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Dokumentenidentifikation DE69501066T3 21.09.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000695018
Titel Synchronmotor mit im Rotor eingebetteten Permanentmagneten
Anmelder Parvex, Dijon, FR
Erfinder Cuenot, Alain, F-21000 Dijon, FR;
Petitboulanger, Alain, F-21000 Dijon, FR
Vertreter Moser & Götze Patentanwälte, 45130 Essen
DE-Aktenzeichen 69501066
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, GB, GR, IE, IT, LI, LU, NL, PT, SE
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 25.07.1995
EP-Aktenzeichen 954017596
EP-Offenlegungsdatum 31.01.1996
EP date of grant 19.11.1997
EPO date of publication of amended patent 22.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.09.2006
IPC-Hauptklasse H02K 1/27(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H02K 21/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Synchronmotor, der insbesondere mit konstanter Leistung und hoher Geschwindigkeit arbeiten soll und der einen großen zentralen Freiraum in der Rotorachse erlaubt.

Der Betrieb eines Synchronmotors mit konstanter Leistung mit Magneten wurde in dem Aufsatz von B.K. BOSE "Adjustable Speed AC Drives, a Technology Status Review" in Proceedings of the IEE, vol. 70, N° 2, Februar 1982, New York, USA, Seiten 116 bis 135 beschrieben.

Um einen großen Betriebsbereich mit konstanter Leistung zu erhalten, ist es bei einem Synchronmotor notwendig, auf einen großen Phasenvorschub zurück zu greifen.

Bei einem üblichen Synchronmotor mit Magneten führt dieser große Phasenvorschub (bis zu 90°) bei einem Leerlauf zu einem zu hohen Stromwert, der die thermische Grenze der betreffenden Produkte überschreiten kann und die große Gefahr mit sich bringt, dass die Magnete des Rotors sich entmagnetisieren, was zu einem Verlust an Leistung und Zuverlässigkeit der Maschinen führt.

Diese Lösung erfordert auch einen elektronischen Regler für die installierte Speiseleistung, die in Bezug auf die abgegebene mechanische Leistung sehr hoch ist, was einen ungünstigen wirtschaftlichen Kompromiß bedeutet.

Eine besondere Konstruktion eines Synchronmotors wurde in dem französischen Patent FR-2 641 654 der Anmelderin beschrieben.

Dieser an den Betrieb mit konstanter Leistung angepasste Motor erlaubt jedoch keine hohen Drehgeschwindigkeiten (maximale Umfangsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 300 km/h), da die mechanische Konstruktion gegen die Zentrifugalkraft des Rotors nur unzureichenden Widerstand bietet. Außerdem nehmen die radial ausgerichteten Magnete den größten Teil des Rotorvolumens ein, so dass kein großes zentrales Loch im Rotor angebracht werden kann, um eine sehr steife Welle anzuordnen oder um Steuerorgane anzuordnen, zum Beispiel mechanische Organe eines auf der Achse des Rotors befestigten Futters.

Somit ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Synchronmotor anzugeben, der mit konstanter Leistung in einem großen Geschwindigkeitsbereich betrieben werden kann, zum Beispiel zwischen einer gegebenen Grundgeschwindigkeit N0 und einem zwanzigmal größeren Wert.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Synchronmotor, der sehr hohe Drehgeschwindigkeiten ermöglicht.

Zum Beispiel beträgt die am Rotorumfang erreichte Geschwindigkeit typischerweise 400 bis 600 km/h. Zu diesem Zweck muss der mechanische Widerstand gegen die Zentrifugalkraft sehr hoch sein und die Eisenverluste bei Höchstgeschwindigkeit müssen begrenzt bleiben.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Synchronmotor, der eine Rotorkonstruktion erlaubt, bei der im Zentrum des Rotors ein großes Loch freigelassen wird, das eine sehr steife Welle aufnehmen soll.

Zum Beispiel kann der Durchmesser des Lochs innerhalb des Rotorblechs 130 mm bei einem Außendurchmesser des Statorblechs von 240 mm erreichen.

Alle diese Ziele werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, die einen Synchronmotor nach Anspruch 1 hat.

