DE3341425A1

DE3341425A1 - Kurzschlusslaeufer fuer grosse drehstrom-asynchronmaschinen in aluminium-gussausfuehrung

Info

Publication number: DE3341425A1
Application number: DE19833341425
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. 1000 Berlin Lehmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-11-14
Filing date: 1983-11-14
Publication date: 1984-03-22
Also published as: DE3341425C2

Description

Beschreibung
Titel: Kurzschlußläufer für große Drehstrom-Asynchronmaschinen in Aluminium-Gußausführung Gattung Herstellverfahren für große Kurzschlußläufer von Drehstrom-Asynchronmaschinen mit gegossenen Aluminiumkäfigen.Es handelt sich dabei um die Beistungsstufen,die in den IEC-Achshöhen 400 bis etwa 1000 möglich sind.
Stand der Technik Läufer der gattungsgemäßen Art werden nur bis zu einem Außendurchmesser von etwa 500 mm ausgeführt.Der gesamte Rotorkäfig wird dabei ungeteilt in einem Arbeitsgang abgegossen.Für die genannte Durchmessergrenze gibt es mehrere Ursachen.
Die Gießmaschinen bewältigen z. Zt..nur etwa 120 kg Aluminiumschmelze je Abguß,und die hier betrachteten Rotoren benötigen davon, einschließlich Anguß,wesentlich mehr Das Läuferblechpaket wird bei großen Leistungen in Teilt pakete aufgeteilt und für derartige Konstruktionen gibt es bisher keine gußtechnisch machbaren Lösungen.
Weiterhin wird dem Aluminiumläufer nachgesagt,er sei ein minderwertiges Gebilde und den großen Leistungen nicht angemessen.Man befürchtet Bunker innerhalb des Käfigs, die den Gebrauchswert derartiger Rotoren mindern.
Es fehlen auch praktikable Lösungen für den Sitz von Rotoren mit gegossenen Käfigen auf Wellen oder Wellensternen.Paßfederstanzungen nutzen nichts,wenn die durch sie gebildete Nut nach dem Gießen nicht mehr verwendbar ist.
Schließlich muß das Argument berücksichtigt werden, daß der Werkstoff "Aluminium" eine schlechtere elektrische Leitfähigkeit als "Kupfer" aufweist.
Alle diese Gründe haben dazu geführt, daß große Kurzschlußläufer bisher ausschließlich als sogenannte "Stabläufer" gefertigt werden.Hier liegen ein bis zwei Profilstäbe je Nut übereinander an die,außerhalb des Eisens, ein oder zwei Kurzschlußringe je Seite hart angelötet werden.Materialien sind:Kupfer,Bronze und Messing.
Kritik Der Haupteinwand gegen die Stabausführungen ist,daß deren Fertigung sehr zeitaufwendig ist.
Es sind z. B. je Rotor 60 bis 400 Verbindungen von Stäben zu Ringen herzustellen.
Die Profilstäbe können erst nach intensiven Säuberungs-bzw. Glättungsarbeiten innerhalb der Nuten in diese eingeschlagen werden.
Hinzukommt,daß auch die Materialeinsatzkosten für die Profilstäbe und das Ringmaterial sehr hoch sind.
Es wird darübeWinaus eine Vielzahl an unterschiedlichen Stabprofilen lagermäßig benötigt.
Die Ringe können nicht unmittelbar am Läufereisen angelötet werden,so daß die Gefahr von Dauerschwingungsbrüchen an den Stabenden besteht.
Der Wärmewiderstand zwischen Stäben und Läuferzähnen kann, infolge der verbleibenden Bufteinschlüsse,nicht ve) nachlässigt werden.
Aufgabe Die Erfindung soll Möglichkeiten aufzeigen mit denen, auch bei großen Drehstrom-Asynchronmaschinen,Kurzschlußläufer in Aluminium-Gußausführung gebaut werden können.
Es sollen auch Läufer mit Teilblechpaketen und dazwischen liegenden Belüftungsschlitzen berücksichtigt werden.Die kritisierten Eigenschaften der Stabausführungen sollen entfallen oder weniger spürbar sein.
