DE102005030797A1

DE102005030797A1 - Squirrel cage of an induction machine

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.In order to increase the circumferential speed of induction machines (1) with squirrel cage rotors (3), a squirrel cage rotor (3) is proposed with shaped bars (10, 110, 210) located in grooves (9) of the squirrel cage rotor (3), which are hollow and frontal axially protrude.

Description

Die Erfindung betrifft einen Käfigläufer einer Induktionsmaschine für hohe Drehzahlen und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The The invention relates to a squirrel-cage rotor of an induction machine for high Speeds and a method for its production.

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.to increase the mechanical speed limit of squirrel cage induction machines, given by the strength values of aluminum or copper are, at peripheral speeds of up to more than 150 m / s to reach the shorting rings of the squirrel cage specially armored. For this the squirrel cage has to be worked on and a special ring to accommodate the centrifugal forces separately to be assembled.

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.Such a construction is from the DE 195 21 700 A1 known. In this case, the short-circuit ring spaced from the laminated core is provided, inter alia, with a shrink ring.

Aus der DE 199 27 279 A1 sind Pressverbände eines von einem Blechpaket beabstandeten Kurzschlussrings bekannt, die die Fliehkräfte des Kurzschlussrings aufnehmen sollen.From the DE 199 27 279 A1 Are pressing federations one of a laminated core spaced short circuit ring known to absorb the centrifugal forces of the shorting ring.

Diese Maßnahmen sind konstruktiv äußerst aufwendig umzusetzen und dementsprechend ist der Käfigläufer nur aufwändig herzustellen.These activities are structurally extremely expensive implement and accordingly, the squirrel cage is expensive to produce.

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.outgoing It is the object of the invention to provide a squirrel cage create, in a simple way, peripheral speeds of up to more than 150 m / s and easy to assemble or manufacture is.

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.The solution The task is achieved by a squirrel cage induction machine located in grooves of the squirrel cage Shapes that hollow executed are and axially protrude frontally.

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.

The solution of the problem is also achieved by a method for producing a squirrel cage by the following steps:

Packaging a laminated core having substantially axially extending grooves,
Inserting form bars into the grooves of the laminated core, such that the shaped bars have a projection which can be axially predetermined relative to the end face of the laminated core,
Insert the laminated core with the forming bars into a suitable device,
- Pouring of the squirrel cage rotor such that the form of rods, at least at their ends, so the supernatant of the mold rods are potted with a conductive metal, such that arise at the end faces of the laminated core shorting rings.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung und Herstellung eines Käfigläufers lassen sich nunmehr wesentlich höhere Umfangsgeschwindigkeiten erreichen, ohne dass die dadurch erhöhten Fliehkraftbeanspruchungen den Käfigläufer zerstören.By the inventive design and Make a squirrel cage now much higher Reach peripheral speeds without the centrifugal force thereby increased destroy the squirrel cage.

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.The hollow shape bars are preferably using aluminum or copper in a die-casting process filled. In a preferred embodiment only the short circuit ring on the Formed end faces of the squirrel cage, the electrical conductor in the groove of the squirrel cage, so the shape of the rod remains hollow. This advantageously reduces the mass and the inertia of the squirrel cage.

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 a further embodiment are per groove several shape rods available. This results from nesting the individual Molded rods layered construction of the conductor in the groove.

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.In a further embodiment For example, the cavity between two rods of a form Groove by a pressure greeting procedure filled with aluminum or copper with simultaneous pouring of the Short-circuit ring.

Durch das Anbringen eines zusätzlichen Formbleches an den Stirnseiten des Käfigläufers, wird die Fliehkraftgrenze durch den Stützbalkeneffekt weiter erhöht.By the attachment of an additional form sheet on the front sides of the squirrel cage, will the centrifugal force limit further increased by the support beam effect.

