DE3429813A1

DE3429813A1 - Permanent-synchronmotor mit asynchronem anlauf

Info

Publication number: DE3429813A1
Application number: DE19843429813
Authority: DE
Inventors: Karl Bülach Zolliker
Original assignee: Landert Motoren AG
Current assignee: Landert Motoren AG
Priority date: 1984-08-14
Filing date: 1984-08-14
Publication date: 1986-02-27
Also published as: DE3429813C2; CH672701A5

Description

Permanent-Synchronmotor mit asynchronem Anlauf
Die Erfindung betrifft einen Synchronmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger Synchronmotor ist beispielsweise mit dem Gegenstand der FR-PS 7 517 511 oder der Ausführung "SIEMOSYN" der Firma Siemens bekannt geworden.
Bei letzterem Synchronmotor handelt es sich um einen Außenläufer, wobei in den Nuten des Rotors stabförmige Permanentmagnete angeordnet sind. Die Lenkachse dieser Permanentmagneten ist senkrecht zur Längsachse der Rotorwelle und tangential zum Umfang der Rotorwelle gerichtet.
Im Querschnitt durch den Rotor liegen also die Permanentmagneten etwa auf einer gleichen Radiuslinie um die Rotorwelle herum. Damit ist jedoch der Nachteil verbunden, daß ein solcher Außenläufermotor nur relativ geringe Drehzahlen bewältigt, nachdem bei höheren Drehzahlen die Zentrifugalkräfte auf die Permanentmagneten so groß werden, daß der Rotor den entstehenden mechanischen Belastungen nicht mehr standhält. Dadurch, daß die Käfigstäbe des Kurzschlußkäfigs nicht gleichmässig am Umfang des Rotors angeordnet sind, ergibt sich ein ungünstiger asynchroner Anlauf.
Die Erfindung hat die Aufgabe einen Synchronmotor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß er für wesentlich höhere Drehzahlen geeignet ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten für die Aufnahme der stabförmigen Permanentmagnete radial auswärts der Käfigstäbe des Kurzschlußkäfigs im Rotorblechpaket angeordnet sind und mit ihrer Längsachse parallel zur Längsachse der Rotorwelle verlaufen.
Merkmal der Erfindung ist also, daß die Permanentmagnete mit rechteckigem Querschnitt in gleichmässig am Umfang angeordnete,tangential zum Umfang verlaufende, Nuten nahe dem Außendurchmesser des Rotorblechpaketes angebracht werden. Unmittelbar innerhalb der Speichen werden Nuten für die Käfigstäbe des Kurzschlußkäfigs gestanzt.
In diese Nuten wird ein herkömmlicher Kurzschluß käfig eingebaut, der entsprechenden den Anlaufforderungen dimensioniert ist.
Der sich dadurch am Außenumfang des Rotors ausbildende, durchgehende und den Rotor vollständig umschließende' Ring fängt die in den Nuten auftretenden und radial nach außen wirkenden Zentrifugalkräfte der Permanentmagnete in idealer Weise auf und leitet diese Kräfte über die Speichen (das ist der Zwischenraum zwischen den Käfigstäben in der jeweiligen Rotorlamelle) auf die Rotorwelle ein.
Der Ring und die Speichen werden in Bezug auf gute Materialausnutzung und auf gute magnetische und mechanische Anforderungen dimensioniert.
Vorteilhaft werden die Permanentmagnete in den Nuten in Zwei-Komponenten-Harz eingebettet, so daß sich hierdurch ein homogener, kräftesymmetrischer Rotorkörper bildet, der in der Lage ist, außerordentlich hohe Zentrifugalkräfte aufzunehmen.
Die zulässige Drehzahl des erfindungsgemässen Synchronmotors ist daher gegenüber bekannten Synchronmotoren wesentlich steigerbar.
Durch Wahl verschieden dicker Permanentmagnete oder durch Weglassen derartiger Permanentmagnete in bestimmten Nuten im Rotorblechpaket kann eine Sinus-Feldverteilung angenähert werden. Diese Bauart erlaubt Verwendung von einfachen Stanzwerkzeugen im Einzelnut-Verfahren.
Als Material für die Permanentmagnete wird eine Seltene Erde-Kobalt-Sinterverbindung (SECO) bevorzugt, weil derartige Magnete in der stabförmigen Bauart günstiger sind als Keramik-Magnete, da sie einen relativ kleinen Abstand Luftspalt-Käfig benötigen. Das asynchrone Anlaufmoment ist dadurch besser.
Um einen genügenden Magnetfluß bzw. Induktion B im Luftspalt zu erhalten, muß die Magnetfläche möglichst der Polfläche entsprechen. Die Dicke der Permanentmagnete richtet sich nach der benötigten Feldstärke H.
Für optimale Verhältnisse muß noch der Formfaktor berücksichtigt werden.
Evtl. ist für die günstigste Lösung nicht der ganze Polbogen zu belegen.
Die Käfigstäbe des Kurzschlußkäfigs können auch in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zwischen dem Permanentmagneten auf gleichem Teilkreis angeordnet werden, was allerdings auf Kosten der Magnete bzw. des erreichbaren Flusses geht. Zusätzlich ergeben sich Probleme beim Verlöten der Käfigstäbe zu einem geschlossenen Kurzschlußkäfig und darüber hinaus ist der Einbau der Permanentmagnete schwieriger. Obwohl diese Lösung also nicht optimal ist, soll sie vom vorliegenden Erfindungsgedanken umfasst sein.
Die genaue Form der Käfigstäbe , welche radial einwärts hinter den Permanentmagneten angeordnet sind und deren Lage (entweder auf Lücke mit den Permanentmagneten oder auf einem gleichen Radiusstrahl) ist nur bezogen auf die zulässige Induktion im verbleibenden Eisenquerschnitt von Bedeutung.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, statt der Einbettung der Permanentmagneten in Gießharz im Bereich der Nuten im Rotorblechpaket diese mit Alu zu vergießen.
