DE10041329A1 - Permanentmagneterregter Läufer für einen permanentmagneterregten elektrischen Antrieb, insbesondere für AC-Hauptantriebe - Google Patents
Permanentmagneterregter Läufer für einen permanentmagneterregten elektrischen Antrieb, insbesondere für AC-HauptantriebeInfo
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Abstract
Zur Realisierung eines konstanten Leistungsbereiches durch Feldschwächung bei einem permanentmagneterregten Antrieb wird der magnetische Querwiderstand (Rm) des Läuferblechpaketes durch Pollücken (P1, P2) erhöht, welche in die Oberfläche (O) des Läuferblechschnitts (L) gefräst werden oder in den Läuferblechschnitt (L) gestanzt werden, wobei sich eine Polbedeckung жp¶ von 70-80% als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen permanentmagneterregten
Läufer für einen elektrischen Antrieb mit einem Läuferblech
paket und Permanentmagneten.
Von Arbeitsmaschinen wie z. B. Werkzeugmaschinen erwartet man
heute im Bereich kleinerer Drehzahlen eine mit der Drehzahl
linear ansteigende Leistung. Ab der Nenndrehzahl wird dann
bis zur maximalen Drehzahl eine konstante Leistung vom AC-
Motor erwartet.
AC-Hauptantriebe werden in der Regel überwiegend als Asyn
chronmaschinen ausgeführt, welche die obengenannte erste Be
dingung bis zur Nenndrehzahl erfüllen. Auch die zweite Bedin
gung ab der Nenndrehzahl lässt sich mit der Asynchrontechnik
einfach erfüllen, da der Luftspaltfluss direkt über Ausgangs
spannung eines Umrichters beeinflusst und geschwächt werden
kann.
Jedoch gewinnt im Bereich der Hauptantriebe zunehmend auch
der permanentmagneterregte AC-Motor an Bedeutung, vor allem
weil dieser eine höhere Leistungsdichte und damit verbunden
einen kompakteren Motoraufbau ermöglicht.
Probleme ergeben sich beim Ersatz von Hauptantrieben in Asyn
chrontechnik durch permanentmagneterregte Motoren vor allem
bei der Realisierung des Konstantleistungsbereichs ab der
Nenndrehzahl. Die Erfüllung dieser Bedingung ist bei einem
permanentmagneterregten Motor ungleich schwieriger und auf
wendiger zu erfüllen.
Die Wirksamkeit der Feldschwächung von permanenterregten
Hauptantrieben ist stark abhängig vom Design des Blech
schnitts des Läufers, wobei für die Induktivitäten in Längs
achse (d) und Querachse (q) folgende Bedingungen anzustreben
sind:
Lq möglichst klein
Ld möglichst groß (1)
Lq < Ld
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Läu
ferblechschnitt zu entwickeln, der die obigen Bedingungen in
technischer Hinsicht, aber auch in wirtschaftlicher Hinsicht
erfüllt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ei
nen permanentmagneterregten Läufer für einen elektrischen An
trieb mit einem Läuferblechpaket und Permanentmagneten ge
löst, indem der Läuferblechschnitt zur Erhöhung des magneti
schen Querwiderstandes für die Querachse des Läufers mit Pol
lücken versehen ist.
Bei größeren Achshöhen hat es sich als technisch vorteilhaft
erwiesen, die Magnete am Luftspalt und nicht im Läufer
blechschnitt anzuordnen, indem die Permanentmagneten auf der
Oberfläche des Läuferblechs so angeordnet sind, dass diese
bei Montage des Läufers in einem Ständer am Luftspalt zwi
schen Läufer und Ständer liegen. Dadurch wird unter anderem
eine höhere Aktivteilausnutzung erreicht.
Aus Gründen der Ausnutzung und eines besseren Oberfeld
verhaltens sind die Pollücken vorteilhafterweise derart aus
geführt, dass eine Polbedeckung der Oberfläche des Läufer
blechs mit Permanentmagneten zwischen 70% und 80% vorliegt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung
übersteigt die Tiefe der Pollücken im Läuferblech die Breite
des Luftspalts zwischen dem in einem Ständer montierten Läu
fer und dem Ständer.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Pollücken äquidistant
im Läuferblechpaket angeordnet sind.
Für die Herstellung ist es günstig, wenn die Pollücken direkt
am Luftspalt angeordnet sind, insbesondere in die Oberfläche
des Läuferblechpaketes gefräst sind.
Alternativ können die Pollücken verdeckt im Läuferblech
schnitt angeordnet werden, insbesondere in das Läuferblechpa
ket gestanzt werden.
Weiterhin können die Pollücken mit einem amagnetischen Mate
rial gefüllt sein. Dies kann durch Füllkörper wie etwa Kunst
stoffstäbe geschehen oder aber auch durch Ausgießen der Pol
lücke mit einem amagnetischen Füllstoff.
