DE19851883A1

DE19851883A1 - Permanenterregte Synchronmaschine

Info

Publication number: DE19851883A1
Application number: DE1998151883
Authority: DE
Inventors: Klaus Georg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-11-10
Filing date: 1998-11-10
Publication date: 2000-05-18

Abstract

Um bei einer Synchronmaschine die Streuverluste zu reduzieren und die Nennleistung zu erhöhen, wird das aus Blechen geschichtete Läuferblechpaket (1), in das Permanentmagnete (2) eingebettet sind, derart ausgestaltet, daß zumindest zwischen einer Ausnehmung (4) zur Aufnahme eines aus zumindest einer Magnetplatte bestehenden Permanentmagnets (2) und dem Luftspalt der Synchronmaschine wenigstens eine Magnetflußsperre (5) vorsieht.

Description

Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem aus Blechen geschichteten Läuferblechpaket, in das Permanentmagnete eingebettet sind.

Drehfeldmaschinen mit permanenterregtem Läufer gewinnen zu nehmend an Bedeutung, das sie einige wesentliche Vorteile bieten. Der unbewickelte Läufer dieser Maschinen läßt sich gut für hohe Drehzahlen ausführen. Die verfügbaren Magnet werkstoffe ermöglichen eine sehr hohe Maschinenausnutzung. Da die Drehmomentbildung ohne Läuferströme erfolgt, entstehen mit Ausnahme parasitärer Zusatzverluste keine Läuferverluste. Damit wird eine Aufheizung des Läufers und der Lager vermie den. Außerdem besitzen diese Maschinen einen sehr guten Wir kungsgrad.

Die US-4 486 679 zeigt einen permanentmagneterregten Rotor einer elektrischen Maschine. Dabei sind im wesentlichen tan gentiale Ausnehmungen im Rotorblechpaket zur Aufnahme der Permanentmagneten ausgebildet. Eine Verfestigung des Rotor blechpakets mit den Permanentmagneten wird durch Verformen der Bleche durch Einbringen eines Bolzens in der Pollücke er reicht.

Bei dieser elektrischen Maschine führen die stark auftreten den Ankerrückwirkungen bereits bei Nennstrom zu Sättigungser scheinungen.

Diese Sättigungserscheinungen können durch Verbreiterung der Ständerzahnbreiten vermindert werden, was zu einer Reduzie rung der Nutfläche und damit zu einer Reduzierung des Nenn stromes und des Nennmoments führt.

Ebenso kann durch eine Vergrößerung des Luftspaltes die An kerrückwirkung reduziert werden. Dies führt ebenfalls zu ei ner verminderten Maschinenausnutzung, da bei gleichem Magnet volumen das Erregerfeld reduziert wird.

Die US-5 369 325 beschreibt einen Rotor mit Permanentmagneten und ausgebildeten Polen. Die Permanentmagnete sind im wesent lichen in tangentialen Ausnehmungen des Blechpaketes einge setzt. Es ist nur jeder zweite Pol durch einen Permanentma gneten bestückt, wobei die vorhandenen Schlitze zur gleichmä ßigen Feldverteilung im Luftspalt beitragen sollen.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei nen Läufer mit Permanentmagneten zu schaffen, der bei Betrieb einer derartigen Synchronmaschine eine Reduzierung von Streu verlusten bei gleichzeitiger Erhöhung der Nennleistung be wirkt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, daß zumin dest zwischen einer Ausnehmung zur Aufnahme eines aus zumin dest einer Magnetplatte bestehenden Permanentmagneten und dem Luftspalt der Synchronmaschine wenigstens eine Magnetfluß sperre vorgesehen ist.

