EP1579553A1 - Rotor für einen elektromotor - Google Patents

Rotor für einen elektromotor

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Publication number
EP1579553A1
EP1579553A1 EP03779721A EP03779721A EP1579553A1 EP 1579553 A1 EP1579553 A1 EP 1579553A1 EP 03779721 A EP03779721 A EP 03779721A EP 03779721 A EP03779721 A EP 03779721A EP 1579553 A1 EP1579553 A1 EP 1579553A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
axis
electric motor
permanent magnets
magnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03779721A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Niels Christian Weihrauch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Danfoss Deutschland GmbH
Original Assignee
Danfoss Compressors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Danfoss Compressors GmbH filed Critical Danfoss Compressors GmbH
Publication of EP1579553A1 publication Critical patent/EP1579553A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/46—Motors having additional short-circuited winding for starting as an asynchronous motor

Definitions

  • the invention relates to a rotor for an electric motor, in particular a line-start electric motor, with receiving spaces for conductor bars running in the axial direction and receiving spaces for permanent magnets running in the axial direction, which are designed and arranged such that they have a permanent magnetic field with a magnetic axis and a Generate neutral axis.
  • Hybrid three-phase motors which represent a combination of a three-phase asynchronous motor with a three-phase synchronous motor, are referred to as line-start electric motors.
  • Such a line-start electric motor comprises a stator, which is also referred to as a stator, with a plurality of stator or stator windings.
  • the stator windings generate a rotating field that generates a voltage in a rotor or rotor, which causes the rotor to rotate.
  • the rotor of a line start electric motor has both features of the rotor one
  • Line start motors can also be designed for single-phase mains supply, possibly with an operating capacitor.
  • conductor bars for example made of aluminum or copper, are arranged essentially in the axial direction.
  • the conductor bars can be connected by short-circuit rings on the end faces of the rotor.
  • the conductor bars together with the short-circuit rings form the rotor winding and can have the shape of a cage, which is why such a rotor can also be referred to as a squirrel-cage rotor.
  • the rotating field of the stator winding causes
  • the flow rate of change is proportional to the rotating field speed.
  • the induced voltage causes current to flow in the rotor conductor bars connected by the short-circuit rings.
  • the magnetic field generated by the rotor current causes a torque that rotates the rotor in the direction of rotation of the stator rotating field.
  • the rotor speed is therefore at three-phase asynchronous motors always lower than the rotating field speed. The rotor therefore does not run mechanically in synchronism with the rotating field speed.
  • Permanent magnets can be arranged in the rotor of a three-phase synchronous motor, for example, which generate a rotating magnetic field during operation.
  • the poles of the rotor are attracted by the opposite poles of the stator rotating field and shortly afterwards repelled by its poles of the same type. Due to its inertia, the rotor cannot immediately follow the stator speed. If, however, the rotor has approximately reached the speed of the stator rotating field, then the rotor is, so to speak, drawn into the stator rotating field speed and continues to run with it. This means that after the rotor starts up, it rotates synchronously with the stator rotating field speed.
  • the rotor of a line start electric motor includes both permanent magnets and conductor bars.
  • the conductor bars form a starting aid for the rotor.
  • the permanent magnets are effective.
  • the line start electric motor thus combines the good starting properties of an asynchronous motor, i.e. the large starting torque, with the high efficiency of the synchronous motor.
  • the conductor bars develop their effect, whereas the permanent magnets actually only have a disruptive role when the motor starts.
  • the permanent magnets develop their effect, whereas the conductor bars then no longer contribute to the generation of the torque, since no voltage is induced in the conductor bars in synchronous operation.
  • the magnetic field existing in the operation of the line-start electric motor in an air gap between the rotor and stator comprises two components.
  • the first component of the resulting field is caused by the stator windings. This is also known as a rotating field.
  • the second component of the resulting field is brought about by the permanent magnets, which can also be referred to as permanent magnets.
  • Electric motors can cause torque fluctuations that are undesirable.
  • the object of the invention is therefore to create a rotor according to the preamble of claim 1, in particular for an electric motor according to the preamble of claim 8, which makes the magnetic field approximately sinusoidal during synchronous operation.
  • the task is for a rotor for an electric motor, in particular a line-start electric motor, with receiving spaces for conductor bars running in the axial direction and with receiving spaces for permanent magnets running in the axial direction, which are designed and arranged such that they form a permanent magnetic field with a magnetic axis and generate a neutral axis, solved in that the diameter of the rotor along the magnetic axis is larger than along the neutral axis.
  • the rotor therefore has a circular cross section, the thickness of which is somewhat greater along the magnetic axis than along the neutral axis.
  • the differently sized rotor diameters or rotor thicknesses mean that the distance between the outer circumference of the rotor and a stator surrounding the rotor, which has a receiving space for the rotor with a circular cross section, is no longer constant as in conventional electric motors. Due to the inventive design of the rotor, the distance between the outer circumference of the rotor and the stator varies depending on the angle of rotation of the rotor. As a result, the air gap between the rotor and the stator is greatest along the neutral axis and smallest along the magnetic axis.
  • Rotor receives a higher magnetic flux density in the rotor than a conventional rotor. In concrete terms, this has the consequence that the amplitude of the basic magnetic tone is increased and thus contributes to a greater torque. This in turn means that the amount of used magnetic material can be saved.
