DE3429813A1 - Permanent-magnet synchronous motor with asynchronous starting - Google Patents
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Abstract
Description
Permanent-Synchronmotor mit asynchronem Anlauf Permanent synchronous motor with asynchronous starting
Die Erfindung betrifft einen Synchronmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a synchronous motor according to the preamble of Claim 1.
Ein derartiger Synchronmotor ist beispielsweise mit dem Gegenstand der FR-PS 7 517 511 oder der Ausführung "SIEMOSYN" der Firma Siemens bekannt geworden.Such a synchronous motor is for example with the subject the FR-PS 7 517 511 or the "SIEMOSYN" version from Siemens became known.
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.The latter synchronous motor is an external rotor, rod-shaped permanent magnets are arranged in the grooves of the rotor. the The steering axis of these permanent magnets is perpendicular to the longitudinal axis of the rotor shaft and directed tangentially to the circumference of the rotor shaft.
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.The permanent magnets are roughly in the cross section through the rotor on an equal radius line around the rotor shaft. However, that is the disadvantage connected that such an external rotor motor can only handle relatively low speeds, after at higher speeds the centrifugal forces on the permanent magnets so become large that the rotor no longer the resulting mechanical loads withstands. Because the cage bars of the short-circuit cage are not evenly on the Are arranged circumference of the rotor, there is an unfavorable asynchronous start.
Die Erfindung hat die Aufgabe einen Synchronmotor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß er für wesentlich höhere Drehzahlen geeignet ist.The invention has the object of a synchronous motor of the type mentioned above Art to be trained in such a way that it is suitable for much higher speeds.
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.To solve the problem, the invention is characterized in that that the grooves for receiving the rod-shaped permanent magnets radially outwards the cage bars of the short-circuit cage are arranged in the rotor core and with their Longitudinal axis parallel to the Run longitudinal axis of the rotor shaft.
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.The feature of the invention is that the permanent magnets with rectangular Cross-section in evenly arranged on the circumference, tangential to the circumference, Grooves are made close to the outer diameter of the rotor core. Direct Grooves for the cage bars of the short-circuit cage are punched within the spokes.
In diese Nuten wird ein herkömmlicher Kurzschluß käfig eingebaut, der entsprechenden den Anlaufforderungen dimensioniert ist.A conventional short-circuit cage is installed in these grooves, is dimensioned according to the start-up requirements.
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.The continuous one that forms on the outer circumference of the rotor and the ring, which completely surrounds the rotor, catches those occurring in the grooves and centrifugal forces of the permanent magnets acting radially outwards in ideal Wise up and direct these forces through the spokes (that's the space between the cage bars in the respective rotor lamella) onto the rotor shaft.
Der Ring und die Speichen werden in Bezug auf gute Materialausnutzung und auf gute magnetische und mechanische Anforderungen dimensioniert.The ring and the spokes are made in terms of good material utilization and dimensioned for good magnetic and mechanical requirements.
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.The permanent magnets in the grooves in two-component resin are advantageous embedded, so that a homogeneous, force-symmetrical rotor body forms, which is able to absorb extremely high centrifugal forces.
Die zulässige Drehzahl des erfindungsgemässen Synchronmotors ist daher gegenüber bekannten Synchronmotoren wesentlich steigerbar.The permissible speed of the synchronous motor according to the invention is therefore can be increased significantly compared to known synchronous motors.
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.By choosing permanent magnets of different thicknesses or by omitting them Such permanent magnets in certain grooves in the rotor core can have a sinusoidal field distribution be approximated. This design allows the use of simple punching tools in the single groove process.
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.A rare earth cobalt sintered compound is used as the material for the permanent magnets (SECO) preferred because such magnets in the rod-shaped design are cheaper than ceramic magnets, as they require a relatively small gap between the air gap and the cage. As a result, the asynchronous starting torque is better.
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.To get a sufficient magnetic flux or induction B in the air gap, the magnetic surface must correspond as closely as possible to the pole surface. The thickness of the permanent magnets depends on the required field strength H.
