Selbstanlaufender permanent-erregter Synchronmotor

Die Erfindung betrifft einen Rotor eines Elektromotors, insbesondere eines permanent-erregten Synchronmotors mit einer Rotorwelle, einem koaxial zur Rotorachse angeordneten leitfähigen Käfig und zumindest einem Permanentmagneten.

Synchronmdtdren werden immer häufiger für Kleinantriebe in Industrieanweηdungen eingesetzt. Diese Maschinen werden meist ohne Umrichter direkt am Wechselspannungsnetz betrieben. Im Nennbetrieb laufen sie synchron zur Netzfrequenz. Um diesen Betriebspunkt zu erreichen, muss der selbstständige Hochlauf gegen das Trägheitsmoment und die Last erfolgen. Für sehr kleine Motoren ist dies in der Regel unproblematisch, da das eigene Trägheitsmoment gering ist, jedoch muss auch das Lastmoment für kleine Drehzahlen möglichst gering sein. Bei Pumpen und Lüftern ist dies der Fall, da die Belastung erst mit der Drehzahl zunimmt. Dies ist der wesentliche Grund dafür _κ -dass kleine, selbstanlaufende Synchronmotoren in diesen Anwendungen Einsatz finden.

Kleine Heizüngspumpen bis ca. 50 Watt Abgabeleistung werden heute jedoch in der Regel mit Asynchronmotoren uhd einem Betriebskondensator ausgeführt. Bei diesen Pumpen handelt es sich überwiegend um Nassläufer, die über einen relativ großen Luftspalt verfügen, welcher einen geringen Wirkungsgrad zur Folge hat. Ein Vorteil von Asynchronmotoren ist darin zu sehen, dass der

Pumpenantrieb am Wechselspannungsnetz einen problemlosen Selbstanlauf ermöglicht.

Urh den Wirkungsgrad von derartigen Heizungspumpen zu verbessern, werden neuerdings auch zweipolige permanönt-erregte Synchronmotoren mit einer Anlaufelektronik eingesetzt. Diese Synchronmotoren verfügen durch die Magneterregung im Nennbetrieb über einen besseren Wirkungsgrad, wobei der große Luftspalt, bedingt durch die Nassläufertechnik, sich deutlich weniger auswirkt als bei Asynchronmotoren, da die Magnete sich im magnetischen Kreis wie Luft verhalten und gegenüber dem mechanischen Spalt überwiegen.

Für Heizungspumpen dieser Leistung benötigen die Synchronmotoren allerdings eine Startelektronik, da das Anzugsmoment gegenüber dem Trägheits- und Lastmoment nicht unter allen Bedingungen (zum Beispiel Verschmutzung) für einen sicheren Selbstanlauf ausreicht. Hierbei ist weiterhin anzuführen, dass die für den Anlauf notwendige Startelektronik für das Produkt deutliche Mehrkosten erfordert.

Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades ist es bekannt, die Vorteile des Synchronmotors mit den Vorteilen des Asynchronmotors (Selbstanlauf) zu kombinieren. Dies geschieht derart, dass in den Kurzschlusskäfig eines Asynchronmotors Permanentmagnete eingebracht werden. Dies hat zur Folge, dass der Anlauf asynchron und der Nennbetrieb des Elektromotors synchron zur Netzfrequenz erfolgt.

Ein derartiger Rotor ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 54 967 bekannt. Sie offenbart einen Läufer eines Elektromotors mit einem Stapel magnetisch leitender Bleche, durch die Stäbe eines Kurzschlusskäfigs geführt sind, der beidseitig mit Kurzschlussringen abschließt, in welche jeweils vier Dauermagnete rechteckigen Querschnitts eingebracht sind. Ein Elektromotor mit einem Läufer dieser Art läuft durch Anleger) einer Wechselspannung asynchron ah und läuft bei Nenndrehzahl schließlich synchron mit der Frequenz der Wechselspannung. Nachteilig ist bei dem Läufer der DE 102 54 967 die äußerst aufwendige Konstruktion und ein daraus entsprechend resultierender