Lösung Die Aufgabe der Erfindung wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 bis 13 gelöst.Das Gießverfahren stellt Druck- oder Kokillenguß dar.Die Konstruktion der Gießformen und das Einbringen der Schmelze in den Formenaufbau ist aber nicht Bestandtteil der Erfindung.
Beim Patentanspruch 1 liegen die Segmenttrennfugen so, daß bei jedem Gießabschnitt nur die vorgesehenen Nuten mit Aluminium gefüllt werden.Die Fugen können unterschiedlich gestaltet sein.Die Sektoranzahl "n" liegt zwischen 2 und der Rotornutzahl.Zum Venschweißen der Trennfugen steht z. B. das MIG-Verfahren zur Verfügung.
Die hierbei verwendeten Elektroden bestehen aus dem Material,das der Käfig aufweist.Die im Patentanspruch 2 beschriebene Methode kann für 6- und höherpolige oberflächengekühlte Maschinen empfohlen werden.Bei 2- und 4-poligen Ausführungen würden die ohmschen Verluste in den Zwischenringen und der Verlust an effektiver Eisenlänge durch diese Ringe nicht annehmbar sein.
Die Teilrotoranzahl "m" dürfte sinnvollerweise zwischen 2 und 10 liegen. Für niedrigpolige oberflächengekühlte Drehstrommaschinen ist Patentanspruch 9 gedacht.Hier können die Zwischenringe so schmal als gießtechnisch machbar ausgelegt werden,da der aufgeschweißte Ring eine stromleitende Brücke zwischen den Teilrotoren darstellt.Selbstverständlich erhalten in den Ansprüchen 2 und 9 nur die außen gelegenen Hauptringe Kühlfahnen mit dazwischen angeordneten zylindrischen Auswuchtnocken.
Bei innengekühlten Maschinen kommt Patentanspruch 3 infrage.Auch hier können die zusätzlichen inneren Ringe so schmal als gießtechnisch machbar ausgelegt werden,da die Nutströme in erstes Linie über die Rotorverbinderstäbe geleitet werden sollen.Im allgemeinen soll das Produkt, gebildet aus Querschnitt (AV) und Anzahl (nut) der Rotorverbinder,gleich dem sein, gebildet aus Nutquerschnitt(AN) und Nutzahl (N2) also: Av NV 2 AN * N2 Die relativ hohen Rotorverbinderstäbe bilden zusammen mit den Zwischenringen ideale Kastenlüfter aus.Durch rückwärts gekrümmte Rotorverbinder kann das aerodynamische Geräusch gemindert werden.Åndere Erwägungen können auch zu ganz anderen Profilen für die Verbinder führen.
Bei 6- und höhernoliRen Drnhstrommaschinen kann das Verschweißen Qr Rotorverbinderstäbe entfallen,da in diesen Fällen die Nutströme allein von den Zwischenringen kurzgeschlossen werden können, ohne nennenswerte ohmsche Verluste (Patentanspruch 7? zu verursachen.
Mit den Patentansprüchen 4 und 5 wird zum Ausdruck gebracht,daß für die Herstellung der größtmöglichen Rotoren die aus Festigkeitsgründen noch mit Aluminium-Kurzschlußringen denkbar sind,einige der bisher geschilderten Maßnahmen auch kombinierbar sind.
Nach der Theorie kann das Kurzschließen der Nutströme auch von Teilringen bewältigt werden.Patentanspruch 6 nennt die Bedingungen hierfür.In den Teilringen liegen höhere Stromdichten als in geschlossenen Ringen vor,weshalb eine Querschnittsvergrößerung erwogen werden muß.
Dergleiche Effekt wie bei den Strömen ist auch bei den Läuferinduktionen gegeben,sofern,wie in Patentanspruch 13 beschrieben, auf den inneren geschlossenen Läuferblech-Kreisring verzichtet wird.Ein Läuferrücken über eine Polteilung reicht zur Umlenkung der magnetischen Zahnflüsse aus,sofern für einen angemessenen,vergrößerten Rückenquerschnitt gesorgt wird.
