DE1150752B

DE1150752B - Squirrel cage motor with high speed of rotation of the rotating field

Info

Publication number: DE1150752B
Application number: DES58638A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Richard Schoen
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Priority date: 1957-07-09
Filing date: 1958-06-16
Publication date: 1963-06-27

Description

Kurzschlußläufermotor mit hoher Umlaufgeschwindigkeit des Drehfeldes Mehrphasige Läufer bzw. Käfigläufer von Kurzschlußläufermotoren sind mit einem Eisenanker nicht für beliebig hohe Frequenzen verwendbar. Bei Frequenzen von mehr als 1000 Perioden je Sekunde sind die Eisenverluste, die bekanntlich etwa proportional mit der Frequenz ansteigen, so hoch, daß die Permeabilität des Eisens nicht ausgenutzt werden kann und die größtmögliche Drehzahl durch das Eisen begrenzt wird. Ferrarisläufer in Schalen- oder Glokkenform, wie sie für Kleinmotoren, Wattmeter od. dgl verwendet werden, sind insofern nicht eisenfrei, als der Eisenkreis des Ständers durch einen Kern, im Inneren der Schale oder Glocke fortgesetzt wird, wodurch die Eisenverluste im Inneren der Schale oder Glocke im Lauf größer sind als bei einem normalen Kurzschlußläufer. Diese Bauart ist daher für Frequenzen der genannten Höhe ungeeignet. Dasselbe gilt für Sonderausführungen von Induktionsmotoren mit einem Läufer aus einem kugelförmigen oder aus einem Kugelabschnitt bestehenden Eisenkern, der mit einem allenfalls durchbrochenen Kupferüberzug versehen ist.Squirrel cage motor with high speed of rotation of the rotating field Multi-phase rotors or squirrel cage rotors of squirrel cage motors are with an iron armature cannot be used for any high frequencies. At frequencies greater than 1000 Periods per second are the iron losses, which are known to be roughly proportional to increase in frequency, so high that the permeability of iron is not exploited and the highest possible speed is limited by the iron. Ferrari runner in bowl or bell shape, such as those used for small motors, wattmeters or the like are not iron-free insofar as the iron circle of the stator passes through a Core, continues inside the shell or bell, reducing the iron losses inside the shell or bell are larger in the barrel than in a normal squirrel cage. This type of construction is therefore unsuitable for frequencies of the specified level. The same is true for special designs of induction motors with a rotor from a spherical or from a spherical segment consisting of an iron core with a perforated if necessary Copper plating is provided.

Gegenstand der Erfindung ist ein Kurzschlußläufermotor mit hoher Umlaufgeschwindigkeit des Drehfeldes, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der insbesondere aus einander übergreifenden Spulen gebildete Ständer einen im wesentlichen kugel- oder ellipsoidförmigen Raum praktisch allseitig umschließt und daß der im wesentlichen eisenlose Läufer aus einer oder mehreren geschlossenen Leiterschleifen besteht, deren jede an der Läuferwelle unmittelbar oder mittels eines Teiles aus nichtmagnetisierbarem Material an zwei Stellen befestigt ist, derart, daß der von allen Leiterschleifen umschlossene Raum im wesentlichen kugel- oder ellipsenförmige Gestalt besitzt. Auf diese Weise läßt sich der Läufer völlig ohne Eisen ausbilden, so daß die Magnetisierungsverluste ganz wegfallen.The invention relates to a squirrel cage motor with a high rotational speed of the rotating field, which is characterized in that the particular from each other spanning coils formed stator a substantially spherical or ellipsoidal Space encloses practically on all sides and that the essentially ironless runner consists of one or more closed conductor loops, each of which is connected to the Rotor shaft directly or by means of a part made of non-magnetizable material is attached in two places, so that the enclosed by all conductor loops Space has essentially spherical or elliptical shape. In this way the rotor can be designed completely without iron, so that the magnetization losses fall away completely.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.Embodiments of the invention are shown in the drawing.

Fig. 1 und 2 zeigen im Längsschnitt bzw. in Stirnansicht einen Kurzschlußläufer, Fig. 3 und 4 den dazugehörenden Ständer im Längsschnitt bzw. in Stirnansicht und Fig.5 die Lagerung eines Kurzschlußläufers mit vertikaler Welle.1 and 2 show a squirrel-cage rotor in longitudinal section and in front view, 3 and 4 the associated stand in longitudinal section and in front view and 5 shows the bearing of a squirrel cage rotor with a vertical shaft.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kurzschlußläufer besteht aus zwei geschlossenen, etwa kreisförmigen Leiterschleifen 1 und 2, die um 90° gegeneinander versetzt an der Läuferwelle 3 befestigt sind. Die Leiterschleifen bestehen aus einem bandförmigen Material, Flachstäben, Blech, Litzen oder Litzengewebe. An den Befestigungsstellen mit der Läuferwelle 3 sind die Leiterschleifen l und 2 gleichsinnig um je 90° verdrillt um die Läuferwelle herumgeführt.The squirrel-cage rotor shown in FIGS. 1 and 2 consists of two closed, approximately circular conductor loops 1 and 2 which are attached to the rotor shaft 3 offset from one another by 90 °. The conductor loops consist of a strip-shaped material, flat rods, sheet metal, stranded wire or braided fabric. At the attachment points with the rotor shaft 3 , the conductor loops 1 and 2 are twisted in the same direction by 90 ° around the rotor shaft.

