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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für eine Dauermagnet-Rotationsmaschine,
die als eine Induktionsmaschine beim Starten der Maschine und ebenso
als eine Synchronmaschine beim Nennbetrieb der Maschine arbeitet.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Im
allgemeinen umfasst eine Dauermagnet-Reluktanzrotationsmaschine einen Stator
mit Ankerwicklungen und einen Rotor, der innerhalb des Stators rotiert.
In der Maschine ist der Rotor ohne Wicklungen, die ein Feldsystem
bilden, vorgesehen, sondern mit Dauermagneten, die an Seitenflächen jeweilige
hervorstehende Abschnitte eines Rotorkerns vorgesehen sind, der
Unregelmäßigkeiten
an seinem äußerem Umfang
besitzt. Daher ist die Maschine dadurch gekennzeichnet, dass die
Struktur im Vergleich zu einer herkömmlichen Rotationsmaschine
mit gewickeltem Rotor einfach ist.
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Zwischen
dem Rotorkern und dem Stator besitzt diese Dauermagnet-Reluktanzrotationsmaschine
eine geringe magnetische Reluktanz (geringen magnetischen Widerstand)
um jeden hervorstehenden Abschnitt und eine große magnetische Reluktanz um
jeden vertieften Abschnitt infolge der strukturellen Ungleichmäßigkeit
des Rotorkerns. Auf diese Weise gibt es einen Unterschied zwischen
dem hervorstehenden Abschnitt und dem vertieften Abschnitt im Hinblick
auf die in einem Spalt (Luftspalt) zwischen dem Rotorkern und den
Stator infolge des durch die Ankerwicklungen schließenden Stroms
gespeicherten magnetischen Energie, so dass die Ausgabe hauptsächlich durch
die Veränderung
der magnetischen Energie erzeugt wird.
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Es
ist zu beachten, dass die Ungleichmäßigkeit um den Rotor nicht
notwendigerweise durch seine. geometrische Struktur vorgesehen wird,
und kurz gesagt kann die „magnetische" Ungleichmäßigkeit um
den Rotor herum gebildet sein. Daher kann die Rotationsmaschine
mit einer Konstruktion ausgestattet sein, durch welche die magnetische
Reluktanz und der magnetische Fluss unabhängig von der Rotationsposition
des Rotors verändert
werden können.
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Es
ist zu beachten, dass die Reluktanzrotationsmaschine, die keinen
Dauermagneten einsetzt, ein Problem der Stromverminderung besitzt,
wenn der durch die Ankerwicklungen strömende Strom ansteigt, da der
Leckagefluss in die magnetisch vertieften Abschnitte, d.h. die Interpolabschnitte,
durch die Vergrößerung des
magnetisch gesättigten
Bereichs in den hervorstehenden Abschnitten, d.h. den Polabschnitten,
erhöht
wird.
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Währenddessen
ist die Dauermagnet-Reluktanzrotationsmaschine in der Lage, eine
Verschlechterung des Ausgangs zu vermeiden, da die Dauermagneten
auf jeweiligen Polseiten des Rotorkerns als magnetische Reluktanz
zum Vermindern des Leckageflusses, der zu den Interpolabschnitten
gerichtet ist, wirken.
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Zusätzlich zu
der obengenannten Funktion zum Vermindern des Leckageflusses besitzen
die Dauermagneten einen Effekt zum Erzeugen des Reluktanzdrehmoments
infolge der Interaktion zwischen ihrem eigenen Fluss und dem Fluss
von den Ankerwicklungen.
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Auf
diese Weise ist die Dauermagnet-Reluktanzrotationsmaschine
derart aufgebaut, um eine unterschiedliche magnetische Reluktanz
in Abhängigkeit
von der Rotationsposition des Rotors infolge der magnetischen Ungleichmäßigkeit
um die Umfangsfläche
des Rotorkerns aufzuweisen und ebenso den Leistungsausgang sicherzustellen,
da der Leckagefluss für
die Interpolabschnitte durch die Dauermagneten auf den Polseiten
vermindert wird.
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Allerdings
gibt es bei der Dauermagnet-Reluktanzrotationsmaschine
ein Problem eines schwierigen Selbststartens, da das Selbsthaltedrehmoment durch
die Dauermagneten auf den Polseiten erhöht wird.
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Um
das Selbststartdrehmoment sicherzustellen, wurden viele Gegenmaßnahmen
ausprobiert, beispielsweise einen Wandler als zusätzliche
Starteinrichtung einzusetzen, den Rotor mit einem zusätzlichen
Starterkäfig
zu umgeben, etc. Allerdings führen
diese Gegenmaßnahmen
dazu, dass die Struktur der Rotationsmaschine insgesamt kompliziert
wird. Insbesondere in dem Falle des Selbststarterkäfigs wird
ebenso ein Problem erzeugt, dass die magnetische Reluktanz erhöht wird,
wodurch der magnetische Hauptfluss vermindert wird.
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In
dieser Situation hat der Anmelder der vorliegenden Erfindung zuvor
einen Rotor für
eine Dauermagnet-Reluktanzrotationsmaschine
vorgeschlagen, der in der Lage ist, seine Starteigenschaften zu verbessern,
ohne jegliche zusätzliche
Starteinrichtung zu erfordern (japanische Patentanmeldung Nr. 10-275797).
Bei dieser Maschine wird beispielsweise der Starterkäfig aus
magnetischem Material hergestellt, und die Starterleiter werden
in der Form einer „Tiefnut" vorgesehen.
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Beim
Starten der Maschine veranlasst diese Dauermagnet-Reluktanzrotationsmaschine
die Starterleiter an dem Umfang des Rotors, ein Induktionsdrehmoment
entsprechend der Veränderung
des Ankerstromes zu erzeugen, wodurch dem Rotor ermöglicht wird,
als Induktionsmaschine zu arbeiten. Beim Nennbetrieb der Maschine
ermöglicht
die Dauermagnet-Reluktanzrotationsmaschine
dem Rotor, als Synchronmaschine sowohl durch das Reluktanzdrehmoment,
das in der magnetischen Ungleichmäßigkeit an der Rotoroberfläche erzeugt
wird, als auch durch das Drehmoment basierend auf der Interaktion
des Flusses der Dauermagneten auf den Polseiten mit dem Fluss von
den Ankerwicklungen, zu arbeiten.
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Im
Hinblick auf die obengenannte, „selbststartende" Dauermagnet-Reluktanzrotationsmaschine
ist es bekannt, dass wenn der Fluss von den Dauermagneten in dem
Rotorkern, d.h. ein "Magnetfluss", groß wird,
oder der Unterschied der magnetischen Reluktanz zwischen den hervorstehenden
Abschnitten und den vertieften Abschnitten des Rotorkerns groß wird,
die Maschine dazu neigt, schwierig zu starten.
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Es
ist ebenso bekannt, dass falls umgekehrt der magnetische Fluss oder
die Reluktanz gering ist, die Betriebswandlung dazu neigt, beim
Ansprechen der Maschine schwierig zu sein, und zwar beim Ansprechen
der Maschine an einem Wendepunkt von dem Starterbetrieb als Induktionsmaschine
zu dem normalen Betrieb als Synchronmaschine.
