DE19858135A1 - Käfigläufer für elektrische Maschinen und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Abstract

Die an den Stirnseiten des Läuferblechpaketes (3) überstehenden Enden (4') der Läuferstäbe (4) sind aufgrund einer Teilung (6, 6') insbesondere geschlitzt ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Käfigläufer für eine elektrische Maschine, mit einem auf einer Läuferwelle angeordneten Läu­ ferblechpaket, in dem Läuferstäbe angeordnet sind, welche an den an den Stirnseiten des Läuferblechpaketes überstehenden Läuferstabenden durch je einen Kurzschlußring elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind.

Wie sich aus der DE 34 21 537 A1 ergibt, enthält bei bekann­ ten Kurzschlußläufern das mit Nuten versehene Läuferblechpa­ ket 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.

Bei schnell laufenden Asynchronmotoren sind besonders die beiderseits aus dem Blechpaket ragenden Enden der Käfigläu­ ferstäbe und die mit ihnen verbundenen Kurzschlußringe durch hohe Temperaturen bei großen Fliehkräften stark beansprucht und durch unkontrollierte Unwuchten gefährdet. Darüber hinaus weist jede gestabte Käfigkonstruktion im Bereich der freilie­ genden Wicklung (Wickelkopf) eine Schwingungsfähigkeit in ra­ dialer und in Umfangsrichtung auf, die insbesondere bei Bahn­ motoren zu schädlichen Resonanzschwingungen führen kann, weil es meist nicht gelingt, die Eigenfrequenzen außerhalb der An­ regefrequenzen, z. B. aus dem Getriebe, zu legen. Zur Beherr­ schung der Fliehkräfte im Bereich der Kurzschlußringe einer Asynchronmaschine werden sogenannte Kappenringe verwendet, die über die Kurzschlußringe aufgezogen werden. Solche insbe­ sondere aus Stahl bestehenden Kappenringe in Form von Schrumpfringen sind aus der EP 0 749 198 A2 bekannt. Bei die­ sem bekannten Kurzschlußläufer sind beiderseits des Blechpa­ kets Distanzstege und vorzugsweise mit diesen einstückig aus­ gebildete Stützringe vorgesehen, derart, daß jeder Kurz­ schlußring in radialer Richtung durch einen auf der Läufer­ welle festsitzenden Stützring abgestützt ist und der Kurz­ schlußring durch den zugeordneten Schrumpfring, der den Kurz­ schlußring umgibt, auf den Stützring gepreßt wird. Ein Kurz­ schlußläufer dieser Ausführung ist jedoch relativ aufwendig.

Die Beherrschung der Belastungszyklen von Drehzahl und Tempe­ ratur erfolgte bisher konstruktiv über eine Veränderung der Ausladung und Querschnitte der Läuferstäbe bzw. durch ver­ schiedene Kurzschlußringquerschnitte bzw. durch diverse Löt­ verfahren und Kupferwerkstoffe.

Da die Käfige von Kurzschlußläufern beim Einsatz in elektri­ schen Maschinen für den oberen Leistungsbereich hinsichtlich ihrer Festigkeit sehr stark von den Parametern Temperatur, Drehzahlen, Toleranzen, Geometrie, Material und Lötverfahren abhängig sind und immer höhere Drehzahlen und Temperaturen zu beherrschen sind, ist es die Aufgabe der Erfindung, eine ver­ besserte Lösung für einen Käfigläufer der eingangs genannten Art vorzuschlagen. Außerdem soll der erfindungsgemäße Käfig­ läufer einfacher herstellbar und insbesondere für den Einsatz bei elektrischen Maschinen mit großen Leistungen zum Antrieb von Schienenfahrzeugen verwendbar sein.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Käfigläufer mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie nach einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Käfigläufers mit den Merkmalen des Patentanspruches 4 gelöst.

Da die hohen Drehzahlen des Käfigläufers und die erhöhte Tem­ peratur seiner Kurzschlußringe gegenüber den Läuferstäben und dem Läuferblechpaket zu erheblichen Beanspruchungen der aus dem Blechpaket herausragenden Läuferstabenden und der Löt­ stellen zwischen den Läuferstabenden und den Kurzschlußringen führen, kommt es bei den bekannten Käfigläufern bei hohen Drehzahlen und wegen der Temperaturunterschiede zu einem Auf­ weiten und Kippen der Kurzschlußringe. Dieser Verformung ver­ suchen die an die Kurzschlußringe angelöteten oder ange­ schweißten Läuferstabenden aufgrund ihrer hohen radialen Bie­ gesteifigkeit entgegenzuwirken. Dies führt jedoch zu einer hohen Materialbeanspruchung, was sich auf die Laufzeitdauer des Läufers negativ auswirkt. Bei der erfindungsgemäßen Aus­ bildung des Käfigläufers wird die radiale Biegesteifigkeit der aus dem Läuferblechpaket ragenden Läuferstabenden verrin­ gert. Hierzu weisen die in radialer Stellung aus dem Blechpa­ ket axial austretenden Läuferstabenden beispielsweise mehrere schmale Schlitze, die vorzugsweise tangential zum Käfigläufer verlaufen, auf. Die geschlitzten bzw. unterteilten Läuferstabendstücke werden dann wie bisher an die Kurzschluß­ ringe gelötet oder mit diesen verschweißt. Die Teilungen bzw. Schlitze bzw. Fugen oder Kerben in den Läuferstabenden bewir­ ken eine Reduzierung der radialen Biegesteifigkeit der Läu­ ferstabenden und bewirken, daß das Aufweiten und Kippen des Kurzschlußringes bei hoher Drehzahl und hoher Betriebstempe­ ratur von den Läuferstabenden besser aufgenommen werden kann. Die Teilungen oder Schlitze in den Läuferstabenden können beispielsweise erst nach der Montage der Läuferstäbe im Läu­ ferblechpaket angebracht oder bereits vor der Läuferstabmon­ tage in die Läuferstabenden eingebracht werden. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2, 3 und 5, 6 angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels und der Zeichnung näher erläutert, in der eine Endpar­ tie eines erfindungsgemäßen Käfigläufers perspektivisch dar­ gestellt ist.

