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Geschlossener Asynchron-Elektromotor Die Erfindung betrifft einen
geschlossenen Asynchron-Elektromotor mit Käfiganker, insbesondere für Schlupfbetrieb.
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Bei solchen Motoren steht das Problem der Wärmeentwicklung und deren
Beherrschung im Vordergrund. Je grösser der Schlupf ist, mit dem der Motor betrieben
wird, umso mehr Wärme entsteht im Anker, dessen Käfig für einen derartigen Betrieb
einen erhöhten ohmschen Widerstand haben muss. Der Nennschlupf eines normal betriebenen
Asynchronmotors hat die Grössenordnung von 3% bis 8% und nur während des Anlassvorganges
ist ein Bereich von 100% abwärts bis zum Nennschlupf zu durchfahren. Wird dagegen
die Motordrehzahl bei gleichbleibender Statorfrequenz geregelt, dann handelt es
sich um einen Dauerbetrieb innerhalb dieses Bereiches, bei welchem die Ankerwärme
ein Vielfaches der Statorwärme beträgt.
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Bei offenen Motoren der Schutzart P 21 und P 22 ist es bekannt, den
Käfig des Ankers so auszubilden, dass er ein Höchstmass seiner Wärme an die das
Motorinnere durchströmende Kühlluft abgibt, beispielsweise über ventilatorähnliche
Flügel. Bei geschlossenen Motoren z.B. der Schutzart P 33 begnügt man sich dagegen
mit einem mangelhaften Wärmeleitweg: vom Käfig zum lamellierten Ankereisen, danach
über den Luftspalt zum lamellierten Statoreisen und schliess-.
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lich zum Gehäuse und seinen Kühlrippen.
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Erstens ist die Wärmeleitzahl des Eisens nur etwa ein Viertel derjenigen
des Aluminiums, zweitens ist der aktive Querschnitt infolge der Lamellen-Nuten stark
reduziert und drittens ist das Statoreisen thermisch vorbelastet, bzw. vorgeheizt,
weil es zusätzlich die in der Statorwicklung entstehende Wärme abzuführen hat.
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Die Folgen dieses unzureichenden Leitweges sind: ein Wärmestau im
Innern
des Motors, ein hohes Temperaturgefälle mit der Gefahr des Streifens zwischen Anker
und Stator, die einen grösseren Luftspalt gebietet und damit den Leitweg weiterhin
verschlechtert und schliesslich eine beträchtliche Aufheizung der Statorwicklung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Statoreisen thermisch
zu entlasten und die Ankerwärme auf einem anderen Wege wirksamer abzuSühren. -Diese
Aufgabe wird -erfindungsmässig dadurch gelöst, dass mindestens an einer der beiden
Stirnseiten des Ankers-dessen Käfig in einer innigen, den unbehinderten Wärmedurchgang
gewährenden Verbindung mit einem Wärmeleitkörper steht, welcher über mindestens
einen zur Motorwelle koaxialen, in eine ringförmige Aussparung-des Lagerschildes
hineinragenden Ring die Käfigwärme auf dieses Lagerschild und dessen Kühlrippen
überträgt.
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Um handelsübliche Ankerausführungen mit einem-aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung im Spritzgussverfahren hergestellten Käfig verwenden zu können,
wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der aus Aluminium gefertigte Wärmeleitkörper
mit dem Kurzschlussring des Käfigs verschweisst.
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Für eine serienmässige Fertigung sieht eine zweite Variante der Erfindung
die Herstellung des Wärmeleitkörpers zusammen mit dem Käfig des Ankers im gleichen
Spritzgussprozess vor, wobei dann der Wärmeleitkörper die Funktion des Kurzschlussringes
mit über nimmt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass dank der intensivierten Wärmeabfuhr die gegebene Motorgrösse eine höhere Leistung
hergeben kann und dass die Statorwicklung keiner übermässigen thermischen Belastung
mehr ausgesetzt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 Die Ansicht des Elektromotors,
zur Hälfte im Längsschnitt.
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Fig. 2 Die Seitensicht mit Blick auf das Lagerschild Der Motor
ist
mit Anbauflansch nach Bauform B5 dargestellt, was aber für den Erfindungsgegenstand
belanglos ist.
