DE4202467C2 - Asynchronmotor und Verfahren zum Herstellen des Stators und/oder des Rotors eines Asynchronmotors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Asynchron­ motor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des Stators und/oder des Rotors eines Asynchronmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Bekanntlich hat ein gewöhnlicher Kurzschlußläufer­ motor ein großes Generatordrehmoment, welches das Drehmo­ ment ist, das den Rotor bremst, wenn dieser in der normalen Drehrichtung bei übersynchroner Drehzahl mit einem negativen Schlupf rotiert. Bei Kurzschlußläufermotoren mit nur einer Drehzahl tritt diese Situation selten auf. Dagegen kommt diese Situation häufig bei polumschaltbaren Motoren vor. Bei diesen Motoren entsteht typischerweise ein Generatordrehmoment, beispielsweise bei Verfahr- und Hebe­ motoren von Kranen, wobei die Bremswirkung des Generator­ drehmoments bei Übergängen von einer höheren in eine nied­ rigere Drehzahl ausgenutzt wird. Ein großes Genera­ tordrehmoment kann auch nachteilig sein, weil es beispiels­ weise bei der Dimensionierung von Getrieben berücksichtigt werden muß. Außerdem kann ein großes Generatordrehmoment eine unerwünscht hohe Abbremsung bewirken.

Ein übermäßiges Generatordrehmoment kann durch Ein­ stellen der Statorspannung mittels verschiedener Einstell­ mittel während der Zeit, in der das Generatordrehmoment vorhanden ist, verringert werden.

Auch der Aufbau des Motors selbst kann verändert werden, um die Größe des Generatordrehmoments und die Dreh­ zahl zu beeinflussen, bei der das maximale Generatordrehmo­ ment auftritt. Eine der vorbekannten Lösungen zum Verrin­ gern des Generatordrehmoments besteht darin, die Windungs­ zahl der Stator- oder der Rotorwindung zu erhöhen.

Ebenso ist es möglich, die Querschnittsform der Stator- oder der Rotornuten zu verändern, um die Größe des Generatordrehmoments zu beeinflussen. Bei kleinen Motoren kann jedoch eine ausreichende Nutentiefe wegen der kleinen Baugröße des Motors nicht erreicht werden.

Bekanntlich kann auch die Neigung der Nuten als Mittel zum Beeinflussen der Größe des Generatordrehmoments und der Drehzahl verwendet werden, bei der ein maximales Generatordrehmoment auftritt. Eine Änderung der Nutennei­ gung beeinflußt motorseitig auch die Größe des Schlupfes. Ein großer Motorschlupf ist nachteilig bei parallelbetrie­ benen Antriebsmotoren bei Verfahr- oder Hebemechanismen, da er zu einem Schräglauf des Krans oder zu einem Versatz der Last führt.

Unter Nutenneigung wird hier die Neigung der Nuten in Prozenteinheiten der Polteilung bzw. des Polabstandes verstanden. Bei vorbekannten Lösungen hat die Nutenneigung für Kurzschlußkäfigmotoren einen Maximalwert von ca. 40% der Polteilung.

Bei Motoren, die mit Gußwicklungen ausgestattet sind, wurden bislang zum Ändern des Generatordrehmoments Nutenneigungen nicht verwendet, die den vorgenannten Wert übersteigen. Bislang wurde eine normale Nutenneigung, d. h. eine Neigung von etwa 40%, für Motoren mit Gußwicklungen nur zur Verringerung des Geräuschpegels und höherer harmo­ nischer Motordrehmomente sowie zum Verbessern der Motor­ leistung verwendet.

Die obengenannten Gegebenenheiten begrenzen die Verwendung polumschaltbarer Motoren mit Gußwicklungen.

DE 23 28 423 A1, von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen ist, zeigt einen Käfigläufer-Induktionsmotor, bei dem die Nuten in einer Neigung angeordnet sind, die eine Überdeckung von etwa 2,5 bis 2,75 pro Nutenteilung bewirkt. Diese Überdeckung entspricht bei einem vierpoligen Motor einer Nutenneigung von 83,3 bis 90% der Polteilung. Ziel der Nutenschrägung ist die Einstellung eines belastungsabhängigen Schlupfes, d. h. eines hohen Schlupfes beim Leerlaufbetrieb und eines abnehmenden Schlupfes mit zunehmender Last.

