DE19927279B4

DE19927279B4 - Käfigläufer für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE19927279B4
Application number: DE19927279A
Authority: DE
Inventors: Heiko Dr.-Ing. Lange
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2019-06-16
Also published as: DE19927279A1

Abstract

Käfigläufer (1) für eine elektrische Maschine eines Schienenfahrzeuges, mit einem auf einer Läuferwelle (2) befestigten Läuferblechpaket (3) zur Aufnahme von Käfigstäben (4), die an den an den mit mindestens einem Endblech aufweisenden Stirnseiten des Läuferblechpaketes (3) überstehenden Käfigstabenden (4', 4'') durch je einen Kurzschlußring (5) elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, wobei jeder Kurzschlußring (5) in radialer Richtung durch einen Stützring (6, 6') abgestützt und durch einen aufgezogenen Kappenring (7) gegen den Stützring (6, 6'') 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 s-förmig abgekröpft sind, so dass die Achsmittellinie des jeweiligen an den Kurzschlussring (5) grenzenden Teils des Käfigstabsendes (4', 4'') parallel zur Achsmittellinie des jeweiligen Käfigstabes (4) verläuft, wobei der mit dem Kurzschlussring (5) und dem Kappenring (7) einen Pressverband bildende Stützring (6') einen radialen Abstand (9) zur Belüftung des...

Description

Die Erfindung betrifft einen Käfigläufer für eine elektrische Maschine, mit einem auf einer Läuferwelle befestigten Läuferblechpaket zur Aufnahme von Käfigstäben, die an den an den mindestens ein Endblech aufweisenden Stirnseiten des Läuferblechpaketes überstehenden Käfigstabenden durch je einen Kurzschlußring elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, wobei jeder Kurzschlußring in radialer 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 bekannt. Damit der Käfigkopf des bekannten Käfigläufers über den gesamten Drehzahlbereich der Maschine so an den Rotorkörper 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.

Das Problem der Fliehkräfte ist bereits aus der DE 545 170 bekannt. Dort ist ein Käfiganker für schnellaufende Wechselstrommaschinen bekannt, dessen Kurzschlußring einen kleineren inneren Durchmesser hat als der durch die Wicklungsstäbe gebildete Käfig. Der Kurzschußring ist mit den Wicklungsstäben durch radial nachgiebige Zwischenstücke verbunden. Mittels eines Kappenringes ist der Kurzschlußring gegen die Wirkung der Fliehkräfte entlastet.

Aus der DE 42 33 474 C2 ist eine weitere Käfigwicklung für eine elektrische Induktionsmaschine bekannt. Damit die Käfigwicklung so ausgestaltet ist, dass deren Drehschwingungssteifigkeit erheblich erhöht ist, weisen stirnseitig axial überstehende Käfigstäbe eine Unterteilung derart auf, dass getrennte radial übereinanderliegende Stabenden gebildet sind und die jeweils zu einer Nut gehörenden Stabenden tangential gegensinnig abgekröpft sind. Wie aus der dazugehörigen 2 ersichtlich ist, wird in der DE 42 33 474 C2 unter abkröpfen eine Abbiegung verstanden, bei welcher die Achsmittellinie nur einfach abgelenkt ist. Dies steht im Gegensatz zur Definition des "kröpfens" im "Brockhaus der Naturwissenschaften und der Technik". Auch durch eine derartige Versteifung durch eine Abbiegung sind große axiale Stabspannungen nicht vermeidbar.

Aus dem "Brockhaus der Naturwissenschaften und der Technik" (Wiesbaden 1972, Seite 437 und 572) sind die in der folgenden Beschreibung verwendeten Begriffe "Nabe" und "kröpfen" definiert. Der Begriff "Nabe" definiert den Teil eines Rades, mit dem es auf der Welle oder auf einem Zapfen sitzt. Unter dem Begriff "kröpfen" ist ein Abbiegen einer Achse zu verstehen, wobei das Abbiegen derart erfolgt, dass die Achsenmittellinie des umgeschmiedeten Teils parallel oder in der gleichen Richtung verläuft, wie die ursprüngliche Achsmittellinie. Eine derartige Kröpfung ist unterschiedlich in ihrer Ausführung und Wirkung zu einer aus der DE 42 33 474 C2 offenbarten Abbiegung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für hochtourig laufende elektrische Maschinen geeigneten Käfigläufer zu schaffen, der den bei Bahnantrieben erhöhten Anforderungen entspricht und ohne größeren Aufwand herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Käfigläufer für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Käfigstabenden werden die bei der Erwärmung der Stäbe auftretenden axialen Stabspannungen durch die axiale Nachgiebigkeit der Stäbe reduziert. Da bei hoher Drehzahl eine Vergrößerung des Kappenringes aus konstruktiven Gründen eine Grenze findet, kann der gesamte Ringquerschnitt auf Kappenring und Stützring aufgeteilt werden. Beim erfindungsgemäßen Käfigläufer bilden die Käfigläuferköpfe einen mehrteiligen Preßverband, der in Verbindung mit der s-förmigen Abkröpfung der Käfigstabenden den Beanspruchungen durch Drehzahl- und Temperaturbelastungen, insbesondere auch durch axiale Temperaturdehnungen, 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 Patentansprüchen 2 oder 3.

