DE102009040123A1 - Kurzschlussläufer, Asynchronmotor und Strömungsmaschine - Google Patents

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Abstract

Ein Kurzschlussläufer für eine Prozessgas-gekühlte Asynchronmaschine weist einen Läuferkern (8) aus einem niedriglegierten Stahl und einen den Läuferkern (8) umgebenden Läuferkäfig (2) aus einem elektrischen Leitmaterial sowie einen korrosionsbeständigen Mantel (9) auf, der den Läuferkern (8) umschließend angeordnet ist, sowie mit dem der Läuferkern (8) von der Umgebung des Läuferkäfigs (2) hermetisch isoliert ist, so dass der Läuferkern (8) vom den Läufer umströmenden Gas abgekapselt ist und der Läufer mit dem Gas zu dessen Kühlung in Berührkontakt steht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussläufer für eine Asynchronmaschine, mit einem magnetischen Läuferkern aus einem niedrig legierten Stahl und einem den Läuferkern zumindest teilweise umgebenden Läuferkäfig aus einem elektrisch leitfähigen Material.
  • Eine elektrische Arbeitsmaschine setzt einen Teil ihrer aufgenommenen elektrischen Leistung in Wärme um, die durch Kühlung der Arbeitsmaschine abgeführt werden muss. Herkömmlich wird die elektrische Arbeitsmaschine mit der sie umgebenden Luft als Kühlmedium gekühlt. Wird die elektrische Arbeitsmaschine beispielsweise in der Rohstoff gewinnenden Industrie oder in einem Bergwerk oder in einer Öl oder Erdgas fördernden Anlage betrieben, so sind das Prozessgas oder die Umgebungsluft, die dann zur Kühlung der elektrischen Arbeitsmaschine dienen, mit chemischen Bestandteilen kontaminiert, die herkömmlich hergestellte Bauteile der elektrischen Arbeitsmaschine durch Korrosion angreifen.
  • Ist die elektrische Arbeitsmaschine vom Typ einer Asynchronmaschine, so weist die Asynchronmaschine einen Kurzschlussläufer auf. Der Kurzschlussläufer ist gebildet von einem Läuferkäfig und einem Läuferkern, der ferromagnetisch ist. Aufgrund des in dem Läuferkäfig induzierten elektrischen Stroms erwärmt sich der Läuferkäfig beim Betrieb der Asynchronmaschine stark, so dass der Kurzschlussläufer mit der Umgebungsluft zu kühlen ist. Damit der Kurzschlussläufer vor Korrosion durch aggressive Bestandteile der Umgebungsluft geschützt ist, ist der Kurzschlussläufer aus einem korrosionsbeständigen Material, insbesondere einem korrosionsbeständigen Stahl, hergestellt. Der korrosionsbeständige Stahl hat einen hohen Legierungsgehalt, wodurch der korrosionsbeständige Stahl schlechte Magneteigenschaften hat. Dadurch ist der Wirkungsgrad der Asynchronmaschine herabgesetzt. Würde für den Kurzschlussläufer ein Stahl mit guten Magneteigenschaften verwendet werden, so wäre dieser nachteilig nicht korrosionsbeständig.
  • Bekannt ist es, den Kurzschlussläufer vor seiner korrosiven Umgebung durch eine hermetische Abdichtung zu schützen oder ihn mit einem zweiten, speziell gereinigten oder aufbereiteten Medium zu kühlen, beispielsweise in Form eines geschlossenen Kreislaufs.
  • Die Offenlegungsschrift DE 102 60 282 A1 und DE 197 46 195 A1 zeigen jeweils eine Elektromaschine mit einem Läufer herkömmlicher Bauweise, wobei der Läufer einschließlich des Blechpaketes anfällig gegen Korrosion ist. Aus der GB 1 208 661 A ist bereits eine Motorpumpe mit einem Elektromotor bekannt dessen Rotorblechpakete vollständig aus magnetischem und nicht rostendem Blechmaterial hergestellt ist. Diese teure Lösung genügt den funktionalen Anforderungen an den Rotor einer Asynchronmaschine nicht. Aus der JP 59056853 A ist es bekannt, Blechpakete von Elektromotoren mit einem Farbfilm zu versehen. In gleicher Weise wird in der US 2 422 592 A ein gummiartiger vorgefertigter Überzug beschrieben um den Rotor einer elektrodynamischen Maschine zu schützen. Derartige Ausbildungen sind nur eingeschränkt oder gar nicht für hohe mechanische Belastungen in chemisch aggressiver Umgebung geeignet. Dies ist insbesondere dann kritisch, wenn die Motorkühlung mittels Prozessgases erfolgt, das von variierender chemisch aggressiver Zusammensetzung ist. Aus der EP 1 398510 B1 ist bereits eine vollständige Kapselung des Rotors mit einem hermetisch dichtenden Blechmantel aus rostfreiem ferritischen Werkstoff bekannt für ein Nasslaufkreiselpumpenaggregat.