Für optimale Verhältnisse muß noch der Formfaktor berücksichtigt werden.The form factor must also be taken into account for optimal conditions.
Evtl. ist für die günstigste Lösung nicht der ganze Polbogen zu belegen.It may not be necessary to cover the entire polar arc for the cheapest solution.
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.The cage bars of the short-circuit cage can also in one embodiment of the present invention between the permanent magnet on the same pitch circle be arranged, which, however, at the expense of the magnets and the achievable flux goes. In addition, there are problems when soldering the cage bars to form a closed one Short-circuit cage and, moreover, the installation of the permanent magnets is more difficult. Although this solution is not optimal, it should be understood by the present inventive concept be included.
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.The exact shape of the cage bars, which radially inward behind the Permanent magnets are arranged and their position (either on gap with the permanent magnets or on the same radius beam) is only related to the permissible induction important in the remaining iron cross-section.
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.In a further development of the present invention, it is provided instead of embedding the permanent magnets in cast resin in the area of the grooves in the rotor core to enclose them with aluminum.
Die Permanentmagnete müssten dann nach diesem Arbeitsgang am fertigen Rotor magnetisiert werden.The permanent magnets would then have to be finished after this operation Rotor are magnetized.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.The subject matter of the present invention does not result only from the subject matter of the individual claims, but also from the combination of the individual claims with one another.
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.All information and characteristics disclosed in the documents, in particular the spatial training shown in the drawings are considered essential to the invention as far as they are claimed individually or in combination compared to the prior art are new.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert.In the following, the invention will be described in terms of several ways in which it can be carried out Illustrative drawings explained in more detail.
Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.In this connection, further elements that are essential to the invention can be found in the drawings and their description Features and advantages of the invention.
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.They show: FIG. 1: a schematically drawn view of a rotor according to the invention, Figure 2: partial plan view of a rotor lamella according to the invention, FIG. 3: partial longitudinal section through a rotor according to the invention with illustration the casting of the permanent magnets Figure 4: Torque-speed diagram during run-up a synchronous motor according to the invention, Figure 5: schematically drawn representation the induction in the air gap, measured over the angle of rotation with the unwound in the plane Rotor, FIG. 6: the same representation as FIG. 5 with a different one Rotorbes tückung, Figure 7: the same representation as Figure 5 and Figure 6 with again changed rotor equipment.
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.In the rotor 1 shown in Figure 1, the rotor core 26, which consists of individual rotor lamellae 27 (Figure 2), non-rotatably with the rotor shaft 2 connected. In the laminated rotor core 26 there are grooves 28 (FIG. 2) for the use of cage bars 3 of a short-circuit cage 4 is arranged.
Radial auswärts der Nuten 28 für den Einsatz der Käfigstäbe 3 sind die Nuten 6 für das Einschieben im Querschnitt rechteckförmiger Permanentmagnete 8 vorgesehen.Radially outward of the grooves 28 for the use of the cage bars 3 are the grooves 6 for the insertion of permanent magnets with a rectangular cross section 8 provided.
Die Längsachsen 29 der Nuten 6 verlaufen parallel zur Längsachse der Rotorwelle 2 und haben einen gegenseitigen, zirkularen Abstand 31.The longitudinal axes 29 of the grooves 6 run parallel to the longitudinal axis of the Rotor shaft 2 and have a mutual, circular distance 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.For the sake of clarity, a groove 6 is cut open in FIG shown so that it can be seen that several permanent magnets 8 of the same type lie one behind the other are inserted into the respective groove 6.
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.The grooves are in the rotor core from the end face 5 of the rotor 1 26 introduced and closed in the direction of the outer jacket 7, so that this jacket 7 is formed by a circumferential, self-contained ring 30, which absorbs the centrifugal force pointing radially outward from the permanent magnets 8 and over the individual rotor lamellas 27 of the rotor core stack 26 onto the rotor shaft 2 transmits.
Figur 3 zeigt die Einbettung der Permanentmagnete 8 in den zugeordneten Nuten 6 des Rotorblechpaketes 26.Figure 3 shows the embedding of the permanent magnets 8 in the associated Grooves 6 of the laminated rotor core 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.Here, with the rotor 1 standing upright, at the lower end face a molded piece 10 with an internal sealing ring 12 attached, which prevents that the casting resin 11 poured into the groove 6 above runs out below.
