DE4233474C2 - 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 30 06 761 A1 bekannt. Diese Käfigwicklung ist für Stabbrüche, insbesondere an der verbindungsstelle zum Kurzschlußring, anfällig.

Eine Untersuchung der Ursachen (etz-Archiv, 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 Käfigwicklungen ist bisher wenig Beachtung geschenkt worden.

Die Käfigwicklung, wie sie aus der DE 30 06 761 A1 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 zusammenfällt 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.

Durch die DE-C-25 32 338 ist ferner eine Kurzschlußläufer­ wicklung bekannt, die als Zweischichtwicklung ausgebildet ist. Bei dieser Zweischichtwicklung sind die jeweils in der Ober- bzw. Unterschicht liegenden Spulenseiten in mehrere Leiterstäbe unterteilt. An den Stirnseiten sind die jeweils zu einer Nut gehörenden Leiterstäbe tangential abgekröpft und es sind die aus den Stirnseiten des Läuferblechpakets vorstehenden, in den Nuten radial außenliegenden Leiterstäbe mit den aus einer in geeigneter Schrittweite beabstandeten Nut stirnseitig vorstehenden, radial innenliegenden Leiter­ stäben verbunden. Auf diese Weise wird eine in sich kurzge­ schlossene Käfigwicklung ohne gesonderte Kurzschlußringe erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Käfigwicklung so auszugestalten, daß deren Drehschwingungssteifigkeit 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 jeweils zu einer Nut gehörenden Stabenden tangential gegensinnig 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 Resonanzabstand gewahrt ist. Ein wesentlicher Vorteil dieser Käfigwicklung ist auch in der fachwerkartigen Versteifung im stirnseitig überstehenden Endbereich der Käfigstäbe zu sehen.

Die Höhe des von dem Kurzschlußring zu führenden Stromes hängt davon ab, inwieweit die Käfigstäbe tangential abgekröpft sind. Bei geringer tangentialer Abkröpfung ist der vom Kurzschlußring zu führende Strom nur wenig reduziert. Bei einer tangentialen Abkröpfung, die zur Verbindung von radial außenliegenden und radial innenliegenden stabenden, welche in in Umfangrichtung 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 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.

Bei einer Käfigwicklung gemäß Anspruch 2 besteht ein weiterer Freiheitsgrad zur Festlegung der Resonanzfrequenz, 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 3 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 Richtung durchgehend getrennten Teilstäben bestehen.

Die tangentiale Abkröpfung bewirkt eine Verkleinerung der zum radialen Kühlluftdurchtritt am Außenumfang der Käfigwicklung benötigten Querschnittfläche. Eine zusätzliche radial nach innen weisende Abkröpfung der radial innenliegenden 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 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 tangential 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 Kurzschlußring 2, der dem Endbereich 4 der Kurzschlußstäbe 3 entspricht, unverändert bleibt, verlängern sich die Kurzschlußstäbe 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 Mindestabstand 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 Induktionsmaschine 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.

Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung einer Käfigwicklung, bei der das radial innenliegende Stabende 7 zusätzlich zur tangentialen Abkröpfung radial nach innen abgekröpft ist.

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 (5)

1. Käfigwicklung für eine elektrische Induktionsmaschine, bei der vom Blechpaket (1) axial beabstandete Kurzschlußringe (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 abgekröpft sind.

2. Käfigwicklung nach Anspruch 1, bei der die Käfigstäbe (3) wenigstens in ihren Endbereichen (4) axial, parallel zur Läuferachse geschlitzt sind.

3. Käfigwicklung nach Anspruch 2, bei der die Käfigstäbe (3) an dem dem Blechpaket (1) zugewandten Ende des Schlitzes (5) mit einer die von dem Schlitz (5) möglicherweise ausgehende Kerbwirkung mindernden Abrundung (8) versehen sind.

4. Käfigwicklung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Käfigstäbe (3) aus jeweils mindestens zwei in axialer Richtung durchgehend getrennten radial übereinanderliegenden Teilstäben bestehen.

5. Käfigwicklung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bei der zwischen den radial außen- und radial innenliegenden Stabenden (6 und 7) durch zusätzliches radiales Abkröpfen zumindest bei einem der beiden Stabenden an ihren stirnseitig überstehenden Endbereichen (4) ein vergrößerter radialer Abstand (1, 4) gebildet ist.