-
Selbstanlaufender Synchronreluktanzmotor Die Erfindung betrifft einen
selbstanlaufenden Synchronreluktanzmotor mit einem Ständer, der eine Wicklung zur
Erzeugung eines Drehfeldes aufweist, einem Läufer, der drehbar in dem Ständer gelagert
ist, wobei der Läufer eine Kurzschlußwicklung für den Anlauf des Motors trägt und
einen magnetisch leitenden Kern mit einer der Statorpolzahl entsprechenden Zahl
über den Umfang gleichmäßig verteilter ausgeprägter Pole aufweist, von denen ein
jeder mindestens eine sich in Längsrichtung erstreckende flußsperrende Nut besitzt,
und mit im Läufer angeordneten Permanentmagneten.
-
Es ist bereits bekannt, bei selbstanlaufenden Synchronreluktanzmotoren
Sperren für den magnetischen Fluß im Läuferkern vorzusehen, die eine gute Leitung
des magnetischen Flusses in Längsrichtung und eine Verkleinerung der Leitfähigkeit'
für den magnetischen Fluß in Querrichtung bewirken.
-
Aus der Primärstromortskurve des Reluktanzmotors kann man leicht seine
Stärken und Schwächen erkennen. Diese Ortskurve ergibt sich für den Synchronlauf
leicht, wenn man gemäß
den Längs- und Querstrom (1d, 1q) des Ständers zu dem gemeinsamen Primärstrom I
zusammenfaßt. Hierbei bestimmt sich der Längsstrom zu
und der Querstrom zu
Es bedeuten: V = Phasenspannung, R = Ohmscher Widerstand einer Ständerphase, ö =
Lastwinkel (Winkel zwischen V und 1q), Zd, Zq = Scheinwiderstände und Xd,
Xq = Reaktanzen einer Phase in Längs- und Querrichtung; qgd und gpq sind die Winkel
zwischen R und Xd bzw. X..
-
Die Ortskurve ist ein Kreis (F i g. 1), dessen Radius die Größe
in Richtung der positiven horizontalen Abszisse vom Ursprungspunkt verschoben ist.
-
Leistungsfaktor (Kosinus des Winkels cp zwischen V und 1) und Drehmoment
(Projektion des Stromzeigers 1 auf den Spannungszeiger V) können leicht dem Diagramm
entnommen werden. Beide Größen sind charakteristisch, um die Güte des Motors und
besonders seine Ausnutzung zu beurteilen.
-
Der optimale Leistungsfaktor wächst mit dem Verhältnis (1 -
Xq / Xd) / (1 + Xq ( Xd) , das maximale Drehmoment (Kippmoment)
mit der Differenz (1 / Xq - 1 / Xd) . Man erkennt leicht, daß
eine geringe Reaktanz X, in Querrichtung im Vergleich zu einer großen Längsreaktanz
Xd für eine Steigerung der beiden Größen notwendig ist. Weiterhin ist der Leistungsfaktor
günstig, wenn die Längsreaktanz selbst groß ist. In diesem Falle rückt nämlich der
Kreis nahe an den Ursprungspunkt. Sein Durchmesser wächst, wenn die Querreaktanz
im Verhältnis zur Längsreaktanz klein gewählt wird.
-
Zur Verminderung der Querreaktanz werden üblicherweise in einer magnetischen
Querachse des Läufers Sperren für den Querfluß angebracht. Im hat und dessen Mittelpunkt
um den Abstand
in Richtung der positiven vertikalen Ordinate und um den Abstand
einfachsten Fall werden in Achsrichtung verlaufende Aussparungen
oder Synchronisiernuten aus dem Läuferkern ausgeschnitten, so daß längs seines äußeren
Umfanges ausgeprägte Pole verteilt sind. Die Betriebseigenschaften eines solchen
bekannten Motors sind jedoch noch sehr ungünstig. Die als Sperren dienenden Aussparungen
müssen nämlich einerseits breit und tief sein, um hinreichend wirksam zu sein. Dadurch
wird aber andererseits auch die magnetische Leitfähigkeit für den Längsfluß verschlechtert.
Die Folge ist, daß optimaler Leistungsfaktor und Kippmoment nur gering sind, wie
es aus dem Kreisdiagramm in F i g. 1 bzw. aus der Stromortskurve 20 in F i g. 2
ersichtlich ist.