J. Hoffmann und G. Rauter beschreiben in ihrem Aufsatz "Käfigwicklungen von Asynchronmaschinen", Technische Rundschau, Heft 10 und 11, 1966, S. 15 bis 19, ein Wärmebehandlungsverfahren, das dazu dient, die Querleitfähigkeit zwischen zwei benachbarten Nuten zu verringern und dadurch die Anlaufeigenschaften (Sattelbildung in der Drehmomentkurve) des Motors zu verbessern. Eine kurzzeitige Aufheizung "Flambieren" dient darüber hinaus, die Isolation des Käfigs gegen das Blechpaket heraufzusetzen.

ETZ, 55. Jahrgang, 1934, Heft 46, S. 1117 bis 1119, behandelt die Auswirkung einer Nutenschrägung bei Kurzschlußankermotoren und Drehstromgeneratoren. Dort wird eine Nutenschrägung von 75% der Polteilung verwendet, um die Erzeugung von Oberwellen und damit deren Einfluß au die Felderregerkurve einer Wicklung zu verringern. In dieser Druckschrift wird ebenfalls eine Hitzebehandlung des Läuferkäfigs offenbart, die das Ziel hat, die Leitfähigkeit zu verbessern und die Anlaufeigenschaften des Motors hinsichtlich der Sattelbildung in der Drehmomentkurve zu verbessern. Diese Sattelbildung ist wiederum ein Problem der Überlagerung von Oberwellen.

In dem Aufsatz von K. Oberretl in ETZ-A 86 (1965), Heft 15, S. 619 bis 627, wird der Einfluß einer Nutenschrägung auf den Drehmomentverlauf eines Käfigläufermotors beschrieben. In dieser Druckschrift wird ausgeführt, daß eine Nutenschrägung zunächst die Zusatzverluste und damit den Läuferwiderstand erhöht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Asynchronmotor sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Stators und/oder eines Rotors eines Asynchronmotors anzugeben, der bzw. das das Generatordrehmoment des Asynchronmotors verringert, oh­ ne den Schlupf merklich zu ändern.

Diese Aufgabe wird für einen Asynchronmotor durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und für ein Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 gelöst.

Gemäß der Erfindung hat der Statorkern bzw. der Ro­ torkern Nuten, die in einer ungewöhnlich schrägen Stellung, d. h. annähernd 60% bis 83% der Polteilung, relativ zuein­ ander angeordnet sind. Der Stator und/oder der Rotor wird bzw. werden nach dem Vergießen der Wicklungen einer Hitze­ behandlung unterzogen, um den Effekt der Nutenneigung zu manifestieren. Die Hitzebehandlung besteht aus Heizen des Stators und/oder des Rotors auf eine hohe Temperatur und einem nachfolgenden schnellen Abkühlen.

Bei einem nach der Erfindung aufgebauten Motor ist das Generatordrehmoment verringert, während der Schlupf im wesentlichen unverändert bleibt.

Die Hitzebehandlung bewirkt, daß die vergossene Wicklung vom Wicklungspaket gelöst wird, was auf die durch das Aufheizen bewirkte Ausdehnung und die durch das Abküh­ len bewirkte Zusammenziehung zurückzuführen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wände und die Böden der Stator- und/oder Rotorwicklungsnuten, die eine außergewöhnliche Neigung von etwa 60% bis 83% der Polteilung relativ zu­ einander haben, vor dem Gießen der Wicklungen mit einer hitzebeständigen Isolierung versehen sind.

