DE4014116A1 - Asynchronmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Asynchronmaschine nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs.

Eine derartige Asynchronmaschine mit einem die Läuferstäbe elektrisch leitend verbindenden Kurzschlußring ist aus der DE-PS 8 70 449 bekannt.

Während bei Drehstromasynchronmotoren mit sog. Schleifring­ läufer der auf einer Welle befindliche geblechte Läufer mit einer Wicklung versehen ist, werden beim sog. Kurzschluß­ läufer die Läuferstäbe an beiden Enden mit einem oder meh­ reren Kurzschlußringen verbunden. Bei Motoren kleiner und mittlerer Leistung wird der Kurzschlußkäfig (Stäbe und Ringe) mittels Druckgießen aus Aluminium hergestellt. Bei Motoren großer Leistung werden in der Regel Hochstäbe verwendet, die durch Hartlöten mit dem Kurzschlußring verbunden sind. Stäbe und Ringe bestehen dabei vorwiegend aus Kupfer. Der Ein­ schaltstrom 2- und 4-poliger Asynchronmotoren (Marktanteil ca. 80%) großer Leistungen beträgt das ca. 5- bis 6,5-fache des Motornennstroms. Dieser Einschaltstrom ist aus folgenden Gründen unerwünscht:
Er bringt eine hohe Netzbelastung mit sich. Dies kann zu kurz­ zeitigen Spannungseinbrüchen führen. Bei Nachrüstungen kann das Netz überlastet werden.

Es entstehen hohe Dimensionierungskosten von Anlagenteilen (Schalter, Anlaßtrafo etc.).

Weiterhin entstehen hohe Stromkräfte während des Anlaufs sowie im blockierten Zustand oder bei Kurzschlüssen. Diese Kräfte wirken beispielsweise auf den Wickelkopf der Ständer­ wicklung, auf Ableitungen, Stromschienen und ähnliches.

Neben den bekannten Methoden zur Erzielung eines möglichst hohen Läuferwiderstands bei stillstehendem Läufer sowie während der Anlaufphase des Motors sind auch Methoden be­ kannt, den Einschaltstrom durch die Kurzschlußringanordnung zu beeinflussen.

Die einfachste Art der Beeinflussung des Einschaltstroms durch die Kurzschlußringanordnung wäre eine Erhöhung des Ring­ widerstands durch eine Verringerung des Querschnitts bei gleichem Material bzw. durch ein Material mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit bei gleichem Querschnitt. Diese Möglichkeit scheidet jedoch sinnvollerweise in der Regel aus, da dann auch im Betrieb erhöhte Läuferverluste entstehen würden, was normalerweise unerwünscht ist.

In der DE-PS 8 70 449, aus der eine Asynchronmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt ist, wird ein Innenring vorgeschlagen, der sich unter dem Ring und den überstehenden Stäben befindet. Diese Lösung bringt jedoch Nachteile mit sich. Es bestehen Befestigungsprobleme. Eine optimale Strom­ verdrängung im Kurzschlußring ist nicht möglich. Weiterhin wird bei Motoren mit definiertem Innenkühlkreislauf die Kühl­ luftführung behindert.

Aus der DE-PS 31 47 560 ist ein Käfigläufer für eine Asynchronmaschine bekannt, bei dem neben einem Kurzschlußring wenigstens ein weiterer elektrisch leitender Ring vorgesehen ist. Damit der zur Erhöhung des Anlaßmoments erforderliche Mehrverlust nicht innerhalb des Eisenkörpers, sondern im Stirnraum entsteht, wodurch die Konstruktion einfacher und die Herstellung billiger sein soll, ist der Ring an zumindest einem Ende des Käfigläufers an der dem Eisenkörper abgekehr ten Seite des Kurzschlußrings in axialer Richtung neben dem und im Abstand vom Kurzschlußring auf der Welle des Käfig­ läufers im gemeinsamen magnetischen Feld von Kurzschlußring und Wickelköpfen angeordnet. Der Raum im Motorinnern unter­ halb des Wickelkopfs wird für die Erhöhung der Wirbelstrom­ verluste und somit einer erhöhten Stirnkopfstreuung ausge­ nutzt. Hierdurch verringert sich der Einschaltstrom bei er­ höhtem Anzugsmoment. Ein Nachteil dieser Lösung besteht aller­ dings darin, daß die mathematische Berechnung äußerst schwie­ rig ist, da die Wickelkopfgeometrie von vielen Parametern abhängig ist. Weiterhin wird bei Motoren mit definiertem Innenkühlkreislauf die Kühlluftführung behindert.