hoher Herstellungsaufwand, verbunden mit entsprechend hohen Herstellungskosten. Ferner wirkt sich die Tatsache, dass die Permanentmagnete nur kopfseitig in die Kurzschlussringe eingelassen sind, negativ auf die Höhe des Anlaufmomentes aus. Außerdem führt eine derartige Kombination von Kurzschlusskäfig und Permanentmagneten zu dem Nachteil, dass das bei einem Asynchronmotor ohnehin vorhandene geringe Anzugsmoment bei Asynchronmotoren mit Betriebskondensator weiter reduziert wird. Dieser Nachteil könnte durch eine Veränderung der Stabform des Kurzschlusskäfigs oder durch die Verwendung eines Doppelkäfigs vermieden werden, jedoch ergibt sich hierbei nachteilig ein entsprechend höherer Fertigungs- und Materialaufwand.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 02/061918 ist ferner ein Rotor eines Elektromotors bekannt, der einen Kern aus ferromagnetischem Material aufweist, auf dessen zylindrischer Außenoberfläche dünne, schmale Permanentmagnete aufgebracht sind, die sich in axialer Richtung entlang der Rotationsachse erstrecken. Eine dünne metallische zylindrisch ausgebildete Hülse umschließt die Permanentmagnete und presst sie gegen das ferromagnetlsche Material. Nachteilig ist bei dieser Konstruktiqn, däss aufgrund der vielen einzelnen Magnete, die auf den zylindrischen Außenmantel des ferromagnetischen Materials aufgebracht werden müssen, ein hoher Fertigungsaufwand vorliegt, welcher wiederum hohe Herstellungskosten bedingt.

Neben der herstellungsbedingten Verwendung der zylindrischen Hülse hat sie zur Folge, dass bei Einsatz des Rotors innerhalb der Bohrung eines Elektromotors das Statormagnetfeld, welches den Rotor durchdringt, in jenem Bereich, in dem das Statormagnetfeld die zylindrische Hülse durchsetzt, lokale Wirbelströme innerhalb der Hülse erzeugt werden, wobei diese induzierten Ströme wiederum ein magnetisches Feld gleicher Frequenz zur Folge haben, das mit dem Statormagnetfeld interagiert und ein Drehmoment erzeugt, welches den Rotor beschleunigt. Da diese Wirbelströme aufgrund der Ausführung der zylindrischen Hülse als dünnes Blech in radialer Richtung zur Achse der Hülse lokal beschränkt und dadurch sehr klein sind, ergibt sich hieraus ein geringes und unzureichendes Anlaufmoment, was den Einsatz einer derartigen Rotorkonstruktion für eine Spalttopfpumpe ungeeignet macht.

Dieses sehr geringe Anlaufmoment wird in der WO 02/061918 erkannt und vorgeschlagen, zwischen den Permanentmagneten Stäbe einzulegen, die beiderends mit Kurzschlussringen, verbunden sind, wobei diese Konstruktion entweder alternativ oder zusätzlich zu der zylindrischen Hülse vorgeschlagen wird. Des bedingt wiederum einen erheblichen Herstellungsaufwand, der Hohe Fertigungskosten zur Folge hat und die Verwendung eines derartigen Rotor für Pumpen kleiner Leistung ungeeignet macht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rotor eines Synchronmotors bereit zu stellen, der ein hohes Anlaufmoment und damit einen sicheren Selbstanlauf mit einem hohen Wirkungsgrad im Nennbetrieb bei einfacher Konstruktion und Herstellung verbindet und gleichzeitig einen geringen Fertigungsaufwand und entsprechend geringe Fertigungskosten gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Die Fertigung eines gattungsgemäßen Rotors lässt sich deutlich dadurch vereinfachen, dass der Kurzschlusskäfig durch einen massiven elektrisch leitfähigen Hohlzylinder ersetzt wird. Dieser Hohlzylinder lässt sich bei Nassläufern vorteilhaft in Messing, Kupfer oder rostfreiem Stahl ausführen. Der dadurch entstehende Massivläufer verfügt über ein deutlich höheres Anzugsmoment, was sehr gut für den Hochlauf eines Synchronmotors insbesondere in Nassläuferausführung, bei der der Rotor in einem flüssigen Medium dreht und bei Anlauf ein hohes Lastmoment zu überwinden hat, benutzt werden kann. Vorteilhaft ist hierbei, dass bei kleinem Schlupf der Synchronmotor in den Synchronismus fällt, und mit dem hohen synchronen Drehmoment und einem guten Wirkungsgrad im Nennbetrieb weiter läuft.

Eine optimale Ausführung des Rotors wird dadurch erreicht, dass der massive Hohlzylinder mit einem Permanentmagneten kombiniert wird, wobei der Permanentmagnet unter dem massiven Hohlzylinder angeordnet ist. Der Permanentmagnet kann beispielsweise aus Ferrit, einer Samarium-Kobalt Verbindung (SmCo) oder auch aus einer Neodym-Eisen-Bor Verbindung

(NdFeB) bestehen, wobei das permanentmagnetische Material gesintert oder kunststoffgebunden sein kann. Als Stator des Elektromotors kann sowohl ein Synchronmaschinen-Stator mit konzentrierten Wicklungen als auch Asynchronmaschinen-Stator mit Durchmesserwicklungen eingesetzt werden.