Auf der Läuferwelle 2 eines Käfigläufers 1 einer elektrischen Maschine, beispielsweise einer mit hoher Drehzahl und Lei­ stung betriebenen Asynchronmaschine zum Antrieb von Schienen­ fahrzeugen, ist ein Läuferblechpaket 3 in üblicher Weise be­ festigt. Das Läuferblechpaket 3 weist im Bereich seines Au­ ßenumfanges axial verlaufende Bohrungen oder Nuten auf, in welche Läuferstäbe 4 eingesetzt und gegen Fliehkrafteinfluß gesichert sind. Die aus elektrisch gut leitendem Material be­ stehenden Läuferstäbe 4 überragen das Läuferblechpaket 3 je­ weils stirnseitig mit ihren Läuferstabenden 4', die mit beid­ seitig des Läuferblechpaketes angeordneten Kurzschlußringen 5 mechanisch und elektrisch verbunden sind, was insbesondere durch Hartlöten oder Verschweißen erfolgt.

Um die aufgrund hoher Drehzahlen und Temperaturunterschiede im Käfigläufer 1 in den Läuferstabenden 4' sowie in ihrer Verbindung zum Kurzschlußring 5 auftretende hohe Materialbe­ anspruchung zu vermeiden, wird die radiale Biegesteifigkeit der Läuferstabenden 4' dadurch verringert, daß die Läufersta­ benden 4' wenigstens eine Teilung 6, 6', Fuge, Kerbe od. dgl. aufweisen und wenigstens zwei Läuferstabendstücke 7, 7', 7'' bilden.

In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Läuferstabenden 4' geschlitzt. Die Läuferstabenden 4' können durch einen oder mehrere, insbesondere tangential zum Käfigläufer 1 verlau­ fende Schlitze 6, 6' fächerartig unterteilt sein. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Läuferstabenden wird das Widerstandsmoment der Läuferstabenden hinsichtlich ihrer ra­ dialen Biegesteifigkeit verkleinert, was ein Aufweiten und Kippen des Kurzschlußringes vermeidet, so daß beispielsweise zusätzliche, an sich bekannte Kappenringe und/oder Abstützun­ gen für die Kurzschlußringe gegen die Läuferwelle entfallen können.

Der erfindungsgemäße Käfigläufer ist in vorteilhafter Weise dadurch herstellbar, daß nach dem Einsetzen der Läuferstäbe 4 in das Läuferblechpaket 3 die in radialer Stellung aus dem Läuferblechpaket ragenden Läuferstabenden 4' mit ihren ge­ teilten Läuferstabendstücken 7, 7', 7'' gegen die Kurzschluß­ ringe 5 befestigt werden. Dabei besteht die Möglichkeit, daß die Teilung 6, 6' der Läuferstabenden 4' zur Ausbildung der Läuferstabendstücke 7, 7', 7'' vor oder erst nach dem Einset­ zen der Läuferstäbe 4 in das Läuferblechpaket 3 ausgeführt wird. In zweckmäßiger Ausführung wird die Teilung 6, 6' der Läuferstabenden 4' aller Läuferstäbe 4 formgleich ausgeführt. Vor dem Verlöten oder Verschweißen der Läuferstabenden mit den Kurzschlußringen 5 ist auf eine gleiche Anordnung der Teilung 6, 6' der Läuferstabenden am Käfigläufer zu achten.

Claims (6)

1. Käfigläufer (1) für eine elektrische Maschine, mit einem auf einer Läuferwelle (2) angeordneten Läuferblechpaket (3), in dem Läuferstäbe (4) angeordnet sind, welche an den an den Stirnseiten des Läuferblechpaketes überstehenden Läuferstab­ enden (4') durch je einen Kurzschlußring (5) elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferstabenden (4') wenigstens eine Teilung (6, 6'), Fuge, Kerbe od. dgl. aufwei­ sen und wenigstens zwei Läuferstabendstücke (7, 7', 7'') bil­ den.

2. Käfigläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferstabenden (4') geschlitzt sind.

3. Käfigläufer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferstabenden (4') durch einen oder mehrere tangential zum Käfigläufer (1) ver­ laufende Schlitze (6, 6') fächerartig unterteilt sind.

4. Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufers nach den An­ sprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einsetzen der Läuferstäbe (4) in das Läuferblechpaket (3) die in radialer Stellung aus dem Läufer­ blechpaket ragenden Läuferstabenden (4') mit ihren geteilten Läuferstabendstücken (7, 7', 7'') gegen den Kurzschlußring (5) befestigt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (6, 6') der Läu­ ferstabenden (4') in Läuferstabendstücke (7, 7', 7'') vor oder nach dem Einsetzen der Läuferstäbe (4) in das Läuferblechpa­ ket (3) erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (6, 6') der Läu­ ferstabenden (4') aller Läuferstäbe (4) formgleich ausgeführt und vor dem Verlöten oder Verschweißen mit den Kurzschlußrin­ gen (5) in eine gleiche Anordnung am Käfigläufer gebracht wird.