Käfigwicklung für Läufer elektrischer Maschinen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Käfigwick- lung für Läufer von elektrischen Maschinen, z. B. für harten Betrieb, @d. h. für Betriebsarten, bei denen in er- heblichem Masse Wärme frei wird wie beispielsweise bei Schlupfbetrieb oder während des Anlaufs.
Es kommt bei diesen Wicklungen insbesondere auf eine elastische Ausführung der äusseren kreis- oder kreisbogenförmi gen Verbindungen sowie auf deren Unterteilung an, wobei eine Wicklungsverformung infolge Fliehkraft mit Hilfe von Schrumpfkappen vermeidbar ist.
Es ist in der Tat bekannt, dass solche Wicklungen, wenn sie nach klassischer Art als starrer Verband aus geführt werden, bedeutenden - statischen wie dynami schen - Kräften ausgesetzt sind, die sowohl den Bruch als auch Rissbildungen bei Stäben als Auswirkung von Ermüdungserscheinungen hervorrufen können.
Als Abhilfe sind schon verschiedene Massnahmen vorgeschlagen worden, um sowohl die Stäbe als auch die Ringe zwecks Verminderung der Beanspruchungen ela stisch und verformbar zu machen, mit gegebenenfalls zustäzlicher, elastischer Verbindung zwischen Stäben und Ringen.
Gleichfalls sind verschiedene Vorrichtungen vorge schlagen worden, um Schwingungen zu vermeiden, die von Verformungen der Ringe wegen ihrer freifliegenden Anbringung an den Stabenden herrühren.
Einer der Vorteile einer solchen Vorrichtung besteht darin, dass diese unmittelbar aus der klassischen Lösung hervorgeht, nämlich der Verwendung von Ringen und deren Verbindungen mit den Stabenden, wobei nur die Gestaltung eine Änderung erfährt, um die gesuchte ela stische Wirkung zu erzielen, ohne jedoch den Herstel lungsgang an sich zu ändern.
Das Verfahren besteht beispielsweise in der Unter teilung eines Ringes in mehrere Segmente und in der Schaffung eines ausreichend grossen Spieles zwischen den letzteren, damit sich die Ausdehnungen bei Erwär mung, insbesondere während Anläufen, frei vollziehen können.
In lochen Augenblicken erfährt der Ring, während die Schrumpfkappe noch kalt ist, bekanntlich sehr rasch ansteigende Übertemperaturen, die in gewissen Fällen zwischen 200 bis 300 C liegen können.
Bei solchen Temperaturanstiegen und mit den gege benen Unterschieden im Ausdehnungskoeffizienten der als Füllung gebrauchten Kupferlegierungen einerseits und der bei Schrumpfringen ,gebrauchten Stähle ande rerseits wird die Elastizitätsgrenze des einen oder ande ren Teils sehr rasch erreicht oder gar sehr weit über schritten.
Zur Vermeidung .solcher Erscheinungen genügt es, die mechanischen Beanspruchungen zu beseitigen. Nun aber sind :die spezifischen Kräfte in einem Ring oder einem Ringteil proportional zur Bogenlänge; bei Auftei lung in Segmente betragen daher ,die Beanspruchungen, weil sie zur Länge .des entsprechenden Bogens propor tional sind, nur mehr einen Bruchteil des bei ursprüng licher Ausführung vorhandenen Wertes.
Zur Sicherstellung des Stromdurchgangs trotz der Ringauftrennung wird z. B. zu einer Unterteilung der Ringstücke senkrecht zur Achse geschritten, zu einer Aufteilung in mehrere koaxiale, scheibenförmige Teile, zwischen denen ein angemessener Abstand vorzusehen ist;
nach einer Verschiebung der Segment-Trennstellen von :einer Ebene zur anderen, erzielt man zweckmässig Neugruppierung der Segmente dadurch, dass geradläufig zu jedem Gitterstab und parallel zu diesem ein zuvor genuteter Verbindungsstab oder ein Kammstück ange bracht wird, wobei die Nuten zur Aufnahme und elektri schen Verbindung der besagten geschichteten Segmente bestimmt sind.
