EP4690441A1 - Käfigrotor für eine elektrische asynchronmaschine, asynchronmaschine mit einem solchen käfigrotor sowie schienenfahrzeug mit einem als solche asynchronmaschine ausgebildeten traktionsantrieb - Google Patents

Käfigrotor für eine elektrische asynchronmaschine, asynchronmaschine mit einem solchen käfigrotor sowie schienenfahrzeug mit einem als solche asynchronmaschine ausgebildeten traktionsantrieb

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Publication number
EP4690441A1
EP4690441A1 EP24754592.4A EP24754592A EP4690441A1 EP 4690441 A1 EP4690441 A1 EP 4690441A1 EP 24754592 A EP24754592 A EP 24754592A EP 4690441 A1 EP4690441 A1 EP 4690441A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
cage
short
cage rotor
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24754592.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Josef Eberler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
Publication of EP4690441A1 publication Critical patent/EP4690441A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K17/00—Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
    • H02K17/02—Asynchronous induction motors
    • H02K17/16—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
    • H02K17/168—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors having single-cage rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • a cage rotor for an electrical machine known from the international publication WO 2014 / 067756 Al, which comprises a rotor core with a Slot, a short-circuit ring cast onto one axial end of the rotor core, and a bar arranged in the slot.
  • the bar is mounted in the slot by a deformable bearing and has a wedge- or trapezoidal-shaped cross-section.
  • the wedge shape of the bars results in rotor teeth with parallel tooth flanks, which provide greater strength in the area of the tooth roots and a large tooth cross-section for the flow of current.
  • squirrel cage bars with a trapezoidal cross-section have lower operational strength under very high loads, such as those typically found in traction drives, particularly traction bearing drives.
  • the vibrations impressed in the cage rotor in the circumferential direction generate the highest mechanical stresses due to the bending load on a squirrel cage bar at its widest point of the trapezoidal cross-section. These stress peaks are often the starting point for bar breakage.
  • Thermal play occurring between the squirrel cage ring and the rotor laminated core and the resulting radial forces can loosen the seat of a squirrel cage bar in its rotor slot.
  • the resulting mechanical play between the squirrel cage and the rotor laminated core over the long term can lead to vibrations, the resulting resonances and ultimately to damage to the machine.
  • a bar cross-section of a short-circuit bar has a rectangular outer region and an adjoining trapezoidal inner region.
  • the inner area lies radially closer to the rotor axis than the outer area.
  • the trapezoidal inner area tapers radially towards the rotor axis.
  • the merging composition of the bar cross section from an outer rectangle and an inner trapezoid, which tapers in a wedge shape towards the rotor axis makes it possible to design a short-circuit bar that is optimized in terms of electromagnetics and strength.
  • the rotor teeth arranged between the inner areas of adjacent short-circuit bars can therefore be designed with parallel flanks and a wide design, which prevents overmagnetization of the rotor laminated core.
  • the short-circuit bar can be made relatively wide in the outer area in order to provide a large cross section for the current flow and its mechanical strength.
  • the rectangular design of the short-circuit bar in the outer area avoids the voltage peaks that occur in a trapezoidal bar.
  • the rectangular design also prevents the short-circuit tab from loosening due to radial forces and micro-movements, as the wedge effect does not occur here.
  • a slot cross-section of a rotor slot is congruent with a bar cross-section, with the short-circuit bars being inserted into the rotor slot without play by caulking.
  • the positive fit achieved by the congruent cross-sections of the short-circuit bar and the rotor slot leads to a firm fit of the short-circuit bars in the rotor core.
  • the caulking of the short-circuit bars can be performed using an appropriate tool.
  • the rotor core has axially extending slots which extend radially from an outer circumferential side of the rotor core to the rotor slots.
  • the axial slots of the open rotor slots form Scattering slots.
  • Their cross-section can be rectangular and have a width of approximately one-third of the width of the rotor slot.
  • the ratio of the longitudinal extent of the outer region to a radially extending height extent of the inner region is between 2.2 and 2.6, preferably 2.4. This means that the height of the trapezoidal inner region is only approximately 30% of the total bar height in the radial direction. The tapered inner region thus only insignificantly reduces the bar cross-section, so that the strength is not impaired.
  • the inner region has a base extension extending perpendicular to the height extension at a transition to the outer region and a base extension extending perpendicular to the height extension at a radially inner groove base of a rotor groove.
  • the base extension of the inner region corresponds to the width extension of the outer region.
  • the ratio of the basic expansion to the base expansion is between 0.8 and 0.9, preferably 0.87.
  • the ratio of the basic expansion to the base expansion is selected such that the two trapezoidal legs of the inner region enclose a taper angle which leads to parallelism of the trapezoidal legs of adjacent short-circuit bars.
  • the taper angle can be 4.8°, for example. This in turn means that the tooth flanks of the rotor teeth do not taper towards the bottom of the rotor slot and therefore also have a sufficiently large tooth cross-section.
  • the short-circuit bars have curves at the outer corners of the cross-section, with a ratio of the radius of the curves to the width of the outer area being between 0.18 and 0.19.
  • the curves at the outer corners facilitate the caulking of the short-circuit bars into the rotor slots. Furthermore, the curves reduce the notch effect in the area of the outer corners of the rotor laminated core under mechanical loads.