Die Permanentmagnete müssten dann nach diesem Arbeitsgang am fertigen Rotor magnetisiert werden.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beanspruchtsoweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen: Figur 1: schematisiert gezeichnete Ansicht eines Rotors nach der Erfindung, Figur 2: Teildraufsicht auf eine Rotorlamelle nach der Erfindung, Figur 3: teilweiser Längsschnitt durch einen Rotor nach der Erfindung mit Darstellung des Eingießens der Permanentmagnete Figur 4: Diagramm Drehmoment-Drehzahl beim Hochlauf eines Synchronmotors nach der Erfindung, Figur 5: schematisiert gezeichnete Darstellung der Induktion im Luftspalt , gemessen über den Drehwinkel bei in die Ebene abgewickeltem Rotor, Figur 6: gleiche Darstellung wie Figur 5 mit veränderter Rotorbes tückung, Figur 7: gleiche Darstellung wie Figur 5 und Figur 6 mit nochmals geänderter Rotorbestückung.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Rotor 1 ist das Rotorblechpaket 26 , welches aus einzelnen Rotorlamellen 27 (Figur 2) besteht, drehfest mit der Rotorwelle 2 verbunden. Im Rotorblechpaket 26 sind Nuten 28 (Figur 2) für den Einsatz von Käfigstäben 3 eines Kurzschlußkäfigs 4 angeordnet.
Radial auswärts der Nuten 28 für den Einsatz der Käfigstäbe 3 sind die Nuten 6 für das Einschieben im Querschnitt rechteckförmiger Permanentmagnete 8 vorgesehen.
Die Längsachsen 29 der Nuten 6 verlaufen parallel zur Längsachse der Rotorwelle 2 und haben einen gegenseitigen, zirkularen Abstand 31.
Der besseren übersichtlichkeit halber ist in Figur 1 eine Nut 6 aufgeschnitten dargestellt, so daß sichtbar ist, daß mehrere gleichartige Permanentmagnete 8 hintereinanderliegend in die jeweilige Nut 6 eingeschoben sind.
Die Nuten sind von der Stirnseite 5 des Rotors 1 her in das Rotorblechpaket 26 eingebracht und in Richtung zum äußeren Mantel 7 geschlossen, so daß dieser Mantel 7 durch einen umlaufenden, insich geschlossenen, Ring 30 gebildet wird, welcher die von den Permanentmagneten 8 radial auswärts weisende Zentrifugalkraft aufnimmt und über die einzelnen Rotorlamellen 27 des Rotorblechpaketes 26 auf die Rotorwelle 2 überträgt.
Figur 3 zeigt die Einbettung der Permanentmagnete 8 in den zugeordneten Nuten 6 des Rotorblechpaketes 26.
Hierbei wird bei aufrecht stehendem Rotor 1 an der unteren Stirnseite ein Formstück 10 mit einem innenliegenden Dichtungsring 12 befestigt, der verhindert, daß das oben in die Nut 6 eingegossene Gießharz 11 unten herausläuft.
Das obere Formstück 9 umschließt die obere Stirnseite 5 des Rotorblechpaketes 26, so daß das Gießharz 11 aus einem geeigneten Behälter leicht in die nach oben offene Nut 6 eingegossen werden kann, in der bereits schon hintereinander liegend mehrere gleichartige Permanentmagnete 8 angeordnet sind.
Um einen genügenden Durchfluß des Kunstharzes in der Nut 6 um die Permanentmagnete 8 herum zu erreichen, wird dieses vorteilhaft auf etwa 1200 C erwärmt und dann erst eingegossen.
Nach der Erwärmung härtet es aus, so daß sich ein Rotor hoher mechanischer Festigkeit ergibt, der auch in der Lage ist, hohe Zentrifugalkräfte aufzunehmen. Die Permanentmagnete 8 weisen hierbei ein Spiel von vorteilhaft ca. 0,1 mm in der Nut 6 auf, um ein Vorbeifließen des Kunstharzes zu gewährleisten.
In der Figur 4 ist der prinzipielle Hochlauf eines Synchronmotors nach der Erfindung mit Kurzschlußkäfig und Permanentmagnet-Erregung gezeigt.
Vom Stillstand in Position 13 ausgehend besteht ein Pendelmoment, wie bei Position 14 über dem mittleren Hochlaufmoment angedeutet.
Bei Position 17 ist der Punkt erreicht, ab welchem Synchronisierung erfolgt; dieser Punkt hängt vom Lastdrehmoment und von der Schwungmasse ab. Im Bereich der vertikalen Geraden 18 ist das synchrone Drehmoment mit der Drehzahl ns erreicht.
Die Figur 5 zeigt den einfachsten Fall einer Feldverteilung, nämlich den einer rechteckigen Feldverteilung 20, die dadurch erreicht wird, daß in der Abwicklung die Magnetanordnung 23 so getroffen ist, daß auf eine Reihe gleich starker Permanentmagnete , wie z.B. oben liegender Nord-Polung, eine gleiche Reihe gleich starker Permanentmagnete mit oben liegender Süd-Polung folgt.
Die im Idealfall gewünschte sinusförmige Kurve 19 wird hierdurch nur ungenügend angenähert.
Eine bessere Annäherung einer sinusförmigen Kurve 19 zeigt das Ausführungsbeispiel nach Figur 6, wo an bestimmten Stellen Nuten 6 leer bleiben, d.h. nicht mit Permanentmagneten 8 besetzt sind. In der schematisiert gezeichneten Magnetanordnung 24 ist an dieser Stelle eine 0 eingetragen.
Die sich daraus ergebende rechteckförmige Feldverteilung 21 zeichnet sich dadurch aus, daß im Bereich der 0-Durchgänge der sinusförmigen Kurve 19 die magnetische Induktion B im Bereich der Lücke 22 gleich 0 ist. Die rechteckförmige Feldverteilung 21 wird also über den Drehwinkel gesehen schmäler.
Die Figur 7 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine noch bessere Annäherung der Feldverteilung 32 an die sinusförmige Kurve 19. Die Magnetanordnung 25 ist so getroffen, daß im Bereich des Null-Durchgangs der Kurve 19 Permanentmagnete 8a halber Dicke in die zugeordnete Nut 6 eingebaut ist, was im Schaubild mit dem Symbol N-2 und S-2 schematisiert dargestellt ist.
Die Magnetanordnung 25 nach Figur 7 kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch mit der Magnetanordnung 24 nach Figur 6 kombiniert werden.
ZEICHNUNGS-LEGENDE 1 Rotor 2 Rotorwelle 3 Käfigstab 4 Kurzschlußkäfig 5 Stirnseite 6 Nut 7 Mantel 8 Permanentmagnet 8a 9 Formstück 10 Formstück 11 Gießharz 12 Dichtungsring 13 Position 14 " 15 Linie 16 Linie 17 Position 18 Vertikale 19 Kurve (Sinus) 20 Feldverteilung (Fig. 5) 21 Feldverteilung (Fig. 6) 22 Lücke 23 Magnetanordnung (Fig. 5) 24 Magnetanordnung (Fig. 6) 25 Magnetanordnung (Fig. 7) 26 Rotorblechpaket 27 Rotorlamelle 28 Nut (Käfigstab 3) 29 Längsachse (Nut 6) 30 Ring 31 Abstand 32 Feldverteilung (Fig.7) - Leerseite -

