WO2004057727A1 - Rotor für einen elektromotor - Google Patents

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WO2004057727A1
WO2004057727A1 PCT/DK2003/000862 DK0300862W WO2004057727A1 WO 2004057727 A1 WO2004057727 A1 WO 2004057727A1 DK 0300862 W DK0300862 W DK 0300862W WO 2004057727 A1 WO2004057727 A1 WO 2004057727A1
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WO
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rotor
receiving spaces
axis
conductor bars
cross
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Application number
PCT/DK2003/000862
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English (en)
French (fr)
Inventor
Niels Christian Weihrauch
Original Assignee
Danfoss Compressors Gmbh
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Publication date
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Priority to US10/539,500 priority patent/US7247965B2/en
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    • 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 permanent magnets that run in the axial direction and with receiving spaces for conductor bars that run in the axial direction.
  • Hybrid three-phase motors that 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 features of the rotor of a three-phase asynchronous motor as well as features of the rotor of a three-phase synchronous motor.
  • 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 is also referred to as a squirrel-cage rotor.
  • the rotating field of the stator winding causes a change in the flux in the conductor loops of the rotor, which is initially stationary.
  • 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. If the rotor reached the speed of the stator rotating field, the flux change in the conductor loop under consideration would be zero and thus the torque causing the rotation.
  • the rotor speed is therefore always lower than the rotating field speed in three-phase asynchronous motors. 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 similar poles. 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 0 of 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 5 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 torque, since no voltage is induced in the conductor bars during 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 5 components of the resulting field are caused by the stator windings. This is also called a rotating field.
  • the second component of the resulting field is caused by the permanent magnets, which can also be referred to as permanent magnets.
  • torque fluctuations can occur which are undesirable.
  • the object of the invention is therefore to provide a rotor according to the preamble of claim 1, in particular for an electric motor according to the preamble of the Proverb 14 to create that makes the magnetic field approximately sinusoidal during synchronous operation.
  • the field strength of the magnetic field existing between the rotor and the stator be approximately sinusoidal during synchronous operation. This is counteracted by the permanent magnets in the rotor, which lead to an angular course in conventional line-start electric motors.
  • the desired sinusoidal rotating field is thus distorted by the conventional permanent magnets and thus contributes to torque fluctuations or torque pulsations during synchronous operation.
  • This undesirable distortion during synchronous operation is generated in that the field strength of the permanent magnet is distributed unattenuated over the rotor surface.
  • the permanent magnets In the direction of the magnetic axis, the permanent magnets mainly determine the field.
  • the rotor is only partially permeable to the magnetic field from the stator in the direction of the neutral axis, but not in the direction of the magnetic axis.
  • the rotor according to the invention is preferably a rotor for an electric motor, in particular a line-start electric motor, with receiving spaces for permanent magnets running in the axial direction and with receiving spaces for conductor bars running in the axial direction.
  • the receiving spaces for the conductor bars have an essentially elongated cross section in at least one sector of the rotor. Viewed in cross section, the receiving spaces for the conductor bars in this sector are curved along their longitudinal axis.
  • a preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that a plurality of permanent magnets, in particular four permanent magnets, are arranged such that they generate a magnetic field with a neutral axis and a magnetic axis which is arranged perpendicular to the neutral axis.
  • the radii of curvature of the receiving spaces for the conductor bars decrease from the neutral axis to the magnet axis, that is to say the radii of curvature are smaller in the vicinity of the magnet axis than in the vicinity of the neutral axis.
  • the neutral axis runs where the permanent magnets do not generate a magnetic field.
  • the magnetic axis runs where the magnetic field generated by the permanent magnets is strongest.
  • the field strength of the permanent magnetic field can be, for example, 1.5 Tesla.
  • the magnetic field generated by the stator or stator windings runs from the stator through the rotor and back into the stator.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the distance between the receiving spaces for the conductor bars is constant. This arrangement has proven to be particularly advantageous in tests carried out within the scope of the present invention.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the receiving spaces for the conductor bars, viewed in cross section, are designed and arranged so as to be curved along their longitudinal axis such that the distance of the receiving spaces for the conductor bars from the axis of rotation of the rotor, in cross section through the rotor considered, increases from the neutral axis to the 5 magnetic axis.