  • a preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the diameter of the rotor is at most 2 mm larger along the magnetic axis than along the neutral axis. This means that the rotor thickness along the magnetic axis is slightly larger than along the neutral axis.
  • the cross-section of the rotor is no longer circular, but slightly oval.
  • the specified limit of 2 mm refers to a rotor diameter of approximately 60 mm.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the diameter of the rotor along the magnetic axis is 0.5 to 1 mm larger than along the neutral axis. In experiments carried out within the scope of the present invention, the best results were achieved with these values.
  • a further preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the cross section of the rotor has the shape of an ellipse, the main axis of which coincides with the magnetic axis and the secondary axis of which coincides with the neutral axis.
  • a further preferred exemplary embodiment is characterized in that the receiving spaces for the permanent magnets are designed so as to be curved and are arranged around the axis of rotation of the rotor such that the distance between the receiving spaces for the permanent magnets and the receiving spaces for the conductor bars, in cross section through the rotor considered, is larger in the area of the magnetic axis than in the area of the neutral axis. This creates sufficient space for the field lines of the magnetic field generated by the stator.
  • the receiving spaces for the permanent magnets viewed in cross section through the rotor, have the shape of arcs which are arranged in the form of an ellipse, the main axis of which is aligned with the neutral axis and the axis coincides with the magnetic axis.
  • This arrangement has proven to be particularly advantageous with regard to the distribution of the magnetic field lines during operation of the device according to the invention.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the permanent magnets are rod-shaped and essentially form two semicircles around a through hole in the rotor. In this way, inexpensive manufacture can be achieved, because bar magnets are cheaper than curved magnets.
  • Figure 1 shows a cross section through an electric motor according to a first embodiment of the invention with curved permanent magnets
  • Figure 2 shows the representation of a rotor in cross section according to another
  • FIG. 3 shows a diagram in which the course of the magnetic field strength B is plotted over the angle of rotation of the rotor
  • Figure 4 shows the representation of a rotor in cross section according to another
  • Figure 5 shows the representation of a rotor in cross section according to another
  • Figure 6 is a diagram in which the curve of the torque is plotted against the rotor speed.
  • a rotor receiving space 1 of the stator is shown schematically in cross section by a circle.
  • a rotor 2 is rotatably received in the rotor receiving space 1.
  • the rotor 2 has an elliptical cross section.
  • receiving spaces 4, 5, 6 are arranged distributed uniformly over the circumference of the rotor 2.
  • the receiving spaces 4, 5 and 6 for conductor bars each have a circular cross section.
  • two receiving spaces 10 and 11 for permanent magnets are arranged.
  • the receiving spaces 10 and 11 for permanent magnets like the receiving spaces 4 to 6 for conductor bars, extend in the axial direction of the essentially circular-cylindrical rotor 2.
  • the receiving spaces 10 and 11 for permanent magnets are arranged and formed curved around the axis of rotation of the rotor ,
  • the receiving spaces 10 and 11 have the shape of arcs which are arranged in the shape of an ellipse.
  • the rotor In the center, the rotor has a central through hole 17 which serves to receive a shaft which can be connected to the rotor 2 in a rotationally fixed manner.
  • the torque generated by the electric motor can be output via the shaft (not shown).
  • Permanent magnets 14 and 15, which generate a permanent field, are received in the receiving spaces 10 and 11.
  • the magnetic field generated by the permanent magnets 14 and 15 is indicated in FIG. 1 by magnetic field lines 20, 21.
  • the permanent magnetic field generated by the permanent magnets 14 and 15 has a magnetic axis 22 and a neutral axis 23.
  • the magnetic field strength is greatest along the magnetic axis 22.
  • the magnetic field strength of the permanent magnetic field is zero along the neutral axis 23.
  • the rotor 2 has a greater thickness along the magnetic axis 22 than along the neutral axis 23. Accordingly, the rotor 2 has this on its outer circumference Shape of an ellipse, the main axis of which coincides with the magnetic axis 22 and the secondary axis of which coincides with the neutral axis 23.
  • the ellipse formed by the receiving spaces 10 and 11 for the permanent magnets 14 and 15 is arranged perpendicular to the ellipse forming the outer circumference of the rotor 2.
  • the main axis of the ellipse formed by the receiving spaces 10 and 11 coincides with the neutral axis 23.
  • the minor axis of the ellipse formed by the receiving spaces 10 and 11 coincides with the magnetic axis 22.
  • the use of a rotor which has a larger diameter or a greater thickness in the direction of the magnetic axis 22 of the permanent magnets 14 and 15 than in the direction of the neutral axis 23 leads to the distance between the rotor 2 and the rotor receiving space 1 of the stator varying That is, the air gap formed between the rotor 2 and the rotor receiving space 1 of the stator is variable.
  • the air gap is smallest along the magnetic axis 22 and largest along the neutral axis 23.
  • the permanent magnets 14 and 15 do not fill the entire cross section of the receiving spaces 10 and 11.
  • the empty or air-filled parts of the receiving spaces 10 and 11 do not generate a magnetic field, which can be seen from the course of the magnetic field lines 20, 21.
