DE69202702T2

DE69202702T2 - Läufer für einen kurzgeschlossenen wechselstrommotor.

Info

Publication number: DE69202702T2
Application number: DE69202702T
Authority: DE
Inventors: Lars Gertmar; Bengt Rydholm; Chandur Sadarangani; Jens Zinck
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1991-04-08
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2012-03-21
Also published as: SE9101026L; DE69202702D1; SE9101026D0; AU1421892A; US5402026A; EP0579625B1; WO1992017933A1; EP0579625A1; FI934417A; ATE123188T1; FI104766B; FI934417A0; SE468265B

Description

Läufer für einen Kurzschlußläufer-Wechselstrommotor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Läufer für einen Kurzschlußläufer-Wechselstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein solcher Läufer ist bekannt aus der SE-B-462 310. Diese bekannte Konstruktion ist für einen frequenzvariablen Betrieb bestimmt, wobei die genannten ersten Ausnehmungen mit Leitern ausgefüllt sind, während die zweiten Ausnehmungen Luftkanäle bilden. Die Fläche zwischen den Ausnehmungen bildet einen Eisensteg, über welchen der größte Teil des in Umfangsrichtung verlaufenden magnetischen Streuflusses fließt und wo eine Dämpfung der Stromoberwellen erreicht werden kann und die von diesen Oberwellen erzeugten Verluste als eine Folge des Sättigungseffektes verkleinert werden.
Es ist seit langem bekannt, Kurzschlußläufer-Wechselstrommotoren mit doppelten Läufernuten in Form sogenannter Doppelkäfigläufer zu bauen. Hierdurch wird die Drehmomentenkurve im Sinne hoher Anlaufdrehmomente verbessert, und der Anlaufstrom ist ebenfalls etwas geringer als im Falle eines normalen sogenannten einfachen Käfigläufers.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Herstellungskosten des Läufers zu verkleinern. Die Herstellung solcher im wesentlichen gleicher Motoren für unterschiedliche Zwecke, nämlich für normalen Netzbetrieb oder für frequenzvariablen Betrieb, hat bisher die Verwendung einer großen Anzahl von Stanzwerkzeugen für Läuferbleche erforderlich gemacht. Genauer gesagt, ist es daher ein weiteres Ziel der Erfindung zu erreichen, ein und dasselbe Stanzwerkzeug für Läuferbleche zu benutzen, die für Motoren für frequenzvariablen Betrieb bestimmt sind, als auch für Läuferbleche, die für Motoren für normalen Netzbetrieb bestimmt sind.
Die äußeren Abmessungen solcher Motoren sind genormt, so daß etwa 30 Abmessungen im Leistungsbereich von 1 bis 1.000 kW vorkommen. Da mehrere Läufer- und Ständertypen für jede dieser Abmessungen benötigt werden können, ist klar, daß die Anzahl der erforderlichen Stanzwerkzeuge ebenfalls groß ist. Wenn es erforderlich ist, separate Stanzwerkzeuge für Motoren vorzusehen, die für frequenzvariabler Betrieb bestimmt sind, was gegenwärtig für einen kleinen Prozentsatz der Gesamtproduktion zutrifft, der aber ständig zunimmt, so ist klar, daß die Anzahl der erforderlichen Werkzeuge ebenfalls beträchtlich ansteigen wird. Eine Reduzierung der erforderlichen Anzahl von Werkzeugen würde daher einen beachtlichen wirtschaftlichen Vorteil darstellen. Darüberhinaus könnte die Anzahl der auf Vorrat zu haltenden gestanzten Bleche halbiert werden, wodurch ebenfalls die Wirtschaftlichkeit verbessert wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Läufernut zu entwickeln, die durch Gießen von Aluminium vollständig mit elektrisch leitendem Material gefüllt werden kann. Im Falle von für frequenzvariablem Betrieb bestimmten Motoren ist jedoch nur ein Teil der Läufernuten gefüllt, während sich im anderen Teil der Nut Luft befindet, wodurch bei einer besonderen Ausführungsform die Kühlung verbessert werden kann.
Diese Ziele und Vorteile in Verbindung mit weiteren Vorteilen werden gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Läufer der zuvor beschriebenen Art erreicht, welcher die charakteristischen Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 hat.
Wenn der Läufer gemäß der Erfindung in nur einer der Ausnehmungen der entsprechenden Nuten mit einem elektrischen Leiter gefüllt wird, erreicht man dieselben Vorteile wie mit dem aus der oben genannten schwedischen Patentanmeldung bekannten Läufer. Durch die Anordnung zusätzlicher Löcher in den Blechen, die radial innerhalb der Nuten liegen, und durch die Anbringung von Gebläseschaufeln oder ähnlicher Vorrichtungen, die mit diesen Löchern fluchten oder radial außerhalb von ihnen liegen, ist es auch möglich, einen Luftstrom durch die leeren Teile der entsprechenden Nuten zu erzeugen. Hierdurch wird der Vorteil einer verbesserten Kühlung derjenigen Teile des Läufers erreicht, in denen der größte Teil der Läuferverluste auftritt. Die Zirkulation erfolgt daher in der einen Richtung durch die zusätzlichen Löcher und in der anderen Richtung durch den Spalt zwischen Läufer und Ständer sowie auch durch die leeren Nuten. Die zirkulierende Luft wird an den Lagerschilden gekühlt, und zwar insbesondere an dem Lagerschild, welches an dem Gebläseende des Motors liegt.