  • Field lines of the magnetic field generated by the stator windings can penetrate the rotor.
  • a further preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the longitudinal axes of the receiving spaces for the conductor bars, viewed in cross-section through the rotor, are essentially radially oriented in the vicinity of the neutral axis, apart from the curvature and relative to the rotor, and in that the longitudinal axes of the receiving spaces for the conductor bars, viewed in cross section through the rotor, point toward the magnetic axis are arranged rotated that the radially outer ends of the receiving spaces for the conductor bars, viewed in cross section through the rotor, are arranged at a smaller distance from the magnetic axis than in a radial alignment.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the receiving spaces for the conductor bars, viewed in cross section, each have two side walls which are curved to different extents. This gives the receiving spaces for the conductor bars an essentially crescent shape.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the radii of curvature of the side walls of the receiving spaces for the conductor bars decrease from the neutral axis to the magnet axis.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the two side walls of the receiving spaces for the conductor bars, viewed in cross section through the rotor, are connected at their inwardly facing ends by a rounded connecting wall. This has proven to be particularly advantageous from a manufacturing and functional point of view.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the connecting walls of all the receiving spaces for the conductor bars have the same radius. It follows from this that the distance between the side walls radially on the inside is also constant.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the receiving spaces for the permanent magnets are curved in this way formed and arranged around the axis of rotation of the rotor that the distance between the receiving spaces for the permanent magnets and the receiving spaces for the conductor bars, viewed in cross section through the rotor, is greater in the area of the magnet axis than in the area of the neutral axis. This creates sufficient space for the magnetic field lines of the magnetic field generated by the stator.
  • a further preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that 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 with the neutral axis and the secondary axis with the magnetic axis coincides.
  • 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.
  • the rotor has at least one transition zone in which the receiving spaces for the conductor bars are not curved.
  • the rotor can be formed from a laminated core applied to a shaft. Laminated sheets can be arranged in the transition zone, which have no curved receiving spaces for the conductor bars.
  • 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 tapered to the side.
  • the amplitude of magnetic harmonics disturbing in the rotating field is desirably greatly reduced by the slot bevel.
  • the transition zone consists, for example, of 10 to 20 sheets, the receiving spaces of which are offset from one another.
  • the receiving spaces for the conductor bars are closed radially on the outside.
  • the receiving spaces for the conductor bars are preferably arranged on the outer circumference of the rotor and, although they have a closed cross section, can also be referred to as grooves. Because the Recording rooms are closed, it is achieved that high-frequency components in the magnetic field do not induce leakage currents in the conductor bars.
  • the above-mentioned tasks are solved in that a previously described rotor is rotatably arranged within the stator.
  • the rotor according to the invention When starting the electric motor, the magnetic field can be controlled in such a way that gaps in the magnetic field of the permanent magnets can be filled in. Efficiencies of more than 90% can be achieved due to the almost sinusoidal course of the magnetic field or the magnetic field strength or the magnetic flux density.
  • a preferred exemplary embodiment of the electric motor is characterized in that short-circuit rings which connect the conductor bars to one another are arranged on the end faces of the rotor.
  • the short-circuit rings and the conductor bars form a cage in which a voltage is induced.
  • Figure 1 shows a cross section through a rotor
  • Figure 2 is a reduced view of the rotor of Figure 1 with field lines of the magnetic field generated by the permanent magnets and
  • FIG. 3 shows the rotor from FIG. 2 with field lines of the magnetic field generated by a stator.
  • a rotor 1 of a line start electric motor is shown in cross section in FIG.
  • the rotor 1 has a central through hole 2, which serves to receive a shaft (not shown), via which a torque generated by the electric motor can be output.
  • the receiving spaces 4 to 7 extend in the axial direction at least over part of the length of the Rotors 1. Viewed in cross section, the four receiving spaces 4 to 7 for the permanent magnets 10 to 13 are arranged in the shape of an ellipse.
