DE19729432C1

DE19729432C1 - Asynchronmaschine mit Kurzschlußläufer

Info

Publication number: DE19729432C1
Application number: DE19729432A
Authority: DE
Inventors: Ernst Wellisch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2017-07-10

Description

Wie in der DE-34 21 537 A1 beschrieben ist, enthält bei be kannten Kurzschlußläufern das mit Nuten versehene Läufer blechpaket in die Nuten eingebettete Läufer- oder Käfigstäbe aus elektrisch gut leitendem Material, deren Enden über die Stirnseiten des Läuferblechpaketes vorstehen und mit kompak ten Kurzschlußringen hart verlötet sind. Die Enden der Läu ferstäbe ragen z. B. in eingedrehte Ringnuten in den Kurz schlußringen, die das Bett für das Hartlot bilden und mit diesem gefüllt sind. Die Kurzschlußringe und die Läuferstäbe bestehen vorzugsweise aus Kupfer bzw. Kupferlegierungen. Zur Verhinderung des Auffächerns des Läuferblechpaketes werden stirnseitig gesonderte kompakte Druckringe und/oder Läufer endbleche an das Läuferblechpaket angepreßt. Um ferner eine Axialverschiebung der Läuferstäbe in den Nuten des Läufer blechpaketes zu verhindern, sind sie mit dem Läuferblechpaket mechanisch fest verbunden, z. B. verstemmt oder verschweißt.

Aus der DE 40 13 674 A1 ist eine Asynchron-Kurzschlußläufer maschine für den Einsatz im oberen Leistungsbereich bekannt, wobei der Läufer als Staffelläufer ausgebildet und sein Läu ferpaket mindestens einmal axial unterteilt ist und in dieser Teilungsebene ein weiterer Kurzschlußring angeordnet ist. Hierzu weist das im Gußverfahren hergestellte Läuferpaket, bestehend aus zwei auf einer Welle angeordneten Läuferpake ten, mindestens an einer Stirnseite einen die Läufernuten verbindenden mitgegossenen, ringförmigen Steg auf, wobei bei der Anordnung zweier oder mehrerer Läuferpakete die korre spondierenden Stege elektrisch leitend miteinander verbunden sind, was durch Schweißen erfolgen kann. Auf die Ausbildung der Kurzschlußkäfige geht die DE 40 13 674 A1 nicht näher ein.

Bei schnellaufenden Asynchronmotoren sind besonders die bei derseits aus dem Blechpaket ragenden Enden der Käfigstäbe und die mit ihnen verbundenen Kurzschlußringe durch hohe Tempera turen bei großen Fliehkräften stark beansprucht und durch un kontrollierte Unwuchten gefährdet. Darüber hinaus weist jede gestabte Käfigkonstruktion im Bereich der freiliegenden Wick lung (Wickelkopf) eine Schwingungsfähigkeit in radialer und in Umfangsrichtung auf, die insbesondere bei Bahnmotoren zu schädlichen Resonanzschwingungen führen kann, weil es meist nicht gelingt, die Eigenfrequenzen außerhalb der Anregefre quenzen, z. B. aus dem Getriebe, zu legen. Zur Beherrschung der Fliehkräfte im Bereich der Kurzschlußringe einer Asyn chronmaschine werden sogenannte Kappenringe verwendet, die über die Kurzschlußringe aufgezogen werden. Solche insbeson dere aus Stahl bestehenden Kappenringe in Form von Schrumpf ringen sind aus der EP-0 749 198 A2 bekannt. Bei diesem be kannten Kurzschlußläufer sind beidseits des Läuferblechpakets Distanzstege und vorzugsweise mit diesen einstückig ausgebil dete Stützringe vorgesehen, derart, daß jeder Kurzschlußring in radialer Richtung durch einen auf der Läuferwelle festsit zenden Stützring abgestützt ist und der Kurzschlußring durch den zugeordneten Schrumpfring, der den Kurzschlußring umgibt, auf den Stützring gepreßt wird. Ein Kurzschlußläufer dieser Ausführung ist jedoch relativ aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kurzschlußläufer zu schaffen, der für Asynchronmaschinen mit großen Leistungen und hohen Betriebsdrehzahlen geeignet ist, ohne daß die Zen trifugalbeanspruchungen an den Kurzschlußringen zu groß wer den oder daß eine zu starke Erwärmung auftritt. Außerdem soll der Kurzschlußläufer einfacher herstellbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Kurzschlußläufer mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Her stellungsverfahren eines solchen Kurzschlußläufers nach An spruch 7 gelöst. Durch die Herstellung des Käfigläufers aus Kurzschlußhalbkäfigen entfällt die Lötverbindung zwischen den Enden der Käfig- oder Läuferstäbe und den Kurzschlußringen und damit eine Wärmebehandlung, die zu einer Entfestigung der für die Läuferstäbe und die Kurzschlußringe verwendeten Werk stoffe führt.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Kurzschlußhalbkäfi gen, insbesondere aus teilchenhärtenden und zusätzlich kalt verfestigten Legierungen, z. B. einer Kupfer-Chrom-Zirkon- Legierung, durch mechanische Bearbeitung oder durch Gießen, Ziehen oder Pressen entfällt die bei den bekannten Kurz schlußläufern vorgesehene Lötverbindung zwischen den Läufer stabenden und den Kurzschlußringen; damit entfällt nach der Erfindung die mit der Lötverbindung einhergehende Entfesti gung des hochleitfähigen Materials für den Käfigläufer. Dies bedeutet bei der Verwendung einer Kupfer-Chrom-Zirkon- Legierung, daß die Streckgrenze des Materials von minimal 300 N/mm² und die zugehörige Dauerfestigkeit von 170 N/mm² voll nutzbar ist.

