DE2252922B2 - Dauermagneterregter Schenkelpolläufer einer Synchronmaschine - Google Patents

Description

55

Die Erfindung betrifft einen dauermagneterregten Schenkelpolläufer einer Synchronmaschine, bei der in den Bereichen zwischen den Polschenkeln Dauermagnete derart angeordnet sind, daß Polschenkel abwech- selnder Polarität gebildet werden und ein zumindest teilweise radial verlaufendes Magnetfeld im Bereich der Polschenkel erzeugt wird.

Aus der US-PS 20 60 259 ist bereits ein dauermagneterregter Schenkelpolläufer für eine Synchronma- schine bekannt, bei dem die Dauermagnete aus bogenförmigen Stabmagneten bestehen, die in Form eines Kreises zwischen Endplatten des Läufers angeordnet sind. Die bogenförmigen Stabmagnete reichen weit in die Schenkelpole hinein, so daß die örtlichen Pole der Stabmagnete im Bereich der Mitte des Querschnitts der Schenkelpole gelegen sind. Gemäß dieser bekannten Konstruktion tritt der größte magnetische Fluß in der Mittelebene eines Polschenkels auf.

Bei einem aus der FR-PS 1527 594 bekannten dauermagneterregten Schenkelpolläufer sind mehrere Dauermagnete an verschiedenen Stellen der Polschenkel angeordnet Beispielsweise befindet sich ein erster Dauermagnet zwischen einer inneren Abstütznabe und dem jeweiligen Polschenkel, während ein zweiter Dauermagnet seitlich in die Polschenkel eingelassen ist Auch bei dieser bekannten Konstruktion wird größter Wert darauf gelegt, den magnetischen Fluß in den mittleren Bereich des jeweiligen Polschenkels zu konzentrieren.

Aus der US-PS 3126 493 ist ein Synchronmotor bekannt, dessen Konstruktion dadurch verbessert werden soll, daß Magnete in dem Läuferkörper vorgesehen werden, welche die Querdurchflutung reduzieren. Die Reduzierung der Querdurchflutung wird bei dieser bekannten Konstruktion dadurch erreicht, daß die Magnete in Nuten so angeordnet werden, daß deren Polflächen radial nach außen gerichtete sind. Diese Magnete haben hier nicht die Aufgabe, Pole an den Polteilen zu induzieren, um den direkten Axialfluß zu erhöhen. Es sied jedoch weitere Magnete in den radial verlaufenden Nuten angeordnet, die an den Polteilen Pole induzieren. Diese weiteren Magnete sind quermagnetisiert und jeder induziert einen Nordpol und einen Südpol am Umfang des betreffenden Polteiles auf jeder Seite der Nut Bei dieser bekannten Konstruktion besitzt das Polteil darüberhinaus keinen zentralen, nicht magnetisierten Abschnitt

Damit gelangt also bei keiner der bekannten Konstruktionen ein Polschenkel zur Anwendung, der einen nicht magnetischen mittleren Bereich aufweist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Starteigenschaften des oauermagneterregten Schenkelpolläufers einer Synchronmaschine der eingangs definierten Art zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1.

Die erfindungsgemäß durch die Dauermagnete vorgesehenen örtlichen Pole wirken mit dem rotierenden Magnetfeld des Ständers zusammen und es ergeben sich dabei Kräfte, durch die die Pole und damit der Läufer mit dem Feld des Ständers mitgedreht werden. Bei der Maschine i/ach der vorliegenden Erfindung wird jedoch zusätzlich der Läufer in besonderer Weise mit dem rotierenden Magnetfeld ausgerichtete, derart, daß die nicht magnetischen Abschnitte der Polschenkel sich mit dem rotierenden Magnetfeld entsprechend den Stellen minimaler Reluktanz ausrichten und sich dadurch mit dem Feld drehen. Die nicht magnetischen Abschnitte der Polschenkel stellen besonders gute Flußpfade für den Wechselfluß dar, so daß eine nach der vorliegenden Erfindung ausgebildete Maschine im Vergleich zu den bekannten Konstruktionen bessere Anlaufeigenschaften besitzt.