  • the short-circuit bars are made of copper.
  • the short-circuit bars are made of a material with high electrical conductivity, preferably copper.
  • the invention further relates to an electrical asynchronous machine for driving a rail vehicle.
  • the machine comprises a machine housing, a hollow cylindrical stator with a stator core and a stator winding.
  • the stator is inserted in the machine housing in a rotationally fixed manner thereto.
  • the asynchronous machine comprises a cage rotor according to one of the preceding claims, the rotor shaft of which is rotatably mounted in the machine housing and the rotor core is rotatably arranged within the stator core, forming a radial air gap.
  • the asynchron- A chronometer machine can be designed to be more electromagnetically optimized while maintaining mechanical robustness. This also has a positive impact on the machine's efficiency and size.
  • the invention also relates to a rail vehicle with a traction drive designed as an electric asynchronous machine according to the preceding claim.
  • a rail vehicle with a traction drive designed as an electric asynchronous machine according to the preceding claim.
  • electric asynchronous machines according to the invention can be used as traction drives.
  • the robustness and efficiency combined with a small size enables easier integration of the traction drive in the bogie area of the rail vehicle, where generally only very limited installation space is available.
  • FIG 1 a rail vehicle according to the invention in side view
  • FIG 2 shows an axial longitudinal section through a traction drive of the rail vehicle from FIG I designed as an electric asynchronous machine according to the invention
  • FIG 3 shows a partial axial cross-section through a cage rotor according to the invention of the electrical asynchronous machine from FIG 2.
  • a rail vehicle 1 designed, for example, as a locomotive has electric asynchronous machines 3 integrated in bogies 2 as traction drive for driving wheel sets 4.
  • such an electrical asynchronous machine 3 comprises a machine housing 5 in which a stator 6 and a cage rotor 7 according to the invention are arranged.
  • the stator 6 has a hollow cylindrical stator laminated core 8 which is connected in a rotationally fixed manner to the machine housing 5.
  • the stator 6 furthermore has a stator winding 10 which runs in stator slots and forms winding heads 9 on opposite end faces of the stator laminated core 8.
  • the cage rotor 7 comprises a rotor shaft 11 which is mounted in the machine housing 5 via rolling bearings 12 so as to be rotatable about a rotor axis 12.
  • the cage rotor 7 furthermore comprises a rotor laminated core 14 which is connected in a rotationally fixed manner to the rotor shaft 11.
  • the rotor laminated core 14 can have a stack of magnetizable rotor laminations which are layered axially one on top of the other.
  • the rotor laminated core 14 comprises a plurality of axially extending rotor slots 15 which pass through the, for example, cylindrical rotor laminated core 14 close to its outer surface 16.
  • the rotor slots 15 can be arranged at equal intervals over the rotor laminated core 14 with respect to a circumferential direction around the rotor axis 12.
  • the cage rotor 7 also comprises a squirrel cage 17 with short-circuit bars 18 arranged in the rotor slots 15, which short-circuit bars are preferably made of copper or another good electrical conductor material.
  • the short-circuit bars 18 end on the end faces on both sides of the rotor laminated core 14 at a short-circuit ring 19 of the squirrel cage 17, to which they are fastened in an electrically conductive manner.
  • the rotor laminated core 14 of the cage rotor 7 is arranged such that it can rotate within the stator laminated core 8, forming a radial air gap 20.
  • the operation of the asynchronous electric machine 3, which sets the cage rotor 7 in rotation through electromagnetic interaction with the stator 6, is well known and will therefore not be described in detail. Furthermore, numerous details, such as cooling devices, are not shown in FIG. 2 for the sake of simplicity. 3, a short-circuit bar 18 is inserted into each of the two outer rotor slots 15, while such a bar has been omitted from the middle rotor slot 15 for reasons of clarity.
  • a bar cross-section Q of a short-circuit bar 18 according to the invention has a rectangular outer region QA and an adjoining trapezoidal inner region QI.
  • the short-circuit bar 18 can be designed to be relatively wide in order to provide a large cross-section for the current flow as well as its mechanical strength.
  • the rectangular design of the short-circuit bar 18 in the outer region QA avoids the voltage peaks that occur in a trapezoidal bar.
  • the rectangular cross-section design also prevents the short-circuit bar 18 from becoming loose due to radial forces and micro-movements, since the wedge effect does not occur here.
  • a slot cross-section of a rotor slot 15 is formed congruent to a bar cross-section Q, wherein the short-circuit bars 18 are inserted into the rotor slot 15 by caulking without play.
  • the positive connection achieved by congruent cross-sections of short-circuit bar 18 and rotor slot 15 leads to a firm fit of the short-circuit bars 18 in the rotor laminated core 14.
  • the rotor laminated core 14 has axially running slots 23 which extend radially from the outer circumferential surface 16 of the rotor laminated core 14 to the rotor slots 15.
  • the scattering slots 23 form open rotor slots 15.
  • a cross section of the slots 23 can be rectangular and have a slot width B23 of approximately one third of a width B15 of the rotor slot 15.
  • a ratio of a radially extending length L of the outer region QA to a width B of the outer region QA extending perpendicular to the length L is between 3.0 and 3.4, preferably 3.2.
