DE2312334A1 - Geschlossener asynchron-elektromotor - Google Patents

Geschlossener asynchron-elektromotor

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DE2312334A1
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Germany
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cage
heat
electric motor
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armature
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Pending
Application number
DE2312334A
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English (en)
Inventor
Heinrich Gruenbaum
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INDUR ANTRIEBSTECHNIK AG
Original Assignee
INDUR ANTRIEBSTECHNIK AG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K17/00Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
    • H02K17/02Asynchronous induction motors
    • H02K17/16Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/223Heat bridges

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Frames (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Description

  • Geschlossener Asynchron-Elektromotor Die Erfindung betrifft einen geschlossenen Asynchron-Elektromotor mit Käfiganker, insbesondere für Schlupfbetrieb.
  • 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.
  • 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-.
  • lich zum Gehäuse und seinen Kühlrippen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auch ist am letzteren die Doppelklemme 16 montiert, zu der die beiden Anschlussdrähte des Stators 12 herangeführt sind.
  • Schliesslich weist das Lagerschild 8 swei ringförmige Aussparungen 17 und 18 auf, in welchen zwei Ringe 19 und 20 umlaufen können.
  • Sie sind Teile eines Wärmeleitkörpers 21 aus Aluminium, dessen Nabe ringsum mit dem Kurzschlussring 7 über die Naht 22 verschweisst ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Für eine serienmässige Fertigung des Erfindungsgegenstandes empfiehlt sich dagegen die Herstellung des Wärmeleitkörpers 21 zusammen mit dem Käfig des Ankers 6 im gleichen Spritzgussprozess.
  • 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.
  • 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.
  • Letztere Massnahme ist für den Erfindungsgegenstand von Vorteil.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Geschlossener Asynchron-Elektromotor mit Käfiganker, insbesondere für Schlupfbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens an einer der beiden Stirnseiten des Ankers (6) dessen Käfig in einer innigen, den unbehinderten Wärmedurchgang gewährenden Verbindung mit einem Wärmeleitkörper (21) steht, welcher über mindestens einen zur Motorwelle (5) koaxialen, in eine ringförmige Aussparung (17, 18) des Lagerschildes (8) hineinragenden Ring (19, 20) die Käfigwärme auf dieses Lagerschild und dessen Rippen (9) überträgt.
    2-. Elektromotor nach Patentanspruch, dadurch-getennzeichnet, dass der aus Aluminium gefertigte Wärmeleitkörper (21) mit dem Aluminium-Kurzschlussring (7) des Ankerkäfigs verschweisst ist.
    3. Elektromotor nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkörper (21) zusammen mit dem Ankerkäfig im gleichen Spritzgussprozess hergestellt ist und die Funktion des Kurzschlussringes (7) mitübernimmt Leerseite
DE2312334A 1973-03-09 1973-03-13 Geschlossener asynchron-elektromotor Pending DE2312334A1 (de)

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