DE7501772U - Schnellaufende asynchronmaschine mit einem mindestens einen kurzschlusskaefig aufweisenden rotor - Google Patents

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Schnellaufende Asynchronmaschine mit einem mindestens einen Kurzschlusskäfig aufweisenden Rotor.

Die Erfindung betrifft eine schnellaufende Asynchronmaschine mit einem mindestens einen Kurzschlusskäfig aufweisenden Rotor, dessen Aktivteil einen massiven inneren Teil aus magnetisierbarem Stahl und einen mit diesem verbundenen äussert?n, in axialer Richtung des Rotors unterteilten Teil aus magnetisierbarem Stahl aufweist.

Unter den für Asynchronmaschinen verwendbaren Rotoren sind der Massivrotor ohne Kurzschlusskäfig, der Massivrotor mit Kurzschlusskäfig und der lameliierte Rotor mit Kurzschlusskäfig schon seit langem bekannt.

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Ein Rotor mit massivem Eisenkörper ist schon in der im Jahre I890 erteilten DT-PS Nr. 51083 von Dolivo-Dobrowolsky beschrieben. In der betreffenden Patentschrift wird ein Anker für Wechselstrommotoren beansprucht "bestehend aus einem beliebig geformten Eisenkörper, welcher entweder von Kupferadern irgendwelcher Form (Draht, Band, usw.), deren Enden alle untereinander in leitender Verbindung stehen, durchzogen ist, oder der solche Kupferadern in Vertiefungen (Nuten) seiner Oberfläche enthält, die ebenfalls an ihren Enden untereinander leitend verbunden sind, oder dessen Oberfläche teilweise oder ganz mit einer elektrisch zusammenhängenden Schicht bedeckt ist".

Der Massivrotor mit oder ohne Kurzschlusskäfig weist bedeutende Vorteile in bezug auf seine mechanischen Eigenschaften auf, die insbesondere seine Steifigkeit und die sich aus dieser ergebenden hohen biegekritischen Drehzahlen und seine Festigkeit, die den Widerstand gegen die in Betrieb auftretenden Zentrifugalkräfte aufbringt, betreffen. In Bezug auf seine elektromagnetischen Eigenschaften hingegen ist der Massivrotor, sogar wenn er eine Käfigwicklung aus Material hoher elektrischer Leitfähigkeit besitzt, mit beträchtlichen Nachteilen behaftet, die insbesondere den Einschaltstrom und

die bei Schaltvorßängen entstehenden Pendelmomente und die Rotoroberflächen- und Zahnpulsationsverluste betreffen. Diese nehmen beim Massivrotor unerwünscht hohe Werte an, so dass im allgemeinen die Ausnutzung der Maschine gegenüber derjenigen mit dem später entwickelten geblechten Rotor zu-

Zusatzmassnahmen rückgesetzt werden murs und an der Rotoroberflache i(z.B.

Rillung) erforderlich sind, um die thermische Belastung infolge Oberfeldverlusten in beherrschbaren Grenzen zu halten.

Im Laufe der Jahrzehnte hat es sich tatsächlich erwiesen, dass bei Verwendung eines aus genügend dünnen Blechen aufgebauten Rotors, wie dieser beispielsweise aus der GB-PS 18¹I 3^0 bekannt ist, die elektromagnetischen Nachteile des massiven Rotors vermieden werden können. Aus diesem Grunde werden heutzutage für Asynchronmaschinen hauptsächlich Iamellierte Rotoren mit Kurzschlusskäfigen verwendet. Ein solcher Rotor besteht aus einer massiven Welle in axialer Richtung zu einem Blechpaket aufgeschichteten dünnen Blechen, mit einem oder mehreren Kurzschlusskäfigen aus in Nuten des Blechpaketes angeordneten, untereinander verbundenen Kupferstäben.