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Um
das Starten und Ansprechen der Maschine ohne Verzögerung auszuführen, ist
es erforderlich, die Größe des magnetischen
Flusses und den Wert der Reluktanz geeignet einzustellen.
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Trotz
der Tatsache, dass die allgemeinen Tendenzen des magnetischen Flusses
und der Reluktanz beim Starten und Ansprechen der Maschine wie oben
erwähnt
erkannt worden sind, wurde keine definitive Maßnahme gegen dem magnetischen Fluss
und die Reluktanz bisher vorgesehen.
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Daher
besteht gegenwärtig
eine Situation, in der beispielsweise eine Dauermagnet-Reluktanzrotationsmaschine
leicht zu starten, jedoch schwer anzusprechen ist, während die
andere Rotationsmaschine leicht anzusprechen, jedoch schwer zu starten
ist.
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Eine
weitere Dauermagnet-Rotationsmaschine ist in der Druckschrift "High field self-starting permanent-magnet
synchronous motor",
Binns K J et al, IEEE Proceedings B. Electrical power applications,
Institution of electrical engineers, Stevenage, GB, Vol. 128, Nr.
3, Teil B, Mai 1981 (1981-05), S. 157–160, offenbart.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor für eine Dauermagnet-Reluktanzrotationsmaschine
bereitzustellen, die in der Lage ist, als Induktionsmaschine beim
Starten der Maschine und ebenso als Synchronmaschine infolge des
sanften "Ansprechens" für die Synchronität beim Nennbetrieb
der Maschine zu arbeiten.
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Um
die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende
Erfindung einen Rotor für eine
Dauermagnet-Reluktanzrotationsmaschine
bereit, die einen Stator mit Ankerwicklungen besitzt, wobei der
Rotor aufweist: einen Rotorkern, bei welchem eine magnetische Ungleichmäßigkeit
in einer Umfangsrichtung desselben mit magnetischen Abschnitten
gebildet ist; eine Mehrzahl von Dauermagneten, die in dem Rotorkern
derart angeordnet sind, um einen in den Ankerwicklungen entspringenden
und ebenso zwischen benachbarten magnetischen Polen verlaufenden
magnetischen Fluss zu negieren; und Leiter, die in dem Umfang des
Rotorkerns angeordnet sind, um ein Startdrehmoment durch die Erzeugung
induzierten Stroms beim Starten der Maschine zu erzeugen, wobei
der magnetische Fluss des Dauermagneten und der magnetischen Abschnitte
des Rotors derart ausgelegt sind, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der
durch die Dauermagneten bei beendeter Erregung der Ankerwicklungen
erzeugt wird, im Bereich von 0,1 [T] bis 0,7 [T] liegt; eine Polbreite
des magnetischen Pols und eine Breite, die einer Breite des magnetischen
Abschnitts entspricht, der zwischen benachbarten Dauermagneten des
Rotorkerns definiert ist, sind derart ausgelegt, dass das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität (Lq)
des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden Richtung
der Selbstinduktivität (Ld)
in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 liegt.
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Als
erstes Merkmal der Erfindung ist der Rotor derart aufgebaut, dass
der Durchschnitt des magnetischen Flusses in einem Luftspalt zwischen
dem Rotor und dem Stator, der durch die Dauermagneten bei beendeter
Erregung der Ankerwicklungen erzeugt wird, im Bereich von 0,1 [T]
bis 0,7 [T] liegt, und der Rotorkern ist derart aufgebaut, dass
das Verhältnis
(Lq/Ld) der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden Richtung
zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 liegt.
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Mit
der obigen Anordnung ist es möglich, eine
Rotationsmaschine zu verwirklichen, die ermöglicht, dass ihr Betrieb vom
Starten der Maschine zur Synchronität sanft übergeht.
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Zusammen
mit den Erfindungen gemäß den später beschriebenen
2. bis 7. Merkmalen umfasst ein Rotor für eine Dauermagnet-Rotationsmaschine, die
einen Stator mit Ankerwicklungen besitzt, einen Rotorkern mit einer
magnetischen Ungleichmäßigkeit,
die in einer Umfangsrichtung hiervon mit magnetischen Abschnitten
gebildet ist; eine Mehrzahl von Dauermagneten, die in dem Rotorkern
derart angeordnet sind, um einen in den Ankerwicklungen entspringenden
und ebenso zwischen benachbarten magnetischen Polen verlaufenden
magnetischen Fluss zu negieren; und Leiter, die in dem Umfang des Rotorkerns
angeordnet sind, um ein Startdrehmoment durch die Erzeugung induzierten
Stroms beim Starten der Maschine zu erzeugen; wobei eine mit dem
Rotorkern verbundene Last im wesentlichen proportional zu einer
dritten Potenz einer Netzfrequenz ist.
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Zunächst ruht
das 2. Merkmal der Erfindung darin, dass der Leiterwiderstand beim
normalen Betrieb der Maschine im wesentlichen gleich zu dem Widerstand
von Aluminium ist; der Rotor ist derart aufgebaut, dass der Durchschnitt
des magnetischen Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem
Stator, der durch die Dauermagneten erzeugt wird, im Bereich von
0,1 [T] bis 0,5 [T] liegt; und der Rotorkern ist derart aufgebaut,
dass das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung im Nennlastzustand
im Bereich von 0,1 bis 0,8 liegt.
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Das
3. Merkmal der Erfindung ruht darin, dass der Leiterwiderstand beim
regulären
Betreiben der Maschine 110% beträgt,
basierend auf der Annahme, dass der Widerstand von Aluminium 100% entspricht;
der Rotor ist derart aufgebaut, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der durch
die Dauermagneten erzeugt wird, im Bereich von von 0,2 [T] bis 0,6
[T] liegt; und der Rotorkern derart ausgelegt ist, dass das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,7 liegt.
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Das
4. Merkmal der Erfindung ruht darin, dass der Leiterwiderstand beim
regulären
Betreiben der Maschine 120% beträgt,
basierend auf der Annahme, dass der Widerstand von Aluminium 100% entspricht;
der Rotor derart ausgelegt, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der durch
die Dauermagneten erzeugt wird, im Bereich von von 0,2 [T] bis 0,6
[T] liegt; und der Rotorkern derart ausgelegt ist, dass das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,6 liegt.
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Das
5. Merkmal der Erfindung ruht darin, dass der Leiterwiderstand beim
regulären
Betreiben der Maschine 130% beträgt,
basierend auf der Annahme, dass der Widerstand von Aluminium 100% entspricht;
der Rotor derart ausgelegt ist, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der durch
die Dauermagneten erzeugt wird, im Bereich von von 0,2 [T] bis 0,6
[T] liegt; und der Rotorkern derart ausgelegt ist, dass das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 liegt.
