WO2001028070A2 - Elektrischer motor mit einem einseitig gelagerten läufer - Google Patents

Elektrischer motor mit einem einseitig gelagerten läufer Download PDF

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    • H02K5/163—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields radially supporting the rotary shaft at only one end of the rotor

Definitions

  • the invention relates to an electric motor with a rotor, which is mounted on one side with a bearing in a stator, tapers away from the bearing in the axial direction and together with the stator forms an air gap, the width of which increases in the axial direction away from the bearing ,
  • a rotor which, in a magnetically conductive material, has a number of axially extending grooves in which electrical conductors are arranged and whose profile changes in its longitudinal direction.
  • This rotor has a central recess with an enlarged diameter at one axial end.
  • the axial grooves are gradually changing in the longitudinal direction
  • C0NFIRMATI0N C0PY Covering of the grooves by the magnetically conductive material towards a peripheral surface of the rotor at the two ends of the grooves is strong, and in many cases magnetic saturation occurs only in small parts of the covering, but this is desirable for increasing the efficiency.
  • the object of the invention is to improve the efficiency of an electric motor in which the rotor is conical.
  • Rotor in the radial direction between a radially outer groove end and a circumferential surface of the rotor is less than in the case of a thickness of the covering which decreases continuously in the axial direction away from the bearing.
  • This embodiment has the effect that, due to the slight total coverage of the grooves by magnetically conductive material in the radial direction, the material in the overlap region between the radially outer end of the groove and the circumferential surface is increasingly saturated and the magnetic field is thereby forced to jump over the air gap onto the stand.
  • This improved coupling of the magnetic field to the stator generates additional torque and increases the efficiency of the electric motor.
  • the grooves have a different cross-sectional area at their end facing the bearing than at their end facing away from the bearing, and that an overlap between both ends of each individual groove corridor area is arranged. Due to the different cross-sectional areas at both ends of the individual grooves and the transition area between them, the conical taper of the rotor with regard to the covering thickness of the grooves can be compensated, whereby the thickness of the covering can be made approximately constant over the axial course of the rotor and magnetization losses due to stray fields be reduced.
  • the cross section of the grooves advantageously decreases continuously in the axial direction in the transition region away from the bearing. This steady transition enables an improvement of the adaptation of a radial outside of a groove to the circumferential surface of the rotor and the reduction of magnetization losses due to stray fields.
  • a radial outer side of each groove lies parallel to the peripheral surface of the rotor. Due to the parallel position of the radial outside of the grooves of the circumferential surface of the rotor, the overlap thickness of the grooves can be kept constant over the entire axial course of the rotor, thereby minimizing magnetization losses and maximizing efficiency by evenly jumping over the axial length of the rotor of the magnetic field is achieved on the stand.
  • each individual groove preferably has at least two sections within which the individual grooves have constant cross-sectional areas, the sections of an individual groove having different cross-sectional areas from one another.
  • the surfaces of the sections delimiting the grooves radially to the rotor axis are arranged parallel to the rotor axis.
  • the magnetically conductive material of the rotor can largely be built up in a traditional manner.
  • the thickness of the largest coverage of a section is not greater than that of the largest coverage of the longest section in the axial direction and the thickness of the smallest coverage of a section is not less than that of the smallest coverage of the longest section in the axial direction.
  • the overlap between a radially outer groove end and the circumferential surface preferably has a predetermined thickness, in which the magnetically conductive material of the overlap assumes a predetermined degree of saturation for all magnetic field strengths prevailing during operation.
  • This predetermined degree of saturation in the coverage area supports an increased coupling of the magnetic field from the rotor to the Stand and thus contributes to increasing efficiency.
  • the cross-sectional areas of the grooves are shaped to be pointed toward the radial outside.
  • the point at which the magnetic field jumps from the rotor via the air gap to the stator is determined by the formation of the groove tips. At the same time, unnecessary leakage losses of the magnetic field are prevented. A better fixation of the electrical conductors in the grooves is also made possible.
