CH657483A5

CH657483A5 - Kaefiglaeufer fuer asynchrone elektrische maschinen.

Info

Publication number: CH657483A5
Application number: CH7603/81A
Authority: CH
Inventors: Gabor Dipl-Ing Kovacs
Original assignee: Ganz Villamossagi Muevek
Priority date: 1980-12-30
Filing date: 1981-11-27
Publication date: 1986-08-29
Also published as: US4488077A; FR2497418A1; IT8149883A0; BE891556A; SE458411B; GB2090479B; DE3147560C2; IT1144525B; GB2090479A; DE3147560A1; HU181585B; SE8107665L; FR2497418B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Käfigläufer für asynchronische elektrische Maschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei Asynchronmaschinen wird das Anlassmoment durch den im Läufer, im Stillstand entstehenden Verlust bestimmt. Bei Maschinen mit einfachen kurzgeschlossenen Läufern ist der Widerstand des Läufers durch den zulässigen Betriebsverlust festgesetzt; mit Hinsicht darauf, dass die Widerstandswerte des Läufers während des Betriebs und beim Anlass gleich sind, stellt der im Stillstand entstehende Verlust, und damit das Anlassmoment, einen sich ergebenden Wert dar. Dieser sich ergebende Wert wird als natürliches Anlassmoment bezeichnet. Das Verhältnis dieses natürlichen Anlassmomentes zu dem Nominalmoment nimmt bei einer erhöhten Leistung ab, und ist bei einer Leistung über 50—200 kW nicht einmal zum Anlauf der am leichtesten anlassbaren Arbeitsmaschinen genügend.

Deshalb müssen besondere Massnahmen getroffen werden, dass bei einem gleichbleibenden Betriebswiderstand der bei dem Anlass gültige Widerstand und dadurch der bei dem Anlass auftretende Verlust grösser seien. Zu diesem Zwecke wird im allgemeinen bei Asynchronmotoren mit einer höheren Leistung entweder ein Doppelkäfigläufer oder ein Hochstabläufer verwendet. Bei beiden Lösungen wird die Erscheinung der Stromverdrängung ausgenützt. Bei der ersten Lösung wird der Strom zwischen den zwei Käfigen, bei der letzteren innerhalb eines Stabes ungleich verteilt. Beide können dadurch gekennzeichnet werden, dass die Erhöhung des Anlassverlustes innerhalb des Eisenkörpers des Läufers realisiert wird. Die Lösungen beanspruchen einen grösseren Leiterquerschnitt, daher ist auch der Raumbedarf grösser, als bei dem Käfig eines einfachen kurzgeschlossenen Läufers. Da dieser Raum in dem magnetisch aktiven Teil der Maschine erforderlich ist, bringt der erhöhte Raumbedarf nicht nur die Zunahme der aktiven Dimensionen mit sich, sondern auch die Dimensionen der gesamten Maschine werden ver-grössert.

Es sind Versuche bekannt, bei denen man den Verlust mit Hilfe der Streuungskraftlinien der Stäbe oder der Kurzschlussringe des Läufers zu erhöhen beabsichtigte. Eine derartige Lösung ist in dem Deutschen Patent DE-AS 870 449 beschrieben, bei der unter dem Kurzschlussring ein Eisenring derweise angeordnet worden ist, dass dieser mit dem Kurzschlussring in Berührung stehe. Bei der Anordnung wurde das Ziel gesetzt, beim Anlass das Auftreten einer un-gleichmässigen Stromverteilung im Kurzschlussring zu erreichen und damit den Verlust bedeutend zu erhöhen. Die Erhöhung der ungleichmässigen Stromverteilung ist beschränkt und mit einer ersten Gefahr verbunden, da die die Erhöhung begleitende ungleichmässige Erwärmung zu einer schadhaften Wärmeausdehnung und zum Ausschmelzen der Lötstellen zwischen den Stäben und dem Ring führen kann.

Diese Lösungen hatten sich teilweise infolge ihrer komplizierten strukturellen Gestaltung, teilweise infolge der geringen Ergebnisse nicht verbreitet. Bei der Gestaltung der Lösung wurden weder das qualitative Bild der Streuungskraftlinien, noch die quantitativen Verhältnisse richtig erkannt, so wurde z.B. die von den Wickelköpfen des Stators ausgeübte Wirkung vollkommen ausserachtgelassen.