Die Erfindung betrifft auch einen Synchronmotor, der eine der folgenden Eigenschaften aufweist:

  • – Der magnetische Widerstand, den ein Fluss erfährt, der von einem Strom im Stator erzeugt wird und sich im Rotor gemäß einem zweiten Magnetweg F4 ausbreitet, der nicht über die Magnete verläuft, ist zwischen 1 und 10 mal so groß wie der magnetische Widerstand, den ein Fluss erfährt, der sich über einen dritten Weg F5 ausbreitet, der über die Magnete verläuft.
  • – Der Magnetweg F3, der dem Fluss der Magnete innerhalb des Rotors angeboten wird, besteht aus einem ferrimagnetischen oder ferromagnetischen Material, das global die Magnete eines gleichen Pols umgibt und das zwischen diesen Polen schmale und magnetisch gesättigte Verbindungsabschnitte L1 aufweist, deren Breite 11 und Form so definiert sind, dass der Wert des magnetischen Widerstands eingestellt wird, den der Rotor erfährt.
  • – Jeder Pol verfügt über mindestens zwei Magnete je Pol, wobei jeder Magnet von einer Verbindung aus einem ferrimagnetischen oder einem ferromagnetischen Material umgeben ist und die Breite 12 dieser Verbindung zwischen den Magneten des gleichen Pols so definiert ist, dass der mechanische Widerstand gegen die Zentrifugalkraft gewährleistet ist.
  • – ein Freiraum liegt im Zentrum des Rotors vor, dessen Durchmesser zwischen 0,2 und 0,6 mal so groß wie der Außendurchmesser eines Statorblechs ist.

Die vorgeschlagene Struktur ermöglicht es, einen Motor mit einem Loch zu bilden, das im Zentrum des Rotors liegt und dessen Durchmesser zwischen 0,2 und 0,6 mal so groß wie der Außendurchmesser des Statorblechs ist.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Synchronmotors ist es, dass seine Konstruktion es erlaubt:

  • – die gewünschten Merkmale Drehmomente, Geschwindigkeiten und Leistungen mit einem Strom zu erreichen, der in den vom Motor tolerierten Grenzen bleibt,
  • – den Magnetisierungszustand der Magnete des Rotors aufrechtzuerhalten, d.h. jede Gefahr einer Entmagnetisierung zu vermeiden,
  • – das Verhältnis zwischen der installierten Leistung des elektronischen Speisereglers und der an der Welle erhaltenen mechanischen Leistung zu optimieren.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

1 ist ein Vektordiagramn, das den Betrieb eines Synchronmotors mit einem Phasenvorschub von 90° zeigt.

2 zeigt im axialen Schnitt eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Synchronmotors mit Magneten.

3 zeigt im axialen Schnitt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Synchronmotors mit Magneten.

Bei einem Synchronmotor mit Magneten, für den man einen großen Phasenvorschub verwenden will, z.B. von 90°, sieht das Vektordiagramm für einen beliebigen Betriebspunkt wie in 1 dargestellt aus. Dabei gilt:

E
= elektromotorische Kraft des Motors,
U
= Potentialdifferenz an den Klemmen der Wicklungen des Motors
L, R
= Induktanz und Widerstand des Motors.

Die elektromotorische Kraft E ist ein intrinsisches Merkmal des Motors.

Die Potentialdifferenz U wird vom Regler festgelegt. Ihr Wert kann je nach Bedarf verändert werden.

Die Induktanz L ist ebenfalls ein intrinsisches Merkmal des Motors.

Der Strom I ist eine Resultierende.

Um einen Betriebsbereich gleich oder größer als 20 zu erhalten, muß die Amplitude des Vektors U einen Wert erreichen können, der 20 mal niedriger ist als die Amplitude des Vektors E, d.h. dass die Amplitude des Vektors L&ohgr;I (unter Vernachlässigung des Werts des Vektors R1, der gering bleibt) etwa 19/20 der Amplitude des Vektors E erreichen kann.

Das heißt, dass bei einer gegebenen Geschwindigkeit unter Berücksichtigung der obigen Bedingungen der Wert des Stroms I innerhalb der vom Motor erlaubten Grenzen bleibt.

Man muß also eine Motorkonstruktion vorsehen, bei der die innere Induktivität diese Bedingungen erfüllt, ohne Hinzufügung einer äußeren Induktanz zum Motor und in Reihe mit diesem.

Wenn ein minimaler Wert der Selbstinduktanz durch Hinzufügung einer äußeren Induktanz zum Motor erhalten werden sollte, würde man zwar den Strom auf den gewünschten Wert reduzieren, aber diese Lösung ergäbe zwei wichtige Nachteile:

  • a/ Zu hohe Spannungen an den Klemmen der Wicklungen des Motors.
  • b/ Unerwünschte Eisenverluste beim Betrieb mit hoher Geschwindigkeit.

