DE3851699T2

DE3851699T2 - Elektrischer Motor hoher Leistung und hoher Umdrehungsgeschwindigkeit.

Info

Publication number: DE3851699T2
Application number: DE3851699T
Authority: DE
Inventors: Pierre Bawin; Dominique Gilon
Original assignee: GEC Alstom ACEC Energie SA
Current assignee: Alstom Belgium SA
Priority date: 1988-05-27
Filing date: 1988-05-27
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2008-05-28
Also published as: ATE112429T1; DE3851699D1; EP0343313A1; EP0343313B1

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit hoher Leistung, der dazu bestimmt ist, bei sehr hohen Drehzahlen zu laufen. Sie betrifft speziell Verbesserungen bei dem Rotor eines solchen Elektromotors, insbesondere eines asynchronen Motors.

Technisches Gebiet der Erfindung

Gegenwärtig besteht ein Bedürfnis nach leistungsstarken Elektromotoren, die bei einer hohen Drehzahl, und zwar in der Größenordnung von 10.000 U/min und mehr laufen können.
Die Verbesserungen bei den Halbleitern, aus denen die Leistungselektronik besteht, ermöglichen gegenwärtig, asynchrone Motoren, die eine hohe Leistung aufweisen, mit variabler Frequenz zu steuern und folglich ihre Drehzahl zu regeln, wobei diese asynchronen Motoren Leistungen in der Größenordnung von 6 MW und mehr aufweisen können.
Bei der Verwirklichung großer Maschinen mit Drehzahlen in der obenerwähnten Größenordnung ergeben sich jedoch Schwierigkeiten mechanischer Art, insbesondere hinsichtlich der Festigkeit der beweglichen Teile dieser Maschinen, im vorliegenden Fall des Rotors.
Bei einem Rotor von herkömmlicher Bauweise bewirkt die Steifigkeit der Welle allein keine genügende Steifigkeit des gesamten Rotors, um ihm zu ermöglichen, sehr hohe Drehzahlen zu erreichen, ohne auf eine erste kritische Drehzahl zu treffen.

Ziele der Erfindung

Die vorliegende Erfindung zielt folglich darauf ab, einen leistungsstarken Elektromotor zu verwirklichen, der derart verbessert ist, daß er bei hohen Drehzahlen laufen kann.
Ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verbesserung, insbesondere bei dem Rotor dieses Motors zu verwirklichen, die bewirkt, daß die erste kritische Drehzahl bis über die maximale Drehzahl hinaus verschoben wird.