Der Erfindung wurde als Ziel gesetzt, eine Lösung zu entwickeln, bei der der zur Erhöhung des Anlassmoments erforderliche Mehrverlust nicht innerhalb des Eisenkörpers, sondern in dem Stirnraum entsteht, dabei die Gestaltung einfacher und die Herstellung billiger ist.

Die Erfindung bezieht sich daher auf einen beliebig ausgestalteten Läufer, zweckmässig einen Einkäfigläufer einer Asynchronmaschine, und ist durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 charakterisiert. Dabei können die leitenden Rotationskörper aus magnetisierbarem oder nicht magnetisierbarem Material verfertigt sein.

In dem Läufer einer Asynchronmaschine wird dort ein Verlust entstehen, wo das Drehfeld die stillstehenden, leitenden Medien des Läufers überschneidet. Ein Drehfeld ist jedoch nicht nur in dem Eisenkörper, sondern auch ausserhalb dessen, entlang der gemeinsamen Streuungsbahnen des Wik-kelkopfes des Stators und des Kurzschlussrings des Rotors vorhanden. Mit Hinsicht darauf, dass die Ausladung, d.h. der axiale Raumbedarf des Wickelkopfs des Stators wesentlich grösser ist, als die Ausladung der kurzgeschlossenen Wicklung des Läufers (des Käfigs), kommt neben dem Kurzschlussring ein unausgenützter Raum zustande. Wird nun in diesem Raum ein leitendes Medium eingesetzt, induziert der gemeinsame Flux des Kurzschlussringes und der Wickelköpfe Wirbelströme, wodurch ein Verlust entsteht. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass dieser gemeinsame

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Streuungsflux von bedeutender Grösse ist, und dass durch die zweckmässige Wahl der Stelle, der Abmessung und des Materials des leitenden Mediums ein bedeutender Verlust in demselben hervorgerufen werden kann, und dass bei einem, im beschriebenen Raum eingesetzten leitenden Medium der Läufer, mit den bisherigen Lösungen verglichen, in mechanischer Hinsicht viel einfacher ausgestaltet werden kann.

Wenn dieses leitende Medium gleichzeitig magnetisiert werden kann, sammelt es die Kraftlinien und erhöht deren Zahl. Als Resultat wird in dem Kurzschlussring die sowieso vorhandene Stromverdrängung beim Anlass weiter erhöht, wodurch auch der Verlust grösser wird; in dem magnetisierbaren Medium selbst, da es massiv ist, entsteht ein bedeutender Verlust; ein Teil des Streuungsflux des Wickelkopfs des Stators wird in Hauptflux umgewandelt. Das letztere bedeutet, dass in dem Stirnraumfeld ebenso ein Moment entsteht (auch während des Betriebs), wie in dem Eisenkörper. Sollte der Kurzschlussring aus Konstruktionsgründen nicht unmittelbar an der Welle, sondern auf den Rippen oder auf Konsolen sitzen, muss unter dem leitenden Medium ein magneti-sierbarer Ring angeordnet werden, damit die Bahn der zur Erzeugung der Wirbelströme erforderlichen Kraftlinien in Richtung des Eisenkörpers bzw. der Rippen und der Welle sichergestellt sei.

Bei einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäs-sen Lösung ist der Kurzschlussring zwischen den Stäben radial tief eingeschnitten, so dass in der (den) daneben angeordneten Scheibe(n) ein grösserer Verlust zustande kommt.

Sollte der Kurzschlussring auf den Rippen sitzen, ist unter dem Kurzschlussring und den Scheiben ein mit den Rippen und eventuell mit dem Eisenkörper in Verbindung stehender magnetisierbarer Ring angeordnet.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Rolle der von dem Eisenkörper am weitesten weg liegenden Scheibe von einem zweckmässig gestalteten Ventilator übernommen.

Es besteht die Möglichkeit, eine oder mehrere, leitende magnetische oder nicht-magnetische Scheiben neben dem Kurzschlussring nicht symmetrisch anzuordnen, sondern diese nur auf der einen Seite anzubringen.