Die in den Nuten enthaltenen Magnete können so orientiert werden, daß deren Pole die genannten örtlichen Pole am Umfang des Läufers sind. Es können beispielsweise zwei Magnete in jeder Nut vorgesehen sein, so daß die magnetische Achse jedes Magnets sich in einer allgemein radialen Richtung erstreckt, und die Magnete auf gegenüberliegenden Seiten der Nut

angeordnet sind und entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, jedoch die Anordnung so getroffen ist, daß jedes Polteil von zwei Magneten gleicher Polarität flankiert ist Anstatt zweier Magnete kann auch nur ein einzelner in jeder Nut vorhanden sein, der jedoch so magnetisiert ist, daß seine zwei Pole an umfangsmäßig im Abstand angeordneten Stellen seiner äußeren Fläche gelegen sind, d. h. an der Außenseite des Läufers, so daß also der Fluß nach außen gelenkt wird. Der einzelne Magnet kann beispielsweise eine Hufeisenform haben, wobei die Krümmung bzw. der Krümmungsabschnitt zuinnerst gelegen ist, und die Schenkel des Hufeisenmagnets nach außen zu gerichtet verlaufen. Es ist jedoch nicht wesentlich, daß der Magnet äußerlich die Form eines Hufeisenmagneten hat, da auch die Möglichkeit besteht, daß dieser die Form eines einfachen Rechteckes oder Segmentblocks aufweist, wobei jedoch die Magnetisierung des Magnets so vorgenommen ist, daß die Hai.'ptzonen des Austritts des Flusses an umfangsmäßig einen Abstand aufweisenden Stellen an seiner äußeren Fläche gelegen sind, also dann nicht mehr an zwei umfangsmäßig einen Abstand aufweisenden Enden.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, anstatt die Magnete so auszurichten, daß deren Pole am Umfang des Läufers gelegen sind, die Magnete mit Magnetschuhen auszustatten, die zumindest teilweise magnetisch von den Polschuhen isoliert sind, und in weichen die Magnete die genannten örtlichen Pole am Umfang des Läufers induzieren. Es kann beispielsweise ein Magnet in jeder Nut so angeordnet sein, daß seine magnetische Achse tangential zum Läufer verläuft, und sich dabei ein magnetischer Schuh nahe jedem Pol befindet, der sich radial zum Läufer erstreckt Die magnetischen Schuhe können vom Läufer getrennt ausgebildet sein oder können aus Abschnitten des Läufers an den Seiten der Nuten geformt sein, welche Abschnitte teilweise magnetisch von dem Übrigen des Läufers durch die in diesem ausgebildeten Nuten isoliert sind. Eine magnetische Isolation der Schuhe und des Läufers vermindert die Querdurchflutungspermeanz des Läufers, was zu einer besseren Ausführungsform des Läufers beiträgt.

In bevorzugter Weise weist der Läufer einen Doppelkäfig auf, wie er an sich bekannt ist, um das Anlaßdrehmoment durch eine induktionsmotorwirkung vorzusehen.

Der Läufer kann in bevorzugter Weise aus einem sich in axialer Richtung erstreckenden Blechpaket bestehen, dessen Ebenen senkrecht zur Drehachse verlaufen. Diese Konstruktion bietet in der Praxis bedeutende Vorteile, da durch sie eine mechanische Festigkeit sichergestellt wird, ohne daß man sich dabei auf den Doppelkäfig verlassen braucht, daß dieser das Eisen des Läufers zusammenhält, und auch die Möglichkeit besteht, Eisen mit hoher Qualität zu verwenden, welches man bereits in Blechform erhalten kann. Der Doppelkäfig oder Kurzschlußkäfig kann durch Eingießen einer Legierung, beispielsweise einer Aluminiumlegierung, in die Nuten vorgesehen werden, die zur Aufnahme von Stäben am Umfang der Segmente vorgesehen sind, wobei sich auch gleichzeitig Kurzschlußendringe formen lassen. Gemäß einer anderen Möglichkeit können die Stäbe auch aus Kupfer oder aus einem anderen leitenden Material bestehen, die dann in die Nuten eingeschoben werden und durch die Endringe verbunden werden.

Die Dauermagnete sind aus einem Material hergestellt, welches eine hohe Koerzitivkraft aufweist und aus einer keramischen oder Metallmischung bestehen kann, oder aus einer Mischung aus Ferritpuder, weicher durch Gummi oder Harz gebunden ist Die Magnete werden normalerweise vor ihrer Anordnung magnetisiert, es ist jedoch möglich, eine Läuferwicklung zu verwenden, um die Magnete zu magnetisieren oder um den Magnetisierungswert in ihnen einzustellen.