  • the outer region QA of the bar cross section Q forms a rectangle which stands upright in the radial direction and is more than three times as long as it is wide. The specific dimensions depend on an outer diameter of the rotor laminated core 14 .
  • the short-circuit bars 18 therefore have a bar cross-section Q that is sufficiently large for the required strength.
  • the rotor teeth 21 have a tooth width B21 at their narrowest point that is 4 / 3 of the width B of the outer region QA of the bar cross-section Q .
  • the tooth cross-section can also be designed to be sufficiently large.
  • a ratio of the length L of the outer region QA to a radially extending height h of the inner region is between 2.2 and 2.6, preferably 2.4. This means that the height h of the trapezoidal inner region QI is only about 30% of the total bar height H in the radial direction.
  • the tapered inner region QI therefore only insignificantly reduces the bar cross-section Q, so that the strength is not impaired.
  • the inner area QI has a base extension b extending perpendicular to the height extension h at a transition 24 to the outer area QA (indicated in FIG 3 by a dash-dotted line
  • the base extension b of the inner region QI corresponds to the width extension B of the outer region. area QA.
  • the ratio of the basic extension g to the base extension b is between 0.8 and 0.9, preferably 0.87.
  • the ratio of the basic extension g to the base extension b is selected such that the two trapezoidal legs 26 of the inner region QI enclose a taper angle a, which leads to parallelism of the trapezoidal legs 26 of adjacent short-circuit bars 18.
  • the taper angle a can be, for example, 4.8°.
  • the short-circuit bars 18 have curves 28 at the outer corners of the bar cross-section Q, with a ratio of a radius R of the curves 28 to the width B of the outer area QA being between 0.18 and 0.19.
  • the curves 28 at the outer corners facilitate the caulking of the short-circuit bars 18 into the rotor slots 14.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Induction Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Käfigrotor (7) für eine elektrische Asynchronmaschine (3) zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs (1). Er umfasst eine um eine Rotorachse (12) drehbare Rotorwelle (11), ein drehfest mit der Rotorwelle (11) verbundenes Rotorblechpaket (14) mit mehreren axial verlaufende Rotornuten (15), und einen Kurzschlusskäfig (17) mit in den Rotornuten (15) angeordneten Kurzschlussstäben (18). Erfindungsgemäß weist ein Stabquerschnitt (Q) eines Kurzschlussstabes (18) einen rechteckförmigen Außenbereich (QA) und einen sich daran anschließenden trapezförmigen Innenbereich (QI) auf. Dabei liegt der Innenbereich (QI) radial näher an der Rotorachse (12) als der Außenbereich (QA) und verjüngt sich in radialer Richtung hin zur Rotorachse (12). Hierdurch wird ein Käfigrotor (7) sowohl hinsichtlich seiner elektromagnetischen Eigenschaften als auch seiner mechanischen Festigkeitseigenschaften optimiert.

Description

Beschreibung
Käfigrotor für eine elektrische Asynchronmaschine , Asynchronmaschine mit einem solchen Käfigrotor sowie Schienenfahrzeug mit einem als solche Asynchronmaschine ausgebildeten Traktionsantrieb
Die Erfindung betri f ft einen Käfigrotor für eine elektrische Asynchronmaschine zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs nach dem Oberbegri f f des Patentanspruches 1 .
Ein Käfigrotor oder Käfigläufer bildet zusammen mit einem Stator oder Ständer die Aktivanordnung einer elektrischen Asynchronmaschine , die zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs vorgesehen sein kann . Ein gattungsgemäßer Käfigrotor umfasst eine Rotorwelle , die um eine Rotorachse drehbar ist . Ferner umfasst der Käfigrotor ein drehfest mit der Rotorwelle verbundenes Rotorblechpaket . Das Rotorblechpaket kann einen Stapel axial aneinander geschichteter, magnetisierbarer Rotorbleche aufweisen . Das Rotorblechpaket umfasst mehrere axial verlaufende Rotornuten, die das beispielsweise zylindrische Rotorblechpaket nahe seiner äußeren Mantel fläche durchsetzen . Die Rotornuten können bezüglich einer Umfangsrichtung um die Rotorachse in gleichmäßigen Abständen über das Rotorblechpaket verteilt angeordnet sein . Der Käfigrotor umfasst außerdem einen Kurzschlusskäfig mit in den Rotornuten angeordneten Kurzschlussstäben . Die Kurzschlussstäbe enden zu beiden Seiten des Rotorblechpakets an j e einem Kurzschlussring des Kurzschlusskäfigs , an welchen sie elektrisch leitend befestigt sind .
Solche Käfigläufer unterscheiden sich in Abhängigkeit der an die elektrische Asynchronmaschine gestellten Anforderungen unter anderem durch den Stabquerschnitt der Kurzschlussstäbe . Aus der Of fenlegungsschri ft DE 35 39 543 Al sind beispielsweise Läuferstäbe mit rechteckiger, L- förmiger und trapez förmiger Querschnitts form bekannt . Dort wird vorgeschlagen, die Läuferstäbe entlang ihrer Oberkante im Abstand in Längsrich- tung der Stäbe im Bereich des Läuferpakets mit sich quer zur Längsausdehnung des Stabes erstreckenden Ausnehmungen zu versehen, um Strompfade entlang der Oberkante zu einem wellenartigen Verlauf zu zwingen und damit die wirksame Länge der Strompfade gegenüber derj enigen bei konstantem Querschnitt zu verlängern . Diese Verlängerung ergibt eine zusätzliche Erhöhung des Widerstandes und der Induktivität durch Stromverdrängung .
