DD154414A1 - Geblechter kurzschlussring fuer kaefigwicklungen elektrischer maschinen - Google Patents

Abstract

Geblechter Kurzschlussring fuer Kaefigwicklungen elektrischer Maschinen, insbesondere Asynchronmotoren mittlerer und grosser Leistung, deren Laeuferstaebe vorzugsweise einen rechtfoermigen Querschnitt aufweisen und in der Umgebung der Laeuferblechpaketenden geringfuegig an den Staboberkanten abgefraest sind. Ziel der Erfindung ist die Minderung der mechanischen Beanspruchungen, die in den Loet- bzw. Schweissstellen der Stab- Ring- Verbindung auftreten. Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, die an der dem Laeuferblechpaket zugewandten Innenseite des Kurzschlussringes auftretenden Schweissnahtbeanspruchungen betraechtlich zu senken, da an dieser Stelle die Schweissnahtqualitaet und die Schweissnahtdicke nicht in geforderter Guete ausfuehrbar sind. Dies wird z.B. dadurch erreicht, dass die Innendurchmesser der Kurzschlussbleche nicht durchweg gleich ausgefuehrt sind, sondern eine diskontinuierliche, kontinuierliche oder eine auf einen Ringabschnitt beschraenkte kontinuierliche Aenderung aufweisen, wobei die Vergroesserung der Innendurchmesser der Kurzschlussbleche, in axialer Richtung fortschreitend betrachtet, vorzugsweise mit zunehmender Annaeherung an das laeuferblechpaketseitige Ringende erfolgt.

Description

a) Titel der Erfindung

Geblechter Kurzschlußring für Käfigwicklungen elektrischer Maschinen

b) Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die konstruktive Ausführung geblechter Kurzschlußringe für Käfigwicklungen elektrischer Maschinen. Ihre Anwendung ist besonders bei Asynchronmotoren mittlerer und großer Leistung vorteilhaft, die mit geschweißten Aluminium- oder Kupferkäfigen oder mit Bronzestäben und Kurzschlußringen aus Kupfer ausgerüstet sind und deren Läuferstäbe einen vorzugsweise rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.

c) Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß die Verbindungsstellen zwischen den Läuferstäben und Kurzschlußringen von Käfigwicklungen hohen mechanischen Beanspruchungen unterliegen. Bei der Anwendung von Lot- bzw. Schweißverbindungen treten diese in Form einer einmaligen Beanspruchung bereits bei deren Herstellung auf und werden durch die technologisch bedingte hohe Erwärmung der zu verbindenden Ring- und Stabteile hervorgerufen. Zyklische Beanspruchungen treten beim Anlauf und Betrieb der Maschine infolge unterschiedlicher Erwärmungen der Käfigbauteile und des Läuferblechpaketes sowie aufgrund von Fliehkräften und elektromagnetischen Rüttelkräiten auf.

Die hohen mechanischen Spannungen in den Lot- bzw. Schweißverbindungen der Käfigwicklung entstehen vor allem durch Binspannraomente und Querkräfte, die von der erwärmungs- und fliehkraftbedingten Ringaufweitung herrühren, durch die die Stabenden nach außen

gebogen werden. Diesen überlagert sind bei Hochstablätifern Beanspruchungen, die von der während des Anlaufes auftretenden Stromverdrängung herrühren und aufgrund der stärkeren Erwärmung der Staboberkanten eine Verkrümmung der Stäbe bewirken. Hinzu kommen Belastungen durch Fliehkräfte, die auf radial nicht vom Läuferblechpaket fixierte Stabteile· wirken und Beanspruchungen, die von unterschiedlichen axialen Stabausdehnungen aufgrund des von Nut zu Nut unterschiedlichen Einbauspieles der Stäbe, das unterschiedliche Erwärmungen bewirkt, herrühren.

Treten bei den genannten Beanspruchungen zyklisch hohe plastische Verformungen der Schweißstellen oder anderer Käfigteile auf, entstehen Srmüdungsbräche, die zum Herausschleudern von Stabteilen und zur Zerstörung der Ständerwicklung führen. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, den Verbindungsstellen der Stäbe mit den Ringen eine solche Elastizität zu verleihen, daß unzulässige Spannungen nicht auftreten. Man kann aber auch bei vergleichsweise niedriger Elastizität eine ausreichende Wechselfestigkeit der Konstruktion dadurch erzielen, daß man Spannungshäufungen bzw. Spannungsüberhöhungen durch geeignete Formgebung weitgehend vermeidet.