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.The upper molded piece 9 encloses the upper end face 5 of the laminated rotor core 26, so that the casting resin 11 from a suitable container easily into the top open groove 6 can be poured, in which already lying one behind the other several similar permanent magnets 8 are arranged.
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.To ensure a sufficient flow of the synthetic resin in the groove 6 to the To reach permanent magnets 8 around, this is advantageously heated to about 1200.degree and only then poured in.
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.After heating it hardens, so that a rotor is highly mechanical Strength results, which is also able to absorb high centrifugal forces. The permanent magnets 8 here have a play of advantageously approximately 0.1 mm in the Groove 6 to ensure that the synthetic resin flows past.
In der Figur 4 ist der prinzipielle Hochlauf eines Synchronmotors nach der Erfindung mit Kurzschlußkäfig und Permanentmagnet-Erregung gezeigt.The basic run-up of a synchronous motor is shown in FIG shown according to the invention with short-circuit cage and permanent magnet excitation.
Vom Stillstand in Position 13 ausgehend besteht ein Pendelmoment, wie bei Position 14 über dem mittleren Hochlaufmoment angedeutet.Starting from standstill in position 13, there is a pendulum moment, as indicated at position 14 above the mean run-up torque.
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.At position 17 the point is reached from which synchronization he follows; this point depends on the load torque and the flywheel. In the area the vertical straight line 18 is the synchronous torque with the speed ns achieved.
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.FIG. 5 shows the simplest case of a field distribution, namely that of a rectangular field distribution 20, which is achieved in that in the Development of the magnet assembly 23 is made so that on a row equally strong Permanent magnets, such as north polarity on top, have an identical row Strong permanent magnets with south polarity on top follow.
Die im Idealfall gewünschte sinusförmige Kurve 19 wird hierdurch nur ungenügend angenähert.The sinusoidal curve 19, which is desired in the ideal case, only becomes insufficiently approximated.
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.The exemplary embodiment shows a better approximation of a sinusoidal curve 19 according to Figure 6, where grooves 6 remain empty at certain points, i.e. not with permanent magnets 8 are occupied. In the schematically drawn magnet arrangement 24 is on this Place a 0 entered.
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.The resulting rectangular field distribution 21 is shown is characterized in that in the area of the 0 passages of the sinusoidal curve 19 the magnetic induction B in the region of the gap 22 is equal to 0. The rectangular one The field distribution 21 is therefore narrower as seen over the angle of rotation.
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.As a further exemplary embodiment, FIG. 7 shows an even better one Approach of the field distribution 32 to the sinusoidal curve 19. The magnet arrangement 25 is made so that in the area of the zero crossing of the curve 19 permanent magnets 8a half-thickness is built into the associated groove 6, which is shown in the diagram with the Symbol N-2 and S-2 is shown schematically.
Die Magnetanordnung 25 nach Figur 7 kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch mit der Magnetanordnung 24 nach Figur 6 kombiniert werden.The magnet arrangement 25 according to FIG. 7 can in a further exemplary embodiment can also be combined with the magnet arrangement 24 according to FIG.
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 -DRAWING LEGEND 1 rotor 2 rotor shaft 3 cage rod 4 short-circuit cage 5 end face 6 groove 7 jacket 8 permanent magnet 8a 9 fitting 10 fitting 11 cast resin 12 O-ring 13 Position 14 "15 Line 16 Line 17 Position 18 Vertical 19 Curve (sine) 20 Field distribution (Fig. 5) 21 Field distribution (Fig. 6) 22 Gap 23 Magnet arrangement (Fig. 5) 24 Magnet arrangement (Fig. 6) 25 Magnet arrangement (Fig. 7) 26 Laminated rotor core 27 Rotor lamella 28 Groove (cage bar 3) 29 Longitudinal axis (groove 6) 30 Ring 31 distance 32 field distribution (Fig. 7) - blank page -
Claims (7)
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