Die europäische Veröf fentlichung EP 3 598 618 Al zeigt eine dynamoelektrische rotatorische Maschine . Diese umfasst einen Stator, der ein zwischen Zähnen eines magnetischen leitfähigen Körpers befindlichen Nuten angeordnetes Wicklungssystem aufweist , das an den Stirnseiten des Stators j eweils einen Wickelkopf aufweist . Die Maschine umfasst außerdem einen Rotor mit einem Kurzschlusskäfig, der um eine Achse drehbar angeordnet ist und im Betrieb der dynamoelektrischen rotatorischen Maschine über einen Luftspalt mit dem in den Nuten angeordneten Wicklungssystem des Stators motorisch oder genera- torisch in elektromagnetischer Wechselwirkung steht . Der Rotor weist Leiterstäbe auf , die in geschlossenen oder auch halb of fenen Rotornuten zu dem Luftspalt der Maschine weisen . Die Leiterstäbe weisen eine rechteckige Querschnitts form auf .
Solche rechteckförmigen Kurzschlussstäbe führen zu dem Nachteil , dass die zwischen den Rotornuten verlaufenden Rotorzähne des Rotorblechpakets eine Trapez form mit geringerer Breite im Bereich der Zahnfüße aufweisen . Damit geht einerseits eine geringere Festigkeit einher, die zu Brüchen oder sogar zum Verlust eines Rotorzahns führen kann, was wiederum Schäden an der Statorwicklung oder gar einen Aus fall der Maschine zur Folge haben kann . Andererseits bedingt die Trapez form der Rotorzähne einen magnetisch eingeschnürten Rotorzahn, der weniger Querschnitt für den Stromfluss bietet .
Diese Nachteile überwindet ein aus der internationalen Veröffentlichung WO 2014 / 067756 Al bekannter Käfigläufer für eine elektrische Maschine , welcher ein Läuferblechpaket mit einer Nut , einen an einem axialen Ende des Läuferblechpakets angegossenen Kurzschlussring und einen Stab, der in der Nut angeordnet ist , aufweist . Der Stab ist durch eine deformierbare Lagerung in der Nut gelagert und weist einen keil- oder trapez förmigen Querschnitt auf . Durch die Keil form der Stäbe erreicht man Läuferzähne mit parallelen Zahnflanken, die eine höhere Festigkeit im Bereich der Zahnfüße und einen großen Zahnquerschnitt für den Stromfluss bieten .
Allerdings weisen Kurzschlussstäbe mit trapez förmigem Stabquerschnitt eine geringere Betriebs festigkeit bei sehr hohen Belastungen, wie sie typischerweise bei Traktionsantrieben, insbesondere bei Tatzlagerantrieben, auftreten . Die in Umfangsrichtung in den Käfigrotor eingeprägten Schwingungen erzeugen durch die Biegebelastung eines Kurzschlussstabes an seiner breiten Stelle des trapez förmigen Querschnitts die höchsten mechanischen Spannungen . Diese Spannungsspitzen sind oftmals Ausgangspunkt für Stabbrüche . Zwischen Kurzschlussring und Rotorblechpaket auftretende Wärmespiele und daraus resultierende radiale Kräfte können den Sitz eines Kurzschlusstabes in seiner Rotornut lockern . Das dadurch auf Dauer entstehende mechanische Spiel zwischen Kurzschlussstab und Rotorblechpaket kann zu Vibrationen, dadurch erzeugten Resonanzen und schließlich zu Schäden an der Maschine führen .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , einen Käfigrotor der eingangs genannten Art bereitzustellen, der sowohl hinsichtlich seiner elektromagnetischen Eigenschaften als auch seiner mechanischen Festigkeitseigenschaften optimiert ist .
Die Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch einen gattungsgemäßen Käfigrotor mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen .
Erfindungsgemäß weist ein Stabquerschnitt eines Kurzschlussstabes einen rechteckförmigen Außenbereich und einen sich daran anschließenden trapez förmigen Innenbereich auf . Dabei liegt der Innenbereich radial näher an der Rotorachse als der Außenbereich . Der trapez förmige Innenbereich verj üngt sich dabei in radialer Richtung zur Rotorachse hin . Durch die ineinander übergehende Zusammensetzung des Stabquerschnittes aus einem äußeren Rechteck und einem inneren Trapez , welches sich zur Rotorachse hin keil förmig verj üngt , kann ein elektromagnetisch und festigkeitsbezogen optimierter Kurzschlussstab gestaltet werden . Die zwischen den Innenbereichen benachbarter Kurzschlussstäbe angeordneten Rotorzähne können dadurch parallel f lankig und breit ausgebildet werden, was eine Übermagnetisierung des Rotorblechpakets verhindert . Es steht außerdem ein optimal großer Zahnquerschnitt mit breiten Zahnfüßen zur Verfügung, was die Rotorzähne unempfindlich bezüglich tangentialer Schwingungen macht . Im Außenbereich kann der Kurzschlussstab relativ breit ausgeführt werden, um einen großen Querschnitt für den Stromfluss sowie seine mechanische Festigkeit bereitzustellen . Gleichzeitig werden durch die rechteckige Aus führung des Kurzschlussstabes im Außenbereich die in einem Trapezstab auftretenden Spannungsspitzen vermieden . Die rechteckige Aus führung verhindert außerdem das Lockern des Kurzschlusstabes aufgrund von radialen Kräften und Mikrobewegungen, da die Keilwirkung hier nicht auf tritt .
