DE3324687A1

DE3324687A1 - Asynchronmaschine mit doppelkaefigankerwicklung

Info

Publication number: DE3324687A1
Application number: DE19833324687
Authority: DE
Inventors: Armin Dipl.-Ing. Dr. Windisch Meyer
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1983-06-14
Filing date: 1983-07-08
Publication date: 1984-12-20

Description

Asynchronmaschine mit Doppelkäfigankerwicklun
Die Erfindung bezieht sich auf eine Asynchronmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Asynchronmaschinen dieser Gattung sind bekannt aus dem Buch "Elektrische Maschinen" von Bödefeld/Sequenz, Springer-Verlag, Wien, New York, 1971, S. 258, 259.
Die Käfigläuferwicklungen der Asynchronmaschinen bestehen aus den Kurzschlussstäben und den Kurzschlussringen, welche die Enden der Stäbe miteinander verbinden. Form, Anordnung und elektrische Leitfähigkeit der Stäbe bestimmen die Maschineneigenschaften (Anfahrmoment, Drehzahl-/ Drehmomentverhalten, Leistungsfaktor, Wirkungsgrad).
Gebräuchlich sind z.B. Einfachkäfigwicklungen, deren Stäbe in geschlossenen, halb offenen oder offenen Nuten liegen, und runden, rechteckigen, tropfenförmigen oder trapezförmigen Querschnitt haben. Beim trapezförmigen Querschnitt kann je nach dem erwünschten Betriebsverhalten die breite Seite zum Aussendurchmesser des Läufers zeigen oder zur Läuferachse hin gerichtet sein; hohe Stäbe können radial angeordnet werden, aber auch schräg, um ein höheres Läuferjoch zu erzielen.
Doppelkäfigwicklungen besitzen einen aussen am Läuferumfang liegenden Anlaufkäfig mit grossem ohmschen Widerstand und kleiner St.reuinduktivität und einen innenliegenden Betriebskäfig mit kleinem ohmschem Widerstand und grosser Streuinduktivität. Die Stäbe des Anlaufkäfigs sind üblicherweise rund, die des Betriebskäfigs können rund, tropfenförmig oder rechteckig sein. Anlauf- und Betriebskäfig können gemeinsame oder getrennte Kurzschlussringe haben.
Der jeweils benötigte Wicklungswiderstand wird durch entsprechende Wahl der Stab- und Ringquerschnitte und/oder der elektrischen Leitfähigkeit der Stab- und Ringmaterialien erzielt. So steht mit reinem Elektrolytkupfer und den Cu-Legierungen mit Zn, Sn, Si und Al und mit Reinstaluminium und den Al-Legierungen mit Mg, Si, Mn und Cu ein Leitwertbereich von 56 bis etwa 9 S m/mm2 zur Verfügung. In Abhängigkeit von der Grösse und dem Gewicht der Läufer und der zu fertigenden Stückzahl werden die Käfigkwicklungen gegossen oder aus vorgefertigten Stäben und Ringen, die durch Löten oder Schweissen miteinander verbunden werden, gefügt.
Drehstrom-Asynchronmaschinen mittlerer bis grosser Leistung werden standardmässig mit einem Käfiganker aus Kupfer-Hochstäben ausgeführt. Falls das Anzugsdrehmoment nicht genügt, oder der Anfahrstrom (Kurzschlussstrom) zu gross ist, sind derzeit folgende Lösungen üblich: - Die Hochstäbe werden mit Kupfer-Legierungen ausgeführt, die durch eine gegenüber reinem Kupfer geringeren elektrischen Leitfähigkeit gekennzeichnet sind. Damit wird das Anzugsmoment erhöht und gleichzeitig der Anzugstrom reduziert. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass im Nennbetrieb im Rotor ebenfalls ein höherer Widerstand wirksam ist, woraus höhere Verluste und ein geringerer Ge samtwi rkungsg rad resultieren.
- Der Hochstab-Käfigläufer wird durch einen Doppelstb-Käfigläufer ersetzt. Infolge der Stromverdrängung ist im ersten Teil des Anlaufs der Aussenkäfig bestimmend. Da er einen grösseren Wirkwiderstand aufweist als der Innenkäfig, resultieren daraus die verbesserten Anlaufeigenschaften. Im Nennbetrieb fliessen die Ströme zum grössten Teil im Innenkäfig, was einen guten Wirkungsgrad ergibt. Nachteilig ist dabei die kostspielige Lösung mit zwei getrennten Käfigen und die beschränkte Anlaufenergie des Rotors, da der Aussenkäfig die entstehende Wärme allein aufnahmen, speichern und an das Blechpaket abzugeben hat. Der Innenkäfig ist während des grössten Teils inaktiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Asynchronmaschine mit Doppelkäfigankerwicklung zu schaffen, welche die Vorteile von Hochstabwicklung und Doppelkäfigwicklung in sich vereinigt und gleichzeitig technisch und wirtschaftlich einfach ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung.
Die Erfindung ermöglicht das Beibehalten der Rechtecknut im Läufereisen und erfordert keine Sonderprofil formen für die Leiterstäbe.
Befindet sich in einem magnetischen Wechselfeld elektrisch leitende Stoffe, so entstehen in diesen Stoffen nach dem Induktionsgesetz Wechselströme auf Bahnen, die mit den magnetischen Induktionslinien verkettet sind. Diese Ströme werden als Wirbelströme bezeichnet. In stromführenden Leitern überlagern sich diese Wirbelströme dem Leiterstrom. Analog verursacht das eigene magnetische Feld des stromführenden Leiters Wirbelströme. Dadurch ergibt sich eine ungleichmässige Verteilung des Stromes über den Leiterquerschnitt, die man als Stromverdrängung beze-ichnet. Die Rückwirkung des Magnetfeldes der Wirbelströme auf das ursprüngliche Feld führt zudem zu einer Feldverdrängung und damit zu einer Abnahme der Nutstreuinduktivität.