Charakteristische Elemente der Erfindung

Die Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch einen leistungsstarken Elektromotor erreicht, der einen Rotor umfaßt, dessen Käfigwicklung zu der Versteifung des Rotors beiträgt, der dazu bestimmt ist, sich bei sehr hoher Drehzahl um die Achse des Motors zu drehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt der Rotor eine Welle, auf der eine magnetische Masse durch Festklemmen angebracht ist und durch zwei mit der Welle fest verbundene Platten festgehalten wird. Die Platten, die als Kurzschluß ringe dienen, sind über Stäbe miteinander verbunden, um eine Käfigwicklung zu bilden, und bestehen vorzugsweise aus einem Material mit hoher mechanischer Festigkeit und niedrigem spezifischem elektrischem Widerstand.
Gemäß der Erfindung sind die Platten durch Aufschrumpfen, insbesondere sehr starkes Aufschrumpfen, bei dem die auf die Platten einwirkende Spannung bis in die Nähe der Elastizitätsgrenze reicht, mit der Welle fest verbunden. Angesichts der besonders hohen Drehzahlen ist es in der Tat erforderlich, einen Zusammenbau vorzusehen, der besonders widerstandsfähig gegen Zentrifugalkräfte ist.
Aus analogen Gründen sind die Stäbe, die die Platten miteinander verbinden, ebenfalls durch Festklemmen mit den Platten fest verbunden. Die Stäbe werden in der Tat in geeignete Öffnungen eingeschoben, die in dem Rand der Platten angebracht sind, und die Enden der Stäbe werden danach durch Eintreiben von konischen Dornen aufgeweitet.
In vorteilhafter Weise werden Materialien wie legiertes und behandeltes Kupfer verwendet, die eine gute mechanische Festigkeit und einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen.
Um die guten mechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien zu bewahren, ist es wichtig, einen Zusammenbau durch Schweißen oder Hartlöten soweit wie möglich zu vermeiden. Im übrigen muß der verwendete Zusammenbau auch einen guten elektrischen Kontakt gewährleisten.
Es ist leicht festzustellen, daß die so verwirklichte Käfigwicklung wesentlich dazu beiträgt, die Steifigkeit der Welle zu erhöhen, und folglich ermöglicht, die erste kritische Drehzahl bis zu Werten zurückzudrängen, die jenseits der besonders hohen Betriebsdrehzahlen der erfindungsgemäßen Maschine liegen.
Die Welle des Elektromotors ist vorzugsweise in an sich bekannten magnetischen Lagern gelagert, die die Verluste durch Reibung vermindern, und die sehr hohe Drehzahlen ermöglichen. Die magnetischen Lager haben außerdem den Vorteil, daß sie praktisch keine Wartung erfordern und eine Fernsteuerung und Fernüberwachung ermöglichen.
Angesichts der hohen Drehzahlen, denen die erfindungsgemäße Maschine unterworfen wird, ist es natürlich wichtig, bei der Ausführung des Luftspaltes mit besonderer Sorgfalt vorzugehen; der Luftspalt soll glatt sein, so daß Wirbel, die einen Druckabfall hervorrufen, vermieden werden. Darum ist es zweckmäßig, den Rotor maschinell zu bearbeiten, sobald die magnetischen Bleche auf der Welle angebracht sind.
Die Statornuten werden gemäß der herkömmlichen Technik zum Zusammenbau der Elektromotoren durch Keile verschlossen, die mit der Bohrung des Stators nicht bündig abschließen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stehen die verwendeten Keile nach ihrer Anbringung in den Nuten über das Niveau der Bohrung des Stators über. Dies ermöglicht, bei einer späteren maschinellen Bearbeitung eine absolut glatte Statorbohrung zu erhalten, so daß der Druckverlust durch Ventilation noch weiter vermindert wird.
Um die mechanischen Spannungen infolge der bei hohen Drehzahlen hervorgerufen Zentrifugalkräfte zu vermindern, kann es außerdem vorteilhaft sein, die Mitnahme- und Walzrichtungsmarkierungslöcher der Rotorbleche zu beseitigen, insbesondere durch einen zusätzlichen Stanzschritt im Anschluß an das Ausstanzen der Nuten für die Stäbe der Käfigwicklung.

Kurze Beschreibung der Figur

Die Erfindung wird nun ausführlicher beschrieben unter Bezugnahme auf die im Anhang beigefügte Figur, die einen schematischen, partiellen Längsschnitt eines Rotors eines erfindungsgemäßen Elektromotors wiedergibt.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

