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Kühleinrichtung für einen Asynchronmotor mit erhöhtem Läuferwiderstand
Es ist bekannt, daß man bei Asynchronmaschinen an Stelle der Kurzschlußstäbe Rohre
verwenden kann, durch die Luft geblasen wird, so daß die im Kurzschlußläufer entstehende
Wärme direkt von ihrem Entstehungsort abgeführt wird. Diese Anordnung ist insbesondere
zum Antrieb von Schwungmassen vorgeschlagen worden, bei denen aus physikalischen
Gründen ebensoviel Wärmeenergie frei wird, wie nach dem Hochlaufen der Schwungmasse
in dieser an Rotationsenergie vorhanden ist. Da bei derartigen Antrieben ein großer
Läuferwiderstand erwünscht ist, braucht man den für den Kurzschlußkäfig zur Verfügung
stehenden Nutenraum nicht vollständig mit Käfigmetall, Kupfer, Messing oder Leichtmetall
auszufüllen, sondern es ist ohne weiteres möglich, Rohre zu verwenden.
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Zur Verbesserung der Belüftung dieser Rohre sind diese auf einer Maschinenseite
radial nach außen gebogen. Dadurch entsteht eine gewisse Eigenbelüftung.
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Durch derartige Anordnungen kann jedoch noch nicht genug Wärme abgeführt
werden. Zur Verbesserung hat man deshalb die radial abgebogenen Rohrenden schaufelförmig
verbreitert, so daß hierdurch eine weitere Lüfterwirkung außerhalb der Rohre entsteht.
Außerdem hat man an den Rohren Bleche zur Vergrößerung der Kühlfläche angebracht.
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Da für Schwungmassenantrieb- relativ große Läuferwiderstände erwünscht
sind, in denen dann beim Anlauf sehr viel Wärme frei wird, hat man auch Kurzschlußläufermotoren
gebaut, an deren radial nach außen gebogenen- massiven, Läuferstäben Lüfterflügel
angebracht sind, die aus Widerstandsmaterial bestehen und deren freie Enden in einem
Kürzschlußring zusammengefaßt sind, an dessen freier Stirnseite zur Verstärkung
der Lüfterwirkung nochmals frei in den Raum ragende, nicht von Strom durchflossene
Lüfterflügel angebracht sind (deutsches Patent 1031881). Dabei sind aus physikalischen
Gründen beim Antrieb von Schwungmassen große Läuferverluste unvermeidlich.
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Bei der Ausbildung der den Kurzschlußstrom führenden Läuferbleche
dieser Anordnung aus Widerstandsmaterial wird in ihnen die meiste Wärme frei und
durch ihre Form als Lüfterschaufeln besonders gut abgeführt.
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Aus Stabilitätsgründen können die Läuferstäbe durch einen oder mehrere
Ringe gehalten werden. An diesen Stellen werden die Stäbe mit Glimmerhülsen oder
ähnlichen Materialien isoliert.
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Derartige Anordnungen sind auch gut für polumschaltbare Maschinen
zu verwenden, da der Kurzschlußläufer für verschiedene Polzahlen ausgelegt werden
kann. Entsprechend den großen Widerständen im Läufer haben derartige Motoren auch
einen großen Schlupf. Wegen der hohen Wärmeentwicklung im Läufer müssen fast die
gesamten Läuferwiderstände in die Widerstandsbleche verlegt werden, da aus dem Läufer
selbst eine derartige Wärmemenge nicht abgeführt werden kann.
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Dadurch erhält man jedoch in den meisten Fällen einen größeren Läuferwiderstand
als erwünscht, so daß das mittlere Drehmoment kleiner ausfüllt, als es für den praktischen
Betrieb günstig ist. Alle diese bekanntgewordenen Maßnahmen haben nicht völlig befriedigt.
Es sind zwar verschiedentlich einzelne solcher bekannten Maßnahmen gemeinsam benutzt,
jedoch war damit keinesfalls ein die reine Summenwirkung auch nur erreichender Fortschritt
möglich.
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Deshalb läßt sich mit den bekannten Mitteln bei Maschinen, die sehr
hoch ausgenutzt werden sollen, der günstigste Läuferwiderstand auf diese Weise noch
nicht erreichen, weil er wegen der aus thermischen Gründen erforderlichen Verlustleistung
zwischen den Kurzschlußstäben und den Widerstandsblechen zu groß wird. Eine einfache
Summation der verschiedenen bekanntgewordenen Maßnahmen ließ deshalb nicht ohne
weiteres ein günstiges Resultat erwarten.