  • the distance between the magnetic field lines in the air gap between the rotor 2 and the rotor receiving space 1 of the stator is a measure of the electrical field strength. It can be seen from FIG. 1 that the magnetic field strength is greatest where the rotor 2 is arranged very close to the rotor receiving space 1 of the stator. To the right and left of the magnetic axis 22, the magnetic field generated by the permanent magnets 14 and 15 becomes weaker, which is desirable. It is thereby achieved that the magnetic field strength in the air gap between the rotor 2 and the rotor receiving space 1 of the stator is approximated to a sinusoidal shape depending on the angle of rotation of the rotor.
  • a rotor 25 is shown in cross section in FIG. 2, which has a thickness of 60.34 mm in the region of the neutral axis 26 of the permanent magnetic field and a thickness of 61.3 mm in the region of the magnetic axis 24 of the permanent magnetic field.
  • the rotor shown in Figure 2 includes receiving spaces for conductor bars, the cross section of which is not circular.
  • the cross section shown in FIG. Receiving spaces 27 and 28 for conductor bars has proven to be advantageous in experiments carried out in the context of the present invention.
  • receiving spaces 30, 31 and 32 for permanent magnets are arranged.
  • the receiving spaces 30 to 32 are not curved, but straight and each have the shape of an elongated rectangle.
  • the course of the magnetic field strength B is plotted against the angle of rotation ⁇ in FIG.
  • a sinusoidal curve would be ideal.
  • the ideal sinusoidal shape is approximated.
  • the sinusoidal curve shown in FIG. 3 is, however, only achieved during the synchronous operation of the line start electric motor, but not when the line start electric motor is started when the rotor starts asynchronously.
  • the non-circular shape of the rotor causes the starting torque to increase, but the efficiency to decrease slightly.
  • this disadvantage is accepted.
  • a rotor 35 according to a further embodiment of the invention is shown in cross section in FIG.
  • the rotor 35 is similar to the rotor 25 shown in FIG. 2. Reference numerals increased by ten in FIG. 4 are used to designate the same parts.
  • the distance C between the through bore 44 and the receiving space 41 ' is smaller than in the embodiment shown in FIG. 2. This results in a larger distance between the receiving space 41 'and the radially outer receiving space 45 for a conductor bar, which has proven to be advantageous during operation.
  • FIG. 5 shows a rotor 2 'in cross section, which is similar to the rotor 2 shown in FIG. 1. However, the recording rooms 10 'and 11' are completely dig filled with permanent magnets 14 'and 15'. 5 shows magnetic field lines 50, 51 of the magnetic field generated by the stator windings (not shown). The magnetic axis of the magnetic field generated by the stator windings is denoted by 54. The magnetic axis 52 of the permanent magnetic field generated by the permanent magnets 14 'and 15' runs perpendicular to this. The radii of curvature of the permanent magnets 14 'and 15' are significantly larger in the region of the intersections with the magnet axis 52 than at the ends of the permanent magnets. It follows from this that the distance F between the passage 17 and the permanent magnets 14 ', 15' is significantly larger than the distance G.
  • FIG. 6 shows that the starting torque of the electric motor 61 according to the invention is higher than in the conventional line-start electric motor 62.
  • the number 63 in FIG. 6 denotes the torque curve of a conventional asynchronous motor without a starting capacitor with a non-circular rotor.
  • 64 denotes the torque curve of a conventional asynchronous motor without a starting capacitor.
  • the tilting moment K occurs with a non-circular rotor at a lower speed than with a conventional rotor.
  • the curves of FIG. 6 would have approximately the same shape with line-start motors, only they would have a greater ripple.
  • the increase in the starting torque or the tilting torque is due to the inventive enlargement of the air gap in the region of the neutral axis.
  • the larger air gap means that the impedance of the 3 o electric motor is reduced, which means that the motor draws a larger current and thus the torque is increased.
  • the lowering of the motor impedance is due to the fact that the magnetic field generated by the stator is exposed to a larger volume of air, which means that the system has a larger ohmic component and is therefore faster.
  • the reactance will smaller and the ohmic component R is given a relatively greater weight.
  • the efficiency drops, but the torque increases because the smaller reactance slows down the increase in current less.
  • the current increases faster in the line-start electric motor according to the invention, which leads to a greater torque than in conventional line-start electric motors.
  • the laminated core of the rotor can consist of different laminates, for example a first laminate and a second laminate.
  • the laminate sequence can be as follows: first laminate, second laminate, first laminate, that is, the rotor is divided into three sections.
  • the second laminate forms a transition zone.
  • the transition zone serves to achieve a so-called slot bevel, that is to say that a conductor bar in a first end of the rotor is offset in comparison to the conductor bar in the other end of the rotor.
  • the offset for example between 10 and 20 mechanical degrees, is achieved in the transition zone in that the conductor bar does not run parallel to the axis of rotation of the rotor, but is inclined to the side thereof.
  • the amplitude of magnetic harmonics that interfere with the rotating field are desirably greatly reduced by the slot bevel.
  • the transition zone consists, for example, of 10 to 20 sheet laminates, the receiving spaces of which are offset from one another.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Elektromotor, insbesondere einen Line-Start-Elektromotor, mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (4-6) für Leiterstäbe und mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (10, 11) für Permanentmagnete (14, 15), die so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie ein Permanentmagnetfeld mit einer Magnetachse (22) und einer Neutralachse (23) erzeugen. Um einen möglichst gleichmäβigen Lauf des Rotors im Betrieb des Elektromotors zu gewährleisten, ist der Durchmesser des Rotors entlang der Magnetachse (22) gröβer ist als entlang der Neutralachse (23).