In weiterer Ausführung besteht bei der Kombination von Kurz schlußringen mit hochfesten nichtmagnetischen Kappenringen die Möglichkeit, den zulässigen Spannungsbereich noch zu er weitern. Nach dem Einziehen der Halbkäfige in den Läufer er folgt in der konstruktiv niedrig belasteten Läufermitte die Verbindung der Kurzschlußhalbkäfige z. B. durch Elektronen strahlschweißen, durch Löten oder andere Verfahren.

Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kurzschlußläufer können die Betriebsdrehzahlen von Asynchronmaschinen, insbesondere von Asynchron-Bahnmotoren, erheblich gesteigert werden, d. h. kleineres Leistungsgewicht durch gesteigerte elektrische An triebsleistung. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Asynchro nantriebe für Schienenfahrzeuge beschränkt, sondern kann auch für andere elektrische Maschinen angewendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen und der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Kurzschlußläufer einer Asynchronmaschine gemäß dem Stand der Technik in einem Axialhalbschnitt,

Fig. 2 einen teilweisen Axialschnitt einer Ausführung eines Kurzschlußläufers gemäß der Erfindung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten bekannten Kurzschlußläufer 20 sitzt auf der Welle 21 einer Asynchronmaschine ein Läufer blechpaket 22, bestehend aus Dynamoblechen. Der Käfig des Kurzschlußläufers umfaßt mehrere Läuferstäbe 23, insbesondere aus E-Kupfer, deren aus dem Blechpaket ragende Enden durch Hartlöten mit Kurzschlußringen aus Kupfer 24, 25 verbunden sind. Mit 26, 27 sind die Lötstellen angedeutet. Beidseits des Läuferblechpakets 22 sind Druckringe 28, 29 aus Metall angeordnet. Mit 30, 31 sind Wuchtnuten für den Einsatz von Auswuchtgewichten bezeichnet.

Für schnellaufende Kurzschlußläufer dieser Art wurde auch schon vorgeschlagen, die Läuferstäbe aus Kupfer mit Kurz schlußringen aus einer Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung hart zu verlöten. Das dabei eingesetzte CuCrZr-Material wird durch den Lötvorgang bei Temperaturen von etwa 690°C bis 710°C am konstruktiv höchstbelasteten Bereich des Käfigläufers entfe stigt und dadurch die Streckgrenze des Materials auf Werte um 130 N/mm² verringert, was einer Dauerfestigkeit von etwa 80 N/mm² entspricht. Damit ist der Einsatz der bekannten Kup fer-Chrom-Zirkon-Legierung wieder stark eingeschränkt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung eines Kurzschlußläu fers 1 gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Danach sitzt auf der Läuferwelle 18 einer Asynchronmaschine ein zwi schen Druckscheiben 11, 12 eingespanntes Läuferblechpaket 9, 10. Der erfindungsgemäße Kurzschlußläufer 1 zeichnet sich durch zwei Kurzschlußhalbkäfige 2, 3 aus, die an ihren abge wandten Stirnseiten angeformte Kurzschlußringe 4, 5 und mit ihren zugewandten Stoßseiten 6, 7 eine Verbindungsstelle 8 bilden. Die Kurzschlußhalbkäfige 2, 3 sind vorzugsweise aus einer teilchenhärtenden und zusätzlich kaltverfestigten Le gierung, wie einer Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung, herstell bar. Die Halbkäfige können dabei z. B. durch Gießen, Ziehen oder Pressen oder auch durch eine mechanische Bearbeitung hergestellt werden und sind von den Stirnseiten des Läufer blechpaketes auf dieses aufziehbar. Nach dem Ein- oder Auf ziehen der Halbkäfige 2, 3 in den Läufer erfolgt in der kon struktiv niedrig belasteten Mitte des Läufers die Verbindung der Käfigteile beispielsweise durch Schweißen oder Löten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Läuferblechpaket 9, 10 an den Stirnseiten des Kurzschluß läufers 1 Druckscheiben 11, 12 und an der Verbindungsstelle 8 Endbleche 13, 14 aufweist.