Eine besonders Vorteilhafte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ergibt sich dadurch, dass der Rotor des permanent-erregten Syπchronmotors einen koaxial zur Rotorachse angeordneten leitfähigen Käfig und einen Permanentmagneten aufweist, wobei der Käfig als ein massiver Hohlzylinder ausgebildet ist, und der Permanentmagnet zylinderförmig in Form eines massiven Hohlzylinders ausgebildet ist und sich koaxial entlang zumindest einen Teil des Käfigs erstreckt.

Durch die Verwendung eines massiven Hohlzylinders als Käfig anstelle eines konventionellen Kurzschlusskäfigs ergibt sich zum einen ein erheblich reduzierter Herstellungsaufwand und zum anderen ein größtmögliches Anlaufmoment für den Synchronmotor.

In einer ersten Ausführungsvariante kann der hohlzylinderförmige Permanentmagnet einstückig ausgebildet sein. Alternativ kann der hohlzylinderförmige Permanentmagnet jedoch auch aus mehreren beispielsweise zwei, drei oder vier hohlzylindersektionalen Teilen zusammengesetzt sein, wobei die hohlzylindersektionalen Teile in diesem Fall derart miteinander fest verbunden sind, dass sie in ihrer Gesamtheit den massiven hon (zylinderförmigen Permanentmagneten bilden. Hierdurch wird die Herstellung eines erfindungsgemäßen Rotors vereinfacht.

Alternativ ist es auch möglich, anstelle des hohlzylinderförmigen Permanentmagneten zwei Permanentmagnete in den Rotor einzubringen, die sich diametral gegenüberliegen und achsparallel über zumindest einen Teil des Käfigs erstrecken. Hiermit kanη auf die Herstellung eines hohlzylinderförmigen Permanentmagneten verzichtet werden, wodurch sich die Fertigung des Rotors noch weiter vereinfacht. Die Kombination der achsparallelen Permanentmagnete mit dem massiven Hohlzylinder als Käfig erzeugt hierbei aufgrund des geringeren

magnetischen Luftspalts ein ebenfalls hohes Anlaufmoment wie bei Verwendung eines hohlzylinderförmigen Permanentmagneten, da durch das Fehlen des hohlzylinderförmigen Permanentmagneten, welcher für den magnetischen Fluss wie Luft wirkt, der effektive magnetische Widerstand für den magnetischen Fluss verringert wird. Alternativ können die achsparallelen Magnete auch mit dem hohlzylinderförmigen Permaπentmagnöten kombiniert werden.

Es sei angemerkt, dass sich zwei achsparallele Permanentmagnete, die sich diametral gegenüberliegen, vorzugsweise für die Verwendung eines zweipoligen Motors eignen, wobei erfindungsgemäß bei Verwendung von 2p-poligen Elektromotoren entsprechend 2p-Permanentmagnete innerhalb des Rotors anzuordnen sind.

Herstellungstechnisch ist es besonders vorteilhaft, wenn der hohlzylinderförmige Permanentmagnet am Käfig innen zumindest teilweise anliegt. Hierdurch können weitere Befestigungsmittel oder weiteres Füllmaterial vermieden werden. Durch die Anordnung des hohlzylinderförmigen Permanentmagneten unterhalb des Käfigs, eignet sich der erfind uhgsgemäße Rotor insbesondere zur Verwendung bei einer Spalttopfpu mpe, bei der sich der Rotor innerhalb einer Flüssigkeit dreht, da der Permanentmagnet nicht unmittelbar der Flüssigkeit ausgesetzt ist. Alternativ kann der hohlzylinderförmige Permanentmagnet auch außen am Käfig zumindest teilweise anliegen, jedoch sind in diesem Fall bei der Verwendung einer Neodym-Eisen-Bor- Verbindung als permanentmagnetisches Material zusätzliche Maßnahmen notwendig, um den Permanentmagneten vor Korrosion zu schützen.

Für eine optimale Flussführung ist es vorteilhaft, dass der hohlzylinderförmige Permanentmagnet eine radiale oder diametrale Magnetisierung aufweist und dass die Magnetisierung magnetische Pole aufweist, die über den Umfang des Permanentmagneten verteilt sind. Die Anzahl der magnetischen Pole ist entsprechend der Anzahl der Pole des Stators zu wählen.