Obwohl die alternativen Wicklungen des neuen Läufertyps mit seinen Läuferwicklungs-Möglichkeiten in erster Linie für die Herstellung durch Gießtechnik bestimmt sind, können die axialen Leiter auch aus Stäben oder Stangen bestehen.
Wenn der Läufer gemäß der Erfindung in beiden Ausnehmungen der Läufernuten in den Blechen mit Leitern versehen ist, so erhält man einen Motor, der die Vorteile eines Doppelkäfigläufers hat, nämlich ein verbessertes Anlaufdrehmoment und eine verbesserte Drehmomentenkurve bei Motordrehzahlen unter der Nenndrehzahl.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Figuren 1A bis 1C zeigen die Gestalt der Läufernuten gemäß der Erfindung,
Figur 2 zeigt ein gestanztes Läuferblech,
Figur 3 zeigt schematisch einen Teil einer Endansicht eines Motors gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung,
Figur 4 zeigt schematisch die Art und Weise, in der ein Luftstrom mit der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform erzeugt wird.
Figur 1A zeigt die Gestalt einer Läufernut 1, wie sie in Elektroblech gestanzt werden kann, um ein Läuferblech gemäß Figur 2 zu erhalten, in welches Blech 28 solcher Nuten symmetrisch in Bezug auf das Wellenloch 2 eingestanzt sind, wobei die genannte Anzahl lediglich beispielhaft ist. Um den Zusammenbau zu erleichtern, ist eine Nut 3 an der Peripherie des Wellenloches 2 angebracht, die durch ein Loch 4 ausbalanziert wird.
Zur Läufernut 1 gehören eine erste Ausnehmung 5, die der Welle oder dem Wellenloch 2 am nächsten liegt (Figur 2) und deren Rand eine geschlossene Kontur mit einer nach innen gerichteten konkarven Einstülpung 6 bildet, und eine zweiten Ausnehmung 7, welche in die Ausstülpung 6 derart hineinragt, daß ein kurvenförmiger Steg 8 entsteht, welcher die beiden Ausnehmungen voneinander trennt. Der Steg 8 ist vorzugsweise so dimensioniert, daß im fertigen Motor, in welchem nur die Ausnehmung 5 Leiter trägt und die Ausnehmung 7 leer bleibt, die Flußdicht des von den Läuferleitern erregten Streufeldes so groß ist, daß das Stegeisen gesättigt ist. Vorzugsweise liegt die Flußdichte bei normalen Blechqualitäten zwischen 1,5 T und 2,2 T.
Die Konfiguration des Teils der Ausnehmung 7, der in die Einstülpung 6 hineinragt, ist somit abhängig von der Bemessung des Steges 8. Die Ausnehmung 7 hat eine Erweiterung 9 an einer Stelle, die weiter von der Ausnehmung 5 entfernt liegt, so daß die Ausnehmung 7 eine in anderen Hinsichten ausreichende Gesamtfläche und geeignete Form hat. Im gezeigten Beispielsfall hat die Ausnehmung 7 annähernd die Gestalt des Buchstabens φ, wobei ein schmales Ende der Ausnehmung in die Einstülpung 6 der Ausnehmung 5 hineinragt und ein gegenüberliegendes schmales Ende der Ausnehmung 7 nahe der äußeren Peripherie des Läuferbleches endet.
Wegen der Schmalheit des Steges 8, der sich zwischen der ersten Ausnehmung 5 und der zweiten Ausnehmung 7 erstreckt, ist es normalerweise erforderlich, das Stanzen/Scheren in zwei getrennten Schritten durchzuführen, das heißt, die eine Ausnehmung wird durch in dem einen Schritt und die andere Ausnehmung wird durch den anderen Schritt hergestellt. Im Falle sehr großer Serien werden alle ersten und zweiten Ausnehmungen vorzugsweise gleichzeitig während der entsprechenden Schritte gestanzt, während bei kleineren Serien jeweils eine Ausnehmung nach der anderen gestanzt wird. Diese Stanzvorgänge bereiten keine besonderen Schwierigkeiten für den einschlägigen Fachmann.
Die Figuren 1B und 1C zeigen Abwandlungen der Läufernut 1, bei denen die zweite Ausnehmung 7 mittels relativ schmaler Stege über ihren spaltförmigen Teil in zwei Teile unterteilt ist. Dies ist bei der in Figur 1B gezeigten Ausführungsform durch Überbrückung des spaltförmigen Teils der zweiten Ausdehnung durch einen Steg 8' erreicht, welcher Teil des Läuferbleches ist und daher aus magnetischem Material besteht. Der Steg muß sehr schmal sein, um nicht den Steg 8 in unerwünschter Weise kurzzuschließen. Bei der in Figur 1C gezeigten Ausführungsform wird die Überbrückung dagegen mit Hilfe eines Keils oder einer Stange 8" aus nichtmagnetischem Material hergestellt, der/die in die Nut eingelegt wird, wie die schraffierte Fläche in der Figur zeigt.