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.advantageously, is this shaped sheet of a high-strength and highly conductive sheet metal produced. The shaped sheet is defined by the axial projection the form bars and / or fixed the die-casting process.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen:The Invention and further advantageous embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to schematically illustrated embodiments. In this demonstrate:

1 prinzipieller Aufbau einer Induktionsmaschine mit Käfigläufer, 1 basic structure of an induction machine with squirrel cage,

2, 4 Teillängsschnitt des Käfigläufers, 2 . 4 Partial longitudinal section of the squirrel cage,

3, 5 Teilquerschnitt des Käfigläufers, 3 . 5 Partial cross-section of the squirrel cage,

6 bis 11 verschiedene Formstäbe in Nuten des Käfigläufers. 6 to 11 different shape bars in grooves of the squirrel cage.

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. 1 shows a schematic representation of an asynchronous machine 1 with a stand 2 and a squirrel cage 3 , In this illustration are stands 2 and squirrel cage 3 through stand plates 4 or rotor sheets 5 built up. In the only indicated grooves of the stand 2 is arranged a not-shown winding system, which at the end faces of the stator 2 winding heads 6 forms. The squirrel cage 3 is on a wave 7 shrunk. At the ends of the squirrel cage 3 there are short-circuit rings 8th which electrically connect the conductors not visible in this illustration.

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.In 2 is a detail of the squirrel cage 3 shown in more detail. In grooves 9 , which may be closed or semi-open, is a hollow shaped rod 10 which axially with respect to the package of rotor laminations 5 survives. Before geous enough, located at the ends of the form of bars 10 a chamfer 11 , The ends are made of short-circuit ring 8th includes, attached to the form bars 10 is poured. To the inertia of the squirrel cage 3 To reduce this are the cavities of the form of bars 10 not poured out.

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.By at the front of the squirrel cage 3 axially projecting mold bars 10 adjusts itself a support beam effect, the peripheral speeds of the squirrel cage 3 of more than 150 m / allowed.

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.In a further embodiment, the cavities of the shaped rods 10 poured with aluminum or copper and form together with the forming rods 10 and the short circuit rings 8th at the end faces the cage winding of the squirrel cage 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. 3 shows in a partial cross section hollow shape bars 10 in grooves 9 of the squirrel cage 3 , The grooves 9 have slot slots 12 they are so half open. The shape bars 10 are in this embodiment with an axially extending slot 13 provided, which allows, among other things, that during the casting process, the slot slots 12 can be shed with. Ideally, then corresponds to the width of the slot 13 the width of the slot slot 12 , Through the slot 13 can also be the axial mounting of the form bar 10 in the groove 9 by squeezing comparatively easily accomplish.

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.In a further embodiment according to 4 have the front sides of the rotor sheets 5 in the region of the axial projections of the shaped rods 10 additional shaped sheets 14 on top of the ends of the form bars 10 include. However, to accommodate the centrifugal forces, it is also sufficient if the shaped sheets 14 only the outer edge of the form bars 10 support. The short-circuit rings 8th then go over the shaped sheets 14 or, as stated above, via molded short-circuit rings 8th educated.

Die Kurzschlussringe 8 liegen dabei an den Stirnseiten der Läuferbleche 5 an.The short-circuit rings 8th lie on the front sides of the rotor sheets 5 at.

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. 5 shows in a further partial cross section grooves 9 with slot slots 12 , where per groove 9 two shape bars 10 and 110 are provided. In the left illustration, the two form bars 10 . 110 coaxially arranged so that between the form bars 10 and 110 a uniform cavity 15 almost constant thickness results, which is poured out. The groove slot remains 12 free. In the right illustration of this figure, the two form bars 10 and 110 arranged and poured so that in the vicinity of the groove bottom of the groove 9 a cavity 16 results. Thus, the fundamental losses increase with large slip of the asynchronous less than proportional to the reduction in cross section, since in Vollstabläufern anyway a displacement in the direction of rod top, ie in the direction of the air gap of the asynchronous machine occurs.

6 bis 10 zeigt verschiedene Querschnittformen der elektrischen Leiter im Käfigläufer 3, die als hohle Formstäbe 10, 110 ausgeführt sind. 6 to 10 shows various cross-sectional shapes of the electrical conductors in the squirrel cage 3 as hollow shape bars 10 . 110 are executed.

