DE3147560C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Käfigläufer mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Käfigläufer ist in der DE-AS 15 38 192 beschrieben. Dort ist aber dieser leitende Ring der Kurzschlußring für die auf die Läuferstäbe aufgezogenen Rohre.

Bei den Asynchron­ maschinen wird das Anlaßmoment durch die in dem Läufer im Stillstand entstehenden Verluste be­ stimmt. Bei Maschinen mit einfachen kurzgeschlossenen Läu­ fern wird der Widerstand des Läufers von dem zulässigen Be­ triebsverlust festgesetzt. Im Hinblick darauf, daß die Widerstandswerte des Läufers während des Betriebs und beim Anlaß gleich sind, stellen der die im Stillstand entstehenden Verluste (und damit das Anlaßmoment) ei­ nen sich ergebenden Wert dar. Dieser sich ergebende Wert wird als natürliches Anlaßmoment bezeichnet. Das Verhältnis dieses natürlichen Anlaßmomentes zu dem Nennmoment nimmt im Sinne des Zunahmegesetzes bei einer erhöhten Leistung ab, und ist bei einer Leistung über 50-200 kW nicht einmal zum Anlauf von anlaßbaren Arbeitsmaschinen ge­ nügend.

Deshalb müssen besondere Maßnahmen ge­ troffen werden, daß bei einem gleichbleibenden Betriebs­ widerstand der bei dem Anlaß gültige Widerstand und dadurch der bei dem Anlaß auftretende Verlust größer sind. Zu diesem Zwecke wird im allgemeinen bei Asynchronmotoren mit einer höheren Leistung entweder ein Doppelkäfigläufer oder ein Hochstabläufer verwendet. Bei beiden Lösungen wird die Erscheinung der Stromverdrängung ausgenützt. Bei der ersten Lösung wird der Strom zwischen den zwei Käfigen, bei der letzteren innerhalb eines Stabes ungleich verteilt. Bei beiden kann die Erhöhung des Anlaßverlustes innerhalb des Eisenkörpers des Läufers realisiert werden. Eine solche Lösung beansprucht einen größeren Leiterquerschnitt, daher ist auch der Raumbedarf größer als bei dem Käfig eines einfachen kurzgeschlossenen Läufers. Weil dieser Raum in dem magnetisch ak­ tiven Teil der Maschine erforderlich ist, bringt der erhöh­ te Raumbedarf nicht nur die Zunahme der aktiven Dimensionen mit sich, sondern es werden auch die Dimensionen der gesamten Maschi­ ne vergrößert.

Es sind Versuche bekannt, bei denen man den Ver­ lust mit Hilfe der Streuungskraftlinien der Stäbe oder der Kurzschlußringe des Läufers zu erhöhen beabsichtigte. Eine derartige Lösung ist in der DE-PS 8 70 449 beschrieben, bei der unter dem Kurzschlußring ein Eisen­ ring derart angeordnet ist, daß dieser mit dem Kurzschlußring in Berührung steht. Bei der Anordnung wur­ de das Ziel gesetzt, beim Anlassen das Auftreten einer ungleich­ mäßigen Stromverteilung in dem Kurzschlußring zu erreichen und damit den Verlust bedeutend zu erhöhen. Die Erhöhung der ungleichmäßigen Stromverteilung ist beschränkt und mit der Gefahr verbunden, daß die die Erhöhung begleitende ungleichmäßige Erwärmung zu einer schadhaften Wärmeausdehnung und zum Ausschmelzen der Lötstellen zwischen den Stäben und des Ringes führen kann.

Diese Lösung hat sich teilweise infolge ihrer komplizierten konstruktiven Gestaltung, teilweise wegen der gerin­ gen Ergebnisse nicht durchgesetzt. Bei der Gestaltung der Lö­ sung wurden weder das qualitative Bild der Streuungskraftli­ nien, noch die quantitativen Verhältnisse richtig erkannt, so z. B. wurde die von den Wickelköpfen des Stators ausgeübte Wirkung vollkommen außer Acht gelassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Käfigläufer der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß der zur Erhöhung des Anlaßmoments erforderliche Mehrver­ lust nicht innerhalb des Eisenkörpers, sondern im Stirnraum entsteht, wodurch die Konstruktion einfacher und die Her­ stellung billiger ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei wird das angestrebte Ziel, das Anlaßmoment eines Asynchronmotors zu erhöhen, durch die infolge der Induktionswirkung in dem zumindest einen elektrisch leitenden Ring entstehenden Verluste erreicht.