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Das
6. Merkmal der Erfindung ruht darin, dass der Leiterwiderstand beim
regulären
Betreiben der Maschine 140% beträgt,
basierend auf der Annahme, dass der Widerstand von Aluminium 100% entspricht;
der Rotor derart ausgelegt ist, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der durch
die Dauermagneten erzeugt wird, im Bereich von von 0,3 [T] bis 0,6
[T] liegt; und der Rotorkern derart ausgelegt ist, dass das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 liegt.
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Das
7. Merkmal der Erfindung ruht darin, dass der Leiterwiderstand beim
regulären
Betreiben der Maschine 150% beträgt,
basierend auf der Annahme, dass der Widerstand von Aluminium 100% entspricht;
der Rotor derart ausgelegt ist, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der durch
die Dauermagneten erzeugt wird, im Bereich von von 0,3 [T] bis 0,7
[T] liegt; und der Rotorkern derart ausgelegt ist, dass das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,4 liegt.
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Gemäß den jeweiligen
Anordnungen der obengenannten zweiten bis siebten Merkmale ist es möglich, eine
Rotationsmaschine zu verwirklichen, die ermöglicht, dass ihr Betrieb vom
Starten der Maschine zur Synchronität sanft übergeht.
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Zusammen
mit den Erfindungen gemäß den später beschriebenen
8. bis 13. Merkmalen umfasst ein Rotor für eine Dauermagnet-Rotationsmaschine, die
einen Stator mit Ankerwicklungen besitzt, einen Rotorkern, bei welchem
eine magnetische Ungleichmäßigkeit
in einer Umfangsrichtung desselben mit magnetischen Abschnitten
gebildet ist; eine Mehrzahl von Dauermagneten, die in dem Rotorkern
derart angeordnet sind, um einen in den Ankerwicklungen entspringenden
und ebenso zwischen benachbarten magnetischen Polen verlaufenden
magnetischen Fluss zu negieren; und Leiter, die in dem Umfang des
Rotorkerns angeordnet sind, um ein Startdrehmoment durch die Erzeugung
induzierten Stroms beim Starten der Maschine zu erzeugen; wobei
eine mit dem Rotorkern verbundene Last im Falle von weniger als
den Maschinennennrotationen Null ist, während die Last proportional
zu der dritten Potenz einer Netzfrequenz ist im Falle von mehr als
den Maschinennennrotationen.
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Das
8. Merkmal der Erfindung beruht darin, dass der Leiterwiderstand
beim regulären
Betreiben der Maschine im wesentlichen gleich zu den Widerstand
von Aluminium ist; der Rotor derart ausgelegt ist, dass der Durchschnitt
des magnetischen Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und
dem Stator, der durch die Dauermagneten erzeugt wird, im Bereich
von von 0,1 [T] bis 0,5 [T] ist; und der Rotorkern derart ausgelegt
ist, dass das Verhältnis
(Lq/Ld) der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 liegt.
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Das
9. Merkmal der Erfindung ruht darin, dass der Leiterwiderstand beim
regulären
Betreiben der Maschine 110% beträgt,
basierend auf der Annahme, dass der Widerstand von Aluminium 100% entspricht;
der Rotor derart ausgelegt ist, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der durch
die Dauermagneten erzeugt wird, im Bereich von von 0,2 [T] bis 0,6
[T] liegt; und der Rotorkern derart ausgelegt ist, dass das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,7 liegt.
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Das
10. Merkmal der Erfindung ruht darin, dass der Leiterwiderstand
beim regulären
Betreiben der Maschine 120% beträgt,
basierend auf der Annahme, dass der Widerstand von Aluminium 100% entspricht;
der Rotor derart ausgelegt ist, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der durch
die Dauermagneten erzeugt wird, im Bereich von von 0,2 [T] bis 0,6
[T] liegt; und der Rotorkern derart ausgelegt ist, dass das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,6 liegt.
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Das
11. Merkmal der Erfindung ruht darin, dass der Leiterwiderstand
beim regulären
Betreiben der Maschine 130% beträgt,
basierend auf der Annahme, dass der Widerstand von Aluminium 100% entspricht;
der Rotor derart ausgelegt ist, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der durch
die Dauermagneten erzeugt wird, im Bereich von von 0,2 [T] bis 0,6
[T] liegt; und der Rotorkern derart ausgelegt ist, dass das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 liegt.
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Das
12. Merkmal der Erfindung ruht darin, dass der Leiterwiderstand
beim regulären
Betreiben der Maschine 140% beträgt,
basierend auf der Annahme, dass der Widerstand von Aluminium 100% entspricht;
der Rotor derart ausgelegt ist, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der durch
die Dauermagneten erzeugt wird, im Bereich von von 0,3 [T] bis 0,6
[T] liegt; und der Rotorkern derart ausgelegt ist, dass das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 liegt.
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Das
13. Merkmal der Erfindung ruht darin, dass der Leiterwiderstand
beim regulären
Betreiben der Maschine 150% beträgt,
basierend auf der Annahme, dass der Widerstand von Aluminium 100% entspricht;
der Rotor derart ausgelegt ist, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator, der durch
die Dauermagneten erzeugt wird, im Bereich von 0,3 [T] bis 0,7 [T]
liegt; und der Rotorkern derart ausgelegt ist, dass das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in einer schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
(Ld) in einer leichtmagnetisierenden Richtung in einem Nennbelastungszustand
in einem Bereich von 0,1 bis 0,4 liegt.
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Gemäß den jeweiligen
Anordnungen der obengenannten 8. bis 13. Merkmale ist es möglich, eine
Rotationsmaschine zu verwirklichen, die ermöglicht, dass ihr Betrieb sanft
vom Starten der Maschine zur Synchronität übergeht.
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Das
14. Merkmal der Erfindung ruht in einem Rotor für eine Dauermagnet-Rotationsmaschine,
die einen Stator mit Ankerwicklungen besitzt, wobei der Rotor aufweist:
einen Rotorkern, bei welchem eine magnetische Ungleichmäßigkeit
in einer Umfangsrichtung desselben mit magnetischen Abschnitten gebildet
ist; eine Mehrzahl von Dauermagneten, die in dem Rotorkern derart
angeordnet sind, um einen in den Ankerwicklungen entspringenden
und ebenso zwischen benachbarten magnetischen Polen verlaufenden
magnetischen Fluss zu negieren; und Leiter, die in dem Umfang des
Rotorkerns angeordnet sind, um ein Startdrehmoment durch die Erzeugung
induzierten Stroms beim Starten der Maschine zu erzeugen; wobei
die Leiter jeweils einen Querschnitt in der Form eines Rechtecks
mit langen Seiten, die derart angeordnet sind, um sich entlang der
radialen Richtung des Rotorkerns, radial zu der Rotationsmittelachse
des Rotorkerns als Mittelpunkt, erstrecken, besitzt.