-
Eine wirksamere Verringerung des Querflusses ergibt sich, wenn im
Läuferkörper zusätzlich zu den genannten Aussparungen weitere Flußsperren vorgesehen
werden. Solche können in an sich bekannter Weise Längsnuten sein, die in der Mitte
der ausgeprägten Pole angebracht sind und sich radial nach innen erstrecken. Das
Betriebsverhalten dieses Motors ist günstiger, wie aus dem Verlauf der Primärstromortskurve
hervorgeht, welche in F i g. 2 qualitativ als Ortskurve 21 dargestellt ist.
-
Man hat auch bereits erkannt, daß die Betriebseigenschaften eines
Reluktanzmotors noch weiter verbessert werden können, wenn in seinem Läufer Permanentmagnete
angebracht werden. Man erzielt dann eine Stromortskurve mit hohem Kippmoment und
gutem Leistungsfaktor des Motors. Der gute Leistungsfaktor bedingt bei einem solchen
Motor bei gleicher Leistung bzw. gleichem Drehmoment gegenüber Motoren ohne Permanentmagnete
eine entsprechend geringere Stromaufnahme.
-
Bei einem bekannten Motor mit Permanentmagneten besteht der Läufer
aus abwechselnd aufeinandergelegten magnetisierbaren und nicht magnetisierbaren
Schichten. Die Schichtungsrichtung verläuft parallel zur Läuferachse und zur magnetischen
Längsachse. Dabei ist die Schichtung in der Polzone ausgespart und dort mindestens
ein Permanentmagnet in Schichtungsrichtung, d. h. in der magnetischen Längsachse
wirkend angeordnet. Durch den oder die Permanentmagnete erhält man eine zusätzliche
Erregung in der Längsachse wie bei einem mit Gleichstrom erregten Läufer. Infolge
der ferner geringen magnetischen Leitfähigkeit in der Querachse, d. h. quer zur
Schichtungsrichtung des Läufers, weist der Motor ein hohes Kippmoment und einen
guten Leistungsfaktor auf.
-
Allerdings läßt sich der bekannte Motor mit parallel zur Läuferachse
geschichteten Blechen nur in zweipoliger Ausführung wirtschaftlich fertigen, während
bei einer größeren Polzahl die Herstellung sehr kompliziert und teuer ist.
-
Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, einen selbstanlaufenden Synchronreluktanzmotor
der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der diese Beschränkung nicht kennt,
sondern für beliebige Polzahlen einfach gebaut werden kann. Weiterhin soll der Motor
nach der Erfindung einen möglichst großen Unterschied zwischen den Reaktanzen in
Längs- und Querrichtung haben.
-
Hierzu sieht die Erfindung vor, daß die Permanentmagnete so in dem
Läuferkern angeordnet und ausgerichtet sind, daß sie dem magnetischen Querfluß,
der in dem Kern zwischen den ausgeprägten Polen erregt wird, entgegenwirken und
diesen vermindern. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die
Permanentmagnete in den als Querflußsperren wirkenden Nuten angebracht, die in den
ausgeprägten Polen vorgesehen sind und sich radial nach innen erstrecken. Zusätzlich
können auch Magnete in den axial verlaufenden Aussparungen des Läufers, den Pollücken,
eingesetzt werden.
-
Da ein Permanentmagnet einen hohen magnetischen Innenwiderstand aufweist,
ist die Querreaktanz sehr klein, und es ergibt sich ein großer Durchmesser der Stromortskurve.
Der Motor zeichnet sich darum in an sich bekannter Weise durch ein hohes Kippmoment
und einen guten Leistungsfaktor aus. Beide Größen werden jedoch durch die erfindungsgemäße
Anordnung der Permanentmagnete infolge des zusätzlichen vom Permanentmagnet erregten
Feldes noch günstiger, denn durch die Permanentmagnete wird der magnetische Fluß
in der Querrichtung weiterhin noch erheblich geschwächt, was zu einer weiteren Vergrößerung
des Durchmessers der Stromortskurve entsprechend Ziffer 22 der F i g. 2 führt.