Im Läufer einer Asynchronmaschine entsteht nämlich dort ein Verlust, wo das Drehfeld stillstehende leitende Medien des Läufers überschneidet. Ein Drehfeld ist jedoch nicht im Eisenkörper, sondern auch außerhalb desselben entlang der gemeinsamen Streuungsbahnen des Wickelkopfes des Stators und des Kurzschlußrings des Rotors vorhanden. Mit Hinsicht darauf, daß die Ausladung des Wickelkopfes des Stators wesentlich größer ist, als die Ausladung der kurzge­ schlossenen Wicklung des Käfigläufers, kommt neben dem Kurzschlußring ein unausgenützter Raum zustande. Wird nun in diesem Raum ein leitender Ring eingesetzt, induziert der gemein­ same Fluß des Kurzschlußringes und der Wickelköpfe Wirbelströme, wodurch ein Verlust entsteht. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß dieser gemeinsame Streuungs­ fluß von bedeutender Größe ist. Durch zweckmä­ ßige Wahl der Stelle, der Abmessung und des Materials des leitenden Mediums kann ein bedeutender Verlust in demselben her­ vorgerufen werden. Außerdem kann bei einem in dem oben beschriebenen Raum eingesetzten leitenden Ring der Läufer - mit den bisherigen Lösungen verglichen - in Hinsicht auf die Mechanik viel einfacher ausgestaltet werden. Wenn dieser leitende Ring gleichzeitig magnetisiert werden kann, sammelt er die Kraftlinien und erhöht deren Zahl. Als Erfolg wird in dem Kurzschlußring die sowieso vorhandene Stromverdrängung beim Anlassen geringfügig erhöht, wodurch auch der Verlust größer wird. Im magnetisierbaren Ring selbst, da er massiv ist, entsteht ein bedeutender Ver­ lust. Ein Teil des Streuungsflusses des Wickelkopfs des Sta­ tors wird in den Hauptfluß umgewandelt. Das letztere bedeutet, daß im Stirnraumfeld ebenso ein Moment entsteht, auch während des Betriebs, wie im Eisenkörper. Sollte der Kurzschlußring aus Konstruktionsgründen nicht unmittelbar an der Welle, sondern auf den Rippen oder auf Konsolen sit­ zen, muß unter dem leitenden Medium ein magnetisierbarer Ring angeordnet werden, daß die Bahn der zur Gestaltung der Wirbelströme erforderlichen Kraftlinien in Richtung des Eisenkörpers bzw. der Rippen und der Welle sicherge­ stellt ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Käfigläufers ist der Kurzschlußring zwischen den Stäben radial tief eingeschnitten, damit in dem/den dane­ ben angeordneten Ring(en) ein umso größerer Verlust zustande kommen kann.

Sollte der Kurzschlußring auf den Rippen sitzen, ist unter dem Kurzschlußring und den Ringen ein mit den Rippen und eventuell mit dem Eisenkörper in Verbindung ste­ hender magnetisierbarer Ring angeordnet.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Rolle des vom Eisenkörper am weitesten entfernt liegenden Rings von einem zweckmäßig gestalteten Ventilatorrad übernommen.

Es besteht die Möglichkeit, einen oder mehrere leitende magnetische(n) oder nicht-magnetische(n) Ring(e) ne­ ben dem Kurzschlußring nicht-symmetrisch anzuordnen, son­ dern diese nur an der einen Seite anzubringen.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, entweder die neben dem Kurzschlußring angeordneten Ringe oder den im Bedarfsfall unter den Ringen angeordneten Ring geteilt aus­ zugestalten, wodurch die Rolle eines Bestandteils von mehre­ ren dem gleichen Zwecke dienenden Bestandteilen übernom­ men wird.