Ein mit einem Läufer des beschriebenen Typs ausgestatteter Motor arbeitet nicht nur als Synchronmotor während des stetigen Laufs, sondern arbeitet ebenso als Induktionsmotor beim Anlassen und bei Geschwindigkeitsübergangszuständen. Experimentelle Versuche bei einer Prototypmaschine haben gezeigt, daß eine derartige Ausführungsform einem Motor mit irgendeinem vergleichbaren Läufer überlegen ist

Besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielcn und unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht teilweise ^:.;i Schnitt und zwar in Richtung der Achse einer Ausiu'trungsform des Läufers, die zwei Magnete in jedem Schlitz aufweist;

Fig.2 eine Darstellung ähnlich derjenigen von Fig. 1, jedoch einer abgewandelten Ausführungsform des LS-!.fers;

F i g. 3, 4 und 5 ähnliche Darstellungen, jedoch von anderen Ausführungsformen des Läufers, wobei ein Magnet in jedem Schlitz angeordnet ist; und

F i g. 6 und 7 Querschnittsdarstellungen noch weiterer Ausführungsformen eines Läufers, die magnetische Schuhe nahe den Seiten jedes Schlitzes aufweisen.

Der in F i g. 1 veranschaulichte Läufer weist ein Büdpaket 1 mit vier Schenkelpolen 4 auf.

In den Polzwischenräumen 3 sind jeweils Paare von Dauermagneten 5 angeordnet. In diesem Fall hat jeder Magnet einen rechteckigen Querschnitt, so daß er billig und einfach hergestellt werden kann. leder Magnet ist in der angezeigten Weise magnetisiert so daß die magnetische Achse, nahezu radial verläuft Die Magnete sind mit ihren magnetischen Achsen so angeordnet daß sich von Pol zu Pol eine entgegengesetzt gerichtete Polarität ergibt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Magnete durch einen Oberzug aus einem Klebemittel in Lage gehalten, welches auf der Seite nahe dem Polteil und bei den Kupferkeilen 6 aufgetragen ist. Diese Keile sind mit den Kupferringen 7 durch Hartlöten, Löten oder auf andere Weise verbunden, wobei diese Endringe 7 zusammen mit Kupferstäben 8 einen Kurzschlußkäfig bilden. Die Keüe 6 bilden einen Teil des Kurzschlußkäfigs und dienen auch dazu, die Magnete in Lage zu halten. Zwischen jedem Keil und dem zugeordneten Mag im sind dünne Asbestblätter 9 vorgesehen, die auf beiden Seiten aufgeklebt sind. Zusätzlich zur Funktion die Magnete festzuhalten, dienen die Asbesiblätter auch dazu, die Magnete gegen eine übermäßige Erwärmung zu schützen, die in dem Kupfer, beispielsweise während eines Hartlötvorgangs an der Anordnung, entstehen kann.

In diesem Fall sind zwei Magnete in jedem Polzwischenraum angeordnet. Sie liegen am Joch 1 gut an, um einen magnetischen Rückführpfad vorzusehen. Die außen gelegenen Enden lenken den Fluß vorwiegend in radialer Richtung nach außen über den Spalt zwischen dem Läufer und dem diesen umgebenden Stator (nicht gezeigt).

F i g. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung. Auch hier sind die Dauermagnete einfach geformt Sie werden jedoch durch einen Matrizenguß-Aluminiumlegierungskäfig 6' gehalten, mit welchem Käfig auch die Kurzschlußläuferstäbe 8 und die Endringe 7 gleichzeitig hergestellt werden. Die Form des Blechpaketes ist die gleiche wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1. Eine dünne Schicht aus einem Klebemittel auf den Seiten der Magnete dient dazu, diese an den Seiten der Polteile während des Gießprozesses zu befestigen. Dünne Asbestschichten 9' verhindern, daß die Hitze der geschmolzenen Legierung das magnetische Material zerstört. Ein. kleiner Abschnitt des Materials 10, welches aus Harz oder einem gebundenen Material bestehen kann, dient dazu, die Magnetflächen zu schützen, und die Läuferfläche glatt zu gestalten. Dieses Material kann magnetisch sein und kann z. B. aus einem gummigebundenen magnetischen

k.f_* :_l ι . _i

ITIdICl IdI LfCStCtICII.

Wenn erforderlich, können Kühlrippen an den Endringen ausgebildet werden.

In F i g. 3 ist das Blechpaket 1 und die Welle 2 genau wie bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ausgebildet Die Polzwischenräume 3' weisen jedoch eine andere Form auf, um einen einzelnen Dauermagneten 5' aufzunehmen. Die Magnete sind hierbei einstückig ausgebildet und weisen grundsätzlich die Form eines Hufeisens auf. Sie sind magnetisch so polarisiert wie dies gezeigt ist, so daß die Pole an den Enden der zwei Schenkel des Magnets den magnetischen Fluß vorwiegend nach außen zum Stator hin (nicht gezeigt) lenken. Der magnetische Fluß hat nun einen Weg durch den Magnetkörper selbst, was bedeutet daß ein guter Sitz am inneren Ende des Magneten nicht erforderlich ist.

