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Asynchronmaschine mit Doppelkäfigankerwicklun
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Asynchronmaschine gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Asynchronmaschinen dieser Gattung sind bekannt aus dem Buch "Elektrische
Maschinen" von Bödefeld/Sequenz, Springer-Verlag, Wien, New York, 1971, S. 258,
259.
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Die Käfigläuferwicklungen der Asynchronmaschinen bestehen aus den
Kurzschlussstäben und den Kurzschlussringen, welche die Enden der Stäbe miteinander
verbinden. Form, Anordnung und elektrische Leitfähigkeit der Stäbe bestimmen die
Maschineneigenschaften (Anfahrmoment, Drehzahl-/ Drehmomentverhalten, Leistungsfaktor,
Wirkungsgrad).
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Gebräuchlich sind z.B. Einfachkäfigwicklungen, deren Stäbe in geschlossenen,
halb offenen oder offenen Nuten liegen, und runden, rechteckigen, tropfenförmigen
oder trapezförmigen Querschnitt haben. Beim trapezförmigen Querschnitt kann je nach
dem erwünschten Betriebsverhalten die breite Seite zum Aussendurchmesser des Läufers
zeigen oder zur Läuferachse hin gerichtet sein; hohe Stäbe
können
radial angeordnet werden, aber auch schräg, um ein höheres Läuferjoch zu erzielen.
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Doppelkäfigwicklungen besitzen einen aussen am Läuferumfang liegenden
Anlaufkäfig mit grossem ohmschen Widerstand und kleiner St.reuinduktivität und einen
innenliegenden Betriebskäfig mit kleinem ohmschem Widerstand und grosser Streuinduktivität.
Die Stäbe des Anlaufkäfigs sind üblicherweise rund, die des Betriebskäfigs können
rund, tropfenförmig oder rechteckig sein. Anlauf- und Betriebskäfig können gemeinsame
oder getrennte Kurzschlussringe haben.
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Der jeweils benötigte Wicklungswiderstand wird durch entsprechende
Wahl der Stab- und Ringquerschnitte und/oder der elektrischen Leitfähigkeit der
Stab- und Ringmaterialien erzielt. So steht mit reinem Elektrolytkupfer und den
Cu-Legierungen mit Zn, Sn, Si und Al und mit Reinstaluminium und den Al-Legierungen
mit Mg, Si, Mn und Cu ein Leitwertbereich von 56 bis etwa 9 S m/mm2 zur Verfügung.
In Abhängigkeit von der Grösse und dem Gewicht der Läufer und der zu fertigenden
Stückzahl werden die Käfigkwicklungen gegossen oder aus vorgefertigten Stäben und
Ringen, die durch Löten oder Schweissen miteinander verbunden werden, gefügt.
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Drehstrom-Asynchronmaschinen mittlerer bis grosser Leistung werden
standardmässig mit einem Käfiganker aus Kupfer-Hochstäben ausgeführt. Falls das
Anzugsdrehmoment nicht genügt, oder der Anfahrstrom (Kurzschlussstrom) zu gross
ist, sind derzeit folgende Lösungen üblich: - Die Hochstäbe werden mit Kupfer-Legierungen
ausgeführt, die durch eine gegenüber reinem Kupfer geringeren elektrischen Leitfähigkeit
gekennzeichnet sind. Damit wird das Anzugsmoment erhöht und gleichzeitig der Anzugstrom
reduziert. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass im Nennbetrieb im Rotor ebenfalls
ein höherer
Widerstand wirksam ist, woraus höhere Verluste und ein
geringerer Ge samtwi rkungsg rad resultieren.
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- Der Hochstab-Käfigläufer wird durch einen Doppelstb-Käfigläufer
ersetzt. Infolge der Stromverdrängung ist im ersten Teil des Anlaufs der Aussenkäfig
bestimmend. Da er einen grösseren Wirkwiderstand aufweist als der Innenkäfig, resultieren
daraus die verbesserten Anlaufeigenschaften. Im Nennbetrieb fliessen die Ströme
zum grössten Teil im Innenkäfig, was einen guten Wirkungsgrad ergibt. Nachteilig
ist dabei die kostspielige Lösung mit zwei getrennten Käfigen und die beschränkte
Anlaufenergie des Rotors, da der Aussenkäfig die entstehende Wärme allein aufnahmen,
speichern und an das Blechpaket abzugeben hat. Der Innenkäfig ist während des grössten
Teils inaktiv.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Asynchronmaschine mit
Doppelkäfigankerwicklung zu schaffen, welche die Vorteile von Hochstabwicklung und
Doppelkäfigwicklung in sich vereinigt und gleichzeitig technisch und wirtschaftlich
einfach ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete
Erfindung.