Description

Rotor für einen Elektromotor
Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Elektromotor, insbesondere einen Line-Start-Elektromotor, mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen für Leiterstäbe und in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen für Permanentmagnete, die so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie ein Permanentmagnetfeld mit einer Magnetachse und einer Neutralachse erzeugen.
Als Line-Start-Elektromotoren werden Hybrid-Drehstrommotoren bezeichnet, die eine Kombination eines Drehstromasynchronmotors mit einem Drehstromsynchronmotor darstellen. Ein solcher Line-Start-Elektromotor umfasst einen Stator, der auch als Ständer bezeichnet wird, mit mehreren Stator- oder Ständerwicklungen. Die Ständerwicklungen erzeugen ein Drehfeld, das in einem Läufer oder Rotor eine Spannung erzeugt, durch die der Rotor in Drehung versetzt wird. Der Rotor eines Line-Start-Elektromotors hat sowohl Merkmale des Rotors eines
Drehstromasynchronmotors als auch Merkmale des Rotors eines Drehstromsynchronmotors. Line-Start-Motoren können auch für einphasige Netzversorgung ausgelegt werden, eventuell mit Betriebskondensator.
In dem Rotor eines Drehstromasynchronmotors, der auch als Induktionsmotor bezeichnet wird, sind Leiterstäbe zum Beispiel aus Aluminium oder Kupfer im Wesentlichen in axialer Richtung angeordnet. An den Stirnseiten des Rotors können die Leiterstäbe durch Kurzschlussringe verbunden sein. Die Leiterstäbe bilden zusammen mit den Kurzschlussringen die Läuferwicklung und können die Form eines Käfigs haben, weshalb ein solcher Rotor auch als Käfigläufer be- zeichnet werden kann. In Betrieb bewirkt das Drehfeld der Statorwicklung eine
Flussänderung in den Leiterschleifen des zunächst stillstehenden Rotors. Die Flussänderungsgeschwindigkeit ist proportional der Drehfelddrehzahl. Die induzierte Spannung lässt Strom in den durch die Kurzschlussringe verbundenen Rotorleiterstäben fließen. Das durch den Rotorstrom erzeugte Magnetfeld be- wirkt ein Drehmoment, das den Rotor in Drehrichtung des Statordrehfelds dreht.
Wenn der Rotor die Drehzahl des Statordrehfelds erreichen würde, dann wäre die Flussänderung in der betrachteten Leiterschleife Null und damit auch das die Drehung bewirkende Drehmoment. Die Rotordrehzahl ist daher bei Drehstrom- asynchronmotoren stets kleiner als die Drehfelddrehzahl. Der Rotor läuft also nicht mechanisch synchron mit der Drehfelddrehzahl.
In dem Rotor eines Drehstromsynchronmotors können zum Beispiel Permanentmagnete angeordnet sein, die im Betrieb ein magnetisches Rotordrehfeld erzeugen. Wenn die Statorwicklung mit Drehstrom versorgt wird, werden die Pole des Rotors durch die Gegenpole des Statordrehfelds angezogen und kurz darauf von dessen gleichartigen Polen abgestoßen. Der Rotor kann in Folge seiner Massenträgheit nicht sofort der Statordrehzahl folgen. Wenn der Rotor aber annähernd die Drehzahl des Statordrehfelds erreicht hat, dann wird der Rotor sozusagen in die Statordrehfelddrehzahl hineingezogen und läuft mit dieser weiter. Das heißt, nach dem Anlaufen des Rotors dreht sich dieser synchron mit der Statordrehfelddrehzahl.
Der Rotor eines Line-Start-Elektromotors umfasst sowohl Permanentmagnete als , auch Leiterstäbe. Die Leiterstäbe bilden eine Anlaufhilfe für den Rotor. Wenn annähernd die Drehzahl des Statordrehfelds erreicht worden ist, dann entfalten die Permanentmagnete ihre Wirkung. Der Line-Start-Elektromotor verbindet also die guten Anlaufeigenschaften eines Asynchronmotors, also das große Anlaufmoment, mit dem hohen Wirkungsgrad des Synchronmotors. Beim Anlaufen des Motors entfalten die Leiterstäbe ihre Wirkung, wohingegen die Dauermagnete beim Anlaufen des Motors eigentlich nur eine störende Rolle haben. Während des synchronen Betriebs, zum Beispiel bei 50 Hz oder 3000 U/min., entfalten dagegen die Dauermagnete ihre Wirkung, wohingegen die Leiterstäbe dann nicht mehr zur Erzeugung des Drehmoments beitragen, da im Synchronbetrieb in den Leiterstäben keine Spannung induziert wird.
Das im Betrieb des Line-Start-Elektromotors in einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator existierende magnetische Feld umfasst zwei Komponenten. Die erste Komponente des resultierenden Felds wird von den Statorwicklungen bewirkt. Dies wird auch als Drehfeld bezeichnet. Die zweite Komponente des resultierenden Felds wird von den Permanentmagneten bewirkt, die auch als Dauermag- neten bezeichnet werden können. In Betrieb von herkömmlichen Line-Start-
Elektromotoren, wie sie zum Beispiel aus der WO 01/06624A1 bekannt sind, können Drehmomentschwankungen auftreten, die unerwünscht sind. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 , insbesondere für einen Elektromotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 8, zu schaffen, der das Magnetfeld während synchronen Betriebs annähernd sinusförmig macht.