  • the poles of the permanent magnets 10 to 13 are each designated by the capital letters N for the north pole and S for the south pole.
  • the arrangement of the permanent magnets 10 to 13 shown leads to the formation of a magnetic field, the field strength of which is zero along a neutral axis 16 and greatest along a magnetic axis 17.
  • the neutral axis 16 is also referred to as the neutral axis.
  • the rotor 1 is delimited by a circular cylinder surface, on the circumference of which a multiplicity of receiving spaces 20 to 25 and 28, 29 for 0 conductor bars are arranged.
  • the receiving spaces for conductor bars (not shown) extend in the axial direction over the entire length of the rotor 1.
  • the rotor 1 is symmetrical in relation to the neutral axis 16 and the magnetic axis 17. For reasons of clarity, therefore, only the receiving spaces 20 to 25 and 28, 29 for the conductor bars are provided with reference numerals.
  • Each receiving space for a conductor bar which can also be referred to as a receiving space for a conductor winding, comprises two side walls 31 and 32, which are connected by a semicircular connecting wall 34. At the other end, the elongated receiving spaces for the conductor bars are tapered or tapered. The distances 35 to 39 between the outwardly facing ends of the receiving spaces for the conductor bars are constant.
  • FIG. 1 it can be seen that the two side walls of the receiving space 28 are concave. In contrast, the two side walls of the receiving space 29 are convex.
  • the receiving space 28 is divided into two equal halves by the 5 neutral axis 16 and the receiving space 29 by the magnetic axis 17.
  • the receiving spaces 20 to 25 arranged between the receiving spaces 28 and 29 and thus between the neutral axis 16 and the magnetic axis 17 each have a convex and a concave side wall.
  • the radius of curvature of the receiving spaces 20 to 25 decreases from the neutral axis 16 to the magnetic axis 17. This means that the receiving space 20 has the largest and the receiving space 25 the smallest radii of curvature. 2 shows the magnetic field generated by the permanent magnets 10 to 13 in the form of magnetic field lines.
  • FIG. 3 shows the magnetic field generated by a stator (not shown) during the asynchronous starting of the rotor in the form of magnetic field lines 5.
  • the magnetic flux through the rotor 1 is indicated in FIG. 3 by arrows 48 and 49.
  • the curved receiving spaces for the conductor bars which can also be referred to as grooves, provide the advantage that the magnetic field generated by the permanent magnets is passed through the rotor 1 in a controlled manner during operation of the line start electric motor (not shown). As a result, an approximately sinusoidal course of the field strength of the resulting magnetic field can be generated in the air gap between the stator and rotor during operation of the electric motor.
  • the curvature of the grooves or receiving spaces for the conductor bars 5 has the primary function during the synchronous operation of the electric motor to distribute the magnetic field generated by the permanent magnets sinusoidally in the air gap between the rotor and the stator. As a result, the magnetic field will be weakest in the area of the neutral axis and strongest in the area of the magnetic axis.
  • the curved design of the receiving spaces for the conductor bars and the special arrangement of the conductor bars when the electric motor starts up creates a lot of space for the magnetic field of the stator which penetrates the rotor.
  • the special arrangement of the permanent magnets increases the available space.
  • the magnetic field is controlled when the electric motor starts so that gaps in the magnetic field that are caused by the permanent magnets are filled.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Elektromotor, insbesondere einen Line-Start-Elektromotor, mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (4 bis7), für Permanentmagnete (10 bis 13) und mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (20 bis 25) für Leiterstäbe. Um einen möglichst gleichmäßigen Lauf des Rotors zu erzielen, weisen die Aufnahmeräume (20 bis 25) für die Leiterstäbe in mindestens einem Sektor des Rotors einen im wesentlichen länglichen Querschnitt auf, und sind in diesem Sektor, im Querschnitt betrachtet, entlang ihrer Längsachse gekrümmt ausgebildet.

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 Permanentmagnete und mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen für Leiterstäbe.