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Das
15. Merkmal der Erfindung ruht in einem Rotor für eine Dauermagnet-Rotationsmaschine,
die einen Stator mit Ankerwicklungen besitzt, wobei der Rotor aufweist:
einen Rotorkern, bei welchem eine magnetische Ungleichmäßigkeit
in einer Umfangsrichtung desselben mit magnetischen Abschnitten gebildet
ist; eine Mehrzahl von Dauermagneten, die in dem Rotorkern derart
angeordnet sind, um einen in den Ankerwicklungen entspringenden
und ebenso zwischen benachbarten magnetischen Polen verlaufenden
magnetischen Fluss zu negieren; und Leiter, die in dem Umfang des
Rotorkerns angeordnet sind, um ein Startdrehmoment durch die Erzeugung
induzierten Stroms beim Starten der Maschine zu erzeugen; wobei
die Leiter jeweils einen Querschnitt in der Form eines gleichschenkligen
Dreiecks besitzen, dessen Basis auf der Seite des Umfangs des Rotorkerns
angeordnet ist, während
die Spitze zu der Seite der Mittelachse des Rotorkerns gerichtet
ist, und die Leiter sind ebenso radial zu der Rotationsmittelachse des
Rotorkerns als Mittelpunkt angeordnet.
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Gemäß den jeweiligen
Anordnungen der obengenannten 14. und 15. Merkmale ist es möglich, eine
Rotationsmaschine zu verwirklichen, die es ermöglicht, dass ihr Betrieb sanft
vom Starten der Maschine zur Synchronität übergeht.
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Diese
und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
anhand der nachfolgenden Beschreibung und beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen voll ersichtlich werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer Dauermagnet-Rotationsmaschine zur Erläuterung der
1. Ausführungsform
bis 3. Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, geführt
entlang der radialen Richtung der Maschine;
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2 ist
eine Schnittansicht eines Rotors aus 1 in der
radialen Richtung der Maschine, die den Flussstrom infolge von Ankerströmen in der Richtungskomponente
entlang jeweiliger magnetischer Polachsen zeigt;
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3 ist
eine Schnittansicht des Rotors aus 1 in der
radialen Richtung der Maschine, die den Flussstrom infolge von Ankerströmen in der
Richtungskomponente entlang Interpolmittelachsen zeigt;
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4 ist
eine Schnittansicht des Rotors aus 1 in der
radialen Richtung der Maschine, die den Flussstrom infolge von Dauermagneten
in dem Rotor zeigt;
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5 ist
eine erläuternde
Schnittansicht des Rotors der Dauermagnet-Rotationsmaschine gemäß der 4.
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die entlang der radialen Richtung der
Maschine geführt
ist; und
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6 ist
eine Schnittansicht des Rotors der Dauermagnet-Rotationsmaschine gemäß der 5.
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die entlang der radialen Richtung der
Maschine geführt
ist.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf 1 bis 6 ausführlich beschrieben.
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1 ist
eine Schnittansicht einer Rotationsmaschine gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die entlang der radialen Richtung der
Maschine geführt
ist. In 1 umfasst ein Stator 1 Ankerwicklungen 11 und
ist derart aufgebaut, um einen Rotor 3 darin durch einen
Spalt (Luftspalt) 2 aufzunehmen.
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Der
Rotor 3 umfasst einen Rotorkern 31, Dauermagneten 32 und
Starterleiter (leitfähige
Stäbe) 33,
die beide in den Rotorkern 31 eingebettet sind. Der Rotorkern 31 ist
durch ein Laminat aus elektromagnetischen Stahlplatten gebildet,
die jeweils acht Hohlräume 31a besitzen,
welche entlang jeweiliger „leichtmagnetisierender" Richtungen gebildet
sind, um die Magnetisierung des Rotors zu erleichtern, d.h. d-Achsen. Acht Hohlräume 31a sind kreuzweise
in dem Rotor 31 angeordnet. Die Dauermagneten 32 sind
jeweils in diese Hohlräume 31a eingebettet,
so dass hervorstehende Pole und vertiefte Abschnitte alternierend
um den Rotor 3 angeordnet sind, wodurch vier magnetische
Pole bereitgestellt werden.
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Die
Dauermagneten 32 auf beiden Seiten jedes magnetischen Pols
sind in der identischen Richtung derart magnetisiert, um den magnetischen
Fluss der Ankerwicklungen 11 zu negieren, der entlang der verbundenen
vertieften Abschnitte ist, d.h. den „schwermagnetisierenden" Richtungen (d.h.
d-Achsen) im Gegensatz zu den obigen leichtmagnetisierenden Richtungen.
Während
die Dauermagneten 32 auf beiden Seiten ihres vertieften
Abschnitts in entgegengesetzten Richtungen zueinander in der Umfangsrichtung
des Rotorkerns 31 magnetisiert sind.
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In
anderen Worten, stellen die jeweiligen Kernabschnitte, die jeweils
zwischen zwei parallelen Hohlräume 31a eingelegt
sind, magnetisch hervorstehende Teile bereit, d.h. jeweilige magnetische Pole 3a,
die sich in den leichtmagnetisierenden Richtungen erstrecken, jeweils
mit einer Polbreite W1. Andererseits stellen die jeweiligen Kernabschnitte, die
jeweils zwischen zwei senkrecht benachbarten Hohlräumen 31a eingelegt
sind, magnetisch vertiefte Teile bereit, d.h. jeweilige Interpole 3b,
die sich in den schwermagnetisierenden Richtungen erstrecken.
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Für die Dauermagneten 32 sind
seltene Erddauermagneten mit einem hohen Energieprodukt empfohlen,
bevorzugt Nd-Fe-B Dauermagneten, die bevorzugt in der allgemeinen
Umfangsrichtung, besonders bevorzugt in Richtungen im wesentlichen senkrecht
zu den Achsen der magnetischen Pole 3a magnetisiert sind.
In dem Rotorkern 31 sind nicht-magnetische Abschnitte,
die aus flügelförmigen Hohlräumen 31c zusammengesetzt
sind, in der Nähe der
Umfänge
der Interpole 3b gebildet.
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Ferner
besitzt der Rotorkern 31 magnetische Abschnitte 31b,
die jeweils zwischen dem jeweiligen magnetischen Pol 3a und
dem benachbarten Interpol 3b und ebenso zwischen einem äußeren Ende
des Dauermagneten 32 und der Umfangsfläche des Rotors 3 gebildet
sind. Die Dauermagneten 32 sind derart vorgesehen, dass
die Flussdichte des Luftspaltes 2, wenn die Ankerwicklung 11 nicht
angeregt ist, geringer ist als beispielsweise 0,58 Tesla (T).
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Gemäß der Ausführungsform
der Erfindung verläuft,
da die Dauermagneten 32 ausreichend innerhalb der Umfangsfläche des
Rotorkerns 31 angeordnet sind, der Fluss jedes Dauermagneten 32 ebenso
durch den magnetischen Abschnitt 31b, so dass der Abschnitt 31b magnetisch
in einem Kurzschluss geschlossen ist.
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Um
eine Rotationsmaschine bereitzustellen, die in der Lage ist, wie
eine Induktionsmaschine beim Starten der Maschine zu arbeiten, und
ebenso als Synchronmaschine beim Nennbetrieb zu arbeiten, und als
Ergebnis eines sanftens "Ansprechens" für die Synchronität, besitzt
die erste Ausführungsform die
folgende Maßnahme.