Da der Vektor L&ohgr;I Werte annehmen soll, die größer oder gleich 19/20 des Vektors E sind, ist der Vektor U notwendigerweise klein gegenüber dem Vektor E. Dieser Vektor ist für den aus den Wirkungen des Stroms I in den Statorwicklungen resultierenden Fluss und für den Fluss der Magnete repräsentativ, während der Vektor E für den nur von den Magneten des Rotors im Stator erzeugten Fluss repräsentativ ist (in Abwesenheit von Strom in den Statorwicklungen). Diese Verringerung des vom Stator unter der Wirkung des Stroms erzeugten Magnetflusses kann ein Zurückweichen der Magnete des Rotors hervorrufen und sie in die Nähe der Entmagnetisierungsschwelle bringen.

Wenn unter diesen Bedingungen kein Magnetkreis für die Zirkulation des Magnetflusses der Magnete im Rotor vorgesehen ist oder wenn kein Magnetkreis der Zirkulation des Magnetflusses, der von den Strömen des Stators erzeugt wird, der nicht über die Magnete verläuft, vorgesehen ist, müssten die Magnete an der Grenze der Entmagnetisierung arbeiten, was eine schwierige Situation in Bezug auf die Kennwerte und die Zuverlässigkeit des Motors darstellt.

Der Synchronmotor mit Magneten, der für diesen Betrieb vorgeschlagen wird, besteht aus einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor so ausgebildet ist, dass er, wenn der Phasenvorschub große Werte und der Strom I hohe Pegel erreicht, einerseits ein großer Teil des Flusses der Magnete weiter über die im Rotor vorgesehenen Magnetwege fließen lässt, während andererseits der vom Strom I erzeugte Fluss zum Teil über den im Rotor vorgesehenen Magnetweg fließt, der nicht über die Magnete verläuft, was die Gefahr einer Entmagnetisierung ausschließt.

In 2 ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Synchronmotors dargestellt.

Das Bezugszeichen 1 bezeichnet ein Statorgerüst mit Nuten 2, in denen Wicklungen 3 angeordnet sind.

Das Bezugszeichen 4 bezeichnet die Rotorbleche, die ausgeschnitten und gestapelt sind, um Plätze zu definieren, in denen Magnete 5 angeordnet sind. Die Magnetisierungsrichtung der Magnete ist radial, d.h. senkrecht zur Achse des Motors und im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene, die durch den Magnet verläuft.

Das Bezugszeichen 6 bezeichnet ein zentrales Loch des Rotors, in dem entweder eine massive Welle 9 (2) oder eine hohle Welle 7 (3) sitzt, die eine bekannte, nicht dargestellte Steuereinheit aufnimmt.

Mit 8 ist der Magnetspalt zwischen dem Rotor und dem Stator bezeichnet.

Die Pfeile F1 bezeichnen den Magnetfluss, der von den Magneten des Rotors ausgeht, während die Pfeile F2 den Magnetfluss darstellen, der von den Wicklungen 3 des Stators erzeugt wird.

Man sieht, dass die Konfiguration des erfindungsgemäßen Motors nicht Gefahr läuft, die Magnete zu entmagnetisieren, da einerseits der Fluss der Magnete sich schließen kann, indem er einen vom Pfeil F3 bezeichneten Schleifenweg einnimmt.

Die Anmelderin hat festgestellt, dass der Betrieb optimal ist, wenn man den Schleifenweg des Magnetflusses der Magnete im Rotor einen Magnetwiderstand R2 verleiht, der zwischen ein- und zehnmal so groß ist wie der Magnetwiderstand R1, dem der Magnetfluss auf der Seite des Magnetspalts 8 unterliegt.

Der Fachmann kann leicht die Art, die Breite 11 und die Form des Verbindungselements L1 wählen, das die obigen Bedingungen erfüllen kann.

Andererseits kann ein Teil des von der Wicklung des Stators erzeugten Flusses sich über den durch den Pfeil F4 dargestellten magnetischen Umgehungsweg schließen. Die Anmelderin hat festgestellt, dass der Betrieb optimal ist, wenn man den Umgehungsweg des Flusses der Wicklung einen Magnetwiderstand verleiht, der zwischen einmal und zehnmal so groß ist wie der Magnetwiderstand, der vom mit F5 bezeichneten Weg angeboten wird, der über die Magnete verläuft.

Der dem Magnetfluss der Magnete innerhalb des Rotors angebotene Weg kann vorteilhafterweise mit einem ferrimagnetischen oder ferromagnetischen Material hergestellt werden, das global die Magnete des gleichen Pols umgibt und das über magnetisch gesättigte schmalere Zonen zwischen den Polen verfügt, deren Breite 11 so definiert ist, dass sie den Wert des den Magnetfluss der Magnete im Rotor angebotenen Magnetwiderstands regelt.

