DE2537706B2

DE2537706B2 - Asynchronmaschine groBer Leistung

Info

Publication number: DE2537706B2
Application number: DE2537706A
Authority: DE
Inventors: Kristian Dahl Dipl.-Ing. Vaesteraas Madsen (Schweden)
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1974-09-06
Filing date: 1975-08-23
Publication date: 1979-08-02
Also published as: SE385423B; DE2537706A1; SE7411270L; CH587582A5; CA1034180A; GB1516218A; FR2284212A1; US3996486A; FR2284212B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Asynchronmaschine großer Leistung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine solche Asynchronmaschine großer Leistung ist aus der US-PS 24 62 451 bekannt

Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine Maschinenkonstruktion, die dann besonders zweckmäßig ist, wenn die Stromdichte in der Wicklung und das Produkt aus dem Läuferdurchmesser und der Drehzahl besonders groß sind. Durch Rechnung kann nachgewiesen werden, daß ein zum Rotor gehörender Ring, beispielsweise der Kurzschlußring einer Käfigwicklung oder die Wicklungskappe bei einem Turbogenerator, bei hoher Drehzahl dasjenige Bauteil sein kann, welches den maximal zulässigen Rotordurchmesser nach oben bestimmt. Bei einem Motor mit Käfigwicklung kann beispielsweise der Anlaufstrom zu einer solchen Wärmeentwicklung in den Kurzschlußringen führen, daß deren Festigkeit vermindert wird, wodurch Verformungen und LInwuchten entstehen, wenn der Motor volle Drehzahl erreicht und die Zentrifugalkräfte sehr groß sind.

Bei zweipoligen Turbogeneratoren mit einer Drehzahl von ca. 3000 Umdrehungen in der Minute und einer Leistung in der Größenordnung von 1000 MVA muß der Rotordurchmesser wegen der an den Wicklungskappen auftretenden Festigkeitsprobleme häufig kleiner gewählt werden als es aus anderen Gesichtspunkten notwendig und wünschenswert ist. Berechnungen haben ergeben, daß infolge der eigenen Masse der Wicklungskappe in diesen bei zunehmendem Durchmesser so hohe Tangentialspannungen erzeugt werden, daß die Fähigkeit der Wicklungskappe, zusätzlich Zentrifugalkräfte der Läuferspulenenden aufzunehmen, zu Null wird, wenn der Rotordurchmesser 1500 mm übersteigt.

Es ist denkbar, diese durch die Wicklungskappen bedingte Begrenzung des Durchmessers eines Turbogenerators dadurch zu beseitigen, daß man statt eines Synchrongenerators einen Asynchrongenerator mit Käfigwicklung verwendet. Dies setzt voraus, daß die Kurzschlußringe der Käfigwicklung gegenüber Zentrifugalkräften weniger empfindlich sind als die erwähnten Wicklungskappen.

Wenn man bei einer Leistung in der Größenordnung von 1000 MVA einen Asynchrongenerator anstelle eines Synchrongenerators verwenden will, so ist zusätzlich eine große regelbare Kondensatorbatterie notwendig, abgesehen von weiteren großen Komplikationen. Diese Nachteile können jedoch durch Vorteile in anderer Hinsicht ausgeglichen werden. Außer angemessenen Verhältnissen von Länge zum Durchmesser erhält man eine hinsichtlich den Herstellungskosten und der Betriebssicherheit außerordentlich überlegene Läuferkonstruktion.

Bei der aus der US-PS 24 62 451 bekannten Asynchronmaschine ist der Läuferballen in axialer Richtung größer als das Ständerblechpaket ist. Die ringförmigen Wicklungsteile befinden sich in den Teilen des Läuferballens, die in axialer Richtung außerhalb des Ständerblechpaketes liegen. Zur Aufnahme dieser ringförmigen Wicklungsteile sind ringförmige Nuten im Läuferballen vorgesehen.

Aus der US-PS 24 21 860 ist ein Läufer für eine Asynchronmaschine bekannt, bei der der ringförmige Läuferballen ebenfalls an seinen beiden Enden ringförmige Nuten zur Aufnahme der ringförmigen Wicklungsteile hat Diese bestehen aus halbkreisförmigen Ringen, die in die Ringnuten eingelegt werden. Sie werden dann in axialer Richtung der Läuferstabnuten mit Nuten versehen, welche den axialen Nuten angepaßt sind. Diese Ausschnitte in den Ringen reichen radial jedoch nicht bis zum innersten Teil der Ringe. Danach werden die Leiterstäbe in die Nuten und in die Ausfräsungen in den Ringen eingelegt und das gesamte System wird verschweißt Die Herstellung eines solchen Läufers ist äußerst aufwendig, und seine Widerstandskraft gegen Zentrifugalkräfte beruht allein auf der Verschweißung mit den Läuferstäben. Eine formschlüssige Verklammerung mit dem Material des Läuferballens ist nicht vorhanden.

