DE2600297A1 - Blechpaket mit kurzschlusswicklung - Google Patents

Description

• Blechpaket mit Kurzschlußwicklung.
• Die erfindung betrifft insbesondere die Ausführung von Blechpaketen zur Aufnahme des magnetischen Flusses von bochpoligen Drehfeldmaschinen mit Außenläufern und Kurzschlußwicklungen.
• Ublicherweise- werden die Läuferblechpakete von Drehfeldmaschinen mit Kur zschlußläu fern wie die Ständerblechpakete aus in achsialer Richtung geschichteten Blechen zusammengesetzt. Die Nuten zur Aufnahme der Wicklungen werden dabei ausgestanzt.
• Die Kurzschlußwicklung wird durch Verlöten oder Verschweißen von Kurzschlußstäben in den Nuten mit Kurzschlußringen oder durch Ausgießen, meist als Aluminiumdruckguß, hergestellt.
• Größere hochpolige Drehfeldmaschinen, wie sie zum Beispiel für den Direktantrieb von Lüftern für Rückkühlanlagen benötigt werden, weisen eine relativ kleine Polteilung und Nuttiefe auf.
• Damit ergeben sich kreisringförmige Läufer- und Ständerblechpakete mit im Verhältnis zum Durchmesser geringer Dicke in radialer Richtung. Der Blechpaketrücken benötigt entsprechend der kleinen Pol teilung für den magnetischen Fluß nur einen geringen Teil dieser an sich bereits geringen Ringdicke.
• Der Blechpaketrücken dient außer zur Leitung des magnetischen Flusses auch zum mechanischen Zusammenhalt des Blechpakets in sich selbst. Das Blechpaket dieser Maschinen weist daher in sich nur eine geringe mechanische Festigkeit auf, wobei die Festigkeit gegen Biegung quer zur Achse ohnehin durch die achsiale Schichtung gering ist.
• Man führt daher häufig bei derartigen Maschinen-den Blechpaketrücken stärker aus, als es im Hinblick auf den magnetischen Fluß erforderlich ist und verfestigt die Pakete durch Aufnahme mit steifen Gehäusen oder Naben, was im Verhältnis zum elektrisch aktiven material sehr aufwendig wird.
• Formstabile Blechpakete sind jedoch gerade für hochpolige Maschinen mit kleiner Polteilung erforderlich, damit für die Erzielung guter Betriebs- und Ausnutzungswerte der notwendige kleine Luftspalt zwischen Stator und Rotor sicher eingehalten werden kann. Der Aufwand an elektrisch inaktivem Material im Verhältnis zum aktiven wird daher für diese Maschinen oft so hoch, daß ihr Einsatz in vielen Fällen, in denen der Direktantrieb mit Langsamläufern sich zweckmäßig ist, wegen dem hohen Maschinenpreis ausscheidet.
• Die Erfindung hat daher als besondere Aufgabenstellung die bessere Ausnutzung des elektrisch aktiven Materials der hochpoligen Drehfeldmaschinen auch in mechanischer Hinsicht, sowie die kostensparende Herstellung des Blechpakets mit Kurzschlußwicklung.
• Diese Aufgabe wird vorwiegend dadurch gelöst, daß die Maschinen mit Außenläufern mit paralell zu den Kurzschlußstäben geschichteten Blechpaketen ausgeführt werden.
• Das Grundsätzliche dieses Aufbaus sei zunächst mit den Figuren 1 und 2 erläutert.
• Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt in achsialer Richtung durch einen erfindungsgemäßen Außenläufer mit gegossenem Kurzschlußkäfig, während in 2 ein Teil eines zugehörigen Querschnitts durch AB dargestellt ist.
• Das Blechpaket wird hier aus den Zahnprofilen 1, dem Jochring 2 und der Kurzschlußwicklung 3 gebildet.
• Die Zahnprofile bestehen in diesem Beispiel aus gewalztem oder gezogenem Stahl mit doppel-T-förmigem Querschnitt. Sie werden auf einer formsteifen Schichtvorrichtung mit zylindrischen Aufnahmeflächen entsprechend der Nutteilung zentrisch angeordnet und im Sc-hleudergußverfahren in einer äußeren Kokille ausgegossen. Als Gußmaterial kommt dabei insbesondere Reinaluminium oder eine andere Aluminiumlegierung mit guter elektrischer Leitfähigkeit in Betracht.
