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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.
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Als Line-Start-Elektromotoren werden
Hybrid-Drehstrommotoren bezeichnet, die eine Kombination eines Drehstromasynchronmotors
mit einem Drehstromsynchronmotor 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.
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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 Flussänderung
in den Leiterschleifen des zunächst
stillstehenden Rotors. Die Flussänderungsgeschwindigkeit
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.
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In 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 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 der
Statordrehfelddrehzahl.
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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 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 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.
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Das im Betrieb des Line-Start-Elektromotors in
einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator existierende magnetische
Feld umfasst zwei Komponenten. Die erste 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 Drehmomentschwankungen
auftreten, die unerwünscht
sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
einen Rotor gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1, insbesondere für einen
Elektromotor gemäß Oberbegriff des
Anspruchs 14, zu schaffen, der das Magnetfeld während synchronen Betriebs annähernd sinusförmig macht.
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Die Aufgabe wird durch einen Rotor
gelöst, der
die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Bevorzugte Ausführungsarten
der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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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
Rotoroberfläche
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.
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Bei dem erfindungsgemäßen Rotor
handelt es sich vorzugsweise um 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. 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.
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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. 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 Magnetfeld am stärksten ist.
Die Feld stärke
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 auftretenden Magnetfeldlinien vom Stator den Rotor gut
durchdringen können.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
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.
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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 Magnetachse hin zunimmt. Dadurch werden Freiräume geschaffen,
in denen die Feldlinien des von den Statorwicklungen erzeugten Magnetfelds
den Rotor durchdringen können.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen
der Aufnahmeräume
für die
Leiterstäbe,
im 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.
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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.
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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 vorlie genden Erfindung
durchgeführten
Messungen im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Elektromotors als
vorteilhaft erwiesen.
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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 Enden
durch eine gerundete Verbindungswand verbunden sind. Das hat sich
unter fertigungstechnischen und funktionellen Gesichtspunkten als
besonders vorteilhaft erwiesen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswände sämtlicher
Aufnahmeräume für die Leiterstäbe den gleichen
Radius aufweisen. Daraus ergibt sich, dass der Abstand zwischen
den Seitenwänden
radial innen ebenfalls konstant ist.
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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. Dadurch wird ausreichend Raum für die magnetischen
Feldlinien des von dem Stator erzeugten Magnetfelds geschaffen.
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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.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, 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 verschrägt. 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.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, 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.
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Bei einem Elektromotor, insbesondere
einem Line-Start-Elektromotor,
mit einem Stator, der eine Vielzahl von Wicklungen umfasst, ist
die oben angegebene Aufgabe 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 magnetischen Feldstärke beziehungsweise
der magnetischen Flussdichte können
Wirkungsgrade von mehr als 90 % erreicht werden.
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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.
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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:
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1 die
Darstellung eines Querschnitts durch einen Rotor;
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2 eine
verkleinerte Darstellung des Rotors aus 1 mit Feldlinien des durch die Permanentmagnete
erzeugten Magnetfelds und
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3 den
Rotor aus 2 mit Feldlinien
des von einem Stator erzeugten Magnetfelds.
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In 1 ist
ein Rotor 1 eines Line-Start-Elektromotors im Querschnitt dargestellt.
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.
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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 Permanentmagnete 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.
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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 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 Bezugszeichen versehen.
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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 stumpf zulaufend ausgebildet. Die Abstände 35 bis 39 zwischen
den nach außen
gewandten Enden der Aufnahmeräume
für die
Leiterstäbe
sind konstant.
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In 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 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 Neutralachse 16 zu der Magnetachse 17 hin
ab. Das heißt,
der Aufnahmeraum 20 weist die größten und der Aufnahmeraum 25 die
kleinsten Krümmungsradien
auf.
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In 2 ist
das von den Permanentmagneten 10 bis 13 erzeugte
Magnetfeld in Form von magnetischen Feldlinien teilweise dargestellt.
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In 3 ist
das von einem (nicht dargestellten) Stator erzeugte Magnetfeld während des
asynchronen Anlaufen des Rotors in Form von Magnetfeldlinien teilweise
dargestellt. Durch Pfeile 48 und 49 ist in 3 der magnetische Fluss
durch den Rotor 1 angedeutet.
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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-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.
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Die Krümmung der Nuten beziehungsweise Aufnahmeräume für die Leiterstäbe 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.
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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 3 zu sehen ist,
ist zwischen den Aufnahmeräumen 24 und 25 für die Leiterstäbe und dem
Permanentmagneten 11 ausreichend 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.
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Mit der Erfindung wird erreicht,
dass das Magnetfeld beim Anlaufen des Elektromotors so gesteuert
wird, dass Lücken
im Magnetfeld, die durch die Permanentmagneten verursacht werden,
ausgefüllt werden.