im Wesentlichen eine Ellipsenbogenform aufweist.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzausnehmungen (6) im Bereich des äußeren Umfangs (10) mit ihrem ersten Längsende (15) im Wesentlichen senkrecht zur Umfangsrichtung auslaufen.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzausnehmungen (6) im Bereich der zweiten Achse (8) mit ihrem zweiten Längsende (16) so auslaufen, dass gedachte Verlängerungen der beiden zu beiden Seiten der Materialverbindung (12) in etwa auf gleicher Höhe der zweiten Achse (8) auslaufenden Schlitzausnehmungen (6) einen flachen Winkel (α₁, α₂, α₃) miteinander bilden.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Richtung der zweiten Achse (8) bestimmte Randausnehmungsbreite (b₁) der Randausnehmungen (5) größer ist als eine Schlitzbreite (b₂) der Schlitzausnehmungen (6).
Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Randausnehmungsbreite (b₁) um mindestens den Faktor 1,2 größer ist als die Schlitzbreite (b₂).
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Randausnehmung (5) in Umfangsrichtung symmetrisch bezüglich der zweiten Achse (8) angeordnet ist.