Dieses Ausführungsbeispiel standardisiert bzw. ver­ einheitlicht die Hitzebehandlung. Die Verwendung einer dün­ nen Schicht aus Isoliermaterial zwischen der Nutenwand und der Gußwicklung ermöglicht es, daß die Gußwicklung auf ge­ eignete Weise von der Nut gelöst werden kann. Demgemäß sind die auf die Gußwicklung wegen der thermischen Ausdehnung ausgeübten Kräfte verringert, was bedeutet, daß die Gefahr des Wicklungsbruches in Folge der Hitzebehandlung verrin­ gert ist. Ein weiterer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, daß nach der Hitzebehandlung die Gußstäbe in einem verbesserten spannungsfreien Zustand sind, was bedeu­ tet, daß die Motoreigenschaften sich während seiner Lebens­ dauer nicht ändern. Das Isoliermaterial kann beispielsweise aus flüssigen Substanzen bestehen, die nach Trocknen oder Härten eine sehr dünne Isolierschicht auf den Nutenflächen bilden.

Im folgenden wird die Erfindung näher anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnung be­ schrieben. In dieser zeigen die

Fig. 1a und 1b einen Querschnitt eines Kurz­ schlußläufermotors nach der Erfindung, gesehen von einer Seite bzw. von einem Ende, und

Fig. 2 das Drehmoment eines Kurzschlußläufermotors nach der Erfindung als eine Funktion der Drehzahl vor bzw. nach der Hitzebehandlung.

Die Fig. 1a und 1b zeigen den Kurzschlußläufermotor nach der Erfindung, dessen Gehäuse 1 einen Statorkern 2 und einen Rotorkern 4 aufnimmt. Letzterer besteht aus einem ferromagnetischen Material und rotiert mit der Welle 3 des Motors. Der Stator ist mit einer Drahtwicklung 6 versehen, während der Rotor eine Kurzschlußkäfigwicklung 8 hat, die in die Rotornuten 7 eingegossen ist.

Gemäß der Erfindung haben die Stator- und Rotorker­ ne 2, 4 Nuten 5, 7, die in einer außergewöhnlich schrägen Lage relativ zueinander angeordnet sind, wobei die Neigung annähernd 60% bis 83% der Polteilung beträgt, und wobei nach dem Gießen der Wicklung der Rotor einer Hitzebehand­ lung unterzogen wird, die ausgelegt ist, den Effekt der Nutenneigung zu manifestieren. Die Hitzebehandlung besteht darin, den Rotor auf eine hohe Temperatur aufzuheizen und ihn danach schnell abzukühlen.

Zusätzlich werden die Wände der Rotorwicklungsnu­ ten 5 vor dem Gießen der Wicklungen mit einem hitzebestän­ digen Isoliermaterial behandelt.

Im Diagramm nach der Fig. 2 sind auf der horizon­ talen Achse die relative Drehzahl und auf der vertikalen Achse das relative Drehmoment des Motors aufgetragen. Die Kurve 10 gibt das Motordrehmoment als Funktion der Drehzahl für einen nach der Erfindung aufgebauten polumschaltbaren Motor wieder, der ein Drehzahlverhältnis von 1 : 6, eine Guß­ aluminium-Kurzschlußkäfigwicklung und eine Nutenneigung von 65% der Polteilung für die niedrige Geschwindigkeit hat, wenn der Motor noch nicht der Hitzebehandlung unterzogen worden ist. Die Drehmomentkurven für bekannte polumschalt­ bare Motoren mit einer Nutenneigung von 40% der Polteilung haben im wesentlichen die gleiche Form wie Kurve 10, sowohl ohne als auch nach Hitzebehandlung.

Die Größe Ms bezeichnet den Wert des Startdrehmo­ ments für die niedrige Drehzahl. Die Kurve 11 gibt den Wert des Lastdrehmoments wieder, wobei Mn das nominelle Drehmo­ ment und Nn die nominelle Drehzahl des Motors bezeichnen. Die Kurve 10′ gibt das Drehmoment desselben Motors wie Kur­ ve 10 wieder, jedoch wurde diesmal der Motor einer Hitzebe­ handlung nach der Erfindung unterzogen. Wie zu sehen ist, ist das Drehmoment auf der Generatorseite des Motors, das durch die Wicklung für die niedrige Geschwindigkeit erzeugt wird, nunmehr wesentlich verringert, während die Motordreh­ zahl mit dem Lastdrehmoment im wesentlichen unverändert bleibt, d. h., der Motorschlupf ist nicht erhöht, wodurch die Wirkung der großen Nutenneigung augenscheinlich wird. Der Spitzenwert Mg′ des Generatordrehmoments bei niedriger Ge­ schwindigkeit ist um mehr als 20% reduziert, verglichen mit dem entsprechenden Wert Mg für einen Motor ohne Hitze­ behandlung. Beide Tatsachen, die Verringerung des Genera­ tordrehmoments und der im wesentlichen unveränderte Schlupf, sind Vorteile, die durch die Erfindung erreicht werden.