Die Aufgabe ist bei einem Rotor für einen Elektromotor, insbesondere einen Line-Start-Elektromotor, mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen für Leiterstäbe und mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen für Permanentmagnete, die so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie ein Permanentmagnetfeld mit einer Magnetachse und einer Neutralachse erzeugen, dadurch gelöst, dass der Durchmesser des Rotors entlang der Magnetachse größer ist als entlang der Neutralachse. Der Rotor weist also einen kreisförmigen Querschnitt auf, dessen Dicke entlang der Magnetachse etwas größer ist als entlang der Neutralachse. Die unterschiedlich großen Rotordurchmesser beziehungsweise Rotordicken führen dazu, dass der Abstand zwischen dem äußeren Umfang des Rotors und einem den Rotor umgebenden Stator, der einen Aufnahmeraum für den Rotor mit einem kreisförmigen Querschnitt aufweist, nicht mehr konstant ist wie bei herkömmlichen Elektromotoren. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Rotors variiert der Abstand zwischen dem äußeren Umfang des Rotors und dem Stator in Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Rotors. Demzufolge ist der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator entlang der Neutralachse am größten und entlang der Magnetachse am kleinsten. Durch die Variation der Größe des Luftspalts zwischen Rotor und Stator wird, während des synchronen Betriebs des Elektromotors, ein nahezu sinusförmiger Verlauf der elektrischen Feldstärke des von dem Permanentmagneten erzeugten Mag- netfelds über den Drehwinkel des Rotors erreicht. Dadurch werden die Oberflächenverluste im Rotor reduziert. Das Anlaufdrehmoment und das Kippdrehmoment sind bei dem erfindungsgemäßen Rotor beziehungsweise Elektromotor größer als bei herkömmlichen Line-Start-Elektromotoren.
Es hat sich weiter im Vergleich zwischen einem konventionellen Line-Start-Motor und dem erfinderischen Line-Start-Motor gezeigt, dass ein nicht kreisförmiger
Rotor eine größere magnetische Flussdichte im Rotor erhält als ein konventioneller Rotor. Konkret hat dies zur Folge, dass die Amplitude des magnetischen Grundtons erhöht wird und somit zu einem größeren Drehmoment beiträgt. Dies bedeutet wiederum, dass die Menge von verbrauchtem Magnetmaterial eingespart werden kann.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Rotors entlang der Magnetachse maximal 2 mm größer ist als entlang der Neutralachse. Das bedeutet, dass die Rotordicke entlang der Magnetachse etwas größer ist als entlang der Neutralachse. Der Querschnitt des Rotors ist also nicht mehr kreisförmig, sondern leicht oval. Der angegebene Grenzwert von 2 mm bezieht sich auf einen Rotordurchmesser von etwa 60 mm. Bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuchen wurde herausgefunden, dass bei größeren Durchmesserunterschieden beziehungsweise Dickenunterschieden die Funktion des Rotors beziehungsweise des Elektromotors beeinträchtigt wird.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Rotors entlang der Magnetachse 0,5 bis 1 mm größer ist als entlang der Neutralachse. Bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuchen wurden mit diesen Werten die besten Ergebnisse erzielt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor im Querschnitt die Form einer Ellipse aufweist, deren Hauptachse mit der Magnetachse und deren Nebenachse mit der Neutralachse zusammenfällt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Permanentmagneten so gekrümmt ausgebildet und um die Drehachse des Rotors herum angeordnet sind, dass der Abstand zwi- sehen den Aufnahmeräumen für die Permanentmagneten und den Aufnahmeräumen für die Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Magnetachse größer als im Bereich der Neutralachse ist. Dadurch wird ausreichend Raum für die Feldlinien des von dem Stator erzeugten Magnetfeldes geschaffen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Permanentmagnete, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, die Gestalt von Bögen aufweisen, die in Form einer Ellipse angeordnet sind, deren Hauptachse mit der Neutralachse und deren Ne- benachse mit der Magnetachse zusammenfällt. Diese Anordnung hat sich bezüglich der Verteilung der Magnetfeldlinien im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung als besonders vorteilhaft erwiesen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekenn- zeichnet, dass die Permanentmagnete stabförmig sind und im Wesentlichen zwei Halbkreise um ein Durchgangsloch im Rotor bilden. Hierdurch kann eine kostengünstige Herstellung erreicht werden, denn Stabmagnete sind billiger als gekrümmte Magnete.
Bei einem Elektromotor, insbesondere einem Line-Start-Elektromotor, mit einem Stator, der eine Vielzahl von Wicklungen und einem Rotoraufnahmeraum mit einem insbesondere kreisförmigen Querschnitt aufweist, ist die oben angegebene Aufgabe dadurch gelöst, dass ein vorab beschriebener Rotor drehbar in dem Rotoraufnahmeraum aufgenommen ist. Der erfindungsgemäße Rotor führt aufgrund des annähernd sinusförmigen Verlaufs der magnetischen Feldstärke des Permanentmagnetfelds über dem Rotordrehwinkel zu einem höheren Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Elektromotors.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
Figur 1 die Darstellung eines Querschnitts durch einen Elektromotor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit gekrümmten Permanentmagneten;
Figur 2 die Darstellung eines Rotors im Querschnitt gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung mit geraden Permanentmagneten;
Figur 3 ein Diagramm, in dem der Verlauf der magnetischen Feldstärke B über den Drehwinkel des Rotors aufgetragen ist;
Figur 4 die Darstellung eines Rotors im Querschnitt gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung mit geraden Permanentmagneten; Figur 5 die Darstellung eines Rotors im Querschnitt gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung mit gekrümmten Permanentmagneten und
Figur 6 ein Diagramm, in welchem der Verlauf des Drehmoments über der Rotordrehzahl aufgetragen ist.