Weil der so wiederhergestellte leitende Ring verhält- nismässig biegsam und in radialer Richtung verformbar ist, bietet er den Fliehkräften keinen ausreichenden Widerstand. Um radiale Verformungen zu unterbinden, umgibt man den Ring daher mit einer Schrumpfkappe, während die von :den Längsdehnungen der Segmente herrührenden Tangentialverschiebungen möglich blei ben.
Diese Bewegung wird zudem erleichtert, indem man z: B. zwischen Schrumpfkappe und Wicklungsring einen Isolierstoff mit geringem Reibungskoeffizienten an bringt.
Ein weiterer Vorteil dieser doppelt unterteilten Vor richtung im Vergleich zur massiven Ausführung ist die Vermehrung .der wärmeabgebenden Oberflächen, die eine sehr wirksame Wärmeabfuhr durch Konvektion erlauben. Für eine gleich grosse Übertemperatur der Ringe kann man daher drei- bis viermal höhere Verluste zulassen, und dies bietet eine grosse Freiheit in der Wahl der Verlustaufteilung zwischen Stäben und Ringen.
Die Käfigwicklung gemäss der Erfindung für Läufer elektrischer Maschinen, bestehend aus Gitterstäben, .die in Nuten eingebettet und an beiden Enden des Läufers durch Kurzschlussringe zusammengeschlossen sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass .die Kurzschlussringe in axialer Richtung in koaxiale Ringelemente mit gegensei tigem Abstand unterteilt sind und diese Ringelemente durch radiale Zerlegung in Segmente nochmals unterteilt sind,
.die durch je ein genutetes Verbindungsstück pro Gitterstab unter sich verbunden sind, und :dass die un terteilten Kurzschlussringe von einer Schrumpfkappe umgeben sind, die von der Wicklung isoliert ist, aber mit ihr kraftschlüssig verbunden ist.
Als erläuterndes, aber nicht einschränkendes Aus- führungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich nung eine Käfigwicklung erläutert.
Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch eine .der beiden Läufer-Endpartien eines Asynchronmotors mit Kurz schlusswicklung.
Fig. 2 enthält eine Draufsicht und einen Teilschnitt der gleichen Endpartie.
Fig. 3 ist eine Aussenansicht des unterteilten Ringes, wobei der Mantel der Schrumpfkappe weggelassen wurde.
In Fig. 4 befindet sich eine ,schematische Ansicht für ,den Fall eines aus 3 Einzelringen zusammengesetzten Ringes.
Fig. 5 bezieht sich auf den Fall eines aus 5 Einzel ringen bestehenden Ringes.
In Fig. 1 trägt die Welle 1, bzw. der Radstern eines Motors mit Kurzschlusswicklung die Bleche 2, welche an ihren Enden durch eine Platte 3 zusammengepresst sind.
Die von ;den gestanzten Blechen gebildeten Nuten enthalten die Gitterstäbe 4, welche unter sich am Ende des Blechkörpers durch einen Kurzschlussring verbun den sind, der aus drei Einzelringen 5 besteht, wobei letz tere unter sich wieder verbunden sind durch genutete Verbindungsstäbe oder Kammstücke 6, die .sich in ge- radläufiger Fortsetzung der Gitterstäbe befinden.
Eine isolierende Zwischenlage 7 zylindrischer Form bedeckt die Mantelfläche des Stabgebildes. Eine weitere und scheibenförmige Isolierschicht 8 ist an den Stirnsei ten der Gitterstäbe angebracht, während eine Schrumpf kappe 9 das -Ganze umgibt und mit dem Kurzschlussring kraftschlüssig ist, elektrisch aber vom Stabverband iso- liert bleibt mit Hilfe von isolierten Bolzen, die in den Aussenring 5a eingeschraubt sind,
wobei die Festigkeit der Schraubverbindung durch Distanzstücke 12 gewähr leistet bleibt.
Die Antriebskraft wird auch auf die Schrumpfkappe übertragen mit Hilfe .des Führungsstückes 13, das mit der Platte 3 durch nicht dargestellte Langschrauben 11 'befestigt ist, zusammen mit den Keilen 14, die zwischen .der Kappe 9 und den am Führungsstück befestigten Gleitstücken 15 angebracht sind.
