DE19927279A1

DE19927279A1 - Käfigläufer für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE19927279A1
Application number: DE19927279A
Authority: DE
Inventors: Heiko Lange
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2000-03-16
Anticipated expiration: 2019-06-16
Also published as: DE19927279B4

Abstract

Der für eine hohe Torsionsbeanspruchung ausgelegte Käfigläufer (1) besitzt Käfigläuferköpfe, bestehend aus einem Preßverband (5-7) aus Kappen-, Kurzschluß- und Stützring, der mechanisch und elektrisch leitend mit den das Läuferblechpaket (3) stirnseitig überragenden Käfigstabenden (4', 4'') verbunden ist, wobei die Käfigstabenden zwischen dem jeweiligen Endblech des Läuferblechpaketes und dem Kurzschlußring (5) in Umfangs- und/oder radialer Richtung abgekröpft sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Käfigläufer für eine elektrische Maschine, mit einem auf einer Läuferwelle befestigten Läufer blechpaket zur Aufnahme von Käfigstäben, die an den an den Stirnseiten des Läuferblechpaketes überstehenden Käfigstaben den durch je einen Kurzschlußring elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, wobei jeder Kurzschlußring in ra dialer Richtung durch einen Stützring abgestützt und durch einen aufgezogenen Kappenring gegen den Stützring gepreßt ist.

Aus der EP 0 749 198 A2 ist ein derartiger Käfigläufer für schnell laufende Asynchronmaschinen bei Bahnantrieben be kannt. Damit der Käfigkopf des bekannten Käfigläufers über den gesamten Drehzahlbereich der Maschine so an den Rotorkör per gekoppelt ist, daß nur geringe Eigenschwingungen auftreten können, ist vorgesehen, daß der Käfigläufer einen durch Preßringe zusammengehaltenen Blechkörper zur Aufnahme der Käfigstäbe umfaßt, wobei beide Preßringe vom Blechkörper axial distanziert sind und gleichzeitig den Stützring für den Kurzschlußring bilden und wobei zwischen der Stirnfläche des Blechkörpers und dem Stützring Distanzstege vorgesehen sind, die vorzugsweise mit dem Stützring einstückig ausgebildet sind. Ein Käfigläufer dieser Art ist Spannungen ausgesetzt, die durch von der Temperatur und der Fliehkraft bedingte Materialausdehnungen entstehen. Die vorgesehene axiale Fixierung der Stützringe (Schrumpfringe) führt bei der Erwärmung der Käfigstäbe zu großen axialen Stabspannungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für hochtou rig laufende elektrische Maschinen geeigneten Käfigläufer zu schaffen, der insbesondere auch den bei Bahnantrieben erhöh ten Anforderungen entspricht und ohne größeren Aufwand her stellbar ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Käfigläufer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Käfigstab enden zwischen dem jeweiligen Endblech des Läuferblechpaketes und dem Kurzschlußring in Umfangs- und/oder radialer Richtung abgekröpft sind. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Käfigstabenden werden die bei der Erwärmung der Stäbe auftre tenden axialen Stabspannungen durch die axiale Nachgiebigkeit der Stäbe reduziert. Da bei hoher Drehzahl eine Vergrößerung des Kappenringes aus konstruktiven Gründen eine Grenze fin det, kann der gesamte Ringquerschnitt auf Kappenring und Stützring aufgeteilt werden. Beim erfindungsgemäßen Käfigläu fer bilden die Käfigläuferköpfe einen mehrteiligen Preßver band, der in Verbindung mit der Abkröpfung bzw. Schrägung der Käfigstabenden den Beanspruchungen durch Drehzahl- und Tem peraturbelastungen, insbesondere auch durch axiale Tempera turdehnungen, standhalten kann. Dabei besteht der wesentliche Vorteil der Kombination zwischen dem mehrteiligen Preßverband einerseits und der Ausbildung der Käfigstabenden andererseits in der Beseitigung oder wesentlichen Dämpfung der Torsionsschwingungen und der gleichzeitigen Beherrschung der axialen Stabausdehnung.