Das heißt,
die radiale Dicke jedes magnetischen Abschnitts 31b, die
Dicke und die Oberfläche
jedes Magneten 32 sind jeweils derart eingestellt, dass
der durchschnittliche magnetische Fluss, der in dem Luftspalt 2 erzeugt
wird, wenn die Ankerwicklungen nicht erregt sind, im Bereich von 0,1
[T] bis 0,7 [T] liegt.
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Gleichzeitig
sind die Polbreite W1 des magnetischen Pols 3a und eine
Breite W2 derart eingestellt, dass das Verhältnis (Lq/Ld) einer Selbstinduktivität (Lq) des
magnetischen Abschnitts in der schwermagnetisierenden Richtung zu
einer Selbstinduktivität
(Ld) in der leichtmagnetisierenden Richtung im Bereich von 0,1 bis
0,8 liegt. Wie in 1 und 2 gezeigt,
entspricht die Breite W2 einer Breite des magnetischen Abschnitts 31b,
die zwischen benachbarten Dauermagneten 32 definiert ist,
welche zwischen jedem Interpol 3b auf der Seite der Mitte des
Rotors 3 eingelegt sind.
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Als
nächstes
beschreiben wir den Betrieb des Rotors der Dauermagnet-Rotationsmaschine
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf 2 bis 4.
Es ist zu beachten, dass in 2 und danach
die obigen Statorleiter (leitfähigen
Stäbe) 33,
die an dem Umfang des Rotors 31 angeordnet sind, zum Erleichtern
des Verständnis
bei der Erläuterung
weggelassen werden.
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Das
heißt,
in 2 bezeichnet jeder magnetische Fluss (Durchmesser
oder Φd)
eine Komponente des Flusses infolge des Ankerstromes der d-Achse
in der Richtung entlang des Pols 3a des Rotorkerns 31.
Aufgrund des magnetischen Pfades jedes magnetischen Poles 3a ist
die magnetische Reluktanz (Widerstand) des obigen Flusses (Φd) extrem
gering, so dass der magnetische Fluss leicht produziert werden kann.
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Dem
gegenüber
bezeichnet in 3 jeder magnetische Fluss (Φq) eine
Komponente des Flusses infolge des Ankerstromes der q-Achse in der
radialen Richtung entlang des Interpols 3b des Rotorkerns 31.
Obgleich der magnetische Fluss (Φq)
den magnetischen Pfad bildet, welcher die Dauermagneten 32 in
den Interpolen 3b kreuzt, wird der Fluss des Ankerstromes
durch die Wirkung hoher Reluktanz der Dauermagneten 32 verschlechtert,
da seine relative Permeabilität
etwa 1 beträgt.
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Daher
wird, wie oben erwähnt
jeder Dauermagnet 32 in der Richtung im wesentlichen senkrecht zu
der Achse des Pols 3a magnetisiert. Somit verläuft, wie
in 4 gezeigt, der von einem Pol eines Dauermagneten 32 startende
Flussstrom in der folgenden Reihenfolge: der magnetische Abschnitt 31a an
der Grenze des Umfangs des Rotorkerns 32 in der Umfangsrichtung,
der magnetische Pol 3a und der gegenüberliegende Pol des obigen
Dauermagneten 32, wodurch ein magnetischer Kreis gebildet
wird (Φma).
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Währenddessen
verläuft
der teilweise Fluss vom einem Dauermagneten 32 ebenso durch
die folgenden Elemente in entsprechender Reihenfolge: der Luftspalt 2,
der nicht gezeigte Stator 1 und der magnetische Pol 3a des
Rotors 3 (oder der benachbarte Magnet 32), und
kehrt zu dem ursprünglichen Magneten 32 zurück, wodurch
ein magnetischer Kreis gebildet wird (Φmb).
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Dementsprechend
wird, wie in 3 gezeigt, der Verbindungsfluss
(Φm) der
Dauermagneten 32 in der entgegengesetzten Richtung zu dem magnetischen
Fluss (Φq)
verteilt, der durch die Interpole 3b zu der Mitte des Rotors 3 durch
den Ankerstrom der q-Achse verläuft,
so dass der magnetische Fluss (Φq)
der Ankerwicklungen 11, der durch die Interpole 3b eintritt,
zur Negierung abgestoßen
wird.
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In
dem Luftspalt 2 oberhalb der Interpole 3b wird
die Flussdichte, die an dem Spalt 2 durch die nicht gezeigten
Ankerwicklungen 11 erzeugt wird, d.h. die Spaltflussdichte
durch den Fluss von den Dauermagneten 32 vermindert, was
eine große
Variation im Vergleich zu der Spaltflussdichte oberhalb der Pole 3a erzeugt.
Auf diese Weise kann eine große
Veränderung
der magnetischen Energie durch die Veränderung der Spaltflussdichte
in Bezug auf die Position des Rotors 3 erzielt werden.
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Ferner
sind die magnetischen Abschnitte 31b des Rotorkerns 31,
von denen jeder einen Kurzschluss zwischen dem Pol 3a und
dem Interpol 3b bildet, magnetisch durch Lastströme gesättigt, falls die
Maschine belastet ist, so dass der magnetische Fluss der Magneten 32,
der in die Interpole 3b verteilt ist, erhöht wird.
Da eine Ungleichmäßigkeit
in der Verteilung der Spaltflussdichte durch die magnetische Reluktanz
und dem Fluss der Dauermagneten 32 erzeugt werden kann,
ist die Rotationsmaschine daher in der Lage, ein großes Reluktanzdrehmoment zu
erzielen.
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Währenddessen
ist zu beachten, dass das Reluktanzdrehmoment, das durch die Differenz
der magnetischen Energie zwischen dem Pol 3a und dem Interpol 3b entsteht,
eine Art Synchrondrehmoment ist.
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Ferner
ist zu beachten, dass die Dauermagnet-Rotationsmaschine, die mit dem Rotor
der Ausführungsform
ausgestattet ist, als Induktionsmaschine beim Starten der Maschine
arbeitet, und als Synchronmaschine beim Nennbetrieb der Maschine
arbeitet. Daher ist, um ein sanftes Umschalten vom Induktionsantrieb
zum Synchronantrieb auszuführen, das
Synchrondrehmoment erforderlich, welches das Reluktanzdrehmoment
wie oben erwähnt
darstellt. Neben dem Reluktanzdrehmoment besteht ein Magnetdrehmoment,
das durch die Interaktion zwischen dem Fluss der Dauermagneten 32 und
den Ankerwindungen 11 in dem Synchrondrehmoment erzeugt wird.
Um das obige Umschalten von Induktion zu Synchronisation angemessen
und sanft auszuführen,
ist es wünschenswert,
das Synchrondrehmoment groß einzustellen.
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Um
das Synchrondrehmoment zu vergrößern, muss
man nur das Magnetdrehmoment durch Vermindern der Breite des magnetischen
Abschnitts 32b zwischen dem Magnetende und dem Umfang des
Rotors 3 für
die magnetische Sättigung
auf eine Weise erhöhen,
dass der Magnetfluss in den Spalt 2 austritt. Alternativ
muss man das Reluktanzdrehmoment durch Erhöhen der Polbreite W1 erhöhen.