-
Die Permanentmagnete sind in den Flußsperren für den Querfluß eingelegt
und nehmen daher keinen zusätzlichen Raum in Anspruch. Im Gegenteil, die Flußsperren
brauchen weniger breit gehalten zu werden, so daß ein ausreichender Eisenquerschnitt
zur unbehinderten Führung des Längsflusses zur Verfügung steht. Es können sogar
die Aussparungen (Pollücken) ganz entfallen oder brauchen nur weniger tief zu sein.
-
Der Motor kann mit beliebiger Polzahl ohne wesentliche Kostenerhöhung
hergestellt werden, da in an sich bei Reluktanzmotoren ohne Permanentmagnete im
Rotor bekannter Weise zum Aufbau des Läufers Bleche mit in üblicher Weise quer zur
Läuferachse geschichteten Blechen verwendet werden.
-
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der weiteren
Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt F i g. 3 eine perspektivische Ansicht des
Läufers eines erfindungsgemäßen Motors, teils im Schnitt, bei dem einige Teile nicht
dargestellt sind, F i g. 4 einen Schnitt im vergrößerten Maßstab durch einen Motor
mit einem Läufer nach F i g. 3 und F i g. 5, 6, 7 und 8 Querschnitte verschiedener
Ausführungsformen des Läufers im verkleinerten Maßstab.
-
Nach den F i g. 3 und 4 umfaßt ein selbstanlaufender Synchronreluktanzmotor
35 einen zylindrischen Läufer 36, der auf einer Welle 37 befestigt und drehbar im
Ständer 38 gelagert ist. Der Ständer 38 trägt eine verteilte Wicklung, wie sie normalerweise
bei Induktionsmotoren verwendet wird, und ist schematisch so dargestellt, daß vier
umlaufende Pole 39 gebildet werden. Der Rotor 36 ist aus einer Reihe von Blechen
geschichtet und weist eine Mehrzahl von in einem Abstand voneinander angeordneten
und längs des Läuferumfanges nahe seinem Außendurchmesser verteilten Wicklungsnuten
43 üblicher Ausführung auf.
-
Außerdem weist der Läufer 36 des Motors 35 an seinem Umfang in einem
Abstand voneinander angeordnete und sich in Längsrichtung erstreckende Aussparungen
oder Vertiefungen 46 auf, durch welche ausgeprägte Pole 45 gebildet werden. Bei
einer
anderen Ausführung können wirksame ausgeprägte magnetische Pole ohne Aussparungen
an der Läuferoberfläche durch geeignet entworfene Sperren für den F1uß, wie sie
in F i g. 5 gezeigt sind, gebildet werden. Die Sperren für den Fluß haben einen
hohen magnetischen Widerstand, der dem Fluß entgegenwirkt. Sie sind in bekannter
Weise so im Läufer angebracht, daß für den Fluß im Innern des Läufers Wege mit hohem
magnetischem Widerstand und andere Wege mit geringem magnetischem Widerstand geschaffen
werden. In einem Abstand von 180° e1. einander folgende Teile der Querschnittsfläche
am Läuferumfang stellen für den Fluß einen Weg mit geringem magnetischem Widerstand
dar und werden daher zu wirksamen ausgeprägten Polen. Der vom Ständer erregte Fluß
konzentriert sich in diesen Gebieten. So können in bekannter Weise wirksame ausgeprägte
magnetische Pole an einem zylindrischen Läufer besser durch die Verwendung von Flußsperren
im Innern des Läufers entsprechend F i g. 5 gebildet werden als durch am Umfang
und in- einem Abstand voneinander verteilte Aussparungen.
-
Wie bekannt, wird die Mittellinie eines ausgeprägten Pols oder der
Fläche mit der Flußkonzentration die magnetische Längsachse genannt. Die magnetische
Querachse ist um den elektrischen Winkel 90° zur Längsachse verdreht. In den dargestellten
Läuferschnitten liegt die Längsachse 48 zwischen den Flußsperren 49. Die Querachse
50 ist auf dem halben Wege zwischen zwei benachbarten Längsachsen ausgerichtet.