Eine Tatsache ist,daß die hier angesprochenen Gießeinrichtungen erhebliche Investitionsmittel erfordern.Diese Mittel können reduziert werden,wenn es gelingt die Hauptabmessungen der abzugießenden Teile zu reduzieren.Mit Patentanspruch 8 gelingt es'die gestellten Aufgaben mit kleineren Gießeinrichtungen zu bewältigen.Die inneren Kreisringe der Läuferbleche werden einzeln auf die Welle geschichtet,durch Paßfeder tangential festgelegt und axial durch Druckringkonstruktionen zusammengehalten.
Der innere Kreisring kann durch einen Wellenstern ersetzt werden (Patentanspruch 13),wobei die Zahl der Klammerelemente,die Maschinen-Polpaarzahl,die Sektoranzahl und die Zahl der Wellensternarme zu beachten sind.
Bestehen Rotoren aus mehreren Teilrotoren,so können diese gemäß Patentanspruch 10 um Bruchteile einer Stator- oder Rotornutteilung gegeneinander versetzt angeordnet werden.
Die Vorteile dieser Maßnahme bestehen in einer Minderung des magnetischen Maschinengeräusches und der Elimination störender Oberwellendrehmomente aus der Hochlaufkurve von Motoren.
Die im Patentanspruch 11 erwähnten Erhebungen auf den Kurzschlußring-Gießformen stellen sicher,daß,in Verbindung mit den im Rücken des Rotoreisens vorgesehenen Hilfsstanzungen,sowohl die Unter- als auch die Oberform den gleichen Nutbereich beim Sektorguß erfaßt,oder daß nach dem Aufziehen mehrerer Teilrotoren auf die Welle die erwähnten Rotorverbinderstäbe auch bündig stehen.
Mit Patentanspruch 12 wird eine Möglichkeit der genauen und sicheren Befestigung der Rotorteile gegeben.Es liegen kombinierte kraft-/formschlüssige Fügungen vor,die folgendes leisten: 1. Die Fügekräfte sind unkritisch niedrig 2. Die Teile sitzen ohne jedes Spiel unverrückbar fest,auch nach jahrelangem Betrieb und bei jeder Temperatur 3. Die Teile lassen sich abstands- und winkelgerecht anordnen 4. Die Fügung kann lösbar gestaltet werden,die Teile bleiben brauchbar 5. Ein unvermeidlicher Verzug der Läuferkörper beim Abguß kann hingenommen werden,da die Bearbeitung der Bohrung zum Schluß erfolgt 6. Die Fügekräfte lassen sich so gestalten, daß die Teile,auch bei Bauform "V1",axial nicht festgelegt werden müssen Vorteile Durch die hier beschriebenen Lösungsvorschläge kann eine erhebliche Verringerung der Gesamtfertigungszeit der Rotoren erreicht werden die Zahl der erforderlichen Schweißstellen ist zwar von Anspruch zu Anspruch verschieden hoch,liegt aber größtenteils weit unter der für die Stabläufer genannten Zahl an Lötstellen.Für Patentanspruch 2 und auch anderen braucht überhaupt nicht geschweißt zu werden.Insgesamt gelingt es durch die erläuterten Maßnahmen die Fertigung der Rotoren maschinenintensiver zu gestalten, wodurch letztlich die Fertigungakapazität im Läuferbau wesentlich erhöht wird.
Säuberungsarbeiten an den Nutinnenwänden entfallen.
Die Vorratshaltung für die Käfige reduziert sich auf 2 Sorten von Aluminium-Barren unterschiedlicher Beitfähigkeit,Reinaluminium und Widerstandaaluminum.
Die Materialkosten für den Käfig machen nur noch einen kleinen Bruchteil der bisherigen Höhe aus.Profilstäbe aus Kupfer usw. kosten mehr als Aluminium in Barrenform und wegen der kleineren Wichte kommt auch noch wesentlich weniger Aluminumgewicht zum Einsatz.