In der im Anhang beigefügten Figur ist nur der Rotor eines erfindungsgemäßen Motors wiedergegeben und der Stator weggelassen.
Der Rotor 1 umfaßt eine Welle 3, die auf beiden Seiten von magnetischen Lagern (nicht wiedergegeben) getragen wird. Auf dieser Welle ist eine aus geeignet orientierten Rotorblechen bestehende, magnetische Masse 5 angebracht, wobei die Rotorbleche auf der Welle durch Festklemmen festgehalten werden.
Die Rotorbleche 5 werden durch zwei Platten 7 und 9, die an den Enden der magnetischen Masse 5 angeordnet sind, gegeneinander gepreßt und sind auf die Welle 3 aufgeschrumpft. Diese Platten 7 und 9, die durch Stäbe 11 miteinander verbunden sind, um die Käfigwicklung des Rotors zu bilden, dienen als Kurzschlußring und stellen eine starre mechanische Verbindung zwischen der Welle 3 und den Stäben der Käfigwicklung sicher, so daß die Steifigkeit des gesamten Motors erhöht wird.
Die Stäbe 11 werden durch Festklemmen mit den Platten 7 und 9 verbunden. Die Stäbe 11 werden in der Tat in entsprechenden Öffnungen angeordnet, die in dem Rand der Platten 7 und 9 angebracht sind, und dort festgeklemmt, wozu ionische Dorne 13 in Längsbohrungen 15 eingetrieben werden, die in den Enden der Stäbe 11 angebracht sind.
Die Stäbe 11 und die Platten 7 und 9 bestehen in vorteilhafter Weise aus legiertem Kupfer, das eine hohe mechanische Festigkeit und einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.
Um einen durch Unregelmäßigkeiten der äußeren Oberfläche des Rotors hervorgerufenen Druckabfall zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die äußere Oberfläche des Rotors maschinell zu bearbeiten, wobei diese Unregelmäßigkeiten auf den Zusammenbau von Rotorblechen mit leicht variierenden Abmessungen zurückzuführen sind.
Um die Bildung von Anrissen infolge der Zentrifugalkräfte zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Mitnahme- Perforierungen, die das Einführen eines rotierenden Mitnahme- Organs zwecks Ausstanzung der Nuten für die Rotorleiter ermöglichen, und außerdem die Perforierungen zur Markierung des Walzkorns der Bleche zu beseitigen. Diese Perforierungen liegen in der Tat im allgemeinen in der Nähe des Zentrums der Rotorbleche und können durch einen Stanzvorgang eliminiert werden, der dazu bestimmt ist, den Innendurchmesser auf den für die Anbringung auf der Welle geforderten Wert zu erhöhen.
Der Stator kann ebenfalls einer Behandlung unterworfen werden, die eine geeignete Formgebung der zu dem Rotor hin gerichteten, inneren Oberfläche ermöglicht, insbesondere durch maschinelle Bearbeitung der Nutenkeile.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde eine Maschine mit einer Leistung in der Größenordnung von 6 MW bei 10000 U/min gebaut (deren erste kritische Drehzahl bei ungefähr 13000 U/min liegt).

Claims

1. Elektromotor mit hoher Leistung und hoher Drehzahl, der einen Rotor und einen Stator umfaßt, wobei der Rotor (1) eine Welle (3) aufweist, auf der eine aus Rotorblechen bestehende, magnetische Masse durch Festklemmen angebracht ist und durch Festklemmen durch zwei Platten (7, 9) festgehalten wird, die mit der Welle (3) fest verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Platten (7, 9), die als Kurzschlußringe einer Käfigwicklung verwendet werden, mit der Welle (3) durch Aufschrumpfen fest verbunden sind.

2. Elektromotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (11), die die Platten (7, 9) miteinander verbinden, in entsprechenden Öffnungen (15) angeordnet sind, die bei dem Umfang der Platten (7, 9) angebracht sind.

3. Elektromotor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (11) durch Festklemmen mittels konischer Dorne (13) mit den Platten (7, 9) verbunden sind, wobei diese Dorne in die Enden der Stäbe (11) eingetrieben sind, die in entsprechende, in den Platten (7, 9) angebrachte Öffnungen eingeschoben sind.

4. Elektromotor gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (7, 9) und die Stäbe (11) aus einem Material mit hoher mechanischer Festigkeit und niedrigem spezifischem elektrischem Widerstand bestehen.

5. Elektromotor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (7, 9) und die Stäbe (11) aus legiertem und behandeltem Kupfer sind.

6. Elektromotor gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor in magnetischen Lagern gelagert ist.

7. Elektromotor gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile zum Bedecken der Verdrahtungsnuten des Stators bis zu dem Niveau der glatten inneren Oberfläche des Stators abgeschliffen sind.