Leider stehen den vorerwähnten elektromagnetischen Vorteilen des geblechten Rotors mit Kurzschlusskäfig schwerwiegende

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mechanische Nachteile gegenüber. Ein Nachteil betrifft die niedrige Steifigkeit des Rotors, die nur unwesentlich grosser ist als die Steifigkeit der relativ dünnen Rotorwelle, da das Blechpaket nur wenig zu dieser Steifigkeit beiträgt. Ein zweiter Nachteil betrifft die aus der niedrigen Steifigkeit des Rotors hervorgehenden relativ niedrigen biegekritischen Drehzahlen desselben, die zu den Nenndrehzahlen des Rotors in einer festen Relation stehen müssen und diese daher in unerwünschter Weise beschränken.

Ein weiterer wesentlicher mechanischer Nachteil des geblechten Rotors mit Kurzschlusskäfig betrifft die zufolge der auf die Bleche im Betrieb einwirkenden Zentrifugalkräfte beschränkten Rotordrehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten. Diese Zentrifugalkräfte sind nach der bekannten Formel

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Z - j m co rdr berechenbar, wobei m die bei einem Radius r als konzentriert angenommenen Masse eines Blechelementes, r der Radius des Elementes und U) die Winkelgeschwindigkeit des Elementes bzw. des Rotors ist. Diese Kräfte, die in den Ringen des Blechpaketes Tangential- un^ Radialspannungen verursachen, steigen mit wachsender Umfangsgeschwindigkeit und wachsendem Rotordurchmesser, bzw, wachsender Blechgrösse sehr rasch an. Die durch die Bleche aufnehmbaren Kräfte hingegen sind äusserst beschränkt.

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In der Tat werden für geblechte Rotoren mit Käfigwicklung niedrigpoliger Asynchronmaschinen meistens Dynamobleche verwendet. Da Dynamoblech gewöhnlich mit Silizium legiert und grobkristalliner Struktur ist, besitzt es nur geringe Zugfestigkeit. Leider steht nur ein Teil dieser Zugfestigkeit zur Verfügung, um den zufolge der Zentrifugalkräfte in den Blechen hervorgerufenen maximalen Spannungen Widerstand zu leisten, die am kleinsten Durchmesser der Bleche entstehen und tagentiale Zugspannungen sind. Die Bleche bzw. das Blechpaket müssen nämlich auf der Welle mit so hoher Vorspannung sitzen, dass bei voller Rotordrehzahl unter Einschluss von Sicherheiten und Fabrikationstoleranzen kein Abheben des Blechpaketes entsteht. Damit wird aber ein Teil der zulässigen Zugspannung verbraucht, und der zum Widerstand gegen die Zentrifugalkräfte zur Verfügung stehende Teil in beträchtlichem Masse herabgesetzt.

Zur Ermöglichung grösserer Umfangsgeschwindigkeiten bzw. Leistungen ist es schon vorgeschlagen worden, anstelle des Dynamobleches aus hochfestem, magnetisierbarem Stahl gefertigte Bleche zu verwenden, die hohe Zentrifugalkräfte bzw. Umfangsgeschwindigkeiten ertragen können. Diese hochfeste Stahlbleche verwendende Lösung bringt jedoch bei

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niedrigpoligen Maschinen nur eine begrenzte Erhöhung der ausführbaren Maschinenleistung, da durch die Herabsetzung der zulässigen Zugspannung durch den Betrag der genannten Restvorspannung die Festigkeit der hochfesten Stahlbleche nicht voll für die Aufnahme der Zentrifugalkräfte ausgenutzt werden kann. Dies umso mehr, je grosser die Drehzahl und die beim Anfahren des Rotors an seinem Aussenumfang entstehende Erwärmung ist. Des weiteren erlaubt der Einsatz von hochfestem Stahlblech auch nicht eine Erhöhung der biegekritischen Drehzahlen bei gegebenen Abmessungen eines Rotors, so dass auch diese Grenze bleibt. Letztlich bestehen bei der Herstellung, dem Stanzen und Schichten von hochfesten Stahlblechen der erforderlichen Abmessungen fabrikatorische Probleme, welche das Verfahren mit Nachteilen praktischer Art belasten.