Gegossene Kurzschlußringe müssen zwangsläufig am Rotoreisen anliegen.Die Gefahr von Dauerschwingungsbrüchen an den Stabenden ist deshalb nicht mehr gegeben.
Das flüssige Aluminium hat die positive Eigenschaft auch kompliziert gestaltete Hohlräume voll auszufüllen, so daß kein isolierender Luftspalt zwischen Nutaluminium und Läuferzahn auftritt.Deshalb werden bei Aluminiumkäfigen geringere Übertemperaturen erreicht als mit Stabläufern, bezogen auf gleichgroße Stromwärmeverluste.
Natürlich hat Aluminium eine geringere elektrische Leitfähigkeit als-Kupfersso daß Befürchtungen zu zerstreuen sind,daß geforderte Wirkungsgrade nicht mehr erreicht werden könnten.DiesesArgument wirkt nur dann,wenn an der vorgefundenen Maschinenauslegung ansonsten keine Veränderungen ergriffen wird Zusätzlich zur Umstellung des Läuferkäfigmaterials von Kupfer auf Aluminium kann z.S, ein geringer Nehreinsatz an Dynamoblech erwogen werden,damit die Wirkungsgrade konstant bleiben und de oben aufge- zählten Vorteile im wesentlichen erhalten bleiben.
Im übrigen ist die schlechtere Leitfähigkeit z. T.
auch dadurch kompensierbar,daß bei Gußläufern eine absolut freie Wahl der Nutform gegeben ist.Sonderwünsche nach bestimmten Drehzahl-/Drehmomentverläufen sind hierdurch auch leichter zu erfüllen.
Die Gefahr von Lunkern (Hohlräume oder Gaseinschlüsse) ist bei gegossenen Aluminiumkäfigen niemals völlig ausgeschlossen.Die mit bloßem Auge kaum sichtbaren Mikrolunker können durch richtige Pflege und korrekte Temperatur der Schmelze vermieden werden. Makrolunker sind durch richtige Dimensionierung der Nut-,Ring- und Angußquerschnitte unwahrscheinlich. Treten dennoch welche auf, so sind sie entweder sichtbar und damit ausbesserungsfahig,oder unsichtbar.Selbst bei einer totalen Nutunterbrechung bleibt die Gebrauchsfähigkeit des Rotors erhalten,da es dem Nutstrom gelingt seinen Weg über parallelgeschaltete Widerstände fortzusetzen.Der Strom würde über den Läuferzahn zur Nachbarnut und von dort,nach der Unterbrechungstelle,zurückfließen.
Läufer mit gegossenem Käfig sind sogar betriebssicherer als Stabausführungen,dsa zu daß sie kurzfristige Überlastungen oder zu große Anlaufzeiten wesentlich besser verkraften.
Schädlich hohe Käfigerwärmungen treten nicht auf,weil die Stromwärmeverluste praktisch sofort an das Läufereisen abfließen können.Für den eingeschränkten Bereich des Einsatzes der Aluminiumkäfigläufer können also nur sachliche Gründe vorliegen und diese sollen mit der vorliegenden Erfindung beseitigt werden.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung sollen einige Figuren dienen Fig. 1 Ausschnitt der Draufsicht auf einen nach Patentanspruch 1 in Sektoren abgegossenen Rotorkäfig.
Trennfugen noch nicht verschweißt.Kühlfahnen und Auswuchtnocken sind weggelassen worden.Zur Klarstellung der Nutanordnung sind die Nuten durchscheinend gezeichnet worden.Direkt sichtbares Nutaluminium ist tiefschwarz Fig. 2 Unterschiedliche Gestaltung der Segmenttrennfugen nach Anspruch 1.Nutformen sind entsprechend anzupassen.
Fig. 3 Prinzipdarstellung einer Maschine mit einer Rotorausfuhrung nach Patentanspruch 2.Es handelt sich um eine oberflächengekühlte Ausführung.
(1 2)Hauptkurzschlußringe, (1 3)Kühlfahnen Fig. 4 Prinzipdarstellung einer innenbelüfteten Maschine nach Patentanspruch 3.