• Nach dem Abziehen der äußeren Gießform bildet das auf die Schichtvorrichtung gepreßte Zahnstegpaket mit der gegossenen Kurzschlußwicklung einen stabilen Drehkörper. Dieser wird außen überdreht und in den entsprechend bearbeiteten Jochring aus massivem Eisen eingeschrumpft, Danach wird die Schichtvorrichtung entfernt und die innere Luftspaltfläche bearbeitet.
• Der Jochring bildet zugleich das umlaufende Gehäuse des Außenläufers und weist als massives Rohr eine große Steifigkeit auf, die durch die Zahnprofile mit dem Verbundguß noch erhöht wird.
• Das Gehäusejoch kann zur besseren Wärmeabgabe an die Luft achsiale oder umlaufende Kühlrippen erhalten. Achsiale Hippen erhöhen die Steifigkeit gegen Kräfte in radialer Richtung ohne jedoch wesentlich zur Führung des magnetischen Flusses beizutragen. Umlaufende Rippen übernehmen dagegen neben der natürlichen Belüpung einen Teil des Jochflusses und erhöhen die Steifigkeit der Kreisform.
• Die Ausführung der Zähne und des Jochs aus massivem Eisen ist für die Drehfeldmaschinen zulässig, bei denen im Dauerbetrieb nur geringe Schlupffrequenzen im Läufer auftreten. Bei Synchronmaschinen ergibt die massive Ausführung eine zusätzliche dämpfende Wirkung zur Kurzschlußwicklung, sowie eine Erhöhung des Hochlaufmoments beim asynchronen Anlauf.
• Die Schrumpfspannungen zwischen dem Zahnprofilpaket und dem Joch werden beim Außenläufer im Betrieb vergrößert, da infolge der Verlustaufteilung und des Temperaturgefälles der flahnprofilteil mit der Kurzschlußwicklung wärmer als das Joch wird und sich daher stärker ausdehnt. Dazu kommt noch die Wirkung der Fliehkräfte, die ebenfalls die Pressung verstärkt. Damit ist ein sicherer Verbund zwischen dem Zahnpaket und dem Joch auch im Betrieb gewährleistet.
• Gegenüber der üblichen Ausführung des Blechpakets kann diese weitgehend die mechanischen Funktionen des Gehäuses mit übernehmen uhd es ist insbesondere bei kurzen Maschinen keine Uberdimensionierung des Joches mit Rücksicht auf die Steifigkeit erforderlich.
• Weitere Beispiele für die Ausführung der Zahnprofile zeigen entsprechend dem Schnitt AB in Fig. 1 die Fig. 3 bis 6.
• Die Znhnprofile können grundsätzlich auch als einfache Rechteckprofile nach Fig. 6 ausgebildet werden. Diese Form kommt insbesondere bei gegenüber der Zahnbreite kleiner Nutbreite in Betracht.
• Bei breiten Nuten weisen die Profile vorteilhaft am Luftspalt und am Joch eine Verbreiterung auf. Diese ergibt am Luftspalt eine Verringerung des Carterschen Faktors und damit eine Herabsetzung des Magnetisierungsstroms, sowie eine Dimensionierungsmöglichkeit für einen geeigneten Streufluß im Läuferzahnkopf.
• Die Verbreiterung der Profile zum Joch ergibt eine größere Ubergangsfläche für den Zahnfuß und damit eine geringere magnetische Induktion im Vbergangsspalt zum Joch. Damit ist auch bei größeren Fertigungstoleranzen für diesen Luftspalt nur eine relativ geringe Magnetisierungsdurchflutung erforderlich.
• Die Zahnprofile nach Fig. 3 bis 5 können vorteilhaft aus Blech abgekantet oder gezogen werden. Die Ausführung nach 4 stellt eine Kombination von Fig. 3 mit 6 dar. Diese ermöglicht bei größeren Zahnstärken die Verwendung von dünneren und einfacher zu verarbeitenden Blechen, die zugleich die Funktion von Abstandshaltern zum Schichten der Rechteckprofile übernehmen.