In bezug auf die erzielbare Leistung eines Asynchronmotors

kann davon ausgegangen werden, dass diese proportional zu

2 DLn ist, wobei D der Aussendurchmesser, L die aktive Länge des Rotors und η die Rotordrehzahl ist. Vom Standpunkt der Leistung wäre also ein grösstmöglicher Durchmesser D, eine grösstmögliche aktive Länge L und eine grösstmögliche Drehzahl η des Rotors erwünscht. Jedoch ist der wählbare Durchmesser D und die wählbare Rotordrehzahl η aus den vorangehend

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aufgeführten Festigkeitsgründen stark beschränkt, und die maximal zulässige Umfangsgeschwindigkeit entsprechend begrenzt. Die biegekritische Drehzahl ist ihrerseits dem Quadrat des massgebenden Wellenaurchmessers proportional und so durch den wählbaren Durchmesser des massiven Teiles begrenzt. Ferner ist die biegekritische Drehzahl des Rotors dem Quadrat des Lagerabstandes umgekehrt proportional, so dass dieser kurz gewählt werden muss, um eine biegekritische Drehzahl zweckmässiger Gröss& zu erzielen. Diese Wahl des Lagerabstandes beschränkt jedoch die aktive Länge L und demzufolge die Motorleistung in unerwünschter Weise.

Die bekannten aus Dynamoblech gefertigten geblechten Rotoren genügen lediglich den mechanischen Anforderungen, die bei einer Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz und einer Leistung von etwa 6 bis 7 MW pro Pol bei nicht forcierter Kühlung an sie gestellt werden. Aus diesem Grund ist z.B. die maximal erzielbare Umfangsgeschwindigkeit, der Rotordurchmesser und die Leistung bei zweipoligen Maschinen in der Grössenordnung von 130 m/sec, bzw. 1,5 m, bzw. 14 MW, wobei die Betriebsdrehzahl dieser Maschinen oberhalb der ersten biegekritischen Resonanzdrahzahl liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorerwähnten Nachtei

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bekannten Asynchronmaschinen zu vermeiden und eine schnelllaufende Asynchronmaschine mit einem mindestens einen Kurzschlusskäfig aufweisenden Rotor zu schaffen, bei welcher durch zweckmässige Konstruktion des Rotor^ sowohl die Vorteile des bekannten massiven Rotors in bezug auf biegekritische Drehzahlen wie auch diejenigen des geblechten Rotors in bezug auf den Einschaltstrom, die Schaltmomente und die Rotoroberflächen- und Zahnpulsationsverluste erreicht wenden können, und die ausführbare Grosse und damit die erzielbare Leistung der Asynchronmaschine gegenüber den bekannten Maschinen wesentlich höher liegt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine minimale, von der Rotoroberfläche gemessene, radiale Abmessung des äusseren Teiles bis zum Ausseaumfang des äussersten Käfigs reicht, dass eine maximale, von der Rotoroberfläche gemessene radiale Abmessung des äusseren Teiles über den innersten Käfig hineinreicht, und diese maximale Abmessung so bemessen ist, dass sich beim synchronen Lauf des Rotors im mit Maschinen-Nennspannung erregten Statorfeld mindestens die Hälfte des Rotorjochflusses pro Pol infolge Sättigung des äusseren Teiles über den inneren Teil sohliesst, und dass demzufolge die Käfigstäbe ganz im inneren Teil oder ganz im äusseren Teil oder teilweise in beiden Teilen liegen.

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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der innere Teil und der äussere Teil des Rotors aus einem Stück gebaut. Jedoch kann der äussere unterteilte Teil Zähne aufweisen, die am Umfang eines Kreises in Winkelibständen voneinander angeordnet, in axialer Richtung zu einem Blechpaket aufgeschichtet und so ausgebildet sind, dass zwei benachbarte Zähne je einen Kupferstab des Käfigs in ihren zu diesem Zweck vorgesehenen Ausschnitten aufnehmen. Die Zähne können Einzelzähne sein, von denen jeder mit dem inneren Teil individuell verbunden ist. Die Zähne können ferner als radial nach aussen ragende Teile von aus Blechen bestehenden Ringer, ausgebildet sein, die den inneren Teil' umgeben und mit diesem zur Uebertragung der Betriebskräfte verbunden sind. Die Verbindung zwischen dem inneren Teil und dem äusseren Teil kann eine Schwalbenschwanz-, eine Hammerkopf-, eine Schweissverbindung oder eine beliebige andere dem Zweck entsprechende Verbindung sein.