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Die Erfindung ermöglicht das Beibehalten der Rechtecknut im Läufereisen
und erfordert keine Sonderprofil formen für die Leiterstäbe.
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Befindet sich in einem magnetischen Wechselfeld elektrisch leitende
Stoffe, so entstehen in diesen Stoffen nach dem Induktionsgesetz Wechselströme auf
Bahnen, die mit den magnetischen Induktionslinien verkettet sind. Diese Ströme werden
als Wirbelströme bezeichnet. In stromführenden Leitern überlagern sich diese Wirbelströme
dem Leiterstrom. Analog verursacht das eigene magnetische
Feld des
stromführenden Leiters Wirbelströme. Dadurch ergibt sich eine ungleichmässige Verteilung
des Stromes über den Leiterquerschnitt, die man als Stromverdrängung beze-ichnet.
Die Rückwirkung des Magnetfeldes der Wirbelströme auf das ursprüngliche Feld führt
zudem zu einer Feldverdrängung und damit zu einer Abnahme der Nutstreuinduktivität.
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Besonders ausgeprägt sind die Feld- und Stromverdrängung bei in die
Nuten eines Eisenkörpers eingelegten elektrischen Leitern. Dabei hat das durch die
Leiter erzeugte magnetische Wechselfeld Feldlinien zur Folge, die im Leiterbereich
nahezu senkrecht aus den Zahnflanken austreten und nahezu geradlinig von der einen
Zahnflanke zur andern übergehen. Die Feldlinien schliessen sich unterhalb der Nut
im Eisen. Es resultiert infolge der Wirbelströme eine Feldverdrängung Richtung Luftspalt
verbunden mit einer entsprechenden einseitigen Stromverdrängung ebenfalls Richtung
Luftspalt. Die dem magnetischen Feld entzogene Energie wird in Form von Wirbelstromverlusten
in Wärme umgesetzt und ist Ursache für die Erhöhung des wirksamen Widerstandes des
stillstehenden Käfigankers der Asynchronmaschine und damit für die Erhöhung des
Anfahrmomentes bei kleinerem Kurzschlussstrom. Während dem Anlauf sinkt die Frequenz
des magnetischen Wechselfeldes im Käfiganker infolge der Abnahme des Sohlupfes der
Asynchronmaschine. Entsprechend wird der Einfluss der einseitigen Stromverdrängung
verringert und nimmt der Anteil der Wirbelstromverluste ab. Im Nennbetrieb, d.h.
bei sehr kleinem Schlupf der Asynchronmaschine, ist die Frequenz des magnetischen
Wechselfeldes im Käfiganker nahezu Null. Die praktisch vernachläsXigbar kleinen
Wirbelstromanteile und die nahezu unen-dliehe Eindringtiefe des magnetischen Feldes
führen zu einer gleichmässigen Verteilung des Stromes im elektrischen4ÆLe-iter.
Es resultiert damit ein kleiner Rotorwiderstand
mit kleinen Rotorverlusten
und gutem Gesamtwirkungsgrad.
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Der wirksame Widerstand und damit das Anfahrmoment zu Beginn des Anlaufes
wird in der Erfindung gemäss Patentanspruch 1 dadurch wesentlich erhöht, dass im
Aussenstab des Käfigankers Material mit grösserem elektrischem Widerstand eingesetzt
wird, wie z.B. Kupfer-Zinn oder Kupfer-Zink-Legierungen. Dadurch verhält sich die
Maschine wie eine klassische Doppelkäfiganker-Maschine.
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Die erfindungsgemässe Ausbildung der Wicklung erlaubt eine hohe Anlaufenergie,
da sich die im ersten Teil des Anlaufs im Aussenstab bildende Verlustleistung durch
Wärmeleitung auf den ganzen Leiterstab verteilt. Zudem ist eine gute Wärmeabgabe
an das Läufereisen durch die Oberfläche des gesamten Hochstabes gewährleistet.