  • the resistances which change as a result of the different penetration depths of the magnetic field into the conductors at different frequencies, are adapted to the needs during startup and later operation.
  • Fig. 2 shows a section through the rotor with grooves, which according to a known embodiment have a constant cross-sectional area over the entire length, and three discs of the rotor, which show the groove configuration
  • Fig. 3 shows a section through the rotor with grooves, which have different sections over their length, and three disks of the rotor, which show the respective groove configuration.
  • the engine illustrated in FIG. 1 has a rotor 1, a stator 3 and a cylinder block 12.
  • the rotor 1 is mounted with a bearing 2 in the stand 3 and tapers conically away from the bearing 2 in the axial direction.
  • Rotor 1 and stand 3 form an air gap 4, the width of which increases in the axial direction away from the bearing.
  • the air gap 4 is designed in such a way that, for the intended operation of the motor, contact due to vibrations occurring between the rotor 1 and the stator 3 is excluded.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the rotor 1 according to the prior art, in which the grooves 7, as known from DE 692 06 626 T2, each have a radial outer side 11 which is at a constant distance from a rotor axis 6 over the entire length ,
  • the rotor 1 is made of a magnetically conductive material 5 and has a number of grooves 7 in which electrical conductors are arranged.
  • the magnetically conductive material 5 of the rotor 1 forms an overlap in the radial direction between a radially outer groove end 9 and a peripheral surface 10 of the rotor 1.
  • FIG. 2 shows sections of three disks in the sectional planes A, B, C, which together with other disks, not shown, form the magnetically conductive material 5 of the rotor 1.
  • FIG. 3 shows the embodiment according to the invention of a rotor 1 with grooves 7, which have at least two sections (DE; EF) in the axial direction, within which the individual grooves 7 have constant cross-sectional areas and which have different cross-sectional areas within one another 7. Furthermore, FIG. 3 shows sections of three disks in the sectional planes D, E, F, which together with other disks, not shown, form the magnetically conductive material 5 of the rotor 1. Within a section in the axial direction, all disks have the same design with regard to the arrangement of the grooves, the distance of the grooves from the rotor axis 6 and the size of the grooves 7 and differ only in terms of the outside diameter, which decreases continuously in the axial direction away from the bearing.
  • Both sections DE and E-F have grooves 7 of different sizes with one another, the grooves of section DE facing bearing 2 being larger than grooves 7 of section EF facing away from bearing 2.
  • the thickness of the overlap 8 is reduced in both sections (DE; EF) in the axial direction away from the bearing 2 from a value a plus b to a value a.
  • b represents the part of the overlap which, as a result of the overlap 8, which is wedge-shaped in the axial section of a section of the overlap, continuously decreases in the axial direction away from the bearing 2 from disk to disk
  • a is the minimum value the thickness of the overlap 8 of the grooves 7.

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Abstract

Es wird ein elektrischer Motor mit einem Läufer (1) angegeben, wobei der Läufer (1) einseitig mit einem Lager (2) in einem Ständer (3) gelagert ist und sich von diesem weg in axialer Richtung konisch verjüngt und zusammen mit dem Ständer (3) einen Luftspalt (4) bildet, dessen Breite in axialer Richtung vom Lager (2) weg zunimmt. Ein derartiger elektrischer Motor soll bei konisch ausgebildetem Läufer einen verbesserten Wirkungsgrad aufweisen. Hierzu weist der Läufer (1) in einem magnetisch leitenden Material (5) eine Anzahl sich axial erstreckender Nuten (7) auf, in denen elektrische Leiter angeordnet sind und die Differenz zwischen Höchstwert und Mindestwert der Dicke einer Überdeckung (8) der Nuten (7) durch das magnetisch leitende Material des Läufers (1) in radialer Richtung zwischen einem radial äusseren Nutende (9) und einer Umfangsfläche (10) des Läufers (1) ist geringer als bei einer vom Lager (2) weg in axialer Richtung stetig abnehmenden Dicke der Überdeckung (8).