Ferner können die unterteilten Stahlteile des äusseren Teiles durch Isoliermaterial voneinander getrennt sein, oder die zwischen den Stahlteilen vorhandenen Zwischenräume mit dem den Rotor umgebenden Medium, beispielsweise mit Luft, Gas oder OeI gefüllt sein, um zu verhindern, dass bei Einwirkung

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des Erregerfeldes Ströme von Teil zu Teil in axialer Richtung des Rotors fliesaön.

Vorzugsweise weist das Stabmaterial der Käfige einen elektrischen Leitwert auf, der kleiner ist als der derjenige von reinem Eisen, und die Käfigstäbe sind von dem sie umgebenden Material des inneren und/oder äusseren Teiles des Rotors vollständig isoliert.

Als wesentliche Vorteile der erfindungsgemässen Asynchronmaschinenkonstruktion sind die folgenden zu erwähnen:

Das elektrische Betriebeverhalten der aus einem massiven Teil und einem unterteilten Teil bestehenden Maschine entspricht in der Nähe der synchronen Drehzahl dem einer vollständig geblechten Maschine. Der Einschaltstrom steigt zwar zufolge der sich im massiven Teil beim Anfahren ergebenden zusätzlichen magnetischen Widerstände an, jedoch wegen des unterteilten Teiles auf einen kleineren Wert als bei einem Rotor gleichen Querschnitts mit vollständig massivem Eisen. Auch ergibt sich auf Grund der Wirbelströme im massiven Teil eine erwünschte Einsehaltdrehmomenterhöhung und eine ebenso erwünschte teilweise Erzeugung der Schlupfleistung ausserhalb des Käfigs.

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Die bei Schaltvorgängen entstehenden Pendelmomente sowie die Rotoroberflächen- und Zahnpulsationsverluste nehmen Werte an, die den bei Asynchronmaschinen mit geblechten Rotoren erzielten günstigen Werten nahe genug kommen, um den in der Praxis vorkommenden Anforderungen zu genügen.

Die radialen Breiten der Bleche und deren Massen sind im Vergleich mit der bekannten geblechten Konstruktion herabgesetzt, so dass bei sonst gleichem Rotordurchmesser und gleicher Drehzahl geringere Zentrifugalkräfte entstehen. Demzufolge sind die durch die Zentrifugalkräfte hervorgerufenen Spannungen in den Blechen wesentlich kleiner, und da keine Aufschrumpfung der Bleche auf die Welle erforderlich ist, kann die ganze Zugfestigkeit der Bleche zur Aufnahme der Zentrifugalkräfte verwendet werden.

Der Rotordurchmesser und/oder die Umfangsgeschwindigkeit können wesentlich höher als bei den bekannten Rotoren gewählt werden, und die erzielbare Leistung entsprechend gesteigert werden. Ferner hat eine Erhöhung des Rotordurchmessers eine entsprechende Erhöhung der biegekritischen Drehzahlen sowie eine gesteigerte Betriebssicherheit zur Folge. Die so erzielten hohen biegekritischen Drehzahlen können durch Vergrösserung der aktiven Länge .des Rotors auf minimal zulässige Werte

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herabgesetzt werden, um e5.ne zusätzliche Steigerung der erzielbaren Leistung zu erreichen. Ferner kann eine Maschine, die bei konventioneller Ausführung bei der erforderlichen Leistung überkritisch laufen müsste, mit der erfindungsgemässen Ausführung unterkritisch betrieben werden.

