Beschreibung

KäFIGLäUFER EINER ASYNCHRONMASCHINE

Die Erfindung betrifft eine Asynchronmaschine mit einem Stän ^¬ der und einem Käfigläufer, wobei der Käfigläufer eine Welle und ein Blechpaket aufweist und sich in dem Blechpaket Läu ^¬ ferstäbe befinden, welche an beiden Enden des Blechpakets durch die Durchbrüche je einer Endplatte geführt sind und mit einem Kurzschlussring abgeschlossen sind, welcher die Enden der Läuferstäbe einer Seite des Käfigläufers elektrisch lei ^¬ tend verbindet .

Elektrische Maschinen werden in sehr vielen technischen Be- reichen verwendet. Bei elektrischen Maschinen ist zu unterscheiden zwischen Gleichstrommaschinen, Wechselstrommaschinen und Drehstrommaschinen. Drehstrommaschinen können unterteilt werden in Drehstrom-Synchronmaschinen und Drehstrom-Asynchronmaschinen .

Alle diese elektrischen Maschinen enthalten u. a. einen ruhenden Ständer und einen drehbar gelagerten Läufer. Der Läufer ist je nach Bauform mit einem Wicklungssystem bestückt. Dieses Wicklungssystem kann aus einer oder mehreren Draht- Wicklungen oder Stabwicklungen bestehen. Aus Drahtwicklungen oder auch Stabwicklungen können auch Käfigwicklungen konstruiert werden. Im Fall von Stäben und Kurzschlusswicklungen bei Asynchronmotoren ergeben sich Käfigläufer. In diesem Fall enthält das Blechpaket des Läufers Läuferstäbe, welche an ih- ren Enden mittels Kurzschlussringen leitend miteinander verbunden werden.

Es ist bekannt, dass der übergangsbereich der Läuferstäbe zu den Kurzschlussringen bei Erwärmung des Läufers während des Betriebs einer Scherbeanspruchung ausgesetzt ist, so dass es zum Bruch der Verbindungsstelle kommen kann. Dies liegt vor allem an der unterschiedlichen Ausdehnung des Läuferblechpakets und der Kurzschlussringe bei Erwärmung sowie an Zentri-

fugalkräften während des Betriebs. In der Schrift JP 2000- 014105-A wird daher vorgeschlagen, die Enden der Läuferstäbe und die Kurzschlussringe verstärkt auszuführen, so dass die Läuferstäbe und die Kurzschlussringe eine größere gemeinsame Querschnittsfläche besitzen. Weiterhin ist aus der Schrift EP 1 453 180 A2 auch bekannt, die Läuferstäbe auf jeder Seite durch eine Endplatte zu führen, bevor der Kurzschlussring angeschlossen wird.

Nachteilig ist aber, dass die Gefahr eines Bruchs einer Ver ^¬ bindung zwischen einem Läuferstab und einem Kurschlussring zwar verringert wird, ein Bruch aber dennoch vorkommen kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Asyn- chronmaschine mit einem Käfigläufer zu schaffen, bei dem ein Bruch der Verbindung zwischen einem Läuferstab und einem Kurzschlussring vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jede Endplatte einen umlaufenden Vorsprung aufweist, welcher den Kurzschlussring an dessen Außenseite zumindest teilweise formschlüssig abdeckt.

Damit wird vorteilhaft erreicht, dass jeder Kurzschlussring an seiner Außenseite von einer Endplatte gehalten und einge- fasst wird, wodurch sich der Kurzschlussring bei Erwärmung während des Betriebs nicht zu stark ausdehnen kann und eine Scherbeanspruchung und ein Bruch des übergangsbereichs der Läuferstäbe zu den Kurzschlussringen verhindert wird. Weiter- hin wird der Kurzschlussring auch bei hohen Drehzahlen und hohen Zentrifugalkräften sicher an seinem Platz gehalten.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Läuferstäbe an ihren Enden eine Verdickung mit einem vergrö- ßerten Stabquerschnitt aufweisen, wobei die Verdickung der

Läuferstäbe in der Endplatte liegt. Damit ist der übergangs ^¬ bereich der Läuferstäbe zu den Kurzschlussringen noch besser

und stabiler ausgeführt und die Gefahr eines Bruchs wird nochmals reduziert.