Unzulässigen Belastungen der Stab-Ring-Verbindung wurde mit den Anordnungen nach WP 10 154, WP 14 246, WP 16 und WP (Aktenzeichen V/P H 02 K/221 375) begegnet, die als Verbindung der Kurzschlußstäbe mit den Ringen in axialer und radialer Richtung nachgiebige Elemente benutzen. Erwärmungs- und fliehkraftbedingte Formänderungen der Käfigbauteile werden bei diesen Konstruktionen fast' ausschließlich durch diese elastischen Konstruktionsteile aufgenommen. Nachteilig sind bei diesen Lösungen die Erhöhung des technologischen Aufwandes und des Materialeinsatzes. Außerdem ist es be-

sondern bei kleinen Läuferdurchmessern bzw. hohen Nutzahlen schwierig, den für die elastischen Verbindungselemente benötigten Platz bereitzustellen.

Auf einfache Υ/еіаѳ läßt sich eine gewisse Elastizität der Stab-Ring-Verbindung bei Hochstabläufern mit rechteckförmigem Querschnitt der Kurzschlußstäbe auch dadurch realisieren, daß man die Stäbe in der Umgebung der Blechpaketenden geringfügig an deren Oberkanten abfräst, so daß sie an diesen Stellen nicht mehr durch das Läuferblechpaket in radialer Richtung fixiert sind. Die mit dieser Konstruktion erzielbaren Elastizitäten 3ind jedoch gering, da im Hinblick auf Fliehkraftbaanspruchungcn und Stabverkrümmungen nur geringe Teils der Stabenden radial freigelegt werden können und die. relativ schlanken Rechteckstäbe bei der vorliegenden Biegung über die hohe Kante ein hohes Widerstandsmoment aufweisen.

Bei herkömmlicher Ausführung der geblechten oder macsi-ѵѳп Kurzschlußringe enteteht außerdem in den Schweißverbindungen zwischen Stäben und Ringen ein sehr ungünctiger Spannungsverlauf in Achsrichtung. Dieser ergibt sich aufgrund der elastischen Bettung der Stäbe im Ring selbst dann, wenn man nur die Nennspannungen betrachtet und von formgebungsbedingten Spannungshäufungen sowie von Qualitätsminderungen der Schweißnaht an deren Enden absieht. Die höchsten Nennspannungen in der Schweißnaht treten konstruktionsbedingt an dem dem Läuferblechpaket benachbarten Ringende auf. Teciinologisch bedingt liegt jedoch an dieser Stelle eine verminderte Schweißnahtqualität vor, da es sich um den Schweißnahtbeginn oder das Ende handelt. Andererseits laßt sich die Schweißnaht in diesem Gebiet, da das Material wegläuft, nur mit geringer Dicke ausführen.

Außerdem bewirken formgebungsbedingte Spannungshäufungen an dieser kritischen Stelle eine weitere Erhöhung der mechanischen Spannungen gegenüber dem bereits als ungünstig erkannten Nennspannungsverlauf. Diese, die Schweißnahtausführung und -beanspruchung betreffenden Gegebenheiten bewirken, daß die beschriebene Konstruktion nur bei mäßigen Anfahrbeanspruchungen bzw. niedriger Schalthäufigkeit eingesetzt werden kann.

d) Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Minderung der mechanischen Beanspruchungen,die in den Stab-Ring-Verbindungen von Käfigwicklungen elektrischer Maschinen mittlerer und großer Leistung auftreten, deren Leiterstäbe einen vorzugsweise rechteckförmigen Querschnitt aufweisen und in dor Umgebung der Lauferblechpaketenden zwecks Erzielung einer gewissen Nachgiebigkeit in radialer Richtung geringfügig an den Staboberkanten abgefräst sind. Auf diese Weise wird eine Steigerung der Anfahrbeanspruchungen bzw. der Schalthäufigkeit ermöglicht.

e) Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, die tatsächlich auftretenden Schweißnahtbeanspruchungen in den Stab-Ring-Verbindungen von Hochstabkäfig-Wicklungen elektrischer Maschinen, deren Kurzschlußringe aus Blechen lamelliert sind und deren Läuferstäbe einen Vorzugsweise rechteckförmigen Querschnitt aufweisen und zwecks Erzielung einer gewissen Elastizität der Stab-Ring-Verbindungen in radialer Richtung in der Umgebung der Läuferblechpaketenden geringfügig , an den Staboberkanten abgefräst sind, beträchtlich zu reduzieren. Ihre Anwendung ist besonders bei Kurz-

schlußlaufermotoren mittlerer und großer Leistung vorteilhaft. Bei vergleichsweise niedrigem technologischen Aufwand und geringer Vergrößerung des Materialeinsatzes kann eine beträchtliche Steigerung der Anfahrbeanepruchungen bzw. der Schalthäufigkeit zugelassen werden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die in radialer Richtung wirksamen Elastizitäten der Kurzschlußbleche, nachstehend ala Radialelastizitäten bezeichnet, aus denen der lameXlierte Kurzschlußring zusammengesetzt ist, in axialer Richtung fortschreitend betrachtet, nicht durchweg gleich ausgeführt, sondern in geeigneter V/eise abgestuft bzw. kontinuierlich oder auf einen Ringabschnitt beschränkt kontinuierlich verändert werden.

