CH683957A5

CH683957A5 - Squirrel cage rotor for rapid electrical drive - has slit conductor rods allowing practically unhindered relative sliding between short circuiting disc and metal laminated core

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

Abstract

At least one slit (4) is provided at the end of the conductor rods (3) to compensate the relative movements resulting from centrifugal and thermal loads. A fixing element (5), ensuring bridging of the electrical current, also serves for mechanical joining. The short circuiting disc (2) is pref. hard-soldered or welded to the conductor rod. The slits can extend in parallel to each other and the slit planes can be in parallel, wound or inclined w.r.t. the axis of the conductive rod. The fixing element can be a screw, pref. conical with a cone angle of 12.5 deg., and having a balancing function. Alternatively, the fixing element is a spring element. USE/ADVANTAGE - Async. motor of high r.p.m., i.e. in 50,000 r.p.m. range at power of approximately 5 MW as used for frequency conversion and magnetic bearings. Reliably prevents mechanical stress arising in conductor rod, short circuiting disc and motor laminated core under centrifugal and thermal loading.

Description

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CH 683 957 A5 CH 683 957 A5

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Beschreibung description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kurzschluss- bzw. Käfigläufers mit Leiterstäben für einen schnellaufenden Antrieb. The present invention relates to a device for producing a short-circuit or squirrel-cage rotor with conductor bars for a high-speed drive.

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. With the power electronics available today, especially frequency converter technology, and magnetic bearing technology, speeds can be achieved with high-speed and powerful electrical drives, which are only limited by the strength of the rotor. “Fast running” means speeds up to around 50,000 rpm with outputs up to around 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. Asynchronous machines (ASM) with squirrel-cage rotors are preferably used for high-speed drives. The rotor winding generally consists of conductor bars, which are arranged distributed over the circumference and are connected and short-circuited at both ends by a short-circuit ring. The thermal-mechanical interactions between the rotor components must be taken into account for the optimal design of such squirrel-cage rotors. Since the motor plates and the short-circuit ring are weakened by the recesses for receiving the conductor bars and have to carry them in addition to their own centrifugal load, the squirrel-cage rotor must be regarded as a mechanical weak point. Such an arrangement and the associated strength problems are described, for example, in VDI Report No. 902, 167-190 (1991).

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. According to PS-SU 955 371, a squirrel-cage motor is described in which the conductor bars are connected to the short-circuit ring by means of an elastic copper wire braid in order to avoid mechanical stresses due to centrifugal force and thermal stress. As a result, practically no voltages are transmitted from the short-circuit ring to the motor laminated core. The disadvantage here is that this type of mechanical connection is complicated and the current transfer between the wire mesh and the short-circuit ring is not optimal. In addition, this solution is complex in terms of production technology.

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)). The increasing number of damage cases with high-speed drive rotors clearly shows that these not only have to be designed in an adapted manner, not only in electrical terms, but also in terms of strength technology (VDI Reports No. 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. The object of the present invention is to provide a device according to which a squirrel-cage rotor can be produced with conductor bars for high-speed electrical drives, so that impermissible voltage states due to centrifugal load and thermal stress are avoided.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung gemäss dem Wortlaut nach den Ansprüchen 1-8 gelöst. Es zeigen: According to the invention, this object is achieved by means of a device according to the wording according to claims 1-8. Show it:

Fig. 1 Schnitt durch einen Käfigläufer und Ansicht desselben Fig. 1 section through a squirrel-cage rotor and view of the same

Fig. 2A-2I Stirnseitige Schlitzanordnungen im Leiterstab 2A-2I face slot arrangements in the conductor bar

Fig. 3 Schnitt durch einen Leiterstab mit paralleler Schlitzanordnung und konstantem Schlitzprofil Fig. 3 section through a conductor bar with a parallel slot arrangement and constant slot profile

Fig. 4 Schnitt durch einen Leiterstab mit schräger Schlitzanordnung und variablem Schlitzprofil Fig. 4 section through a conductor bar with an oblique slot arrangement and variable slot profile

Fig. 5 Ausführungsbeispiel eines Leiterstabes mit gekreuzten Schlitzen in Schnitt und Ansicht Fig. 5 embodiment of a conductor bar with crossed slots in section and view

Die Erfindung wird im weiteren anhand der Fig. 1-5 näher beschrieben. The invention is described in more detail below with reference to FIGS. 1-5.

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. Fig. 1 shows the section through a squirrel-cage rotor and the view of the same. The motor laminated core 1 and the short-circuit ring 2 are penetrated by a conductor rod 3 and are located on a shaft 6. The conductor rod 3 consists of a highly conductive material, for example made of copper, aluminum or their alloys, and has any, for example round, square or rectangular Cross section on. The conductor bars 3 are arranged uniformly around the shaft 6. The conductor bar 3 has slots 4 at both ends, which can be arranged in a wide variety of configurations, which is described in more detail below. These slots 4 bring about a strong reduction in the bending stiffness of the conductor bar without significantly changing its current-carrying cross-sectional area. At the ends of the conductor bar 3 there is a fastening element 5, for example a screw or a spring element, through which the conductor bar 3 is pressed against the short-circuit ring 2 and thus ensures an advantageous electrical current transfer. By forming the conductor bar with slots 4, the relative movements of the short-circuit ring 2 relative to the motor laminated core 1 due to centrifugal force and thermal expansion are substantially compensated. The slot width depends on the manufacturing process chosen and is typically 0.1-0.5 mm with a conductor bar diameter of approximately 10 mm. The slot width or the sum thereof in the case of several slots is at least of the same order of magnitude of the relative displacements. The slot depth is preferably extended beyond the area of the short-circuit ring, but is kept as small as possible for cost reasons (processing time). On the other hand, the slot depth must be sufficiently large so that the compensating movements can take place in the desired manner, with which inadmissible voltage states in the conductor bar 3, but also in the motor laminated core 1 and in the short-circuit ring 2 can be prevented. This achieves an advantageous decoupling in terms of voltage technology, which enables an exact strength-related calculation at the strength limit of the individual components.

