DE4233474A1 - Käfigwicklung für eine elektrische Induktionsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Käfigwicklung für eine elektrische Induktionsmaschine.

Eine Käfigwicklung, bei der Kurzschlußringe axial vom Blechpaket beabstandet angeordnet und stirnseitig mit axial überstehenden Käfigstäben verbunden sind, ist bereits aus der DE-OS 30 06 761 bekannt. Diese Käfig­ wicklung ist für Stabbrüche, insbesondere an der Verbindungsstelle zum Kurzschlußring, anfällig.

Eine Untersuchung der Ursachen (etz, 1984, Heft 6, Seite 165 bis 172) zeigt, daß das Zusammenspiel der in unter­ schiedlichen Richtungen einwirkenden Kräfte die Stabbrüche verursacht. Dabei wirken Fliehkräfte und elektrodynamische Wechselkräfte in radialer Richtung, die infolge von Erwärmungsunterschieden auftretenden Kräfte in axialer Richtung und Drehschwingungskräfte in tangentialer Richtung. Die in axialer oder radialer Richtung wirkenden Kräfte sind hinreichend untersucht und werden mittels entsprechender Gegenmaßnahmen weitestgehend sicher beherrscht. Der tangentialen Beanspruchung von Käfigwick­ lungen ist bisher wenig Beachtung geschenkt worden.

Die Käfigwicklung, wie sie aus der DE-OS 30 06 761 bekannt ist, bildet ein drehschwingungsfähiges System. Das Läufer­ blechpaket und die beiden über die Stäbe drehelastisch angekoppelten Kurzschlußringe bilden einen "Drei-Massen- Torsionsschwinger". Wenn die Frequenz von betriebsmäßig angeregten parasitären Pendelmomenten mit der Eigenfrequenz dieses drehschwingungsfähigen Systems zuzusammenfällt oder in deren Nähe kommt, dann liegt Resonanz oder Resonanznähe vor. Hierdurch wird eine beachtliche tangentiale Biegewechselbeanspruchung in den Stäben hervorgerufen, die schließlich zum Stabbruch führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Käfigwick­ lung so auszugestalten, daß deren Drehschwingungssteifig­ keit erheblich erhöht ist.

Diese Aufgabe ist bei einer Käfigwicklung für elektrische Induktionsmaschinen gelöst, bei der die vom Blechpaket axial beabstandeten Kurzschlußringe mit stirnseitig axial überstehenden Käfigstäben verbunden sind, wobei die Käfigstäbe zumindest in ihren stirnseitig überstehenden Endbereichen derart unterteilt sind, daß getrennte radial übereinanderliegende Stabenden gebildet sind und die je­ weils zu einer Nut gehörenden Stabenden tangential gegen­ sinnig abgekröpft sind. Die tangentiale Abkröpfung der Stabenden der Käfigwicklung bewirkt eine Änderung des zwischen Läuferblechpaket und Kurzschlußring befindlichen Bereichs des Stabüberstandes. Damit wird die Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems derart verschoben, daß bei betriebsgemäßen Pendelungen ein ausreichender Resonanz­ abstand gewahrt ist. Ein wesentlicher Vorteil dieser Käfigwicklung ist auch in der fachwerkartigen Versteifung im stirnseitig überstehenden Endbereich der Käfigstäbe zu sehen.

Ferner wird die Aufgabe auch bei einer Käfigwicklung für Induktionsmaschinen, bei der die stirnseitig axial über­ stehenden Käfigstäbe zumindest in ihren stirnseitig überstehenden Endbereichen derart unterteilt sind, daß getrennte radial übereinanderliegende Stabenden gebildet sind und die zu einer Nut gehörenden Stabenden tangential gegensinnig abgekröpft sind, wobei jeweils ein aus einer Nut stirnseitig hervorstehendes radial außenliegendes Stabende mit einem aus einer in geeigneten Schrittweite beabstandeten Nut stirnseitig hervorstehendes radial innenliegendes Stabende verbunden ist, gelöst. Diese Verbindungen der Stabenden ersetzen den Kurzschlußring. Damit bilden nur noch die axial stirnseitig überstehenden Stabenden die axial außenliegenden Massen des "Drei-Massen- Torsionsschwingers".