3 zeigt eine andere Anordnung des erfindungsgemäßen Synchronmotors, bei dem eine zusätzliche Verbindung L2 zwischen den Magneten hergestellt wurde. Diese Verbindung erzeugt einen Magnetweg für den Magnetfluss der Magnete in gleicher Weise wie die Verbindung L1 und verstärkt außerdem sehr den Widerstand des Rotors gegen die Zentrifugalkraft.

Vorteilhafterweise kann jeder Pol über mindestens zwei Magnete je Pol verfügen, wobei jeder Magnet von einem ferrimagnetischen oder ferromagnetischen Material umgeben ist und die Breite 12 der Magnetzone zwischen den Magneten des gleichen Pols so definiert ist, dass sie den mechanischen Widerstand gegen die Zentrifugalkraft gewährleistet.

Die 2 und 3 zeigen klar den Raum, der im Zentrum der Welle des Rotors durch die besondere Anordnung der Magnete freigelassen werden kann.


Anspruch[de]
  1. Synchronmotor mit in einem Rotor eingefügten Magneten (5), die in Azimutrichtung innerhalb des Rotors mit einer radialen Magnetisierungsrichtung positioniert sind, wobei der Rotor mit einem Stator in der Weise zusammenwirkt, dass ein Luftspalt (8) definiert ist, wobei der Rotor und der Stator von Polen begrenzt sind und der Motor dadurch gekennzeichnet ist, dass innerhalb des Rotors ein erster geschlossener magnetischer Weg F3 vorgesehen ist, der sich zwischen den Magneten (5) der zwei benachbarten Pole wieder schließt, um einen Fluss zwischen den Magneten (5) auszubilden, sobald der Motor bei konstanter Leistung in einem größeren Geschwindigkeitsbereich der Grundgeschwindigkeit (N0) des Motors betrieben wird, breitet sich der erste geschlossene magnetische Weg F3 aus, dass der erste geschlossene magnetische Weg F3 einen magnetischen Widerstand aufweist, der zwischen 0,5 mal und 10 mal so groß eingestellt ist wie der magnetische Widerstand, den ein von den Magneten (5) erzeugter Fluss erfährt, der sich in dem Luftspalt (8) in der Weise ausbreitet, dass der Wert des Statorstroms (I) innerhalb der thermischen Grenzen bleibt, die von dem Motor erlaubt werden, ohne eine Entmagnetisierung der Magnete (5) des Rotors zu bewirken, wenn der Motor mit konstanter Leistung in einem größeren Geschwindigkeitsbereich der Grundgeschwindigkeit (N0) des Motors betrieben wird.
  2. Motor nach Anspruch 1, bei dem der magnetische Widerstand, dem ein Fluss ausgesetzt ist, der von einem Strom im Stator erzeugt wird und sich im Rotor gemäß einem zweiten Magnetweg F4 ausbreitet, der nicht über die Magnete (5) verläuft, zwischen 1 und 10 mal so groß ist wie der magnetische Widerstand, den der Fluss erfährt, der sich über einen dritten Weg F5 ausbreitet, der über die Magnete verläuft.
  3. Motor nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei denen der Magnetweg F3, dem der Fluss der Magnete (5) innerhalb des Rotors ausgesetzt ist, aus einem ferrimagnetischen oder ferromagnetischen Material besteht, das global die Magnete eines gleichen Pols umgibt und das zwischen diesen Polen schmale und magnetisch gesättigte Verbindungsabschnitte L1 aufweist, deren Breite 11 und Form so definiert sind, dass der Wert des magnetischen Widerstands eingestellt wird, den der Fluss der Magnete im Rotor erfährt.
  4. Motor nach einem beliebigen der Anspruche 1 bis 3, bei dem jeder Pol über mindestens zwei Magnete je Pol verfügt, wobei jeder Magnet von einer Verbindung aus einem ferrimagnetischen oder einem ferromagnetischen Material umgeben ist und wobei die Breite 12 dieser Verbindung zwischen den Magneten des gleichen Pols so definiert ist, dass der mechanische Widerstand gegen die Zentrifugalkraft gewährleistet ist.
  5. Motor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Freiraum im Zentrum des Rotors vorliegt, dessen Durchmesser zwischen 0,2 und 0,6 mal so groß wie der Außendurchmesser eines Statorblechs ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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