Aus der DE-PS 7 02 734 ist ein aus Werkstoffen verschiedener elektrischer Leitfähigkeit bestehender Kurzschlußring für elektrische Maschinen bekannt, bei dem der Querschnitt des Ringes höherer Leitfähigkeit mit Rücksicht auf den ihn im Dauerbetrieb durchfließenden Strom verhältnismäßig klein und der Querschnitt des Ringes geringerer Leitfähigkeit für die Aufnahme der beim Anlauf entstehenden Stromwärme verhältnis­ mäßig groß bemessen ist, wobei zur Förderung des Wärmeüber­ ganges die Berührungsfläche beider Ringe durch gegenseitigen Eingriff mittels Nuten vergrößert ist und/oder die Wärme­ abgabe der Kurzschlußstäbe an den Ring geringerer elektri­ scher Leitfähigkeit direkt erfolgt.

Die DE-PS 5 48 965 offenbart einen Käfiganker, bei dem die Ankerleiter an einem oder an beiden Enden durch zwei Kurz­ schlußringe zu parallelen Kurzschlußzweigen ungleichen Ohmschen und induktiven Widerstandes verbunden sind, auf die sich der Ankerstrom infolge der Frequenzänderung je nach der Drehzahl verschieden verteilt. Um die ungleiche Induktanz der beiden Kurzschlußzweige ohne Verwendung besonderer zusätzli­ cher Mittel einfach durch die Formgebung der beiden Kurz­ schlußringe und ihre Anordnung in Bezug auf die Ständerwick­ lung bewirken zu können, ist der Kurzschlußring mit dem klei­ neren induktiven Widerstand zylindrisch ausgebildet und mög­ lichst nahe an die Ständerwicklung gelegt, während der Kurz­ schlußring mit dem größeren induktiven Widerstand dagegen in der üblichen Weise als hochkant gestellter Ring ausgebildet ist und nahe am Eisenkörper des Ankers liegt.

In der Literaturstelle etz Band 111 (1990), Heft 6, Seiten 294-296 "Anlaufscheibenläufer für zweipolige Hochleistungs- Asynchronmotoren" von Gabor Kovacs wird ein Anlaufscheiben­ läufer beschrieben, durch den das Anlaufmoment erhöht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Kurzschlußring des Kurzschlußkäfigs einer Asynchronmaschine der eingangs angegebenen Art derart zu gestalten, daß die Höhe des Ein­ schaltstroms vermindert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Der mit den Läuferstäben elektrisch leitend verbundene Kurzschluß­ ring ist an drei Seiten von einem weiteren Ring aus magne­ tisch leitendem Material umgeben. Hierdurch wird in über­ raschender Weise sowohl bei stillstehender als auch bei in der Anlaufphase befindlicher Asynchronmaschine das Streufeld des Wickelkopfs der Ständerwicklung sowie des herkömmlichen Kurzschlußrings erheblich verstärkt. Hierdurch kann die Höhe des Einschaltstroms merkbar vermindert werden, ohne daß die Eigenschaften im Betriebspunkt verschlechtert werden. Die erfindungsgemäße Lösung ist vor allem bei 2- und 4-poligen Asynchronmaschinen mittlerer und großer Leistungen von Vor­ teil.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Asynchronmaschine größerer Leistung in einer Schnittdarstellung,

Fig. 2 den Verlauf des Motormoments in Abhängigkeit von der Drehzahl und

Fig. 3 den Verlauf des Stroms in Abhängigkeit von der Drehzahl.

Die in Fig. 1 gezeigte Asynchronmaschine größerer Leistung besitzt ein Ständerblechpaket 4 und eine darin befindliche Ständerwicklung 5 sowie einen Läufer, bestehend aus Welle 6, Läuferblechpaket 7 mit axialem Kühlluftkanal 8, Läuferstab 1 und herkömmlichem Kurzschlußring 2. Läuferstab 1 und Kurz­ schlußring 2 sind in der Regel aus Kupfer und durch Hartlöten miteinander verbunden. Der zusätzliche Ring 3 aus magnetisch leitendem Material wird an den herkömmlichen Ring 2 entweder durch Aufschrumpfen oder durch eine andere Verbindungsart, beispielsweise durch eine Schraubverbindung, befestigt. Wenn der zusätzliche Ring 3 auf den herkömmlichen Ring 2 aufge­ schrumpft ist, übernimmt der zusätzliche Ring 3 aus magne­ tisch leitendem Material in vorteilhafter Weise zusätzlich die Funktion einer Schrumpfkappe, die bekanntlich bei schnellaufenden Maschinen, vor allem 2-poligen Maschinen mit bestimmten Läuferumfangsgeschwindigkeiten, auf der äußeren Ringfläche aufgezogen werden und meist aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff bestehen. Der zusätzliche Ring 3 eignet sich auch zum Anbringen von Wuchtgewichten und/oder Lüfterflügeln.