  • Aus der US 5 783 880 A ist bereits ein Motor für eine Festplatte bekannt, dessen Bauteile zum Teil mit einer Korrosions-schützenden Pulverschicht versehen sind.
  • Die DE 905 044 B zeigt eine Befestigung von Wellenstümpfen an einem Läuferblechpaket eines Asynchronmotors.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kurzschlussläufer für eine gasgekühlte Asynchronmaschine zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad hat, obwohl der Kurzschlussläufer vor Korrosion durch Kühlgas geschützt ist.
  • Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Kurzschlussläufer von Asynchronmaschinen für eine elektrische Leistung zwischen 5 MW und 15 MW. Hierbei ist eine Länge zwischen 900–1400 mm für den axialen Abschnitt des Motorteils des Läufers zweckmäßig und/oder ein Durchmesser zwischen 300 mm–600 mm. Bei diesen Parametern kommt es jeweils zu hohen Fliehkräften, die eine erfindungsgemäße Bauweise rechtfertigen und einen hohen Wirkungsgrad attraktiv werden lassen infolge der hohen Leistungsaufnahme und der damit absolut eingesparten Energie.
  • Der erfindungsgemäße Kurzschlussläufer für eine gasgekühlte Asynchronmaschine weist einen Läuferkern aus einem niedriglegierten Stahl und einen den Läuferkern im Wesentlichen umgebenden Läuferkäfig aus einem elektrisch gut leitenden Material wie Kupfer oder Aluminium auf. Hierbei kann der Läuferkäfig vollständig oder teilweise intarsienartig in den Läuferkern eingebettet sein, so dass bevorzugt der Läuferkäfig mit dem Läuferkern eine kontinuierliche gemeinsame Oberfläche bildet.
  • Besonders wichtig ist der Schutz des Läuferkerns vor dem Umgebungsmedium bzw. dem Prozessgas. Deswegen ist eine Anordnung eines korrosionsbeständigen Mantels zwischen dem Läuferkäfig und dem Läuferkern erfindungsgemäß möglich. Hierbei ist der Mantel den Läuferkern umschließend angeordnet, so dass der Läuferkern von der Umgebung des Läuferkäfigs hermetisch isoliert ist und der Läuferkern von dem Läuferkäfig umströmendem Gas abgekapselt ist, wobei der Läuferkäfig mit dem Gas zu dessen Kühlung in Berührkontakt steht.
  • Bevorzugt ist dass der Mantel neben dem Läuferkern auch noch den Läuferkäfig umschließt, so dass der Werkstoff des Läuferkäfigs, z. B. Kupfer, ebenfalls vor dem Gas geschützt ist. Diese Variante ist sogar geometrisch und verfahrenstechnisch einfacher.
  • Dadurch ist erfindungsgemäß bei dem Kurzschlussläufer ein Werkstoffverbund aus Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften geschaffen, nämlich der Kurzschlussläufer mit dem Läuferkern aus dem niedriglegierten Stahl und der Läuferkäfig aus dem elektrisch gut leitfähigen Material, wobei der per se korrosionsanfällige Läuferkern von dem korrosionsbeständigen Mantel umgeben ist. Somit ist der Kurzschlussläufer beständig gegen korrosives Kühlgas, mit dem der Läuferkäfig beim Betrieb der Asynchronmaschine gekühlt wird. Dadurch ist vorteilhaft die Asynchronmaschine mit dem erfindungsgemäßen Kurzschlussläufer in der chemischen Industrie, der Bergbautechnik, der Öl- und Gasindustrie anwendbar, wobei ein den Läuferkäfig unmittelbar mit Berührkontakt kühlendes Kühlmedium verwendbar ist, das ein verunreinigtes Fördermedium, Prozessgas oder mit korrosiven Chemikalien belastete Luft ist.