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Im Gehäuse 1, versehen mit Kühlrippen 2, befindet sich der Stator
3 in Fom eines lamellierten Eisenblech-Paketes, in dessen Nuten die ein- oder mehrphasige
Wicklung 4 eingelegt ist.
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Aufgepresst auf die Motorwelle 5 ist der Anker 6, ebenfalls als lamelliertes
-Eisenblech-Paket mit Nuten, in denen sich im Spritzgussverfahren eingebrachtes
Aluminium in Stabform befindet. Alle diese Stäbe sind an beiden Stirnseiten durch
je einen Ring 7 miteinander verbunden, der sinngemäss als Kurzschlussring bezeichnet
wird. Stäbe und die beiden Kurzschlussringe bilden den sogenannten Käfig, in welchem
die vom Stator 3 her induzierten Wechselströme zirkulieren und Wärme erzeugen. Rechts
und~links am Gehäuse 1 sind Lagerschilder angebracht, von denen nur das linke Lagerschild
8 mit seinen zahlreichen Rippen 9 im Schnitt dargestellt ist. Es ist mittels vier
Schrauben 10 am Gehäuse 1 befestigt und besitzt eine Zentralbohrung zur Aufnahme
eines Kugellagers 11 für die Motorwelle 5 sowie des Stators 12 eines Tacho-Signalgebers.
Der Rotor 13 des letztern sitzt auf einem Stummel der Welle 5. Ein solcher Signalgeber
für den Drehzahl-Istwert wird stets benötigt, wenn die Geschwindigkeit eines Asynchronmotors
im Schlupfbetrieb geregelt werden soll. Abgeschlossen ist die Zentralbohrung durch
den Deckel 14, der mittels vier Schrauben 15 am Lagerschild 8 befestigt wird.
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Auch ist am letzteren die Doppelklemme 16 montiert, zu der die beiden
Anschlussdrähte des Stators 12 herangeführt sind.
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Schliesslich weist das Lagerschild 8 swei ringförmige Aussparungen
17 und 18 auf, in welchen zwei Ringe 19 und 20 umlaufen können.
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Sie sind Teile eines Wärmeleitkörpers 21 aus Aluminium, dessen Nabe
ringsum mit dem Kurzschlussring 7 über die Naht 22 verschweisst ist.
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Da diese Schweissnaht ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung besteht,
bildet sich kein nennenswertes Hindernis für die Ableitung der Wärme aus dem Käfig
des Ankers 6 zu den Ringen 19 und 20. Der genaue zentrische Lauf des Wärmeleitkdrpers
21 ist durch den Sitz seiner Nabe auf der Welle 5 gewährleistet. Damit lässt sich
der Luftspalt zwischen den Ringen und den Oberflächen der entsprechenden
Aussparungen
im Lagerschild 8 extrem dünn halten.
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Andererseits ist der 4uerschnitt. des Gesamtluftspaltes durch das
tiefe Hineinragen der Ringe in die Aussparungen extrem gross. Diese beiden Masse
des Lu£tspalten machen ihn zu zea einem guten Wärmeleiter, sodass kein grosses Temperatur-Gefälle
zwischen dem Wärmeleitkörper 21 und dem Lagerschild 8 entstehen kann und die Käfigwärme
auf die wirksamste Art den Kühlrippen 9 zugeführt wird.
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In Fig. 1 sind zwei zylinderförmige Aussparungen 17, 18 und zwei gleichartige
Ringe 19, 20 dargestellt, weil die zylindrische Form für die Einhaltung eines extrem
dunnen Luftspaltes am geeignetsten ist. Konisch verlaufende Formen, die vom Standpunkte
der Herstellung gegebenenfalls vorzuziehen wären, sind auch zulässig, hätten aber
den Nachteil eines grösseren Luftspaltes mit Rücksicht auf das nicht ganz zu vermeidende
Axialspiel der Motorwelle 5 Denkbar wäre es auch, die Ringe 19, 20 mit Aussparungen
irgendwelcher Art zu versehen, um die Molekularbewegung der Luft im Spalt zu vergrössern.
