DE102008025702A1

DE102008025702A1 - Asynchronmaschine mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und Verfahren zum Herstellen eines Läufers für eine Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE102008025702A1
Application number: DE102008025702A
Authority: DE
Inventors: Joachim Frauenhofer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Die mechanische Festigkeit einer Käfigwicklung einer Asynchronmaschine soll erhöht werden. Hierzu wird eine Asynchronmaschine (10) vorgeschlagen, mit einem Stator (11) und einem an dem Stator (11) rotatorisch bewegbar gelagerten Läufer (14). Der Läufer (14) umfasst dabei eine Läuferwicklung (22), die eine Mehrzahl von stabförmigen Elementen (23) mit jeweils zwei Endbereichen aufweist, wobei die stabförmigen Elemente (23) an den Endbereichen mittels jeweils eines Kurzschlusselements (24) miteinander elektrisch kurzgeschlossen sind. Erfindungsgemäß ist die Läuferwicklung (22) zumindest teilweise aus einem Nanoröhren, bevorzugt Kohlenstoffnanoröhren, unmfassenden Material ausgebildet. Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Herstellen eines Läufers (14) für eine derartige Asynchronmaschine (10) vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Asynchronmaschine mit einem Stator und einem an dem Stator rotatorisch bewegbar gelagerten Läufer, welcher eine Läuferwicklung (auch Käfigwicklung genannt) umfasst, die eine Mehrzahl von stabförmigen Elementen mit jeweils zwei Endbereichen aufweist, wobei die stabförmigen Elemente an den Endbereichen mittels jeweils eines Kurzschlusselements (z. B. eines Kurzschlussringes) miteinander elektrisch kurzgeschlossen sind. Die vorliegende Erfindung bezieht sich überdies auf ein Verfahren zum Herstellen eines Läufers für eine Asynchronmaschine.
Vorliegend richtet sich das Interesse insbesondere auf eine schnell laufende Asynchronmaschine der eingangs genannten Gattung mit einem so genannten Käfigläufer.
Der Bau von schnell laufenden Asynchronmaschinen größerer Leistung findet seine Grenzen durch die mechanische Festigkeit der Läuferwicklung, speziell der Käfigwicklung. Mit wachsendem Durchmesser des Läufers unterliegt die üblicherweise aus Kupfer ausgebildete Käfigwicklung, insbesondere die Kurzschlussringe, steigenden Beanspruchungen durch Fliehkräfte. Um dieser Problematik Rechnung zu tragen, werden zur mechanischen Fixierung der Käfigwicklung sogenannte Polkappen über die Kurzschlussringe gezogen. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Käfigwicklung ist in schematischer Schnittdarstellung in 1 wiedergegeben. Der Käfigläufer umfasst ein Blechpaket 1, in welches ein Kupferstab 2 eingebaut beziehungsweise eingebettet ist. Der in 1 dargestellte Kupferstab 2 ist mit weiteren Kupferstäben (nicht dargestellt) der Käfigwicklung mittels eines Kurzschlussringes 3 kurzgeschlossen. Bei hohen Drehzahlen der Asynchronmaschine unterliegt der Kurzschlussring 3, und insbesondere eine Verbin dungsstelle zwischen dem Kupferstab 2 und dem Kurzschlussring 3, hohen mechanischen Beanspruchungen. Der Kupferstab 2 sowie der ebenfalls aus Kupfer ausgebildete Kurzschlussring 3 weisen nämlich eine niedrige mechanische Festigkeit auf. Um die auf den Kupferstab 2 und den Kurzschlussring 3 bei hohen Drehzahlen der Asynchronmaschine wirkenden Kräfte zu reduzieren, wird über den Kurschlussring 3 eine Polkappe 4 gezogen. Die Polkappe 4 ist in Form eines hochfesten, nicht-magnetischen Stahlrings ausgebildet, welcher radial auf den Kurzschlussring 3 aufgeschrumpft wird. Hierzu ist ein aufwendiger, hohe Präzision erfordernder Fertigungsvorgang erforderlich. Darüber hinaus besteht bei den Polkappen 4 ein Nachteil darin, dass aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Stahl die Gefahr eines Lockerns der Polkappen 4 bei häufigen thermischen Lastwechseln besteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Asynchronmaschine sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Läufers für eine Asynchronmaschine vorzuschlagen, bei welcher und welchem Maßnahmen getroffen sind, die eine erhöhte mechanische Festigkeit der Läuferwicklung bei höheren Drehzahlen der Asynchronmaschine gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Asynchronmaschine mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Läufers für eine Asynchronmaschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
Der Grundgedanke bei der erfindungsgemäßen Asynchronmaschine besteht somit darin, dass die Läuferwicklung (insbesondere die stabförmigen Elemente sowie das jeweils eine Kurzschlusselement) zumindest teilweise (z. B. bereichsweise) aus einem Nanoröhren umfassenden Material besteht, also eine Nanostruktur aufweist.