Alternativ kann auch eine beliebige Magnetisierung dem Permanentmagneten aufgeprägt werden, beispielsweise eine über dem Umfang des

Permanentmagneten betrachtete sinusförmige Magnetisierung. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass gegenüber der Verwendung einzelner beabstandeter Permanentmagnete durch die Aufprägung einer Magnetisierung, der hohlzylinderförmige Permanentmagnet eine kontinuierliche Magnetisierung erhält, die insbesondere beim übergang von einem magnetischen Pol zum Nächsten einen stetigen Polarisationsübergang ermöglicht, wobei eine optimale Anpassung des Permanentmagneten an das Statormagnetfeld möglich ist und das Rastmoment reduziert wird, womit eine Geräuschreduktion ebenfalls einhergeht.

Alternativ kann die aufgeprägte Magnetisierung auch derart ausgeführt sein, dass die Pole umfänglich des Permanentmagneten derart angeordnet sind, dass eine über den Umfang des hohlzylinderförmigen Permanentmagneten sektional insbesondere abrupt wechselnde Polarität vorliegt.

Bei der Verwendung von sich diametral gegenüberliegenden und achsparallelen Permanentmagneten ist es herstellungsgemäß von Vorteil, diese mit einem rechteckigen Querschnitt auszuführen, wobei jedoch auch ein zylindersektionaler Querschnitt oder ein Querschnitt in Form einer Sektion eines Hohlzylinders denkbar ist, der ebenfalls radial polarisiert sein kann.

Der in Form eines massiven Hohlzylinders ausgebildete Käfig kann in einer vorteilhaften Ausführungsvariante einstückig aus Kupfer, Messing oder rostfreiem Stahl hergestellt sein, wodurch eine besonders einfache Fertigung möglich ist.

Vorzugsweise kann der Käfig eine axiale Dicke aufweisen, die zwischen 5% und 30% vorzugsweise zwischen 10% und 20% des Gesamtradius des Rotors beträgt, so dass ein massiver Käfig gebildet wird.

Vorzugsweise kann der hohlzylinderförmige Permanentmagnet eine axiale Dicke aufweisen, die zwischen 10% und 40% insbesondere zwischen 20% und 30% des Gesamtradius des Rotors beträgt. Alternativ kann bei der Verwendung Von achsparallelen Permanentmagneten das Volumen der achsparallelen

- Q -

Permanentmagnete zusammen zwischen 10% und 40% insbesondere zwischen 20% und 30% des Gesamtradius des Rotors betragen.

Der gattungsgemäße Rotor eignet sich insbesondere zur Anwendung innerhalb eines flüssigen Mediums, in dem er drehbar gelagert sein kann, wobei das Medium von einer von einem Elektromotor angetriebenen Pumpe gefördert werden kann, und die Pumpe vorzugsweise ein Spaltrohr oder einen Spalttopf zur Aufnahme des Rotors aufweist.

Es zeigen

Fig. 1 : Querschnitt des Rotors mit hohlzylinderförmigen Käfig und hohlzyiinderförmigen Permanentmagneten,

Fig. 2: Querschnitt des Rotors mit hohlzylinderförmigen Käfig und achsparallelen Permanentmagneten,

Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors 1. Der Rotor 1 weist eine Rotorwelle 5 auf und einen koaxial zur Rotorachse 7 angeordneten leitfähigen Käfig 2, der als ein massiver Hohlzylinder ausgebildet ist. Ferner weist der Rotor 1 einen Permanentmagneten 3 auf, der ebenfalls in Form eines massiven Hohlzylinders ausgebildet ist und sich koaxial entlang zumindest eines Teils des Käfigs 2 erstreckt. Der hohlzylinderförmige Permanentmagnet hat eine Dicke d2.

Der Permanentmagnet 3 liegt innerhalb des Käfigs 2 und an der Innenseite des Käfigs 2 an. Der Käfig 2 weist eine Dicke d1 auf, die vorzugsweise zwischen 5% und 30 % insbesondere zwischen 10 % und 20 % des Gesamtradius des Rotors 1 liegt. Der Permanentmagnet 3 weist dagegen eine axiale Dicke d2 auf, die zwischen 10% und 40 % des Gesamtradius des Rotors 1 liegt. Hierbei weist ein aus einer Samarium-Cobalt- oder einer Neodym-Eisen-Bor-Verbindung hergestellter hohlzylinderförmiger Permanentmagnet vorzugsweise eine axiale Dicke d2 zwischen 10 % und 25 % und ein aus einem Ferrit hergestellter hohlzylinderförmiger Permanentmagnet vorzugsweise eine axiale Dicke d2

zwischen 20 % und 40 % auf. Bei der Verwendung von achsparallelen Permanentmagneten beziehen sich die Prozentangaben auf das Gesamtvolumen aller achsparallelen Permanentmagnete. Unterhalb des Permanentmagneten 3 kann sich ein vorzugsweise ferromagnetisches Material 4 befinden, das den magnetischen Fluss gut leitet.