Die Erfindung wird anhand einiger vorteilhafter Ausführungen, mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 den Schnitt des Läufers,

Figur 2,3,4 den Läufer mit den auf der Welle angeordneten Scheiben,

Figur 5,6 den Läufer mit den auf den Konsolen bzw. an den Rippen des Läufers angeordneten Scheiben,

Figur 7 eine Ausführung, bei der der Kurzschlussring eingekerbt ist,

Figur 8 eine mit einem Ventilator zusammengebaute Scheibe.

In Figur 1 ist die Skizze des Stirnraumes der Asynchronmaschine dargestellt. Die in dem Eisenkörper des Stators 1 vorhandenen Wicklungsseiten sind mit den Wickelköpfen 2 verbunden. Die Kurzschlussringe 5 verbinden die in dem Eisenkörper des Läufers 3 vorhandenen Käfigstäbe 4. Der Eisenkörper des Läufers 3 und der Kurzschlussring 5 sitzen auf der Welle 6. Das qualitative Bild der Streuungskraftlinien des Stirnraumes ist in der Figur eingezeichnet. Wenn man das qualitative Bild besichtigt, ergibt sich sofort die theoretisch ideale Gestaltung des neben dem Kurzschlussring anzuordnenden leitenden Mediums 7 oder des magnetisierbaren Mediums 8. In der Figur ist die Befestigung des leitenden Mediums 7 oder des magnetisierbaren Mediums 8 an der Welle 6 nicht angeführt.

In den folgenden Figuren sind in der Praxis realisierte Versionen des Läufers, einer möglichen Konstruktion einer

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Asynchronmaschine entsprechend, dargestellt. In diesen Figuren sind die Bestandteile 7,8 beispielsweise, aber nicht nötigerweise, als Scheiben dargestellt. Unter der sinngemässen Anwendung des in der Figur 1 Dargestellten, kann der Grundgedanke der Erfindung der Maschinen jeder Konstruktion realisiert werden. Wenn z.B. die Belüftung eine andere Gestaltung erfordert, können die Bestandteile 7, 8 in Form eines Ringes gebildet werden.

In den Figuren 2,3 und 4 sind die Metallscheibe 7 und/ oder die Eisenscheibe 8 neben den Kurzschlussringen 5 angeordnet. Der Eisenkörper des Läufers 3, der Kurzschlussring 5, die Scheiben 7, 8 sitzen auf der Welle 6. Der Ventilator 9, der bei unserem Beispiel ein Radialventilator ist, sichert die Kühlung der Maschine.

In den Figuren 5 und 6, wird die Scheibenanordnung nach Figur 2 für den Konstruktionsfall vorgezeigt, bei dem die aktiven Teile des Läufers 3 nicht unmittelbar auf der Welle 6 sitzen. Bei der hier dargestellten Ausführung sitzen der Kurzschlussring 5 und die Scheibe 7 auf den Rippen 10, bzw. auf den, auf der Druckplatte 11 des Eisenkörpers des Läufers befestigten Konsolen 12. Hier ist unter dem Ring und der Scheibe ein Eisenring 13 angeordnet. Beispielsweise, aber nicht nötigerweise ist der Eisenring 13 mit dem Eisenkörper des Läufers 3 verbunden. In den vorhererwähnten Figuren ist die Druckplatte 11 eingezeichnet, da diese von dem Standpunkt der Erfindung aus betrachtet dort keine Rolle spielt.

Bei jeder der hier dargestellten Ausführungen können in der Metallscheibe 7, in der Eisenscheibe 8 und in dem Eisenring 13 den zweckmässigen Ablauf der Ströme und der magnetischen Kraftlinien nicht verhindernde Belüftungskanäle vorgesehen werden.

In Figur 7 ist der Kurzschlussring zwischen den Stäben 4 radial tief eingekerbt. Der Einschnitt kann dann als tief betrachtet werden, und daher dem Gegenstandskreis der Erfindung zugeordnet werden, wenn die in der Figur mit b bezeichnete Abmessung das Doppelte der mit dem Buchstaben a bezeichneten Abmessung überschreitet. Der Einschnitt ist an sich bekannt. Oft wird es aus technologischen Gründen, z.B. zur Erleichterung des Lötens der Stäbe verwendet. Ein so grosser Einschnitt ist jedoch ausser zur Zielerfüllung der Erfindung, aus sonstigen Gründen nicht erforderlich.