Die gestanzten Bleche werden in konventioneller Weise zu einem Blechpaket verbunden und mit Wicklungen versehen, vorzugsweise durch Gießen von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei die Kurzschlußringe ebenfalls in herkömmlicher Weise angeordnet werden können und das Paket auf die Läuferwelle aufgeschrumpft wird.
Das hervorstechende Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Wicklungen in zwei verschiedenen Arten angeordnet werden können, so daß zwei verschiedene Motortypen aus ein- und derselben Blechform hergestellt werden können. Gemäß der ersten dieser Methode können sowohl die ersten Ausnehmungen 5 und die zweiten Ausnehmungen 7 mit gegossenen Leitern versehen werden, wobei der resultierende Motor im wesentlichen die gleichen Eigenschaften hat wie ein Motor mit einem entsprechenden DoppelkäfigLäufer. Dies wird durch den erweiterten Teil 9 der zweiten Ausnehmung 7 ermöglicht, durch die es möglich ist, die Ausnehmung 7 beim Gießen der Wicklungen satt zu füllen, eine Möglichkeit, die bei den aus der SE-B-462 310 bekannten, oben erwähnten Läufernuten nicht besteht, bei denen die entsprechenden Spalte viel zu schmal sind.
Gemäß der zweiten der vorgenannten Methoden werden nur die ersten Ausnehmungen 5 mit Leitern versehen. Man erhält dann einen Läufer mit den Vorteilen, die der Gegenstand der SE-B- 462 310 gewährt und so einen Motor, der besonders für den Umrichterbetrieb geeignet ist.
In beiden Fällen wird die äußere Peripherie des Blechpaketes normalerweise auf einer Drehbank abgedreht, nachdem das Paket auf die Welle aufgeschrumpft worden ist. In beiden Fällen kann das Blechpaket auf der Drehbank soweit abgedreht werden, daß die Ausnehmungen 7 geöffnet werden oder schmale Eisenstege an der Paketperipherie stehen bleiben. Bei der zweiten Methode, also bei leeren Ausnehmungen 7, ist es manchmal am besten, die Ausnehmungen 7 zu öffnen und dadurch für eine bessere Kühlung zu sorgen (insbesondere im Falle geringer Nenndrehzahlen), während in anderen Fällen eine glatte Läuferoberfläche, die einen geringeren Luftwiderstand bildet, vorzuziehen ist.
Die in den Figuren 1B und 1C gezeigten Abwandlungen der Läufernut werden in entsprechender Weise verwendet. Die erste Ausnehmung 5 wird mit einem Leiter gefüllt, während der Hauptteil der zweiten Ausnehmung 7, der den erweiterten Teil 9 umfaßt, entweder mit einer Wicklung gefüllt wird oder leer bleibt. In beiden Fällen bleibt der abgetrennte Teil der zweiten Ausnehmung 7 zweckmäßigerweise leer. Obwohl bei diesen Abwandlungen die zweite Ausnehmung als aus mehreren Ausnehmungen bestehend betrachtet werden kann, stellt sie im Sinne der Erfindung nur eine einzige Ausnehmung dar, wenn auch nicht mit einem Umfangsrand, der eine einzige geschlossene Kontur bildet. Dennoch erfüllt sie den Zweck der Erfindung und verhält sich wie die zweite Ausnehmung 7 in der Ausführungsform gemäß Figur 1A.
Die Figuren 3 und 4 zeigen schematisch eine besondere Ausführungsform der Erfindung. Die Figuren zeigen einen Teil eines in einen Stator 11 eingesetzten Läufers. Der Läufer hat eine Welle 10, auf welche das Blechpaket mit den ersten und zweiten Ausnehmungen 5 und 7 montiert ist. Der Läufer ist im Inneren des Stators montiert, dessen Wicklungsköpfe mit 11 und dessen Lagerschilde mit 12 bezeichnet sind (Figur 4). Die Enden der in den Ausnehmungen 5 liegenden Leiter sind an die Kurzschlußringe 13 angeschlossen. Die Ausnehmungen 7 sind leer und bilden sich axial erstreckende Kanäle, die sich längs der vorgenannten Eisenstege 8 erstrecken.
Weiter innen in Richtung zum Zentrum sind vorzugsweise kreisförmige Öffnungen in die Läuferbleche eingestanzt, die auf einem zur Welle konzentrischen Kreis liegen. An einem Ende sind Lüfterschaufeln 15 außen an dem Blechpaket angebracht. Wenn der Läufer sich dreht, treiben die Schaufeln 15 Luft durch einen geschlossenen Pfad, der außen an den Öffnungen 14 beginnt, die sich auf der gleichen Seite wie die Lüfterschaufeln 15 befinden. Die Luft strömt weiter im geschlossenen Pfad durch die Ausnehmungen 7 und zu einem Teil auch durch den Spalt zwischen Läufer und Stator und wird dann wieder aufgenommen von den Öffnungen 14 am entgegengesetzten Ende des Läufers. Ein Luftstrom entsteht entsprechend den in Figur 4 gezeigten Pfeilen. Diese Ventilation verbessert die Kühlung des Läufers dadurch, daß Wärme zu den Lagerschilden 12 transportiert wird, und zwar in erster Linie aus den Bereichen der am weitesten außen gelegenen Teile der Läuferwicklungen 5 und der Eisenstege 8, wo die meiste Wärme erzeugt wird. Hierdurch erreicht man eine gleichmäßigere Läufertemperatur und eine geringere Durchschnittstemperatur unter sonst gleichen Bedingungen.