In einer vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Käfigrotors ist ein Nutquerschnitt einer Rotornut kongruent zu einem Stabquerschnitt ausgebildet , wobei die Kurzschlussstäbe durch Verstemmen spiel frei in die Rotornut eingeführt sind . Der durch deckungsgleiche Querschnitte von Kurzschlussstab und Rotornut erzielte Formschluss führt zu einem festen Sitz der Kurzschlussstäbe im Rotorblechpaket . Das Verstemmen der Kurzschlussstäbe kann durch ein entsprechendes Werkzeug erfolgen .
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Käfigrotors weist das Rotorblechpaket axial verlaufende Schlitze auf , welche sich radial von einer äußeren Umfangsseite des Rotorblechpakets bis zu den Rotornuten erstrecken . Die axialen Schlitze der of fenen Rotornuten bilden Streuschlitze . Deren Querschnitt kann rechteckförmig ausgebildet sein und eine Breite von etwa einem Drittel einer Breitenausdehnung der Rotornut aufweisen .
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Käfigrotors beträgt ein Verhältnis aus einer sich radial erstreckenden Längenausdehnung des Außenbereichs zu einer sich senkrecht zur Längenausdehnung erstreckenden Breitenausdehnung des Außenbereichs zwischen 3 , 0 und 3 , 4 , vorzugsweise 3 , 2 . Der Außenbereich des Stabquerschnittes bildet ein in radialer Richtung hochkant stehendes Rechteck, welches mehr als dreimal so lang wie breit ist . Die konkreten Abmessungen hängen von einem Außendurchmesser des Rotorblechpakets ab . Die Kurzschlussstäbe haben so einen für die erforderliche Festigkeit ausreichend großen Stabquerschnitt . Gleichzeitig weisen die Rotorzähne an ihrer schmälsten Stelle eine Zahnbreite auf , die 4 / 3 der Breitenausdehnung des Außenbereichs des Stabquerschnittes beträgt . Somit kann auch der Zahnquerschnitt ausreichend groß gestaltet werden .
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Käfigrotors beträgt ein Verhältnis aus der Längenausdehnung des Außenbereichs zu einer sich radial erstreckenden Höhenausdehnung des Innenbereichs zwischen 2 , 2 und 2 , 6 , vorzugsweise 2 , 4 . Das heißt , dass die Höhe des trapezförmigen Innenbereichs nur etwa 30% der gesamten Stabhöhe in radialer Richtung gesehen beträgt . Der sich verj üngende Innenbereich schmälert den Stabquerschnitt damit nur unwesentlich, so dass die Festigkeit dadurch nicht beeinträchtigt wird .
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Käfigrotors weist der Innenbereich eine sich senkrecht zur Höhenausdehnung erstreckende Basisausdehnung an einem Übergang zum Außenbereich und eine sich senkrecht zur Höhenausdehnung erstreckende Grundausdehnung an einem radial innen liegenden Nutgrund einer Rotornut auf . Dabei stimmt die Basisausdehnung des Innenbereichs mit der Breitenausdehnung des Außenbereichs überein . Ein Verhältnis der Grundausdehnung zur Basisausdehnung beträgt zwischen 0 , 8 und 0 , 9 , vorzugsweise 0 , 87 . Das Verhältnis der Grundausdehnung zur Basisausdehnung ist so gewählt , dass die beiden Trapezschenkel des Innenbereichs einen Verj üngungswinkel einschließen, der zu einer Parallelität von Trapezschenkeln benachbarter Kurzschlussstäbe führt . Der Ver üngungswinkel kann beispielsweise 4 , 8 ° betragen . Dies bedeutet wiederum, dass die Zahnflanken der Rotorzähne in Richtung Nutgrund der Rotornut sich nicht verj üngen und damit ebenfalls einen ausreichend großen Zahnquerschnitt aufweisen .
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Käfigrotors weisen die Kurzschlussstäbe an Außenecken des Querschnittes Rundungen auf , wobei ein Verhältnis eines Radius der Rundungen zur Breitenausdehnung des Außenreichs zwischen 0 , 18 und 0 , 19 beträgt . Die Rundungen an den Außenecken erleichtern das Verstemmen der Kurzschlussstäbe in die Rotornuten . Des Weiteren vermindern die Rundungen die Kerbwirkung im Bereich der Außenecken des Rotorblechpakets bei mechanischen Belastungen .
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Käfigrotors bestehen die Kurzschlussstäbe aus Kupfer . Die Kurzschlussstäbe sind aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gefertigt , vorzugsweise aus Kup f e r .