Die Erfindung wird anhand einiger vorteilhaften Ausführungen, mit Hilfe der Zeichnung, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen (Teil-)Längsschnitt durch einen Käfigläufer gemäß der Erfindung;

Fig. 2, 3 und 4 (Teil-)Längsschnitte durch den Käfigläufer mit den auf dessen Welle angeordneten Ringen;

Fig. 5 und 6 den Läufer mit den auf den Konsolen bzw. an den Rippen des Läufers angeordneten Ringen;

Fig. 7 eine Ausführung, bei der der Kurzschlußring eingekerbt ist,

Fig. 8 einen mit einem Ventilatorrad zusammengebauten Ring.

In Fig. 1 ist der Stirnraum einer Asynchronma­ schine dargestellt. Die in dem Eisenkörper des Stators 1 vorhandenen Wicklungseiten sind mit den Wickelköpfen 2 ver­ bunden. Die Kurzschlußringe 5 verbinden die in dem Eisenkör­ per des Läufers 3 vorhandenen Käfigstäbe 4. Der Eisenkörper des Läufers 3 und der Kurzschlußring 5 sitzen an der Welle 6. Das qualitative Bild der Streuungskraftlinien des Stirn­ raumes ist in der Fig. 1 eingezeichnet. Wie das Bild zeigt, ergibt sich sofort die theoretisch ideale Gestaltung des neben dem Kurzschlußring anzuordnen­ den leitenden Rings 7 oder des magnetisierbaren Rings 8. In der Figur ist die Befestigung des leitenden Rings 7 oder des magnetisierbaren Rings 8 an der Welle 6 nicht an­ geführt.

In den folgenden Figuren sind die auch in der Praxis realisierbaren Versionen des Läufers - eine mögliche Konstruktion einer Asynchronmaschine zugrunde nehmend darge­ stellt. In diesen Figuren sind die Ringe 7, 8 beispiels­ weise als Scheiben dargestellt. Unter der sinngemäßen Anwendung der in der Fig. 1 darge­ stellten kann der Grundgedanke der Erfindung bei Maschinen jedwelcher Konstruktion realisiert werden. Wenn z. B. die Belüftung eine anderweitige Gestaltung erfordert, können die Teile 7, 8 in Form eines Ringes gebildet werden.

Bei der in den Fig. 2, 3 und 4 sind der Metall­ ring 7 und/oder der Eisenring 8 neben den Kurzschluß­ ringen 5 angeordnet. Der Eisenkörper des Läufers 3, der Kurzschlußring 5, die Ringe 7, 8 sitzen an der Welle 6. Das Ventilatorrad 9, das in diesem Beispiel ein Radialventi­ lator ist, sichert die Kühlung der Maschine.

In den Fig. 5 und 6 wird die Ringanordnung nach Fig. 2 für den Fall gezeigt, bei dem die aktiven Teile des Läufers 3 nicht unmittelbar an der Welle 6 sitzen. Bei der hier dargestellten Ausführung sit­ zen der Kurzschlußring 5 und der Ring 7 auf den Rippen 10 bzw. auf den auf der Druckplatte 11 des Eisenkörpers des Läufers befestigten Konsolen 12. Hier ist unter den Ringen ein Eisenring 13 angeordnet. Beispielsweise, aber nicht nötigerweise, ist der Eisenring 13 mit dem Eisen­ körper des Läufers 3 verbunden. In den vorhererwähnten Figuren ist die Druckplatte 11 nicht eingezeichnet, da diese von dem Standpunkt der Erfindung aus betrachtet keine Rolle spielt.

Bei jedwelcher der hier dargestellten Ausführungen können im Metallring 7, im Eisenring 8 und im Eisenring 13 Belüftungskanäle vorgesehen werden, die den zweckmäßigen Ablauf der Ströme und der magnetischen Kraftlinien nicht verhindern.

Gemäß der Fig. 7 ist der Kurzschlußring zwischen den Stäben 4 radial tief eingekerbt. Der Einschnitt kann dann als tief betrachtet werden, und daher dem Gegen­ standkreis der Erfindung zugeordnet werden, wenn die in der Figur mit b bezeichnete Abmessung das Doppelte der mit dem Buchstaben a bezeichneten Abmessung überschreitet. Der Ein­ schnitt ist an sich bekannt. Oft wird es aus technologischen Gründen, z. B. zur Erleichterung des Lötens der Stäbe ver­ wendet. Ein so großer Einschnitt ist jedoch außer der Ziel­ setzung der Erfindung, aus sonstigen Gründen nicht erforder­ lich.