  • „Niedrig legierter Stahl” gemäß der Erfindung wird im Sinne der DIN EN 10027-1 verwendet, wobei damit Stähle ohne ein „X” im Kurznamen bezeichnet sind und keines der dem Eisen zugesetzten Legierungselemente einen Massegehalt hat, der 5% übersteigt.
  • Hinsichtlich der chemischen Beständigkeit stellt die Erfindung auf die DIN EN 10027-2 ab, die insbesondere angibt, welche Stähle als rostfrei anzusehen sind.
  • Der Läuferkern ist bevorzugt als ein Vollzylinder ausgebildet, der von dem Mantel vollständig umhüllt ist. Die Ausbildung als Vollzylinder bedeutet, dass kein Blechpaket für den Läuferkern vorgesehen ist. Diese Ausbildung ist infolge der hohen mechanischen Integrität besonders gut für hohe Drehzahlen bzw. hohe Umfangsgeschwindigkeiten geeignet. Der Läufer kern ist von dem Mantel zur Umgebung hin gasdicht isoliert, so dass der Läuferkern mit dem umströmenden Gas nicht in unmittelbaren Berührkontakt gelangen kann. Ferner ist es bevorzugt, dass der Läuferkern aus Kohlenstoffstahl oder einem niedrig legierten Stahl hergestellt ist. Somit hat vorteilhaft der Läuferkern gute magnetische Eigenschaften, wodurch die Asynchronmaschine einen hohen Wirkungsgrad hat.
  • Der Läufermantel ist bevorzugt aus einem ferritischen, martensitischen, austenitischen oder ferritisch-austenitischen rostfreien Stahl oder einer Nickelbasislegierung oder einer Kobaltbasislegierung hergestellt. Die Nickelbasislegierung oder Kobaltbasislegierung weist eine hervorragende Eignung für die Verwendung in einer Sauergasumgebung auf. Somit ist vorteilhaft der Läufermantel aus einem Material hergestellt, das gegen Korrosion unanfällig ist. Der Kurzschlussläufer weist bevorzugt einen ersten Kurzschlussring und einen zweiten Kurzschlussring sowie eine Mehrzahl an Stäben auf, die über den Umfang des Läuferkäfigs verteilt, in dessen Längsrichtung sich erstreckend angeordnet und mit ihren Längsenden jeweils an einem der Kurzschlussringe elektrisch leitend befestigt sind, so dass von den Stäben und den Kurzschlussringen der Läuferkäfig gebildet ist, wobei die Stäbe und die Kurzschlussringe aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sind. Die Befestigung der Stäbe an den Kurzschlussringen kann beispielsweise durch Löten oder einem Schmelzschweißverfahren oder Diffusionsschweißen mit oder ohne einer haftvermittelnden Schicht beispielsweise unter Verwenden einer HIP-Anlage hergestellt werden.
  • Der Mantel ist bevorzugt einstückig ausgebildet. Bevorzugt ist es außerdem, dass der Läuferkäfig in die zylindrische Außenseite des Mantels eingebettet ist. Alternativ ist es bevorzugt, dass der Mantel eine erste Scheibe und eine zweite Scheibe sowie einen Hohlzylinder aufweist, wobei die erste Scheibe an der einen Stirnseite des Hohlzylinders und die zweite Scheibe an der anderen Stirnseite des Hohlzylinders gasdicht befestigt sind, so dass im Inneren des Hohlzylinders ein Hohlraum gebildet ist, der von dem Läuferkern vollständig ausgefüllt ist. Mindestens eine der Scheiben ist bevorzugt an den Hohlzylinder oder den Läuferkern mit einer Schraubenverbindung befestigt. Dabei ist es bevorzugt, dass an der Schraubenverbindung zwischen der mindestens einen Scheibe und dem Hohlzylinder ein Dichtring vorgesehen ist. Der Dichtring kann beispielsweise als ein O-Ring oder als eine Flachdichtung ausgebildet sein. An den Scheiben ist bevorzugt jeweils ein Wellenende zentrisch angebaut, an denen der Kurzschlussläufer in der Asynchronmaschine gelagert ist. Die Wellenenden sind beispielsweise an den Scheiben angeschraubt oder können mit einer Hirtverzahnung zur Zentrierung und Drehmomentübertragung auf beiden Seiten des Läuferkäfigs und einem zentralen Zuganker in einer Hohlwelle ausgeführt sein. Alternativ sind zum Befestigen der Wellenenden an die Scheiben Löt- und Schweißverbindungen denkbar.