Weiterhin wird der übergang zwischen Verdickung und Kurz- schlussring vorteilhaft in Form einer Rundung mit einem übergangsradius ausgebildet. Dies beseitigt bruchgefährdete Eck ^¬ stellen, bei denen besonders große Scherbeanspruchungen auftreten .

Um die Verdickungen besser auf dem Kreisquerschnitt anzuord ^¬ nen, können diese auch leicht versetzt zu den Läuferstäben angeordnet werden. Damit wird z.B. vorteilhaft erreicht, dass eine Verdickung nicht über den Rand des Käfigläufers heraus ^¬ ragt .

Die Anzahl der Durchbrüche einer Endplatte kann gleich der Anzahl der Läuferstäbe sein oder auch kleiner. Im ersten Fall wird eine besonders präzise und sichere Führung der Läufer ^¬ stäbe erreicht, so dass die Läuferstäbe durch die Endplatte vor Bruch geschützt werden. Im zweiten Fall werden mehrere

Läuferstäbe durch eine öffnung in der Endplatte geführt, was besonders vorteilhaft ist, wenn die Endplatte einfach und billig gefertigt werden soll.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn je ^¬ de Endplatte einen weiteren umlaufenden Vorsprung aufweist, welcher den Kurzschlussring an dessen Innenseite zumindest teilweise formschlüssig abdeckt. Damit ist also nicht nur die Außenseite des Kurzschlussrings durch die Endplatte abge- stützt, sondern auch die Innenseite. Diese Führung dient u. a. auch dem Schutz des Kurzschlussringes vor mechanischen Beschädigungen .

Darüber hinaus können die übergangsstellen im Profil der Läu- ferstäbe und/oder der Kurzschlussringe im durch eine Endplat ^¬ te eingefassten Bereich in Form einer Rundung mit einem übergangsradius ausgebildet werden. Dies vermeidet bruchgefährde-

te Eckstellen und erhöht somit die Festigkeit und Zuverläs ^¬ sigkeit des Käfigläufers.

Die Endplatte wird vorteilhafter Weise so ausgebildet, dass sie im Bereich der Anbindung zur Welle eine vergleichsweise geringe Materialstärke aufweist oder eine so große mittige öffnung aufweist, so dass die Welle nicht berührt wird. Durch beide alternativen Maßnahmen wird Material eingespart und das Trägheitsmoment des Käfigläufers reduziert.

Vorteilhafter Weise werden die Läuferstäbe und die Kurz ^¬ schlussringe aus einem gut elektrisch leitenden Material wie Kupfer oder Aluminium aus einem Teil gefertigt, bzw. als ein Teil gegossen.

Weiterhin ist denkbar, an der den Läuferstäben abgewandte Seite des Kurzschlussringes radial nach außen laufende und/oder tangential verlaufende Rillen vorzusehen, so dass eine vorteilhafte Kühlung des Kurzschlussringes besonders während des Betriebs der Asynchronmaschine eintritt.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand von schematisch dargestellten Ausführungs- beispielen in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel erfolgt; es zeigen:

FIG 1 einen Teil eines Käfigläufers nach dem Stand der Technik;

FIG 2 einen Teil eines erfindungsgemäßen Käfigläufers;

FIG 3 einen Teil eines weiteren erfindungsgemäßen Käfigläufers;

FIG 4 einen Teil des erfindungsgemäßen Käfigläufers von FIG 3;

FIG 5 einen Teil eines weiteren erfindungsgemäßen Käfigläufers;

FIG 6 einen Teil des erfindungsgemäßen Käfigläufers von FIG 5;

FIG 7 einen Teil eines weiteren erfindungsgemäßen Käfigläufers; FIG 8 einen Teil des erfindungsgemäßen Käfigläufers von FIG 7;

FIG 9 einen Teil eines weiteren erfindungsgemäßen Käfigläufers;

FIG 10 einen Teil des erfindungsgemäßen Käfigläufers von FIG 9;

FIG 11 einen Teil eines weiteren erfindungsgemäßen Käfigläufers;

FIG 12 einen Teil des erfindungsgemäßen Käfigläufers von

FIG 11; FIG 13 eine beispielhafte Asynchronmaschine.