Besonders ausgeprägt sind die Feld- und Stromverdrängung bei in die Nuten eines Eisenkörpers eingelegten elektrischen Leitern. Dabei hat das durch die Leiter erzeugte magnetische Wechselfeld Feldlinien zur Folge, die im Leiterbereich nahezu senkrecht aus den Zahnflanken austreten und nahezu geradlinig von der einen Zahnflanke zur andern übergehen. Die Feldlinien schliessen sich unterhalb der Nut im Eisen. Es resultiert infolge der Wirbelströme eine Feldverdrängung Richtung Luftspalt verbunden mit einer entsprechenden einseitigen Stromverdrängung ebenfalls Richtung Luftspalt. Die dem magnetischen Feld entzogene Energie wird in Form von Wirbelstromverlusten in Wärme umgesetzt und ist Ursache für die Erhöhung des wirksamen Widerstandes des stillstehenden Käfigankers der Asynchronmaschine und damit für die Erhöhung des Anfahrmomentes bei kleinerem Kurzschlussstrom. Während dem Anlauf sinkt die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes im Käfiganker infolge der Abnahme des Sohlupfes der Asynchronmaschine. Entsprechend wird der Einfluss der einseitigen Stromverdrängung verringert und nimmt der Anteil der Wirbelstromverluste ab. Im Nennbetrieb, d.h. bei sehr kleinem Schlupf der Asynchronmaschine, ist die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes im Käfiganker nahezu Null. Die praktisch vernachläsXigbar kleinen Wirbelstromanteile und die nahezu unen-dliehe Eindringtiefe des magnetischen Feldes führen zu einer gleichmässigen Verteilung des Stromes im elektrischen4ÆLe-iter. Es resultiert damit ein kleiner Rotorwiderstand mit kleinen Rotorverlusten und gutem Gesamtwirkungsgrad.
Der wirksame Widerstand und damit das Anfahrmoment zu Beginn des Anlaufes wird in der Erfindung gemäss Patentanspruch 1 dadurch wesentlich erhöht, dass im Aussenstab des Käfigankers Material mit grösserem elektrischem Widerstand eingesetzt wird, wie z.B. Kupfer-Zinn oder Kupfer-Zink-Legierungen. Dadurch verhält sich die Maschine wie eine klassische Doppelkäfiganker-Maschine.
Die erfindungsgemässe Ausbildung der Wicklung erlaubt eine hohe Anlaufenergie, da sich die im ersten Teil des Anlaufs im Aussenstab bildende Verlustleistung durch Wärmeleitung auf den ganzen Leiterstab verteilt. Zudem ist eine gute Wärmeabgabe an das Läufereisen durch die Oberfläche des gesamten Hochstabes gewährleistet.
Es ist vorteilhaft, als Material für den Unterstab reines Kupfer oder eine Kupfer-Silber-Legierung einzusetzen.
Da sich im Nennbetrieb der Strom entsprechend dem Widerstandsverhältnis von Aussen- zu Innenstab verteilt, also hauptsächlich im Innenstab fliesst, resultiert der erwünschte kleine Rotorwiderstand.
Generell kommen alle Materialpaarungen in Betracht, die sich in der elektrischen Leitfähigkeit um den Faktor 2 oder mehr unterscheiden, jedoch ähnliche Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen. Vgl. hierzu "Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen" von Sequenz, Springer-Verlag Wien - New York, 1973, Tabelle 2 "Physikalische Eigenschaften der Leiterwerkstoffe" auf den Seiten 8 bis 15.
Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, dass selbst grössere Abweichungen in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Unter- und Oberstab zugelassen werden können, da durch das radiale Temperaturgefälle in einem homogenen Hochstab allein grössere Verformungskräfte auf die Käfigwicklung, insbesondere die Kurzschlussringe, ausgeübt werden.
Die radiale Höhe des Aussenstabes wird etwa gleich der Eindringtiefe des elektrischen Stromes im Läufer bei Stillstand der Maschine gewählt (zur Berechnung der Eindringtiefe vgl. Bödefeld/Sequenz "Elektrische Maschinen" ... S. 256, 257).
Prinzipiell kann der erfindungsgemässe "Hochstab" aus getrenntem Ober- und Unterstab, die stirnseitig über den gemeinsamen Kurzschlussring miteinander verbunden sind, oder aus einem stranggezogenen, aus zwei Materialien mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit bestehenden Verbundstab bestehen. Im ersten Fall ermöglicht das-Rechteckprofil beider Stäbe eine grossflächige Wärmeaustauschfläche zwischen Unter- und Oberstab. Im zweiten Fall ist der Wärmeübergang mangels Trennflächen vollkommen.
Gegebenenfalls kann die Wirkung der Stromverdrängung durch Trapeznuten oder gestufte Nuten verstärkt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigt Fig. 1 einen Teil-Ouerschnitt durch den Läufer einer Asynchronmaschine, Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Läuferende, beides in vereinfachter Darstellung.
In einer Rechtecknut 1 im geblechten Läufer 2 einer Drehstrom-Asynchronmaschine liegen unmittelbar übereinander ein Oberstab 3 und ein Unterstab 4. Beide Stäbe weisen gleichfalls Rechteck-Profil auf und sind in bekannter Weise nacheinander oder gemeinsam in die halboffene Nut 1 eingeschoben. Die radiale Höhe h des Oberstabes 3 0 bemisst sich nach der Eindringtiefe des elektrischen Stromes beim Stillstand der Maschine. Sie beträgt typisch 20 ... 40 °Ó der gesamten Nuthöhe h + h . Der Oberstab 3 o u besteht z.B. aus einer Cu-Zn-Legierung, der Unterstab 4 z.B. aus reinem Kupfer.
Im Längsschnitt durch das Läuferende nach Fig. 2 ist ersichtlich, wie beide Stäbe 3 und 4 in die Ringnut 5 eines Kurzschlussringes 6 münden und dort mit dem Kurzschlussring 6 fest verbunden sind. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise nach dem in der CH-PS 564 876 beschriebenen Hartlöt-Verfahren.
Anstelle diskreter Ober- und Unterstäbe ist alternativ vorgesehen, einen Hochstab aus einem stranggezogenen Verbundmaterial, zu verwenden, wobei der dem Luftspalt zugewandte Teil des Stabquerschnitts aus einem Material mit geringerer spezifischer elektrischer Leitfähigkeit, z.B. Cu-Zn-Legierung, der restliche Querschnitt z.B.
aus Kupfer besteht.