  • Alternativ ist es bevorzugt, dass mindestens eine der Scheiben an dem Hohlzylinder mit einer Schweißverbindung befestigt ist. Dabei weist bevorzugt der Läuferkern an seiner der Schweißverbindung zugewandten Stirnseite außen einen Umlaufsteg auf, der mit der Schweißverbindung verschweißt ist. Zum Herstellen der Schweißverbindung sind Schmelz- und Diffusionsschweißverfahren denkbar, beispielsweise WIG- oder UP- oder Elektronenstrahl- oder Laserschweißen. Alternativ kann ein Diffusions- oder Reibschweißverfahren eingesetzt werden. Das Diffusionsschweißverfahren kann dabei mit oder ohne einer haftvermittelten Schicht an der Schweißverbindung und unter Verwendung einer HIP-Anlage ausgeführt werden. Vorzugsweise ist die Schweißnaht so positioniert, dass sie von den Kurzschlussringen abgedeckt und mitsamt dem Läuferkern vor Korrosion geschützt ist.
  • Der Läuferkäfig ist bevorzugt in der zylindrischen Außenseite des Hohlzylinders eingebettet. Der Mantel ist bevorzugt auf dem Läuferkern durch Auftragschweißen, einem pulvermetallurgischen Verfahren, insbesondere unter Anwendung einer HIP- Anlage, einem galvanischen Abscheideverfahren oder einem thermischen Spritzen hergestellt. Dabei ist der Mantel durch Verdichten und/oder Versiegeln nachbehandelt.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass der Mantel durch Aufschrumpfen, Löten, Diffusionsschweißen, insbesondere unter Anwendung einer HIP-Anlage oder einem Vakuumofen, oder Verbindungsschweißen durch Schmelzschweißen hergestellt ist. Dabei ist bevorzugt zwischen dem Mantel und dem Läuferkern eine haftvermittelnde Zwischenschicht vorgesehen.
  • Bevorzugt ist die Asynchronmaschine ein Asynchronmotor.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird besonders zweckmäßig gelöst, wenn der Kurzschlussläufer unter Anwendung der folgenden Verfahrensschritte gefertigt ist:
    • – Verbinden von jeweils einem korrosionsbeständigen Wellenende mit dem Läuferkern an den beiden stirnseitigen Enden des Läuferkerns,
    • – Anordnen von Läuferkäfigbauteilen in Ausnehmungen des Läuferkerns,
    • – Herstellung eines Zwischenprodukts mittels Umgebens des Läuferkerns, mit dem Mantel
    • – Evakuieren des Zwischenraums zwischen dem Mantel und dem Läuferkern,
    • – Erhitzen des evakuierten Zwischenprodukts unter erhöhtem Druck unterhalb der Schmelztemperaturen des Läuferkerns und der Läuferkäfigbauteile,
    • – mechanische Fertigbearbeitung des Mantels.
  • Das Verbinden der Wellenenden mit dem Läuferkern ist besonders zweckmäßig durch Schweißen zu erreichen. Der Läuferkern ist hierbei magnetisch und die Wellenenden korrosionsbeständig, insbesondere aus einem hochlegierten Material, wie X3CrNiMo13-4.
  • Der Läuferkern kann vor dem Verbinden oder nach dem Verbinden mit den Wellenenden mit Ausnehmungen versehen werden zur Ein bettung von Teilen des Läuferkäfigs. Hier werden bevorzugt Längsnuten in eine Zylinderform des Läuferkerns eingebracht und jeweils endseitig der Längsnuten eine umlaufende Nut oder absatzförmige Ausnehmung, so dass der Läuferkäfig in die Nuten in Einzelteilen eingesetzt werden kann.
  • Anschließend wird der Mantel um den Läuferkern mit dem Läuferkäfig herum gelegt. Der Mantel kann zweckmäßig als Blech mit einer Längsnahtschweißung ausgebildet sein, wobei stirnseitig des sich so ergebenden Zylinders bevorzugt Scheiben vorgesehen sind, so dass der Läuferkern bis zu den Wellenenden vollständig von dem Mantel umgeben ist. Bevorzugt sind der Mantel in sich und der Mantel an den Wellenenden verschweißt.