Durch diese Magnetflußsperren, die im wesentlichen als Quer flußsperren wirken, wird dem Ankerquerfluß Φa ein zusätzli cher magnetischer Widerstand entgegengesetzt, da nun mehrere Luftspalte zu überwinden sind. Der durch die Permanentmagnete erzeugte Erregerfluß selbst, der vom Permanentmagneten aus in radialer Richtung zum Luftspalt verläuft, wird durch diese Magnetflußsperren nur unwesentlich beeinflußt, da diese den zur Führung des Erregerflusses erforderlichen Eisenquer schnitt nur vernachlässigbar reduzieren. Damit erhöht sich das verfügbare Drehmoment derartiger Synchronmaschinen bei Läufern mit Magnetflußsperren gegenüber einem Läufer ohne Ma gnetflußsperren bei gleichem Nennstrom. Ein weiterer positi ver Einfluß der Magnetflußsperren besteht in der Verringerung der der Querinduktivität, wodurch die elektrische Maschine erst bei höheren Drehzahlen an die Spannungsgrenze stößt, ab der das Drehmoment abnimmt. Somit wird dadurch auch eine Er höhung der Nennleistung bei sonst gleichen technischen Daten der elektrischen Maschine erzielt.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Läufer Mittel auf, die im Luftspalt ein sinusförmiges Erregerfeld erzeugen. Vorzugsweise ist dabei die dem Luftspalt zugewandte Kontur des Läuferblech nach folgender Beziehung gewählt:

wobei
ϕ der Umfangswinkel
r_a(ϕ) der Außenradius Läuferblech
R_B der Ständerbohrungsradius
δ₀ der engste Luftspalt in Polmitte und
p die Polpaarzahl
ist.

Diese Formel gilt ausgehend von einer Polmitte. Ab einem vor gebbaren Winkel p . ϕ wird der Radius r_a bis zur Pollücke (p . ϕ = ± 90°) konstant gehalten, der vorzugsweise zumindest in erster Näherung durch eine Tangente an der Pollücke ange nähert werden kann. Dies verhindert, daß der Einbruch in die Pollücke zu groß wird. Das in der Pollücke verbleibende Blechmaterial, das durch die Kontur des Läuferblechs und Aus nehmungen definiert ist, wird möglichst dünn ausgeführt, um so die Magnetfeldstreuung im Läufer zu minimieren. Diese Ver bindungsstelle weist eine Mindestdicke auf, um den bei Maxi maldrehzahl entstehenden Fliehkräften der Magnete und Blech segmente und den daraus resultierenden Tangentialspannungen im Läuferblechpaket entgegenzuwirken und sie aufnehmen zu können.

In einer weiteren Ausführungsform sind Materialaussparungen als Schlitze oder Aneinanderreihung nahezu punktförmiger Lö cher zwischen einer Ausnehmung zur Aufnahme des oder der Ma gneten und dem Luftspalt vorgesehen. Damit wird u. a. die Her stellung derartiger Läuferbleche durch Stanzwerkzeuge in ei nem Arbeitsgang ermöglicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist durch Vor gabe einer Vorzugsrichtung der Materialaussparungen im Läu ferblech, insbesondere der Schlitze oder Löcher in im wesent lichen paralleler Richtung, zu den im Betrieb auftretenden Feldlinien, eine weitere Reduzierung der Streuverluste gege ben. Der Erregerfluß wird dabei nur vernachlässigbar redu ziert und beeinflußt. Vorzugsweise sind diese Materialausspa rungen sekantenartig ausgerichtet.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im fol genden anhand schematisch dargestellter Ausführungebei spiele in der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 der. Querschnitt eines mit Magnetflußsperren versehenen Läufers,

Fig. 2 die Kontur des Läuferblechpakets.

