CH683957A5

CH683957A5 - Käfigläufer mit geschlitzten Leiterstäben.

Info

Publication number: CH683957A5
Application number: CH1515/92A
Authority: CH
Inventors: Franco Viggiano
Original assignee: Industrieorientierte Forsch
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1994-06-15

Description

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CH 683 957 A5

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kurzschluss- bzw. Käfigläufers mit Leiterstäben für einen schnellaufenden Antrieb.

Mit der heute verfügbaren Leistungselektronik, insbesondere der Frequenzumrichtertechnik, und der Magnetlagertechnik lassen sich bei schnellaufenden und leistungsstarken elektrischen Antrieben Drehzahlen erreichen, welche nur durch die Festigkeit des Rotors begrenzt werden. «Schnellaufend» bedeutet dabei Drehzahlen bis etwa 50 000 U/min bei Leistungen bis etwa 5 MW.

Bei schnellaufenden Antrieben werden vorzugsweise Asynchronmaschinen (ASM) mit Käfigläufer eingesetzt. Dabei besteht die Läuferwicklung im allgemeinen aus Leiterstäben, welche über den Umfang verteilt angeordnet sind und an beiden Enden durch einen Kurzschlussring miteinander verbunden und kurzgeschlossen werden. Zur optimalen Konstruktion solcher Käfigläufer sind die thermisch-mechanischen Wechselwirkungen zwischen den Rotorkomponenten zu berücksichtigen. Da die Motorenbleche und der Kurzschlussring durch die Aussparungen zur Aufnahme der Leiterstäbe geschwächt werden und diese zusätzlich zur eigenen Zentrifugallast tragen müssen, ist der Käfigläufer als mechanische Schwachstelle zu betrachten. Eine derartige Anordnung und die damit verbundene Festigkeitsproblematik werden beispielsweise in VDI Berichte Nr. 902, 167-190 (1991) beschrieben.

Nach PS-SU 955 371 wird ein Käfigläufermotor beschrieben, bei welchem die Leiterstäbe mit dem Kurzschlussring mittels eines elastischen Kupferdrahtgeflechtes verbunden werden, um mechanische Spannungen infolge Zentrifugalkraft und thermischer Belastung zu vermeiden. Dadurch werden praktisch keine Spannungen vom Kurzschlussring auf das Mo-torenblechpaket übertragen. Nachteilig dabei ist, dass diese Art mechanischer Verbindung kompliziert ist und der Stromübergang zwischen Drahtgeflecht und Kurzschlussring nicht optimal ist. Zudem ist diese Lösung fertigungstechnisch aufwendig.

Die zunehmende Anzahl von Schadenfällen bei schnellaufenden Antriebsrotoren zeigt deutlich, dass diese nicht nur in elektrischer, sondern auch in festigkeitstechnischer Hinsicht in angepasster Weise ausgelegt werden müssen (VDI Berichte Nr. 902, 167-190 (1991)).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, wonach ein Käfigläufer mit Leiterstäben für schnellaufende elektrische Antriebe hergestellt werden kann, sodass unzulässige Span-nungszustände infolge von Zentrifugallast und thermischer Beanspruchung vermieden werden.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung gemäss dem Wortlaut nach den Ansprüchen 1-8 gelöst. Es zeigen:

Fig. 1 Schnitt durch einen Käfigläufer und Ansicht desselben

Fig. 2A-2I Stirnseitige Schlitzanordnungen im Leiterstab

Fig. 3 Schnitt durch einen Leiterstab mit paralleler Schlitzanordnung und konstantem Schlitzprofil

Fig. 4 Schnitt durch einen Leiterstab mit schräger Schlitzanordnung und variablem Schlitzprofil

Fig. 5 Ausführungsbeispiel eines Leiterstabes mit gekreuzten Schlitzen in Schnitt und Ansicht