Description

Elektrischer Motor mit einem einseitig gelagerten Läufer
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Motor mit einem Läufer, der einseitig mit einem Lager in einem Ständer gelagert ist, sich vom Lager weg in axialer Richtung konisch verjüngt und zusammen mit dem Ständer einen Luftspalt bildet, dessen Breite in axialer Richtung vom Lager weg zunimmt.
Ein derartiger Motor ist aus US 5 233 254 bekannt. Bei diesem Motor wird ein schädlicher Kontakt zwischen Läu- fer und Ständer durch Vibrationen, die sich aufgrund der nur einseitigen Lagerung ergeben könnten, dadurch verhindert, daß sich der Luftspalt zwischen dem Läufer und dem Ständer vom Lager weg stetig vergrößert. Durch die Vergrößerung des Luftspalts nehmen die Magnetisie- rungsverluste durch Streufelder im Läufer zu, so daß der Wirkungsgrad des Motors abnimmt.
Aus DE 692 06 626 T2 ist die Ausführung eines Läufers bekannt, der in einem magnetisch leitenden Material ei- ne Anzahl sich axial erstreckender Nuten aufweist, in denen elektrische Leiter angeordnet sind und deren Profil sich in ihrer Längsrichtung ändert. Dieser Läufer weist zentrisch eine Ausnehmung mit vergrößertem Durchmesser an einem axialen Ende auf. Die Axialnuten sind mit sich in Längsrichtung stufenförmig verändernden
Profilen so angeordnet, daß trotz des Materialverlustes durch den vergrößerten Durchmesser an dem einen Ende im Kern des Läufers keine magnetische Sättigung auftritt. Eine derartige Anordnung der Nuten ist bei zylinderför- migen Läufern problemlos möglich. Bei einem konisch ausgebildeten Läufer jedoch unterscheidet sich bei einer derartigen Anordnung der Nuten die Dicke einer Ü-
C0NFIRMATI0N C0PY berdeckung der Nuten durch das magnetisch leitende Material zu einer Umfangsflache des Läufers hin an den beiden Enden der Nuten stark, und in vielen Fällen tritt nur in geringen Teilen der Überdeckung eine mag- netische Sättigung auf, die aber zur Erhöhung des Wirkungsgrades erwünscht ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung des Wirkungsgrades eines elektrischen Motors, bei dem der Läu- fer konisch ausgebildet ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Motor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Differenz zwischen Höchstwert und Mindestwert der Dicke einer Überdeckung der Nuten durch das magnetisch leitende Material des
Läufers in radialer Richtung zwischen einem radial äußeren Nutende und einer Umfangsflache des Läufers geringer ist als bei einer vom Lager weg in axialer Richtung stetig abnehmenden Dicke der Überdeckung.
Diese Ausführungsweise bewirkt, daß durch die geringe Gesamtüberdeckung der Nuten durch magnetisch leitendes Material in radialer Richtung das Material im Überdeckungsbereich zwischen dem radial äußeren Nutende und der Umfangsflache verstärkt in Sättigung geht und das magnetische Feld dadurch gezwungen wird, über den Luftspalt auf den Ständer überzuspringen. Diese verbesserte Kopplung des magnetischen Feldes auf den Ständer erzeugt ein zusätzliches Drehmoment und erhöht den Wir- kungsgrad des elektrischen Motors.