Die erf5ndungsgemässe Konstruktion bietet die Möglichkeit, luftgekühlte Grenzleistungsaynchronmaschinen zu bauen, die bei als zweifach gesteigerter Leistung einwandfreies elektro· magnetisches und mechanisches Verhalten aufweisen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Radialschnitt durch einen bekannten lameliierten Rotor einer Asynchronmaschine mit Kurzschlusskäfig;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch den lamellierten Rotor nach Pig. I;

Fig. 3 einen Radialschnitt durch einen Rotor, der einen massiven äusseren Teil und einen lamellierten inneren Teil aufweist, wobei die von der Rotoroberfläche gemessene radiale Abmessung des äusseren Teiles über

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den Käfig hineinreicht, und einen maximalen Wert

B anmimmt;
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Pig. Ί einen Axialschnitt durch den Rotor nach Fig. 3»

Pig. 5 einen Radialschnitt durch einen Rotor,bei welchem die von der Rotoroberfläche gemessene radiale Abmessung des äusseren Teiles bis zum Aussenumfang des Käfigs reicht, und einen minimalen Wert B . annimmt;

Fig. 6 einen Axialschnitt durch den Rotor nach Fig. 5»

Fig. 7 einen Radialschnitt durch einen Rotor, bei welchem die von der Rotoroberfläche gemessene radiale Abmessung des äusseren Teiles bis zum Innenumfang des Käfigs reicht, und einen zwischen B . und B

mm max

liegenden, intermediären Wert B annimmt:, Fig. 8 einen Axialschnitt durch den Rotor nach Fig. 7:,

Fig. 9 ein Kennliniendiagramm, welches den Einsehaltstrom als Funktion des Schlupfes für verschiedene Rotorkonstruktionen darstellt; und

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Pig. 10 ein Kennliniendiagramm, welches das Einschaltdrehmoment als Punktion des Schlupfes für verschiedene Rotorkonstruktionen darstellt.

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Bestandteile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet. ,

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte bekannte lamellierte Rotor 1 weist die Welle 9» den lamellierten äusseren Teil 3, im vorliegenden Fall ein Blechpaket, die das Blechpaket zusammenhalt erien Endplatten 8 und die in den Nuten 7 des Blechpaketes 3 angeordneten, den Kurzschlusskäfig bildenden Kupferstäbe 6 auf. Dieser Rotor 1 ist ein gewöhnlicher, für Asynchronmaschinen meistens verwendeter lameliierter Rotor mit Kurzschlusskäfig. Sein Blechpaket 3 innerhalb des Käfigs ist 30 gross, dass er mehr als 50 % des Maschinen-Nennflusses führt.

Im Gegsnsatz zu diesem weisen c?ie Aus führungsformen des Rotors 1 nach den Fig. 3 bis 8 einen inneren massiven Teil 2 und einen äusseren lamellierten Teil 3, d.h. ein aus Blechen bestehendes Blechpaket 3 auf. Ferner sind das Blechpaket 3 zusammenhaltende Endplatten 8 und in den Nuten 7 des Rotors

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angeordnete_fden Kurzschlusskäfig bildende Kupferstäbe 6 vorgesehen.

Nach den Pig. 3 und k besteht das Blechpaket 3 aus auf einem Kreis in Winkelabständen voneinander angeordneten, in axialer Richtung des Rotors 1 aneinandergereihten einzelnen Zähnen 10, die mit dem massiven Teil 2 durch eine Hammerkopfverbindung verbunden ist. Die Zähne 10 sind so ausgebildet, dass zwei benachbarte Zähne 10 je einen Kupferstab 6 in ihren zu diesem Zweck vorgesehenen Ausschnitten 11 aufnehmen. Die von der Rotoreberfläche gemessene radiale Abmessung des äusseren Teiles 3 reicht über den Käfig hinein und beträgt den maximalen Wert B , der so gewählt wurde, dass sich beim synchronen