Als Line-Start-Elektromotoren werden Hybrid-Drehstrommotoren bezeichnet, die eine Kombination eines Drehstromasynchronmotors mit einem Drehstromsyn- chronmotor 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 einem 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 wird. In Betrieb bewirkt das Drehfeld der Statorwicklung eine Fluss- änderung in den Leiterschleifen des zunächst stillstehenden Rotors. Die Fluss- änderungsgeschwindigkeit 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. ln 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 5 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 0 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 5 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 o 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 5 Komponente des resultierenden Felds wird von den Statorwicklungen bewirkt. Diese wird auch Drehfeld genannt. 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 o 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 An- spruchs 14, zu schaffen, der das Magnetfeld während synchronen Betriebs annähernd sinusförmig macht.
Die Aufgabe wird durch einen Rotor gelöst, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Bevorzugte Ausführungsarten der Erfindung sind in den Un- teransprüchen offenbart.
Es ist erwünscht, dass die Feldstärke des zwischen Rotor und Stator existierenden Magnetfelds während des synchronen Betriebs annähernd sinusförmig ist. Dem wirken allerdings die Permanentmagneten in dem Rotor entgegen, die bei herkömmlichen Line-Start-Elektromotoren zu einem eckigen Verlauf führen. Das gewünschte sinusförmige Drehfeld wird somit von den herkömmlichen Permanentmagneten verzerrt und trägt damit während des synchronen Betriebs zu Drehmomentschwankungen beziehungsweise Momentpulsationen bei. Diese unerwünschte Verzerrung während synchronen Betriebs wird dadurch erzeugt, dass die Feldstärke des permanenten Magnets unabgeschwächt über die Rotor- Oberfläche verteilt wird. In Richtung der Magnetachse bestimmen die Permanentmagnete hauptsächlich das Feld. Bei herkömmlichen Line-Start-Elektromotoren ist der Rotor somit für das Magnetfeld vom Stator nur teilweise in Richtung der Neutralachse, nicht aber in Richtung der Magnetachse voll durchlässig.
Bei dem erfindungsgemäßen Rotor handelt es sich vorzugsweise um einen Ro- tor für einen Elektromotor, insbesondere einen Line-Start-Elektromotor, mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen für Permanentmagnete und mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen für Leiterstäbe. Die Aufnahmeräume für die Leiterstäbe weisen in mindestens einem Sektor des Rotors einen im Wesentlichen länglichen Querschnitt auf. Im Querschnitt betrachtet sind die Aufnahmeräume für die Leiterstäbe in diesem Sektor entlang ihrer Längsachse gekrümmt ausgebildet. Bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass die Drehmomentschwankungen bei herkömmlichen Line-Start-Elektromotoren darauf zurückzuführen sind, dass der Verlauf der Feldstärke des resultierenden Magnetfelds in dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor über dem Drehwinkel nicht sinusförmig, sondern, zumindest teilweise, eckig ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe kann im Betrieb ein annähernd sinusförmiger Verlauf erreicht werden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Permanentmagnete, insbesondere vier Permanentmagnete, so angeordnet sind, dass sie ein magnetisches Feld mit einer Neutralachse und einer Magnetachse erzeugen, die senkrecht zu der Neutralachse angeordnet ist. 5 Die Krümmungsradien der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe nehmen von der Neutralachse zu der Magnetachse hin ab, das heißt, die Krümmungsradien sind in der Nähe der Magnetachse kleiner als in der Nähe der Neutralachse. Die Neutralachse verläuft da, wo die Permanentmagneten kein Magnetfeld erzeugen. Die Magnetachse verläuft da, wo das von den Dauermagneten erzeugte 0 Magnetfeld am stärksten ist. Die Feldstärke des Permanentmagnetfelds kann zum Beispiel 1 ,5 Tesla betragen. Das von den Ständer- oder Statorwicklungen erzeugte Magnetfeld verläuft von dem Stator durch den Rotor und wieder in den Stator zurück. Durch die Verringerung der Krümmungsradien von der Neutralachse zu der Magnetachse wird erreicht, dass das die während des Anlaufs auf- 5 tretenden Magnetfeldlinien vom Stator den Rotor gut durchdringen können.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiei des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Aufnahmeräumen für die Leiterstäbe konstant ist. Diese Anordnung hat sich bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuchen als besonders vorteilhaft erwiesen.
o Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Leiterstäbe, im Querschnitt betrachtet, so entlang ihrer Längsachse gekrümmt ausgebildet und angeordnet sind, dass der Abstand der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe zur Drehachse des Rotors, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, von der Neutralachse zu der 5 Magnetachse hin zunimmt. Dadurch werden Freiräume geschaffen, in denen die
Feldlinien des von den Statorwicklungen erzeugten Magnetfelds den Rotor durchdringen können.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe, im o Querschnitt durch den Rotor betrachtet, in der Nähe der Neutralachse, abgesehen von der Krümmung und bezogen auf den Rotor, im Wesentlichen radial ausgerichtet sind, und dadurch, dass die Längsachsen der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, zur Magnetachse hin so verdreht angeordnet sind, dass die radial äußeren Enden der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, in einem geringeren Abstand zu der Magnetachse angeordnet sind als bei einer radialen Ausrichtung. Daraus ergibt sich, dass die Längsachsen der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe in der Nähe der Magnetachse der Permanentmagneten im Wesentlichen parallel zu dieser verlaufen. Das wiederum führt dazu, dass das von den Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld, auch in der Nähe der Magnetachse, ungehindert zwischen den Aufnahmeräumen für die Leiterstäbe hindurchdringen kann.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Leiterstäbe, im Querschnitt betrachtet, jeweils zwei Seitenwände aufweisen, die unterschiedlich stark gekrümmt sind. Dadurch bekommen die Aufnahmeräume für die Leiterstäbe eine im Wesentlichen sichelförmige Gestalt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsradien der Seitenwände der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe von der Neutralachse zu der Magnetachse hin abnehmen. Je kleiner der Krümmungsradius der Seitenwände wird, desto kleiner wird die Länge des zwischen den Seitenwänden eingeschlossenen Aufnahmeraums. Das hat sich bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Messungen im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Elektromotors als vorteilhaft erwiesen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Seitenwände der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, an ihren nach innen gewandten En- den durch eine gerundete Verbindungswand verbunden sind. Das hat sich unter fertigungstechnischen und funktioneilen Gesichtspunkten als besonders vorteilhaft erwiesen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswände sämtlicher Aufnahmeräume für die Leiter- stäbe den gleichen Radius aufweisen. Daraus ergibt sich, dass der Abstand zwischen den Seitenwänden radial innen ebenfalls konstant ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Permanentmagneten so gekrümmt ausgebildet und um die Drehachse des Rotors herum angeordnet sind, dass der Abstand zwischen 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. Da- durch wird ausreichend Raum für die magnetischen Feldlinien des von dem Stator erzeugten Magnetfelds geschaffen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Permanentmagneten, 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 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 der Rotor mindestens eine Übergangszone aufweist, in der die Aufnahmeräume für die Leiterstäbe nicht gekrümmt ausgebildet sind. Der Rotor kann aus einem auf eine Welle aufgebrachten Blechpaket gebildet sein. In der Übergangszone können laminierte Bleche angeordnet sein, die keine gekrümmten Aufnahmeräume für die Leiterstäbe aufweisen. Die Übergangszone dient dazu, eine sogenannte Nutschrägung zu erreichen, das heißt, dass ein Leiterstab in einem ersten Ende des Rotors im Vergleich zum 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 ver- schrägt. Durch die Nutschrägung wird die Amplitude von im Drehfeld störenden magnetischen Harmonischen erwünscht stark reduziert. Die Übergangszone besteht aus zum Beispiel 10 bis 20 Blechen, deren Aufnahmeräume zueinander versetzt sind.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekenn- zeichnet, dass die Aufnahmeräume für die Leiterstäbe radial außen geschlossen sind. Die Aufnahmeräume für die Leiterstäbe sind vorzugsweise am äußeren Umfang des Rotors angeordnet und können, obwohl sie einen geschlossenen Querschnitt aufweisen, auch als Nuten bezeichnet werden. Dadurch, dass die Aufnahmeräume geschlossen sind, wird erreicht, dass hochfrequente Anteile im magnetischen Feld keine Verlustströme in den Leiterstäben induzieren.