In Figur 1 ist ein Rotoraufnahmeraum 1 des Stators durch einen Kreis schematisch im Querschnitt dargestellt. In dem Rotoraufnahmeraum 1 ist ein Rotor 2 drehbar aufgenommen. Der Rotor 2 hat einen ellipsenförmigen Querschnitt. In der Nähe des äußeren Umfangs des Rotors 2 sind Aufnahmeräume 4, 5, 6 gleichmäßig über den Umfang des Rotors 2 verteilt angeordnet. Die Aufnahmeräume 4, 5 und 6 für Leiterstäbe haben jeweils einen kreisförmigen Querschnitt. Radial innerhalb der Aufnahmeräume 4 bis 6 für Leiterstäbe sind zwei Aufnahmeräume 10 und 11 für Permanentmagneten angeordnet. Die Aufnahmeräume 10 und 11 für Permanentmagnete erstrecken sich, ebenso wie die Aufnahmeräume 4 bis 6 für Leiterstäbe, in axialer Richtung des im Wesentlichen kreiszy- linderförmigen Rotors 2. Die Aufnahmeräume 10 und 11 für Permanentmagnete sind um die Drehachse des Rotors herum gekrümmt angeordnet und ausgebildet. Die Aufnahmeräume 10 und 11 haben die Gestalt von Bögen, die in Form einer Ellipse angeordnet sind.
Im Zentrum weist der Rotor ein zentrales Durchgangsloch 17 auf, das zur Aufnahme einer Welle dient, die drehfest mit dem Rotor 2 verbunden werden kann. Über die (nicht dargestellte) Welle kann das von dem Elektromotor erzeugte Drehmoment abgegeben werden.
In den Aufnahmeräumen 10 und 11 sind Permanentmagnete 14 und 15 aufge- nommen, die ein Permanentfeld erzeugen. Das von den Permanentmagneten 14 und 15 erzeugte magnetische Feld ist in Figur 1 durch Magnetfeldlinien 20, 21 angedeutet. Das von den Permanentmagneten 14 und 15 erzeugte Permanentmagnetfeld weist eine Magnetachse 22 und eine Neutralachse 23 auf. Entlang der Magnetachse 22 ist die Magnetfeldstärke am größten. Entlang der Neutral- achse 23 ist die Magnetfeldstärke des Permanentmagnetfelds gleich null.
Der Rotor 2 hat entlang der Magnetachse 22 eine größere Dicke als entlang der Neutralachse 23. Demzufolge hat der Rotor 2 an seinem äußeren Umfang die Gestalt einer Ellipse, deren Hauptachse mit der Magnetachse 22 und deren Nebenachse mit der Neutralachse 23 zusammenfällt. Die von den Aufnahmeräumen 10 und 11 für die Permanentmagneten 14 und 15 gebildete Ellipse ist senkrecht zu der den äußeren Umfang des Rotors 2 bildenden Ellipse angeordnet. Die Hauptachse der von den Aufnahmeräumen 10 und 11 gebildeten Ellipse fällt mit der Neutralachse 23 zusammen. Die Nebenachse der von den Aufnahmeräumen 10 und 11 gebildeten Ellipse fällt mit der Magnetachse 22 zusammen.
Die Verwendung eines Rotors, der in Richtung der Magnetachse 22 der Permanentmagneten 14 und 15 einen größeren Durchmesser beziehungsweise eine größere Dicke aufweist als in Richtung der Neutralachse 23, führt dazu, dass der Abstand zwischen dem Rotor 2 und dem Rotoraufnahmeraum 1 des Stators variiert, das heißt, der zwischen Rotor 2 und dem Rotoraufnahmeraum 1 des Stators ausgebildete Luftspalt ist variabel. Der Luftspalt ist am kleinsten entlang der Magnetachse 22 und am größten entlang der Neutralachse 23.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform füllen die Permanentmagnete 14 und 15 nicht den gesamten Querschnitt der Aufnahmeräume 10 und 11 aus. Die leeren beziehungsweise mit Luft gefüllten Teile der Aufnahmeräume 10 und 11 erzeugen kein Magnetfeld, was an dem Verlauf der Magnetfeldlinien 20, 21 zu erkennen ist. Der Abstand zwischen den Magnetfeldlinien in dem Luftspalt zwischen dem Rotor 2 und dem Rotoraufnahmeraum 1 des Stators ist ein Maß für die elektrische Feldstärke. Aus Figur 1 ist ersichtlich, dass die Magnetfeldstärke dort am größten ist, wo der Rotor 2 ganz nahe an dem Rotoraufnahmeraum 1 des Stators angeordnet ist. Rechts und links der Magnetachse 22 wird das von den Permanentmagneten 14 und 15 erzeugte Magnetfeld schwächer, was erwünscht ist. Dadurch wird erreicht, dass die magnetische Feldstärke in dem Luftspalt zwischen dem Rotor 2 und dem Rotoraufnahmeraum 1 des Stators in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors an eine Sinusform angenähert wird.