Eine starke Vergrößerung der Radialelastizitäten der Kurzschlußbleche an dem dem Läuferblechpaket zugewandten Ende eines Kurzachlußringes führt dazu, daß sich die Stelle der höchsten Schweißnahtbeanspruchung vom läuferblechpaketseitigen Schweißnahtende in Richtung des Ringteiles mit kleinerer Radialslaatizität verlagert. Die negativen Einflüsse der schlechteren Schweißnahtqualität und der niedrigeren Schweißnahthöhe am Schweißnahtende sind dann nicht mehr für die hochstzulässigen Beanspruchungen der Stab-Ring-Verbindung maßgebend. Die Schweißnaht kann vielmehr an der Stelle der höchsten Beanspruchung in guter Qualität ausgeführt und gegebenenfalls verstärkt werden.

Als weitere Vorteil© ergeben sich bei geeigneter Abstufung bzw. Veränderung der Radialelastizitäten der Kurzschlußbleche niedrigere formgebungsbedingte Spannungshäufungen und auch niedrigere Nennspannungen als bei herkömmlicher Ausführung der Kurzschlußringe. Unter dem Begriff Nennspannungen werden dabei die 3ich rechnerisch ergebenden Beanspruchungen verstanden, die

man ohne Berücksichtigung formgebungsbedingter Spannungshäufungen erhält.

Eine Veränderung der Radialelastizitäten der Kurzschlußbleche kann durch unterschiedliche konstruktive Maßnahmen realisiert werden. Führt man bei gleichem Außendurchmesser der Kurzschlußbleche die zur Aufnahme der Läuferstäbe dienenden Nuten mit einheitlicher Tiefe aus, . ist eine Vergrößerung der Radialelastizitäten der Kurzschlußbleche durch eine Vergrößerung der Rondeninnendurchmesser möglich. Den gleichen Effekt erzielt man bei Beibehaltung des Außen- und Innendurchmessers der Kurzschlußbleche sowie der Nuttiefe, indem man die Rückenpartien der Bleche durch zusätzliche Ausstanzungen bzw. Ausnehmungen schwächt. Eine weitere Grundausführungsform entsteht bei gleichem Außen- und Innendurchmesser dor Kurzschlußbleche durch die Ausführung unterschiedlicher Nuttiefen. Die zur Aufnahme der Läuferstäbe dienenden Nuten können dabei am Ringende wesentlich über die Stabunterkanten hinausreichen,

Die beschriebenen Grundausführungsformeη zur Veränderung der Radialelastizitäten der Kurzschlußbleche können selbstverständlich auch miteinander kombiniert zur Anwendung gelangen. Dabei ist es sowohl möglich, den Ring aus Blechen zu schichten, die den verschiedenen Grundausführungsformen zuzuordnen sind, als auch Bleche einzusetzen, die die Gestaltungsmerkmale verschiedener Grundausführungsformen enthalten.

Bleche mit größerer Radialelastizität werden aufgrund der Spezifik des Spannungsverlaufes in der Schweißnaht vorrangig auf der dem Läuferblechpaket zugewandten Seite des Kurzachlußringes zum Einsatz gelangen. Es kann aber auch erforderlich sein, derartige Bleche auf dem gegenüberliegenden Ringende anzuordnen.

Eine günstige Beeinflussung des Spannungaverlaufea in der Schweißnaht ergibt sich besonders dann, wenn mit zunehmender Annäherung an das läuferblechpaketseitige Ringende bzw. an beide Ringenden eine fortschreitende Vergrößerung der Radialelastizitäten der Kurzschlußbleche erfolgt. Die Veränderung der Radialelastizitäten kann dabei auf den bzw. die Randabschnitte des lamellierten Kurzschlußringes beschränkt sein und durch Verwendung mehrerer gleichgeformter Bleche diskontinuierlich erfolgen. Es ist aber auch eine kontinuierliche Änderung der Radialelaatizitäten bzw. eine quasikcntinuierliche Änderung durch Stufung jedes Віесііез möglich.

f) Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Pig. 1 die Verbindung zwischen einem Rechteckstab und dem lamellierten Kurzschlußring bei mehrmaliger Abstufung der Radialelastizi

täten der Kurzschlußbleche durch Vergrößerung der Rondeninnendurchmesser;

Pig. 2 die gleiche Verbindung bei Ausführung unterschiedlicher Tiefen der zur Aufnahme der Läuferstäbe dienenden Nuten.