  • Der Mantel weist zweckmäßig einen Stutzen auf, mittels dessen ein Vakuum, bevorzugt ein Hochvakuum, zwischen dem Mantel und dem Läuferkern hergestellt werden kann. Das derart evakuierte Zwischenprodukt wird einem Verfahrensschritt des Heiß-Isostatischen-Pressens unterzogen, wobei ein Druck von etwa 700–1300 bar, bevorzugt etwa 1000 bar von außen auf das Zwischenprodukt bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Materialen des Zwischenprodukts, bevorzugt bei etwa 1000°C aufgebracht wird.
  • Der Abstand zu der niedrigsten Schmelztemperatur sollte ca. 20–150°C sein, z. B. ca. 80°C Abstand zu der Schmelztemperatur von Kupfer (1083°C).
  • Die Verbindung mittels Heiß-Isostatischen-Pressens hat zur Folge dass zwischen den Bauteilen unterschiedlicher Materialien ein Diffusionsverbund entsteht, so dass Läuferkern mit dem Läuferkäfig und dem Mantel untereinander mittels einer Diffusionsschicht verbunden sind. Diese Verbindung verbessert sich vorteilhaft, wenn zumindest zwischen dem Läuferkäfig mit dem Läuferkern und optional auch noch dem Läufermantel eine zusätzliche Schicht vorgesehen wird, welche die Diffusion fördert bzw. an dieser effektiv teilnimmt, z. B. eine Nickel schicht. Dies kann zweckmäßig durch eine galvanische Beschichtung geschehen.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kurzschlussläufers anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
  • 1 einen Längsschnitt einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kurzschlussläufers,
  • 2 einen Längsschnitt einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kurzschlussläufers,
  • 34 Fertigungsschritte eines Rohlings einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kurzschlussläufers,
  • 5 Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kurzschlussläufers ausgehend von einem Rohling gemäß 34,
  • 610 zeigen jeweils eine schematische Darstellung der Herstellung eines Kurzschlussläufers nach der Erfindung in verschiedenen Verfahrensschritten, und
  • 11 zeigt einen Längsschnitt durch einen Verdichter mit einem Kurzschlussläufer nach der Erfindung.
  • Wie es aus 1, 2, 5 ersichtlich ist, weist ein Kurzschlussläufer 1 einen Läuferkern 8, einen Läuferkäfig 2 und ein erstes Wellenende 3 sowie ein zweites Wellenende 4 auf, wobei die Wellenenden 3, 4 jeweils stirnseitig und zentrisch an dem Läuferkern 8 mittels einer Schweißnaht 81, 14 befestigt sind.
  • Der Läuferkäfig 2 weist einen ersten Kurzschlussring 5 und einen zweiten Kurzschlussring 6 auf, die im Durchmesser gleich und in axialer Abfolge zueinander angeordnet sind. Zwischen den Kurzschlussringen 5, 6 ist eine Mehrzahl an Stä ben 7 vorgesehen, die über den Außenumfang des Läuferkäfigs 2 äquidistant und sich in Längsrichtung des Läuferkerns 8 erstreckend angeordnet sind. Die Stäbe 7 haben jeweils zwei Längsenden, wobei die einen Längsenden an dem ersten Kurzschlussring 5 und die anderen Längsenden an dem zweiten Kurzschlussring 6 anliegen. Beim Betrieb des Kurzschlussläufers 1 sind die Kurzschlussringe 5 und 6 und die Stäbe 7 stromführend.
  • Im Inneren des Läuferkäfigs 2 ist der Läuferkern 8 zum Hauptteil angeordnet, der mit dem Läuferkäfig gemeinsam von einem Mantel 9 vollständig umgeben ist. Bevorzugt ist die Wandstärke des Mantels 9 im Endzustand zwischen 0,3 mm–2 mm. Die Kurzschlussringe 5 und 6 und die Stäbe 7 sind zumindest teilweise, bevorzugt vollständig eingebettet, derart dass eine gemeinsame ebene Oberfläche – vergleichbar mit einer Intarsie – gebildet wird.
  • In dem Außenumfang des Läufers 1 sind die Kurzschlussringe 5 und 6 sowie die Stäbe 7 eingelassen, wobei der Läuferkern 8 von dem Mantel 9 hermetisch eingekapselt ist.