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Es ist vorteilhaft, als Material für den Unterstab reines Kupfer oder
eine Kupfer-Silber-Legierung einzusetzen.
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Da sich im Nennbetrieb der Strom entsprechend dem Widerstandsverhältnis
von Aussen- zu Innenstab verteilt, also hauptsächlich im Innenstab fliesst, resultiert
der erwünschte kleine Rotorwiderstand.
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Generell kommen alle Materialpaarungen in Betracht, die sich in der
elektrischen Leitfähigkeit um den Faktor 2 oder mehr unterscheiden, jedoch ähnliche
Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen. Vgl. hierzu "Herstellung der Wicklungen
elektrischer Maschinen" von Sequenz, Springer-Verlag Wien - New York, 1973, Tabelle
2 "Physikalische Eigenschaften der Leiterwerkstoffe" auf den Seiten 8 bis 15.
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Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, dass selbst grössere Abweichungen
in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Unter- und Oberstab zugelassen werden
können, da durch das radiale Temperaturgefälle in einem homogenen Hochstab allein
grössere Verformungskräfte
auf die Käfigwicklung, insbesondere die
Kurzschlussringe, ausgeübt werden.
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Die radiale Höhe des Aussenstabes wird etwa gleich der Eindringtiefe
des elektrischen Stromes im Läufer bei Stillstand der Maschine gewählt (zur Berechnung
der Eindringtiefe vgl. Bödefeld/Sequenz "Elektrische Maschinen" ... S. 256, 257).
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Prinzipiell kann der erfindungsgemässe "Hochstab" aus getrenntem Ober-
und Unterstab, die stirnseitig über den gemeinsamen Kurzschlussring miteinander
verbunden sind, oder aus einem stranggezogenen, aus zwei Materialien mit unterschiedlicher
elektrischer Leitfähigkeit bestehenden Verbundstab bestehen. Im ersten Fall ermöglicht
das-Rechteckprofil beider Stäbe eine grossflächige Wärmeaustauschfläche zwischen
Unter- und Oberstab. Im zweiten Fall ist der Wärmeübergang mangels Trennflächen
vollkommen.
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Gegebenenfalls kann die Wirkung der Stromverdrängung durch Trapeznuten
oder gestufte Nuten verstärkt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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In dieser zeigt Fig. 1 einen Teil-Ouerschnitt durch den Läufer einer
Asynchronmaschine, Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Läuferende, beides in vereinfachter
Darstellung.
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In einer Rechtecknut 1 im geblechten Läufer 2 einer Drehstrom-Asynchronmaschine
liegen unmittelbar übereinander ein Oberstab 3 und ein Unterstab 4. Beide Stäbe
weisen gleichfalls Rechteck-Profil auf und sind in bekannter Weise nacheinander
oder gemeinsam in die halboffene Nut 1 eingeschoben. Die radiale Höhe h des Oberstabes
3 0
bemisst sich nach der Eindringtiefe des elektrischen Stromes
beim Stillstand der Maschine. Sie beträgt typisch 20 ... 40 °Ó der gesamten Nuthöhe
h + h . Der Oberstab 3 o u besteht z.B. aus einer Cu-Zn-Legierung, der Unterstab
4 z.B. aus reinem Kupfer.
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Im Längsschnitt durch das Läuferende nach Fig. 2 ist ersichtlich,
wie beide Stäbe 3 und 4 in die Ringnut 5 eines Kurzschlussringes 6 münden und dort
mit dem Kurzschlussring 6 fest verbunden sind. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise
nach dem in der CH-PS 564 876 beschriebenen Hartlöt-Verfahren.
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Anstelle diskreter Ober- und Unterstäbe ist alternativ vorgesehen,
einen Hochstab aus einem stranggezogenen Verbundmaterial, zu verwenden, wobei der
dem Luftspalt zugewandte Teil des Stabquerschnitts aus einem Material mit geringerer
spezifischer elektrischer Leitfähigkeit, z.B. Cu-Zn-Legierung, der restliche Querschnitt
z.B.
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aus Kupfer besteht.