" Bei einem Elektromotor, insbesondere einem Line-Start-Elektromotor, mit einem Stator, der eine Vielzahl von Wicklungen umfasst, ist die oben angegebene Auf- gäbe dadurch gelöst, dass ein vorab beschriebener Rotor drehbar innerhalb des Stators angeordnet ist. Durch den erfindungsgemäßen Rotor kann das Magnetfeld beim Anlaufen des Elektromotors so gesteuert werden, dass Lücken im Magnetfeld der Permanentmagneten ausgefüllt werden können. Durch den annähernd sinusförmigen Verlauf des Magnetfelds beziehungsweise der magneti- sehen Feldstärke beziehungsweise der magnetischen Flussdichte können Wirkungsgrade von mehr als 90 % erreicht werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Elektromotors ist dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnseiten des Rotors Kurzschlussringe angeordnet sind, welche die Leiterstäbe miteinander verbinden. Die Kurzschlussringe und die Leiterstäbe bilden einen Käfig, in welchem eine Spannung induziert wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben ist. Es zeigen:
Figur 1 die Darstellung eines Querschnitts durch einen Rotor;
Figur 2 eine verkleinerte Darstellung des Rotors aus Figur 1 mit Feldlinien des durch die Permanentmagnete erzeugten Magnetfelds und
Figur 3 den Rotor aus Figur 2 mit Feldlinien des von einem Stator erzeugten Magnetfelds.
In Figur 1 ist ein Rotor 1 eines Line-Start-Elektromotors im Querschnitt darge- stellt. Der Rotor 1 weist ein zentrales Durchgangsloch 2 auf, das zur Aufnahme einer (nicht dargestellten) Welle dient, über die ein von dem Elektromotor erzeugtes Drehmoment abgegeben werden kann.
Um das Durchgangsloch 2 herum sind vier Aufnahmeräume 4, 5, 6 und 7 für Permanentmagnete 10, 11 , 12 und 13 angeordnet. Die Aufnahmeräume 4 bis 7 erstrecken sich in axialer Richtung zumindest über einen Teil der Länge des Rotors 1. Im Querschnitt betrachtet sind die vier Aufnahmeräume 4 bis 7 für die Permanentmagneten 10 bis 13 in der Gestalt einer Ellipse angeordnet. Die Pole der Permanentmagneten 10 bis 13 sind jeweils durch die Großbuchstaben N für Nordpol und S für Südpol bezeichnet. Die dargestellte Anordnung der Perma- 5 nentmagnete 10 bis 13 führt zur Ausbildung eines magnetischen Felds, dessen Feldstärke entlang einer neutralen Achse 16 Null und entlang einer Magnetachse 17 am größten ist. Die neutrale Achse 16 wird auch als Neutralachse bezeichnet.
Nach außen hin wird der Rotor 1 von einer Kreiszylindermantelfläche begrenzt, auf deren Umfang eine Vielzahl von Aufnahmeräumen 20 bis 25 und 28, 29 für 0 Leiterstäbe angeordnet sind. Die Aufnahmeräume für (nicht dargestellte) Leiterstäbe erstrecken sich in axialer Richtung über die gesamte Länge des Rotors 1. Der Rotor 1 ist, bezogen auf die neutrale Achse 16 und die Magnetachse 17 in sich symmetrisch ausgebildet. Deshalb sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die Aufnahmeräume 20 bis 25 und 28, 29 für die Leiterstäbe mit Bezugszei- 5 chen versehen.
