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Dokumentenidentifikation DE10261761A1 15.07.2004
Titel Rotor für einen Elektromotor
Anmelder Danfoss Compressors GmbH, 24939 Flensburg, DE
Erfinder Andersen, Peter Scavenius, Soenderborg, DK
Vertreter Brisch, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 70597 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 19.12.2002
DE-Aktenzeichen 10261761
Offenlegungstag 15.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.07.2004
IPC-Hauptklasse H02K 1/27
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Elektromotor, insbesondere einen Line-Start-Elektromotor, mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (4 bis 6) für Leiterstäbe und in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (10, 11) für Permanentmagnete (14, 15), die so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie ein Permanentmagnetfeld mit einer Permanentmagnetachse (22) und einer Neutralachse (23) erzeugen.
Um Drehmomentschwankungen im Betrieb des Elektromotors zu vermeiden, ist die Dicke der Permanentmagneten (14, 15), im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Permanentmagnetachse (22) am größten und nimmt, ausgehend von der Permanentachse (22), zur Neutralachse (23) hin insbesondere stetig ab.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen 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 Permanentmagnetachse 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 bezeichnet 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 bewirkt 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 Drehstromasynchronmotoren 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 Dauermagneten 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 9, 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 Permanentmagnetachse und einer Neutralachse erzeugen, dadurch gelöst, dass die Dicke der Permanentmagneten, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Permanentmagnetachse am größten ist und ausgehend von der Permanentmagnetachse zur Neutralachse hin insbesondere stetig abnimmt. Die Höhe oder Dicke der Permanentmagneten wird also kleiner, je näher man an die Neutralachse kommt. Das führt dazu, dass das von den Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld abgeschwächt wird. Mit einem im Querschnitt kreisförmigen Rotor in einem im Querschnitt ebenfalls kreisförmigen Rotoraufnahmeraum eines Stators führt dies zu einem annähernd sinusförmigen Verlauf der Feldstärke des zwischen Rotor und Stator während des synchronen Betriebs des Elektromotors existierenden Magnetfelds.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Permanentmagneten im Wesentlichen den gleichen Querschnitt aufweisen wie die Permanentmagnete selbst. Somit sind die Permanentmagnete praktisch formschlüssig in den Aufnahmeräumen für die Permanentmagnete aufgenommen. Über den Verlauf der Dicke beziehungsweise Höhe der Permanentmagneten kann die Stärke und Form des Permanentmagnets gezielt beeinflusst werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Permanentmagneten eine konstante Dicke aufweisen. Die konstante Dicke oder Höhe der Aufnahmeräume für die Permanentmagneten führt zur Ausbildung mindestens eines Luftspalts zwischen den Aufnahmeräumen und den jeweils darin angeordneten Permanentmagneten. Dieser Luftspalt dämpft das aufgrund der Gestalt der Permanentmagneten bereits geschwächte Magnetfeld noch weiter ab. Indem man die Höhe beziehungsweise Dicke der Permanentmagneten und die Höhe beziehungsweise Dicke des Luftspalts variiert, kann die Stärke und Form des Permanentmagnetfelds gezielt beeinflusst werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für Permanentmagnete und/oder die Permanentmagnete selbst gekrümmt ausgebildet sind. Obwohl im Prinzip im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch gerade Permanentmagnete verwendet werden können, wurden bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuchen mit gekrümmten Permanentmagneten die besten Ergebnisse erzielt.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für Permanentmagnete und/oder die Permanentmagnete selbst unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Durch Verwendung von Permanentmagneten, die keinen konstanten Krümmungsradius, sondern unterschiedliche Krümmungsradien, zum Beispiel in Gestalt einer Ellipse aufweisen, wird erreicht, dass das von den Statorwicklungen erzeugte Magnetfeld den Rotor besser durchdringen kann. Es kann somit ausgehend von den Statorwicklungen ein stärkeres Magnetfeld durch den Rotor geleitet werden, was zu einem höheren Anlass- oder Anlaufdrehmoment führt. Zudem wird der Verlauf der magnetischen Feldstärke des Permanentmagnetfelds über dem Drehwinkel des Rotors weiter an die ideale Sinusform angenähert.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für Permanentmagnete und/oder die Permanentmagnete selbst so gekrümmt ausgebildet und um die Drehachse des Rotors herum angeordnet sind, dass der Abstand zwischen den Aufnahmeräumen für Permanentmagnete und/oder den Permanentmagneten selbst und den Aufnahmeräumen für Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Permanentmagnetachse größer als im Bereich der Neutralachse ist. Dadurch wird ausreichend Raum für die Feldlinien des von dem Stator erzeugten Magnetfelds geschaffen. Außerdem wird dadurch der Verlauf der magnetischen Feldstärke des Permanentmagnetfelds über den Drehwinkel des Rotors weiter an die ideale Sinusform angenähert.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Permanentmagneten und/oder die Permanentmagnete selbst, 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 Nebenachse mit der Permanentmagnetachse 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 gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Permanentmagneten und/oder die Permanentmagnete selbst, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Schnittpunkte mit der Permanentmagnetachse schwächer gekrümmt sind als im Bereich der Schnittpunkte mit der Neutralachse. Dadurch wird erreicht, dass sich die Permanentmagneten nicht so stark um die Rotordrehachse krümmen, sondern sich in Richtung der Neutralachse erstrecken. Das führt dazu, dass sich das von den Permanentmagneten erzeugte Permanentmagnetfeld während des synchronen Betriebs des Elektromotors möglichst breit in dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator ausdehnt.