Fig. 1 zeigt ein Läuferblechpaket 1 mit Permanentmagneten 2. Die Kontur 3 des Läuferblechpaketes 1 ist derart ausgebildet, daß sich ein sinusförmiges Erregerfeld im Luftspalt einer nicht näher dargestellten Synchronmaschine ergibt. Die ver bleibende Blechstärke d ist aufgrund der bei Maximaldrehzahl auftretenden Fliehkräfte ausreichend dimensioniert. Die Per manentmagnete 2 sind in Taschen oder Ausnehmungen 4 einge setzt, die im wesentlichen tangential angeordnet sind und so ein Polygon bilden, dessen außenliegenden Kanten der Ausneh mungen 4 auf einem Radius 10 liegen. Es sind ebenso andere Anordnungen der Permanentmagnete 2 in radialer Richtung oder einer windschiefen Lage möglich. Es ist außerdem nicht not wendig, die Permanentmagnete 2 quaderförmig auszuführen; es ist nahezu jede beliebige geometrische Form der Permanentma gnete 2 möglich. In den kreissegmentartigen Blechabschnitten zwischen Luftspalt der Synchronmaschine und Permanentmagneten 2 sind Magnetflußsperren 5 vorhanden, die dem Ankerquerfluß Φa einen zusätzlichen magnetischen Widerstand entgegenset zen. Dabei sind die als Magnetflußsperren 5 ausgebildeten Schlitze derart ausgerichtet, daß sie nur wenig Eisenquer schnitt beanspruchen und somit den durch die Permanetmagnete 2 erzeugten Erregerfluß nicht beeinträchtigen oder behindern. Derartige Schlitze können sich auch radial innerhalb dieser Ausnehmungen 4 befinden.

An dem virtuellen Zusammenstoß zweier Ausnehmungen 4, die zur Aufnahme der Permanentmagnete 2 dienen, sind die Ausnehmungen 4 so geformt, daß sich außer einer Fixierung der Permanentma gnete 2 auch Streustege 11 ergeben.

Bei einer nach Fig. 1 ausgeführten Synchronmaschine beträgt die Erhöhung des Drehmoments gegenüber herkömmlichen Syn chronmaschinen bei gleichem Nennstrom ca. 15%.

Fig. 2 zeigt die Kontur 3 des Läuferblechpakets 1, die so aus gebildet ist, daß sich im Luftspalt einer nicht näher darge stellten Synchronmaschine ein sinusförmiges Erregerfeld ein stellt. Das Läuferblechpaket 1 zeigt mehrere symmetrisch aus gebildete Pole 12, deren Kontur 3 jeweils nach folgender Vor schrift gestaltet ist:

wobei
ϕ der Umfangswinkel
r_a(ϕ) der Außenradius des Läuferblechs
R_B der Bohrungsradius des Ständers der Synchronmaschi ne
d₀ der engste Luftspalt in Polmitte und
p die Polpaarzahl
ist.

Bei der Synchronmaschine nach Fig. 2 gilt diese Formel ausge hend von einer Polmitte 13 (p . ϕ = 0), bis der Winkel p . ϕ ≈ ±80° beträgt. Es sind selbstverständlich auch andere Winkel, vor zugsweise im Bereich zwischen 70° und 88°, denkbar.

Ab diesem Winkel p . ϕ ≈ ±80° wird bei dieser Synchronmaschine r_a konstant gehalten, bis zur Pollücke 14 (p . ϕ ≈ ±90°).

Dies verhindert, daß der Einbruch in der Pollücke 14 zu groß, da der 2. Term in obiger Vorschrift bei p . ϕ gegen ±90° unendlich strebt.

Die Kontur 3 der anderen Pole 12 ist in Fig. 2 genau gleich definiert. Es sind aber auch andere Konturen 3 nach anderen mathematischen Zusammenhängen realisierbar.

Ebenso müssen die Pole 12 nicht notwendigerweise symmetrisch bezüglich ihrer Polmitte 13 gestaltet sein. Es ist damit auch unterschiedliche Gestaltungsvorschriften der Kontur 3 des Läuferblechpakets 1 anwendbar.

Claims

1. Permanenterregte Synchronmaschine mit einem aus Blechen geschichteten Läuferblechpaket (1), in das Permanentmagnete (2) eingebettet sind, dadurch gekenn zeichnet, daß zumindest zwischen einer Ausnehmung (4) zur Aufnahme eines aus zumindest einer Magnetplatte be stehenden Permanentmagneten (2) und dem Luftspalt der Syn chronmaschine wenigstens eine Magnetflußsperre (5) vorgesehen ist.

2. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind die in dem Luftspalt ein sinusförmiges Erre gerfeld erzeugen.

3. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ma gnetflußsperren (5) Materialaussparungen vorgesehen sind.

4. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor zugsrichtung der Materialaussparungen im wesentlichen paral lel zu den im Betrieb der Synchronmaschine auftretenden Feld linien verläuft.