DE10247484A1

DE10247484A1 - Umrichtergespeiste Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE10247484A1
Application number: DE10247484A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Jöckel; Alexander MÄURER; Bernhard Volk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2004-04-22

Abstract

Umrichtergespeiste Asynchronmaschine mit einem Käfigläufer (5), dessen elektrische Leiter (2) in Nuten (6) des geblecht ausgeführten Käfigläufers (5) gebettet sind, wobei zwischen den elektrischen Leitern (2) und dem Blechpaket (3) des Käfigläufers (5) sich zumindest eine elektrisch isolierende Schicht (4) befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine mit einem Käfigläufer, dessen elektrische Leiter in Nuten des geblecht ausgeführten Käfigläufers gebettet sind und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Bei gattungsgemäßen Asynchronmaschinen treten insbesondere im Bereich mittlerer Aussteuerung der spannungseinprägenden Pulswechselrichter hohe Verluste im Läufer auf. Diese Verluste entstehen durch Induktion pulsfrequenter Ströme in den elektrischen Leitern z.B. Stäben und Kurzschlussringen des Kurzschlusskäfigs und addieren sich zu den bereits dort vorhandenen Stromwärmeverlusten. Dies führt zum einen zu einer vergleichsweise höheren thermischen Belastung des Käfigläufers, was mit einem hohen technischen Risiko z.B. Stabbrüchen bei Käfigläufern verbunden ist.
Des Weiteren führt die Induktivität eines elektrischen Leiters insbesondere eines Stabes bei vergleichsweise hohen Frequenzen zu elektrischen Spannungen von einigen Volt, von denen die Hälfte der Spannungsdifferenz auch gegen das gebleckte Eisen des Käfigläufers anliegt. Falls ein gut elektrisch leitender Kontakt zwischen Stab und den Blechen des Käfigläufers vorliegt, fließen die Ströme von einem zum anderen Stab über das Blech und erzeugen dabei Verlust im Blech. Falls ein mangelhafter elektrischer Kontakt ("Wackelkontakt") beispielsweise zwischen einem Stab und den Blechen vorliegt, treten Erosionserscheinungen an dem Stab auf, die die Querschnittsfläche des Stabes reduzieren und damit zu einem Stabbruch führen kann.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine mit Käfigläufer zu schaf fen, deren Läuferverluste reduziert und Erosionserscheinungen insbesondere an den Stäben des Käfigläufers vermieden werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass sich zwischen den elektrischen Leitern und den Blechpaket zumindest eine elektrisch isolierende Schicht befindet.

Durch diese elektrische Isolierung zwischen dem elektrischen Leiter und dem Blechpaket, die nur für einige Volt Spannungsdifferenz auszulegen ist, wird ein Stromfluss quer zu den Stäben über die Bleche verhindert. Dadurch werden die Ströme über die gut leitfähigen Kurzschlussringe gezwungen und damit die Läuferverluste deutlich reduziert. Auch die durch Sinusspeisung erzeugten Zusatzverluste hervorgerufen durch Querströme wie Nutungsharmonische und Wicklungsharmonische werden durch die erfindungsgemäße Isolierung reduziert. Zum Teil lassen sich damit die Läuferverluste bis um den Faktor 2,5 reduzieren.

Dies führt erfindungsgemäß insbesondere im Bereich mittlerer Aussteuerung des Umrichters zu einer gegenüber herkömmlichen umrichtergespeisten Asynchronmaschinen beträchtlichen Verbesserung des Wirkungsgrades. Die Temperatur des Käfigläufers und damit auch das Problem der zu engen Lagerluft und insbesondere die Gefahr potentieller Stabbrüche durch zu hohe Kupfertemperaturen und durch Erosion geschwächte Stäbe werden damit deutlich reduziert.

Die elektrischen Leiter sind sowohl als Stäbe als auch durch Einzeldrähte aufbaubar.

Insbesondere bei umrichtergespeisten Asynchronfahrmotoren bei elektrischen Triebfahrzeugen bei denen die Gefahr potentieller Stabbrüche durch vergleichsweise hohe Schwingungsbeanspruchung von Hause aus gegeben ist, kann damit eine wesentlich höhere Betriebssicherheit erreicht werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch ein Verfahren nach Anspruch 5 oder 6.

Die Isolierschicht zwischen elektrischem Leiter und Blechpaket kann als Läufernutauskleidung vorgesehen werden, wobei dabei diese Nutauskleidung als Doppelschicht vorzugsweise Blech/Isolierschicht, als Sandwichstruktur (Blech-Isolierschicht-Blech) oder nur als Folie z.B. einer Teflonfolie oder Kaptonfolie ausgeführt ist.

Bei der Ausführung als Doppelschicht oder Sandwichstruktur dient das axial verlaufende Blech u.a. als Montagehilfe, die das Einsetzen der elektrischen Leiter, insbesondere der Stäbe in die Nut erleichtert.

Vorteilhafterweise sind, um die Montage zu vereinfachen, die Läuferstäbe vor Montage in dem Läuferblechpaket bereits mit Isoliermaterial umwickelt.