Erfindungsgemäße Ausführungen ergeben sich ferner aus den Pa tentansprüchen 2 bis 7. Dabei kann durch konstruktionsbe dingte große Kupferquerschnitte und durch Wärmeabgabe von den Käfigläuferköpfen über die Stützringe an die Läuferwelle die Läufertemperatur abgesenkt und damit die zulässige Kupfer spannung erhöht werden. Für den Fall geringerer Torsionsbean spruchung aber sehr hoher Drehzahlbeanspruchung können die insbesondere aus Stahl bestehenden Stützringe einen Verbund mit den Kurzschlußringen und den Kappenringen bilden, wobei die Stützringe jedoch einen radialen Abstand zur Läuferwelle aufweisen. Über diesen freien Ringabstand ist eine wirkungsvolle Belüftung des Läuferblechpaketes möglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 eine erste Ausführung der Erfindung als Längsschnitt eines Endabschnittes eines Käfigläufers, dessen Käfigläufer kopf einen Preßverband aus einem Kappenring, einem Kurz schlußring und einem auf der Läuferwelle sitzenden Stützring bildet, wobei die mit dem Kurzschlußring elektrisch und me chanisch verbundenen Käfigläuferstabenden abgekröpft oder ab geschrägt sind,

Fig. 2 eine Seitenansicht zu Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere Ausführung der Erfindung mit in Umfangs richtung oder tangential abgebogenen Käfigläuferstabenden,

Fig. 4 eine dritte Ausführung der Erfindung mit in radialer Richtung abgekröpften Käfigläuferstabenden sowie mit einem Preßverband aus Kappenring, Kurzschlußring und Stützring.

Auf der Läuferwelle 2 eines Käfigläufers 1 einer elektrischen Maschine, insbesondere einer mit hoher Drehzahl und Leistung betreibbaren Asynchronmaschine zum Antrieb von Schienenfahr zeugen, ist ein Läuferblechpaket 3 in an sich bekannter Weise befestigt. Das Läuferblechpaket 3 weist im Bereich seines Au ßenumfanges axial verlaufende Bohrungen oder Nuten auf, in welche Käfigstäbe 4 eingesetzt und gegen Fliehkrafteinfluß gesichert sind. Die aus elektrisch gut leitendem Material, insbesondere Kupfer, bestehenden Käfigstäbe 4 überragen das Läuferblechpaket 3 jeweils stirnseitig mit ihren Käfigstab enden 4', 4'', die mit beidseitig des Blechpaketes angeordne ten Kurzschlußringen 5, bestehend aus elektrisch gut leiten dem Material, wie Kupfer, mechanisch und elektrisch leitend verbunden sind, was beispielsweise durch Hartlöten oder Ver schweißen erfolgt.

Wegen der auf die Kurzschlußringe 5 wirkenden Fliehkräfte und der thermischen Ausdehnungen werden über die Kurzschlußringe sogenannte Kappenringe 7 aufgezogen. Außerdem sind die Kurzschlußringe 5 auf ihrem Innenumfang durch Stützringe 6, 6' abgestützt. Die Kappenringe und Stützringe bestehen beispielsweise aus Stahl, wobei der auf dem Kurzschlußring aufgeschrumpfte Kappenring diesen gegen den Stützring drückt und einen Preßverband aus Kappen-, Kurzschluß- und Stützring bildet, der im Maschinenbetrieb den Reibschluß zwischen den Ringen garantiert.

Damit die Käfigläuferköpfe den Einwirkungen durch die Dreh zahl, die Temperatur und die Torsionsschwingungen standhalten, zeichnet sich der Käfigläufer nach der Erfindung noch dadurch aus, daß die Käfigstabenden 4', 4'' zwischen dem jeweiligen Endblech des Läuferblechpaketes 3 und dem Kurzschlußring 5 in Umfangs- und/oder radialer Richtung abgekröpft sind. Beim erfindungsgemäßen Käfigläufer kann die Wechselspannungsamplitude durch den mehrteiligen Preßverband deutlich reduziert werden. Der Preßverband kann so ausgelegt werden, daß kein Klaffen auf der Läuferwelle auftritt. Da der Preßverband aber zu großen axialen Stabspannungen führt, sind die Käfigstabenden geköpft bzw. abgeschrägt bzw. gebogen ausgebildet. Der wesentliche Vorteil der Kombination des Preßverbandes mit den abgeschrägten Käfigstabenden liegt sowohl in der Beseitigung der Torsionsschwingungsprobleme als auch in der Beherrschung der axialen Stabausdehnung. Des wei teren kann aufgrund großer Kupferquerschnitte und durch Wär meableitung an die Läuferwelle die zulässige Kupferspannung erhöht werden.