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Ebenso
sollte beachtet werden, dass das Induktionsdrehmoment beim Starten
der Maschine durch den Ankerstrom erzeugt wird, genauer gesagt eine
Zeitveränderung
in dem Ankerfluss, der mit käfigförmigen Leitern
an den äußeren Umfang
des Rotors 3 verbunden ist.
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Da
allerdings die Dauermagneten 32, die in dem Rotor 3 vorgesehen
sind, die in dem Rotor 3 vorgesehen sind, in der Richtung
zum Negieren des Ankerfluss magnetisiert sind, arbeitet der Magnetfluss von
den Dauermagneten 32 in der Richtung zum Negieren der Zeitveränderung
des Ankerfluss, der mit den käfigförmigen Leitern
verbunden ist. In anderen Worten wirkt der Fluss der Dauermagneten 32 derart, um
das Induktionsdrehmoment beim Starten der Maschine zu vermindern.
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Falls
zusätzlich
eine magnetische Ungleichmäßigkeit
an dem Umfang des Rotors 3 besteht, ist es schwierig, den
Ankerfluss zu erzeugen, und zwar aufgrund der erhöhten magnetischen
Reluktanz in der schwermagnetisierenden Richtung (q-Rchse). Dementsprechend
wird der Verbindungsfluss mit den Leitern 33 vermindert,
wodurch das Startdrehmoment verschlechtert wird.
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Da
er bestrebt ist, in den Rotorkern 31 durch die nur leichtmagnetisierende
Richtung (q-Achse) einzudringen, kreuzt der Ankerfluss nicht die
Leiter 33 an dem Umfang des Rotors teilweise, so dass das Startdrehmoment
zur Verminderung beeinflusst wird.
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Das
heißt,
um das Starten der Maschine zu erleichtern, ist es wünschenswert,
dass der Magnetfluss zusammen mit der magnetischen Ungleichmäßigkeit
klein ist. Auf diese Weise sind die Maßnahmen zum Erleichtern des
Startens entgegengesetzt zu den Maßnahmen zum Erleichtern des
Synchronität.
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Um
eine Rotationsmaschine zu verwirklichen, die in der Lage ist, beim
Starten der Maschine als Induktionsmaschine zu arbeiten und im Nennbetrieb
der Maschine als Synchronmaschine zu arbeiten, stellen die Ausführungsformen
der Erfindung die folgenden Bedingungen bereit, während der
Fluss der Dauermagneten und die magnetische Ungleichmäßigkeit
mit geeigneten Werten versehen werden.
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Das
heißt,
in dem Rotor der Dauermagnet-Rotationsmaschine der Ausführungsform
ist der Magnetabschnitt 33b zwischen dem Pol 3a und
dem Interpol 3b und zwischen dem Ende des Magneten 32 und
dem Umfang des Rotorkerns 31 sich definiert, so dass der
Durchschnitt des magnetischen Fluss in dem Luftspalt 2,
der durch die Dauermagneten 32 bei beendeter Erregung der
Ankerwicklungen erzeugt wird, im Bereich von 0,1 [T] bis 0,7 [T]
liegt. Ferner ist der Rotor ebenso derart aufgebaut, um die Reluktanz mit
geeigneteren Werten durch Verändern
des magnetischen Flusses bzw. der Polbreite W1 vorzusehen.
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Bevorzugt
liegt die Polbreite W1 im Bereich des 0,3 bis 0,5-fachen der Länge eines
Polabstandes (d.h. eine Umfangslänge
von einer Mitte eines Pols zu einer anderen Mitte eines benachbarten
Pols).
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Ferner
sind die Polbreite W1 und die Breite W2 eines magnetischen Abschnitts
zwischen den benachbarten Magneten 32 derart vorgesehen,
dass das Verhältnis
(Lq/Ld) der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in der schwermagnetisierenden Richtung
zur Selbstinduktivität
(Ld) in der leichtmagnetisierenden Richtung von 0,1 bis 0,8 liegt.
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Mit
der obigen Anordnung ist es möglich, eine
Rotationsmaschine bereitzustellen, die beim Starten der Maschine
als Induktionsmaschine arbeiten kann, und beim Nennbetrieb als Synchronmaschine
arbeitet, dank des sanften Ansprechens.
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Als
nächstes
beschreiben wir den Rotor der Dauermagnet-Rotationsmaschine gemäß der zweiten
Ausführungsform.
Es ist zu beachten, dass in den jeweiligen, später beschriebenen Ausführungsformen
die ausführlichen
Beschreibungen von Bauteilen weggelassen werden, die identisch zu
denjenigen der ersten Ausführungsform
sind.
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Das
heißt,
die nachfolgend erläuterte
Ausführungsform
beruht auf der Annahme, dass der Rotor 3 mit der Last im
wesentlichen proportional zu einer dritten Potenz der Rotorfrequenz
verbunden ist. In dem ersten Beispiel ist der Rotor auf eine Weise konstruiert,
dass der Widerstand der Leiter 33 an dem Umfang des Rotors 3 im
wesentlichen gleich dem Widerstand von Aluminium ist.
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Ferner
ist in dem ersten Beispiel der Magnetabschnitt 31b zwischen
dem Pol 3a und dem Interpol 3b und zwischen dem
Ende des Magneten 32 und dem Umfang des Rotorkerns 31 definiert,
so dass der Durchschnitt des magnetischen Flusses, der durch die
Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung der Ankerwindungen
erzeugt wird, im Bereich von 0,1 [T] bis 0,5 [T] in dem Luftspalt 2 liegt.
Die Polbreite W1 und die Breite W2 des magnetischen Abschnitts zwischen
benachbarten Magneten 32 sind derart vorgesehen, dass das
Verhältnis
(Lq/Ld) der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in der schwermagnetisierenden Richtung
zur Selbstinduktivität (Ld)
in der leichtmagnetisierenden Richtung im Bereich 0,1 bis 0,8 liegt.
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In
dem zweiten Beispiel ist der Widerstand der Leiter 33 gleich
allgemein 110% in Bezug auf den Widerstand von Aluminium. Dann sind
der magnetische Abschnitt 31b die Polbreite W1 und die
Breite W2 jeweils derart vorgesehen, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses, der durch die Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung
der Ankerwicklungen erzeugt wird, im Bereich von 0,2 [T] bis 0,6
[T] in dem Luftspalt 2 liegt, und das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
in der schwermagnetisierenden Richtung zur Selbstinduktivität in der
leichtmagnetisierenden Richtung liegt im Bereich von 0,1 bis 0,7.
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In
dem dritten Beispiel ist der Widerstand der Leiter 33 gleich
allgemein 120% in Bezug auf den Widerstand von Aluminium. Dann sind
der magnetische Abschnitt 31b die Polbreite W1 und die
Breite W2 jeweils derart vorgesehen, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses, der durch die Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung
der Ankerwicklungen erzeugt wird, im Bereich von 0,2 [T] bis 0,6
[T] in dem Luftspalt 2 liegt, und das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
in der schwermagnetisierenden Richtung zur Selbstinduktivität in der
leichtmagnetisierenden Richtung liegt im Bereich von 0,1 bis 0,6.