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Lauf des Rotors 1 im mit Maschinen-Nennspannung erregten Statorfeld mindestens die Hälfte des Rotorjochflusses pro Pol infolge Sättigung des äusseren Teiles 3 über den inneren Teil 2 schliesst. Die biegekritische Drehzahl des massiven Teiles 2, die proportional dem Quadrat seines Aussendurchmessers, d.h. des Trennungsdurchmessers zwischen den beiden Teilen 2, 3 des Rotors ist, ist natürlich viel höher als die entsprechende biegekritische Drehzahl der Welle 9 des bekannten lamellierten Rotors 1 der Fig. 1 und 2. Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, können die Zähne 10 als Teile von Ringen ausgebildet sein,

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die auf den massiven Teil 2 geschoben und durch dessen Hammerkopf nut en gehalten werden.

Nach den Fig. 5 und 6 reicht die von der Rotoroberfläche gemessene radiale Abmessung des äusseren Teiles 3 bis ^zum Aussenumfang des Käfigs und beträgt den minimalen Wert B . . Dieser wurde so gewählt, dass der Käfig ganz im massiven Eisen liegt. Diese Wahl der radialen Abmessung ergibt noch *ine ausreichende Verkettung der Luftspaltoberfelder mit dem Käfig, so dass diese zum Grossteil durch im Käfig fliessende Ströme und nicht durch im Eisen fliessende Ströme abgedämpft werden, wie das bei dem ganz massiven Rotor der Fall ist. Hierdurch werden die damit verbundenen Verluste auf ein erträgliches Mass reduziert. Die biegekritische Drehzahl des massiven Teiles 2 ist im Vergleich mit dem Rotor nach den Fig. 3 und 4 wegen seines grösseren Aussendurchmessers wesentlich grosser, doch sind die Oberwellenverluste höher. Die Zähne 10 können in diesem Fall nicht als Teile von Ringen ausgebildet sein, sondern müssen einzeln am massiven Teil -2 festgehalten, beispielsweise angeschweis.jt sein.

In den meisten in der Praxis vorkommenden Fällen würde ein Rotor entsprechen, bei weichem die von der Rotoroberfläche

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gemessene radiale Abmessung B des äusseren Teiles 3 zwischen den früher definierten B . und B liegt. Die Käfig-

min max

stäbe 6 können demzufolge ganz im inneren Teil 2 oder ganz im äusseren Teil 3 oder teilweise in beiden Teilen liegen. Eine derartige Lösung stellt einen Kompromiss dar, welcher bei günstiger biegekritischer Drehzahl auch günstige Werte in Bezug auf den Einschaltstrom, die Schaltmomente, die Rotoroberflächen-, Zahnpulsations- und Oberwellenverluste ergibt. Ein Rotor dieser Art ist in den Fig. 7 und 8 gezeigt, bei welchem die von der Rotoroberfläche gemessene radiale Abmessung B bis zum Innenumfang des Käfigs reicht. Die Zähne 10 müssen auch in diesem Fall am massiven Teil 2 einzeln festgehalten sein, beispielsweise durch die gezeigte Schwalbenschwanzverbindung. Diese Verbindung könnte auch eine Hammerkopfverbindung oder eine Schweissverbindung sein.

Es ist noch zu bemerken, dass der äussere Teil 3 und der innere Teil 2 auch aus einem Stück gebaut werden könnten.. In einem solchen Fall müsste der äussere Teil 3 durch irgendein Metallbearbeitungsverfahren in axialer Richtung unterteilt werden, so dass zwischen den unterteilten Stahlteilen Zwischenräume entstehen.

Die Stahlteile können durch Isoliermaterial voneinander

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getrennt sein oder die Zwischenräume mit dem den Rotor umgebenden Medium, beispielsweise mit Luft, Gas oder OeI, gefüllt sein, um zu verhindern, dass bei Einwirkung des Erregerfeldes Ströme von Teil zu Teil in axialer Richtung des Rotors f Hessen.