Aufgrund der unterschiedlichen Ausführung der Kurzschlußbleche unterscheiden sich beide Figuren durch die der zeichnerischen Darstellung dienende Schnittführung. Während in Pig. 1 die Sclinittebone durch die schlitzförmigen Hilfsnuten verläuft, die in der Mitte der Zähne der Kurzschlußbleche zwecks Erzielung einer axialen Nachgiebigkeit und aus schweißtechnischen

Gründen angeordnet sind, wurde die Schnittebene in Pig. 2 an die vordere Wand der zur Aufnahme der Läuferstäbe dienenden Hauptnuten der Kurzschlußbleche gelegt. Aus Pig· 1 erkennt man, daß die Innendurchmesser der Kurzschlußbleche 5, 6 und 7, die mit dem Läuferstab 2 durch die Schweißnaht 1 verbunden sind, bei zunehmender Annäherung an das Läuferblechpaket 3 beträchtlich vergrößert werden. Die im Bereich der Läuferblechpaketenden vorgenommene Abfräsung der Staboberkanten 4 dient der Aufhebung der radialen Fixierung der Stabenden durch das Läuferblechpaket.

Pig. 2 zeigt, daß die Tiefen der zur Aufnahme der Läuferstäbe 2 dienenden Nuten der Kurzschlußbleche 5, 6, 7 mit zunehmender Annäherung an das Läuferblechpaket 3 beträchtlich vergrößert werden. Zur weiteren Senkung der Schweißnahtbeanspruchungen wurde an der Stelle höchster Belastung, die vom läuferblechpaketseitigen Schweißnahtende in Richtung Schweißnahtmittelteil verschoben wurde, eine zusätzliche Nahtverstärkung 1 vorgesehen. Die Abfräsung 4 der Staboberkanten dient in bekannter Weise der Ermöglichung radialer Verformungen der Stabenden.

Claims (5)

Erfindungsапэргuch:

1. Geblechter Kurzschlußring für Käfigwicklungen mittlerer und großer elektrischer Maschinen, deren Läuferstäbe vorzugsweise einen rechteckförinigen Querschnitt aufweisen und im Bereich

der Lauferblechpaketenden an den Staboberkanten geringfügig abgefräst sind und dessen zur Aufnahme der Läuferstäbe dienende Nuten auf vorzugsweise gleichem Durchmesser angeordnete Nutböden aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Innendurchmesser der Kurzschlußbleche nicht durchweg gleich ausgeführt sind, sondern eine diskontinuierliche, eine kontinuierliche oder eine auf einen Ringabschnitt beschränkte kontinuierliche Änderung aufweisen, wobei die Vergrößerung der Innendurchmesser der Kurzschlußbleche, in axialer Richtung fortschreitend betrachtet, vorzugsweise mit zunehmender Annäherung an das läuferblechpaketseitige Ringende erfolgt·

2 oder 3_t dadurch gekeimzeichnet, daß der Ring aus Blechen besteht, die eine Kombination der beschriebenen Ausfuhrungsformen darstellen bzw. daß der Ring aus Blechen zv^eier oder mehrerer Aus führ ungs forme η geschichtet wurde,

2. Geblechter Kurzschlußring nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückenpartien der Kurzschlußblecho nicht durchweg gleich gestaltet sind, sondern bei Ausführung von Vorzügeweise gleichen Innendurchmessern unterschiedliche oder unterschiedlich dicht angeordnete Ausstanzungen bzw. Ausnehmungen aufweisen, wobei die Gesamtfläche dieser Ausnehmungen, in axialer Richtung fortschreitend betrachtet, vorzugsweise mit zunehmender Annäherung an das läuferblechpaketseitige Ringende zunimmt.

3» Geblechter Kurzschlußring nach Punkt 1 und 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußbleche bei Ausfuhrung vorzugsweise gleicher Außen- und Innendurchmesser unterschiedliche Nuttiefen aufweisen, wobei das Vertiefen der zur Aufnahme der Läuferstäbc dienenden Nuten so vorgenommen wird, daß diese über die Stabunterkanten hinausreichen und die Vergrößerung dor Nuttiefen, in азііаіег

Richtung fortschreitend betrachtet, vorzugsweise mit zunehmender Annäherung an das läuferblechpaketseitige Ringende erfolgt.

4. Geblechter Kurzschlußring nach Punkt 1,

5. Geblechter Kurzschlußring nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung des Innendurchmessers der Kurzschlußbleche bzw. der Gesamtfläche der Ausstanzungen aus der Rückenpartie bzw. der Nuttiefe auch auf der dem Läuferblechpaket nicht benachbarten Seite des Ringes vorgenommen wird.

Hierzu 1 SsHc Zeiohnnnnon