Claims

1. Läufer für Kurzschlußläufer-Wechselstrommotoren mit einem Paket aus kreisförmigen Läuferblechen, welches auf der Welle (10) befestigt ist, wobei die Bleche gleichmäßig um ihren Umfang mit einer Anzahl von Ausnehmungen versehen sind, die, wenn die Bleche gestapelt sind, im allgemeinen axial verlaufende Läufernuten bilden, wobei jede Läufernut eine erste Ausnehmung (5) hat, deren Umfangsrand eine geschlossene Kontur bildet und welche radial nach innen von der Manteloberfläche des Läufers aus gesehen einen Leiter aufnimmt, wobei der Umfangsrand der ersten Ausnehmung (5) eine zur Peripherie gerichtete konkave Einstülpung (6) hat, und wobei jede Läufernut eine zweite Ausnehmung (7) hat, welche eine sich radial erstreckende Nut bildet, die sich von einem Punkt nahe der konkaven Einstülpung (6) nach außen zur genannten kreisförmigen Peripherie erstreckt, und wobei ein Steg (8) zwischen der ersten Ausnehmung (5) und der zweiten Ausnehmung (7) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ausnehmung (7) einen erweiterten Teil (9) hat, der zwischen der Einstülpung (6) der ersten Ausnehmung (5) und der kreisförmigen Peripherie liegt.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Teile der Läufernuten, die von den ersten Ausnehmungen (5) gebildet werden, mit gegossenem Metall ausgefüllt sind, wie zum Beispiel gegossenem Aluminium, zur Bildung von Leiterstäben, die an ihren Enden mit Kurzschlußringen (13) an beiden Seiten des Blechpaketes miteinander verbunden sind, und daß diejenigen Teile der Läufernuten, die von dem zweiten Ausnehmungen (7) gebildet werden, leer sind.

3. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teile der Läufernuten, die von den ersten und von den zweiten Ausnehmungen (5, 7) gebildeten, mit gegossenem Metall, wie zum Beispiel Aluminium, derart ausgefüllt sind, daß sich Paare von Leiterstäben bilden, und daß alle Leiterstäbe an ihren Enden an beiden Seiten des Blechpaketes an Kurzschlußringe angeschlossen sind.

4. Läufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche eine Vielzahl zusätzlicher Löcher (14) aufweisen, die gleichmäßig verteilt auf einem konzentrischen Kreis um den Blechmittelpunkt derart liegen, daß sie axial verlaufende Kanäle bilden, und daß eine Läufergebläsevorrichtung (15) an einem Ende des Blechpaktes radial innerhalb derjenigen Teile der Läufernuten angeordnet ist, die von den zweiten Ausnehmungen (7) gebildet werden.