In diesem Ausführungsbeispiel weist der Läufer einen Kurzschlußkäfig aus Kupfer auf. Die Käfigstäbe 8 sind mit den Endringen 7 verbunden, und die Kupferkeile 6 halten die Magnete in der Lage wie bei Fig. 1. Dünne Asbestblätter 9 sind zwischen den Keilen und den Magneten angeordnet, um die Magnete gegen eine übermäßige Hitze zu schützen, die während des Zusammenbaus erzeugt werden kann.

F i g. 4 veranschaulicht eine abgewandelte Konstruktion unter Verwendung der gleichen Magnete. Das Läuferblechpaket 1 und die Welle 2 sind wie in Fi g. 3 ausgebildet Der Käfig ist jedoch hier wie bei Fig. 2 durch Matrizenguß hergestellt. Klebeschichten 11 halten die Magnete 5' während des Matrizengußprozesses in Lage. Dünne Asbestblätter 9" schützen die Magnete gegen Hitze, die bei diesem Prozeß entsteht. Der Legieningsguß füllt die Polzwischenräume aus. so daß die Magnete gehalten werden und formt ebenso die Käfigstäbe 8' und die Endringe T. Auch hier können Kühlrippen ausgebildet werden, wenn dies erforderlich ist

Bei der Verwendung von einstückigen Magneten in jedem Polzwischenraum können zusätzliche Flußbarrieren vorgesehen werden, um die Ausführung des Läufers zu verbessern, wie dies in F i g. 5 veranschaulicht ist Die Läuferlamellierungen 1 und die Welle 2 sind wie zuvor ausgebildet Die Schlitze oder Nuten 3" sind so gestaltet daß sie Dauermagnete 5" aufnehmen können, die in der gezeigten Weise polarisiert sind. Die Magnete weisen keine Berührung mit dem Eisen des Läufers auf, da Flußsperren 12 vorgesehen sind Diese dienen dazu, die Querdurchfiutungspermanenz zu reduzieren, und tragen zur Verbesserung der Ausführung bei. Der gezeigte Läufer weist einen angefertigten Kupferkäfig auf, wobei die Käfigstäbe 8" mit Endringen (nicht dargestellt) verbunden sind. Die Magnete werden durch Klebemittel gehalten, welches in den Flußbarrieren enthalten ist, die aus Epoxydharz bestehen. Wenn es gewünscht wird, können Kupferstäbe (nicht gezeigt) in einem zentral gelegenen Schlitz 13 in den Magneten angeordnet und mit den Endringen (nicht gezeigt) verbunden werden.

Fig.6 veranschaulicht einen Läufer, bei dem tangential magnetisierte Magnete 5'" mit einem Paar von Polschuhen 13 verwendet sind.

Jeder Magnet 5'" weist einen rechteckigen Querschnitt auf, so daß er einfach hergestellt werden kann, wobei die Polschuhe 13 so geformt sind, daß sie in einer guten Anpassung an die Enden des Magneten und zu benachbarten Seiten dem Polzwischenraum 3'" anliegen. Die Polschuhe sind auch mit Schulterabschnitten ausgestattet, durch die der Magnet in dem Schlitz gcfiaiicri "ire, uric Gsrjccr rünaüs :;t eic ganze Anordnung aus Magnet und Polschuh mit Hilfe einet Klebeschicht 12'" befestigt. Diese Schicht 12'" dieni auch dazu, den Magneten und den Magnetschuh irr Abstand von den Seiten des Schlitzes zu halten, um al; Flußbarriere zu wirken, die den magnetischen Fluß ir

r, radialer Richtung lenkt und dadurch die Querdurchflu tungspermeanz reduziert und die Konstruktion verbes sert.