An den Stellen, an denen die Leiterschleifen 1 und 2 ohne Unterbrechung an der Läuferwelle 3 vorbeigeführt sind, sind sie mittels Laschen 4 bzw. 5 an der Läuferwelle 3 befestigt. An den gegenüberliegenden Stellen sind die Enden der Leiterschleifen 1 und 2 beiderseits an die Läuferwelle 3 angelegt und aneinander befestigt. Mit dieser Anordnung kann die Zugfestigkeit der Leiterschleifen voll ausgenutzt werden.At the points at which the conductor loops 1 and 2 are guided past the rotor shaft 3 without interruption, they are fastened to the rotor shaft 3 by means of tabs 4 and 5, respectively. At the opposite points, the ends of the conductor loops 1 and 2 are placed on both sides of the rotor shaft 3 and fastened to one another. With this arrangement, the tensile strength of the conductor loops can be fully utilized.

Bei Kurzschlußläufern dieser Ausführung kann es unter Umständen zweckmäßig sein, die Leiterschleifen nach jener Kettenlinie zu formen, die unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft zustande kommt. Diese Ausführung kommt vor allem bei hoher Zentrifugalkraft in Frage oder dann, wenn die Leiterschleifen aus einem besonders biegsamen Material bestehen.In the case of squirrel cage rotors of this type, it may be useful under certain circumstances be to shape the conductor loops according to the chain line that is under the action the centrifugal force comes about. This execution comes mainly at high Centrifugal force in question or when the conductor loops from one particularly flexible material.

Um Unsymmetrien der durch die einzelnen Leiterschleifen fließenden Ströme zu verringern, ist es zweckmäßig, die Schleifen gegeneinander und auch gegen die Läuferwelle durch Zwischenlagen zu isolieren.About asymmetries of the flowing through the individual conductor loops To reduce currents, it is useful to pull the loops against each other and also against each other to isolate the rotor shaft with intermediate layers.

Der in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ständer ist aus Flachspulen R, R', S, S', T, T' zusammengesetzt und bildet einen Körper, dessen äußere Umhüllung die Gestalt eines Rotationsellipsoides hat, während der zur Aufnahme des Läufers dienende Hohlraum etwa Kugelgestalt hat. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Spulenanordnung längs der Linie A -B der Fig. 4. Die Läuferwelle ist außerhalb des Ständers in Kugellagern gelagert. Sie ist in Fig. 3 und 4 durch strichlierte Linien angedeutet. Die Wicklungen jeder Phase bestehen aus je zwei Spulen (z. B. R und R'), zwischen denen die Läuferwelle hindurchführt. Die Ständerspulen sind um den Läufer herum in folgender Reihenfolge von innen nach außen aufgebaut: R, S, T, T', S', R'. Mit diesem Aufbau ergibt sich eine optimale Anordnung der einzelnen Spulenfelder zu einem möglichst symmetrischen Drehfeld.The stator shown in FIGS. 3 and 4 is composed of flat coils R, R ', S, S', T, T ' and forms a body, the outer envelope of which has the shape of an ellipsoid of revolution, while the cavity serving to accommodate the rotor has roughly spherical shape. Fig. 3 shows a section through the coil arrangement along the line A -B of Fig. 4. The rotor shaft is mounted outside of the stator in ball bearings. It is indicated in Fig. 3 and 4 by dashed lines. The windings of each phase consist of two coils (e.g. R and R '), between which the rotor shaft passes. The stator coils are built around the rotor in the following order from the inside to the outside: R, S, T, T ', S', R '. This structure results in an optimal arrangement of the individual coil fields to form a rotating field that is as symmetrical as possible.

Es ist auch möglich, eine normale Drehstromwicklung anzuwenden, wenn die Stirnverbindungen der einzelnen Spulen schräg zusammenlaufend ausgeführt werden, so daß sie entweder schon beim Wickeln oder nach dem Einbau der Form des Läufers angepaßt werden können, so daß auch hier der zur Aufnahme des Läufers dienende Hohlraum etwa Kugelgestalt erhält.It is also possible to use a normal three-phase winding, if the end connections of the individual coils converge at an angle, so that they either take the form of the runner during winding or after installation can be adapted, so that here too the cavity serving to accommodate the rotor approximately spherical.

