WO2007000424A1 - Käfigläufer einer induktionsmaschine - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a squirrel cage rotor induction machine for high speeds and a method for its production.
- the shorting rings of the squirrel cage In order to increase the mechanical speed limit of the squirrel cage rotor of induction machines, which are given by the strength values of aluminum or copper, to achieve peripheral speeds of up to more than 150 m / s, the shorting rings of the squirrel cage specially reinforced. For this, the squirrel cage rotor must be machined and a special ring to accommodate the centrifugal forces must be mounted separately.
- Such a construction is known from DE 195 21 700 Al ⁇ known.
- the spaced from the laminated core short ⁇ closing ring is provided, inter alia, with a shrink ring.
- the object of the invention is to provide a squirrel-cage rotor which, in a simple manner, can withstand peripheral speeds of up to more than 150 m / s and is easy to assemble or to manufacture.
- the solution of the problem is achieved by a cage runners an induction machine with located in grooves of the squirrel cage form rods that are hollow and frontally withstand axially.
- the solution of the problem is also achieved by a method for producing a squirrel cage by the following steps:
- the hollow mold bars are preferably filled with aluminum or copper in a die-casting process.
- only the short-circuit ring is determined by the die casting process is formed on the end faces of the cage rotor, the electric conductor in the groove of the cage ⁇ fig redesignrs, so the shape of rod is hollow. This advantageously reduces the mass and the inertia of the squirrel cage.
- the cavity between two rods of a groove by a pressure Greeting procedure with aluminum or copper filled with simultaneous casting of the short-circuit ring in another embodiment, for example, the cavity between two rods of a groove by a pressure Greeting procedure with aluminum or copper filled with simultaneous casting of the short-circuit ring.
- this shaped sheet is made of a high-strength and highly conductive sheet.
- the molded sheet is fixed by the axial projection of the mold rods and / or the die casting process.
- FIG 3 4 partial longitudinal section of the squirrel cage, FIG 3, 5 partial cross section of the squirrel cage,
- FIG. 1 shows a schematic representation of an asynchronous machine 1 with a stand 2 and a squirrel cage 3.
- stand 2 and squirrel cage 3 are constructed by uprights 4 or rotor sheets 5.
- ⁇ grooves of the stand 2 is arranged a not further dargestell ⁇ tes winding system which forms on the faces of the stator winding heads 2.
- the squirrel cage 3 is shrunk onto a shaft 7.
- the cavities of the shaped rods 10 are filled with aluminum or copper and, together with the shaped rods 10 and the short-circuit rings 8, form the cage winding of the squirrel-cage rotor 3 on the end faces.
- FIG. 3 shows, in a partial cross section, hollow shaped rods 10 in grooves 9 of the cage rotor 3.
- the grooves 9 have slot slots 12, so they are half open.
- the shaped rods 10 are provided in this embodiment with an axially extending slot 13, which allows, among other things, that during the casting process, the groove ⁇ slots 12 can be shed with.
- ent ⁇ then speaks the width of the slot 13 the width of the groove ⁇ slot 12.
- the slot 13 also form the axial mounting of the bar 10 can in the groove 9 by squeezing accomplished comparatively easily.
- the end faces of the rotor sheets 5 have additional shaped sheets 14 in the region of the axial overhangs of the shaped bars 10, which comprise the ends of the shaped bars 10.
- the shaped sheets 14 support only the outer edge of the shaped rods 10.
- the short-circuit rings 8 are then formed over the molded sheets 14, or as stated above, over molded short-circuit rings 8 ge ⁇ .
- the short-circuit rings 8 are applied to the end faces of the rotor plates 5.
- FIG 5 shows in a further partial cross section grooves 9 with slot slots 12, wherein per groove 9, two form bars 10 and 110 are provided.
- the two shaped rods 10, 110 are arranged coaxially, so that a uniform cavity 15 of almost constant thickness results between the shaped rods 10 and 110, which is poured out.
- the groove slot 12 remains free.
- the two mandrels 10 and 110 so angeord ⁇ net and poured out that in the vicinity of the groove bottom of the groove 9, a cavity 16 is obtained.
- Figures 6 to 10 shows various cross-sectional shapes of the elekt ⁇ step ladder in the squirrel cage 3, which are executed as hollow mandrels 10, 110th
- FIGS. 6 and 7 show two coaxially arranged forming bars 10, 110 with closed or half-open grooves 9 of the cage rotor 3.
- the shaped rods 10, 110 can also be formed from one or more layers of round wires 50, the If necessary, spiral around a core with respect to its axial length.