Jeder Aufnahmeraum für einen Leiterstab, der auch als Aufnahmeraum für eine Leiterwicklung bezeichnet werden kann, umfasst zwei Seitenwände 31 und 32, die durch eine halbkreisförmige Verbindungswand 34 verbunden sind. An dem anderen Ende sind die länglichen Aufnahmeräume für die Leiterstäbe spitz oder o stumpf zulaufend ausgebildet. Die Abstände 35 bis 39 zwischen den nach außen gewandten Enden der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe sind konstant.
In Figur 1 sieht man, dass die beiden Seitenwände des Aufnahmeraums 28 konkav ausgebildet sind. Im Unterschied dazu sind die beiden Seitenwände des Aufnahmeraums 29 konvex ausgebildet. Der Aufnahmeraum 28 wird durch die 5 neutrale Achse 16 und der Aufnahmeraum 29 durch die Magnetachse 17 in zwei gleiche Hälften zerteilt. Die zwischen den Aufnahmeräumen 28 und 29 und somit zwischen der Neutralachse 16 und der Magnetachse 17 angeordneten Aufnahmeräume 20 bis 25 weisen jeweils eine konvexe und eine konkave Seitenwand auf. Der Krümmungsradius der Aufnahmeräume 20 bis 25 nimmt von der Neu- o tralachse 16 zu der Magnetachse 17 hin ab. Das heißt, der Aufnahmeraum 20 weist die größten und der Aufnahmeraum 25 die kleinsten Krümmungsradien auf. ln Figur 2 ist das von den Permanentmagneten 10 bis 13 erzeugte Magnetfeld in Form von magnetischen Feldlinien teilweise dargestellt.
In Figur 3 ist das von einem (nicht dargestellten) Stator erzeugte Magnetfeld während des asynchronen Anlaufen des Rotors in Form von Magnetfeldlinien 5 teilweise dargestellt. Durch Pfeile 48 und 49 ist in Figur 3 der magnetische Fluss durch den Rotor 1 angedeutet.
Die gekrümmten Aufnahmeräume für die Leiterstäbe, die auch als Nuten bezeichnet werden können, liefern den Vorteil, dass das von den Permanentmagneten erzeugte magnetische Feld im Betrieb des (nicht dargestellten) Line-Start- 0 Elektromotors kontrolliert durch den Rotor 1 hindurchgeleitet werden. Dadurch kann im Betrieb des Elektromotors in dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor ein angenähert sinusförmiger Verlauf der Feldstärke des resultierenden Magnetfelds erzeugt werden.
Die Krümmung der Nuten beziehungsweise Aufnahmeräume für die Leiterstäbe 5 hat die primäre Funktion während des synchronen Betriebes des Elektromotors das von den Permanentmagneten erzeugte magnetische Feld sinusförmig in dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator zu verteilen. Demzufolge wird das Magnetfeld im Bereich der Neutralachse am schwächsten und im Bereich der Magnetachse am stärksten sein.
o Darüber hinaus wird durch die gekrümmte Ausbildung der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe und die spezielle Anordnung der Leiterstäbe beim Anlaufen des Elektromotors viel Raum für das den Rotor durchdringende magnetische Feld des Stators geschaffen. Wie in Figur 3 zu sehen ist, ist zwischen den Aufnahmeräumen 24 und 25 für die Leiterstäbe und dem Permanentmagneten 11 ausrei- 5 chend Raum für den Durchgang der Magnetfeldlinien. Dadurch werden magnetische Engpässe vermieden, die zu einer unerwünschten Sättigung des Rotorblechs führen könnten. Durch die spezielle Anordnung der Permanentmagneten wird der zur Verfügung stehende Raum noch vergrößert.
Mit der Erfindung wird erreicht, dass das Magnetfeld beim Anlaufen des Elektro- o motors so gesteuert wird, dass Lücken im Magnetfeld, die durch die Permanentmagneten verursacht werden, ausgefüllt werden.

Claims

Ansprüche
1. Rotor für einen Elektromotor, insbesondere einen Line-Start-Elektromotor, mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (4 bis 7), für Permanentmagnete (10 bis 13) und mit in axialer Richtung verlaufenden Aufnahmeräumen (20 5 bis 25) für Leiterstäbe, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (20 bis 25) für die Leiterstäbe in mindestens einem Sektor des Rotors einen im Wesentlichen länglichen Querschnitt aufweisen, und dadurch, dass die Aufnahmeräume (20 bis 25) für die Leiterstäbe in diesem Sektor, im Querschnitt betrachtet, entlang ihrer Längsachse gekrümmt ausgebildet sind.