-
Bei dem Motor nach F i g. 4 ist der Läufer 36, wie festgestellt, mit
ausgeprägten Polen 45 versehen, die zwischen den sich in Längsrichtung erstreckenden
und am Läuferumfang in einem Abstand voneinander angeordneten Aussparungen 46 gebildet
werden. Jeder ausgeprägte Pol 45 enthält ein Paar sich radial nach innen erstreckender
Nuten 41. Diese Nuten 41 dienen in bekannter Weise zur Flußsperrung und erstrecken
sich vom Außenumfang des Läufers nach innen. Das innere Ende einer jeden jeden dieser
Nuten eines ausgeprägten Pols ist durch eine Verbindungsnut 49 mit dem inneren Ende
einer ähnlichen Nut in den benachbarten ausgeprägten Polen auf jeder Seite verbunden.
Wie in den Zeichnungen dargestellt, ist jede Verbindungsnut zwei benachbarten Polen
gemeinsam. So bilden jede Verbindungsnut 49 und die beiden sich radial nach innen
erstreckenden Nuten 41, die mit der Nut 49
zusammenhängen, eine kontinuierliche
Flußsperre, die sich von der Außenfläche eines Pols zu der Außenfläche jedes benachbarten
Pols erstreckt.
-
Diese kontinuierlichen Flußsperren sind so verteilt, daß sie dem Querfluß
entgegenwirken, während sie für die Ausbildung des Längsflusses nur eine geringe
Störung bedeuten.
-
In F i g. 3 sind die Wicklungsnuten 43, die radial verlaufenden flußsperrenden
Nuten 41, die Verbindungsnuten 49 und die Aussparungen 46 geschrägt gezeichnet,
wodurch die Eigenschaften des Motors im asynchronen Betrieb in bekannter Weise verbessert
werden.
-
Nach der Erfindung sind nun Permanentmagnete 55 in verschiedener Weise
im Läufer angeordnet und so verteilt, daß sie dem von den umlaufenden magnetischen
Polen des Ständers erregten Fluß in der Querachse entgegenwirken. Wie in F i g.
4 gezeigt, sind die Magnete 55 in den Verbindungsnuten 49 und in den in Längsrichtung
sich erstreckenden Aussparungen 46 so angeordnet, daß sie symmetrisch zur
Querachse 50 wirken. Die Magnete 55 in unter einem Winkel benachbarten Aussparungen
46 wirken mit entgegengesetzter Polarität, so daß die Magnete in den Aussparungen
abwechselnd mit radial nach außen gerichtetem Nordpol und radial nach außen gerichtetem
Südpol aufeinanderfolgen. Die Buchstaben N (Nord) und S (Süd) zeigen
die Polarität des radial nach außen gerichteten Pols der Magnete 55 an. Im Betrieb
wird der Fluß eines umlaufenden Ständerpols 39, der zwischen den Polen 45 in den
Läufer einzutreten sucht, durch die Magnete 55N zurückgedrängt. Der Fluß,
welcher aus der Läuferfläche zwischen den Polen in einen Ständerpol 39 einzutreten
versucht, wird durch die Magnete 55S zurückgedrängt. Damit wird der Fluß
in der Querachse des Motors verringert. Nach Erreichen der Synchrondrehzahl richtet
sich der Läufer selbsttätig so aus, daß die ausgeprägten Pole 45 eine feste Kopplung
mit den umlaufenden Polen des Ständers eingehen.
-
Permanentmagnete 55a werden auch in den radial verlaufenden
flußsperrenden Nuten 41 angeordnet. Diese Magnete sind so ausgerichtet, daß ihre
den Magneten 55 in den Aussparungen 46 zugewandten Pole die gleiche Polarität haben
wie die radial nach außen weisenden Pole dieser Magnete. Bei dieser an Hand von
F i g. 4 beschriebenen Ausführung der Erfindung enthält im wesentlichen die gesamte
kontinuierliche flußsperrende Nut, die aus einer Verbindungsnut 49 und den
beiden mit dieser verbundenen radial verlaufenden Nuten 41. gebildet wird, einen
Permanentmagnet.
-
Die in F i g. 5 bis 8 dargestellten Läufer enthalten Permanentmagnete,
die an verschiedenen Stellen des Läufers angebracht sind. In jedem Fall sind die
Magnete so gerichtet, daß sie dem Fluß in der Querachse des Läufers entgegenwirken.