- FIG. 11 shows a plurality of mold bars 10, 110, 210 inserted one inside the other, which together form a shaped rod of a groove 9.
- the shaped rods 10, 110, 210 can also have different thicknesses over their length and / or be tapered.
- the mold bars may have different cross-sectional shapes, such as e.g. round, drop-shaped, or double-bar-shaped.
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Abstract
Um die Umfangsgeschwindigkeit von Induktionsmaschinen (1) mit Käfigläufern (3) zu erhöhen, wird ein Käfigläufer (3) vorgeschlagen mit in Nuten (9) des Käfigläufers (3) befindlichen Formstäben (10,110,210), die hohl ausgeführt sind und stirnseitig axial überstehen.
Description
Käfigläufer einer Induktionsmaschine
Die Erfindung betrifft einen Käfigläufer einer Induktionsmaschine für hohe Drehzahlen und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Zur Erhöhung der mechanischen Drehzahlgrenze der Käfigläufer von Induktionsmaschinen, die durch die Festigkeitswerte von Aluminium oder Kupfer vorgegeben sind, werden, um Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu mehr als 150 m/s zu erreichen die Kurzschlussringe der Käfigläufer speziell armiert. Hierzu muss der Käfigläufer bearbeitet werden und ein spezieller Ring zur Aufnahme der Fliehkräfte separat montiert werden.
Eine derartige Konstruktion ist aus der DE 195 21 700 Al be¬ kannt. Dabei wird der vom Blechpaket beabstandete Kurz¬ schlussring u.a. mit einem Schrumpfring versehen.
Aus der DE 199 27 279 Al sind Pressverbände eines von einem Blechpaket beabstandeten Kurzschlussrings bekannt, die die Fliehkräfte des Kurzschlussrings aufnehmen sollen.
Diese Maßnahmen sind konstruktiv äußerst aufwendig umzusetzen und dementsprechend ist der Käfigläufer nur aufwändig herzu¬ stellen .
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei- nen Käfigläufer zu schaffen, der in einfacher Art und Weise Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu mehr als 150 m/s standhält und einfach zu montieren bzw. herzustellen ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen Käfig- läufer einer Induktionsmaschine mit in Nuten des Käfigläufers befindlichen Formstäben, die hohl ausgeführt sind und stirnseitig axial überstehen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufers durch folgende Schritte :
- Paketieren eines Blechpakets, das im wesentlichen axial verlaufende Nuten aufweist,
- einsetzen von Formstäben in die Nuten des Blechpakets, derart, dass die Formstäbe einen gegenüber der Stirnseite des Blechpakets axial vorgebbaren Überstand aufweisen,
- einsetzen des Blechpakets mit den Formstäben in eine geeig- nete Vorrichtung,
- Vergießen des Käfigläufers derart, dass die Formstäbe, zu¬ mindest an ihren Enden, also dem Überstand der Formstäbe mit einem leitfähigen Metall vergossen werden, derart, dass sich an den Stirnseiten des Blechpakets Kurzschlussringe ergeben.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung und Herstellung eines Käfigläufers lassen sich nunmehr wesentlich höhere Umfangsge¬ schwindigkeiten erreichen, ohne dass die dadurch erhöhten Fliehkraftbeanspruchungen den Käfigläufer zerstören.
Die hohlen Formstäbe werden mit Aluminium oder Kupfer vorzugsweise in einem Druckgussverfahren gefüllt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird durch das Druckgussverfahren lediglich der Kurzschlussring am den Stirnseiten des Käfigläufers gebildet, der elektrische Leiter in der Nut des Kä¬ figläufers, also der Formstab bleibt hohl. Dadurch reduziert sich vorteilhafterweise die Masse und die Massenträgheit des Käfigläufers .
In einer weiteren Ausführungsform sind pro Nut mehrere Formstäbe vorhanden. Damit ergibt sich durch Ineinanderstecken der einzelnen Formstäbe ein schichtartiger Aufbau des Leiters in der Nut .
In einer weiteren Ausführungsform wird beispielsweise der Hohlraum zwischen zwei Formstäben einer Nut durch ein Druck-
grußverfahren mit Aluminium oder Kupfer gefüllt mit gleichzeitigem Gießen des Kurzschlussringes.
Durch das Anbringen eines zusätzlichen Formbleches an den Stirnseiten des Käfigläufers, wird die Fliehkraftgrenze durch den Stützbalkeneffekt weiter erhöht.