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In
dem vierten Beispiel ist der Widerstand der Leiter 33 gleich
allgemein 130% in Bezug auf den Widerstand von Aluminium. Dann sind
der magnetische Abschnitt 31b die Polbreite W1 und die
Breite W2 jeweils derart vorgesehen, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses, der durch die Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung
der Ankerwicklungen erzeugt wird, im Bereich von 0,2 [T] bis 0,6
[T] in dem Luftspalt 2 liegt, und das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
in der schwermagnetisierenden Richtung zur Selbstinduktivität in der
leichtmagnetisierenden Richtung liegt im Bereich von 0,1 bis 0,5.
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In
dem fünften
Beispiel ist der Widerstand der Leiter 33 gleich allgemein
140% in Bezug auf den Widerstand von Aluminium. Dann sind der magnetische
Abschnitt 31b die Polbreite W1 und die Breite W2 jeweils
derart vorgesehen, dass der Durchschnitt des magnetischen Flusses,
der durch die Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung der
Ankerwicklungen erzeugt wird, im Bereich von 0,3 [T] bis 0,6 [T]
in dem Luftspalt 2 liegt, und das Verhältnis (Lq/Ld) der Selbstinduktivität in der
schwermagnetisierenden Richtung zur Selbstinduktivität in der
leichtmagnetisierenden Richtung liegt im Bereich von 0,1 bis 0,5.
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In
dem sechsten Beispiel ist der Widerstand der Leiter 33 gleich
allgemein 150% in Bezug auf den Widerstand von Aluminium. Dann sind
der magnetische Abschnitt 31b die Polbreite W1 und die
Breite W2 jeweils derart vorgesehen, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses, der durch die Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung
der Ankerwicklungen erzeugt wird, im Bereich von 0,3 [T] bis 0,7
[T] in dem Luftspalt 2 liegt, und das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
in der schwermagnetisierenden Richtung zur Selbstinduktivität in der
leichtmagnetisierenden Richtung liegt im Bereich von 0,1 bis 0,4.
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Als
nächstes
beschreiben wir die dritte Ausführungsform
der Erfindung. In dieser Ausführungsform
wird der Rotor ohne Last betrieben, d. h. im wesentlichen unter "Null"-Last und zwar vom
Starten der Maschine bis zur Synchronität. Nach Erreichen der Nennrotationen
ist der Rotor mit der Last im wesentlichen proportional zur dritten
Potenz der Rotorfrequenz verbunden.
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Unter
diesen Bedingungen ist in dem 1. Beispiel der Widerstand der Leiter 33 an
dem Umfang des Rotors 3 im wesentlichen gleich zu dem Widerstand
im Aluminium. Ferner ist der magnetische Abschnitt 33b derart
definiert, dass der Durchschnitt des magnetischen Flusses, der durch
die Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung der Ankerwicklungen erzeugt
wird, im Bereich von 0,1 [T] bis 0,5 [T] in dem Luftspalt 2,
während
der magnetische Fluss und die Reluktanz derart vorgesehen sind,
um jeweils geeignete Werte zu besitzen.
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Die
Polbreite W1 und die Breite W2 des magnetischen Abschnitts zwischen
den benachbarten Magneten 32 sind derart herbeigeführt, dass
das Verhältnis
(Lq/Ld) der Selbstinduktivität
(Lq) des magnetischen Abschnitts in der schwermagnetisierenden Richtung
zur Selbstinduktivität
(Ld) in der leichtmagnetisierenden Richtung im Bereich von 0,1 bis
0,8 liegt. Dementsprechend kann eine Rotationsmaschine bereitgestellt
werden, die beim Starten der Maschine als Induktionsmaschine arbeitet
und beim Nennbetrieb der Maschine als Synchronmaschine arbeitet
und zwar sanft.
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In
dem 2. Beispiel ist der Widerstand der Leiter 33 gleich
allgemein 110% in Bezug auf den Widerstand von Aluminium. Dann sind
der magnetische Abschnitt 31b die Polbreite W1 und die
Breite W2 jeweils derart vorgesehen, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses, der durch die Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung
der Ankerwicklungen erzeugt wird, im Bereich von 0,2 [T] bis 0,6
[T] in dem Luftspalt 2 liegt und das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
in der schwermagnetisierenden Richtung zur Selbstinduktivität in der
leichtmagnetisierenden Richtung im Bereich von 0,1 bis 0,7 liegt.
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In
dem 3. Beispiel ist der Widerstand der Leiter 33 gleich
allgemein 120% in Bezug auf den Widerstand von Aluminium. Dann sind
der magnetische Abschnitt 31b die Polbreite W1 und die
Breite W2 jeweils derart vorgesehen, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses, der durch die Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung
der Ankerwicklungen erzeugt wird, im Bereich von 0,2 [T] bis 0,6
[T] in dem Luftspalt 2 liegt, und das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
in der schwermagnetisierenden Richtung zur Selbstinduktivität in der
leichtmagnetisierenden Richtung im Bereich von 0,1 bis 0,6 liegt.
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In
dem 4. Beispiel ist der Widerstand der Leiter 33 gleich
allgemein 130% in Bezug auf den Widerstand von Aluminium. Dann sind
der magnetische Abschnitt 31b die Polbreite W1 und die
Breite W2 jeweils derart vorgesehen, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses, der durch die Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung
der Ankerwicklungen erzeugt wird, im Bereich von 0,2 [T] bis 0,6
[T] in dem Luftspalt 2 liegt, und das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
in der schwermagnetisierenden Richtung zur Selbstinduktivität in der
leichtmagnetisierenden Richtung im Bereich von 0,1 bis 0,5 liegt.
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In
dem 5. Beispiel ist der Widerstand der Leiter 33 gleich
allgemein 140% in Bezug auf den Widerstand von Aluminium. Dann sind
der magnetische Abschnitt 31b die Polbreite W1 und die
Breite W2 jeweils derart vorgesehen, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses, der durch die Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung
der Ankerwicklungen erzeugt wird, im Bereich von 0,3 [T] bis 0,6
[T] in dem Luftspalt 2 liegt, und das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
in der schwermagnetisierenden Richtung zur Selbstinduktivität in der
leichtmagnetisierenden Richtung im Bereich von 0,1 bis 0,5 liegt.
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In
dem 6. Beispiel ist der Widerstand der Leiter 33 gleich
allgemein 150% in Bezug auf den Widerstand von Aluminium. Dann sind
der magnetische Abschnitt 31b die Polbreite W1 und die
Breite W2 jeweils derart vorgesehen, dass der Durchschnitt des magnetischen
Flusses, der durch die Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung
der Ankerwicklungen erzeugt wird, im Bereich von 0,3 [T] bis 0,7
[T] in dem Luftspalt 2 liegt, und das Verhältnis (Lq/Ld)
der Selbstinduktivität
in der schwermagnetisierenden Richtung zur Selbstinduktivität in der
leichtmagnetisierenden Richtung liegt im Bereich von 0,1 bis 0,4.