Fig ■·" veranschaulicht eine weitere Ausführungsforrr eines Läufers mit einem Paar von Polschuhen 13, wöbe

jo jedoch bei dieser Anordnung die Polschuhe durch Abschnitte des "ichichtmäßig aufgebauten Läuferkör pers 1 gebildet sind. Radial verlaufende Schlitze 15 unc kurze tangential verlaufende Schlitze 16 in der Lamellierungen bilden die Grenzen der Polschuhe 13

J5 Diese Schlitze 15, 16 wirken als Flußsperren, die magnetisch die Polschuhabschnitte 13 gegenüber derr übrigen Läuferkörper isolieren und den magnetischer Fluß in radialer Richtung führen, wodurch die Querdurchflutungspermeanz reduziert wird, und dk

jo Konstruktion in der gleichen Weise verbessert wird, wie dies durch die Schicht 12'" bei dem Läufer gemäß F i g. f der Fall ist.

Die Schlitze 15 und 16 werden in bevorzugter Weis; gleichzeitig mit den Umfangsschlitzen hergestellt, weld letztere die Leiter 8'" des Kurzschlußkäfigs aufnehmen Es wird dann Aluminium in diese Schlitze gegossen. Dei Kurzschlußkäfig wird in bevorzugter Weise ebenfall: durch einen Aluminiumguß bzw. durch Eingießen vor Aluminium in die öffnungen 8'" hergestellt, wobei die:

V) gleichzeitig mit dem Eingießen von Aluminium in di( Schlitze 15 und 16 durchgeführt wird. Auf diese /eis« läßt sich die Konstruktion des Läufers einfach gestalten.

Jeder Magnet weist eine einfache Form auf. um

besitzt einen rechteckigen Querschnitt, und seini tangentail verlaufenden Seiten sind gut an die Seiten de Nut angepaßt. Die Magnete werden dadurch festgehal ten, daß beispielsweise Aluminium 6'" in die äußere! Abschnitte der Nut gießt Eine Asbestschicht oder eini Schicht aus einem anderen Wärmeisoliermaterial 9'" is

μ an der äußeren Fläche jedes Magneten vorgesehen, un diesen gegen eine übermäßige Erhitzung während de Gießvorganges zu schützen, weiter ist eine Schicht au nicht magnetischem Packmaterial 12'" zwischen de inneren Fläche des Magneten und der Basis der Nu angeordnet um die zwei im Abstand zueinander zi halten und um dadurch eine FiuBbarriere vorzuseher Das Packmaterial kann aus Epoxydharz besteher welches auch dazu dient den Magnet während de

GieBvorganges in seiner Lage zu halten.

Anstelle der vierpoligen Konstruktion gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der Läufer natürlich auch mit einer anderen Polzahl ausgestattet werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche;

1. Dauermagneterregter Schenkelpolläufer einer Synchronmaschine, bei der in den Bereichen zwischen den Polschenkeln Dauermagnete derart angeordnet sind, daß' Polschenkel abwechselnder Polarität gebildet v/erden und ein zumindest teilweise radial verlaufendes Magnetfeld im Bereich der Polschenkel erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur die radialen Seitenbe- Ό reiche jedes Polschenkels (4) durch die Dauermagnete magnetisiert sind und die Mittelbereiche der Polschenkel (4) materialeinheitlich verbunden einen Flußpfad für das Ständerfeld bilden.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- '⁵ net, daß zwischen den Schenkelpolen (3) zwei stabförmige Magnete (S) angeordnet sind.

3. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete zwischen den Schenkelpolen im wesentlichen V-Form (S') oder U-Form (5") aufwehen.

4. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schenkelpolen (3") jeweils ein Dauermagnet (5'") vorgesehen ist, dessen magnetische Achse tangential zur Läuferachse verläuft, und daß Polschuhe (13), jeweils einer nahe jedem Pol des Dauermagneten (5'") an den Seiten der Schenkelpole vorgesehen sind, wobei beide Polschuhe von den Polschenkeln (4) weitgehend magnetisch isoliert sind.

5. Läufer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (13) und die Dauermagnete (5", 5'") durch ein Klebemittel (:I2, 12'") gehalten sind, das außerdem die Polschuhe (13) im Abstand von den 3chenkelpolen (4) hält und dadurch diese Polschuhe wei. gehend magnetisch gegen den Läuferkörper isoliert

6. Läufer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (13) durch Abschnitte (15) im Läuferkörper (1) an den Seiten der Schenkelpole (4) geformt sind, und daß diese Polschuhe von dem verbleibenden Ausschnitt des Läuferkörpers durch öffnungen (16) in diesem Läuferkörper teilweise isoliert sind.

7. Läufer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen, welche jeden Polschuh (13) formen, aus einem radial verlaufenden Schlitz (15) und einem kurzen tangential verlaufenden Schlitz (16) bestehen.

8. Läufer nach einem der vorangegangenen so Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer einen Kurzschlußkäfig (8) aufweist.