Beispielsweise konnte man diese Ringe in Segmente aufteilen. Zwar bedeutet jede
Aussparung eine Verminderung des Spaltquerschnittes, doch setzt sie andererseits
auch das Schwungmoment des Wärmeleitkörpers herab, was immer wünschenswert ist.
Von diesem Standpunkt aus wäre z.B. ein einziger Ring besser als zwei oder drei,
nicht aber aus dem Gesichtswinkel der wirksamsten Wärmeübertragung. Hier steht dem
Konstrukteur ein weites Feld offen, um die drei Hauptanliegen, nämlich eine rationelle
Fertigung, ein kleines Schwungmoment des Wärmeleitkörpers, vereint mit seinem zentrischen
und vibrationsfreien Lauf, sowie eine gute Wärmeübertragung optimal zum Einklang
zu bringen.
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Die in Fig. 1 gezeigte und vorstehend beschriebene Verbindung des
Wärmeleitkörpers 21 mit dem Kuzzschlussring 7 über eine keilförmige Schweissnaht
22 ist angezeigt, wenn man handelsübliche Ankerausführungen mit einem Spritzgusskäfig
aus Aluminium verwenden möchte.
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Denkbar wäre hier auch eine flächenhafte Anpressung der zu verbindenden
Teile, die es gestatten würde, auch an der anderen Stirnseite des Ankers 6 einen
Wärmeleitkörper anzubringen. Allerdings ist der Wärmeübergang dabei schlechter als
bei einer Schweissverbindung.
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Für eine serienmässige Fertigung des Erfindungsgegenstandes empfiehlt
sich dagegen die Herstellung des Wärmeleitkörpers 21 zusammen mit dem Käfig des
Ankers 6 im gleichen Spritzgussprozess.
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Hier, wie auch bei der beschriebenen Schweissverbindung, kann der
Wärmeleitkörper nur an einer Stirnseite des Ankers angebracht werden. Bei dieser
Herstellungsart übernimmt der Wärmeleitkörper auch die Funktion des Kurzschlussringes
7.
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Eingangs wurde schon darauf hingewiesen, dass für einen Schlupfbetrieb
des Asynchronmotors sein Käfiganker einen erhöhten ohmschen Widerstand aufweisen
muss. Der Grund hierfür ist die Beeinflussung seiner Drehmomentenkennlinie, von
der ein stetiger, sattelfreier Verlauf gefordert wird. Durch die Widerstandserhöhung
im Anker verlagert sich das Kippmoment in die Nähe des Stillstandes. Dieser Effekt
kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden, so z.B. durch Nuten, die zur Peripherie
hin spitz zulaufen (Stromverdrægung) durch eine Aluminiumlegierung verminderter
Leitfähigkeit oder durch Querschnittsverminderung der Kurzschlussringe.
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Letztere Massnahme ist für den Erfindungsgegenstand von Vorteil.
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Vermindert man den Querschnitt des dem Wärmeleitkörpers 21 gegenüberliegenden
Kurzschlussringes, so entsteht zwar im letzteren der Hauptanteil der Wärme, doch
fliesst dieselbe durch die Käfigstäbe hoher Wärmeleitfähigkeit ohne Temperaturgefälle
auf die andere Stirnseite des Ankers 6 zum Wärmeleitkörper 21 ab.
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Der gesamte bisher geschilderte Wärmeleitweg bewirkt, dass zwischen
dem Käfiganker 6 und dem Lager schild 8 nur ein geringes Temperaturgefälle besteht
und der Wärmestau im Motorinnern vermieden wird.
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Aufgabe der Rippen 9 ist es nun, die Wärme an die sie umgebende Luft
abzugeben, teils durch Konvektion, teils durch Strahlung. Eine intensivierte Luftbewegung
trägt viel dazu bei und es spricht nichts dagegen, zu diesem Zwecke einen Ventilator
vorzusehen, der entweder getrennt aufgestellt oder auf der Rückseite des Lagerschildes
8 montiert werden kann, wobei ein über die Rippen 9 gezogenes Rohr dem Luftstrom
die Richtung weist.
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Im Stator 3 entsteht dagegen nur wenig Wärme, weil er jetzt thermisch
stark entlastet ist. Die Rippen 2 des Gehäuses 1 sind auch ohne Ventilatorhilfe
in der Lage, diese-Wärme abzuführen.