Im Sinne der Figur 8 ist die Scheibe 7 oder 8 (die von dem Eisenkörper in grösster Entfernung liegende Scheibe) als ein Ventilator ausgestaltet oder es ist der ursprünglich lediglich zu Ventilationszwecken dienende Bestandteil 9 der Zielsetzung der Erfindung entsprechend (durch die Erhöhung des spezifischen Widerstands und der Wanddicke) ausgestaltet. Die Aufgabe der Scheibe 7 oder 8 und des Ventilators 9 kann erst dann in einem Bestandteil konzentriert werden, wenn die Belüftung der Maschine einen Radialventilator beansprucht. Die Gestaltung kann erst dann dem Gegenstandskreis der Erfindung zugeordnet werden, wenn bei einem aus nicht magnetisierbaren Material hergestellten Bestandteil jedwelchen Formats der Wert des spezifischen Widerstands 0,08 ohm mm2/m überschreitet, oder bei einem Ventilator aus einem magnetisierbaren Stoff die durchschnittliche exiale Abmessung der massiven Scheibe des Ventilators (in der Figur mit c bezeichnet) grösser ist, als 20 mm. Bei lediglich zu Ventilationszwecken dienenden Bestandteilen sind solche Parameter überflüssig.

In dem erfindungsgemässen Läufer entsteht ein den natürlichen Verlust überschreitender Verlust und dadurch ein höheres Anlassmoment, und zwar durch die folgenden Massnahmen; die Beschreibung bezieht sich auf einen stillstehenden Zustand des Läufers.

In der Figur 1 überschneiden die gemeinsamen Streu-ungskraftlinien des Kurzschlussringes 5 und des Wickelkop-

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fes 2 das leitende Medium 7 oder das magnetisierbare Medium 8 und induzieren in denen einen Wirbelstrom. Auf diese Weise entsteht in dem leitenden Medium 7 oder in dem magnetisierbaren Medium 8 ein Verlust.

Bei der in der Figur 2 dargestellten Ausführungsform überschneiden die Streuungskraftlinien des Kurzschlussringes 5 und die Streuungskraftlinien des Wickelkopfes 2 die Scheibe 7, wodurch ein Wirbelstrom induziert wird. Auf diese Weise entsteht in der Scheibe 7 ein Verlust.

In der Figur 3 ist eine Ausführungsform zu sehen, bei der die Eisenscheibe 8 die Zahl der Streuungskraftlinien erhöht, wodurch in dem Kurzschlussring 5 die Stromverdrängung und der Verlust sich geringermassen erhöhen. Ein Teil des Streuungsflusses des Wickelkopfes geht durch die Scheibe 8 hindurch, wobei dieser Fluss in einen Hauptfluss umgewandelt wird. (Die ausgeübte günstige Wirkung kommt auch während des Betriebes zur Geltung). Mit Hinsicht darauf, dass im Sinne des Obenerwähnten ein bedeutender Fluss durch die Eisenscheibe 8 hindurchströmt, und die Scheibe aus einem massiven Material hergestellt ist, wird hier ein bedeutender Verlust entstehen.

In der Figur 4 ist eine Kombination der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen zu sehen. Die Eisenscheibe 8 erhöht die Zahl der die Scheibe 7 durchquerenden Streuungskraftlinien und dadurch den dort entstandenen Verlust.

Bei der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsform wird mittels des Eisenrings 13 erreicht, dass die Streuungskraftlinien des Kurzschlussringes 5 und des Wik-kelkopfes 2 sich in Richtung des Eisenkörpers des Läufers 3 bzw. über die Rippen 10 bzw. die Konsolen 12 in Richtung der Welle 6 schliessen können.

In der Figur 7 sind die tiefen Einkerbungen des Kurzschlussringes 5 dargestellt. Als Folge der tiefen Einkerbung strömen die Streuungskraftlinien des Kurzschlussringes 5 in einer günstigeren Richtung, grösstenteils in der Mitte der Scheibe 7, wodurch in der Scheibe 7 ein grösserer Verlust entsteht.

Wie aus der Figur 8 ersichtlich ist, kann die Funktion der Scheibe 7 bzw. 8 und des Ventilators 9 in einen zweckmässig ausgestalteten Bestandteil konzentriert werden.