Die Erfindung wird in einem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Darin zeigt:
1 einen prinzipiellen Querschnitt einer elektrischen Maschine,
2-4 Teilausschnitte des Querschnitts mit einigen Ausführungsvarianten.
Eine nicht näher dargestellte elektrische Maschine mit einem Ständer 1 und einem Käfigläufer 5 zeigt beispielhaft eine halbgeschlossene Nut 6, die als elektrischen Leiter einen Kupferstab 2 enthält. Der Kupferstab 2 ist gegenüber dem Blechpaket 3 durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt. Die Isolierschicht 4 ist derart ausgebildet, dass sich auf jeden Fall zwischen den einzelnen Stäben des Käfigläufers 5 keine Querströme ausbilden können.
2 zeigt in vergrößerter Form, den prinzipiellen Aufbau von Kupferstab 2 und Isolierschicht 4 in einer halboffenen Nut 6. Die Isolierschicht ist dabei als Teflon- oder Kaptonfolie ausgeführt. Die Folie, bzw. die Isolierschicht 4 kann aufgrund der verhältnismäßig geringen Spannungsdifferenz zwischen Kupferstab 2 und Blechpaket 3 relativ dünn ausgeführt sein. Es ist lediglich die notwendige Spannungsfestigkeit des jeweiligen Materials zu beachten. Es besteht somit kein elektrisch leitender Kontakt zwischen Kupferstab 2 und Blechpaket 3.
3 zeigt die Isolierschicht 4, die als Sandwichstruktur aufgebaut ist. Dabei ist der Kupferstab 2 von dieser Sandwichstruktur umgeben, die folgendermaßen aufgebaut ist. In direktem Kontakt mit dem Kupferstab 2 steht ein Blech 7, das mit dem Kupferstab 2 axial in der Nut 6 verläuft. Dieses Blech 7 ist von einer Isolierschicht 4 umgeben, die von einem weiteren axial verlaufenden Blech 7 umfasst wird.
Diese Struktur hat außerdem den Vorteil, dass die Montage, bei halboffenen Nuten 6 das axiale Einschieben der Kupferstäbe 2 in die Nut 6 erleichtert wird, indem dadurch die Reibung zwischen Kupferstab 2 und Blechpaket 3 verringert wird. Außerdem wird dadurch eine Verletzung der Isolierschicht 4 bei Montage nahezu ausgeschlossen. Kleinere Verletzungen der Isolierschicht 4, sofern sie nicht zu einem elektrischen Kontakt zwischen Kupferstab 2 und Blechpaket 3 führen, sind jedoch unbedenklich.
Demnach sind auch poröse Isolierschichten 4 einsetzbar.
4 zeigt, dass die Isolierschicht 4 auch den gesamten Kupferstab 2 umgeben kann, was die Montage erneut vereinfacht, da die Positionierung der Isolierschicht 4 in der Nut 6 nunmehr auf jeden Fall einen elektrischen Kontakt zwischen Kupferstab 2 und Blechpaket 3 vermeidet.
Die Isolierschicht 4 wird vorzugsweise in einzelnen vorgebbaren axialen Abschnitten in der Nut 6 positioniert oder über die Kupferstäbe 2 geschoben.
Die Nutquerschnittsform ist der Einfachheit halber in den gezeigten 1 bis 4 rechteckförmig dargestellt. Die Erfindung betrifft ebenso andere Nutenformen, wie trapezförmige und tropfenförmige Querschnitte. Die Erfindung ist auch bei Doppelkäfigläufern einsetzbar.

Claims

Umrichtergespeiste Asynchronmaschine mit einem Käfigläufer (5), dessen elektrische Leiter (2) in Nuten (6) des geblecht ausgeführten Käfigläufers (5) gebettet sind, dadurch gekennzeichnet , dass zwischen den elektrischen Leitern (2) und dem Blechpaket (3) des Käfigläufers (5) sich zumindest eine elektrisch isolierende Schicht (4) befindet.
Umrichtergespeiste Asynchronmaschine nach Anspruch 1, d adurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (2) als Stab oder als Einzeldrähte ausgeführt sind.
Umrichtergespeiste Asynchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter ein spannungseinprägender Pulswechselrichter ist.
Umrichtergespeiste Asynchronmaschine nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die elektrisch isolierende Schicht (4) als Doppelschicht oder Sandwichstruktur oder als Folie ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufers einer umrichtergespeisten Asynchronmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichet , durch zumindest folgende Schritte: – Stanzpaketierung des Blechpakets des Käfigläufers, – die elektrischen Leiter (2) werden vor Einsetzen in das Blechpaket mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen, – Einsetzen der elektrischen Leiter (2) in die Nuten (6) des Blechpakets
Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufers einer umrichtergespeisten Asynchronmaschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch zumindest folgende Schritte: – Stanzpaketierung des Blechpakets (3) des Käfigläufers – Einsetzen der isolierenden Schicht (4) in die Nuten des Blechpakets, - Einsetzen der elektrischen Leiter in die Nuten (6)
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechpaket (3) durch geeignete Mittel axial fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , dass die elektrischen Leiter (2) mit Kurzschlussringen elektrisch leitend verbunden werden.