Die oben angegebene Aufgabe ist bei einem Elektromotor, insbesondere einem Line-Start-Elektromotor, mit einem Stator, der eine Vielzahl von Wicklungen und einen Rotoraufnahmeraum mit einem insbesondere kreisförmigen Querschnitt aufweist, 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 zwei Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:

1 einen Querschnitt durch einen Rotor gemäß einer ersten Ausführungsform und

2 einen Querschnitt durch einen Rotor gemäß einer zweiten Ausführungsform.

In 1 ist ein Rotoraufnahmeraum 1 eines Stators mit einem kreisförmigen Querschnitt dargestellt. In dem Rotoraufnahmeraum 1 ist ein Rotor 2 drehbar aufgenommen. Der Rotor 2 hat ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt. In der Nähe des äußeren Umfangs des Rotors 2 sind Aufnahmeräume 4, 5, 6 für Leiterstäbe gleichmäßig über den Umfang des Rotors 2 verteilt angeordnet. Die Aufnahmeräume 4, 5, 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 kreiszylinderförmigen 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 2 ein zentrales Durchgangsloch 17 auf, das zur Aufnahme einer (nicht dargestellten) Welle dient, die drehfest mit dem Rotor 2 verbunden werden kann. Über die Welle kann das von dem Elektromotor erzeugte Drehmoment abgegeben werden.

In den Aufnahmeräumen 10 und 11 sind Permanentmagnete 14 und 15 aufgenommen, die ein Permanentmagnetfeld erzeugen. Das von den Permanentmagneten 14 und 15 erzeugte magnetische Feld ist 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, da dort die Abstände zwischen den Magnetfeldlinien am geringsten sind. Entlang der Neutralachse ist die Magnetfeldstärke des Permanentmagnetfelds gleich null.

In 2 ist ein Rotor 2 im Querschnitt dargestellt, der dem in 1 dargestellten Rotor ähnelt. Allerdings sind die Aufnahmeräume 10' und 11' nicht, wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, vollständig mit den Permanentmagneten 14 und 15 ausgefüllt, sondern nur teilweise. Bei der in 2 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 40, 41, 42 und 43, die auch als Luftspalte bezeichnet werden, erzeugen kein Magnetfeld und dämpfen das von den Permanentmagneten 14, 15 erzeugte Magnetfeld.