  • An der einen Stirnseite des Läuferkerns 8 oder des Mantels 9 ist das erste Wellenende 3, und an der anderen Stirnseite des Mantels 9 ist das zweite Wellenende 4 angebracht. Der Läuferkäfig 2 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei der Mantel 9 alle sonst offenen Bereiche des Kerns einhüllt und sich bis zu dem Wellenenden 3, 4 erstreckt, wo er mit diesen verbunden ist. Nach entsprechenden Schweißungen ist der Mantel 9 vorteilhaft einstückig ausgebildet.
  • Gemäß 2 und 5 ist der Mantel 9 von einer ersten Scheibe 12 und einer zweiten Scheibe 13 sowie einem Hohlzylinder 18 gebildet, wobei mit der ersten Scheibe 12 die eine Stirnseite des Hohlzylinders 18 und mit der zweiten Scheibe 13 die andere Stirnseite des Hohlzylinders 18 verschlossen sind. An der ersten Scheibe 12 ist das erste Wellenende 3 und an der zweiten Scheibe 13 ist das zweite Wellenende 4 angebracht.
  • Gemäß 2 sind die Scheiben 12 und 13 stirnseitig an dem Läuferkern 8 mit Schraubenverbindungen 16 und 17 befestigt. Zwischen der ersten Scheibe 12 und der einen Stirnseite des Läuferkern 8 ist an der zweiten Schraubenverbindung 17 ein erster Dichtring 10 angeordnet. Ferner ist zwischen der zweiten Scheibe 13 und der anderen Stirnseite des Läuferkerns 8 an der ersten Schraubenverbindung 16 ein zweiter Dichtring 11 vorgesehen. Die Dichtringe 10 und 11 sind an dem Außenrand des Läuferkerns 8 angeordnet, so dass der zweite Dichtring 11 an dem ersten Kurzschlussring 5, und der erste Dichtring 10 an dem zweiten Kurzschlussring 6 anliegt.
  • Gemäß 3, 4, 5 weist der Läuferkern 8 an seinen Stirnseiten außenseitig jeweils einen Umlaufsteg 19 auf, wobei radial innerhalb des Umlaufstegs 19 an dem Läuferkern 8 und an den Scheiben 12 und 13 jeweils eine Mulde 20 ausgebildet ist. An dem Läuferkern 8 ist eine erste und zweite umlaufende Schweißnaht 14, 15 vorgesehen, mit der der Läuferkern 8 jeweils an der ersten Scheibe 12 der Wellenenden 3, 4 befestigt ist. Die Scheiben 12, 13 sind links und rechts des Läuferkerns 8 Bestandteil der Wellenenden 3, 4 und mit diesen aus jeweils einem Stück gefertigt
  • 4 zeigt den Läuferrohling nach dem Anschweißen und anschließendem mechanischen Einarbeiten der Ausnehmungen für den Läuferkäfig 2.
  • Die 6 bis 10 zeigen Verfahrensschritte der Herstellung eines Kurzschlussläufers 1 nach der Erfindung. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Läuferkernrohling 70 mit Wellenenden 3, 4 verbunden mittels einer Schweißung, wobei die Wellenenden 3, 4 chemisch beständiges Material aufweisen und der Läuferkernrohling 70 aus einem magnetischen Material besteht. Nachdem die Wellenenden 3, 4 an den Läuferkernrohling 70 angeschweißt wurden, werden Nuten 72 mechanisch in den Läuferkernrohling 70 eingefräst, wobei es sich um axiale Nuten 72 und beidseitig eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Abstufung 73 handelt. Anschließend werden zumindest die Nuten bzw. Ausnehmungen mit einer Beschichtung 74 versehen, welche dem später erläuterten Diffusionsvorgang förderlich ist bzw. an diesem Diffusionsvorgang maßgeblich teilnimmt, beispielsweise mit einer Nickel- oder Kobaltschicht. Diese Beschichtung 74 wird galvanisch aufgebracht. In dem nächsten Schritt (8) werden Bestandteile des Läuferkäfigs 2 in die Ausnehmungen bzw. Nuten 72, 73 eingelegt. Alternativ zu der Beschichtung 74 der Ausnehmungen können auch die Bestandteile des Läuferkäfigs 2 mit einer diffusionsfördernden Schicht oder diffundierenden Schicht versehen werden. Im nächsten Verfahrensschritt (9) wird ein Mantel 9 aus einem chemisch beständigen Material, insbesondere korrosionsfesten bzw. rostfreien Material in Form eines Blechs um den Lauferkern herum gelegt