Fig. 5 Rückwärtsgekrümmte Rotorverbinderstäbe zur Minderung des aerodynamischen Geräusches.
Fig. 6 Situation der Xäuferströme bei Patentanspruch 6 und der Läuferinduktionen bei Patentanspruch 13.
(Annahme : Nutzahl gegen unendlich) I. Stabstrom (Zahninduktion) für Polpaarzahl p=3 II. Ringatrom bei geschlossenem Ring (Läuferrückeninduktion bei geschlossenem Rücken) III. Ringstrom bei nicht verschweißten Segmenttrennfugen(bzw. Läuferrückeninduktion bei segmentierten Lauferblechen).
Trennfugen bei 0,120 und 2400 am Umfang Fig. 7 Ansicht der Trennstelle zwischen 2 Teilrotoren nach Patentanspruch 9.Der vorausgesetzte Stromverlauf an dieser Übergangsstelle wurde angedeutet.
Fig. 8 Schnitt durch einen Läuferkörper der Polpaarzahl 4,der nach Patentanspruch 8 gefertigt wurde.Die Sektoranzahl n ist 4.
(26) axiale Kühlkanäle , (27) Paßfedersitz Fig. 9 Einige Abwicklungen der Rotorkäfige Fig. 9.1 Ansprüche 1 u. 6 (bei p=3 auch 8 u. 13) n=3 , p=3 (Spalt) , p+3 (Schweißstelle) Fig. 9.2 Anspruch 2 und 9 m=2 , p>=3 , 1/2 Nutteilung versetzt Fig. 9.3 Anspruch 3(Schweißst.) und 7(Trennst.) m=2 , NV=6 , p=beliebig Fig. 9.4 Ansprüche 4 u. 6 (bei p=3 auch 8 u. 13) m=2 , n=3 , p=3 (Spalte) P=3 (Schweißstellen) Fig. 9.5 Ansprüche 5,6 und 7 (bei p=3 auch Ansprüche 8 und 13) m=2 , n=3 , NV=6 p=3 (Spalte) , pf3 (Schweißstellen) Fig. 9.6 Anspruch 9 , m=2 , p=beliebig Fig.10 Kraft- und formschlüssige Teileverbindung gemäß Patentanspruch 12 Fig.11 Läuferkonstruktion nach Patentanspruch 13 Fig.12 Produktionsanteil von Aluminiumläufern in Abhängigkeit der Maschinenleistung aufgrund persönlicher Einschätzung Leerseite

Claims

Bezeichnung: Kurzschlußläufer für große Drehstrom-Asynchronmaschinen in Aluminium-Gußausführung Patentansprüche 1. Kurzschlußläufer für große Drehstrom-Asynchronmaschinen in Aluminium-Gußausführung,dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Rotorkäfig in "n" identische Sektorkäfige unterteilt wird,und daß die Segmenttrennfugen (1),(5),(6) zwischen den Teilkurzschlußringen (2) nachträglich elektrisch leitend verschweißt werden.
2. Kurzschlußläufer für große Drehstrom-Asynchronmaschinen in Aluminium-Gußausführung,dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor in der Länge in "m" Teilrotoren unterteilt wird,und daß die Teilrotoren (7) an den Trennstellen (8) einen Kurzschlußring (9) erhalten,wodurch zwei oder mehr unabhängige Läuferkörper entstehen,die bis auf einen minimalen Abstand zueinander auf die Welle (10) oder einen Wellenstern (32) angeordnet werden,und daß auf sie ein gemeinsamer Stator (11) einwirkt.
3. Kurzschlußläufer für große Drehstrom-Asynchronmaschinen in Alutninium-Gußausführung,dadurch gekennzith-net, daß der Rotor in der Länge in "m" Teilrotoren unterteilt wird und die Teilrotoren (14) an den Trennstellen (15) einen Kurzschlußring erhalten (i6),der außen eine'unterhalb der Läufernutzahl liegendetAnzahl,,Nv'' an Rotorverbinderstäben (17) mit beliebigem Profil (20) aufweist,und daß nach winkelgerechtem Anordnen der Läuferkörper auf die Welle (18) oder einen Wellenstern (32) die bündig aneinanderstoßenden Rotorverbinderstäbe elektrisch leitend verschweißt (19) werden.