• Bei Profilen nach Fig. 3 ist die Form des Zahnes mit Nut bereits vollkommen festgelegt, sodaß beim Schichten des Zahnstegringes keine weiteren Maßnahmen für die exakte Einhaltung der Abstände erforderlich sind. Die zusätzliche Verwendung von Rechteckprofilen nach Fig. 4 ergibt für das gleiche Blechprofil nach 3 die Verwendungsmöglichkeit für verschiedene Zahnstärken. Diese wird noch erweitert, wenn die Nutöffnung bezw. Nutwandschräge entsprechend der gewünschten Nutzahl nachgerichtet wird.
• Die Blechprofile werden dazu vorteilhaft für die der gängigsten Nut form einer Baureihe mit konstanter Nuttiefe entsprechende Nutschräge gezogen und für die abweichenden Formen nachgerichtet.
• Das Profil nach Fig. 5 kann besonders leicht aus Blechbändern hergestellt werden. Für eine einfache und exakte Schichtung des Zahnringes, auch in Kombination mit Rechteckprofilen nach Fig. 6, sind hier jedoch wie bei den Ausführungen nach Fig. 2 und 6 besondere Abstandshalter zur Einhaltung der Nutbreite bei gegossener Kurzschlußwicklung erforderlich. Diese können z. B. als angestauchte oder angepunktete Verbreiterungen der tangentialen Zahnprofilteile ausgebildet werden.
• Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung für gegossene Kurzschlußwicklungen bestehen diese Abstandshalter aus Blechprofilen aus dem Ausgußmaterial oder einer ähnlichen Legierung, die vorzugsweise in Nutrichtung geöffnet sind.
• In Fig. 7 ist eine entsprechende Anwendung für die Stegprofile nach Fig. 2 dargestellt. In diesem Beispiel sind die Abstandshalter ähnlich den Zahnprofilen nach Fig. 3 geformt. Sie erstrecken sich jeweils nur über einen kurzen Abschnitt der Nutlänge. Bei mittleren Blechpaketlängen sind bereits zwei derartige Abstandshalter je Nut für eine exakte Schichtung ausreichend.
• Der Zahnpaketring wird zum Ausguß auf der zylindrischen Aufnahme radial z. B. durch eine Bandage verspannt, sodaß damit die Festlegung der Stegprofile beim Ausguß gewährleistet ist, wenn die Distanzstücke von der Schmelze gelöst werden. Dabei wird eine optimale Ausnutzung des Nutquerschnitts erreicht.
• Die Abstandshalter können auch als geschlossene Hohlkörper oder Profile z. B. in Doppel-T-Form ausgebildet werden.
• Durch die Wahl geeigneter Abstandshalter kann wie mit den Zahnprofilen nach Fig. 3 das gleiche Zahnprofil für eine große Zahl von Läufernutteilungen bei konstanter Nuttiefe angepaßt werden.
• Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung erhalten die Zahnprofile insbesondere bei größeren Paketlängen Durchbrüche quer zur Nut zur Verklammerung des Pakets mit der gegossenen Kurzschluß wicklung. Bei mittleren Paketlängen können außerdem vorteilhaft die Kurzschlußringe teilweise in das Zahnprofil einbezogen werden.
• In Fig. 8 ist dazu ein Längsschnitt durch das Zahnprofil 1 dargestellt. Dabei stellt 5.1 eine Aussparung am Paketanfang dar, die beim Ausguß einen Teil des Querschnitts des Kurzschlußrings aufnimmt, während 5.? einen Durchbruch zur Verbindung mit der benachbarten Nut zeigt. Zur Verringerung der Querströme können diese Durchbrüche von Nut zu Nut versetzt ausgeführt werden.
• Die bisher erläuterten Zahnkäfigkonstruktionen erfordern für den Ausguß im Schleudergußverfahren eine besondere den Zahnkäfig umschließende Kokille. Diese stellt zwar nur einen einfachen Drehkörper dar, bei größeren Maschinen und kleinen Stückzahlen mit unterschiedlichen Größen können jedoch die anteiligen Aufwendungen für die Kokille und die Vorrichtungen zum Beschicken und Entleeren derselben relativ hoch werden.
• Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird daher der Zahnkäfigring mit einem Mantel aus Blech verbunden, der die Form zum Ausguß ergibt und zugleich einen Teil des Jochrings bildet.
• Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 9 in einem Längsschnitt durch das Paket dargestellt. Die Zahnstege werden dabei auf der zylindrischen Schichtvorrichtung 6 aufgenommen und durch kreisringförmige Bandagen 2.1 aus Stahlblech zusammengehalten, die abschnittsweise aufgebracht und miteinander und mit den Zahnprofilen verschweißt werden. Die Bandagenringe überragen seitlich die Zahnstege um die Breite der Kurzschlußringe und werden hier nach innen durch angeschweißte Scheiben aus Blech 7 abgeschlossen, soweit dies für den Ausguß erforderlich ist.
• Nach dem Ausguß im Schleudergußverfahren, bei dem lediglich noch ein feststehender Sicherheitsmantel um den Rotor erforderlich ist, wird der Schrumpfringmantel außen überdreht und in das Joch bezw.
• Gehäuse eingeschrumpft. Die Schrumpfringe bilden somit die Kokille und zugleich einen Teil des Joches bezw. Gehäuses.
• Der äußere Teil des Schichtdorns 6 und das überschüssige innere Material des Ausgusses 9 wird durch Ausdrehen entfernt. Der innere Teil des Schichtdorns kann dazu in bekannter Weise konisch oder geteilt ausgeführt werden und vom äußeren Teil,der durch den Anguß gebunden ist, getrennt werden und steht damit für weitere Abgüsse wieder zur Verfügung.
• Beim Erkalten des Gusses tritt im Kurzschlußring im Gegensatz zu dem durch die Profile segmentierten Zahnblechpaket ein erheblicher Schrumpf in radialer Richtung auf. Dieser wird durch im Ringraum eingegossene Ringe 8 aus Stahl aufgenommen. Die Ablösung der Zahnprofile von den Teiljochringen durch das Schwinden wird dadurch und das absatzweise Aufziehen und Verschweißen der Ringe 2.1 verhindert.
• Zur weiteren Entlastung des Blechpakets von Schrumpfspannungen beim Guß und zur besseren Trennung vom überschüssigen Ausgußmaterial kann am inneren Umfang des Pakets ein Blechzylinder 10 angeordnet werden, von dem sich der Guß beim Erkalten ablöst.
• Bei dieser Ausführung nach Fig. 9 ergibt sich ein zusätzlicher Luftspalt im magnetischen Kreis zwischen den Teiljochringen, der durch die beidseitige Bearbeitung gering gehalten werden kann.
• Der Luftspalt zwischen den Teiljochringen 2.1- und den Zahnprofilen kann'durch abschnittsweise Bearbeitung des Profilpakets vor dem Aufziehen der Ringe ebenfalls verrringert werden. Dies ist jedoch im allgemeinen nicht erforderlich, da dieser Spalt durch die Herstellungsgenauigkeit der Profile und das feste Aufziehen der Ringe gegenüber dem Arbeitsluftspalt zwischen Stator und Rotor bei den in Betracht kommenden Maschinengrößen relativ klein gehalten werden kann.
• Der Aufbau des Blechpakets kann erfindungsgemäß auch mit in die Zahnprofile eingeschichteten Kurzschlußstäben erfolgen. Die Profile mit den Stäben werden dabei ähnlich Fig. 9 von aufgeschweißten Teiljochringen umschlossen und durch Löten oder Schweißen mit Kurzschlußringen verbunden, die zweckmäßig mit dem äußeren Durchmesser der Teiljochringe ausgeführt werden. Danach wird das Paket mit den Kurzschlußringen überdreht und in das Joch bezw. Gehäuse eingeschrumpft. Der Querschnitt der Kurzschlußstäbe kann die der Nutschräge entsprechende Trapezform bei konstanter Zahnstärke aufweisen, oder diese kann bei rechteckigen Stäben durch keil- oder trapezförmige Beilagen zu den Zahnstegen aufgefüllt werden.