Gemäß der Fig. 8 ist der Ring 7 oder 8 (die von dem Eisenkörper in der größten Entfernung liegende Scheibe) als ein Ventilatorrad ausgestaltet oder mit anderen Worten gesagt, ist der ursprünglich lediglich zu Ventilations­ zwecken dienende Bestandteil 9 der Zielsetzung der Erfindung entsprechend (durch Erhöhung des spezifischen Widerstands und der Wanddicke) ausgestaltet. Die Aufgabe des Rings 7 oder 8 und des Ventilatorrads 9 kann erst dann in einen Bestand­ teil konzentriert werden, wenn die Belüftung der Maschine einen Radialventilator beansprucht. Erfindungsgemäß kann der Ring aus nicht magnetisierbarem Material hergestellt sein, dessen spezifischer Widerstand 0,08 Ωmm²/m überschreitet, oder bei einem Ventilator aus einem magnetisierbaren Stoff kann die durchschnittliche axiale Abmessung der massiven Scheibe des Ventilators (in der Figur mit c bezeichnet) größer sein als 20 mm. Bei lediglich zu Ventilationszwecken dienenden Bestandteilen sind solche Parameter überflüssig.

In dem erfindungsgemäßen Läufer entsteht ein den natürlichen Verlust überschreitender Verlust und dadurch ein höheres Anlaßmoment, und zwar durch die nachfolgend beschriebenen Maß­ nahmen. Die Beschreibung bezieht sich auf einen stillstehen­ den Zustand des Läufers.

In Fig. 1 überschneiden die gemeinsamen Streu­ ungskraftlinien des Kurzschlußringes 5 und des Wickelkopfes 2 den leitenden Ring 7 oder den magnetisierbaren Ring 8 und induzieren in diesem einen Wirbelstrom. Auf diese Weise entsteht in dem leitenden Ring 7 oder in dem magnetisier­ baren Ring 8 ein Verlust.

Bei der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungs­ form überschneiden die Streuungskraftlinien des Kurzschluß­ ringes 5 und die Streuungskraftlinien des Wickelkopfes 2 den Ring 7, wodurch ein Wirbelstrom induziert wird. Auf diese Weise entsteht im Ring 7 ein Verlust.

In der Fig. 3 ist eine Ausführungsform zu sehen, bei der der Eisenring 8 die Zahl der Streuungskraftlini­ en erhöht, wodurch in dem Kurzschlußring 5 die Stromver­ drängung und der Verlust sich geringfügig erhöhen. Ein Teil des Streuungsflusses des Wickelkopfes geht durch den Ring 8 hindurch, wodurch dieser Fluß in einen Hauptfluß um­ gewandelt wird. Die ausgeübte günstige Wirkung kommt auch während des Betriebes zur Geltung. Mit Hinsicht darauf, daß im Sinne des vorstehend Erwähnten ein bedeutender Fluß durch den Eisenring 8 hindurchströmt, und der Ring aus einem massiven Material hergestellt ist, wird hier ein be­ deutender Verlust entstehen.

In Fig. 4 ist eine Kombination der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen zu sehen. Der Eisenring 8 erhöht die Zahl der den Ring 7 durch­ querenden Streuungskraftlinien und dadurch den dort ent­ standenen Verlust.

Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Aus­ führungsform wird mittels des Eisenrings 13 erreicht, daß die Streuungskraftlinien des Kurzschlußringes 5 und des Wickelkopfes 2 in Richtung des Eisenkörpers des Läufers 3 bzw. über die Rippen 10 bzw. die Konsolen 12 in Richtung der Welle 6 sich schließen können.

In Fig. 7 sind die tiefen Einkerbungen des Kurzschlußringes 5 dargestellt. Als Erfolg der tiefen Ein­ kerbung strömen die Streuungskraftlinien des Kurzschluß­ ringes 5 in einer günstigeren Richtung, größtenteils in der Mitte des Rings 7, wodurch im Ring 7 ein grö­ ßerer Verlust entsteht.