Bei der Ausführung nach den Fig. 1 und 2 ist der Stützring 6 für den Kurzschlußring 5 als auf der Läuferwelle 2 sitzende Nabe ausgebildet und weist zur Läuferkühlung axiale Kühl luftöffnungen 8 auf.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind zur Vermeidung großer axialer Stabspannungen die Käfigstabenden 4' in Umfangsrichtung abgebogen oder abgewinkelt ausgebildet. In weiterer, nicht dargestellter Ausführung können die Käfigstabenden zusätzlich eine axiale Verdrehung aufweisen. Durch das dadurch reduzierte Widerstandsmoment wird die radiale Biegesteifigkeit der Läuferstabenden verkleinert und damit ebenfalls die Torsionssteifigkeit des Käfigläufers erhöht, was sich hinsichtlich der Torsionsschwingungen vor teilhaft auswirkt.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 sind die Käfigstabenden 4'' in radialer Richtung abgebogen oder abgewinkelt ausgebildet. Bei dieser Ausführung ist außerdem der Stützring 6' mit dem Kurzschlußring 5 und dem Kappenring 7 zu einem Preßverband ausgebildet, wobei der Stützring 6' einen radialen Abstand 9 zur Läuferwelle 2 aufweist. Der vorn radialen Abstand 9 gebil dete Ringspalt zwischen dem Stützring 6' und der Läuferwelle 2 dient zur Belüftung des Käfigläufers bzw. des Läuferblech paketes 3. Mit 10 sind Kühlluftkanäle des Läuferblechpaketes 3 bezeichnet.

Beim Preßverband zwischen dem Kappen-, Kurzschluß- und Stütz ring ist es nicht erforderlich, daß die Ringe über ihren ge samten Außen- bzw. Innenumfang gegeneinander abgestützt sind. Gemäß einer nicht dargestellten Ausführung kann der Preßver band zwischen dem Außenumfang des Stützringes und dem Kurz schlußring und/oder dem Innenumfang des Kappenringes und dem Kurzschlußring auf über den Umfang verteilten Abschnitten ausgebildet sein.

Claims

1. Käfigläufer (1) für eine elektrische Maschine, mit einem auf einer Läuferwelle (2) befestigten Läuferblechpaket (3) zur Aufnahme von Käfigstäben (4), die an den an den Stirnsei ten des Läuferblechpaketes überstehenden Käfigstabenden durch je einen Kurzschlußring (5) elektrisch und mechanisch mitein ander verbunden sind, wobei jeder Kurzschlußring in radialer Richtung durch einen Stützring (6) abgestützt und durch einen aufgezogenen Kappenring (7) gegen den Stützring gepreßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Käfigstabenden (4', 4'') zwischen dem jeweiligen Endblech des Läuferblechpaketes (3) und dem Kurzschlußring (5) in Umfangs- und/oder radialer Richtung abgekröpft sind.

2. Käfigläufer nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Käfigstabenden (4') in Umfangsrichtung abgebogen oder abgewinkelt sind.

3. Käfigläufer nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Käfigstabenden (4'') in radialer Richtung abgebogen oder abgewinkelt sind.

4. Käfigläufer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Käfigstabenden eine axiale Verdrehung aufweisen.

5. Käfigläufer nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stützring (6) für den Kurzschlußring (5) als auf der Läuferwelle (2) sitzende Nabe ausgebildet ist und axiale Kühlluftöffnungen (8) aufweist.

6. Käfigläufer nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stützring (6') mit dem Kurzschlußring (5) und dem Kappenring (7) einen Preßverband bildet, wobei der Stützring (6') einen radialen Abstand (9) zur Läuferwelle (2) aufweist.

7. Käfigläufer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßverband zwischen dem Außenumfang des Stützringes und dem Kurzschlußring und/oder dem Innenumfang des Kappenringes und dem Kurzschlußring auf über den Umfang verteilten Abschnitten ausgebildet ist.