Claims

Patentansprüche 1Asynchronmaschine, deren Läufer eine Doppelkäfigankerwicklung aufweist, wobei am Umfang eine erste Käfigwicklung mit hohem elektrischem Wirkwiderstand und tiefer im Läufereisen eingebettet eine zweite Käfigwicklung mit kleinem elektrischem Wirkwiderstand vorgesehen ist, und beide Käfigwicklungen gemeinsame Kurzschlussringe an den Läuferstirnseiten haben, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstäbe (3, 4) beider Käfigwicklungen zusammengenommen Rechteckprofil aufweisen und in einundderselben rechteckigen Nut im Läufereisen unmittelbar aneinandergrenzend angeordnet sind, und das Material des Oberstabes (3) einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist als das Material des darunterliegenden Unterstabes (4).
2. Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Höhe des Oberstabes annähernd gleich der Eindringtiefe des elektrischen Stromes im Läufer beim Stillstand der Maschine ist.
3. Asynchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Unter- und Oberstab (4, 3) aus diskreten Leiterstäben bestehen, die stirnseitig gemeinsam in eine Ringnut (5) des Kurzschlussringes (6) münden und dort mit diesem fest verbunden sind.
4. Asynchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Unter- und Oberstab einstückig ausgeführt sind und aus einem Verbundwerkstoff bestehen.