Die Erfindung wird im weiteren anhand der Fig. 1-5 näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Schnitt durch einen Käfigläufer und die Ansicht desselben. Das Motorenblechpaket 1 und der Kurzschlussring 2 werden von einem Leiterstab 3 durchdrungen und befinden sich auf einem Wellenschaft 6. Der Leiterstab 3 besteht aus einem gutleitenden Material, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen, und weist einen beliebigen, beispielsweise runden, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf. Die Leiterstäbe 3 sind gleichmässig um den Wellenschaft 6 angeordnet. Der Leiterstab 3 weist an den beiden Enden Schlitze 4 auf, welche in den verschiedensten Anordnungen angebracht werden können, was weiter unten näher beschrieben wird. Diese Schlitze 4 bewirken eine starke Herabsetzung der Biegesteifigkeit des Leiterstabes ohne dessen stromführende Querschnittsfläche wesentlich zu verändern. An den Enden des Leiterstabes 3 befindet sich ein Befestigungselement 5, beispielsweise eine Schraube oder ein Federelement, durch welches der Leiterstab 3 an den Kurzschlussring 2 gepresst wird und somit einen vorteilhaften elektrischen Stromübergang gewährleistet. Durch die Ausbildung des Leiterstabes mit Schlitzen 4 werden die Relativbewegungen des Kurzschlussringes 2 gegenüber dem Motorenblechpaket 1 infolge Zentrifugalkraft und thermischer Ausdehnung im wesentlichen ausgeglichen. Die Schlitzbreite ist vom gewählten Fertigungsverfahren abhängig und beträgt typischerweise 0,1-0,5 mm bei einem Leiterstabdurchmesser von etwa 10 mm. Die Schlitzbreite bzw. deren Summe bei mehreren Schlitzen ist mindestens von derselben Grössenord-nung der Relativverschiebungen. Die Schlitztiefe wird vorzugsweise über den Bereich des Kurzschlussringes hinausgeführt, jedoch aus Kostengründen (Bearbeitungszeit) möglichst klein gehalten. Andererseits muss die Schlitztiefe hinreichend gross sein, damit die Ausgleichsbewegungen in der gewünschten Art und Weise stattfinden können, womit unzulässige Spannungszustände im Leiterstab 3, aber auch im Motorenblechpaket 1 und im Kurzschlussring 2 verhindert werden können. Damit wird eine vorteilhafte spannungstechnische Entkoppelung erzielt, was eine genaue festigkeitstechnische Berechnung an der Festigkeitsgrenze der einzelnen Komponenten ermöglicht.

Das Befestigungselement 5 kann auch entfallen, wenn stattdessen der Leiterstab 3 mit dem Kurzschlussring 2 hartverlötet oder verschweisst wird.

Fig. 2A-2I zeigen verschiedene stirnseitige Schlitzanordnungen im Leiterstab.

In den Fig. 2A-2D sind ein bzw. mehrere parallel zu einander liegende Schlitze angeordnet. Bei diesen Anordnungen ist die Ausrichtung der Schlitzebene zum Radius des Käfigläufers wesentlich. Liegt die Schlitzebene senkrecht zu diesem Radius, so wirkt sich dessen Lage optimal auf den Aus5

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gleich der Relativbewegungen aus; fällt die Schlitzebene aber mit dem Radius zusammen, so tritt bloss ein unwesentlicher Ausgleich der Relativbewegungen auf. Liegt der Schlitz in einer Zwischenlage, so ergibt sich ein Ausgleich der Relativbewegungen, welcher zwischen den vorher erwähnten Fällen liegt.

In Fig. 2E sind zwei Schlitze kreuzweise angeordnet. Diese Anordnung mit einem Schlitzwinkel a von 90 Grad hat den Vorteil, dass dadurch der Ausgleich der Relativbewegungen von der Lage der Schlitze unabhängig wird. Der Schlitzwinkel a kann auch von 90 Grad verschieden gewählt werden.

Fig. 2F zeigt eine Anordnung mit 3 Schlitzen, welche die Schlitzwinkel ai und az untereinander bilden.

Grundsätzlich kann die Anordnung der Schlitze in beliebiger Art und Weise erfolgen. So zeigen Fig. 2G-2I weitere mögliche Anordnungen, welche ebenfalls zum Ausgleich von Relativbewegungen führen.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Leiterstab, der zwei Schlitze unterschiedlicher Schlitztiefe parallel zur Leiterstabachse und mit einem konstanten Schlitzprofil, d.h. mit einer gleichbleibenden Schlitzbreite, aufweist.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Leiterstab, der zwei nichtparallele Schlitze unterschiedlicher Schlitztiefe in schräger Anordnung zur Leiterstabachse und mit einem variablen Schlitzprofil, d.h. mit einer variablen Schlitzbreite, aufweist. Derartige Schlitzanordnungen können beispielsweise mit Drahterosion angefertigt werden.