Unter diesen Bedingungen sind sowohl die Zentrie rung der Schrumpfkappe 9 in Wellennähe als auch deren Axialverschiebung auf den Gleitstücken 15 bei Ausdehnung .der Gitterstäbe 4 gewährleistet, wodurch jede Beanspruchung der Kappe infolge Staberwärmung vermieden ist.
In Fig. 2 erkennt man die Unterteilung der Einzel- ringe 5 in Segmente durch .die Trennfugen 16a, die beim Aussenring als .durchgehende Linien und bei den innen liegenden Ringen als gestrichelte Linien gezeichnet sind; sie erlauben den Segmenten, sich in Längs- und Um fangsrichtung zu dehnen, wodurch jede Beanspruchung infolge der Ringerwärmung beseitigt ist.
An der Beseitigung ,dieser Beanspruchungen sind übrigens auch die Isolationseinlagen 7 und 8 beteiligt. Diese haben einen niedrigen Reibungskoeffizienten an den Mantel- und Seitenflächen, dort wo sie mit der Käfigwicklung, die Dehnungen unterworfen ist, in Be rührung stehen. Dadurch werden .die entsprechenden Bewegungen in Umfangsrichtung erleichtert.
Im Kappenboden sind .die Löcher 17 für den Eintritt der Kühlluft angebracht, während sich im Kappenring die Löcher 18 (Fig. 1) für den Auslass der Warmluft be finden.
In Fig. 3 ist jeder Einzelring 5 mit seinem System von Trennstellen 16 und 16a dargestellt, wobei dieses zum System des benachbarten Ringes jeweils um eine Nutteilung verschoben ist. Jedes Segment hat hierbei eine Bogenlänge, die ;drei Nutteilungen entspricht.
Infolge dieser Anordnung befindet sich zwischen zwei Gitterstäben 4 und zwischen zwei Segmenten eine einzige Trennstelle 16. Elektrisch gesehen ist oder nutz bare gleichwertige Ringquerschnitt an jeder Stelle gleich dem ,doppelten Querschnitt eines Einzelringes. Der Ge samtstrom verteilt sich auf zwei Wege, die vom halbierten Strom durchflossen werden und die symbolisch als 19 und 20 in Fig. 4 .dargestellt sind, worin 4 die Gitterstäbe und 6 .die kammförmigen Verbinder bedeuten.
Die Scheiben 5 sind auf den Gitterstäben 4 angelötet oder angeschweisst, gleich wie die Kammverbinder 6 an den Scheiben 5.
Die Rolleder Kämme 6 besteht einerseits darin, den Stromtransport zwischen zwei Einzelringen zu erleich tern, deren Trennstellen in .der angrenzenden Zwischen strecke liegen; .andererseits erhöhen .die Kämme beacht lich die Kühlfläche des Ringes und verbessern .dadurch die Wirksamkeit der Kühlung.
Dies sind Betrachtungen, welche sich auf den gesam ten tatsächlichen Querschnitt des. Kurzschlussringes be ziehen, auf seine Erwärmung, auf die Teilbarkeit .der Nutenzahl und schliesslich auf .die technologischen Mit tel, die bei der Wahl der zwei Parameter bei Untertei lung in Scheiben und Segmente mitspielen.
Als Beispiel ist in Fig. 5 ein Schema dargestellt, bei dem der Ring in fünf Ringscheiben unterteilt ist, und wo 'der Aussenbogen der Segmente einer Länge von fünf Nutenteilungen entspricht. Der Gesamtstrom unterteilt sich in diesem Fall auf vier Parallelwege 21, 22, 23 und 24, bei denen jeder einzelne Weg vom vierten Teil des genannten Stromes .durchflossen wird.
Man soll übrigens bei der Erhöhung ,der Zahl von Einzelringen nicht zu weit gehen, weil dies - neben den Herstellungsschwierigkeiten - zu einer übermässigen Verlängerung der Gitterstäbe ausserhalb des Eisens füh ren würde.