und an den entsprechenden Fügestellen des Mantels 9 in sich und den Anschlussstellen an den Läuferkern 8 bzw. an den Wellenenden 3, 4 derart verschweißt, dass alle korrosionsanfälligen Stellen von dem Mantel 9 bedeckt sind. Der Mantel kann hierbei auch über die Schweißnaht zwischen dem Läuferkern 8 und den Wellenenden 3, 4 reichen (9). Der Mantel 9 dieses derartigen Zwischenprodukts 75 ist mit einem Stutzen 76 versehen, der in den verbleibenden Zwischenraum zwischen Mantel 9 und Läuferkern 8 bzw. Läuferkäfig 2 mündet. Dieser Zwischenraum wird mittels des Stutzens 76 mit dem Resultat eines Hochvakuums evakuiert und der Stutzen anschließend verschlossen. Nachfolgend findet eine Wärmebehandlung unter etwa 1000°C und einem äußeren Druck von 1000 bar statt, so dass dieses heiß-isostatische Pressen einen Verbund zwischen den verschiedenen Materialien des Läuferkerns 8, des Läuferkäfigs 2 und dem Mantel 9 zur Folge hat. Dieser Verbund besteht an den jeweiligen Materialgrenzflächen in einer Diffusionsschicht, die durch die Beschichtung 74 eine besonders hohe mechanische Integrität zur Folge hat. Anschließend wird das heiß-isostatisch gepresste Zwischenprodukt 75 mechanisch mittels Drehen fertig bearbeitet, so dass etwaige Beulen und Unebenheiten des Mantels 9 – ins besondere etwaige sich in Längsrichtung erstreckende Schweißnähte – einer Ebnung der Oberfläche weichen. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn sich der Mantel von einer ursprünglichen Dicke von 3 mm auf etwa 0,5 mm reduziert.
  • 11 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine 80 mit einem erfindungsgemäßen Kurzschlussläufer 1. Die Strömungsmaschine 80 umfasst einen Motor 51 und einen Verdichter 56, die mit einem gemeinsamen Rotor sich in einem gemeinsamen gasdichten Gehäuse 55 befinden, das einen Gaseinlass 61 und einen Gasauslass 62 für Prozessgas aufweist. Der gemeinsame Rotor ist in zwei Radiallagern 53, 54 und einem Axiallager 52 gelagert, wobei zur Reduktion der Lagerkräfte eine vertikale Aufstellung vorgesehen ist. Ein von dem Verdichter 56 gefördertes Prozessgas umströmt in dem Gehäuse 55 sowohl die Lager als auch den Motor 51, insbesondere in dem Spalt zwischen dem Motorrotor und dem Stator. Das Prozessgas ist chemisch aggressiv und der gesamte Rotor, inklusive des Kurzschlussläufers 1, ist chemisch beständig bzw. rostfrei ausgebildet. Für die Lager 53, 54 und 52 ist ein Kühlsystem 60 vorgesehen, welches extrahiertes Prozessgas in einem offenen Kreislauf als Kühlmittel zirkuliert. Als Wellenenden 3, 4 sind an dem Kurzschlussläufer 1 Anschlusswellen 58, 59 vorgesehen, die Träger einerseits von Verdichterimpellern und andererseits von Lagerbauteilen sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10260282 A1 [0005]
    • - DE 19746195 A1 [0005]
    • - GB 1208661 A [0005]
    • - JP 59056853 A [0005]
    • - US 2422592 A [0005]
    • - EP 1398510 B1 [0005]
    • - US 5783880 A [0006]
    • - DE 905044 B [0007]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - DIN EN 10027-1 [0014]
    • - DIN EN 10027-2 [0015]

Claims (20)

  1. Kurzschlussläufer für eine Asynchronmaschine, mit einem magnetischen Läuferkern (8) aus einem niedrig legierten Stahl und einem den Läuferkern (8) zumindest teilweise umgebenden Läuferkäfig (2) aus einem elektrisch leitfähigen Material, gekennzeichnet durch einen Mantel (9), welcher den Läuferkern (8) hermetisch isolierend umschließt, so dass der Läuferkern (8) von einem den Läufer umgebenden Medium abgekapselt ist, wobei der Mantel (9) ein um den Läuferkern (8) und den Läuferkäfig (2) angeordnetes Blech ist, wobei der Mantel (9) aus einem chemisch beständigeren Material ist als der Läuferkern (8).