Vorteilhafterweise ist dieses Formblech aus einem hochfesten und hochleitfähigen Blech hergestellt. Das Formblech wird durch den axialen Überstand der Formstäbe und/oder den Druckgussvorgang fixiert.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand schematisch dargestellter Ausfüh- rungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 prinzipieller Aufbau einer Induktionsmaschine mit Kä¬ figläufer,
FIG 2, 4 Teillängsschnitt des Käfigläufers, FIG 3, 5 Teilquerschnitt des Käfigläufers,
FIG 6 bis 11 verschiedene Formstäbe in Nuten des Käfigläu¬ fers .
FIG 1 zeigt in prinzipieller Darstellung eine Asynchronma- schine 1 mit einem Ständer 2 und einem Käfigläufer 3. In dieser Darstellung sind Ständer 2 und Käfigläufer 3 durch Ständerbleche 4 bzw. Läuferbleche 5 aufgebaut. In den nur ange¬ deuteten Nuten des Ständers 2 ist ein nicht näher dargestell¬ tes Wicklungssystem angeordnet, das an den Stirnseiten des Ständers 2 Wickelköpfe 6 bildet. Der Käfigläufer 3 ist auf eine Welle 7 aufgeschrumpft. An den Stirnseiten des Käfigläu¬ fers 3 befinden sich Kurzschlussringe 8, die die in dieser Darstellung nicht sichtbaren Leiter elektrisch verbinden.
In FIG 2 ist ein Detailausschnitt des Käfigläufers 3 näher dargestellt. In Nuten 9, die geschlossen oder halboffen ausgeführt sein können, befindet sich ein hohler Formstab 10, der axial bzgl. des Pakets der Läuferbleche 5 übersteht. Vor-
teilhafterweise befindet sich an den Enden der Formstäbe 10 eine Anfasung 11. Die Enden werden vom Kurzschlussring 8 um- fasst, der an die Formstäbe 10 angegossen ist. Um die Massen¬ trägheit des Käfigläufers 3 zu reduzieren sind dabei die Hohlräume der Formstäbe 10 nicht ausgegossen.
Durch die an der Stirnseite des Käfigläufers 3 axial überste¬ henden Formstäbe 10 stellt sich ein Stützbalkeneffekt ein, der Umfangsgeschwindigkeiten des Käfigläufers 3 von mehr als 150 m/gestattet.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Hohlräume der Formstäbe 10 mit Aluminium oder Kupfer ausgegossen und bilden zusammen mit den Formstäben 10 und den Kurzschlussringen 8 an den Stirnseiten die Käfigwicklung des Käfigläufers 3.
FIG 3 zeigt in einem Teilquerschnitt hohle Formstäbe 10 in Nuten 9 des Käfigläufers 3. Die Nuten 9 weisen Nutschlitze 12 auf, sie sind also halboffen. Die Formstäbe 10 sind in dieser Ausführungsform mit einem axial verlaufenden Schlitz 13 versehen, der u.a. gestattet, dass beim Gießvorgang die Nut¬ schlitze 12 mit vergossen werden können. Idealerweise ent¬ spricht dann die Breite des Schlitzes 13 der Breite des Nut¬ schlitzes 12. Durch den Schlitz 13 lässt sich auch die axiale Montage des Formstabes 10 in die Nut 9 durch zusammendrücken vergleichsweise leicht bewerkstelligen.
In einer weiteren Ausführungsform nach FIG 4 weisen die Stirnseiten der Läuferbleche 5 im Bereich der axialen Über- stände der Formstäbe 10 zusätzliche Formbleche 14 auf, die die Enden der Formstäbe 10 umfassen. Zur Aufnahme der Fliehkräfte ist es allerdings auch ausreichend wenn die Formbleche 14 lediglich den äußeren Rand der Formstäbe 10 stützen. Die Kurzschlussringe 8 werden dann über die Formbleche 14, oder wie oben ausgeführt, über angegossene Kurzschlussringe 8 ge¬ bildet.
Die Kurzschlussringe 8 liegen dabei an den Stirnseiten der Läuferbleche 5 an.
FIG 5 zeigt in einem weiteren Teilquerschnitt Nuten 9 mit Nutschlitzen 12, wobei pro Nut 9 zwei Formstäbe 10 und 110 vorgesehen sind. In der linken Darstellung sind die beiden Formstäbe 10, 110 koaxial angeordnet, so dass sich zwischen den Formstäben 10 und 110 ein gleichmäßiger Hohlraum 15 nahezu konstanter Dicke ergibt, der ausgegossen wird. Dabei bleibt der Nutschlitz 12 frei. In der rechten Darstellung dieser Figur sind die beiden Formstäbe 10 und 110 so angeord¬ net und ausgegossen, dass sich in der Nähe des Nutgrundes der Nut 9 ein Hohlraum 16 ergibt. Damit steigen die Grundschwingungsverluste bei großem Schlupf der Asynchronmaschine weni- ger als proportional zur Querschnittsverringerung, da bei Vollstabläufern ohnehin eine Stromverdrängung in Richtung Staboberseite, also in Richtung des Luftspalt der Asynchron¬ maschine auftritt.