Die Erfindung betri f ft ferner eine elektrische Asynchronmaschine zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs . Die Maschine umfasst ein Maschinengehäuse , einen hohl zylindrischen Stator mit einem Statorblechpaket und mit einer Statorwicklung . Der Stator ist in dem Maschinengehäuse drehfest zu diesem eingesetzt . Die Asynchronmaschine umfasst erfindungsgemäß einen Käfigrotor nach einem der vorangehenden Ansprüche , dessen Rotorwelle im Maschinengehäuse drehbar gelagert ist und dessen Rotorblechpaket innerhalb des Statorblechpakets unter Bildung eines radialen Luftspaltes drehbar angeordnet ist . Die Asyn- chronmaschine kann elektromagnetisch optimaler ausgeführt werden, bei gleichzeitiger mechanischer Robustheit . Dies wirkt sich auch in Ef fi zienz und Baugröße der Maschine positiv aus .
Die Erfindung betri f ft außerdem ein Schienenfahrzeug mit einem Traktionsantrieb, der als elektrische Asynchronmaschine nach dem vorangehenden Anspruch ausgebildet ist . Bei Schienenfahrzeugen, wie Straßenbahnen, Metros , Triebzügen für den Regional- und Hochgeschwindigkeitsverkehr sowie dieselelektrischen und Hochleistungslokomotiven, können erfindungsgemäße elektrische Asynchronmaschinen als Traktionsantrieb zum Einsatz kommen . Die Robustheit und Ef fi zienz bei kleiner Baugröße ermöglicht eine einfachere Integration des Traktionsantriebs im Drehgestellbereich des Schienenfahrzeugs , wo in der Regel nur sehr beengter Bauraum zur Verfügung steht .
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Aus führungsbeispiels anhand der Zeichnungen, in deren
FIG 1 ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug in Seitenansicht ,
FIG 2 einen axialer Längsschnitt durch einen als erfindungsgemäße elektrische Asynchronmaschine ausgebildeten Traktionsantrieb des Schienenfahrzeugs aus FIGI und
FIG 3 einen axialen Teilquerschnitt durch einen erfindungsgemäßen Käfigrotor der elektrischen Asynchronmaschine aus FIG 2 schematisch veranschaulicht sind .
Gemäß FIG 1 weist ein beispielsweise als Lokomotive ausgebildetes Schienenfahrzeug 1 in Drehgestellen 2 integrierte elektrische Asynchronmaschinen 3 als Traktionsantrieb zum Antreiben von Radsätzen 4 auf . Eine solche elektrische Asynchronmaschine 3 umfasst gemäß FIG 2 ein Maschinengehäuse 5 , in dem ein Stator 6 und ein erfindungsgemäßer Käfigrotor 7 angeordnet sind . Der Stator 6 weist ein hohl zylindrisches Statorblechpaket 8 auf , welches mit dem Maschinengehäuse 5 drehfest verbunden ist . Der Stator 6 weist ferner eine in Statornuten verlaufende und an gegenüberliegenden Stirnseiten des Statorblechpakets 8 Wickelköpfe 9 ausbildende Statorwicklung 10 . Der Käfigrotor 7 umfasst eine Rotorwelle 11 , die um eine Rotorachse 12 drehbar im Maschinengehäuse 5 über Wäl zlager 12 gelagert ist . Ferner umfasst der Käfigrotor 7 ein drehfest mit der Rotorwelle 11 verbundenes Rotorblechpaket 14 . Das Rotorblechpaket 14 kann einen Stapel axial aneinander geschichteter, magnetisierbarer Rotorbleche aufweisen .
Unter Bezugnahme auch auf FIG 3 umfasst das Rotorblechpaket 14 mehrere axial verlaufende Rotornuten 15 , die das beispielsweise zylindrische Rotorblechpaket 14 nahe seiner äußeren Mantel fläche 16 durchsetzen . Die Rotornuten 15 können bezüglich einer Umfangsrichtung um die Rotorachse 12 in gleichmäßigen Abständen über das Rotorblechpaket 14 verteilt angeordnet sein . Der Käfigrotor 7 umfasst außerdem einen Kurzschlusskäfig 17 mit in den Rotornuten 15 angeordneten Kurzschlussstäben 18 , die vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen guten elektrischen Leitermaterial bestehen . Die Kurzschlussstäbe 18 enden stirnseitig zu beiden Seiten des Rotorblechpakets 14 an j e einem Kurzschlussring 19 des Kurzschlusskäfigs 17 , an welchen sie elektrisch leitend befestigt sind . Das Rotorblechpaket 14 des Käfigrotors 7 ist innerhalb des Statorblechpakets 8 unter Bildung eines radialen Luftspaltes 20 drehbar angeordnet ist . Die Wirkungsweise der elektrischen Asynchronmaschine 3 , den Käfigrotor 7 durch elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Stator 6 in Drehbewegung zu versetzen, ist hinlänglich bekannt und wird daher nicht im Einzelnen beschrieben . Außerdem sind zahlreiche Details , wie beispielsweise Kühleinrichtungen, in FIG 2 der Einfachheit halber nicht dargestellt . Der Teilschnitt durch das Rotorblechpaket 14 zeigt gemäß FIG 3 drei Rotornuten 15 , wobei in den beiden äußeren Rotornuten 15 j eweils ein Kurzschlussstab 18 eingesetzt ist , während ein solcher in der mittleren Rotornut 15 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen wurde . Ein Stabquerschnitt Q eines Kurzschlussstabes 18 nach der Erfindung weist einen rechteckförmigen Außenbereich QA und einen sich daran anschließenden trapez förmigen Innenbereich QI auf . Dabei liegt der Innenbereich QI radial näher an der Rotorachse 12 als der Außenbereich QA. Der trapez förmige Innenbereich QI verj üngt sich dabei in radialer Richtung zur Rotorachse 12 hin . Durch die ineinander übergehende Zusammensetzung des Stabquerschnittes Q aus einem äußeren Rechteck QA und einem inneren Trapez QI , welches sich zur Rotorachse 12 hin keil förmig verj üngt , kann ein elektromagnetisch und festigkeitsbezogen optimierter Kurzschlussstab 18 gestaltet werden . Die zwischen den Innenbereichen QI benachbarter Kurzschlussstäbe 18 angeordneten Rotorzähne 21 können dadurch parallel f lankig und breit ausgebildet werden, was eine Übermagnetisierung des Rotorblechpakets 14 verhindert . Es steht außerdem ein optimal großer Zahnquerschnitt mit breiten Zahnfüßen 22 zur Verfügung, was die Rotorzähne 21 unempfindlich bezüglich tangentialer Schwingungen macht . Im Außenbereich QA kann der Kurzschlussstab 18 relativ breit ausgeführt werden, um einen großen Querschnitt für den Stromfluss sowie seine mechanische Festigkeit bereitzustellen . Gleichzeitig werden durch die rechteckige Aus führung des Kurzschlussstabes 18 im Außenbereich QA die in einem Trapezstab auftretenden Spannungsspitzen vermieden . Die rechteckige Querschnittsaus führung verhindert außerdem das Lockern des Kurzschlusstabes 18 aufgrund von radialen Kräften und Mikrobewegungen, da die Keilwirkung hier nicht auf tritt .
Gemäß FIG 3 ist ein Nutquerschnitt einer Rotornut 15 kongruent zu einem Stabquerschnitt Q ausgebildet , wobei die Kurzschlussstäbe 18 durch Verstemmen spiel frei in die Rotornut 15 eingeführt sind . Der durch deckungsgleiche Querschnitte von Kurzschlussstab 18 und Rotornut 15 erzielte Formschluss führt zu einem festen Sitz der Kurzschlussstäbe 18 im Rotorblechpaket 14 . Das Rotorblechpaket 14 weist axial verlaufende Schlitze 23 auf , welche sich radial von der äußeren Mantelfläche 16 des Rotorblechpakets 14 bis zu den Rotornuten 15 erstrecken . Die Streuschlitze 23 bilden of fene Rotornuten 15 . Ein Querschnitt der Schlitze 23 kann rechteckförmig ausgebildet sein und eine Schlitzbreite B23 von etwa einem Drittel einer Breitenausdehnung B15 der Rotornut 15 aufweisen . Ein Verhältnis aus einer sich radial erstreckenden Längenausdehnung L des Außenbereichs QA zu einer sich senkrecht zur Längenausdehnung L erstreckenden Breitenausdehnung B des Außenbereichs QA beträgt zwischen 3 , 0 und 3 , 4 , vorzugsweise 3 , 2 . Der Außenbereich QA des Stabquerschnittes Q bildet ein in radialer Richtung hochkant stehendes Rechteck, welches mehr als dreimal so lang wie breit ist . Die konkreten Abmessungen hängen von einem Außendurchmesser des Rotorblechpakets 14 ab . Die Kurzschlussstäbe 18 haben so einen für die erforderliche Festigkeit ausreichend großen Stabquerschnitt Q . Gleichzeitig weisen die Rotorzähne 21 an ihrer schmälsten Stelle eine Zahnbreite B21 auf , die 4 / 3 der Breitenausdehnung B des Außenbereichs QA des Stabquerschnittes Q beträgt . Somit kann auch der Zahnquerschnitt ausreichend groß gestaltet werden . Ein Verhältnis aus der Längenausdehnung L des Außenbereichs QA zu einer sich radial erstreckenden Höhenausdehnung h des Innenbereichs beträgt zwischen 2 , 2 und 2 , 6 , vorzugsweise 2 , 4 . Das heißt , dass die Höhe h des trapez förmigen Innenbereichs QI nur etwa 30% der gesamten Stabhöhe H in radialer Richtung gesehen beträgt . Der sich verj üngende Innenbereich QI schmälert den Stabquerschnitt Q damit nur unwesentlich, so dass die Festigkeit dadurch nicht beeinträchtigt wird . Der Innenbereich QI weist eine sich senkrecht zur Höhenausdehnung h erstreckende Basisausdehnung b an einem Übergang 24 zum Außenbereich QA ( in FIG 3 durch eine Strichpunktlinie angedeutet
) und eine sich senkrecht zur Höhenausdehnung h erstreckende Grundausdehnung g an einem radial innen liegenden Nutgrund 25 einer Rotornut 15 auf . Dabei stimmt die Basisausdehnung b des Innenbereichs QI mit der Breitenausdehnung B des Außenbe- reichs QA überein. Ein Verhältnis der Grundausdehnung g zur Basisausdehnung b beträgt zwischen 0,8 und 0,9, vorzugsweise 0,87. Das Verhältnis der Grundausdehnung g zur Basisausdehnung b ist so gewählt, dass die beiden Trapezschenkel 26 des Innenbereichs QI einen Verjüngungswinkel a einschließen, der zu einer Parallelität von Trapezschenkeln 26 benachbarter Kurzschlussstäbe 18 führt. Der Ver üngungswinkel a kann beispielsweise 4,8° betragen. Dies bedeutet wiederum, dass die Zahnflanken 27 der Rotorzähne 21 in Richtung Nutgrund 25 der Rotornut 15 sich nicht verjüngen und damit ebenfalls einen ausreichend großen Zahnquerschnitt aufweisen. Die Kurzschlussstäbe 18 weisen an Außenecken des Stabquerschnittes Q Rundungen 28 auf, wobei ein Verhältnis eines Radius R der Rundungen 28 zur Breitenausdehnung B des Außenreichs QA zwi- sehen 0,18 und 0,19 beträgt. Die Rundungen 28 an den Außenecken erleichtern das Verstemmen der Kurzschlussstäbe 18 in die Rotornuten 14.