Hierbei ist von Vorteil, daß die Nuten an ihrem dem Lager zugewandten Ende eine andere Querschnittsfläche aufweisen als an ihrem dem Lager abgewandten Ende und daß zwischen beiden Enden jeder einzelnen Nut ein Über- gangsbereich angeordnet ist. Durch die verschiedenen Querschnittsflächen an beiden Enden der einzelnen Nuten und dem dazwischen liegenden Übergangsbereich läßt sich die konische Verjüngung des Läufers bezüglich der Überdeckungsdicke der Nuten ausgleichen, wodurch die Dicke der Überdeckung über den axialen Verlauf des Läufers angenähert konstant gering ausgebildet werden kann und Magnetisierungsverluste durch Streufelder verringert werden.
Vorteilhafterweise verkleinert sich im Übergangsbereich der Querschnitt der Nuten vom Lager weg in axialer Richtung stetig. Dieser stetige Übergang ermöglicht eine Verbesserung der Anpassung einer radialen Außenseite einer Nut an die Umfangsflache des Läufers und die Verringerung von Magnetisierungsverlusten durch Streufelder.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß eine radiale Au- ßenseite jeder Nut jeweils parallel zu der Umfangsflä- che des Läufers liegt. Durch die parallele Lage der radialen Außenseite der Nuten der Umfangsflache des Läufers kann die Überdeckungsdicke der Nuten über den gesamten axialen Verlauf des Läufers konstant gering gehalten werden, wodurch eine Minimierung der Magnetisierungsverluste und eine Maximierung des Wirkungsgrades durch über die axiale Länge des Läufers gleichmäßig erhöhtes Überspringen des Magnetfeldes auf den Ständer erzielt wird.
Vorzugsweise weist der Übergangsbereich jeder einzelnen Nut mindestens zwei Abschnitte auf, innerhalb derer die einzelnen Nuten gleichbleibende Querschnittsflächen aufweisen, wobei die Abschnitte einer einzelnen Nut un- tereinander verschiedene Querschnittsflächen aufweisen. Durch die Anordnung entsprechend geeigneter Querschnittsflächen in den einzelnen Abschnitten kann eine Anpassung an die Umfangsflache des sich konisch verjüngenden Läufers erzielt werden. Hierdurch wird die Dicke der Überdeckung über den axialen Verlauf des Läufers insgesamt reduziert. Gleichzeitig werden Magnetisierungsverluste durch Streufelder verringert.
Hierbei ist von Vorteil, daß die Nuten radial zur Läu- ferachse begrenzende Flächen der Abschnitte parallel zur Läuferachse angeordnet sind. Hierdurch kann der Aufbau des magnetisch leitenden Materials des Läufers weitgehend in traditioneller Weise erfolgen.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Dicke der größten Überdeckung eines Abschnitts nicht größer als die der größten Überdeckung des in axialer Richtung längsten Abschnitts und die Dicke der kleinsten Überdeckung eines Abschnitts nicht kleiner als die der kleinsten Überdeckung des in axialer Richtung längsten Abschnitts ist. Auf diese Weise wird die abgestufte Anpassung der radialen Außenseiten der Nuten an die Um- fangsfläche des Läufers innerhalb der Abschnitte vergleichmäßigt und eine Verbesserung der Anpassung so- wie eine Verringerung der Magnetisierungsverluste durch Streufelder erreicht.
Vorzugsweise weist die Überdeckung zwischen einem radial äußeren Nutende und der Umfangsflache eine vorbe- stimmte Dicke auf, bei der das magnetisch leitende Material der Überdeckung bei allen im Betrieb herrschenden magnetischen Feldstärken einen vorbestimmten Sättigungsgrad annimmt. Dieser vorbestimmte Sättigungsgrad im Überdeckungsbereich unterstützt eine verstärkte Kopplung des magnetischen Feldes vom Läufer auf den Ständer und trägt somit zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei.