Durch konstruktionsbedingte große Kupferquerschnitte und durch Wärmeabgabe von den Käfigläuferköpfen über die Stützringe an die Läuferwelle kann die Läufertemperatur abgesenkt und damit die zulässige Kupferspannung erhöht werden. Für den Fall geringerer Torsionsbeanspruchung 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 zeigen:
Die Figur zeigt eine Ausführung der Erfindung mit in radialer Richtung s-förmig 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 Schienenfahrzeugen, ist ein Läuferblechpaket 3 in an sich bekannter Weise befestigt. Das Läuferblechpaket 3 weist im Bereich seines Außenumfanges 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 Käfigstabenden 4', 4'', die mit beidseitig des Blechpaketes angeordneten Kurzschlußringen 5, bestehend aus elektrisch gut leitendem Material, wie Kupfer, mechanisch und elektrisch leitend verbunden sind, was beispielsweise durch Hartlöten oder Verschweißen erfolgt.
Wegen der auf die Kurzschlußringe 5 wirkenden Fliehkräfte und der thermischen Ausdehungen 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 Drehzahl, die Temperatur und die Torsionsschwingungen standhal ten, 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 s-förmig 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 s-förmig gekröpft 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 weiteren kann aufgrund großer Kupferquerschnitte und durch Wärmeableitung an die Läuferwelle die zulässige Kupferspannung erhöht werden.
Bei dieser Ausführung gemäß der Figur 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 vom radialen Abstand 9 gebildete Ringspalt zwischen dem Stützring 6' und der Läuferwelle 2 dient zur Belüftung des Käfigläufers bzw. des Läuferblechpaketes 3. Mit 10 sind Kühlluftkanäle des Läuferblechpaketes 3 bezeichnet.
Beim Preßverband zwischen dem Kappen- 7, Kurzschluß- 5 und Stützring 6' ist es nicht erforderlich, daß die Ringe über ihren gesamten Außen- bzw. Innenumfang gegeneinander abgestützt sind. Gemäß einer nicht dargestellten Ausführung kann der Preßverband zwischen dem Außenumfang des Stützringes 6' und dem Kurzschlußring 5 und/oder dem Innenumfang des Kappenringes 7 und dem Kurzschlußring 5 auf über den Umfang verteilten Abschnitten ausgebildet sein.

Claims

Käfigläufer (1) für eine elektrische Maschine eines Schienenfahrzeuges, mit einem auf einer Läuferwelle (2) befestigten Läuferblechpaket (3) zur Aufnahme von Käfigstäben (4), die an den an den mit mindestens einem Endblech aufweisenden Stirnseiten des Läuferblechpaketes (3) überstehenden Käfigstabenden (4', 4'') durch je einen Kurzschlußring (5) elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, wobei jeder Kurzschlußring (5) in radialer Richtung durch einen Stützring (6, 6') abgestützt und durch einen aufgezogenen Kappenring (7) gegen den Stützring (6, 6'') 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 s-förmig abgekröpft sind, so dass die Achsmittellinie des jeweiligen an den Kurzschlussring (5) grenzenden Teils des Käfigstabsendes (4', 4'') parallel zur Achsmittellinie des jeweiligen Käfigstabes (4) verläuft, wobei der mit dem Kurzschlussring (5) und dem Kappenring (7) einen Pressverband bildende Stützring (6') einen radialen Abstand (9) zur Belüftung des Läuferblechpakets (3) zur Läuferwelle (2) aufweist.
Käfigläufer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigstabenden (4', 4'') eine axiale Verdrehung aufweisen.
Käfigläufer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressverband zwischen dem Stützring (6, 6') und dem Kurzschlussring (5) und/oder dem Kappenring (7) und dem Kurzschlussring (5) auf über den Umfang verteilten Abschnitten ausgebildet ist.