In 1 sieht man, dass die Dicke des Permanentmagnets 14 in einem durch Pfeile 50 markierten Bereich in der Nähe der Magnetachse 22 deutlich größer als in einem durch Pfeile 51 bezeichneten Bereich in der Nähe der Neutralachse 23 ist. Die Dicke des Permanentmagneten 14 nimmt von dem Bereich 50 zur Neutralachse 23 hin stetig ab. Der Permanentmagnet 14 ist, bezogen auf die Magnetachse 22 in sich symmetrisch und einstückig ausgebildet. Der Permanentmagnet 14 kann aber auch aus mehreren Permanentmagnetsegmenten gebildet sein. Der Permanentmagnet 15 ist, bezogen auf die Neutralachse 23, symmetrisch zu dem Permanentmagneten 14 ausgebildet. Die Aufnahmeräume 10 und 11 weisen den gleichen Querschnitt auf wie die Permanentmagneten 14 und 15.

Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die gleichen Permanentmagneten 14 und 15 verwendet, wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Allerdings weisen die Aufnahmeräume 10' und 11' bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine konstante Dicke auf. Dadurch ergeben sich die Luftspalte 40 bis 43.

Durch die abnehmende Dicke der Permanentmagneten 14 und 15 wird das von den Permanentmagneten erzeugte Permanentmagnetfeld bei den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen abgeschwächt. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sorgen die Luftspalte 40 bis 43 für eine zusätzliche Dämpfung des bereits geschwächten Magnetfelds. Die Dicke beziehungsweise Höhe der Permanentmagneten 14 und 15 und die Dicke beziehungsweise Höhe der Aufnahmeräume für die Permanentmagneten können nahezu beliebig variiert werden, um den Verlauf beziehungsweise die Verteilung der elektrischen Feldstärke des Permanentmagnetfelds in dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator zu beeinflussen.


Anspruch[de]
  1. Rotor für einen Elektromotor, insbesondere einen Line-Start-Elektromotor, mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (4 bis 6) für Leiterstäbe und mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (10,11;10',11') für Permanentmagnete (14,15), die so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie ein Permanentmagnetfeld mit einer Permanentmagnetachse (22) und einer Neutralachse (23) erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Permanentmagneten (14,15), im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Permanentmagnetachse (22) am größten ist und ausgehend von der Permanentmagnetachse (22) zur Neutralachse (23) hin insbesondere stetig abnimmt.
  2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (10,11) für die Permanentmagneten (14,15) im Wesentlichen den gleichen Querschnitt aufweisen wie die Permanentmagnete (14,15) selbst.
  3. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (10',11') für die Permanentmagneten (14,15) eine konstante Dicke aufweisen.
  4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (10,11;10',11') für die Permanentmagnete (14,15) gekrümmt ausgebildet sind.
  5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (10,11;10',11') für die Permanentmagneten (14,15) und/oder die Permanentmagneten (14,15) selbst unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen.
  6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (10,11;10',11') für die Permanentmagneten (14,15) und/oder die Permanentmagneten (14,15) selbst so gekrümmt ausgebildet und um die Drehachse des Rotors herum angeordnet sind, dass der Abstand zwischen den Aufnahmeräumen (10,11;10',11') für die Permanentmagneten (14,15) und/oder den Permanentmagneten (14,15) selbst und den Aufnahmeräumen (4 bis 6) für die Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Permanentmagnetachse (22) größer als im Bereich der Neutralachse (23) ist.
  7. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (10,11;10',11') für die Permanentmagneten (14,15) und/oder die Permanentmagneten (14,15) selbst, 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 deren Nebenachse mit der Permanentmagnetachse (22) zusammenfällt.
  8. Rotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (10,11;10',11') für die Permanentmagneten (14,15) und/oder die Permanentmagneten (14,15) selbst, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Schnittpunkte mit der Permanentmagnetachse (22) schwächer gekrümmt sind als im Bereich der Schnittpunkte mit der Neutralachse (23).
  9. Elektromotor, insbesondere Line-Start-Elektromotor, mit einem Stator, der eine Vielzahl von Wicklungen und einen Rotoraufnahmeraum (1) mit einem insbesondere kreisförmigen Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche drehbar in dem Rotoraufnahmeraum (1) aufgenommen ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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