  2. Kurzschlussläufer gemäß Anspruch 1, wobei der Läuferkern (8) einstückig ausgebildet und von dem Mantel (9) vollständig umhüllt ist.
  3. Kurzschlussläufer gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Läuferkern (8) aus Kohlenstoffstahl oder niedrig legiertem Stahl hergestellt ist.
  4. Kurzschlussläufer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Läufermantel (9) aus einem ferritischen oder martensitischen oder austenitischen oder ferritisch-austenitischen nichtrostenden Stahl hergestellt ist.
  5. Kurzschlussläufer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Läufermantel (9) aus einer Nickelbasislegierung oder einer Kobaltbasislegierung hergestellt ist.
  6. Kurzschlussläufer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Läuferkäfig (2) einen ersten Kurzschlussring (5) und einen zweiten Kurzschlussring (6) sowie eine Mehrzahl an Stäben (7) aufweist, die über den Umfang des Läuferkäfigs (2) verteilt in dessen Längsrichtung sich erstreckend angeordnet und mit ihren Längsenden jeweils an einem der Kurzschlussringe (5, 6) elektrisch leitend befestigt sind, so dass von den Stäben (7) und den Kurzschlussringen (5, 6) der Läuferkäfig (2) gebildet ist, wobei dieser aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
  7. Kurzschlussläufer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Mantel (9) einstückig ausgebildet ist.
  8. Kurzschlussläufer gemäß Anspruch 7, wobei zumindest Teile des Läuferkäfigs (2) in Ausnehmungen des Läuferkerns eingebettet sind.
  9. Kurzschlussläufer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Asynchronmaschine ein Asynchronmotor ist.
  10. Kurzschlussläufer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Asynchronmaschine für eine elektrische Leistung zwischen 5 MW und 15 MW ausgelegt ist.
  11. Kurzschlussläufer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Durchmesser maximal zwischen 300–600 mm beträgt.
  12. Kurzschlussläufer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jeweils ein korrosionsbeständiges Wellenende (3, 4) oder eine korrosionsbeständige Anschlusswelle an den beiden stirnseitigen Enden des Läuferkerns (8) angebracht ist.
  13. Kurzschlussläufer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei Teile des Läuferkäfigs (2) in Ausnehmungen des Läuferkerns (8) angeordnet sind.
  14. Kurzschlussläufer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Läuferkern (8) mit dem Läuferkäfig (2) mittels heiß-isostatischen Pressens verbunden ist.
  15. Kurzschlussläufer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Läuferkern (8) mit dem Läuferkäfig (2) und dem Mantel (9) mittels heiß-isostatischen Pressens verbunden sind.
  16. Kurzschlussläufer gemäß den Ansprüchen 12–15, wobei der Kurzschlussläufer unter Anwendung der folgenden Verfahrensschritte gefertigt ist: – Verbinden von jeweils einem korrosionsbeständigen Wellenende (3, 4) mit dem Läuferkern (8) an den beiden stirnseitigen Enden des Läuferkerns (8), – Anordnen von Läuferkäfigbauteilen in Ausnehmungen des Läuferkerns (8), – Herstellung eines Zwischenprodukts mittels Umgebens des Läuferkerns (8) mit dem Mantel (9) – Evakuieren des Zwischenraums zwischen dem Mantel (9) und dem Läuferkern (8), – Erhitzen des evakuierten Zwischenprodukts unter erhöhtem Druck unterhalb der Schmelztemperaturen des Läuferkerns (8) und der Läuferkäfigbauteile, – mechanische Fertigbearbeitung des Mantels (9).
  17. Prozessgasgekühlter Asynchronmotor, insbesondere für den Antrieb einer Strömungsmaschine, mit einem Kurzschlussläufer gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
  18. Strömungsmaschine, insbesondere Verdichter, mit einem prozessgasgekühlten Asynchronmotor gemäß Anspruch 13.
  19. Strömungsmaschine nach Anspruch 14, wobei der Asynchronmotor und Impeller der Strömungsmaschine in einem gemeinsamen gasdichten Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass für das Prozessgas angeordnet sind, wobei der Kurzschlussläufer des Asynchronmotors dem Prozessgas ausgesetzt ist.
  20. Strömungsmaschine nach Anspruch 15, wobei der Kurzschlussläufer mittels des Prozessgases gekühlt wird.
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