Unter dem Begriff Nanoröhren versteht man bekanntlich Röhren, deren Durchmesser kleiner als 100 Nanometer ist. Ein Nanoröhren umfassendes Material weist in Folge einer erhöhten Dichte eine verhältnismäßig hohe mechanische Festigkeit auf, so dass den bei hohen Drehzahlen wirkenden und mit wachsendem Durchmesser des Läufers steigenden Fliehkräften standgehalten wird, so dass sich der Einsatz von Polkappen mit den hiermit verbundenen Nachteilen erübrigt.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Nanoröhren Kohlenstoffnanoröhren umfassen beziehungsweise wenn die Läuferwicklung zumindest teilweise aus einem Kohlenstoffnanoröhren umfassenden Material besteht. Dabei bezeichnet der Begriff Kohlenstoffnanoröhren (CNT, Carbon Nano Tubes) röhrenförmige Gebilde, welche aus Kohlenstoff ausgebildet sind. Durch Einsatz des Kohlenstoffnanoröhren umfassenden Materials wird eine Läuferwicklung geschaffen, welche im Vergleich zu einer Kupferwicklung eine deutlich höhere Leitfähigkeit besitzt. Des Weiteren zeichnet sich ein Kohlenstoffnanoröhren umfassendes Material durch eine Dichte von 1,3 bis 1,4 g/cm³ sowie eine Zugfestigkeit von 45 GPa aus, woraus sich ein deutlich verbessertes Verhältnis der Zugfestigkeit zu der Dichte als beispielsweise bei Stahl ergibt. Überdies liegt die Strombelastbarkeit sowie die Wärmeleitfähigkeit deutlich höher als bei Kupfer, so dass die Läuferwicklung mit niedrigeren Querschnitten ausgeführt und somit eine kompaktere Asynchronmaschine geschaffen werden kann.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Material vollständig aus Nanoröhren, vorzugsweise aus Kohlenstoffnanoröhren, gebildet ist. Ist die ganze Läuferwicklung, also sowohl die stabförmigen Elemente als auch das jeweils eine Kurzschlusselement, vollständig aus Nanoröhren, vorzugsweise Kohlenstoffnanoröhren, ausgebildet, so kommen die Vorteile eines derartigen Materials vollständig zum Tragen.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Material aus einem Komposit aus Nanoröhren und Kupfer ausgebildet. Hier durch kann eine kostenreduzierte Asynchronmaschine mit dennoch einer eine erhöhte Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit aufweisenden Läuferwicklung geschaffen werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass wenigstens ein Kurzschlusselement als Kurzschlussring ausgebildet ist. Alternativ kann das jeweils eine Kurzschlusselement oder wenigstens ein Kurzschlusselement in Form eines Vielecks ausgebildet sein.
Bevorzugt umfasst der Stator eine Statorwicklung, welche zumindest teilweise aus einem Nanoröhren, und vorzugsweise Kohlenstoffnanoröhren, umfassenden Material besteht. Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Statorwicklung zumindest drei Spulenstränge umfasst und so zum Betrieb mit Drehstrom ausgebildet ist. Weil die Stromtragfähigkeit eines Nanoröhren, und speziell Kohlenstoffnanoröhren, umfassenden Materials deutlich höher liegt als die von Kupfer, wird durch das Ausbilden auch der Statorwicklung aus einem derartigen Material erreicht, dass die Statorwicklung mit wesentlich niedrigeren Querschnitten ausgeführt werden kann. Hierdurch kann eine kompakte Bauweise der Asynchronmaschine erzielt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Herstellen eines Läufers für eine Asynchronmaschine durch Bereitstellen eines Läuferblechpakets sowie Anordnen einer Läuferwicklung in und/oder an das Läuferblechpaket, wobei zur Bildung der Läuferwicklung eine Mehrzahl von stabförmigen Elementen mit jeweils zwei Endbereichen verwendet und die stabförmigen Elemente an den Endbereichen mittels jeweils eines Kurzschlusselements miteinander elektrisch kurzgeschlossen werden. Ein wesentlicher Gedanke bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass die Läuferwicklung zumindest teilweise aus einem Nanoröhren, vorzugsweise Kohlenstoffnanoröhren, umfassenden Material ausgebildet wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzug ten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 in schematischer Schnittdarstellung einen Läufer einer Asynchronmaschine gemäß dem Stand der Technik;
2 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt über eine Asynchronmaschine nach einer Ausführungsform der Erfindung; und
3 in schematischer Schnittdarstellung einen Läufer der Asynchronmaschine gemäß 2.
Das nachstehend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Eine in 2 dargestellte Asynchronmaschine 10 weist einen Stator 11 auf, welcher ein Statorblechpaket 12 sowie ein das Statorblechpaket 12 umgebendes Statorgehäuse 13 umfasst. Die Asynchronmaschine 10 weist ferner einen Läufer 14 einschließlich eines Läuferblechpakets 15 sowie einer Läuferwelle 16 auf. Dabei ist die Läuferwelle 16 und somit der gesamte Läufer 14 über jeweils ein Kugellager 17, 18 an zwei einander gegenüberliegenden Seiten 19, 20 des Statorgehäuses 13 rotatorisch bewegbar gelagert. Somit ist der Läufer 14 relativ zum Stator 11 um eine durch eine Orientierung der Läuferwelle 16 definierte Drehachse A drehbar.