In Figur 2 ist ein Rotor 25 im Querschnitt dargestellt, der im Bereich der Neutral- achse 26 des Permanentmagnetfelds eine Dicke 60,34 mm und im Bereich der Magnetachse 24 des Permanentmagnetfelds eine Dicke von 61 ,3 mm aufweist.
Der in Figur 2 dargestellte Rotor umfasst Aufnahmeräume für Leiterstäbe, deren Querschnitt nicht kreisförmig ist. Der in Figur 2 dargestellte Querschnitt der Auf- nahmeräume 27 und 28 für Leiterstäbe hat sich bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuchen als vorteilhaft erwiesen.
Radial innerhalb der Aufnahmeräume 27 und 28 für die Leiterstäbe sind Aufnahmeräume 30, 31 und 32 für Permanentmagnete angeordnet. Die Aufnahme- 5 räume 30 bis 32 sind nicht gekrümmt, sondern gerade und haben jeweils die Form eines länglichen Rechtecks. Aufnahmeräume 30', 31 ' und 32' sind, bezogen auf die Neutralachse 26, symmetrisch zu den Aufnahmeräumen 30, 31 und 32 angeordnet. Die Aufnahmeräume 30, 31 , 32 und 30', 31', 32' sind paarweise parallel so angeordnet, dass ein Abstand C zwischen einer Durchgangsbohrung 0 34 für eine Welle und dem Aufnahmeraum 31 beziehungsweise 31' gegeben ist.
In Figur 3 ist der Verlauf der magnetischen Feldstärke B über dem Drehwinkel θ aufgetragen. Bei herkömmlichen Line-Start-Elektromotoren ergibt sich oft ein eckiger Verlauf, der nicht ideal ist. Ideal wäre ein sinusförmiger Verlauf. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird, wie insbesondere in den Bereichen 50 5 bis 53 und 60 bis 68 zu sehen ist, eine Annäherung an den idealen sinusförmigen Verlauf erreicht. Der in Figur 3 dargestellte sinusförmige Verlauf wird allerdings nur während des synchronen Betriebs des Line-Start-Elektromotors erreicht, nicht aber beim Starten des Line-Start-Elektromotors, wenn der Rotor asynchron anläuft. In der Anlaufphase bewirkt die nicht-kreisförmige Gestalt des o Rotors, dass das Anlaufmoment ansteigt, aber der Wirkungsgrad ein wenig abnimmt. Da die Anlaufphase aber vergleichsweise klein ist, wird dieser Nachteil in Kauf genommen.
In Figur 4 ist ein Rotor 35 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt dargestellt. Der Rotor 35 ähnelt dem in Figur 2 dargestellten Ro- 5 tor 25. Zur Bezeichnung gleicher Teile werden in Figur 4 um zehn vermehrte Bezugszeichen verwendet. Allerdings ist bei dem in Figur 4 dargestellten Rotor 35 der Abstand C zwischen der Durchgangsbohrung 44 und dem Aufnahmeraum 41' kleiner als bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform. Dadurch ergibt sich zwischen dem Aufnahmeraum 41 ' und dem radial außen angeordneten Auf- o nahmeraum 45 für einen Leiterstab ein größerer Abstand, was sich im Betrieb als vorteilhaft erwiesen hat.
In Figur 5 ist ein Rotor 2' im Querschnitt dargestellt, der dem in Figur 1 dargestellten Rotor 2 ähnelt. Allerdings sind die Aufnahmeräume 10' und 11' vollstän- dig mit Permanentmagneten 14' und 15' ausgefüllt. Außerdem sind in Figur 5 Magnetfeldlinien 50, 51 des von den Statorwicklungen (nicht dargestellt) erzeugten Magnetfelds eingezeichnet. Die Magnetachse des von den Statorwicklungen erzeugten Magnetfelds ist mit 54 bezeichnet. Senkrecht dazu verläuft 5 die Magnetachse 52 des von den Permanentmagneten 14' und 15' erzeugten Permanentmagnetfelds. Die Krümmungsradien der Permanentmagnete 14' und 15' sind im Bereich der Schnittpunkte mit der Magnetachse 52 deutlich größer als an den Enden der Permanentmagnete. Daraus ergibt sich, dass der Abstand F zwischen dem Durchgang 17 und den Permanentmagneten 14', 15' deutlich l o größer ist als der Abstand G.
In Figur 6 ist der Verlauf des Drehmoments in Newtonmeter über der Drehzahl in Umdrehungen pro Minute aufgetragen. Mit 61 ist der Verlauf des Drehmoments eines Line-Start-Elektromotors mit Anlaufkondensator und einem erfindungsgemäßen Rotor bezeichnet. Im Vergleich dazu ist mit 62 der Drehmomentverlauf 15 eines konventionellen Line-Start-Elektromotors mit Anlauf kondensator dargestellt. In Figur 6 sieht man, dass das Anlaufmoment des erfindungsgemäßen Elektromotors 61 höher ist als bei dem herkömmlichen Line-Start-Elektromotor 62.