Mit dem Konzept der Erfindung lässt sich ein permanentmagnet
erregter elektrischer Antrieb mit einem Ständer mit einer
dreisträngigen Drehfeldwicklung einer vorgegebenen Polpaar
zahl und mit einem erfindungsgemäßen Läufer mit gleicher Pol
paarzahl konstruieren, der die eingangs angeführten Bedingun
gen für einen Hauptantrieb erfüllt, indem dieser durch Feld
schwächung bei veränderlicher Drehzahl in einem Bereich kon
stanter Leistung betreibbar ist.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Details ergeben sich
anhand der im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele
und in Verbindung mit den Figuren. Es zeigt:
Fig. 1 Abwicklung eines Läufers nach der Erfindung mit of
fener Pollücke direkt am Luftspalt,
Fig. 2 Ausschnitt aus Fig. 1 mit durch einen amagnetischen
Füllkörper gefüllter Pollücke,
Fig. 3 Darstellung wie in Fig. 2, jedoch eine Variante mit
durchgängiger Permanentmagnetbestückung,
Fig. 4 Abwicklung eines Läufers nach der Erfindung mit
verdeckter Pollücke im Läuferblechschnitt,
Fig. 5 Ausschnitt aus Fig. 4, jedoch in der Pollücke nicht
magnetbestückt und
Fig. 6 Variante eines Läufers nach der Erfindung mit ver
deckter Pollücke.
In der Darstellung nach Fig. 1 ist eine ausschnittsweise Ab
wicklung eines Läufers (Längsschnitt) nach der Erfindung mit
offenen Pollücken P1, P2 direkt am Luftspalt SP gezeigt. Der
Luftspalt SP zwischen dem Ständer S und dem Läuferblech L be
sitzt die Breite δg. Die Pollücken P1 und P2 sind direkt
am Luftspalt SP in das Läuferblechpaket gefräst oder gestanzt
und haben beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt, wo
bei die Tiefe hp der Pollücken gegenüber der Breite δg des
Luftspalts SP vorteilhafterweise groß bemessen ist nach:
hp < δg (2)
Um die Bedingung der eingangs angeführten Gleichung (1) zu
erfüllen, soll erfindungsgemäß der magnetische Querwiderstand
vergrößert werden. Im magnetischen Kreis ist der magnetische
Fluss proportional abhängig von der magnetischen Spannung und
wird begrenzt durch den magnetischen Widerstand Rm. Der mag
netische Widerstand Rm wiederum wird durch die Material
konstante des Läuferblechs L und durch dessen geometrische
Abmessungen bestimmt.
Erfindungsgemäß wird durch eine Pollücke P1, P2 als Effekt
der magnetische Widerstand Rm für die Querachse bzw. q-Achse
vergrößert, wobei aus Gründen der Ausnutzung und des Ober
feldverhaltens als technisches Optimum die Polbedeckung τp
mit Permanentmagneten SE zwischen 70% und 80% betragen soll
te.
In der Darstellung in Fig. 1 ist dieser Zusammenhang dadurch
zum Ausdruck gebracht, dass der Abstand τp zwischen - in der
Regel äquidistanten - Pollücken P1 und P2 so bemessen ist,
dass etwa die erwähnten 70-80% der Oberfläche des Läufer
blechpaketes L mit Permanentmagneten SE bedeckt sind. Dies
sind genau der zwischen zwei Pollücken liegenden Stege, also
die eigentliche Pole. Aus Schutzgründen ist die gesamte Au
ßenfläche bzw. Oberfläche O des Läufers oberhalb der Perma
nentmagnete SE mit einer zusätzlichen Bandage B ummantelt.
Die Anordnung der Permanentmagnete SE am Luftspalt SP beruht
auf der Erkenntnis, dass bei größeren Achshöhen technische
Vorteile im Hinblick auf eine höhere Aktivteilausnutzung ge
genüber einer Einbettung der SE-Magnete im Läuferblechschnitt
L bestehen. Jedoch lässt sich die Erfindung auch mit im Läu
ferblechschnitt L eingebetteten SE-Magneten realisieren.
Die Darstellung nach Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt von Fig. 1
im Läuferblechschnitt L um die Pollücke P1, wobei diese durch
einen amagnetischen Füllkörper F ausgefüllt ist. Das gleiche
gilt für weitere, nicht gezeigte Pollücken, wobei der Füll
körper beispielsweise in Form eines Kunststoffstabes einge
bracht wird oder aber die Pollücke vergossen wird.
In der Darstellung nach Fig. 3 ist der gleiche Ausschnitt wie
in Fig. 2 gezeigt, jedoch ist die Außenfläche O des Läufers
unterhalb der Bandage B voll mit SE-Magneten bestückt. Das
vorangehend als vorteilhaft herausgestellte Verhältnis einer
Polbedeckung von 70-80% ist jedoch auch in diesem Fall ge
währleistet, weil sich in der Pollücke P1 und anderen Pollü
cken unterhalb der darüber angeordneten SE-Magneten Luft oder
- wie in Fig. 3 gezeigt - ein amagnetischer Füllkörper F be
findet. Dies hat zur Folge, dass in diesem Bereich die SE-
Magnete nicht dieselbe Wirkung entfalten können wie direkt
über den Polen.