4. Läufer nach den Ansprüchen 1 und 2,dadurch gekennzeichnet,daß der Rotor in der Länge in "m" Teilrotoren und die Kurzschlußkäfige der Teilrotoren zusätzlich in "n" Sektorkäfige unterteilt werden.
5. Läufer nach den Ansprüchen 1 und 3,dadurch gekennzeichnet,daß der Rotor in der Länge in "m" Teilrotoren und die Kurzschlußkäfige der Teilrotoren zusätzlich in "n" Sektorkäfige unterteilt werden
6. Läufer nach den Ansprüchen 1,4 und 5,dadurch gekennzeichnet,daß auf das Verschweißen der Teilkurzschlußringe verzichtet wird, wenn die Maschinen-Polpaarzahl "p" gleich, oder ein ganzzahliges Vielfaches, der Sektoranzahl "n" ist
7. Läufer nach den Ansprüchen 3 und 5,dadurch gekennzeichnet,daß auf das Verschweißen der Rotorverbindungsstäbe verzichtet wird.
8. Läufer nach den Ansprüchen 6 und 7,dadurch gekennzeichnet,daß die Läuferbleche in einen inneren- (21) und einen äußeren Kreisring (22) zertrennt werden,und daß der äußere in die gleichen Sektoren (23) wie der Rotorkäfig zertrennt wird ,und daß nach dem Gießen der sektorförmigen Geilläuferkörper,mittels Einschlagens von zweiseitig formschlüssigen Klammerelementen (24),in die hierfür an der Kreisringtrennfuge (25) vorgesehenen Einstanzungen, ein magnetisch geschlossener Läuferkörper vorliegt,und daß die Anzahl der Klammerelemente ein Vielfaches der Sektoranzahl "n" ist,und daß die beschriebene Klammerung zusätzlich in den Sektortrennfugen erfolgen kann (39).
9. Läufer nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet,daß die Kurzschlußringe (27) an den Trennstellen (28) schmal gehalten werden und ihr Außendurchmesser etwa in der halben Nuthöhe liegt,und daß auf diese Ringe ein gemeinsamer ringsum geschlossener Außenring (29) aufgeschweißt wird,so daß die Teilrotoren elektrisch leitend verbunden sind.
10. Läufer nach den Ansprüchen von 2 bis 9,dadurch gekennzeichnet,daß Teilrotoren zueinander um Bruchteile einer Stator- oder Rotornutteilung versetzt auf der Welle angeordnet werden (30).
11. Läufer nach den Ansprüchen 1 bis 10'dadurch gekennzeichnet,daß zur Justierung der oberen- und unteren Kurzschlußring-Gießform diese mit mindestens einer Erhebung versehen werden,die beim Abguß in Hilfsstanzungen (4) innerhalb des magnetischen Läuferrückens (3) eingreifen.
12. Läufer nach den Ansprüchen 1 bis 11 mit Ausnahme von Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet,daß die Läuferkörper (31) und Wellensterne (32) eine geradlinige, achsparallele Innenverzahnung (33) oder -rändelung in den Bohrungen erhalten,und daß die Wellen (34) und Wellensterne mit einer Außenrändelung (35) der gleichen Zahn- bzw. Rändelteilung am Umfang versehen werden,und daß die Zahn- bzw. Rändelteilung im Millimeterbereich liegt,und daß die Durchmesserzuordnung der jeweils zusammenzufügenden Teile so gewählt wird,daß definierte Pest- oder Lossitze entstehen.
13. Läufer nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet,daß der innere Kreisring durch einen Wellenstern (36) ersetzt wird,der an seinem Umfang Einfräsungen zur Aufnahme der Klammerelemente (37) aufweist,und daß die Anzahl der Wellensternarme (38),die Anzahl der Klammerelemente und die Maschinen-Polpaarzahl "p" mit der Sektoranzahl "n" übereinstimmt oder ein ganzzahliges Vielfaches davon ist.