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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.
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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.
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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.
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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 Ro tors dreht sich dieser synchron mit der
Statordrehfelddrehzahl.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Permanentmagneten
im Wesentlichen den gleichen Querschnitt aufweisen wie die Perma nentmagnete
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.
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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.
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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.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnah meräume 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 einen
Querschnitt durch einen Rotor gemäß einer ersten Ausführungsform
und
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2 einen
Querschnitt durch einen Rotor gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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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.
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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.
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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.
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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 teilwei se. 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.
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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.
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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.
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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.