Claims

Patentansprüche Synchronmotor mit permanenter Erregung bei dem in den Nuten (28) des Rotorblechpaketes (26) ein Kurzschlußkäfig (4) für den asynchronen Anlauf angeordnet ist und ferner Nuten (6) für die Ausnahme von stabförmigenPermanentmagneten (8), d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Nuten (6) für die Aufnahme der stabförmigen Permanentmagnete (8) radial auswärts der Käfigstäbe (3) des Kurzschlußkäfigs (4) im Rotorblechpaket (26) angeordnet sind, und mit ihrer Längsachse (29) parallel zur Längsachse der Rotorwelle (2) verlaufen.
2. Synchronmotor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Permanentmagnete (8) in den Nuten (6) des Rotorblechpaketes (26) in Kunststoff-Gießharz eingebettet sind.
3. Synchronmotor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Nuten (6) für die radial am Umfang verteilt angeordneten Permanentmagnete (8) jeweils einen zirkularen Abstand (31) aufweisen und daß auf Lücke zwischen den Nuten (6) darunter liegend jeweils ein Käfigstab (3) des Kurzschlußkäfigs (4) angeordnet ist.
4. Synchronmotor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Annäherung einer sinusförmigen Induktion (Kurve 19) im Luftspalt die magnetischen Pole durch leere Nuten (6) getrennt sind, (Fig. 6).
5. Synchronmotor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß zur Annäherung einer sinusförmigen Induktion (Kurve 19). im Luftspalt die magnetischen Pole durch in die leeren Nuten (6) eingeschobenen Blechstreifen getrennt sind.
6. Synchronmotor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Annäherung einer sinusförmigen Induktion (Kurve 19) im Luftspalt die magnetischen Pole durch unterschiedlich dicke Permanentmagnete (8,8a) getrennt sind, (Fig. 7).
7. Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 - 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Material der Permanentmaqnete (8,8a) eine Seltene Erd-Kobalt-Sinterverbindunq (SECO) ist.