0 2. Rotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Permanentmagnete (10 bis 13), insbesondere vier Permanentmagnete, so angeordnet sind, dass sie ein magnetisches Drehfeld mit einer Neutralachse (16) und einer Magnetachse (17) erzeugen, die senkrecht zu der Neutralachse (16) angeordnet ist, wobei die Krümmungsradien der Aufnahmeräume (20 bis 25) für die Leiter- 5 stäbe von der Neutralachse (16) zu der Magnetachse (17) hin abnehmen.
3. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (35 bis 39) zwischen den Aufnahmeräumen für die Leiterstäbe konstant ist.
4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- o net, dass die Aufnahmeräume (20 bis 25) für die Leiterstäbe, im Querschnitt betrachtet, so entlang ihrer Längsachse gekrümmt ausgebildet und angeordnet sind, dass der Abstand der Aufnahmeräume (20 bis 25) für die Leiterstäbe zur Drehachse des Rotors, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, von der Neutralachse (16) zu der Magnetachse (17) hin zunimmt.
5 5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen der Aufnahmeräume (20, 21 ) für die Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, in der Nähe der Neutralachse (16), abgesehen von der Krümmung und bezogen auf den Rotor, im Wesentlichen radial ausgerichtet sind, und dadurch, dass die Längsachsen der Aufnahmeräume o (24,25) für die Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, zur Magnetachse (17) hin so verdreht angeordnet sind, dass die radial äußeren Enden der Aufnahmeräume (24,25) für die Leiterstäbe in einem geringeren Abstand zu der Magnetachse (17) angeordnet sind als bei einer radialen Ausrichtung.
6. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (20 bis 25) für die Leiterstäbe, im Querschnitt be-
5 trachtet, jeweils zwei Seitenwände (31 ,32) aufweisen, die unterschiedlich stark gekrümmt sind.
7. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsradien der Seitenwände (31 ,32) der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe von der Neutralachse (16) zu der Magnetachse (17) hin abnehmen.
0 8. Rotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Seitenwände der Aufnahmeräume für die Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, an ihrer nach innen gewandten Enden durch eine gerundete Verbindungswand (34) verbunden sind.
9. Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungs- 5 wände (34) sämtlicher Aufnahmeräume für die Leiterstäbe den gleichen Radius aufweisen.
10. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (4 bis 7) für die Permanentmagneten so gekrümmt ausgebildet und um die Drehachse des Rotors herum angeordnet sind, o dass der Abstand zwischen den Aufnahmeräumen (5) für die Permanentmagneten (11 ) und den Aufnahmeräumen (20 bis 25) für die Leiterstäbe, im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, im Bereich der Magnetachse (17) größer als im Bereich der Neutralachse (16) ist.
11. Rotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme- 5 räume (4 bis 7) für die Permanentmagneten (10 bis 13) im Querschnitt durch den Rotor betrachtet, die Gestalt von Bögen aufweisen, die in Form einer Ellipse angeordnet sind, deren Hauptachse mit der Neutralachse (16), und deren Nebenachse mit der Magnetachse (17) zusammenfällt.
12. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- o net, dass der Rotor mindestens eine Übergangszone aufweist, in der die Aufnahmeräume für die Leiterstäbe nicht gekrümmt ausgebildet sind.
13. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeräume (20 bis 25, 28,29) für die Leiterstäbe radial außen geschlossen sind.
14. Elektromotor, insbesondere Line-Start-Elektro-motor, mit einem Stator, der 5 eine Vielzahl von Wicklungen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche drehbar innerhalb des Stators angeordnet ist.
15. Elektromotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnseiten des Rotors (1) Kurzschlussringe angeordnet sind, welche die Leiter- l o stäbe miteinander verbinden.
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