DE102010043384A1

DE102010043384A1 - Asynchronmaschine, insbesondere stromrichtergespeiste Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer und Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers

Info

Publication number: DE102010043384A1
Application number: DE102010043384A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Volk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Asynchronmaschine (1), insbesondere stromrichtergespeiste Asynchronmaschine mit einem zylinderförmigen Kurzschlussläufer (5) mit – einem Blechpaket (16) das axial geschichtete Bleche aufweist, – wobei in dem Blechpaket (16) im wesentliche axial verlaufende Nuten (11) vorhanden sind, – wobei sich die Nuten (11) vorzugsweise jeweils zur Achse hin verjüngen, – wobei zumindest einige der Nuten (11) radial nach außen offen sind und einen Streuschlitz (12) aufweisen, – wobei im radial äußeren Bereich der Nuten (11) Stäbe (14) vergleichsweise hoher elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Kupferstäbe eingesetzt sind, deren Querschnitt zumindest abschnittsweise dem Querschnitt der Nut (11) angepasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Asynchronmaschine, insbesondere eine stromrichtergespeiste Asynchronmaschine mit einem Kurzschlussläufer und ein Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers.
Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufern sind vergleichsweise einfach aufgebaute elektrische Maschinen, die aus diesem Grund auch in vielfältigsten Einsatzgebieten vorhanden sind. Nichts desto trotz ist aufgrund dieses hohen Einsatzgrades entscheidend, dass ein hoher Wirkungsgrad dieser Maschinen vorhanden ist, der letztlich durch eine Verringerung der ohmschen Verluste insbesondere im Läufer erreicht werden soll.
So ist aus der EP 0 786 855 A1 eine Asynchronmaschine bekannt, deren Kurzschlussläufer aus Kurzschlussstäben und Kurzschlussringen aus einem Material aufgebaut ist, wobei der Kurzschlussring Kappen zur Fliehkraftkompensation aufweist.
Aus der DE 1 013 358 sind einige Herstellverfahren beschrieben, um Kurzschlussläufer zu gießen. Dabei werden insbesondere Nutauskleidungen als auch Einlegen von Kupferstäben gezeigt.
Aus der DE 43 08 683 A1 ist ein Käfigläufer einer Asynchronmaschine bekannt, wobei in den Nuten des Läuferblechpakets Kurzschlussstäbe angeordnet sind, die an den beiden Stirnseiten des Läuferblechpakets mit im Aluminiumdruckgussverfahren hergestellten Kurzschlussringen mechanisch und elektrisch leitend verbunden sind. Eine Reduzierung der im Läufer auftretenden Verluste wird dadurch erreicht, dass die Kurzschlussstäbe aus den in die Nuten gesonderten eingebrachten, verzinnten Kupferstäben bestehen, die an ihren Enden mit den angegossenen Kurzschlussringen verbunden sind. Nachteilig dabei ist, dass die Kupferstäbe Rechteckabmessungen aufweisen, die mit der Nutwand nicht abschließen.
Aus der DE 714 022 ist ein Kurzschlussläufer mit gegossener Wicklung bekannt, bei dem vor dem Eingießen die Wicklungsstäbe die Nutenwände mit einer Metalleinlage bekleidet werden.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Asynchronmaschine mit einem Kurzschlussläufer zu schaffen, bei dem die elektrischen Verluste verringert werden und gleichzeitig ein einfacher Aufbau des Kurzschlussläufers gegeben ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch Asynchronmaschine, insbesondere stromrichtergespeiste Asynchronmaschine mit einem zylinderförmigen Kurzschlussläufer mit

– einem Blechpaket das axial geschichtete Bleche aufweist,
– wobei in dem Blechpaket im wesentliche axial verlaufende Nuten vorhanden sind,
– wobei sich die Nuten vorzugsweise jeweils zur Achse hin verjüngen,
– wobei zumindest einige der Nuten radial nach außen offen sind und einen Streuschlitz aufweisen,
– wobei im radial äußeren Bereich der Nuten Stäbe vergleichsweise hoher elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Kupferstäbe eingesetzt sind, deren Querschnitt zumindest abschnittsweise dem Querschnitt der Nut angepasst ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch Asynchronmaschine, insbesondere stromrichtergespeiste Asynchronmaschine mit einem zylinderförmigen Kurzschlussläufer mit folgenden Merkmalen:

– einem Blechpaket das axial geschichtete Bleche aufweist,
– in dem Blechpaket sind im wesentliche axial verlaufende Nuten vorhanden,
– die Nuten verjüngen sich vorzugsweise jeweils zur Achse hin,
– die Nuten sind radial geschlossen, wobei eine vorgegebene Anzahl der Nuten einen Streuschlitz aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers durch folgende Schritte:

– Paketieren einzelner im Wesentlichen runder Bleche zu einem Blechpaket,
– axiale Ausrichtung der am äußeren Rand dieser Bleche befindlichen Nuten,
– Einsetzen von Stäben mit vergleichsweise hoher elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Kupferstäbe in die ausgerichteten Nuten derart, dass eine radiale Abdichtung des zwischen Nutgrund und Unterseite eines Kupferstabes befindlichen Volumen stattfindet,
– Eingießen eines vergleichsweise elektrisch gut leitfähigen Materials, insbesondere von Aluminium in dieses verbleibende Volumen und/oder zusätzliche Ausbildungen des Kurzschlussringes.

Durch das Einbringen eines Stabes mit vergleichsweise hoher Leitfähigkeit, wie z. B. eines Kupferstabes in den äußeren Bereich der Nut ist nunmehr in einfacher Art und Weise eine offene Nut mit Streusteg auch in einem Druckgießprozess einzusetzen, da der Stab den Streuschlitz abdichtet und somit das Aluminium während des Druckgießens nicht nach außen treten kann. Vorteilhafterweise bildet dabei die Nut eine sich zur Achse verjüngende Querschnittsfläche, also eine Art keilförmige Nut, so dass der Kupferstab der im wesentlichen im Querschnitt der Nut entspricht im oberen Teil der Nut durch den Gießvorgang an den Streuschlitz gedrückt wird und somit unter anderem zur Abdichtung beiträgt.
Durch das Andrücken des Stabes von der Nutseite an den Streuschlitz ist nicht nur eine Abdichtung während des Druckgießprozesses des Aluminiums gegeben, sondern es wird gleichzeitig auch eine Fixierung des jeweiligen Stabes in der Nut gewährleistet, so dass eine zusätzliche Fixierung während des Druckgussprozesses, beispielsweise eines Aluminiumdruckgussprozesses nicht notwendig ist.
Durch die zu einem Luftspalt der dynamoelektrischen Maschine offene Nut des Kurzschlussläufers, also mit einem Streuschlitz der bis zur Nut reicht kann nunmehr das Betriebsverhalten der Asynchronmaschine positiv beeinflusst werden. Durch den Streusteg der jeweiligen Nut des Läufers wird die Streuinduktivität dieses Läufers maßgeblich beeinflusst. Dies bestimmt das Verhalten der dynamoelektrischen Maschine direkt an einem elektrischen Netz, als auch bei elektrischer Versorgung durch einen Umrichter. Bei Umrichterbetrieb treten gegenüber einem Netzbetrieb vergleichsweise höhere Zusatzverluste auf. Diese werden nun durch die Streuung herabgesetzt.
Die Vorteile einer Einstellung der Läuferstreuung durch eine offenen Nut mit Streuschlitz gegenüber einer geschlossenen Nut ohne Streuschlitz sind die im Betrieb der dynamoelektrischen Maschine nahezu unabhängige Läuferstreuung von der Sättigung des Streustegs und die bessere Einstellbarkeit der Läuferstreuung. Es steht nicht nur die Steghöhe des Streuschlitzes, sondern auch die Stegbreite als Einstellparameter der Läuferstreuung zur Verfügung steht.
Falls die Stäbe Material geringerer elektrischer Leitfähigkeit aufweisen, somit einen höheren Widerstand aufweisen, führt dies zu einem verbesserten Anlaufverhalten, insbesondere von dynamoelektrischen Maschine, die direkt von einem elektrischen Netz gespeist werden, also als Netzmaschinen eingesetzt sind.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Figuren zu entnehmen. Darin zeigen:
1 einen prinzipiellen Längsschnitt einer Asynchronmaschine,
2 einen prinzipiellen Querschnitt eines Kurzschlussläufers,
3 bis 6 mögliche Nutformen.
1 zeigt in einem Längsschnitt eine prinzipielle Darstellung einer Asynchronmaschine 1 mit Kurzschlussläufer 5. In einem Gehäuse 2 ist ein Stator 3 drehfest angeordnet, wobei sich in nicht näher dargestellten Nuten des Stators 3 ein Wicklungssystem befindet, dass an den Stirnseiten des Stators 3 Wickelköpfe 4 ausbildet. Durch einen Luftspalt 17 vom Stator 3 beabstandet, befindet sich der Kurzschlussläufer 5, der durch axial geschichtete Bleche ein Blechpaket 16 bildet. An den Stirnseiten des Blechpakets 16 befinden sich Kurzschlussringe 6, die in dieser Darstellung von den Stirnseiten beabstandet angeordnet sind. Die Kurzschlussstäbe 18 ragen dabei aus der Nut 11 des Kurzschlussläufers 5 und sind mit den Kurzschlussringen 6 verschweißt, verlötet oder vergossen.