Es ist besonders bevorzugt, daß die Querschnittsflächen der Nuten zur radialen Außenseite hin zugespitzt ausgeformt sind. Durch die Ausbildung der Nutenspitzen wird der Punkt, von dem aus das Überspringen des Magnetfeldes vom Läufer über den Luftspalt zum Ständer erfolgt, festgelegt. Gleichzeitig werden unnötige Streuverluste des Magnetfeldes verhindert. Außerdem wird eine bessere Fixierung der elektrischen Leiter in den Nuten ermöglicht. Außerdem werden so die sich infolge der unterschiedlichen Eindringtiefen des Magnetfeldes in die Leiter bei verschiedenen Frequenzen verändernden Wider- stände an die Bedürfnisse beim Anlaufen und beim späteren Betrieb angepaßt.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung eines solchen Motors in einem hermetisch gekapselten Kältemittelver- dichter.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgestatteten elektrischen Motor,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Läufer mit Nuten, die entsprechend einer bekannten Ausführung eine über die gesamte Länge gleichbleibende Querschnittsfläche aufweisen, und drei Scheiben des Läufers, die die Nutfiguration zeigen , und Fig. 3 einen Schnitt durch den Läufer mit Nuten, die über ihre Länge verschiedene Abschnitte aufweisen, und drei Scheiben des Läufers, die die jeweilige Nutfiguration zeigen.
Der in Fig. 1 veranschaulichte Motor weist einen Läufer 1, einen Ständer 3 und einen Zylinderblock 12 auf. Der Läufer 1 ist mit einem Lager 2 in dem Ständer 3 gelagert und verjüngt sich konisch vom Lager 2 weg in axia- 1er Richtung. Läufer 1 und Ständer 3 bilden einen Luftspalt 4, dessen Breite in axialer Richtung vom Lager weg zunimmt. Der Luftspalt 4 ist so ausgeführt, daß für den vorgesehenen Betrieb des Motors eine Berührung durch auftretende Vibrationen zwischen Läufer 1 und Ständer 3 ausgeschlossen ist.
Fig. 2 zeigt eine Ausführung des Läufers 1 nach dem Stand der Technik, bei der die Nuten 7, wie aus DE 692 06 626 T2 bekannt, jeweils eine radiale Außenseite 11 aufweisen, die über die gesamte Länge einen gleichbleibenden Abstand zu einer Läuferachse 6 aufweist. Der Läufer 1 ist aus einem magnetisch leitenden Material 5 hergestellt und weist eine Anzahl der Nuten 7 auf, in denen elektrische Leiter angeordnet sind. Das agne- tisch leitende Material 5 des Läufers 1 bildet in radialer Richtung zwischen einem radial äußeren Nutende 9 und einer Umfangsflache 10 des Läufers 1 eine Überdeckung 8. Des weiteren zeigt Fig. 2 Ausschnitte von drei Scheiben in den Schnittebenen A, B, C, die zusammen mit anderen nichtdargestellten Scheiben das magnetisch leitende Material 5 des Läufers 1 bilden.
Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Ausführung eines Läufers 1 mit Nuten 7 , die in axialer Richtung mindestens zwei Abschnitte (D-E; E-F) aufweisen, innerhalb derer die einzelnen Nuten 7 gleichbleibende Querschnittsflächen haben und die innerhalb einer Nut 7 untereinander verschiedene Querschnittsflächen aufweisen. Desweiteren zeigt Fig. 3 Ausschnitte von drei Scheiben in den Schnittebenen D, E, F, die zusammen mit anderen nicht dargestellten Scheiben das magnetisch leitende Material 5 des Läufers 1 bilden. Innerhalb eines Abschnitts in axialer Richtung weisen alle Scheiben bezüglich Anordnung der Nuten, Abstand der Nuten zur Läuferachse 6 und Größe der Nuten 7 eine gleiche Ausführung auf und unterscheiden sich lediglich bezüglich des Außendurchmessers, der in axialer Richtung vom Lager weg stetig abnimmt. Untereinander weisen beide Abschnitte D-E und E- F verschieden große Nuten 7 auf, wobei die Nuten des dem Lager 2 zugewandten Abschnitts D-E größer sind als die Nuten 7 des dem Lager 2 abgewandten Abschnitts E-F. Die Dicke der Überdeckung 8 verringert sich bei beiden Abschnitten (D-E; E-F) in axialer Richtung vom Lager 2 weg von einem Wert a plus b auf einen Wert a. Dabei stellt b den Teil der Überdeckung dar, der sich infolge der im axialen Schnitt eines Abschnitts der Überdeckung keilförmig ausgeführten Überdeckung 8 in axialer Richtung vom Lager 2 weg von Scheibe zu Scheibe stetig bis auf den Wert Null verkleinert, und a ist der Mindest- wert der Dicke der Überdeckung 8 der Nuten 7. Durch eine gegen unendlich gehende Erhöhung der Anzahl der Abschnitte wird ein allmählicher Übergang des Querschnitts der Nuten 7 von einem Ende zum anderen Ende hergestellt. Dabei liegt die radiale Außenseite 11 je- der Nut 7 angenähert parallel zu der konisch ausgeführten Oberfläche 10 des Läufers 1.