Weiterhin kann beobachtet werden, daß das Start­ drehmoment für die untere Geschwindigkeit durch die Hitze­ behandlung etwas verringert ist. Jedoch verringert ein Vor­ gehen nach der Erfindung das Startdrehmoment nicht zu sehr, sondern der erreichte Wert Ms′ des Startdrehmoments ist noch ausreichend, um beispielsweise Anforderungen bei An­ wendungen für einen Kranantrieb zu genügen.

Die Hitzebehandlung nach der Erfindung kann entwe­ der beim Stator oder beim Rotor oder auch bei beiden ange­ wendet werden, wenn beide eine Gußwicklung haben. Häufig hat der Stator eines Motors eine Drahtwicklung, wie im vor­ liegenden Fall, so daß nur der Rotor, der eine Kurzschluß­ läuferwicklung hat, einer Hitzebehandlung unterworfen wird. Die Wirkung der außergewöhnlich großen Nutenneigung kann durch geeignetes Auswählen der Temperatur und der Dauer der Hitzebehandlung eingestellt werden, wodurch es möglich wird, Motoren mit einem gewünschten Generatordrehmoment herzustellen, das bei einer gewünschten Drehzahl auftritt.

Die Temperatur und die Dauer der Hitzebehandlung hängen auch von der Baugröße des zu behandelnden Stators bzw. Rotors ab. Bei der Vorgehensweise nach der Erfindung beträgt die bei der Hitzebehandlung verwendete Temperatur einige hundert Grad Celsius, beispielsweise 400°C, und die Behandlungsdauer ungefähr zwei bis sechs Stunden.

Anzumerken ist noch, daß die Erfindung nicht aus­ schließlich bei polumschaltbaren Motoren einsetzbar ist, sondern auch bei Motoren mit einer einzigen Drehzahl.

Claims (3)

1. Asynchronmotor mit in Nuten (5, 7) angeordneten Stator- und Rotorwicklungen (6, 8), von denen mindestens eine eine Gußwicklung (8) ist, bei dem die Nuten (5, 7) auf dem Stator und die auf dem Rotor relativ zueinander eine schräge Lage haben, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
Die Neigung der Nuten (5, 7) zueinander beträgt annähernd 60 bis 83% der Polteilung,
der Stator und/oder der Rotor werden nach dem Gießen der Wicklung (8) bzw. der Wicklungen (6, 8) einer Hitzebehandlung unterzogen, die aus einem Aufheizen des Stators und/oder des Rotors auf eine hohe Temperatur und darauffolgendem Abkühlen besteht.

2. Verfahren zum Herstellen des Stators und/oder des Rotors eines Asynchronmotors, bei dem die Stator- und die Rotorwicklung (6, 8) des Asynchronmotors in Nuten (5, 7) angeordnet werden, und mindestens eine der Wicklungen (6, 8) durch Gießen hergestellt wird, und bei dem die Nuten (5, 7) auf dem Stator und dem Rotor in einer relativ zueinander schrägen Lage angeordnet werden, gekennzeichnet durch eine Kombination folgender Merkmale:
Die Nuten (5, 7) auf dem Stator und dem Rotor werden relativ zueinander derart schräg angeordnet, daß die Nutenneigung annähernd 60% bis 83% der Polteilung beträgt,
nach dem Gießen der Wicklung (8) bzw. der Wicklungen (6, 8) wird der Stator und/oder der Rotor zur Erhöhung der Wirkung der Nutenneigung einer Hitzebehandlung unterzogen, bei der der Stator und/oder der Rotor auf eine hohe Temperatur aufgeheizt und danach abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der Nuten (5, 7) vor dem Gießen der Wicklungen (6, 8) mit einem hitzebeständigen Isoliermaterial überzogen werden.