Selbstverständlich können die Kurzschlussringe 6 auch direkt an den Stirnseiten des Blechpakets 16 angeordnet sein, so dass die Kurzschlussstäbe 18 keine freie Strecke zwischen Stirnseite und Kurzschlussring 6 zu überwinden haben, die allgemein als Ausladung bezeichnet wird.
Durch elektromagnetische Wechselwirkung von bestromten Stator 3 und Kurzschlussläufer 5 treibt nunmehr der Kurzschlussläufer 5 eine Welle 8 an, die mit einer nicht näher dargestellten Arbeitsmaschine mechanisch verbunden ist. Die Welle 8 ist über Lager 7 an dem Gehäuse 2 gelagert.
Vorteilhafterweise wird die Asynchronmaschine 1 nicht nur starr an einem elektrischen Netz betrieben, sondern wird vielmehr über einen prinzipiell dargestellten Umrichter 9 elektrisch gespeist. Dies geschieht vorteilhafterweise über Zuleitungen 10 von einem Umrichter 9 zum Wicklungssystem des Stators 3.
2 zeigt nunmehr im Querschnitt des Kurzschlussläufers 5 die Welle 8 und die ringförmig angeordneten Nuten 11, die in diesem Fall offen zum äußeren Rand des Kurzschlussläufers 5, also zur Oberfläche 21 des Kurzschlussläufers 5 ausgeführt sind und somit einen Streuschlitz 12 bilden. Die weiteren Nutformen, die ebenfalls im Kurzschlussläufer 5 angeordnet sein können, sind in 4 und 5 näher dargestellt, wobei dort jeweils eine geschlossene Nut einmal ohne Streuschlitz (4) und einmal mit nicht durchgängigem Streuschlitz (5) dargestellt ist.
Zur Herstellung eines mit Kupferstäben und Aluminiumdruckguss 15 versehenen Kurzschlussläufers 5 ist es nunmehr äußerst vorteilhaft, eine Nutform nach 3 heranzuziehen, da der Kurzschlussstab im radial äußeren Bereich der Nut 11 angeordnet werden kann und aufgrund seines Querschnittes, der dem Querschnitt der Nut 11 in diesem Bereich entspricht eine Abdichtung des Volumens 19 zwischen dem Nutgrund 13 und der Unterkante des Kupferstabes 14 schafft. Damit wird bei einem Druckgussprozess, über den dieses Volumen 19 gefüllt werden soll, eine Abdichtung nach außen geschaffen, so dass keine zusätzlichen Einrichtungen notwendig sind, den Streuschlitz abzudichten. Damit schießt während des Gießprozesses das Aluminium in die Nut und über die Nut auf die andere Stirnseite des Blechpakets kann somit dort den Kurzschlussring ausbilden.
Vorteilhafterweise sind die Nuten gemäß 3 bis 6 symmetrisch bezüglich einer Symmetrielinie 20 ausgebildet. Die Nutenform kann bezüglich dieser Symmetrielinie auch asymmetrisch ausgebildet sein. Entscheidend ist vielmehr, dass ein Kupferstab 14, im Wesentlichen der keilförmigen Nutgrundform entspricht und somit eine Abdichtung nach außen schafft.
Das Betriebsverhalten der Asynchronmaschine 1 kann damit insbesondere auch bei Umrichterbetrieb wesentlich besser beeinflusst werden, da der Kurzschlussläufer 5 nunmehr ein Streuschlitz 12 aufweist, der wie oben ausgeführt, zu einem verbesserten Betriebsverhalten der dynamoelektrischen Maschine führt.
Das Abdichtverhalten während des Gießprozesses wird weiter verbessert, wenn der Querschnitt der Nut 11 so ausgebildet ist, dass sich die Nutbreite zur Welle 8 hin vergrößert. Wie in 6 prinzipiell dargestellt, wirkt während des Gießprozesses eine radiale Kraft 22 auf den ähnlich geformten Kupferstab 14 und dichtet aufgrund der Wechselwirkung von Nutform und Stabform diese besonders effizient ab. Beispielsweise sind Nut 11 und Stab 14 jeweils wie ein Trapez geformt. Dabei sollte, um die Dichtwirkung zusätzlich zu verbessern die Breite der Oberseite des Stabes 14, also im Bereich des Streuschlitzes 12 minimal größer als die Nutbreite im oberen Bereich der Nut 11 sein.
Die beschriebenen Wirkungen treten selbstverständlich auch bei Nuten mit Streuschlitzen nach 4 und 5 auf.
Stab und zu vergießendes Material können selbstverständlich auch identisch sein, also z. B. Aluminiumstäbe, die von flüssigem Aluminium umströmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0786855 A1 [0003]
DE 1013358 [0004]
DE 4308683 A1 [0005]
DE 714022 [0006]