Zwischen den Spulen des Ständers ist Platz für den Hindurchtritt von Kühlluft vorgesehen. Eine intensivere Kühlung des Ständers läßt sich dadurch erzielen, daß zwischen den einzelnen Windungen der Spulen Distanzstücke angeordnet werden, so daß die Kühlluft auch zwischen den einzelnen Windungen hindurchtreten kann.Between the coils of the stator there is space for the passage of Cooling air provided. A more intensive cooling of the stand can be achieved by that spacers are arranged between the individual turns of the coils, so that the cooling air can also pass between the individual turns.

Der Ständer läßt sich unter Verwendung von mindestens zwölf Spulen auch vierpolig ausbilden. Hierbei ist es zweckmäßig, den Läufer mit vier Leiterschleifen zu versehen, die, um 90° abgewinkelt, paarweise um 45° gegeneinander versetzt an der Läuferwelle befestigt sind.The stand can be lowered using at least twelve coils also train four-pole. It is useful here to have the runner with four conductor loops to be provided, which, angled by 90 °, are offset in pairs by 45 ° from one another are attached to the rotor shaft.

Bei völlig symmetrischen Drehfeldern kann es gegebenenfalls zweckmäßig sein, den Läufer aus einer oder mehreren Hohlkugeln durch spanabhebende Formgebung herzustellen, derart, daß die bearbeiteten Hohlkugeln als Käfigwicklungen auf der Läuferwelle angebracht werden.In the case of completely symmetrical rotating fields, it can be useful if necessary be the runner from one or more hollow spheres by machining produce in such a way that the machined hollow balls as cage windings on the Rotor shaft are attached.

Ist das erregende Drehfeld elliptisch, so treten am Läufer Unsymmetriekräfte auf; diese lassen sich beim erfindungsgemäßen Kurzschlußläufer zum Teil durch kleine Kerne aus magnetischem Material kompensieren, die im Inneren des Läufers anzubringen sind. Der elektrodynamische Druck zwischen zwei entgegengesetzt durchflossenen Spulen ist nämlich der magnetischen Zugkraft ungefähr entgegengesetzt gerichtet. Bei Verwendung einer eisernen Läuferwelle oder eines oder mehrerer kleiner lamellierter oder mit Eisenpulver gefüllter Zylinder kann der magnetische Zug bis auf einen geringen überschuß der abstoßenden und daher zentrierenden elektrodynamischen Kräfte ausgeglichen werden.If the exciting rotating field is elliptical, asymmetry forces occur on the rotor on; In the squirrel-cage rotor according to the invention, these can partly be reduced by small ones Compensate cores made of magnetic material that attach inside the rotor are. The electrodynamic pressure between two oppositely flowing coils is namely directed approximately in the opposite direction to the magnetic tensile force. Using an iron rotor shaft or one or more small laminated or with Cylinders filled with iron powder can absorb a small amount of magnetic pull the repulsive and therefore centering electrodynamic forces are balanced.

Der erfindungsgemäße Kurzschlußläufermotor läßt sich mit besonderem Vorteil als Ventilator zur Kühlung in elektrischen Maschinen oder Geräten verwenden, wenn die Leiterschleifen als Ventilatorflügel ausgebildet werden. Als Anwendungsfall hierfür kommen beispielsweise mehrphasige Drosselspulenanordnungen in Frage. Der Ventilator kann auch in einem flüssigen oder gasförmigen Kühlnrittel (Öl, Wasserstoff od. dgl.) angeordnet und zur wirksamen Kühlung der Ständerwicklung ausgebildet sein.The squirrel cage motor according to the invention can be with special Use it as a fan for cooling in electrical machines or devices, if the conductor loops are designed as fan blades. As a use case for this purpose, for example, multiphase choke coil arrangements come into question. Of the The fan can also be used in a liquid or gaseous coolant (oil, hydrogen Od. Like.) Be arranged and designed for effective cooling of the stator winding.

