DE2252922C3 - Dauermagneterregter Schenkelpolläufer einer Synchronmaschine - Google Patents

Description

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

Aus der US-PS 20 60 259 ist bereits ein dauerma* f neterregter Schenkelpolläufer für eine Synchronmaschine bekannt, bei dem die Dauermagnete aus bogenförmigen Stabmaghelen bestehen, die in Form eines Kreises zwischen Endpiatten 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 15 27 594 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 31 26 493 ist ein Synchronmotor bekannt, dessen Konstruktion dadurch verbessert werden soll, daß Magnete in dem Läuferkörper vorgesehen werden, weiche die Querdurchfiutung reduzieren. Die Reduzierung der Querdurchfiutung 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 sind 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 NuL 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 dauermagneterregten Schenkelpolläufers einer Synchronmaschine der eingangs definierten Art zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichnungsieil 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 nach 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 Reluktan? 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

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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 »ach 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 Hauptzonen 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 welchen 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 Isolat.on 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.

Dc Läufer kann in bevorzugter Weise aus einem sich in axialer Richtung erstreckenden Blechpaket bestehen, dessen Ebenen senkrecht zur Drehachse verlaufen. Diese Konstruktion bieget 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 yfrtd aus einem Material hergestellt, welches eine höhe 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 Ausführungsbeispielen und unter Hinweis auf die Zeichnunger, näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, und zwar in Richtung der Achse einer Ausführungsform des Läufers, die zwei Magnete in jedem Schlitz aufweist;

Fig.? eine Darstellung ähnlich derjenigen von Fig. 1, jedoch einer abgewandelten Ausführungsform des Läufers;

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

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

Der in Fig. I veranschaulichte Läufer weist ein Bildpaket 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, jeder Magnet ist in der angezeigten Weise magnetisiert, so daß die mi ^netische Achse, nahezu radial verläuft. Die Magnete sind mit ihren magnetischen Achsen so angeordnet, daß sich von Pol zu Pol eine entgegengesetz* gerichtete Polarität ergibt

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Magnete durch einen Überzug 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 Keile 6 bilden einen Teil des Kurzschlußkdfigs und dienen auch dazu, die Magnete in Lage zu halten. Zwischen jedem Keil und dem zugeordneten Magnet sind dünne Asbestblätter 9 vorgerehen, die auf beiden Seiten aufgeklebt sind. Zusätzlich zur Funktion die Magnete festzuhalten, dienen die Asbestblätter auch dazu, die Magnete gegen eine übermäßige Erwärmung zu schützen, die ii dem Kupfer, beispielsweise während eines Har'lötvorgangs an der Anordnung, entstehen kann.

In diesem Fall sind zwei Magfre'ie in jedem Polzwischeiiraüm angeordnet. Sie liegen am Joch 1 gut an, um einen magnetischen Rückführpfad vorzusehen. Die außen gelegenen Enden lenken den Fluß vorwie» gend 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 Fi g, 1. Eine dünne Schicht aus einem Riebemittel 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 Material bestehen.

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 Ausfühnngsbeispiel 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 augciH UUCt, um uic iTiagiix.il. 5<»£<-ii *»i,,w 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 Fig. 3 ausgebildet Der Käfig ist jedoch hier wie bei F i g. 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 Legierungsguß 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 Querdurchflutungspermanenz zu reduzieren, und tragen zur Verbesserung der Aasführung bei. Der gezeigte Läufer weist einen angefertigten Küpferkäfig aufj wobei die Käfigstäbe 8" mit Endringen (nicht dargestellt) verbünden sind« Die Magnete werden durch Klebemittel gehalten, welches in den Flußbarrieren enthalten ist, die aus Epoxydharz bestehen. Wenn es gewünscht wird, können Kupfefstäbe (nicht gezeigt) in einem zentral

gelegenen Schlitz 13 in den Magneten angeordnet und

mit den Endringen (nicht gezeigt) verbunden werden.