Die Gitterstäbe, Segmente und Kammverbinder können aus legiertem Kupfer sein. Der Bereich der Er findung wird jedoch nicht verlassen, wenn die Gitter stäbe aus Hartkupfer sind, während die Segmente und Kämme aus elektrischem Widerstandsmaterial herge stellt werden, um den Grossteil der Verluste an demje nigen Ort entstehen zu lassen, wo man sie abführen kann.
Squirrel-cage winding for rotors in electrical machines The present invention relates to a squirrel-cage winding for rotors in electrical machines, e.g. B. for hard operation, @d. H. for operating modes in which a considerable amount of heat is released, such as during slip operation or during start-up.
In these windings, it is particularly important to have an elastic design of the outer circular or circular arc-shaped connections as well as their subdivision, with winding deformation due to centrifugal force being avoidable with the aid of shrink caps.
It is in fact known that such windings, if they are carried out in the classic way as a rigid association, are exposed to significant - static as well as dynamic - forces that can cause both the breakage and cracking of bars as a result of fatigue.
As a remedy, various measures have already been proposed to make both the rods and the rings in order to reduce the stresses ela stic and deformable, with possibly additional, elastic connection between rods and rings.
Likewise, various devices have been proposed to avoid vibrations resulting from deformations of the rings because of their free-floating attachment to the rod ends.
One of the advantages of such a device is that it emerges directly from the classic solution, namely the use of rings and their connections with the rod ends, only the design is changed to achieve the elastic effect sought, but without the Manufacturing process itself to change.
The method consists, for example, in subdividing a ring into several segments and in creating a sufficiently large game between the latter so that the expansions can be carried out freely when heated, especially during starts.
It is well known that in moments of perforation the ring experiences very rapidly rising excess temperatures while the shrink cap is still cold, which in certain cases can be between 200 and 300 C.
With such temperature rises and with the given differences in the expansion coefficients of the copper alloys used as filling on the one hand and the steels used in shrink rings, on the other hand, the elastic limit of one or the other part is reached very quickly or even very far exceeded.
To avoid such phenomena, it is sufficient to remove the mechanical stresses. But now: the specific forces in a ring or a part of a ring are proportional to the arc length; when divided into segments, the stresses, because they are proportional to the length of the corresponding arch, are only a fraction of the value at the original design.
To ensure the passage of current despite the ring separation z. B. proceeded to a subdivision of the ring pieces perpendicular to the axis, to a division into several coaxial, disc-shaped parts, between which an appropriate distance is to be provided;
After moving the segment separation points from: one level to the other, the segments can be appropriately regrouped in that a previously grooved connecting rod or a comb piece is placed in a straight line to each lattice bar and parallel to it, the grooves for receiving and electrical rule Connection of said layered segments are intended.
Because the conductive ring restored in this way is relatively flexible and deformable in the radial direction, it does not offer sufficient resistance to the centrifugal forces. In order to prevent radial deformations, the ring is therefore surrounded with a shrink cap, while the tangential displacements resulting from the longitudinal expansion of the segments remain possible.
This movement is also facilitated by, for example, placing an insulating material with a low coefficient of friction between the shrink cap and the winding ring.
Another advantage of this double-subdivided device in comparison to the solid design is the increase in the heat-emitting surfaces, which allow very effective heat dissipation by convection. For an equally high overtemperature of the rings, three to four times higher losses can therefore be permitted, and this offers great freedom in the choice of the loss distribution between rods and rings.
The cage winding according to the invention for rotors of electrical machines, consisting of lattice bars, .which are embedded in grooves and connected at both ends of the rotor by short-circuit rings, is characterized in that .die short-circuit rings are divided in the axial direction into coaxial ring elements with mutual spacing and these ring elements are subdivided into segments by radial division,
.that are connected to each other by a grooved connecting piece per lattice bar, and: that the subdivided short-circuit rings are surrounded by a shrink cap that is isolated from the winding, but is connected to it with a force fit.
As an illustrative, but not restrictive, exemplary embodiment of the invention, a cage winding is explained with reference to the drawing.
Fig. 1 shows the longitudinal section through one of the two rotor end parts of an asynchronous motor with a short-circuit winding.