Grundsätzlich ergibt sich eine Vielfalt von möglichen Schlitzanordnungen, so beispielsweise eine Anordnung mit einer verdrehten, bzw. gewundenen Schlitzebene. Diese Anordnung kann durch Drahterosion erzielt werden, wobei der Leiterstab nicht starr ist, wie in den bisher beschriebenen Fällen, sondern während der Bearbeitung bewegt wird.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leiterstabes mit gekreuzten Schlitzen in Schnitt und Ansicht. Ein Käfigläufer wurde mit 26 Leiterstäben realisiert. Der verwendete Leiterstab 3 wurde aus E-Cu mit einem Durchmesser von 9 mm und einer Länge von 211 mm hergestellt. Als Befestigungselement 5 wurde eine Konusschraube (M4, 14 mm) mit einem Konuswinkel von 12,5 Grad eingesetzt. Die beiden Schlitze 4 wurden kreuzweise, d.h. mit einem Schlitzwinkel von 90 Grad, mittels Drahterosion angefertigt. Die Schlitzbreite betrug 0,3 mm bei einer Schlitztiefe von 40 mm. Für jeden der 26 Leiterstäbe betrug die benötigte Zeit zur Schlitzfertigung bei 4 Schlitzen pro Leiterstab etwa 15 min. inkl. Einrichten. Durch die Befestigung mittels der Schraube 5 wurde vorrangig ein optimaler elektrischer Kontakt zwischen dem Leiterstab 3 und dem Kurzschlussring 2 erzielt. Die Schraube 5 kann aber zweitrangig auch zur mechanischen Verbindung (Anpressdruck), sowie zum Auswuchten des Rotors einen Beitrag leisten. Die Wahl der gekreuzten Schlitze envies sich bei der Montage als besonders vorteilhaft, da dadurch der Ausgleich der Relativverschiebungen auch ohne aufwendiges Ausrichten der Schlitzebenen senkrecht zum Radius gewährleistet war.

Mit dieser Anordnung wurde mit einem magnetisch gelagerten Hochgeschwindigkeits-Antrieb eine Maximaldrehzahl von 30 000 U/min erreicht, was einer maximalen Umfangsgeschwindigkeit von 185 m/s entspricht.

Erfindungswesentlich ist, dass bei den vorgeschlagenen Vorrichtungen der Leiterstab mit Schlitzen versehen ist, welche die Relativverschiebungen von Kurzschlussring und dem Motorenblechpaket praktisch ungehindert zulassen. Damit wird eine unzulässige mechanische Beanspruchung im Leiterstab aber auch im Kurzschlussring und im Motorenblechpaket unter Zentrifugallast und thermischer Belastung verhindert.

Claims

Patentansprüche

1. Käfigläufer für einen schnellaufenden elektrischen Antrieb, bestehend aus einem Motorenblechpaket (1), aus einem Kurzschlussring (2) und aus Leiterstäben (3) gekennzeichnet dadurch, dass am Leiterstabende mindestens ein Schlitz (4), welcher einen Ausgleich von Relativbewegungen infolge von Zentrifugallast und thermischer Belastung zulässt, und ein Befestigungselement (5), welches den elektrischen Stromübergang sicherstellt und gleichzeitig als mechanische Verbindung dient, angebracht ist.

2. Käfigläufer für einen schnellaufenden elektrischen Antrieb, bestehend aus einem Motorenblechpaket (1), aus einem Kurzschlussring (2) und aus Leiterstäben (3) gekennzeichnet dadurch, dass am Leiterstabende mindestens ein Schlitz (4) angebracht ist, welcher einen Ausgleich von Relativbewegungen infolge von Zentrifugallast und thermischer Belastung zulässt, und dass der Kurzschlussring (2) mit dem Leiterstab (3) hartverlötet oder verschweisst ist.

3. Käfigläufer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Schlitze (4) parallel zueinander und dass die Schlitzebenen parallel, schräg oder gewunden zur Leiterstabachse angebracht werden.

4. Käfigläufer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Schlitze (4) unter einem Schlitzwinkel a gekreuzt zueinander und dass die Schlitzebenen parallel oder schräg zur Leiterstabachse angebracht werden.

5. Käfigläufer nach Anspruch 4 gekennzeichnet dadurch, dass der Schlitzwinkel a beliebig, vorzugsweise 90 Grad, gewählt wird.

6. Käfigläufer nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet dadurch, dass die Schlitze (4) mit einem konstanten oder variablen Schlitzprofil ausgeführt werden.

7. Käfigläufer nach Anspruch 1, und einem der Ansprüche 3-6, gekennzeichnet dadurch, dass als Befestigunselement (5) eine Schraube, vorzugsweise eine Konusschraube mit einem Konuswinkel von 12,5 Grad, und dass diese zum Auswuchten verwendet wird.

8. Käfigläufer nach Anspruch 1, und einem der Ansprüche 3-6, gekennzeichnet dadurch, dass als Befestigungselement (5) ein Federelement verwendet wird.

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