Wie es aus Fig. 8 ersichtlich ist, kann die Funktion des Rings 7 bzw. 8 und des Ventilatorrads 9 in ei­ nen zweckmäßig ausgestalteten Bestandteil konzentriert werden.

Wie sich aus vorstehenden Ausführungen ergibt, besteht der größte Vorteil des erfindungsgemäßen Läufers darin, daß eben in dem wertvollsten Teil der Ma­ schinen, in dem aktiven Teil einen Raum freigibt, der zur Erhöhung der Maschinenleistung und/oder zur Verminderung der elektromagnetischen Beanspruchung verwendet werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung ist viel einfacher, als die bis­ herigen, so kann eine viel einfacher herstellbare Asynchron­ maschine mit erhöhter Betriebssicherheit produziert werden. Das zur Erhöhung des Anlaßmomentes dienende Mehrverlust kommt in dem Raum unter dem Wickelkopf zustande, der bisher keineswegs ausgenützt worden ist, so wird das Käfigsystem, das gegen Erwärmung und Wärmeausdehnung empfindlich ist, beim Anlassen entlastet. Mit der Doppelkäfig-Maschine verglichen, vermindert sich die auf die Gestaltung der Stä­ be aufgewendete Arbeit auf die Hälfte, die die Maschine mit Hochstab charakterisierenden, mit der Auskeilung und der ungleichmäßigen Erwärmung verbundenen Probleme wegfallen.

Die Ringe 7, 8 können aus einem billigen Grundstoff hergestellt werden. Dabei können diese einfache Geometrien aufweisen. Weil keine Lötungen erforderlich sind, ist die thermische Belastbarkeit höher. Infolge ihrer Position ist die Kühlung günstiger, als bei dem Käfigsystem. Auf diese Weise kann mit einem Motor iden­ tischer Größe eine Last mit viel größerem Schwungmoment angelassen werden, als bisher. Mit Hinsicht darauf, daß die Parameter des Stirnraumes, die Widerstände, die Reak­ tanzen eine umso größere Rolle in der Maschine spielen, je kleiner die Polzahl der Maschine ist, kommen die oben beschriebenen Vorteile bei Maschinen mit niedrigerer Polzahl, insbesondere bei Maschinen mit zwei Polen, am meisten zur Geltung.

Claims (8)

1. Käfigläufer (3) für eine Asynchronmaschine mit zumindest einem zusätzlich zu wenigstens einem Kurzschlußring (5) vorgesehenen, elektrisch leitenden Ring (7, 8, 13), dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (7, 8, 13) an zumindest einem Ende des Käfigläufers (3) an der dem Eisenkörper abgekehrten Seite des Kurzschlußrings (5) in axialer Richtung neben dem und in Abstand vom Kurzschlußring (5) auf der Welle (6) des Käfigläufers (3) im gemeinsamen magnetischen Feld von Kurzschlußring (5) und Wickelköpfen (2) angeordnet ist.

2. Käfigläufer (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle oder einige der leitenden Ringe (7, 8, 13) aus magnetisierbarem Material hergestellt sind.

3. Käfigläufer (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß einer der leitenden Ringe (7, 8) als Ven­ tilatorrad ausgestaltet ist.

4. Käfigläufer (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der als Ventilatorrad ausgestaltete leitende Ring (7, 8) einen spezifischen Widerstand aufweist, der größer als 0,08 Ωmm²/m ist.

5. Käfigläufer (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der leitende Ring (7, 8, 13) aus mehreren axial oder radial geteilten Stücken besteht.

6. Käfigläufer (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußring (5) zwischen den leitenden Stäben tiefe Einkerbungen aufweist.

7. Käfigläufer (3) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen leitenden Ring (7) und durch einen magnetisier­ baren Ring (13), von welchen der magnetisierbare Ring (13) zwischen dem leitenden Ring (7) und der Welle (6) angeordnet ist.

8. Käfigläufer (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisierbare Ring (13) mit dem Eisenkörper verbunden ist.