Vorzugsweise weist das Stabmaterial der Käfige einen elektrischen Leitwert auf, der kleiner ist als derjenige von reinem Eisen, und die Käfigstäbe sind von dem sie umgebenden Material des inneren und/oder äusseren Teiles des Rotors vollständig isoliert,

Ueber die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Asynchronmaschine kann folgendes gesagt werden:

Durch das Vorhandensein eines ausreichend grossen Kurzschlusskäfigs aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit und eines lameliierten Zahnteiles ergeben eich bei Betrieb der Maschinen, deren Nennleistungen in der Grössenordnung der genannten Leistungen liegen, sehr niedrige Nennschlüpfe. Die Frequenz des Rotorflusses wird dadurch so klein, dass der Rotorfluss nahezu vollständig in den Massivteil eindringen kann. Das Betriebsverhalten entspricht also "in der Nähe" der synchronen Drehzahl dem einer vollständig lamellierten

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Maschine. Bei Stillstand und beim Anfahren, wenn die Rotorfrequenz zwischen .Netzfrequenz und Nennschlupffrequenz liegt, wird der Fluss mehr oder weniger aus dem Massivteil an dessen Auseenfläche verdrängt, so dass sich im Rotoreisen für den Fluss zusätzliche magnetische Widerstände ergeben. Diese be* wirken ein Ansteigen des Stromes, jedoch wegen des lamellierten Zahnes auf einen kleineren Wert als bei einem Rotor gleichen Querschnittes mit vollständig massivem Eisen. Des weiteren ergibt sich auf Grund der Wirbelströme im massiven Teil eine erwünschte Drehmomenterhöhung und eine ebenso«erwünschte teilweise Erzeugung der Schlupfleistung ausserhalb des Käfigs.

Die mit dem erfindungsgemässen Rotor erzielbaren wesentlichen Verbesserungen elektrischer Art sind aus den Fig. 9 und 10 ersichtlich, welche Kennliniendiagramme aeigen, die den Statorstrom I^ bzw. Drehmoment T als Funktion des Schlupfes S für verschiedene Rotorkonstruktionen darstellen. In beiden Diagrammen beziehen sich die für gleiche Rotorabmessungen berechneten Kurven:

I auf einen gewöhnlichen lamellierten Rotor mit Kurzschlusskäfig

II auf einen Massivrotor ohne Käfig

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III auf einen Massivrotor mit Käfig, und

IV auf einen erfindungsgemässen Rotor mit Käfig.

Aus den Diagrammen geht hervor, dass der Einschaltstrom beim erfindungsgemässen Rotor niedriger ist als derjenige¹ beim Massivrotor mit oder ohne Käfig und nur unwesentlich höher ist als der Einschaltstrom beim lamellierten Rotor mit Käfig. Auf ähnliche Weise verhält sich das Einschaltdrehmoment, dessen Verlauf sich vom günstigen Verlauf des beim lamellierten Rotor mit Käfig entwickelten Einschaltdrehmomentes nur

j wenig unterscheidet. Der erfindungsgemässe Rotor verhält sich

! also vom elektrischen Standpunkt aus gesehen einwandfrei und

ist dem lamellierten Rotor mit Käfig in bezug auf den Ein-

{ schaltstrom und das Einschaltdrehmoment nahezu äquivalent.

Das Verhalten des erfindungsgemässen Rotors ist vom mechanischen Standpunkt aus betrachtet noch viel günjtiger. Die Iamellierten Bleche weisen kleinere radialen Breiten und geringe

re Massen auf, so dass bei sonst gleichem Rotordurchmesser und gleicher Drehzahl geringere Zentrifugalkräfte entstehen. Wenn die lamellierten Bleche aus Ringen bestehen, sind die an ihren Innendurchmessern entstehenden tagentialen Zugspannungen noch immer die größsten, jedoch kann die ganze Zug-