FIG 6 bis 10 zeigt verschiedene Querschnittformen der elekt¬ rischen Leiter im Käfigläufer 3, die als hohle Formstäbe 10, 110 ausgeführt sind.
So zeigt FIG 6 und 7 zwei koaxial angeordnete Formstäbe 10, 110 bei geschlossenen oder halboffenen Nuten 9 des Käfigläufers 3.
FIG 8 zeigt zwei Formstäbe 10, 110, wobei der äußere Formstab 10 geschlitzt ausgeführt ist. Der Schlitz 13 ist dabei dem Nutschlitz 12 zugeordnet.
FIG 9 zeigt zwei geschlossene Formstäbe 10, 110, die derart angeordnet sind, dass sich nach einem Gießvorgang auf dem Nutgrund der Nut 9 ein Hohlraum 16 ergibt.
FIG 10 zeigt, dass die Formstäbe 10, 110 auch aus einer oder mehreren Lagen von Runddrähten 50 gebildet werden können, die
sich ggf. um einen Kern bzgl. Ihrer axialen Länge spiralförmig winden.
FIG 11 zeigt mehrere ineinander gesteckte Formstäbe 10, 110, 210, die zusammen einen Formstab einer Nut 9 bilden.
Grundsätzlich sind unterschiedliche Formstäbe ohne Schlitz 13, mit Schlitz 13, oder aus Runddrähten 50 kombinierbar.
Des Weiteren können die Formstäbe 10, 110, 210 auch über ihre Länge betrachtet unterschiedliche Dicken aufweisen und/oder konisch zulaufend sein.
Außerdem können die Formstäbe unterschiedliche Querschnitts- formen aufweisen, wie z.B. rund, tropfenförmig, oder doppel- stabförmig.
Durch Isolation der Formstäbe gegenüber den Läuferblechen 5 sind parasitäre Querströme unterdrückbar.
Durch die verschiedensten Ausführungsformen, die in einfacher Art und Weise herzustellen sind, wird die Fliehkraftgrenze bisheriger Kurzschlussringläufer nach oben verschoben, so dass nunmehr Umfangsgeschwindigkeiten von mehr als 150 m/s möglich sind.
Claims
1. Käfigläufer (3) einer Induktionsmaschine (1) mit in Nuten (9) des Käfigläufers (3) befindlichen Formstäben (10,110, 210), die hohl ausgeführt sind und stirnseitig axial überste¬ hen .
2. Käfigläufer (3) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass der Käfigläufer (3) geblecht oder aus gesintertem Material aufgebaut ist.
3. Käfigläufer (3) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Formstäbe (10,110, 210) aus hochfesten, elektrisch hochleitfähigem Metall beste- hen .
4. Käfigläufer (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Nu¬ ten (9) des Käfigläufers (3) geschlossen oder halboffen aus- geführt sind.
5. Käfigläufer (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kurzschlussringe (8) direkt an den Stirnseiten Käfigläufers (3) anliegen.
6. Käfigläufer (3) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Enden der Formstäbe
(10,110,210) angeschrägt ausgeführt sind, derart, dass der äußere Teil der Formstäbe (10,110,210) stirnseitig axial wei¬ ter übersteht .
7. Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufer (3) nach An¬ spruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Schritte :
- Paketieren von Läuferblechen (5), die im wesentlichen axial verlaufende Nuten (9) aufweisen, - einsetzen von Formstäben (10,110,210) in die Nuten (9) die Läuferbleche (5), derart dass die Formstäbe (10,110,210) einen gegenüber der Stirnseite des Pakets der Läuferbleche
(5) axial vorgebbaren Überstand aufweisen, - einsetzen der Läuferbleche (5) mit den Formstäben (10,110,210) in eine geeignete Vorrichtung,
- Vergießen der Läuferbleche (5) mit den Formstäben (10, 110,210) derart, dass die Formstäbe (10,110.210), zumindest an ihren Enden, also dem Überstand der Formstäbe (10,110, 210) mit einem leitfähigen Metall vergossen werden, derart, dass sich an den Stirnseiten der Läuferbleche (5) Kurzschlussringe (8) ergeben.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t, dass die Formstäbe (10,110,210) vorab mit
Flussmittel behandelt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass die Nuten (9) geschrägt aus- geführt werden.
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