Bei der gezeichneten Ausführung des Kurzschlußläufers 1 ist an der Verbindungsstelle 8 zwischen den Endblechen 13, 14 des Läuferblechpaketes 9, 10 ein Zwischenring 15 oder Zwischen blech vorgesehen.

In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Kurzschlußläufer 1 mit hochfesten, nichtmagnetischen Kap penringen 16, 17 bestückt, welche auf die abgestuft angeform ten Kurzschlußringe 4, 5 der Kurzschlußhalbkäfige 2, 3 aufge zogen sind.

Ohne Beschränkung auf andere Asynchronmaschinen ist der er findungsgemäße Kurzschlußläufer 1 besonders für den Einsatz bei schnellaufenden Asynchronmaschinen als Traktionsantrieb für den Schienennah- und -fernverkehr geeignet.

Claims

1. Kurzschlußläufer für eine Asynchronmaschine, wobei der Käfig des Kurzschlußläufers (1) von zwei Kurzschlußhalbkäfigen (2, 3) gebildet ist, die an ihren abgewandten Stirnseiten ange formte Kurzschlußringe (4, 5) und mit ihren zugewandten Stoß seiten (6, 7) eine Verbindungsstelle (8) bilden und die auf das Läuferblechpaket (9, 10) aufziehbar und an der Verbindungsstelle (8) gegeneinander befestigbar sind.

2. Kurzschlußläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle (8) etwa im Bereich der halben axialen Länge des Kurzschluß läufers (1) vorgesehen ist und die Kurzschlußhalbkäfige (2, 3) durch eine Schweiß- oder Lötnaht miteinander verbunden sind.

3. Kurzschlußläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Läuferblechpaket (9, 10) an den Stirnseiten des Kurzschlußläufers (1) Druck scheiben (11, 12) und an der Verbindungsstelle (8) Endbleche (13, 14) aufweist.

4. Kurzschlußläufer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verbindungsstelle (8) zwischen den Endblechen (13, 14) des Läuferblechpaketes (9, 10) ein Zwischenring (15) oder Zwischenbleche vorgesehen ist bzw. sind.

5. Kurzschlußläufer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußläufer (1) mit hochfesten, nichtmagneti schen Kappenringen (16, 17) bestückt ist, die auf die abge stuft angeformten Kurzschlußringe (4, 5) der Kurzschlußhalb käfige (2, 3) aufgezogen sind.

6. Kurzschlußläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Verwen dung in einer Asynchronmaschine als Traktionsantrieb für den Schienennah- und -fernverkehr.

7. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlußläufers nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußhalbkäfige (2, 3) einzeln durch Gießen, Ziehen, Pressen oder mechanische Bearbeitung gefertigt und dann in das Läuferblechpaket (9, 10) von dessen Stirnseiten her eingezogen werden und wobei nach dem Einziehen in der niedrig belasteten Mitte des Kurzschlußläufers (1) die Verbindung der Kurzschlußhalbkäfige durch Schweißen oder Löten erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kurzschlußhalbkäfige (2, 3) aus einer Metallegierung gegossen, gezogen oder gepreßt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kurzschlußhalbkäfige (2, 3) aus einer teilchenhärtenden und kaltverfestigbaren Legierung aus hochleitfähigem Werkstoff, wie einer Kupfer- Chrom-Zirkon-Legierung, herstellbar sind.