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Aufgrund
der Tatsache, dass der Rotor ohne Last angetrieben wird, mit im
wesentlichen „Null" beim Starten der
Maschine bis zur Synchronisation, wird nach dem Erreichen der Nennrotationen
der Rotor mit der Last im wesentlichen proportional zur dritten
Potenz einer Rotorfrequenz verbunden, aufgrund des Vorsehens von:
des Widerstands der Leiter 33; des Durchschnitts des magnetischen
Flusses, der durch die Dauermagneten 32 bei beendeter Anregung
der Ankerwicklungen erzeugt wird; und des Verhältnisses (Lq/Ld) der Selbstinduktivität in der schwermagnetisierenden
Richtung zur Selbstinduktivität
in der leichtmagnetisierenden Richtung, ist es möglich, eine Rotationsmaschine
bereitzustellen, die beim Starten der Maschine als Induktionsmaschine arbeitet,
und die im Nennbetrieb als Synchronmaschine arbeitet, und zwar sanft.
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5 ist
eine Schnittansicht des Rotors der Dauermagnet-Rotationsmaschine gemäß der vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die entlang der radialen Richtung der
Maschine geführt ist.
Gemäß der Ausführungsform
sind die Leiter (leitfähigen
Stäbe) 33 in
dem Umfang des Rotorkerns 31 in der Umfangsrichtung angeordnet.
Wie in der Figur gezeigt, ist jeder Leiter 33 derart geformt,
dass er einen rechteckigen Querschnitt besitzt, der durch ausreichend
lange Seiten verglichen mit den anderen Seiten gekennzeichnet ist.
Bei der Anordnung sind die Leiter 33 radial zur Rotationsmittelachse
des Rotorkerns 33 als Mittelpunkt auf eine Weise angeordnet,
dass die jeweiligen langen Seiten des Querschnitts sich entlang
der Radialrichtung des Rotors 3 erstrecken.
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Obgleich
das Induktionsdrehmoment beim Starten der Maschine proportional
zur Zeitvariationsrate des Verbindungsflusses der Ankerwicklungen 11 mit
den Starterleitern 33 und ebenso dem Widerstandsleiter 33 ist,
tritt der Fluss nicht in das Innere des Rotorkerns mehr als zur
Oberfläche
des Rotors ein, und zwar durch die Hautwirkung des alternierenden
Flusses, da der Fluss mit hoher Frequenz beim Starten der Maschine
erzeugt wird.
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Daher
ist der Querschnitt des Leiters 33 in der radialen Richtung
des Rotors 3 lang und in der Umfangsrichtung kurz ausgeformt,
strömt
daher der Induktionsstrom nur durch die äußeren Enden der Leiter 33 durch
die Hauptwirkung, was gleichzeitig zu einem Fall des Verminderns
des Querschnitts der Leiter 33 ist. In anderen Worten ist
der Rotor 3, der die derart geformten Leiter 33 besitzt, äquivalent
zu einem Zustand des Anhebens des Widerstandes jedes Leiters 33,
so dass es möglich
ist, das Startdrehmoment effektiv zu erzeugen.
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Zusätzlich ist,
aufgrund der Schmalheit jedes Leiters 33 in der Umfangsrichtung
des Rotors 3, der magnetische Pfad in jedem Pol 3a derart
verbreitert, um den Flussstrom in der leichtmagnetisierenden Richtung
(d-Achse) weiter zu erleichtern, was dazu führt, dass das Reluktanzdrehmoment
erhöht
wird. Dementsprechend ist es aufgrund des Startdrehmoments, das
effektiv beim Starten der Maschine sichergestellt wird, und des
Reluktanzdrehmoments, das effektiv im Nennbetrieb der Maschine erzeugt wird,
möglich,
eine Rotationsmaschine zu verwirklichen, die beim Starten der Maschine
als Induktionsmaschine arbeitet und im Nennbetrieb als Synchronmaschine
arbeitet.
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6 ist
eine Schnittansicht des Rotors der Dauermagnet-Rotationsmaschine gemäß der fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die entlang der radialen Richtung der
Maschine geführt ist.
Gemäß der Ausführungsform
ist der Rotorkern 31 an dem Umfangsteil mit den Leitern 33 ausgestattet, welche
den induzierten Strom beim Starten der Maschine erzeugen können, um
das Startdrehmoment sicherzustellen. Wie in der Figur gezeigt, besitzt
jeder Leiter 33 ein Querschnitt in der Form eines gleichschenkligen
Dreiecks, dessen Basis auf der Seit des Umfangs des Rotorkerns 31 angeordnet
ist, während die
Spitze zu der Seite der zentralen Achse des Rotorkerns 31 gerichtet
ist. Diese Leiter 33 sind radial zu der Rotationsmittelachse
des Rotorkerns 31 als Mittelpunkt angeordnet.
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Es
ist zu beachten, dass die Breite des Leiterteils in Form eines gleichschenkligen
Dreiecks in der Umfangsrichtung des Rotors 3 größer wird,
wenn sich das Teil der Basis annähert.
Das heißt,
durch Positionieren der Basis mit der größten Breite jedes Leiters an
dem äußeren Umfangsabschnitt
des Rotors 3, der eine Umfangslänge in Vergleich mit derjenigen des
inneren Umfangsabschnitts besitzt, ist es möglich, einen magnetischen Pfad
in der leichtmagnetisierenden Richtung sicherzustellen, der breiter
ist als in dem Fall des Anordnens der Basis jedes Leiters an der
inneren Umfangsseite des Rotorkerns 33, wodurch das Reluktanzdrehmoment
erhöht
wird.
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Da
ferner das Startdrehmoment durch den Starterstrom erzeugt wird,
der in den Leitern 33 beim Starten der Maschine induziert
wird, und das große Reluktanzdrehmoment
beim Nennbetrieb der Maschine erzielt werden kann, ist es möglich, eine
Rotationsmaschine zu verwirklichen, die von ihrem Betrieb als Induktionsmaschine
beim Starten der Maschine zu ihrem Betrieb als Synchronmaschine
beim Nennbetrieb sanft übergehen
kann.
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Wie
oben erwähnt
ist aufgrund des Vorsehens von: Polbreite, Breite des magnetischen
Abschnitts zwischen benachbarten Magneten, Magnetfluss, Verhältnis der
Selbstinduktivität
des magnetischen Abschnitts in der schwermagnetisierenden Richtung
zur Selbstinduktivität
in der leichtmagnetisierenden Richtung, und Konfigurationen der
Leiter (d.h. übermäßig rechteckig,
gleichschenkliges Dreieck), der Rotor der Dauermagnet-Rotationsmaschine zu
einem sanften Ansprechen für
die Synchronisation der Maschine in der Lage, wodurch eine große Wirkung
für den
praktischen Gebrauch bereitgestellt wird.
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Schließlich wird
dem Fachmann ersichtlich sein, dass die vorhergehenden Beschreibungen
bevorzugter Ausführungsformen
der Rotationsmaschine sind, und dass verschiedene Veränderungen
und Modifikationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden
können,
ohne vom Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen.