DE683746C - Laeuferwicklung fuer Kurzschlussmotoren - Google Patents

Description

Bei der Bemessung und Anordnung von Käfigwicklungen ist es erforderlich, nicht nur den gewünschten Ohmschen und induktiven Widerstand, der zur Erzielung einer bestknmten Wirkung (Schlupf, Anlaufeigenschaften) notwendig ist, zu erreichen, sondern auch auf die Wärmeabgabe und Wärmekapazität der Wicklung Rücksicht zu nehmen, und schließlich die Herstellungsmöglichkeit und die Betriebssicherheit der Anordnung zu gewährleisten. Besondere Maßnahmen erfordern Käfigwicklungen, die einen vergleichsweise hohen Ohmschen Widerstand besitzen sollen, insbesondere dann, wenn außerdem

'5 noch eine große Anlaufarbeit in Frage kommt und dementsprechend eine große Wärmekapazität der Käfigwicklung notwendig ist.

Der hohe Ohmsche Widerstand läßt sich an sich durch Verminderung der Leiterquerschnitte herstellen, was aber eine entsprechende Verminderung der Wärmekapazität zur Folge hat. Es ist daher notwendig, Materialien hohen spezifischen Widerstandes zu wählen, um wieder größere Querschnitte und damit größere Wärmekapazitäten zu erreichen. Hierbei wird die Anordnung so getroffen, daß die Käfigstäbe aus dem betreffenden Widerstandsmaterial, das im übrigen gegenüber Kupfer oder Aluminium ein Mehrfaches kostet, hergestellt werden, während 'die Käfigringe aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit, also praktisch Kupfer, hergestellt werden. Dieses hat seinen Grund darin, daß die Stäbe, welche im Blechpaket des Läufers 'eingebettet sind, die in ihnen entstehende Anlaufwärme an das umgebende Eisen abführen, während eine etwa in den Ringen entstehende Verlustwärme von der Wärmekapazität der Ringe, die demgegenüber verschwindend klein ist, aufgenommen werden müßte.

Nach der vorliegenden Erfindung lassen sich Käfigwicklungen mit gleicher oder höherer Wärmekapazität als die bisher be-

kannten bei hohen Ohmschen Widerständen • ausführen, ohne daß hierfür Widerstandsmaterial in Anspruch genommen werdeif müßte, wobei durch weitergehende AÄi_jl;t nutzung der Wärmekapazität des EisenkeSif_;,;^: pers bei gleichem Materialaufwand eine höher',= ausnutzbare Wärmekapazität der ganzen' Wicklung bzw. bei gleicher wirksamer Wärmekapazität, ein geringerer Materialaufwand sich ergibt.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht weiter einen besonders vorteilhaften Aufbau eines Stromverdrängungsmotors günstiger Anlauf- und Betriebseigenschaften unter Verwendung : 'einer einzigen Läuferwicklung.

Abb. ι stellt ein Beispiel einer Kurzschluß-

widdung nach der Erfindung dar, deren Wirkungsweise der einer Käfigwicklung mit erhöhtem Ohmschen Widerstand entspricht.

In der Abbildung· bedeuten ι die in der üblichen Weise in den Nuten 2 eingebrachten Käfigstäbe, die jedoch nur auf einer Seite durch einen Käfigring 3 miteinander verbunden sind. Auf der anderen Seite des Läufers werden die Stäbe durch Doppelstäbe 4 miteinander verbunden, die in besonderen Läufernuten 5 angeordnet sind. Die Schaltung der einzelnen Elemente 4 ist in diesem Beispiel die gleiche wie die eines Käfigringes. Der Ringstrom durchfließt jedoch statt, wie bisher, das kurze Ringsegment zwischen den beiden benachbarten Stäben, den Doppelstab in der durch Pfeile angedeuteten Weise. Dadurch, daß die beiden Stäbe nebeneinander in den gleichen Nuten untergebracht sind, hebt sich die magnetische Wirkung des Ringstromes in der Maschine vollständig auf, so daß zunächst kein zusätzlicher induktiver Spannungsabfall entsteht, sondern ,nur der

4.0 Ohmsche Widerstand des Doppelstabes zur Wirkung kommt. Infolge der je nach der Bemessung um ein Mehrfaches vergrößerten wirksamen Länge des Stromweges gegenüber der sonst üblichen Anordnung eines Ring-Segmentes ist der wirksame Ohmsche Widerstand bereits sehr stark erhöht. Hinzu kommt, daß infolge der Einbettung der Doppelstäbe 4 in Nuten des Eisenkörpers die Wärmeabgabemöglichkeit für diese Stäbe um ein Mehrfaches höher ist als an Luft, was insbesondere im Anlauf eine erhebliche Erhöhung der wirksamen Wärmekapazität bedeutet. Es kann daher der Querschnitt dieser Doppelstäbe gegenüber dem sonst erforderliehen Ringquerschnitt noch erheblich herabgesetzt werden, so daß sich hierdurch eine weitere Erhöhung des Ohmschen Widerstandes erreichen läßt. Gegenüber einem Käfig mit Stäben aus Widerstandsmaterial und

6u Ringen aus Kupfer ergibt sich demnach eine Wicklung, die ganz aus Kupfer oder Aluminium hergestellt wird, wobei der größere Anteil des Widerstandes aus den Stäben in Mie an Stelle 'eines oder beider Ringe treten- ifShi Verbindungen verlagert wird. Hierbei .' wird das Gesamtbaustoffgewicht für die Wick-. lung bei gleicher Wärmekapazität nicht nur ' nicht erhöht, sondern kann sogar erniedrigt werden, da für die Ringverbindungen infolge deren Einbettung in das Eisen die Wärmekapazität des umgebenden Eisens mit herangezogen wird. An welcher Stelle die Nuten für die Unterbringung dieser Verbindungen angeordnet werden, richtet sich nach dem Aufbau des Läuferkörpers. Praktisch ist es stets möglich, diese Nuten ohne Vergrößerung des Läuferkörpers unterzubringen, umso mehr, als ja die Käfigstäbe selbst infolge ihres Aufbaus aus gut leitendem Material weniger Platz benötigen und der Gesamtquerschnitt von Stäben und Ringverbindungen mit Rücksicht auf das Vorangeführte eher kleiner ist als der der Stäbe allein bei der üblichen Anordnung, gleiches spezifisches Gewicht der Baustoffe vorausgesetzt.

Wie in der Abb. ι oben unter 5 angedeutet, können die Ringverbindungen auch nur einen Teil der Blechpaketbreite b ausfüllen. Auf diese Weise ist es möglich, mit dem gleichen Nutenquerschnitt verschiedene Ohmsche Widerstände zu erreichen.

Es sind zwar schon Läufer bekanntgeworden, bei denen ein Teil der Stäbe als Doppelstäbe ausgebildet wurden mit dem Ziel, durch axiale Verschiebung des Läufers die in den Läuferstäben induzierte Spannung zu ändern. Dies geschieht bei diesen Läufern dadurch, daß je nach der gewünschten induzierten Spannung der mit Doppelstäben oder mit einfachen Stäben versehene Teil des Läufers ioq in den Ständer geschoben wird. Die Ringe sind jedoch auch in diesem Fall in der bekannten kreisförmigen Art und ohne Erhöhung ihrer Wärmekapazität ausgebildet. Der Vorteil der Erfindung, die Ringe mit erhöhter Wärmekapazität und zugleich mit erhöhter Wärmeabgabefähigkeit zu versehen und in sie einen erheblichen Teil des Widerstandes der Käfigwicklung einzubauen, ist mit der bekannten Anordnung weder bezweckt noch erreicht worden.

Die beschriebene Ausführung kann Anwendung finden als Kurzschlußwicklung hohen Ohmschen Widerstandes beispielsweise zur Erzielung eines großen Schlupfes, z.B. für die Ausnutzung von Schwungmassen oder für Schwungmassenanlauf bei geringer be^ triebsmäßiger Leistung für Zentrifugen u. dgl.m. Die Wicklung kann aber auch mit Vorteil als Anlaufkäfig für Stromverdrängungsmotoren mit zwei und mehr Wicklungen Anwendung finden.

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Von ^besonderer Bedeutung wird die erfindungsgemäße Anordnung für den prinzipiell in Abb. 2 dargestellten Stromverdrängungs-. läufer mit einer einzigen Läuferwicklung. M der Abbildung bedeuten 6 die in den oberen Nuten 7 des Läufers angeordneten Stäbe, welche mit den Stäben 8 in Reihe geschaltet sind, die in tiefer gelegenen Nuten g- des Läufers untergebracht sind. Die Reihenschaltung erfolgt durch die Stirnverbindungen 10. Auf der einen Läuferseite sind sämtliche Stäbe durch den Ring 11 miteinander verbunden, während auf der anderen Seite ein hochohmiger Ring 12 angeordnet ist. Im Still -

tg stand und bei großer Schlüpfung besitzen die in den unteren Nuten liegenden Stäbe 8 einen großen induktiven Widerstand, so „daß der Läuferstrom zum größten Teil über die Stäbe 6 und den hochohmigen Käfigring 12 fließt. Das System Stäbe 6, Ring 11 und Ring 12 stellt daher einen hochohmigen Anlaufkäfig dar. Mit abnehmender Schlüpfung und damit sich, verringender Streuung der unteren Stäbe 8 wird der Läuferstrom immer mehr den Weg über die Stäbe 8 und die Stirn/rcrbindüngen 10 nehmen. Das System Stäbe 6, Ring 11, Stirnverbindungen 10 und Stäbe 8 bildet daher ■ eine Arbeitswicklung geringen Ohmschen Widerstandes.

Die Schwierigkeit der Anwendung dieser an sich bekannten Anordnung beruhte bisher auf der praktischen Unmöglichkeit, einen betriebssicheren Käfigring 12 genügend hohen Ohmschen Widerstandes und genügender

3;> Wärmekapazität herzustellen.

Nach der Erfindung wird nun, wie beispielsweise in Abb. 3 dargestellt, statt des Käfigringes 12 ein System von Doppelstäben 13 angewendet, welches die Enden der Stäbe 14 miteinander verbindet. Die Stäbe 14 liegen in an der Oberfläche gelegenen Nuten 15 und sind mit den um etwa eine Polteilung am Umfang versetzten Stäben 16, welche sich in Nuten höherer Streuung 17 befinden, wie ersichtlich in Reihe geschaltet. Auf einer Läuferseite werden sämtliche Stäbe durch einen Kurzschlußring 18 miteinander verbunden. Die als Ringverbindung dienenden Stäbe 13 sind in dem Beispiel der Abb. 3 in Nuten 19 untergebracht, die sich unterhalb der oberen Stabnuten 15 befinden. Sie können ohne Änderung der Wirkungsweise auch an beliebiger anderer passender Stelle des Läuferbleches angeordnet werden. In der Abb. 3 sind die beiden Stäbe untereinander angeordnet, so wie die Stäbe einer Zweischichttrommelwicklung, jedoch mit dem Unterschied, daß sie gegeneinander den Wickelschritt Null besitzen.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist nun die, daß für den Anlauf eine hochohmige Wicklung geringer Streuung, bestehend aus den Stäben 14, dem Ring 18 und den Ringverbindungen 13, besteht, wobei letztere den . größeren Teil des Ohmschen Widerstandes beibehalten. Für den Betrieb bei geringer •Schlüpfung bildet sich aber ein System von Windungen, in deren jeder ein in der oberen Nut gelegener Stab 14 über eine Stirnverbindung mit einem in einer unteren Nut gelegenen Stab 16 in Reihe geschaltet ist, wobei der Ring 18 den Stromweg für sämtliche Windungen schließt.

Die konstruktive Ausführung wird weiter erläutert durch den in Abb. 3 ebenfalls aufgenommenen Längsschnitt durch den Läufer, aus dem die einfache und betriebssichere Aufbaumöglichkeit einer derartigen Wicklung hervorgeht. Aus dieser Ansicht ist zu ersehen, wie die oberen Stäbe 14 und die unteren Stäbe 16 und die Doppelstäbe 13 auf der einen Stirnseite miteinander, beispielsweise durch Schweißung oder Lötung, ver_: bunden werden, während auf der anderen Seite des Läufers der Ring 18 zwischen den Stäben 14 und 16 angeordnet ist. Wie ersichtlich, können sämtliche Stäbe außerhalb der Maschine in ihre endgültige Form gebogen und von einer Läuferseite in den Läufer eingeschoben werden. Das gleiche gilt für die als Ring verbindung dienenden Doppelstäbe 13, die zwischen den beiden Stablagen angeordnet sind. Die Verbindung der Stabenden13, 14 und 16 kann an jeder Verbindungsstelle in einem einzigen Schweiß- oder Lötvorgang vor sich gehen, da an dieser ■ Stelle jeweils alle Enden zusammenzufassen sind. Die Verbindung des Ringes 18 auf der anderen Seite des Läufers erfolgt in der üblichen Weise, wobei dieser Ring auch, statt der in der Abb. 3 beispielsweise eingezeichneten Anordnung, jede andere konstruktive Lösung finden kann.

Der Aufbau der Wicklung erfolgt, wie ersieh tlich, ohne daß in dem Läufer irgendwelche Stäbe gebogen werden müssen, in der einfachsten Weise. Der ganze Wicklungsaufbau vollzieht sich ferner aus einem einzigen Baustoff, so daß Schwierigkeiten, wie bei der Verwendung verschiedener Materialien nicht auftreten. Es entfallen weiter alle teueren Widerstandsmaterialien und alle schwachen Stabquerschnitte und gefährdeten Übergangsstellen. Es ist weiter ohne Beeinträchtigung der Wirkungsweise möglich, die aus dem Läuferkörper herausragenden Teile der Ringverbindungen 13 mit einem größeren Querschnitt auszurüsten als die in dem Läuferkörper gebetteten und dadurch die Gefährdung der hochbelasteten Leiter teile außerhalb des Eisens hintanzuhalten.- Hierzu haben die bisher bekannten Bauarten mit Käfig-

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stäben aus Widerstandsmaterial einen besonderen Aufbau erhalten müssen. Es war nämlich notwendig, zusammengesetzte Stäbe zu verwenden, die, soweit sie im Blechpaket lagen, aus Widerstandsmaterial und an den Enden aus Kupfer bestanden.

Bei der erfmdungsgemäßen Anordnung läßt sich die gleiche Wirkung durch einfache Querschnittsänderung erzielen.

ίο Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet auch, die Ringverbindung zur Veränderung der elektrischen Wirkungsweise heranzuziehen. Es kann zu diesem Zweck beispielsweise der Ringverbindung in einfacher Weise ein induktiver Widerstand gegeben werden. In Abb. 4 ist eine derartige erfindungsgemäße Möglichkeit aufgezeichnet. Es ist hier bei im übrigen gleichen Bezeichnungen wie in Abb. 3 angedeutet, daß zwischen den Einzelstäben der Ringverbindung 13 in der bei Doppelstabläufern bekannten Weise eine Anzahl von Eisenblechen 20 eingelegt ist, durch die sich ein Streufluß um die Stäbe 13 schließen kann.

Eine derartige Anordnung kann in einfacher Weise getroffen werden, ohne den Nutenschnitt zu verändern. Es kann aber auch jeder Stab beispielsweise in eine eigene Nut gelegt werden. Die elektrische Wirkung dieser Anordnung besteht darin, daß dem als Anlaufwicklung wirkenden System noch ein induktiver Widerstand eingefügt wird, was unter sonst gleichen Voraussetzungen zur Herabsetzung des Anlaufstromes und des Anlaufdrehmomentes, d.h. zu einer Veränderung der Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik führt. Es ist aber auch möglich, diese Vergrößerung des induktiven Widerstandes nur bei einem Teil der Ringverbindungen anzuwenden und einen anderen Teil der Ringverbindungen nur als Ohmschen Widerstand wirken zu lassen. Es wird auf diese einfache Weise die Wirkung erzielt, daß außer dem Arbeitswicklungssystem sich zwei Anlaufwicklungssysteme verschiedener Streuung ergeben, die nacheinander zur Wirkung kommen und die bekannte Sattelbildung von Stromverdrängungsmotoren mit bloß zwei Wicklungssystemen aufheben. Im Bedarfsfalle kann ohne weitere Schwierigkeit auch eine feinere Abstufung der induktiven Widerstände, gleichbedeutend mit einer größeren Anzahl von Läuferstromkreisen verschiedener Induktivität, erzielt werden. Alles dies geschieht, ohne daß die Wicklung als solche in ihrem Aufbau verändert zu werden braucht, unter Beibehaltung einer einzigen Läuferwicklung, lediglich durch verschiedenartige Einlagen von magnetischem Material in die Ringverbindungsnuten. Dies kann kombiniert werden mit verschiedenen Ohmschen Widerständen der Ringverbindungen, was ebenfalls nicht weiter erfordert, als verschiedene Längen oder Querschnitte der Doppelstäbe 13.

Eine weitere erfindungsgemäße Wirkung ergibt sich bei der Anordnung nach Abb. 5. In dieser sind die mit 21 bezeichneten Ringverbindungen aus schmalen hohen Stäben zusammengesetzt, die einen Wirbelstromeffekt bei hohen Schlüpfungen ergeben. Es wird dadurch erreicht, daß der wirksame Ohmsche Widerstand des Ringes im Anlauf ein höherer als im Betriebszustand ist, so daß unter sonst gleichen Umständen ein größerer Teil des Betriebsstromes sich über die Ringverbindungen schließt, was zu einer Verbesserung der Betriebseigenschaften, oder umgekehrt, bei bestimmten Betriebseigenschaften zur Verbesserung der Anlaufeigen-schäften Anlaß gibt.

Eine weitere Variationsmöglichkeit der Anordnung besteht darin, einen Teil der Ringverbindungen wegzulassen und auf diese Weise den resultierenden Widerstand des Anlauf systems zu erhöhen. Ebenso kann die Anordnung so getroffen werden, daß die Ringverbindungen nur an jeden zweiten oder dritten Stab angeschlossen werden u.dgl.m. In Abb. 6 sind die die Ringverbindungen enthaltenden Nuten 22, 23 als Erweiterung des zwischen den unteren Nuten 17 und der Läuferoberfläche angeordneten Schlitzes angedeutet. Der durch die Stromverdrängung bei höherer Schlüpfung diese Schlitze durchquerende Fluß wirkt hier induzierend auf die in den Nuten 22 und 23 liegenden Riingverbindungen, und der in diesen fließende Strom beeinflußt 'umgekehrt die Flußverteilung bzw. die Stromverdrängung je nach der Schaltung dieser Ringverbindungen im Verhältnis zum Windungssinn der angeschlossenen Wicklungselemente in verstärkendem oder abschwächendem Sinn.

Wie ersichtlich, ergibt der Erfindungsgegenstand einen Aufbau von Kurzschluß- wicklungen, der thermisch, technologisch und wirtschaftlich erhebliche Vorteile bringt und hierbei neuartige Variationsmöglichkeiten für Stromverdrängungsläufer zuläßt, die eine weitgehende Anpassung an beliebige Betriebs- und Anlauf Verhältnisse und die Herstellung günstiger, sattelfreier Charakteristiken ermöglicht. Allgemein ausgedrückt wird die Anzahl der Freiheitsgrade der Bemessung durch die erfindungsgemäße Anordnung ohne irgendwelche Mehraufwendungen erheblich erhöht.

Claims (12)

1. Patentansprüche:

   i. Läuferwicklung für Kurzschlußmotoren mit und ohne Stromverdrängung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringverbindung der Wicklungsstäbe auf einer

   ■oder beiden Stirnseiten mittels Leitern erfolgt, die paarweise mit im wesentlichen einander aufhebender magnetischer Wirkung in Nuten des Läufereisens untergebracht sind.
2. 2. Läuferwicklung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch ihre Anwendung bei Kurzschlußläufern mit Windungen, die in Reihe geschaltete Stäbe verschiedener

   ίο Streuinduktivität enthalten.
3. 3. Läuferwicklung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten zur Unterbringung der Ringverbindungen !unterhalb der Stabnuten bzw. der oberen Stabnuten angeordnet sind.
4. 4. Läuferwicklung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der induktive Widerstand der Ringverbindungen durch Unterbringung der je 'einem Paar .angehörenden Einzelleiter in getrennten Nuten oder durch Zwischenlegung von magnetischem Material zwischen den Einzelleitern erhöht wird.
5. 5. Läuferwicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der induktive Widerstand -der einzelnen Ringyerbindungselemente verschieden groß ausgeführt wird.
6. 6. Läuferwicklung nach Anspruch 4 3c und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ohmsche Widerstand der einzelnen Ringverbindungsteile verschieden ist.
7. 7. Läuferwicklung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch, gekennzeichnet, daß ein Teil der Ringverbindungen weggelassen ist oder daß die Ringverbindungen statt benachbarte Stäbe oder Windungen jeweils jeden zweiten, dritten usf. Stab bzw. Windung miteinander verbinden.
8. 8. Läuferwic'klung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringverbindungen aus flachen hohen Stäben zwecks Erzielung eines Wirbelstromeffektes gebildet werden.
9. 9. Läuferwicklung nach Anspruch 1,2 und 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten für die Ringverbindung oberhalb der unteren Nuten als Erweiterung der diese mit dem Luftspalt bzw. den oberen Nuten verbindenden Luftschlitze angeordnet sind.
10. 10. Läuferwicklung nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsstäbe und die Ringverbindungen auf einer Seite derart vorgebogen werden, daß nach erfolgtem Einschieben derselben die miteinander zu verbindenden Enden räumlich derartig angeordnet sind, ■daß sie ohne weitere Nacharbeit miteinander durch Schweißen oder Löten verbunden werden können.
11. 11. Läuferwicklung nach Anspruch 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß die Wicklungsstäbe auf einer Seite durch einen Ring miteinander verbunden sind.
12. 12. Läuferwicklung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Ringverbindungen außerhalb ihrer in die Nuten gebetteten Längen eine Querschnittsverstärkung erhalten..

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen