DE19858138A1

DE19858138A1 - Electrical machine squirrel-cage rotor e.g. for rail vehicle traction motor

Info

Publication number: DE19858138A1
Application number: DE19858138A
Authority: DE
Inventors: Andreas Alexander Eule
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2000-03-09

Abstract

A squirrel-cage rotor (1) for an electrical machine includes a laminated rotor core (3) arranged on a rotor shaft (2) and in which are arranged rotor bars (4) electrically and mechanically interconnected at their ends by a short-circuiting ring (5). The rotor bar ends (4') have an axial twist between the respective end-plate of the rotor core (3) and the short- circuiting ring. More specifically, the rotor bars ends have a twist of up to 90 deg. about their longitudinal axis.

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.The invention relates to a squirrel-cage rotor for an electrical Machine, with a läu arranged on a rotor shaft Ferblechpaket in which rotor bars are arranged, which on the protruding on the end faces of the rotor laminated core Runner sticks each by a short-circuit ring electrically and are mechanically connected.

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.As can be seen from DE 34 21 537 A1, contains at known ten short-circuit rotors, the grooved rotor plate pair ket bars or cage bars embedded in the grooves electrically well conductive material, the ends of which over the Protect the end faces of the rotor laminated core and with compact ten short-circuit rings are brazed. The ends of the lau rebars protrude z. B. in screwed ring grooves in the short rings that form the bed for the brazing alloy and with this are filled. The short-circuit rings and the rotor bars consist preferably of copper or copper alloys. For Prevention of the fanning out of the rotor laminated core separate compact pressure rings and / or runners on the face end plates pressed against the rotor core. To further a Axial displacement of the rotor bars in the grooves of the rotor to prevent sheet metal packages, they are with the rotor sheet metal package mechanically firmly connected, e.g. B. caulked or welded.

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.In the case of high-speed asynchronous motors, these are particularly important ends of the cage ring protruding from the laminated core on both sides rods and the short-circuit rings connected to them high temperatures with high centrifugal forces are highly stressed and endangered by uncontrolled imbalances. Furthermore shows every rod cage construction in the area of the open the winding (winding head) has an oscillation capability in ra dialer and in the circumferential direction, particularly in the case of web motors can lead to harmful resonance vibrations because it is usually not possible to get the natural frequencies outside the range rain frequencies, e.g. B. from the gearbox. To the owner centrifugal forces in the area of the short-circuit rings Asynchronous machines use so-called cap rings which are pulled over the short-circuit rings. Such esp special steel cap rings in the form of Shrink rings are known from EP 0 749 198 A2. At the Sem known short-circuit rotors are on both sides of the Blechpa kets spacers and preferably in one piece with them formed support rings provided such that each short closing ring in the radial direction by one on the rotor shaft fixed support ring is supported and the short closing ring through the assigned shrink ring, which is the short surrounds ring, is pressed onto the support ring. A short one final runner of this version is relatively expensive.

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.Mastering the load cycles of speed and temp So far, construction has been carried out constructively by changing the Throat and cross sections of the rotor bars or by ver different short-circuit ring cross-sections or through various solder process and copper materials.

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. Since the cages of short-circuit rotors when used in electri machines for the upper performance range with regard to their strength is very dependent on the temperature parameters, Speeds, tolerances, geometry, material and soldering processes are dependent and ever higher speeds and temperatures too are mastered, it is the object of the invention, a ver better solution for a squirrel cage of the aforementioned Kind of propose. In addition, the cage according to the invention Runner easier to manufacture and especially for use in electrical machines with high power for driving be usable by rail vehicles.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Käfigläufer mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie des Patentan spruches 4 gelöst.According to the invention, this task with a squirrel cage with the features of claim 1 and the patent Proverb 4 solved.

Da die Drehzahlen des Käfigläufers und die erhöhte Temperatur seiner Kurzschlußringe gegenüber den Läuferstäben und dem Läuferblechpaket zu erheblichen Beanspruchungen der aus dem Blechpaket herausragenden Läuferstabenden und der Lötstellen zwischen den Läuferstabenden und den Kurzschlußringen führen, kommt es bei den bekannten Käfigläufern bei hohen Drehzahlen und wegen der Temperaturunterschiede zu einem Aufweiten und Kippen der Kurzschlußringe. Dieser Verformung versuchen die an die Kurzschlußringe angelöteten oder angeschweißten Läu ferstabenden aufgrund ihrer hohen radialen Biegesteifigkeit entgegenzuwirken. Dies führt jedoch zu einer hohen Material beanspruchung, was sich auf die Laufzeitdauer des Läufers ne gativ auswirkt. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Kä figläufers wird die radiale Biegesteifigkeit der aus dem Läu ferblechpaket ragenden Läuferstabenden verringert. Hierzu werden die in radialer Stellung aus dem Blechpaket axial aus tretenden Läuferstabenden beispielsweise einzeln um 900 um ihre Längsachse verdreht und dann wie bisher an den Kurz schlußring gelötet. Durch das reduzierte Widerstandsmoment ist die radiale Biegesteifigkeit der austretenden Läuferstäbe verkleinert und damit wird die Torsionssteifigkeit des Käfigs erhöht, was sich hinsichtlich der Torsionsschwingungen vor teilhaft auswirkt.Because of the speed of the squirrel-cage rotor and the increased temperature its short-circuit rings compared to the rotor bars and the Rotor laminated core to considerable stresses from the Tin pack of outstanding rotor bars and the solder joints between the runner bars and the short-circuit rings, it comes with the known cage rotors at high speeds and because of the temperature differences to widen and Tilting the short-circuit rings. They try this deformation Läu soldered or welded to the short-circuit rings due to their high radial bending stiffness counteract. However, this leads to a high material stress, which affects the runtime of the runner ne has a negative impact. In the inventive formation of the Ka The radial bending stiffness of the from the Läu Ferblechpaket protruding runner bars reduced. For this are made in the radial position axially from the laminated core kicking runner sticks, for example, around 900 um their longitudinal axis twisted and then to the short as before end ring soldered. Due to the reduced section modulus is the radial bending stiffness of the emerging rotor bars reduced and thus the torsional rigidity of the cage increases what happens in terms of torsional vibrations partially affects.