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Auf Grund sehr exakter Untersuchungen war es aber schließlich möglich,
durch eine ganz bestimmte Kombination an sich bekannter Elemente eine Bauform zu
finden, welche bei tragbarem konstruktivem Aufwand eine- die reine Summenwirkung
nicht nur erreichende, sondern, wie Messungen ergeben haben, sogar überschreitende
Wirkung hervorzubringen.
Diese Kombination, für die kein Elementenschutz
beansprucht wird, geht von folgenden Überlegungen aus: Ein großer Teil der im Läufer
entstehenden Wärme soll außerhalb des Läuferpaketes frei werden. ,Außerdem soll
die im Läuferpaket frei werdende Wärme jedoch direkt an das Kühlmittel, also hier
an die Luft abgeführt werden, so daß ein derartiger Läufer besonders hoch ausgenutzt
werden kann. Zu diesem Zweck werden: a) die radial nach außen abgebogenen Enden
14 rohrförmiger Kurzschlußstäbe mit dem Kurzschlußring 4 durch Widerstandsbleche
3 verbunden, welche so ausgelegt und angebracht sind, daß sie den vollen Leiterstrom
führen und gleichzeitig als Schaufeln eines Radialläufers wirken; b) der Kurzschlußring
4 ist als geschlossene massive Platte ausgebildet, die auf einer isolierenden Nabe
8 sitzt und mit den freien Enden der Widerstandsbleche 3 strom- und wärmeleitend
verbunden ist; c) die radial nach außen abgebogenen Enden der rohrförmigen Läuferstäbe
auch an ihrer dem Ständer zugekehrten Seite mit Lüfterschaufeln 5 aus ebenfalls
gut wärmeleitendem Stoff ausgestattet, welche bis nahe an eine den Ständerraum abschließende
ringförmige Platte 9 reichen.
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Es wird also nach der Figur der Kurzschlußkäfig aus Rohren 1, hergestellt,
wobei die Rohrenden 14 auf der einen Seite des Läuferpakets 2 radial nach außen
abgebogen sind, so däß sich die Rohre 1 selbst belüften. -Die Leiter des Kurzschlußkäfigs
werden also direkt gekühlt, wie es auch bei großen Turbogeneratoren ausgeführt wird.
Dadurch werden zusätzliche Wärmeübergangsstellen, die ein entsprechendes Temperaturgefälle
erfordern, verhindert. Im Gegensatz zu bereits bekanntgewordenen Ausführungen werden
diese Rohre jedoch nicht auf beiden Seiten des Läuferpaketes 2 mit einem - Kurzschlußring
12 verbunden, sondern nur auf der einen Seite, auf der anderen Seite wird der durch
die Rohre fließende Strom in den radial nach außen abgebogenen Rohrenden 14 weitergeführt.
An diesen radial abgebogenen Rohrenden 14 sind Widerstandsbleche 3 angebracht, die
den gesamten Leiterstrom, das ist der Strom in den Rohren, übernehmen. Entsprechend
dem Widerstand dieser Bleche 3 wird hier ein großer Teil der im Läufer entstehenden
Wärme frei. Diese Widerstandsbleche 3 sind so angebracht, daß sie als Radiallüfter
wirken. In diesen Blechen ist eine höhere Temperatur zulässig als im Läuferpaket
2. Durch geeignete Bemessung der Widerstandsbleche 3 kann der für den -Schwungmassenantrieb
gewünschte Läuferwiderstand auch bei höchster Ausnutzung der Maschine hergestellt
werden. Die Widerstandsbleche 3 sind auf der den Rohrenden 14 gegenüberliegenden
Seite in einer Platte 4 befestigt, die elektrisch als zweiter Kurzschlußring wirkt.
Da in den Widerstandsblechen 3 höhere Temperaturen entstehen als in dem Läuferpaket
2, muß man verhindern, daß die Wärme aus den Blechen durch die Rohre in das Läuferpaket
2 geführt wird. Deshalb kann man zusätzlich an den radial abgebogenen Rohrenden
14 auf der den Widerstandsblechen 3 entgegengesetzten Seite noch zusätzliche Bleche
5 aus gut wärmeleitendem Material anbringen, die keinen elektrischen Strom führen.
