DE102005030797A1

DE102005030797A1 - Käfigläufer einer Induktionsmaschine

Info

Publication number: DE102005030797A1
Application number: DE102005030797A
Authority: DE
Inventors: Martin Jakobi; Helmut Sopp
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-01-04
Also published as: WO2007000424A1

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

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 A1 bekannt. Dabei wird der vom Blechpaket beabstandete Kurzschlussring u.a. mit einem Schrumpfring versehen.

Aus der DE 199 27 279 A1 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 herzustellen.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen 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 Käfigläufer 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 geeignete Vorrichtung,
– Vergießen des Käfigläufers derart, dass die Formstäbe, zumindest 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 Umfangsgeschwindigkeiten 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 Käfigläufers, 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 Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen:
1 prinzipieller Aufbau einer Induktionsmaschine mit Käfigläufer,
2, 4 Teillängsschnitt des Käfigläufers,
3, 5 Teilquerschnitt des Käfigläufers,
6 bis 11 verschiedene Formstäbe in Nuten des Käfigläufers.
1 zeigt in prinzipieller Darstellung eine Asynchronmaschine 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 angedeuteten Nuten des Ständers 2 ist ein nicht näher dargestelltes 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 Käfigläufers 3 befinden sich Kurzschlussringe 8, die die in dieser Darstellung nicht sichtbaren Leiter elektrisch verbinden.
In 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 umfasst, der an die Formstäbe 10 angegossen ist. Um die Massenträgheit des Käfigläufers 3 zu reduzieren sind dabei die Hohlräume der Formstäbe 10 nicht ausgegossen.
Durch die an der Stirnseite des Käfigläufers 3 axial überstehenden 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.
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 Nutschlitze 12 mit vergossen werden können. Idealerweise entspricht dann die Breite des Schlitzes 13 der Breite des Nutschlitzes 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 4 weisen die Stirnseiten der Läuferbleche 5 im Bereich der axialen Überstände 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 gebildet.
Die Kurzschlussringe 8 liegen dabei an den Stirnseiten der Läuferbleche 5 an.
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 angeordnet 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 weniger als proportional zur Querschnittsverringerung, da bei Vollstabläufern ohnehin eine Stromverdrängung in Richtung Staboberseite, also in Richtung des Luftspalt der Asynchronmaschine auftritt.
6 bis 10 zeigt verschiedene Querschnittformen der elektrischen Leiter im Käfigläufer 3, die als hohle Formstäbe 10, 110 ausgeführt sind.
So zeigt 6 und 7 zwei koaxial angeordnete Formstäbe 10, 110 bei geschlossenen oder halboffenen Nuten 9 des Käfigläufers 3.
8 zeigt zwei Formstäbe 10, 110, wobei der äußere Formstab 10 geschlitzt ausgeführt ist. Der Schlitz 13 ist dabei dem Nutschlitz 12 zugeordnet.
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.
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.
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 Querschnittsformen aufweisen, wie z.B. rund, tropfenförmig, oder doppelstabförmig.
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

Käfigläufer (3) einer Induktionsmaschine (1) mit in Nuten (9) des Käfigläufers (3) befindlichen Formstäben (10,110, 210), die hohl ausgeführt sind und stirnseitig axial überstehen.
Käfigläufer (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfigläufer (3) geblecht oder aus gesintertem Material aufgebaut ist.
Käfigläufer (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formstäbe (10,110, 210) aus hochfesten, elektrisch hochleitfähigem Metall bestehen.
Käfigläufer (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (9) des Käfigläufers (3) geschlossen oder halboffen ausgeführt sind.
Käfigläufer (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussringe (8) direkt an den Stirnseiten Käfigläufers (3) anliegen.
Käfigläufer (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Formstäbe (10,110,210) angeschrägt ausgeführt sind, derart, dass der äußere Teil der Formstäbe (10,110,210) stirnseitig axial weiter übersteht.
Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufer (3) nach Anspruch 1, gekennzeichnet 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.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Formstäbe (10,110,210) vorab mit Flussmittel behandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (9) geschrägt ausgeführt werden.