• Bei den in Betracht kommenden hohen Nut zahlen der großen Maschinen mit geringen Nuttiefen ist jedoch die Abweichung der Nutform vom Rechteck gering, sodaß im allgemeinen zur Vereinheitlichung der Profile auf die Trapezform verzichtet werden kann. Die dabei verbleibenden Hohlräume können, soweit erforderlich, in bekannter Weise durch Tränken mit Gießharz ausgefüllt werden.~ Bei langen Paketen und tiefen Nuten können die Zahnprofile an den inneren Stoßstellen vor der Fertigbearbeitung des Luftspaltdurchmessers durch Schweißen oder Löten punkt- oder absatzweise miteinander verbunden werden um das Blechpaket im Zahnkopfbereich zu verfestigen. Bei der der Ausführung mit eingeschichteten Kurzschlußstäben ist die Trennung von der Schichtvorrichtung im Inneren nach dem Einschrumpfen des außen bearbeiteten Zahnstegpakets mit Kurzschlußwicklung in das Joch besonders einfach, da das Bearbeiten des überschüssigen Ausgußmaterials in der Rotorbohrung entfällt.
• Die Anwendung der erfindungsgemäßen Zahnkäfigpakete ist insbesondere mit gegossenen Kurzschlußwicklungen nicht nur auf die Asynchronmaschinen beschränkt. Sie können auch als Anlauf- bezw. Dämpferkäfigpakete für Synchronmaschinen verwendet werden. Dabei können Zahnprofile im Bereich der Pollücken fortgelassen werden oder eine größere Teilung aufweisen. Dabei werden vorteilhaft Abstandsstücke entsprechend Fig. 7 verwendet.
• Beim Ausguß der Zahnstegpakete in den Schrumpfringen nach Hig. 9 werden diese bei Maschinen mit elektromagnetischer Erregung zur Verringerung der Polstreuung in den Polllücken durch zearbeitung entfernt0 Bei Maschinen mit Permanentmagneterregung können dagegen die Schrumpfringe als Streupfad für den Anker fuß auch in den Pollücken ganz oder teilweise erhalten bleiben.
• Bei großen Synchronmaschinen ist die Schrumpfverbindung des Anlauf-und Dämpferkäfigrings mit dem Polrad oft unzweckmäßig. Hier wird der Käfig vorteilhaft in sich über mehrere Polteilungen erstrekkende Segmente aufgeteilt und an den Polen z. B. durch Schrauben befestigt. Die Kurzschlußringe werden dabei teilweise unterbrochen.
• Die Wirkung dieser Unterbrechungen kann bei einer weiteren Ausführung der Erfindung insbesondere bei Maschinen mit längeren Blechpaketen dadurch weitgehend aufgehoben werden, daß in achsialer Richtung zwei oder mehrere unterteilte Zahnkäfige hintereinander angeordnet werden, derart daß die Teilstellen aufeinanderfolgender Paketringe jeweils um eine oder mehrere Polteilungen gegeneinander versetzt sind. Dabei ist die Ausführung mit eingezogenen Kurzschlußringen nach Fig. 8 besonders vorteilhaft.
• Die Herstellung der Anlaufkäfige kann für eine Reihe von Synchronmaschinen mit etwa gleicher Polteilung dadurch rationalisiert werden, daß die Käfige für einen einheitlichen Durchmesser gefertigt werden und nach der Aufteilung in sich über mehrere Polteilungen erstreckende Stücke nachgerichtet werden.
• Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Anlauf- und Dämpferkäfige können diese auch für große hochpolige Synchronmotoren mit kleiner Folteilung wirtschaftlich mit gegossenem Käfig hergestellt werden.
• Für große hochpolige Asynchronmotoren mit Außenläufer ermöglicht die erfindungsgemäße Ausführung des Läuferblechpakets mit Kurzschlußwicklung eine weitgehende Ausnutzung des elektrisch aktiven Materials auch zur mechanischen Versteifung des Läufers, sowie die wirtschaftliche Herstellung desselben.
• Durch die Anwendung der Zahnprofile parallel zu den Kurzschlußstäben entfällt das aufwendige und mit Materialabfall verbundene Stanzen der Bleche und das Joch bildet zugleich ein stabiles Gehäuse für die Asynchronmaschinen.
• Damit wird der wirtschaftliche Anwendungsbereich von hochpoligen Drehfeldmaschinen auf größere Einheiten ausgedehnt, insbesondere wenn auch für das Statorpaket susführungen gewählt werden, die eine ähnlich hohe Materialausnutzung ergeben.
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Claims (12)