Hierdurch wird auch eine Kühlung der Rohre bewirkt Damit die Rohre die Luft besser
durchziehen können, kann man an der Lufteintrittsseite 13 die Rohre gerade oder
schräg trompetenförmig öffnen, wodurch der Lufteintrittsstoß vermindert und somit
die durchgezogene Luftmenge vergrößert wird. Die Wirkung der Widerstandsbleche 3
als Lüfter kann man dadurch vergrößern, daß man an dem für die Kurzschlußplatte
4 erforderlichen Halter 8 zusätzlich Schaufeln 7 anbringt, durch die man die effektive
Schaufelhöhe, die durch die Widerstandsbleche 3 gegeben ist, durch diese Schaufeln
7 vergrößert.
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Auch die Stütze 11, die den waagerechten Teil der aus dem Läuferpaket
2 herausragenden Rohre 1 isolierend abstützen, kann so ausgebildet werden, daß man
eine zusätzliche Lüfterwirkung erzielt.
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Eine weitere Verbesserung der Belüftung wird dadurch erzielt, daß
man eine feststehende kreisringförmige Platte 9 aus Isolierstoff oder Blech so am
Stator 15 der Maschine anbringt, daß der aus den Widerstandsblechen .3 .und .den
.eventuell vorhandenen übrigen Teilen gebildete Lüfter nur noch geringe Zirkulationsverluste
hat. Dieses feststehende Blech 9 oder die feststehende Platte 9 befindet sich zwischen
den rotierenden Widerstandsblechen und der Statorwicklung. Die eine Planke des Lüfters
wird also durch die mitrotierende Kurzschlußplatte 4 gebildet, die andere Seite
durch die feststehende kreisförmige Platte 9 abgedeckt.
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Zur besseren Kühlung der als Kurzschlußring wirkenden Platte 4 und
des auf der Lüfterseite befindlichen Lagers 16 kann man auf der Plattenrückseite
noch zusätzlich Rippen 6 anbringen, durch die ein Luftstrom erzeugt wird, der zunächst
das Lager 16 und dann die Kurzschlußplatte 4 umspült. Die Kühlung des Lagers ist
nötig, wenn durch die Widerstandsbleche 3 hohe Temperaturen erzeugt werden, so daß
ein Teil der in den Widerstandsblechen 3 entstehenden Wärme auch zum Lager 16 geleitet
wird.
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Bevor die Rohre radial nach außen abgebogen werden, müssen sie nach
Austritt aus dem Läuferpaket eine gewisse Strecke waagerecht geführt werden, da
es wegen des Wickelkopfes 17 des Stators 15 nicht möglich ist, die Rohre
1 sofort umzubiegen. Da die Rohre -1 nicht stabil genug sind, um den Beanspruchungen
in dem waagerechten Teil außerhalb des Läuferpaketes bei Nenndrehzahl zu widerstehen,
muß man eine zusätzliche Stützvorrichtung verwenden. Dazu eignet sich eine auf der
Welle befindliche Stütze 11 und ein oder mehrere die Rohre 1 haltende gegen die
Rohre isolierte Ringe 10, die verhindern, daß die Rohre 1 der zentrifugalen Beanspruchung
nachgeben können.
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Die beschriebene Kombination erfordert keinen übermäßigen Aufwand;
sie ist aber denkbar günstig für Maschinen, in deren Läufern große Wärmemengen frei
werden. Dadurch kann mit Hilfe der Kombination die Maschine kleiner gehalten werden,
als es bisher selbst bei wahlloser Anwendung eines oder mehrerer der bekannten eingangs
geschilderten Maßnahmen möglich wird, weil nunmehr die entsprechende Wärme direkt
von ihrer Quelle auf das Kühlmittel übertragen wird und die Wärmeverteilung in den
Kombinationsgliedern derart gleichmäßig ausgewogen ist, daß alle Läuferteile ungefähr
gleichzeitig die zulässige Grenztemperatur erreichen, daß also alle Läuferteile
nötigenfalls bis zur zulässigen Höchsttemperatur ausgenutzt werden können, ohne
daß einer oder mehrere dieser Teile diese Temperatur überschreiten.