Wie es aus dem Vorhergesagten eindeutig hervorgeht, be-5 steht der grösste Vorteil des erfindungsgemässen Läufers darin, dass in dem wertvollsten Teil der Maschinen, in dem aktiven Teil ein Raum frei wird, der zur Erhöhung der Maschinenleistung und/oder zur Verminderung der elektromagnetischen Beanspruchung verwendet werden kann. Die er-10 findungsgemässe Lösung ist viel einfacher, als die bisherigen, so dass eine viel einfacher herstellbare Asynchronmaschine mit erhöhter Betriebssicherheit produziert werden kann. Der zur Erhöhung des Anlassmomentes dienende Mehrverlust kommt in dem Raum unter dem Wickelkopf zustande, der 15 bisher keineswegs ausgenützt worden ist, womit das Käfigsystem, das gegen Erwärmung und Wärmeausdehnung empfindlich ist, bei dem Anlassen entlastet wird. Mit der Doppelkäfig-Maschine verglichen, vermindert sich die auf die Gestaltung der Stäbe aufgewendete Arbeit auf die Hälfte, 20 wobei die die Maschine mit Hochstab charakterisierenden, mit der Auskeilung und der ungleichmässigen Erwärmung verbundenen Probleme wegfallen.

Die Bestandteile 7, 8 können aus einem billigen Grund-25 stoff hergestellt werden, dabei können diese einfache Geometrien aufweisen, so z.B. können sie als Scheiben ausgeführt werden; selbstverständlich ist eine Lötung nicht erforderlich, so ist die thermische Belastbarkeit höher, infolge ihrer Position ist die Kühlung günstiger, als bei dem Käfigsy-30 stem. Auf diese Weise kann mit einem Motor identischer Grösse eine Last mit viel grösserem Schwungmoment angelassen werden, als bisher. Mit Hinsicht darauf, dass die Parameter des Stirnraumes, die Widerstände, die Reaktanzen eine umso grössere Rolle in der Maschine spielen, je kleiner 35 die Polzahl der Maschine ist, kommen die oben beschriebenen Vorteile bei Maschinen mit niedrigerer Polzahl, insbesondere bei Maschinen mit zwei Polen, am meisten zur Geltung.

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3 Blatt Zeichnungen

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1. Läufer für asynchronische elektrische Maschinen, der aus auf einer Welle sitzendem geblechtem Eisenkern, aus in die Nuten des Eisenkernes gesetzten Stäben, und aus diese Stäbe an beiden Enden des Läufers metallisch verbindenden Kurzschlussringen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass an einem oder beiden Enden des Läufers, in der Nähe des Kurzschlussringes (5) der kurzgeschlossenen Stab-Wicklung, aber ausserhalb dieser Wicklung, in dem gemeinsamen magnetischen Feld zwischen dem Kurzschlussring und den Wickelköpfen des Stators mindestens ein weiterer leitender Ring oder eine Scheibe (7, 8) angeordnet ist.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass jeder leitende Ring bzw. Scheibe aus einem magnetisier-baren Material hergestellt ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass jeder leitende Ring (7) bzw. Scheibe aus einem nicht magnetisierbaren Material hergestellt ist.

4. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass einer bzw. einige der leitenden Ringe (8) bzw. Scheiben aus einem magnetisierbaren Material verfertigt sind.

5. Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der leitenden Ringe (7,8) als die Schaufel eines Ventilators (9) ausgestaltet ist.

6. Läufer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

dass der spezifische Widerstand des Materials des als Ventilator ausgestalteten leitenden Ringes den Wert 0,08 ohm mm2/m überschreitet.

7. Läufer nach einem der Ansprüche 1,2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der leitenden Ringe (7, 8) als die Schaufel eines Ventilators (9) ausgestaltet ist und dass die axiale Abmessung des massiven Ringes bzw. Scheibe des Ventilators (9) aus einem magnetisierbaren Material grösser ist als 20 mm.

8. Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Ringe aus mehreren axial oder radial geteilten Teilen bestehen.

9. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass an dem Kurzschlussring (5) zwischen den leitenden Stäben Einkerbungen ausgestaltet sind, deren Tiefe (b) das Doppelte des Abstandes (a) der Stäbe (4) vom Kurzschlussringrand überschreitet.

10. Läufer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus magnetisierbarem Material verfertigter Ring (13) zwischen einem der leitenden Ringe und der Welle, bzw. der leitenden Ringe und dem Eisenkörper (3) des Läufers angeordnet ist.