Claims

Patentansprüche
1. Käfigrotor (7) für eine elektrische Asynchronmaschine (3) zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs (1) , umfassend
- eine um eine Rotorachse (12) drehbare Rotorwelle (11) ,
- ein drehfest mit der Rotorwelle (11) verbundenes Rotorblechpaket (14) mit mehreren axial verlaufende Rotornuten (15) , und
- einen Kurzschlusskäfig (17) mit in den Rotornuten (15) angeordneten Kurzschlussstäben (18) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
- dass ein Stabquerschnitt (Q) eines Kurzschlussstabes (18) einen rechteckförmigen Außenbereich (QA) und einen sich daran anschließenden trapezförmigen Innenbereich (QI) aufweist,
- wobei der Innenbereich (QI) radial näher an der Rotorachse (12) als der Außenbereich (QA) liegt und sich in radialer Richtung zur Rotorachse (12) hin verjüngt.
2. Käfigrotor (7) nach Anspruch 1,
- wobei ein Nutquerschnitt einer Rotornut (15) kongruent zu einem Stabquerschnitt (Q) ausgebildet ist und die Kurzschlussstäbe (18) durch Verstemmen spielfrei in die Rotornuten (15) eingeführt sind.
3. Käfigrotor (7) nach Anspruch 2,
- wobei das Rotorblechpaket (14) axial verlaufende Schlitze (23) aufweist, welche sich radial von einer äußeren Mantelfläche (16) des Rotorblechpakets (14) bis zu den Rotornuten (15) erstrecken.
4. Käfigrotor (7) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- wobei ein Verhältnis aus einer sich radial erstreckenden Längenausdehnung (L) des Außenbereichs (QA) zu einer sich senkrecht zur Längenausdehnung (L) erstreckenden Breitenausdehnung (B) des Außenbereichs (QA) zwischen 3,0 und 3,4, vorzugsweise 3,2, beträgt.
5. Käfigrotor (7) nach Anspruch 4,
- wobei ein Verhältnis aus der Längenausdehnung (L) des Außenbereichs (QA) zu einer sich radial erstreckenden Höhenausdehnung (h) des Innenbereichs (QI) zwischen 2,2 und 2, 6, vorzugsweise 2,4, beträgt.
6. Käfigrotor (7) nach Anspruch 4 oder 5,
- wobei der Innenbereich (QI) eine sich senkrecht zur Höhenausdehnung (h) erstreckende Basisausdehnung (b) an einem Übergang (24) zum Außenbereich (QA) und eine sich senkrecht zur Höhenausdehnung (h) erstreckende Grundausdehnung (g) an einem radial innen liegenden Nutgrund (25) einer Rotornut (15) aufweist,
- wobei die Basisausdehnung (b) des Innenbereichs (QI) mit der Breitenausdehnung (B) des Außenbereichs (QA) übereinstimmt, und
- wobei ein Verhältnis der Grundausdehnung (g) zur Basisausdehnung (b) zwischen 0,8 und 0,9, vorzugsweise bei 0,87, beträgt .
7. Käfigrotor (7) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- wobei die Kurzschlussstäbe (18) an Außenecken des Querschnittes (Q) Rundungen (28) aufweisen,
- wobei ein Verhältnis eines Radius (R) der Rundungen (28) zur Breitenausdehnung (B) des Außenreichs (QA) zwischen 0,18 und 0,19 beträgt.
8. Käfigrotor (7) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- wobei die Kurzschlussstäbe (18) aus Kupfer bestehen.
9. Elektrische Asynchronmaschine (3) zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs (1) , umfassend
- ein Maschinengehäuse (5) ,
- ein Stator (6) mit einem hohlzylindrischer Statorblechpaket (8) und mit einer Statorwicklung (10) , welcher in dem und drehfest zu dem Maschinengehäuse (5) eingesetzt ist,
- ein Käfigrotor (7) nach einem der vorangehenden Ansprüche, der im Maschinengehäuse (5) drehbar gelagert ist und dessen Rotorblechpaket (14) innerhalb des Statorblechpakets (8) unter Bildung eines radialen Luftspaltes (20) drehbar angeordnet ist.
10. Schienenfahrzeug (1) mit einem Traktionsantrieb, der als elektrische Asynchronmaschine (3) nach dem vorangehenden Anspruch ausgebildet ist.
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