Claims

Asynchronmaschine (1), insbesondere stromrichtergespeiste Asynchronmaschine mit einem zylinderförmigen Kurzschlussläufer (5) mit – einem Blechpaket (16) das axial geschichtete Bleche aufweist, – wobei in dem Blechpaket (16) im wesentliche axial verlaufende Nuten (11) vorhanden sind, – wobei sich die Nuten (11) vorzugsweise jeweils zur Achse hin verjüngen, – wobei zumindest einige der Nuten (11) radial nach außen offen sind und einen Streuschlitz (12) aufweisen, – wobei im radial äußeren Bereich der Nuten (11) Stäbe (14) vergleichsweise hoher elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Kupferstäbe eingesetzt sind, deren Querschnitt zumindest abschnittsweise dem Querschnitt der Nut (11) angepasst ist.
Asynchronmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch geekennzeichnet, dass zwischen einem Nutgrund (13), einer Nut (11) und der Unterseite des Stabes (14), als auch an den Stirnseiten des Blechpakets (16) insbesondere Aluminium vorgesehen ist, das das restliche Volumen der Nut (11) auffüllt, als auch die Kurzschlussringe (6) an den Stirnseiten des Blechpakets (16) bildet.
Asynchronmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Streuschlitz (12) kleiner ist als die Nutbreite am radial äußeren Rand der Nut (11).
Asynchronmaschine (1), insbesondere stromrichtergespeiste Asynchronmaschine mit einem zylinderförmigen Kurzschlussläufer (5) mit folgenden Merkmalen: – einem Blechpaket (16) das axial geschichtete Bleche aufweist, – in dem Blechpaket (16) sind im wesentliche axial verlaufende Nuten (11) vorhanden, – die Nuten (11) verjüngen sich vorzugsweise jeweils zur Achse hin, – die Nuten (11) sind radial geschlossen, wobei eine vorgegebene Anzahl der Nuten (11) einen Streuschlitz (12) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (5) durch folgende Schritte: – Paketieren einzelner im Wesentlichen runder Bleche zu einem Blechpaket (16), – axiale Ausrichtung der am äußeren Rand dieser Bleche befindlichen Nuten (11), – Einsetzen von Stäben (14) mit vergleichsweise hoher elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Kupferstäbe in die ausgerichteten Nuten (11) derart, dass eine radiale Abdichtung des zwischen Nutgrund und Unterseite eines Kupferstabes (14) befindlichen Volumen stattfindet, – Eingießen eines vergleichsweise elektrisch gut leitfähigen Materials, insbesondere von Aluminium in dieses verbleibende Volumen und/oder zusätzliche Ausbildungen des Kurzschlussringes.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach axialen Einsetzen der Stäbe (14) aufgrund des Gießvorgangs eine radiale Kraft auf die Stäbe (14) in Richtung der Streustege (12) einwirkt, die eine Dichtwirkung zwischen Nutwand und Stab (14) bewirkt.