Aus der US-PS 34 01 280 ist eine Asynchronmaschine bekannt, deren Läufernuten im radial inneren Bereich nach innen konvergierende Wände haben und im radial äußeren Bereich nach außen konvergierende Wände. Dabei handelt es sich um geschlossene Nuten. Die Nuten werden durch Stanzen und Schichten von Dynamoblechen hergestellt. In die geschlossene Nut kann dann ein Leiterstab eingeschoben werden. Halbgeschlossene Nuten mit nach außen konvergierenden Nutwänden sind auch aus der DE-AS 12 69 714 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Asynchronmaschine großer Leistung der einga^s genannten Art einen Rotor zu entwickeln, dessen Herstellung relativ einfach ist und der sehr hohe Zentrifugalkräfte aufzunehmen vermag.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Durch die Erfindung wird ein Rotor geschaffen, bei dem die ringförmigen Wicklungsteile in denselben axialen Nuten untergebracht und verankert sind wie die axialen Leiterstäbe. Die einzelnen ringförmigen Wicklungsteile können mit den einzelnen Leiterstäben sogar aus einheitlichen Stücken bestehen. Dank dieser Verankerung der ringförmigen Wicklungsteile und ihrer geringen radialen Ausdehnung nach außen erhält man eine Rotorwicklung, bei der der ringförmige Teil der Wicklung sehr hohe Zentrifugalkräfte aufnehmen kann. Die Herstellung dieses ringförmigen Wicklungsteils ist ohne Schwierigkeiten mit sehr hoher Formschlüssigkeit auf dem Rotorkern möglich. Die bei bekannten Rotorwicklungen erforderlichen Maßnahmen zur elektrischen Verbindung zwischen den Stäben und dem ringförmigen Wicklungsteil entfallen bei dem Rotor nach der Erfindung vollständig.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. I eine vorzugsweise als Turbogenerator bestimmte Asynchronmaschine gemäß der Erfindung, im wesentlichen im Axialschnitt,

F i g. 2 einen Ausschnitt aus einem Querschnitt längs der Linie H-II in Fi g. 1,

Fig. 3 und 4 alternative Ausführungsformen in der Darstellungsweise nach F i g. 2,

F i g. 5 einen Teil der Läuferfläche eines Läufers gemäß F i g. 2 oder 3 von der Seite gesehen,

F i κ. 6 den aus dem Ständerblechpaket herausragenden Teil des Läufers einer Asynchronmaschine gemäß der Erfindung.

In den Figuren bezeichnet 1 das lameliierte Ständerblechpaket einer Asynchronmaschine gemäß der Erficdung. Das Ständerblechpaket 1 hat eine axiale Länge L_sm und trägt eine mehrphasige Ständerwicklung 2. Das Ständerblechpaket 1 umgibt den mittleren Abschnitt eines genuteten Läuferkerns 3, der aus massivem Stahl besteht. Der aktive Läuferkern hat die

ίο axiale Länge L_mt. Mit 4 (Fig.2) ist der magnetische Luftspalt bezeichnet, in den ein Teil des Kupfers der Läuferwicklung hineinragt. Die dem Luftspalt zugewandte Oberfläche des Läufers ist mit 10 bezeichnet. Die Läuferwicklung 5 ist als Käfigwicklung ausgebildet und besteht aus mehreren Leitermetallstäben 6, die in den Läufernuten zwischen den Rotorzähnen 7 befestigt sind, weil jede Rotornut radial nach außen konvergierende Nutenwände hat Jedes Ende des Läuferkerns ist mit mehreren ringförmigen Nuten 15 versehen, die axial außerhalb des Ständerblechpaketes liegen. Jede ringförmige Nut liegt in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse 16 (F i g. 6). Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform bestehen die Leitermetallstäbe 6 aus U-Profilstäben aus Kupfer, wobei jeder Stab zwei Vorsprünge 9, die jeweils in einer Axialebene liegen, und ein verbindendes, radial außerhalb des Läuferzahnes 7, d. h. radial außerhalb der Oberfläche 10 des Läufers liegendes Zwischenstück 14 aufweist. Auf dieses Zwischenstück entfällt mindestens 20% des Profilstab-

jo querschnittes. Nach durchgeführten Berechnungen soll die Differenz

Vi stets größer als der Radius des Läufers sein.

" Jeder in den Läufernuten angeordnete U-Profilstab steht in elektrischem Kontakt mit seinen beiden benachbarten Stäben, zumindest am größten Teil des axial außerhalb des Ständerbiechpaketes liegenden Abschnitte. Jeweils zwei unmittelbar benachbarte U-Profilstäbe liegen mit ihrem jeweiligen Vorsprung in ein und derselben Nut, die dadurch ganz ausgefüllt ist. Auf der Strecke L_sm dienen die als U-Profilstäbe ausgeführten Leitermetallstäbe 6 als aktive Läuferleiter, während die axial außerhalb eines Endes des Ständerblechpaketes 1 liegenden U-Profilstababschnitte gemeinsam einen aus Segmenten zusammengesetzten ringförmigen Wicklungsteil bilden, der einen völlig ausreichenden Kurzschluß zwischen den als aktive Läuferteile dienenden Stababschnitte bildet. Infolge der oben erwähnten konvergierenden Nutenwandabschnitte bewirkt die auf einen solchen Ringsektor wirkende Zentrifugalkraft einen zunehmenden Xontaktdruck zwischen zwei in derselben Läufernut liegenden Vorsprüngen. Um einen guten Kontakt zwischen den in den ringförmigen Wicklungsteil eingehenden Segmenten sicherzustellen, kann man diese auch zusammenschweißen, was am besten mittels Elektronenstrahlschweißung geschieht.