Bei Einphasenspeisung ist es zweckmäßig, zur Erzeugung eines Drehfeldes eine Hilfswicklung zu verwenden, die ein zur Richtung des Wechselfeldes senkrechtes und in der Phase verschobenes Hilfsfeld hinzusetzt. In vielen Fällen ist der Läufer mit vertikaler Achse aufgestellt. Bei elliptischen Erregerfeldern, insbesondere dann, wenn noch zusätzliche Unregelmäßigkeiten des Feldes hinzukommen, treten in den Lagern starke Radialkräfte auf, die zu so großen Verlusten führen können, daß der Schlupf des Läufers unzulässig groß wird. In diesen Fällen erweist es sich als zweckmäßig, die Läuferwelle elastisch zu lagern, damit dem Läufer eine seitliche Bewegungsmöglichkeit gegeben ist. Die Läuferwelle führt unter dem Einfluß der seitlichen Kräfte eine Bewegung aus, die der Präzessionsbewegung eines Kreisels ähnlich ist. Das Prinzip einer elastischen Lagerung ist in Fig. 5 dargestellt. Das Lager 6 der Läuferwelle 7 ist mit dem Nadellager 8 ebenso wie das obere Lager 9' in horizontaler Richtung nach allen Seiten hin gefedert. An Stelle des Nadellagers 8 können an den Stellen 10 und 11 radial bewegliche Spurlager Verwendung finden. Mit dieser Anordnung ist dem Läufer so viel Bewegungsfreiheit gegeben, daß er unter Vermeidung hoher Lagerreaktionen auch unsymmetrischen Drehfeldern folgen kann.In the case of single-phase supply, it is useful to generate a rotating field to use an auxiliary winding that is perpendicular to the direction of the alternating field and add auxiliary field shifted in the phase. In many cases the runner is set up with a vertical axis. With elliptical excitation fields, in particular then, if there are additional irregularities in the field, step in the bearings on strong radial forces, which can lead to so great losses that the slippage of the rotor becomes impermissibly large. In these cases it turns out to be expedient to mount the rotor shaft elastically so that the rotor has a lateral Movement is given. The rotor shaft leads under the influence of the lateral Forces a motion that is similar to the precession motion of a top. The principle of elastic mounting is shown in FIG. 5. The camp 6 of the The rotor shaft 7 is horizontal with the needle bearing 8 as is the upper bearing 9 ' Spring-loaded direction on all sides. Instead of the needle bearing 8 can to the Places 10 and 11 are used for radially movable thrust bearings. With this arrangement the runner is given so much freedom of movement that he can avoid higher Bearing reactions can also follow asymmetrical rotating fields.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Squirrel cage motor with high rotational speed of the rotating field, characterized in that the particular from each other overlapping Coils formed stator a substantially spherical or ellipsoidal space encloses practically on all sides and that the runner is essentially ironless consists of one or more closed conductor loops; each of which on the rotor shaft directly or by means of a part made of non-magnetizable material on two Places is fixed in such a way that the space enclosed by all conductor loops has a substantially spherical or ellipsoidal shape.

2. Squirrel cage motor according to claim 1, characterized in that the conductor loops consist of a tape-shaped Material, flat bars, sheet metal, stranded wire or braided fabric are made and on the Rotor shaft are attached by means of offsets and tabs.

3. Squirrel cage motor according to claim 1 or 2, characterized in that there are several conductor loops the rotor shaft star-shaped; appropriately offset from one another by the same angle are arranged.

4. squirrel cage motor according to claim 1, 2 or 3, characterized in that that the conductor loops individually or in groups against each other and / or against the Rotor shaft are isolated.

5. Squirrel cage motor according to one of the preceding Claims, characterized in that the winding cross-section of the conductor loops Has a circular shape.

6. squirrel cage motor according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the winding cross-section of the conductor loops approximately after that Chain line is formed, which comes about under the action of centrifugal force comes.

7. squirrel cage motor according to claim 5 or 6, characterized in that the stator of the motor is composed of flat coils (R, S, S ', T, T') to form a hollow spherical structure, with two coils (z. B. R and R ') are provided, between which the rotor shaft is passed. B. squirrel cage motor according to claim 7, characterized in that spacers are arranged between the individual turns, such that space remains free between the turns for cooling air to pass through. 9. squirrel cage motor according to claim 7, characterized in that the rotor is provided with four conductor loops and the stator with at least twelve coils. 10. Squirrel cage motor according to claim 1, characterized in that the rotor is made from one or more hollow balls by machining. 1.1. Squirrel cage motor according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor is provided with an iron shaft or a small laminated cylinder or a cylinder filled with iron powder. 12. Squirrel cage motor according to one of the preceding claims, characterized in that the conductor loops are designed as fan blades. 13. Squirrel cage motor according to claim 12, characterized in that the rotor is arranged in a liquid or gaseous coolant (oil, hydrogen or the like). 14. Squirrel cage motor according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor is arranged in an alternating field to which an auxiliary field perpendicular to the direction of the alternating field and shifted in phase by an inductive or capacitive parallel resistor is added by means of an auxiliary winding. 15. Squirrel cage motor according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor shaft is arranged vertically and that the lower and upper bearings are spring-loaded in the radial direction. Documents considered: German Patent No. 552 465; French patent specification No. 1 121948. Earlier patents considered: German patent No. 1034 756.