Das Befestigungselement 5 kann auch entfallen, wenn stattdessen der Leiterstab 3 mit dem Kurzschlussring 2 hartverlötet oder verschweisst wird. The fastening element 5 can also be omitted if instead the conductor bar 3 is brazed or welded to the short-circuit ring 2.

Fig. 2A-2I zeigen verschiedene stirnseitige Schlitzanordnungen im Leiterstab. 2A-2I show different end slot arrangements in the conductor bar.

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 2A-2D, one or more slots lying parallel to one another are arranged. In these arrangements, the alignment of the slot plane with the radius of the cage rotor is essential. If the slot plane is perpendicular to this radius, its position has an optimal effect on the 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. equal to the relative movements; but if the slot plane coincides with the radius, there is only an insignificant compensation of the relative movements. If the slot is in an intermediate position, there is a compensation of the relative movements, which lies between the previously mentioned cases.

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. In Fig. 2E, two slots are arranged crosswise. This arrangement with a slot angle a of 90 degrees has the advantage that the compensation of the relative movements is independent of the position of the slots. The slot angle a can also be chosen to be different from 90 degrees.

Fig. 2F zeigt eine Anordnung mit 3 Schlitzen, welche die Schlitzwinkel ai und az untereinander bilden. 2F shows an arrangement with 3 slots, which form the slot angles ai and az with one another.

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. In principle, the slots can be arranged in any manner. 2G-2I show further possible arrangements, which likewise lead to the compensation of relative movements.

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. 3 shows a section through a conductor bar, the two slots of different slot depth parallel to the conductor bar axis and with a constant slot profile, i.e. with a constant slot width.

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. Fig. 4 shows a section through a conductor bar, the two non-parallel slots of different slot depth in an oblique arrangement to the conductor bar axis and with a variable slot profile, i.e. with a variable slot width. Such slot arrangements can be made, for example, with wire erosion.

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. Basically, there is a variety of possible slot arrangements, for example an arrangement with a twisted or tortuous slot plane. This arrangement can be achieved by wire erosion, the conductor bar not being rigid, as in the cases previously described, but being moved during processing.

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. Fig. 5 shows an embodiment of a conductor bar with crossed slots in section and view. A squirrel-cage rotor was implemented with 26 conductor bars. The conductor bar 3 used was made of E-Cu with a diameter of 9 mm and a length of 211 mm. A conical screw (M4, 14 mm) with a conical angle of 12.5 degrees was used as fastening element 5. The two slots 4 were crossed, i.e. with a slot angle of 90 degrees, made by wire erosion. The slot width was 0.3 mm with a slot depth of 40 mm. For each of the 26 conductor bars, the time required to produce slots with 4 slots per conductor bar was approximately 15 minutes. including setup. Due to the fastening by means of the screw 5, an optimal electrical contact between the conductor bar 3 and the short-circuit ring 2 was primarily achieved. The screw 5 can also make a secondary contribution to the mechanical connection (contact pressure) and to the balancing of the rotor. The choice of the crossed slots was found to be particularly advantageous during assembly, since the compensation of the relative displacements was ensured even without complex alignment of the slot planes perpendicular to the radius.

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. With this arrangement, a maximum speed of 30,000 rpm was achieved with a magnetically mounted high-speed drive, which corresponds to a maximum peripheral speed of 185 m / s.

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. It is essential to the invention that in the proposed devices the conductor bar is provided with slots which allow the relative displacements of the short-circuit ring and the motor laminated core to be practically unhindered. This prevents inadmissible mechanical stress in the conductor bar, but also in the short-circuit ring and in the motor laminated core under centrifugal and thermal loads.

Claims

1. squirrel-cage rotor for a high-speed electrical drive, consisting of a motor laminated core (1), a short-circuit ring (2) and conductor bars (3), characterized in that at least one slot (4) on the conductor bar end, which compensates for relative movements as a result of centrifugal load and thermal stress, and a fastening element (5), which ensures the electrical current transfer and at the same time serves as a mechanical connection, is attached.

2. Squirrel-cage rotor for a high-speed electric drive, consisting of a motor laminated core (1), a short-circuit ring (2) and conductor bars (3), characterized in that at least one slot (4) is provided at the end of the conductor bar, which compensates for relative movements as a result of centrifugal load and thermal load, and that the short-circuit ring (2) is brazed or welded to the conductor bar (3).

3. squirrel-cage rotor according to claim 1 or 2, characterized in that the slots (4) parallel to each other and that the slot planes are mounted parallel, obliquely or wound to the conductor bar axis.

4. squirrel-cage rotor according to claim 1 or 2, characterized in that the slots (4) crossed at a slot angle a to each other and that the slot planes are mounted parallel or obliquely to the conductor bar axis.

5. Squirrel-cage rotor according to claim 4, characterized in that the slot angle a is chosen arbitrarily, preferably 90 degrees.

6. squirrel-cage rotor according to one of claims 1-5, characterized in that the slots (4) are carried out with a constant or variable slot profile.

7. squirrel-cage rotor according to claim 1, and one of claims 3-6, characterized in that a screw, preferably a cone screw with a cone angle of 12.5 degrees, and that this is used for balancing as the fastening element (5).

8. squirrel-cage rotor according to claim 1, and one of claims 3-6, characterized in that a spring element is used as the fastening element (5).

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