Dem Statorblechpaket 12 ist eine Statorwicklung 21 zugeordnet, welche im vorliegenden Beispiel drei Spulenstränge aufweist und somit zum Betrieb mit Drehstrom ausgebildet ist. Ferner umfasst der Läufer 14 eine Läuferwicklung 22, welche in Form einer Käfigwicklung ausgebildet ist.
In 3 ist der Läufer 14 der Asynchronmaschine 10 gemäß 2 in schematischer Schnittdarstellung wiedergegeben. Die Läuferwicklung 22 umfasst eine Mehrzahl von leitfähigen stabförmigen Elementen 23 (in 3 ist nur ein stabförmiges Ele ment 23 dargestellt). Die stabförmigen Elemente 23 sind in das Läuferblechpaket 15 eingebettet beziehungsweise eingebaut. Ferner sind die stabförmigen Elemente 23 an ihren Enden mittels jeweils eines Kurzschlusselements 24, vorliegend eines Kurzschlussringes, miteinander elektrisch kurzgeschlossen. Somit stellen die stabförmigen Elemente 23 zusammen mit dem jeweils einen Kurzschlussring 24 eine Käfigwicklung des Läufers 14 dar.
Um eine hohe mechanische Festigkeit sowie elektrische Leitfähigkeit beziehungsweise Stromtragfähigkeit der Läuferwicklung 22 zu erzielen, sind die stabförmigen Elemente 23 sowie der jeweils eine Kurzschlussring 24 im vorliegenden Beispiel aus einem Kohlenstoffnanoröhren umfassenden Material ausgebildet. Weil die Kohlenstoffnanoröhren eine im Vergleich zu Kupfer wesentlich höhere mechanische Festigkeit aufweisen, kann den auf die stabförmigen Elemente 23 und den jeweils einen Kurzschlussring 24 bei hohen Drehzahlen des Läufers 14 wirkenden Fliehkräften standgehalten werden. Somit erübrigt sich der Einsatz von Polkappen 4, welche im Stand der Technik (siehe 1) zur Reduktion des Ausmaßes der mechanischen Beanspruchungen der Käfigwicklung eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil der aus den Kohlenstoffnanoröhren ausgebildeten Läuferwicklung 22 besteht darin, dass diese aufgrund der erhöhten Stromtragfähigkeit der Kohlenstoffnanoröhren mit wesentlich niedrigeren Querschnitten ausgeführt werden kann.
Im vorliegenden Beispiel sind die stabförmigen Elemente 23 sowie der jeweils eine Kurzschlussring 24 durch einen elektrischen Leiter gemäß der Druckschrift EP 1 275 118 B1 gebildet. Demnach umfassen die Nanostruktur aufweisenden stabförmigen Elemente 23 sowie der jeweils eine Kurzschlussring 24 eine leitende Matrix, in welcher die Kohlenstoffnanoröhren angeordnet sind. Dabei enthält die Matrix in weniger als 98 Vol.-% Nanostrukturen. Es ist auch möglich, die stabförmigen Elemente 23 sowie den jeweils einen Kurzschlussring 24 auf eine von der hier dargestellten Art abweichende Weise auszubilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1275118 B1 [0023]

Claims

Asynchronmaschine (10) mit einem Stator (11) und einem an dem Stator (11) rotatorisch bewegbar gelagerten Läufer (14), welcher eine Läuferwicklung (22) umfasst, die eine Mehrzahl von stabförmigen Elementen (23) mit jeweils zwei Endbereichen aufweist, wobei die stabförmigen Elemente (23) an den Endbereichen mittels jeweils eines Kurzschlusselements (24) miteinander elektrisch kurzgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferwicklung (22) zumindest teilweise aus einem Nanoröhren umfassenden Material besteht.
Asynchronmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoröhren Kohlenstoffnanoröhren umfassen.
Asynchronmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material vollständig aus Nanoröhren gebildet ist.
Asynchronmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus einem Komposit aus Nanoröhren und Kupfer gebildet ist.
Asynchronmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kurzschlusselement (24) als Kurzschlussring ausgebildet ist.
Asynchronmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (11) eine Statorwicklung (21) umfasst, welche zumindest teilweise aus dem Nanoröhren umfassenden Material besteht.
Asynchronmaschine (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (21) zumindest drei Spulenstränge umfasst und so zum Betrieb mit Drehstrom ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Läufers (14) für eine Asynchronmaschine (10), mit den Schritten: – Bereitstellen eines Läuferblechpakets (15), – Anordnen einer Läuferwicklung (22) in und/oder an das Läuferblechpaket (15), wobei zur Bildung der Läuferwicklung (22) eine Mehrzahl von stabförmigen Elementen (23) mit jeweils zwei Endbereichen verwendet und die stabförmigen Elemente (23) an den Endbereichen mittels jeweils eines Kurzschlusselements (24) miteinander elektrisch kurzgeschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferwicklung (22) zumindest teilweise aus einem Nanoröhren umfassenden Material ausgebildet wird.