Durch die Lösungen von Anspruch 1 und 2 ist eine Band­ breite von weiteren Lösungen abgesteckt, die jeweils problembezogen auswählbar sind. Die Höhe des von dem Kurz­ schlußring zu führenden Stromes hängt davon ab, inwieweit die Käfigstäbe tangential abgekröpft sind. Bei geringer tangentialer Abkröpfung ist der vom Kurzschlußring zu führen­ de Strom nur wenig reduziert. Bei einer tangentialen Ab­ kröpfung, die zur Verbindung von radial außenliegenden und radial innenliegenden Stabenden, welche in in Umfang­ richtung um eine Polteilung entfernt angeordneten Nuten liegen, am Kurzschlußring führt, wird dagegen der vom Kurzschlußring zu führende Strom Null. Demzufolge kann der Querschnitt des Kurzschlußringes gegenüber der aus der DE-OS 30 06 761 bekannten Bauart, nach Maßgabe des zu führenden Stromes reduziert oder durch die entsprechende Verbindung der Käfigstäbe vollständig ersetzt werden. Damit ist zusätzlich zu einer versteifenden Wirkung der tangential abgekröpften Käfigstäbe mit der möglichen stufenlosen Reduzierung des Kurzschlußringquerschnitts eine weitere Möglichkeit gegeben, die Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems wirkungsvoll zu verändern.

Gemäß den Ansprüchen 3, 4, 5 und 6 ist es auch ohne Kurzschlußring in einfacher Weise möglich, die Ver­ bindungen der Käfigstäbe entsprechend unterschiedlichster Erfordernisse an die jeweilige Induktionsmaschine aus­ zuführen. Hierdurch ist es auch möglich, eine Vielzahl verschiedener Maschinentypen dergestalt auszustatten.

Die Verbindung der entsprechend tangential abgekröpften Stabenden sind beispielsweise in einfacher Weise dadurch realisiert, daß zwischen den betreffenden Stabenden elek­ trisch leitende Kontaktstücke eingeschoben und durch Löt­ verbindungen fest eingefügt sind.

Eine gute Ausnutzung der Maschine ist möglich, wenn solche Stabenden zu Kurzschlußschleifen zusammengefaßt werden, deren Nuten sich in Umfangrichtung in einem geeigneten Abstand, insbesondere in der Größenordnung zwischen dem 0,6 und 1,4-fachen einer Polteilung, befinden.

Bei einer Käfigwicklung gemäß Anspruch 9 besteht ein weiterer Freiheitsgrad zur Festlegung der Resonanz­ frequenz, da die Unterteilung der Käfigstäbe durch die Variation der Länge der Schlitze leicht veränderbar ist. Die Variation der Länge der Schlitze in Verbindung mit der Variation der tangentialen Abkröpfung ermöglicht eine nahezu beliebige Verstimmung der Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems.

Die in den Endbereichen der Käfigstäbe angeordneten Schlitze können eine unerwünschte Kerbwirkung zur Folge haben, die in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 10 reduziert oder aufgehoben wird.

Der durch das Schlitzen der Käfigstäbe bedingte höhere Herstellungsaufwand läßt sich dadurch vermeiden, daß die Käfigstäbe aus jeweils mindestens zwei in axialer Rich­ tung durchgehend getrennten Teilstäben bestehen.

Die tangentiale Abkröpfung bewirkt eine Verkleinerung der zum radialen Kühlluftdurchtritt am Außenumfang der Käfig­ wicklung benötigten Querschnittfläche. Eine zusätzliche radial nach innen weisende Abkröpfung der radial innen­ liegenden Stabenden bewirkt, daß der Querschnitt zum Durchtritt des Kühlluftstromes wieder die erforderlichen Abmessungen aufweist. Dies gilt für eine elektrische Maschine mit Innenläufen. Bei einer Außenläufermaschine muß die entsprechende Abkröpfung radial nach außen weisen, um den Durchtritt des Kühlungsstromes zu verbessern.

Anhand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wird der Gegenstand der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes einer Käfigwicklung mit Kurzschlußring,

Fig. 2 eine Draufsicht eines Ausschnittes einer Käfig­ wicklung mit Kurzschlußring,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes einer Käfigwicklung mit verbundenen Käfigstäben,

Fig. 4 eine Draufsicht eines Ausschnittes einer Käfig­ wicklung mit verbundenen Käfigstäben,

Fig. 5 eine Draufsicht einer Käfigwicklung mit Kurzschlußschleifen,

Fig. 6 eine Draufsicht eines Ausschnittes einer Käfigwicklung mit Wellenwicklung,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines Ausschnittes einer Käfigwicklung mit einer radial nach innen weisenden Abkröpfung der radial innenliegenden Stabenden.

In Fig. 1 und 2 ist ein von einem Blechpaket 1 axial beabstandeter Kurzschlußring 2 dargestellt. Der Kurz­ schlußring 2 ist mit dem Blechpaket 1 über mit 3 bezeichnete Käfigstäbe einer Käfigwicklung verbunden.