Erfindungsgemäße Ausführungen ergeben sich ferner aus den Pa tentansprüchen 2, 3 und 5.Designs according to the invention also result from Pa claims 2, 3 and 5.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spieles und der Zeichnung näher erläutert, in der eine End partie eines erfindungsgemäßen Käfigläufers perspektivisch dargestellt ist. The invention is illustrated below with the aid of an embodiment game and the drawing explained in more detail in one end part of a squirrel cage according to the invention in perspective is shown.

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 Blechpaketes angeordneten Kurzschlußringen 5 me chanisch und elektrisch verbunden sind, was insbesondere durch Hartlöten oder Verschweißen erfolgt.On the rotor shaft 2 of a squirrel-cage rotor 1 of an electrical machine, for example an asynchronous machine operated at high speed and power for driving rail vehicles, a rotor core 3 is fastened in the usual manner. The rotor laminated core 3 has axially extending bores or grooves in the region of its outer circumference, into which rotor rods 4 are inserted and secured against the influence of centrifugal force. The rotor rods 4, which are made of electrically good conductive material, protrude beyond the rotor laminated core 3 each because the end faces with their rotor rods 4 ', which are mechanically and electrically connected to the short-circuit rings 5 arranged on both sides of the laminated core, which is done in particular by brazing or welding.

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 Läuferstabenden 4' zwischen dem jeweiligen Endblech des Läu ferblechpaketes 3 und dem Kurzschlußring 5 eine axiale Ver drehung 6 aufweisen.In order to avoid the high material stress due to high speeds and temperature differences in the squirrel-cage rotor 1 in the rotor bars 4 'and in their connection to the short-circuit ring 5 , the radial bending stiffness of the rotor bars 4 ' is reduced in that the rotor bars 4 'between the respective end plate of the Läu ferblechpaket 3 and the short-circuit ring 5 have an axial rotation 6 Ver.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die axiale Verdrehung 6 der Läuferstabenden 4' gleichsinnig ausgebildet. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Läuferstabenden 4' um etwa 90° um die Längsachse 4'' des Läuferstabes verdreht sind. Damit 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.In an advantageous embodiment, the axial rotation 6 of the rotor bars 4 'is designed in the same direction. It is advantageous if the rotor bars 4 'are rotated by approximately 90 ° about the longitudinal axis 4 ''of the rotor bar. This reduces the section modulus of the rotor rods with regard to their ra dialen bending stiffness, which avoids widening and tilting of the short-circuit ring, so that, for example, additional cap rings and / or supports known per se for the short-circuit rings against the rotor shaft can be omitted.

Claims

1. cage rotor ( 1 ) for an electrical machine, with a rotor laminated core ( 3 ) arranged on a rotor shaft ( 2 ), in which rotor rods ( 4 ) are arranged, which end at the rotor rod protruding from the end faces of the rotor laminated core ( 4 ') one short-circuit ring ( 5 ) is electrically and mechanically connected to one another, characterized in that the rotor rods ( 4 ') have an axial rotation ( 6 ) between the respective end plate of the rotor plate stack ( 3 ) and the short-circuit ring ( 5 ).

2. Squirrel-cage rotor according to claim 1, characterized in that the axial rotation ( 6 ) of the rotor rods ( 4 ') is formed in the same direction.

3. squirrel-cage rotor according to claim 1, characterized in that the rotor rods ( 4 ') are rotated up to 90 ° about their longitudinal axis ( 4 '').

4. A method for producing a squirrel cage according to claims 1 to 3, characterized in that after the insertion of the rotor bars ( 4 ) in the rotor laminated core ( 3 ), the rotor bars protruding in the radial position from the rotor laminated core ( 4 'around the rotor rod longitudinal axis ( 4 '') and then fastened against the short-circuit ring ( 5 ).

5. The method according to claim 4, characterized in that the axially from the rotor laminated core ( 3 ) projecting rotor rods ( 4 ') individually or in one operation by up to 90 ° in the same direction of rotation about their longitudinal axes ( 4 '') and are then electrically and mechanically connected to the short-circuit rings ( 5 ) by soldering, welding or the like.