Fig. 2 contains a plan view and a partial section of the same end portion.
Fig. 3 is an exterior view of the split ring with the jacket of the shrink cap omitted.
4 is a schematic view for the case of a ring composed of 3 individual rings.
Fig. 5 relates to the case of a ring consisting of 5 individual rings.
In FIG. 1, the shaft 1 or the wheel spider of a motor with a short-circuit winding carries the metal sheets 2, which are pressed together at their ends by a plate 3.
The grooves formed by; the stamped metal sheets contain the bars 4, which are verbun at the end of the sheet metal body by a short-circuit ring, which consists of three individual rings 5, the latter being connected again by grooved connecting rods or comb pieces 6, the .sich are in a straight continuation of the bars.
An insulating intermediate layer 7 of cylindrical shape covers the outer surface of the rod structure. Another, disk-shaped insulating layer 8 is attached to the front sides of the bars, while a shrink cap 9 surrounds the whole and is non-positive with the short-circuit ring, but remains electrically isolated from the bar structure with the help of insulated bolts that are inserted into the outer ring 5a are screwed in,
whereby the strength of the screw connection by spacers 12 remains guaranteed.
The drive force is also transmitted to the shrink cap with the aid of the guide piece 13, which is attached to the plate 3 by long screws 11 '(not shown), together with the wedges 14 which are attached between the cap 9 and the sliders 15 attached to the guide piece .
Under these conditions, both the centering of the shrink cap 9 near the shaft and its axial displacement on the sliders 15 when expanding .der bars 4 are guaranteed, which avoids any stress on the cap due to rod heating.
In FIG. 2, the subdivision of the individual rings 5 into segments can be seen through the parting lines 16a, which are drawn as continuous lines on the outer ring and as dashed lines on the inner rings; they allow the segments to stretch in the longitudinal and circumferential direction, which eliminates any stress caused by ring heating.
The insulation inserts 7 and 8 are also involved in eliminating these stresses. These have a low coefficient of friction on the jacket and side surfaces, where they are in contact with the cage winding, which is subject to expansion. This facilitates the corresponding movements in the circumferential direction.
The holes 17 for the entry of the cooling air are in the bottom of the cap, while the holes 18 (Fig. 1) for the outlet of the warm air are located in the cap ring.
In Fig. 3, each individual ring 5 is shown with its system of separation points 16 and 16a, this being shifted to the system of the adjacent ring by one slot division. Each segment has an arc length that corresponds to three slot pitches.
As a result of this arrangement, there is a single separation point 16 between two lattice bars 4 and between two segments. From an electrical point of view, or useful equivalent ring cross-section at every point is equal to the double cross-section of a single ring. The total current is distributed over two paths through which the halved current flows and which are symbolically represented as 19 and 20 in Fig. 4, where 4 the bars and 6 mean the comb-shaped connector.
The panes 5 are soldered or welded onto the bars 4, in the same way as the joint connectors 6 on the panes 5.
The role of the combs 6 is, on the one hand, to facilitate the transport of electricity between two individual rings, the separation points of which are in .der the adjacent intermediate route; .on the other hand, the combs considerably increase the cooling surface of the ring and thereby improve the effectiveness of the cooling.
These are considerations that relate to the entire actual cross-section of the short-circuit ring, to its heating, to the divisibility of the number of slots and finally to the technological means that are used when choosing the two parameters when subdividing into disks and Play along segments.
As an example, a scheme is shown in FIG. 5 in which the ring is divided into five annular disks, and where the outer arc of the segments corresponds to a length of five groove pitches. In this case, the total flow is divided into four parallel paths 21, 22, 23 and 24, in which the fourth part of the mentioned flow flows through each individual path.
Incidentally, one should not go too far when increasing the number of individual rings, because this - in addition to the manufacturing difficulties - would lead to an excessive lengthening of the bars outside the iron.
The bars, segments and comb connectors can be made of alloyed copper. However, the scope of the invention is not left if the bars are made of hard copper, while the segments and combs made of electrical resistance material are Herge to allow most of the losses to arise in demje nigen place where they can be dissipated.