In Fig. 1 sind in einem axial stirnseitig überstehenden Endbereich 4 die Käfigstäbe 3 derart mit Schlitzen 5 versehen, daß jeder Käfigstab 3 in diesem Endbereich 4 in ein radial außenliegendes Stabende 6 und ein radial innenliegendes Stabende 7 unterteilt ist. Damit besteht zumindest in dem stirnseitig überstehenden Endbereich 4 eine einer Zweischichtwicklung ähnliche Wicklungsform. Beide Stabenden 6 und 7 sind fest mit dem Kurzschlußring 2 verbunden. Die nachteilige Kerbwirkung des Schlitzes 5 wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine als Entlastungsbohrung ausgebildete Abrundung 8 vermieden.

Die in Fig. 2 dargestellten Stabenden 6 und 7 sind tangen­ tial gegensinnig abgekröpft. Dadurch entsteht zwischen den Stabenden 6 und 7 eine Spreizung, die an den Verbindungs­ stellen mit dem Kurzschlußring 2 ihr Maximum erreicht. Solange der Abstand zwischen Blechpaket 1 und Kurzschluß­ ring 2, der dem Endbereich 4 der Kurzschlußstäbe 3 ent­ spricht, unverändert bleibt, verlängern sich die Kurz­ schlußstäbe 3 in dem Maße, wie das Maximum der Spreizung zunimmt, oder anders ausgedrückt, der Winkel zwischen radial außenliegendem Stabende 6 und radial innenliegendem Stabende 7 wächst. Die Größe dieses Winkels wird durch den Querschnitt der Käfigstäbe und einen notwendigen Mindest­ abstand der Käfigstäbe für den für den Kühlluftdurchtritt notwendigen Querschnitt nach oben begrenzt.

In vorteilhafter Ausgestaltung liegt die zwischen den zu den stromhinführenden und stromabführenden Stabenden gehörenden Nuten befindliche Schrittweite 9 zwischen dem 0,6- und 1,4-fachen der Polteilung, insbesondere einer Polteilung. Die Höhe des vom Kurzschlußring 2 zu führenden Stromes und damit dessen Querschnitt hängt von der Größe der zwischen der Schrittweite 9 und der Größe einer im Bogenmaß angegebenen Polteilung der elektrischen Induk­ tionsmaschine befindlichen Differenz ab. Wenn diese Differenz zu Null wird, also die Schrittweite 9 einer Polteilung entspricht, so wird auch der zu führende Strom zu Null, so daß der Kurzschlußring ohne Einfluß auf das elektrische Betriebsverhalten entfallen kann.

Eine solche Ausführung zeigen die Fig. 3. und 4. Die radial außenliegenden Stabenden 6 sind direkt mit dem betreffenden radial innenliegenden Stabende 7 verbunden und der Kurzschlußring 2 weggelassen. Die Verbindung zwischen den entsprechenden Stabenden 6 und 7 erfolgt jeweils mittels eines eingeschobenen Kontaktstückes 10, das mittels einer beidseitigen Lotverbindung 11 befestigt ist.

In dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind ein radial außenliegendes Stabende 6 und ein radial innen­ liegendes Stabende 7, deren Mittelteil jeweils in um eine Polteilung voneinander entfernten Nuten liegt, jeweils auf beiden Stirnseiten des Blechpaketes 1 verbunden. Hierdurch bilden die entsprechend verbundenen Käfigstäbe 3 eine Kurz­ schlußschleife 12. Der zugehörige Kurzschlußschleifenstrom­ pfad 13 ist hervorgehoben eingetragen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind die Verbindungen der betreffenden Käfigstäbe 3 auf den beiden Stirnseiten der Käfigwicklung derart am Umfang fort­ schreitend ausgeführt, daß sich eine Wellenwicklung mit dem stärker eingezeichneten Wellenwicklungsstrompfad 14 ergibt.

Fig. 7 zeigt eine Weiterbildung, die sowohl für eine Käfig­ wicklung mit Kurzschlußring 2 als auch für eine Wicklung mit entsprechend verbundenen Stabenden 6, 7 vorteilhaft ist. Das radial innenliegende Stabende 7 ist zusätzlich zur tangentialen Abkröpfung radial nach innen abgekröpft. Hierbei entsteht zwischen den radial außenliegenden Stabenden 6, die quasi die Oberschicht bilden und den radial innenliegenden Stabenden 7, die der Unterschicht entsprechen, ein Abstand 15. Die zusätzliche Beabstandung der Stabenden (6, 7) in radialer Richtung erleichtert den durch die tangentiale Abkröpfung beeinträchtigten radialen Kühlluftdurchtritt erheblich.

Claims (12)

1. Käfigwicklung für eine elektrische Induktionsmaschine, bei der vom Blechpaket (1) axial beabstandete Kurzschluß­ ringe (2) mit stirnseitig axial überstehenden Käfigstäben (3) verbunden sind, wobei die Käfigstäbe (3) zumindest in ihren stirnseitig überstehenden Endbereichen (4) derart unterteilt sind, daß getrennte radial übereinanderliegende Stabenden (6, 7) gebildet sind und die jeweils zu einer Nut gehörenden Stabenden (6, 7) tangential gegensinnig abge­ kröpft sind.

2. Käfigwicklung für eine elektrische Induktionsmaschine, bei der die stirnseitig axial überstehenden Käfigstäbe (3) zumindest in ihren stirnseitig überstehenden Endbereichen (4) derart unterteilt sind, daß getrennte radial überein­ anderliegende Stabenden (6, 7) gebildet sind und die je­ weils zu einer Nut gehörenden Stabenden (6, 7) tangential gegensinnig abgekröpft sind, wobei jeweils ein aus einer Nut stirnseitig hervorstehendes radial außenliegendes Stabende (6) mit einem aus einer in geeigneter Schritt­ weite (9) beabstandeten Nut stirnseitig hervorstehendem radial innenliegenden Stabende (7) verbunden ist.

3. Käfigwicklung nach Anspruch 2, wobei die Verbindungen der radial außenliegenden Stabenden (6) mit den radial innenliegenden Stabenden (7) an beiden Stirnseiten der Käfigwicklung derart ausgeführt sind, daß die entsprechen­ den Käfigstäbe (3) zu Kurzschlußschleifen (12) zusammen­ gefaßt sind.

4. Käfigwicklung nach Anspruch 2, wobei die Verbindungen der radial außenliegenden Stabenden (6) mit den radial innenliegenden Stabenden (7) an beiden Stirnseiten der Käfigwicklung derart ausgeführt sind, daß die Käfigstäbe (3) jeweils so verbunden sind, daß sie eine mehrgängige Schleifenwicklung bilden.

5. Käfigwicklung nach Anspruch 2, wobei die Verbindungen der radial außenliegenden Stabenden (6) mit den radial innenliegenden Stabenden (7) an beiden Stirnseiten der Käfigwicklung derart ausgeführt sind, daß die Käfigstäbe (3) zu einer am Umfang fortschreitenden Wellenwicklung verbunden sind.

6. Käfigwicklung nach Anspruch 2, wobei die Verbindungen der radial außenliegenden Stabenden (6) mit den radial innenliegenden Stabenden (7) an beiden Stirnseiten der Käfigwicklung derart ausgeführt sind, daß die Käfigstäbe (3) jeweils so verbunden sind, daß sie eine am Umfang fortschreitende mehrgängige Wellenwicklung bilden.

7. Käfigwicklung nach Anspruch 2 oder einem der nachfolgen­ den Ansprüche, bei der ein Kontaktstück (10) zwischen den zu verbindenden Stabenden (6, 7) eingefügt und in geeigneter Weise befestigt ist.

8. Käfigwicklung nach Anspruch 2 oder einem der nach­ folgenden Ansprüche, bei der die zwischen den Nuten, aus denen die verbundene Stabenden (6, 7) axial stirn­ seitig hervorstehen, befindlichen Schrittweite (9) zwischen dem 0,6 und 1,4-fachen einer Polteilung, insbesondere bei einer Polteilung liegt.

9. Käfigwicklung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, bei der die Käfigstäbe (3) wenigstens in ihren Endbereichen (4) axial, parallel zur Läuferachse geschlitzt sind.

10. Käfigwicklung nach Anspruch 9, bei der die Käfigstäbe (3) an dem dem Blechpaket (1) zugewandten Ende des Schlitzes (5) mit einer die von dem Schlitz (5) möglicher­ weise ausgehende Kerbwirkung mindernden Abrundung (8) ver­ sehen sind.

11. Käfigwicklung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, bei der die Käfigstäbe (3) aus jeweils mindestens zwei in axialer Richtung durchgehend getrennten radial übereinanderliegenden Teilstäben bestehen.

12. Käfigwicklung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, bei der zwischen den radial außen- und radial innenliegenden Stabenden (6 und 7) durch zusätz­ liches radiales Abkröpfen zumindest bei einem der beiden Stabenden an ihren stirnseitig überstehenden Endbereichen (4) ein vergrößerter radialer Abstand (14) gebildet ist.