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festikeit der Bleche zur Aufnahme der Zentrifugalkräfte verwendet werden, da keine Aufschrumpfung der Bleche auf den massiven Teil 2 stattfindet. Wenn die lamellierten Bleche hingegen aus nicht zu einem Ring zusammengefassten einzelnen Zähnen bestehen, verschwinden die Tangentialspannungen gänzlich, so dass die Bleche nur auf Radialspannungen beansprucht werden, die wesentlich geringer und daher viel weniger gefährlich sind. In beiden Fällen kann der Rotordurchmesser und/oder die Umfangsgeschwindigkeit wesentlich höher als bei den bekannten Rotoren gewählt werden und die erzielbare Leistung entsprechend gesteigert werden. Schätzungsweise kann der Rotordurchmesser bei gleicher Drehzahl um einen Faktor von 1,5 vergrössert werden, was einer Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit von der früher zulässigen 130 m/sec auf 200 m/sec und einer Steigerung der Leistung auf das 2,2-fache von 14 MW auf 30 MW, entspricht.

Die Erhöhung des Rotordurchmessers und damit des Durchmessers des massiven Teiles 2 hat eine wesentliche Erhöhung der biegekritischen Drehzahlen zur Folge, die durch zweckmässige Wahl des Trennungskreises zwischen den beiden Teilen des Rotors und damit des Trennungsradiuses innerhalb den den radialen Abmessungen B_max und B_m^_n zugeordneten zulässigen Radiuswerten

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R . und R_mav noch zwischen relativ weiten Grenzen variiert mm max

werden können. Auch ist es möglich, die durch Vergrösserung des Rotordurehmeseers erzielten hohen biegekritischen Drehzahlen durch Vergrösserung der aktiven Länge des Rotors auf kleinere zulässige Werte herabzusetzen, wodurch gleichzeitig sine zusätzliche Steigerung der erzielbaren Leistung irreicht wird. Die vorgeschlagene Lösung bietet also die als überraschender Effekt der Erfindung zu betrachtende Möglichkeit, luftgekühlte Grenzleistungsasynchronmaschinen zu bauen, die bei mehr als zweifach gesteigerten Leistungen durchaus günstige und elektromagnetische Eigenschaften aufweisen.

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Claims (8)

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1. Schnellaufende Asynchronmaschine mit einem mindestens einen Kurzschlusskäfig aufweisenden Rotor, dessen Aktivteil einen massiven inneren Teil aus magnetisierbarem Stab] und einen mit diesem verbundenen äusseren lamellierten Teil aus magnetisierbarem Stahl aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigstäbe des äussersten Käfigs mindestens zum Teil im äusseren Teil (3) liegen, und dass die maximale, von der Rotoroberfläche gemessene radiale Breite des äusseren Teiles (3) über den innersten Käfig hineinreicht.

2. Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Teil (2) und der äussere Teil (3) aus einem Stück gebaut sind.

3. Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Teil (3) Zahns (10) aufweist, die am Umfang eines Kreises in Winkelabständen voneinander angeordnet in axialer Richtung zu einem Blechpaket aufgeschichtet und so ausgebildet sind, dass zwei benachbarte Zähne (10) jeweils einen Kupferstab (6) mindestens eines der Käfige in ihren zu diesem Zweck vorgesehenen Ausschnitten (11) aufnehmen.

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4. Asynchronmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet _s dass die Zähne (10) Einzelzähne sind, von denen jeder mit dem inneren Teil (2) individuell verbunden ist.

5. Asynchronmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (10) als radial nach aussen ragende Teile
von aus Blechen bestehenden Ringen oder Ringsegmenten ausgebildet sind, die den inneren Teil (2) umgeben und mit diesem verbunden sind.

6. Asynchronmaschine nach Anspruch H oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem inneren Teil (2) und dem äusseren Teil (3) eine Schwalbenschwanz-, eine
Hammerkopf- oder eine Schweissverbindung ist.

7. Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlteile des äusseren Teiles (3) durch Isoliermaterial voneinander getrennt sind oder die Zwischenräume zwischen den Stahlteilen mit dem den Rotor umgebenden
Medium gefüllt sind.

8. Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Käfig vorgesehen ist, dessen Stabmaterial einen elektrischen Leitwert aufweist, der verschieden ist; von demjenigen aus reinem Eisen, und dass der Käfig von dem ihn umgebenden Material vollständig isoliert ist.

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