bo Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform werden die axialen Leiter der Käfigwicklung und der Kurzschlußteil aus Leitermetallstäben 8 gebildet, die zumindest an einem überwiegenden Teil der axial außerhalb des Ständerbiechpaketes liegenden Wicks' lungsabschnitte mittels Elektronensirahlschweißung zusammengeschweißt sind.

Bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform werden zwei verschiedene Arten von Leitermetallstäben 11 und

12 verwendet, die sich mit unverändertem Querschnitt über die ganze Läuferlänge erstrecken. Häufig ist es erforderlich, mehrere relativ kurze Stabeinheiten 13 zusammenzusetzen. Wie F i g. 5 zeigt, können diese zweckmäßigerweise mit 'Λ ihrer Länge gegeneinander versetzt sein. Jede Stabeinheit muß außerdem an den auf beiden Seiten in Umfangsrichtung benachbarten Stabeinheiten festgeschweißt werden.

Aufgrund gewisser magnetischer Schwankungen in der Nähe der Ständerzähne kann es sich oft als

notwendig erweisen, zwischen diesen und dem Leiter des Läufers einen größeren Abstand einzuhalten als es sonst erforderlich wäre. Aus diesem Grunde haben die Leitermetallstäbe 6 vorzugsweise eine kleinere radiale Abmessung am Luftspalt als axial außerhalb des Ständerblechpaketes.

Die in den Figuren gezeigten Konstruktionen sind besonders für zweipolige Turbogeneratoren mit einer Leistung über 300 MVA und einer Drehzahl von ca. 3000 Umdrehungen in der Minute geeignet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Asynchronmaschine großer Leistung mit einem Ständer, der aus einem eine mehrphasige Ständerwicklung aufnehmenden Ständerblechpaket besteht, und mit einem Läufer, der einen mit am Läuferurnfang gleichmäßig beabstandeten Nuten versehenen massiven Läuferkern und eine Käfigwicklung enthält, deren Wicklungsstäbe formmäßig an die Wände der Nut angepaßt und an jedem Läuferende mittels elektrisch leitend miteinander verbundener, ringförmiger Wicklungsteile kurzgeschlossen sind, die ihrerseits im wesentlichen axial innerhalb des Endes des Läuferkernes und axial außerhalb des is Ständerblechpaketes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Wiciclungsteile aus einer Vielzahl in Umfangsrichturig benachbart angeordneter, aus elektrisch leitendem Material bestehender Segmente bestehen, von denen zumindest einige mit radialen Vorsprüngen (9) versehen sind, die jeweils die im Bereich der Segmente verlaufenden und radial nach außen konvergierende Abschnitte aufweisenden Nute^ln ausfüllen, und daß mindestens 20% des gesamten Querschnittes der Segmente radial außerhalb der den Luftspalt begrenzenden Oberfläche (10) des Läufers liegen.

2. Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der größte axiale Abstand jo zwischen einem Punkt eines Segmentes und dem Ende des Ständerblechpaketes (1) größer als der Radius des Läuferkernes (3) ist.

3. Asynchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der Segmente gleich der Gesamtzahl der Wicklungsstäbe im Läufer ist (F i g. 2,3).

4. Asynchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzahl der Segmente doppelt so groß wie die Gesamtzahl der Wicklungsstäbe ist (F i g. 4). i

5. Asynchronmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Segment und Wicklungsstab einen einheitlichen Leitermetallstab (6; 8; 12) bilden.

6. Asynchronmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitermetallstab (6) einen zwei radiale Vorsprünge (9) bildenden U-förmigen Querschnitt besitzt und jeweils ein Vorsprung (9) zweier benachbarter Leitermetallstäbe (6) in ein- und derselben Nut liegen.

7. Asynchronmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitermetallstab (6; 8; 12) längs eines axialen Abschnittes im Mittelteil des Läufers gegenüber dem Läufereisen isoliert ist.

8. Asynchronmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitermetallstäbe (6; 8; 11, 12) wenigstens längs des größten Teils des Abstandes zwischen den Enden des Ständerblechpaketes (1) und des Läuferkerns (3) miteinander verschweißt sind. bo

9. Asynchronmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Abmessung der Leitermetallstäbe (6; 8; U, 12) axial außerhalb des Ständerblechpaketes (1) größer ist als axial innerhalb des Ständerblechpaketes (I). b5

10. Asynchronmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ende des Läuferkerns (3) axial außerhalb des Ständerblechpaketes (1) mit mehreren ringförmigen Nuten (15) versehen ist, wobei jede ringförmige Nut (15) in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse (16) liegt.