Patentansprüche.

1. lechpaket mit Kurzschlußwicklung für Drehfeldmaschinen, besondere fürshochpolige elektrische Maschinen mit Außenläufer, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechpaket im Bereich der Kurzschlußstäbe vorzugsweise aus parallel zu diesen geschichtetem Profilstahl (1) besteht und von einem Joch (2) aus massivem Eisen mit magnetisch gut leitender Verbindung zu den Zahnprofilen umschlossen wird.

2. Blechpaket nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnprofile (1) im Bereich des Luftspalts und bezw. oder des Joches verbreitert sind.

3. Blechpaket nach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußwicklungt3Xals Schleuderguß in das Zahnblechpaket eingebracht wird und nach Bearbeitung in den Jochring (2) eingeschrumpft wird, der zugleich das Gehäuse oder einen Teil desselben bildet.

4. Blechpaket nach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnblechpaket von aufgeschweißten Teiljochringen (2.1) umschlossen wird, die sich bis in den Bereich der Kurzschlußringe erstrecken, derart daß sie zugleich die Gießform für den Ausguß des Blechpakets bilden, das nach dem Bearbeiten der Mantelfläche in den Jochring bezw. das Gehäuse eingeschrumpft wird.

5. Blechpaket nach 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß im inneren Bereich der Kurzschlußringe und bezw. oder der Hutöffnungen Ringe aus Profilstahl (8) oder Blech (10) eingelegt werden, die die Schrumpfspannungen beim Guß aufnehmen bezw. das Schwinden verringern.

6. Blechpaket nach 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die achsialen Zahnprofile (1) Durchbrüche (5) zur Verklammerung mit dem Ausgußmaterial und/ oder zur Aufnahme der Kurzschlußringe aufweisen.

7. Blechpaket nach 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zwischenlage von vorzugsweise in achsialer Richtung offenen Distanzstücken (4) aus dem Ausgußmaterial oder einer ähnlichen Legierung die Zahnstege in ihrer genauen Lage festgelegt werden und das gleiche Zahnprofil (1) für eine Reihe von Maschinen verwendet werden kann.

8. Blechpaket nach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnblechpaket mit den eingeschichteten Kurzschlußstaben von aufgeschweißten Teil-jochringen (2.1) umschlossen wird und vor der äußeren Bearbeitung und dem Einschrumpfen in das Joch bezw.

Gehäuse durch Löten oder Schweißen mit den Kurzschlußringen verbunden wird.

9. Blechpaket nach 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung als Anlauf- bezw. Dämpferkäfig für Synchronmaschinen die flahnprofile im Bereich der Pollücken teilweise fortgelassen werden oder eine größere Teilung aufweisen und bezw. oder daß die Teiljochringe in den Pollücken entfernt oder im Querschnitt verringert werden.

10. Blechpaket nach 9,dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig mit mit dem Zahnstegpaket in Abschnitte von mehreren Polteilungen aufgeteilt wird.

11. Blechpaket nach 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlaufkäfig achsial in mehrere hintereinander liegende Käfige unterteilt wird, die beim Einbau um eine oder mehrere Polteilungen am Umfang jeweils mit den Trennstellen gegeneinander versetzt werden.

12. Blechpaket nach 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufkäfige für eine Baureihe mit etwa konstanter Polteilung für eine einheitliche Größe gefertigt werden und infsich über mehrere Polteilungen erstreckende Stücke aufgeteilt und entsprechend der jeweils benötigten Baugröße nachgearbeitet werden.