Nach einer alternativen Ausführungsform, wie sie in der Dar
stellung nach Fig. 4 gezeigt ist, sind die Pollücken P1, P2
verdeckt im Läuferblechschnitt L angeordnet. Dies geschieht
z. B. durch ein entsprechendes Stanzen des Läuferblechs L.
Die Darstellung nach Fig. 4 entspricht weitgehend der nach
Fig. 1, jedoch ist konstruktionsbedingt die Oberfläche O des
Läufers stetig, weil über den Pollücken P1, P2 Stege ST1, ST2
aus Läuferblech liegen. Im in Fig. 4 gezeigten Ausführungs
beispiel ist außerdem - wie im in Fig. 3 gezeigten Fall - die
Läuferoberfläche O mit SE-Magneten vollbestückt.
Für den beispielsweise ausgestanzten Querschnitt der Pollü
cken P1, P2 gilt ebenfalls die voranstehende Bedingung (2).
Fig. 5 zeigt ausschnittsweise eine Ausführungsform, welche
sich von der nach Fig. 4 dadurch unterscheidet, dass die Be
reiche über den Pollücken nicht mit SE-Magneten bestückt
sind.
Selbstverständlich sind neben den in den vorangehend be
schriebenen Figuren Fig. 1 bis Fig. 5 gezeigten rechteckförmi
gen Querschnitten der Pollücken P1, P2 auch andere geometri
sche Formen denkbar, wobei jedoch darauf zu achten ist, dass
vorteilhafterweise die Bedingung (2) erfüllt bleibt. Fig. 6
zeigt eine mögliche alternative Querschnittsform am Beispiel
eines gestanzten Kreuzes mit links und rechts liegenden
Schlitzen. Selbstverständlich sind dem Fachmann vielzählige
andere, ebenfalls geeignete Querschnittsformen zur Realisie
rung von Pollücken nach der Erfindung geläufig.
Claims (10)
1. Permanentmagneterregter Läufer für einen elektrischen An
trieb mit einem Läuferblechpaket und Permanentmagneten (SE),
dadurch gekennzeichnet, dass der Läu
ferblechschnitt (L) zur Erhöhung des magnetischen Querwider
standes (Rmq) für die Querachse (q) des Läufers mit Pollücken
(P1, P2) versehen ist.
2. Permanentmagneterregter Läufer nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, dass die Perma
nentmagneten (SE) des Läufers auf der Oberfläche des Läufer
blechs so angeordnet sind, dass diese (SE) bei Montage des
Läufers in einem Ständer (S) am Luftspalt (SP) zwischen Läu
fer und Ständer liegen.
3. Permanentmagneterregter Läufer nach Anspruch 2, da
durch gekennzeichnet, dass die Pollücken
(P1, P2) derart angebracht sind, dass eine Polbedeckung (τp)
der Oberfläche (O) des Läuferblechs mit Permanentmagneten
(SE) zwischen 70% und 80% vorliegt.
4. Permanentmagneterregter Läufer nach einem der vorangehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Tiefe (hp) der Pollücken (P1, P2) im Läuferblech die
Breite des Luftspalts (δg) zwischen dem in einem Ständer (S)
montierten Läufer und dem Ständer (S) übersteigt.
5. Permanentmagneterregter Läufer nach einem der vorangehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Pollücken (P1, P2) äquidistant im Läuferblechpaket
(L) angeordnet sind.
6. Permanentmagneterregter Läufer nach einem der vorangehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Pollücken (P1, P2) direkt am Luftspalt (δg) angeordnet
sind, insbesondere in die Oberfläche (O) des Läufer
blechpaketes (L) gefräst oder gestanzt sind.
7. Permanentmagneterregter Läufer nach einem der vorangehen
den Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Pollücken (P1, P2) verdeckt im
Läuferblechschnitt (L) angeordnet sind, insbesondere in das
Läuferblechpaket gestanzt sind.
8. Permanentmagneterregter Läufer nach einem der vorangehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Pollücken (P1, P2) mit einem amagnetischen Material
(F) gefüllt sind.
9. Permanentmagneterregter elektrischer Antrieb mit einem
Ständer (S) mit einer dreisträngigen Drehfeldwicklung einer
vorgegebenen Polpaarzahl (p) und mit einem Läufer nach einem
der vorangehenden Ansprüche mit gleicher Polpaarzahl (p).
10. Permanentmagneterregter elektrischer Antrieb nach An
spruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass dieser durch Feldschwächung bei veränderlicher Drehzahl
in einem Bereich konstanter Leistung betreibbar ist.
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8130 | Withdrawal |