Fig. 2 zeigt einen gattungsgemäßen Rotor mit massivem Kurzschlusskäfig 2 in Form eines Hohlzylinders, wobei innenliegende Blockmagnete 6 anstelle des hohlzylinderförmigen Permanentmagneten 3 eingebracht sind. Die Magnete 6 liegen sich diametral gegenüber und erstrecken sich parallel zur Rotorachse 7 der Rotorwelle 5. Die achsparallelen Permanentmagnete 6 liegen in dem ferromagnetischeh Material 4, ein.

Beim Anlaufen eines Elektromotors mit einem der erfindungsgemäßen Rotoren entfaltet zunächst der hohlzylinderförmige Käfig 2 seine Wirkung, wohingegen der hohlzylinderförmige bzw. die achsparallelen Dauermagnete 3, 6 beim synchronen Betrieb ihre Wirkung entfalten. Im Stillstand des Rotors 1 durchsetzt das Statormagnetfeld den Käfig 2 und erzeugt innerhalb des Käfigs 2 entlang seiner gesamten Dicke d1 Wirbelströme, welche wiederum ein magnetisches Feld zur Folge haben, das mit dem Statormagnetfeld derart interagiert, dass ein Drehmoment erzeugt wird, durch welches der Rotor beschleunigt wird. Es werden hierbei so lange Wirbelströme erzeugt, wie die Drehzahl des Rotor unterhalb der Synchrondrehzahl liegt.

Der Vorteil eines hofien Anlaufmomentes wird hierbei insbesondere durch eine kontinuierliche Magnetisierung des hohlzylinderförmigen Permanentmagneten 3 anstelle diskreter Magnetpole, die durch einzelne Permanentmagnete gebildet sind, verstärkt, da hierdurch das Rastmoment reduziert wird, d.h. das Verlangen des Rotors, sich mit einem Pol des Permanentmagneten zu einem Statorpol hin auszurichten, wobei hierdurch ebenfalls eine Geräuschreduktion beim Lauf des Rotors erzielt wird.

Aufgrund der Vierteiligkeit des Rotors 1 in der Ausführungsvariante mit hohlzylinderförmigem Permanentmagneten 3 und der Koaxialität der

Komponenten ist eine besonders einfache und schnelle Fertigung insbesondere eine kostengünstige Herstellung des Rotors möglich. Hierbei wird zunächst auf die Rotorwelle 5 das Ferritmaterial 4 aufgebracht, wobei der Außendurchmesser des Ferritmaterials 4 gerade dem Innendurchmesser des hohlzylinderförmigen Permanentmagneten 3 entspricht. Alternativ kann das Ferritmaterial 4 auch zunächst hohlzylinderförmig hergestellt werden, und anschließend über die Rotorwelle 5 geschoben werden.

Anschließend wird der Permanentmagnet 3 über das Ferritmaterial 4 geschoben und schließlich der Kurzschlusskäfig 2 über den Permanentmagneten 3 geschoben. Beiderends des Rotors kann ferner jeweils eine Endplatte vorhanden sein, die den Rotor vorder- und rückseitig abschließt, so dass der Permanentmagnet 3 luft- und wasserdicht abgeschlossen und unterhalb des Käfigs 2 eingebracht ist. Ein derartiger Rotor eignet sich besonders zur Verwendung innerhalb eines Spalttopfes oder eines Spaltrohres einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe.

Das beschriebene Herstellungsverfahren kann im wesentlichen auf die zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Rotors übertragen werden, wobei hier jedoch bei Herstellung des Hόhlzylinders aus dem ferromagnetischen Material 4 zunächst die Permanentmagnete 6 gemäß Fig. 2 in das Material 4 eingebracht werden. Der so hergestellte Hohlzylinder aus Ferritmaterial 4 und Permanentmagneten 6 wird mit seiner inneren Aushöhlung auf die Rotorwelle 5 geschoben und anschließend der massive Kurzschlussring 2 über das ferromagnetische Material 4 geschoben. Auch hier kann beidseitig des Rotors jeweils eine Endplatte verwendet werden, die den Rotor luft- und wasserdicht abschließt, sodass er sich insbesondere für die Verwendung innerhalb einer elektromotorisch betriebenen Spaltrohr- oder Spalttopfpumpe eignet.