Claims

Patentansprüche
1. Motor mit einem Läufer (1), der einseitig mit einem Lager (2) in einem Ständer gelagert ist, sich vom
Lager (2) weg in axialer Richtung konisch verjüngt und zusammen mit dem Ständer (3) einen Luftspalt (4) bildet, dessen Breite in axialer Richtung vom Lager weg zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer in einem magnetisch leitenden Material (5) eine Anzahl sich axial erstreckender Nuten (7) aufweist, in denen elektrische Leiter angeordnet sind, wobei die Differenz zwischen Höchstwert und Mindestwert der Dicke einer Überdeckung (8) der Nuten (7) durch das magnetisch leitende Material (5) in radialer Richtung zwischen einem radial äußeren Nutende (9) und einer Umfangsflache (10) des Läufers (1) geringer ist als bei einer vom Lager (2) weg in axialer Richtung stetig abnehmenden Dicke der Überdeckung (8) .
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (7) an ihrem dem Lager (2) zugewandten Ende eine andere Querschnittsfläche aufweisen als an ihrem dem Lager (2) abgewandten Ende und daß zwischen beiden Enden jeder einzelnen Nut (7) ein Übergangsbereich angeordnet ist.
3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Übergangsbereich der Querschnitt der Nuten
(7) vom Lager (2) weg in axialer Richtung stetig verkleinert.
4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch ge- kennzeichnet, daß eine radiale Außenseite (11) je- der Nut (7) jeweils parallel zu der Umfangsflache (10) des Läufers (1) liegt.
5. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich jeder einzelnen Nut (7) mindestens zwei Abschnitte aufweist, innerhalb derer die einzelnen Nuten (7) gleichbleibende Quer- schnittsflachen aufweisen, wobei die Abschnitte einer einzelnen Nut (7) untereinander verschiedene Querschnittsflächen aufweisen.
6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten radial zur Läuferachse (6) begrenzende Flächen der Abschnitte parallel zur Läuferachse (6) angeordnet sind.
7. Motor nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der größten Überdeckung (8) eines Abschnitts nicht größer als die der größ- ten Überdeckung (8) des in axialer Richtung längsten Abschnitts und die Dicke der kleinsten Überdeckung (8) eines Abschnitts nicht kleiner als die der kleinsten Überdeckung (8) des in axialer Richtung längsten Abschnitts ist.
8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Überdeckung (8) zwischen einem radial äußeren Nutende (9) und der Umfangsflache (10) eine vorbestimmte Dicke aufweist, bei der das magnetisch leitende Material (5) der Überdeckung (8) bei allen im Betrieb herrschenden magnetischen Feldstärken einen vorbestimmten Sättigungsgrad annimmt.
. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Nuten (7) zur radialen Außenseite (11) hin zugespitzt ausgeformt ist.
10. Anwendung des Motors nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem hermetisch gekapselten Kältemittelverdichter.
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