Der hauptsächliche Vorteil des zusätzlichen aus magnetisch leitendem Material bestehenden Rings 3 liegt jedoch darin, daß sowohl bei stillstehender als auch bei in der Anlaufphase befindlicher Asynchronmaschine das Streufeld des Wickelkopfs der Ständerwicklung 5 sowie des herkömmlichen Kurzschlußrings 2 erheblich verstärkt wird. Diese Erhöhung dieser beiden Streufelder ist gleichbedeutend mit einem Ansteigen der Streu­ induktivitäten von Ständer und Läufer. Zusätzlich tritt im herkömmlichen Ring bei stillstehender und im Anlauf befind­ licher Maschine der Effekt der Stromverdrängung auf, wodurch der wirksame Ringwiderstand und somit der gesamte Läuferwider­ stand vergrößert wird. Höhere Streuinduktivitäten und höherer Läuferwiderstand vermindern den Anlaufstrom.

Dies ist in der Fig. 3 prinzipiell dargestellt. Dort ist der Strom I, bezogen auf den Nennstrom IN, in Abhängigkeit von der Drehzahl N, bezogen auf die Synchrondrehzahl Nsyn, dar­ gestellt. Die gestrichelte Kurve zeigt den Verlauf des Motor­ stroms mit Einfluß des zusätzlichen Rings 3, die ausgezogene Linie den Motorstrom ohne zusätzlichen Ring 3.

Die Fig. 2 zeigt den Verlauf des Motormoments M, bezogen auf das Nennmoment MN, in Abhängigkeit von der Drehzahl N, bezo­ gen auf die Synchrondrehzahl Nsyn, während des Hochlaufs der Maschine. Die Momentenerhöhung mit zusätzlichem Ring 3 ent­ sprechend der gestrichelten Kurve beruht auf den Wirbelstrom­ verlusten in diesen zusätzlichen Ring 3 infolge der bereits erläuterten Streufelder. Diese Momentenerhöhung wirkt sich positiv auf das Anlaufverhalten der Asynchronmaschine aus. Die geringfügige Verminderung des Kippmoments hat ihre Ursache in dem leichten Ansteigen der Streuinduktivitäten bei Vorhandensein des zusätzlichen Rings 3 für den Betriebsfall. Für den stationären Betrieb der Maschine hat dies allerdings keine nennenswerte Bedeutung.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbeson­ dere darin, daß ohne nennenswerte Beeinträchtigung des stationären Betriebsverhaltens je nach Dimensionierung des zusätzlichen Rings 3 eine spürbare Verminderung des Ein­ schaltstroms auftritt. Diese Verminderung des Einschaltstroms kann bei 2- und 4-poligen Maschinen etwa 20 bis 40% betra­ gen. Dies wiederum hat eine wesentlich geringere Belastung des jeweiligen Versorgungsnetzes zur Folge bzw. ermöglicht in vielen Fällen erst den Betrieb einer Asynchronmaschine mit Kurzschlußläufer ohne die Verwendung kostspieliger Anlaß­ methoden.

Da zusätzliche Läuferverluste derart ausgeführter Maschinen nur während der Anlaufphase auftreten, ist selbst bei extrem niedrigen Verhältnissen des Kurzschlußstroms IK zum Nennstrom IN von 3,5 bis 4,0 bei 2- und 4-poligen Maschinen keine bzw. keine nennenswerte Erhöhung des aktiven Maschinenvolumens erforderlich. Die erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht natürlich auch eine nachträgliche Reduzierung des Anlauf­ (Kurzschluß-)stroms bei bereits gebauten Maschinen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird der bereits bekannte Ring 2 an drei Seiten von dem erfindungsgemäß vorgesehenen weiteren Ring 3 aus magnetisch leitendem Material umgeben. Lediglich an der den Läuferstäben 1 zugewandten Seite wird der Kurz­ schlußring 2 nicht von dem weiteren Ring 3 umgeben. Der Kurz­ schlußring 2 wird von dem weiteren Ring 3 an seiner oberen, radial außen liegenden Seite, an seiner unteren, radial innen liegenden Seite und an seiner den Läuferstäben 1 abgewandten Seite umgeben.

Claims (1)

1. Asynchronmaschine mit einem die Läuferstäbe (1) elektrisch leitend verbindenden Kurzschlußring (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußring (2) an drei Seiten von einem weiteren Ring (3) aus magnetisch leitendem Material umgeben ist.