F ig, 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 gehalten wird, und darüber hinaus ist die ganze Anordnung aus Magnet und Polschuh mit Hilfe einer Klebeschicht 12'" befestigt Diese Schicht 12'" dient auch dazu, den Magneten und den Magnetschuh im Abstand von den Seiten des Schlitzes zu halten, um als Flußbarriere zu wirken, die den magnetischen Fluß in radialer Richtung lenkt und dadurch die Querdurchflutungspermeanz reduziert und die Konstruktion verbessert.

F i g. 7 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Läufers mit einem Paar von Polschuhen 13, wobei jedoch bei dieser Anordnung die Polschuhe durch Abschnitte des schichtmäßig aufgebauten Läuferkörpers 1 gebildet sind. Radial verlaufende Schlitze 15 und kurze tangential verlaufende Schlitze 16 in den Lamellierungen bilden die Grenzen der Polschuhe 13.

Diese Schlitze 15, 16 wirken als Flußsperren, die magnetisch die Polschuhabschnitte 13 gegenüber dem übrigen Läuferkörper isolieren und den magnetischen Fluß in radialer Richtung führen, wodurch die Querdurchflutungspermeanz reduziert wird, und die Konstruktion in der gleichen Weise verbessert wird, wie dies durch die Schicht 12'" bei de™ Lä-fcr -~~2ⁿ F i *· ^c der Fall ist

Die Schlitze 15 und 16 werden in bevorzugter Weise gleichzeitig mit den Umfangsschlitzen hergestellt, welch letztere die Leiter 8"' des Kurzschlußkäfigs aufnehmen. Es wird dann Aluminium in diese Schlitze gegossen. Der Kurzschlußkäfig wird in bevorzugter Weise ebenfalls durch einen Aluminiumguß bzw. durch Eingießen von Aluminium in die Öffnungen 8'" hergestellt wobei dies

so gleichzeitig mit dem Eingießen von Aluminium in die Schlitze 15 und 16 durchgeführt wird. Auf diese Weise läßt sich die Konstruktion des Läufers einfach gestalten.

Jeder Magnet weist eine einfache Form auf, und

besitzt einen rechteckigen Querschnitt und seine tangentail verlaufenden Seiten sind gut an die Seiten der Nut angepaßt Die Magnete werden dadurch festgehalten, daß beispielsweise Aluminium 6"' in die äußeren Abschnitte der Nut gießt Eine Asbestschicht oder eine Schicht aus einem anderen Wärmeisoliermaterial 9"' ist an der äußeren Fläche jedes Magneten vorgesehen, um diesen gegen eine übermäßige Erhitzung während des Gießvorganges zu schützen, weiter ist eine Schicht aus nicht magnetischem Packmaterial 12'" zwischen der inneren Fläche des Magneten und der Basis der Nut angeordnet, um die zwei im Abstand zueinander zu halten und um dadurch eine Flußbarriere vorzusehen. Das Packmaterial kann aus Epoxydharz bestehen, welches auch dazu dient den Magnet während des

Gießvorganges in seiner Lage zu haltern

Anstelle der vierpoligen Konstruktion gemäß dem beschriebenen Ausführuiigsbeispiel kann der Läufer natürlich auch mit einer anderen Polzähl 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 werden und ein zumindest teilweise radial verlaufendes Magnetfeld im Bereich der Polschenkel erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur die radialen Seitenbereiche 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 gekennzeichnet, daß zwischen den Schenkelpolen (3) zwei stabförmige Magnete (5) angeordnet sind.

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

4. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zw ischen den Schenkelpolen (3") jeweils ein Dauermagnet (5'") vorgesehen ist, dessen magnetische Achse tangential zur Läuferachse verläuft, und daß Polschuhe (13), jeweils ei;.er 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. Läuft, nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die P-'-'.schuhe (13) und die Dauermagnete (5", 5"') durch ein Klebemittel (12, 12'") gehalten sind, das au3erd'-Ti die Polschuhe (13) im Abstand von den Schenkelpolen (4) hält und dadurch diese Polschuhe weitgehend 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.