Mit 63 ist in Figur 6 der Verlauf des Drehmoments eines gewöhnlichen Asyn- 20 chronmotors ohne Startkondensator mit einem nicht kreisförmigen Rotor bezeichnet. Im Vergleich dazu ist mit 64 der Drehmomentverlauf eines herkömmlichen Asynchronmotors ohne Startkondensator bezeichnet. Wie man in Figur 6 sieht, tritt das Kippmoment K bei einem nicht kreisförmigen Rotor bei einer niedrigeren Drehzahl auf als bei einem herkömmlichen Rotor. Die Kurven der 25 Figur 6 würden mit Line-Start-Motoren ungefähr die gleiche Form haben, nur würden sie eine größere Welligkeit aufweisen.
Die Erhöhung des Anlassdrehmoments beziehungsweise des Kippmoments ist auf die erfindungsgemäße Vergrößerung des Luftspalts im Bereich der Neutralachse zurückzuführen. Der größere Luftspalt führt dazu, dass die Impedanz des 3 o Elektromotors abgesenkt wird, wodurch der Motor einen größeren Strom aufnimmt und damit das Drehmoment erhöht wird. Das Absenken der Motorimpedanz ist darauf zurückzuführen, dass das von dem Stator erzeugte Magnetfeld einem größeren Luftvolumen ausgesetzt wird, wodurch das System einen größeren Ohm'schen Anteil aufweist und dadurch schneller wird. Die Reaktanz wird kleiner und der Ohm'sche Anteil R bekommt ein, relativ betrachtet, größeres Gewicht. Der Wirkungsgrad fällt, aber das Drehmoment steigt, da die kleinere Reaktanz den Stromanstieg weniger stark abbremst. Der Strom steigt bei dem erfindungsgemäßen Line-Start-Elektromotor schneller, was zu einem größeren Drehmoment führt als bei herkömmlichen Line-Start-Elektromotoren.
Das Blechpaket des Rotors kann aus verschiedenen Blechlaminaten bestehen, zum Beispiel einem ersten Laminat und einem zweiten Laminat. Die Laminatfolge kann so sein: erstes Laminat, zweites Laminat, erstes Laminat, das heißt, der Rotor ist in drei Sektionen aufgeteilt. Das zweite Laminat bildet eine Über- gangszone. Die Übergangszone dient dazu, eine sogenannte Nutschrägung zu erreichen, das heißt, dass ein Leiterstab in einem ersten Ende des Rotors im Vergleich zu dem Leiterstab im anderen Ende des Rotors versetzt ist. Die Versetzung, zum Beispiel zwischen 10 und 20 mechanischen Grad, wird in der Übergangszone erreicht, indem der Leiterstab nicht parallel mit der Drehachse des Rotors läuft, sondern zu dieser seitlich verschrägt. Durch die Nutschrägung werden die Amplitude von im Drehfeld störenden magnetischen Harmonischen erwünscht stark reduziert. Die Übergangszone besteht aus zum Beispiel 10 bis 20 Blechlaminaten, deren Aufnahmeräume zueinander versetzt sind.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Line-Start-Elektromotors ist darin zu sehen, dass die Verluste an der Oberfläche des Rotors geringer sind als bei herkömmlichen Line-Start-Elektromotoren. Normalerweise umfasst das magnetische Feld im Luftspalt mehrere harmonische Frequenzen, die Verluste im Motor verursachen. Dabei handelt es sich um sogenannte zig-zag-Verluste, die an der Oberfläche des Rotors auftreten. Der größere Luftspalt an einigen Stellen zwi- sehen dem Rotor und dem Stator führt dazu, dass diese Verluste reduziert werden.

Claims

Ansprüche
1. Rotor für einen Elektromotor, insbesondere einen Line-Start-Elektromotor, mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (4 bis 6;27,28) für Leiterstäbe und mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (10,11 ;30 bis 32) für
5 Permanentmagnete (14,15), die so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie ein Permanentmagnetfeld mit einer Magnetachse (22) und einer Neutralachse (23) erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Rotors entlang der Magnetachse (22) größer ist als entlang der Neutralachse (23).
2. Rotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser 0 des Rotors entlang der Magnetachse (22) maximal 2 mm größer ist als entlang der Neutralachse (23).
3. Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Rotors entlang der Magnetachse (22) 0,5 bis 1 mm größer ist als entlang der Neutralachse (23).
5 4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor im Querschnitt die Form einer Ellipse aufweist, deren Hauptachse mit der Magnetachse (22) und deren Nebenachse mit der Neutralachse (23) zusammenfällt.
5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 0 dass die Aufnahmeräume (10,11 ) für die Permanentmagnete (14,15) so gekrümmt ausgebildet und um die Drehachse des Rotors herum angeordnet sind, dass der Abstand zwischen den Aufnahmeräumen für Permanentmagneten und den Aufnahmeräumen für die Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Magnetachse (22) größer als im Bereich der Neutral- 5 achse ist.
6. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (10,11 ) für die Permanentmagneten (14,15) im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, die Gestalt von Bögen aufweisen, die in Form einer Ellipse angeordnet sind, deren Hauptachse mit der Neutralachse (23) und o deren Nebenachse mit der Magnetachse (22) zusammenfällt.
7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (30,31,32) stabförmig sind und im Wesentlichen zwei Halbkreise um ein Durchgangsloch (34) im Rotor bilden.
8. Elektromotor, insbesondere Line-Start-Elektro-motor, mit einem Stator, der eine Vielzahl von Wicklungen und einen Rotoraufnahmeraum (1) mit einem insbesondere kreisförmigen Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche drehbar in dem Rotoraufnahmeraum (1 ) aufgenommen ist.
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