So zeigt 6 und 7 zwei koaxial angeordnete Formstäbe 10, 110 bei geschlossenen oder halboffenen Nuten 9 des Käfigläufers 3.So shows 6 and 7 two coaxially arranged form bars 10 . 110 with closed or semi-open grooves 9 of the squirrel cage 3 ,

8 zeigt zwei Formstäbe 10, 110, wobei der äußere Formstab 10 geschlitzt ausgeführt ist. Der Schlitz 13 ist dabei dem Nutschlitz 12 zugeordnet. 8th shows two shape bars 10 . 110 , wherein the outer mold rod 10 slotted is executed. The slot 13 is the slot slot 12 assigned.

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. 9 shows two closed form bars 10 . 110 , which are arranged such that after a casting process on the groove bottom of the groove 9 a cavity 16 results.

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. 10 shows that the shape bars 10 . 110 also from one or more layers of round wires 50 can be formed, which optionally spiral around a core with respect to their axial length spiral.

11 zeigt mehrere ineinander gesteckte Formstäbe 10, 110, 210, die zusammen einen Formstab einer Nut 9 bilden. 11 shows several nested form bars 10 . 110 . 210 , which together form a shape bar of a groove 9 form.

Grundsätzlich sind unterschiedliche Formstäbe ohne Schlitz 13, mit Schlitz 13, oder aus Runddrähten 50 kombinierbar.Basically, different shape bars without slot 13 , with slot 13 , or from round wires 50 combined.

Des Weiteren können die Formstäbe 10, 110, 210 auch über ihre Länge betrachtet unterschiedliche Dicken aufweisen und/oder konisch zulaufend sein.Furthermore, the shape of the rods 10 . 110 . 210 also considered over their length have different thicknesses and / or be tapered.

Außerdem können die Formstäbe unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, wie z.B. rund, tropfenförmig, oder doppelstabförmig.In addition, the mandrels have different cross-sectional shapes, such. round, drop-shaped, or double rod.

Durch Isolation der Formstäbe gegenüber den Läuferblechen 5 sind parasitäre Querströme unterdrückbar.By isolation of the mold bars against the rotor sheets 5 parasitic cross currents can be suppressed.

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.By the most varied embodiments, which are easy to manufacture, the centrifugal force limit previous short-circuited ring rotor shifted upwards so that now circumferential speeds of more than 150 m / s possible are.

Claims

Squirrel cage ( 3 ) an induction machine ( 1 ) in grooves ( 9 ) of the squirrel cage ( 3 ) located form rods ( 10 . 110 . 210 ), which are hollow and protrude axially frontally.

Squirrel cage ( 3 ) according to claim 1, characterized in that the squirrel cage ( 3 ) or constructed of sintered material.

Squirrel cage ( 3 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the shaped rods ( 10 . 110 . 210 ) consist of high-strength, highly electrically conductive metal.

Squirrel cage ( 3 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the grooves ( 9 ) of the squirrel cage ( 3 ) are closed or semi-open.

Squirrel cage ( 3 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the short-circuit rings ( 8th ) directly on the front side squirrel cage ( 3 ) issue.

Squirrel cage ( 3 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the ends of the shaped rods ( 10 . 110 . 210 ) are made inclined, such that the outer part of the form of bars ( 10 . 110 . 210 ) protrudes axially further on the front side.

Method for producing a squirrel cage ( 3 ) according to claim 1, characterized by the following steps - packetizing rotor sheets ( 5 ), the substantially axially extending grooves ( 9 ), - use of form bars ( 10 . 110 . 210 ) into the grooves ( 9 ) the rotor sheets ( 5 ), such that the shaped rods ( 10 . 110 . 210 ) one opposite the end face of the package of rotor sheets ( 5 ) axially definable supernatant, - use the rotor sheets ( 5 ) with the form bars ( 10 . 110 . 210 ) in a suitable device, - casting the rotor sheets ( 5 ) with the form bars ( 10 . 110 . 210 ) such that the shaped rods ( 10 . 110 , 210 ), at least at their ends, so the supernatant of the form of rods ( 10 . 110 . 210 ) are cast with a conductive metal, such that at the end faces of the rotor sheets ( 5 ) Shorting rings ( 8th ).

Method according to claim 7, characterized in that the shaped rods ( 10 . 110 . 210 ) be treated in advance with flux.

Method according to claim 7 or 8, characterized in that the grooves ( 9 ) are made beveled.