Diese Magnete wirken im wesentlichen in der gleichen Weise, wie es im Zusammenhang
mit dem Läufer nach F i g. 4 beschrieben wurde. In den F i g. 5 bis 8 sind die normalen
Wicklungsnuten in jedem ausgeprägten Pol durch die Bezugsnummer 53 bezeichnet.
-
Bei dem in F i g. 5 gezeigten Läufer 57 fehlen die in Längsrichtung
verlaufenden Aussparungen 46, um den Längsfluß auf einen größten Wert zu bringen.
Dagegen werden radial verlaufende flußsperrende Nuten 41 und Verbindungsnuten 49
verwendet, die wirksame ausgeprägte magnetische Pole bilden und zusammen mit den
in den Nuten angeordneten Permanentmagneten 55 den Querfluß vermindern. Wie weiter
oben ausgeführt, schaffen die Sperren in diesem Läufer einen ausreichenden magnetischen
Widerstand für den Fluß längs des einen Weges und bewirken, daß der Läufer wirksame
ausgeprägte magnetische Pole in den Querschnittsflächen in der Nähe der am weitesten
außen am Umfang gelegenen Teile der flußsperrenden Nuten aufweist.
-
In der in F i g. 6 gezeigten Konstruktion enthalten die ausgeprägten
Pole 45 des Läufers 60, die durch in Längsrichtung verlaufende Aussparungen
46 gebildet werden, keine Permanentmagnete. Permanentmagnete 55 sind jedoch in der
flußsperrenden Verbindungsnut 49 und den radialen Nuten 41 zur Verminderung des
Querflusses vorgesehen.
-
Bei der Konstruktion nach F i g. 7 sind die Permanentmagnete des Läufers
65 sowohl in den sich
in Längsrichtung erstreckenden Aussparungen
46 wie in den flußsperrenden Verbindungsnuten 49 und den radial verlaufenden Nuten
41 angeordnet. Die in Längsrichtung sich erstreckenden Aussparungen 46 erhalten
Permanentmagnete mit veränderlicher Stärke, um eine wahlweise einstellbare Flußdichte
im Luftspalt zu erzeugen. Die veränderliche Flußdichte des Querachsenflusses kann
Punkt für Punkt durch den entgegenwirkenden Fluß der Permanentmagnete angepaßt werden.
Es können auch andere Funktionsverläufe, z. B. ein sinusförmiger, für die Gestalt
des Magnets zugrunde gelegt werden wie bei dem in F i g. 7 gezeigten abgestuften
Magnet 66.
-
Der Läufer 68 in der nach F i g. 8 ausgeführten Konstruktion trägt
Permanentmagnete, die ebenfalls in den sich in Längsrichtung erstreckenden bogenförmigen
Aussparungen 69, in den flußsperrenden Verbindungsnuten 49 und den radialen
Nuten 41 angeordnet sind. Die Permanentmagnete 70 in den Aussparungen
füllen in diesem Fall jedoch die sich in Längsrichtung erstreckenden Aussparungen
vollständig aus. Die Aussparung benötigt durch die Verwendung von Permanentmagneten
eine nur sehr geringe Tiefe. Diese Maßnahme schafft einen größtmöglichen Eisenquerschnitt
für den Längsfluß und bewirkt daher eine weitere Verstärkung dieses Flusses. F i
g. 8 zeigt auch Permanentmagnete 71, die in den normalen Wicklungsnuten 53 in der
Mitte der ausgeprägten Pole zwischen den radial verlaufenden flußsperrenden Nuten
41 angeordnet sind. Dies ist ein zur weiteren Verminderung des Querachsenflusses
gewählter Schritt.
-
Bei allen in den Zeichnungen dargestellten Läuferkonstruktionen füllt
ein elektrisch leitendes, unmagnetisches Material den Raum in den normalen Wicklungsnuten
43 und 53, in den in Längsrichtung verlaufenden Aussparungen 46 und
den als Flußsperren wirkenden Nuten 41 und 49, soweit dieser nicht
von den Permanentmagneten eingenommen wird. Dieses elektrisch leitende Material
ist an den Enden des Läufers durch Kurzschlußringe 75 verbunden und bildet in bekannter
Weise eine Kurzschlußläuferwicklung für den asynchronen Anlauf des Motors.