In FIG 1 ist ein Teil eines Käfigläufers nach dem Stand der Technik dargestellt. Bei drehenden elektrischen Maschinen, die nach dem Induktionsprinzip arbeiten, werden die Kurz- schlusswicklungen im Läufer aus elektrisch gut leitendem Material - vorzugsweise Kupfer oder Aluminium - ausgeführt. Diese Kurzschlusswicklung besteht zum einen aus einer bestimmten Anzahl von Läuferstäben 3 mit definiertem Querschnitt, die im Läuferblechpaket 2 eingebettet sind. Zum an- deren befindet sich an den Stirnseiten des Blechpaketes je ^¬ weils ein Kurzschlussring 4, der alle Läuferstäbe 3 der entsprechenden Läuferseite miteinander verbindet, d.h. diese e- lektrisch kurzschließt. Derzeit werden Läuferwicklungen aus Aluminium i.a. im Druckgussverfahren hergestellt.

In FIG 1 ist gezeigt, dass das Blechpaket 2 sich beim Gießen zwischen zwei stirnseitig angeordneten Druckgussformen 6 befindet, so dass sich eine Formkavität ergibt, die aus den Läuferstäben 3 im Blechpaket 2 sowie den Kurzschlussringen 4 besteht und die vollständig mit Aluminium gefüllt wird. Diese grundsätzliche Anordnung gilt auch für andere Gießwerkstoffe. Der Kurzschlussring 4 hat einen erheblich größeren Querschnitt als die einzelnen Läuferstäbe 3, wobei sich in der

Darstellung nach FIG 1 ein scharfkantiger übergang 5 zwischen diesen beiden Querschnitten ergibt. Beim Betrieb der Maschine wird diese Struktur mechanisch und thermisch beansprucht. Das Blechpaket 2 ist auf der Welle 1 angebracht.

Im Allgemeinen wird die Maschine mit veränderlichen Drehzahlen und Belastungen gefahren, so dass diese Beanspruchungen dynamisch werden. Auf den Kurzschlussring 4 wirken wegen des relativ großen Volumens vergleichsweise große Zentrifugal- kräfte. Bei der Verwendung von Aluminium ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass der Wärmausdehnungskoeffizient dieses Materials etwa doppelt so hoch wie der von Stahl, d.h. unter der belastungsbedingten Temperaturentwicklung im Läufer wächst der Kurzschlussring 4 stärker als das Blechpaket 2. Diese beiden Effekte führen zu einer radialen Verlagerung des Kurzschlussringes nach außen. Die Läuferstäbe 3 können dieser Bewegung durch die Einbettung in das Blechpaket 2 nicht unge ^¬ hindert nachfolgen, was durch die Scherbeanspruchung an der Kerbstelle 5 zu unzulässig hohen Spannungen und zum Bruch der Verbindung der Läuferstäbe 3 und Kurzschlussringe 4 führen kann. Besonders bei Kurzschlusswicklungen aus Aluminium schränkt dieser Effekt den Anwendungsbereich der Läufer hinsichtlich der Betriebsbedingungen der elektrischen Maschine (Drehzahl, Belastung) stark ein

FIG 2 zeigt einen Teil eines erfindungsgemäßen Käfigläufers. Bei dem erfindungsgemäßen Käfigläufer wird die hohe Scherbeanspruchung an der Verbindungsstelle zwischen Läuferstäben 3 und Kurzschlussringen 4 unmittelbar unterdrückt. Die massive Endplatte 9 enthält einen beliebigen Teil des Kurzschluss ^¬ ring-Querschnittes und optional einen vergrößerten Stabquer ^¬ schnitt 7 oder einen übergangsradius 8 oder beides. Somit wird der Kurzschlussring 4 an der gefährdeten übergangsstelle daran gehindert, sich radial nach außen zu bewegen und abzu- brechen.

Die Endplatte 9 enthält somit einen Teil des Läuferstabes 3 und einen Teil des Kurzschlussringes 4. Mit dieser Maßnahme

ist der gefährdete übergang von einem Läuferstab 3 auf einen Kurzschlussring 4 vollständig durch höherfestes Material ar ^¬ miert. Der Vorteil ist, dass nur ein Bauelement verwendet werden muss und dem Gießen nachgelagerte Armierungen des Kurzschlussringes entfallen können. Dadurch wird auf einfache Weise der Betriebsbereich von gegossenen Läufern hinsichtlich Drehzahl- und Temperaturbeanspruchung erweitert.

Alternativ wird die Läuferwicklung nicht im Gießverfahren hergestellt sondern aus Halbzeugen (Stäbe und Ringe) - vor ^¬ zugsweise aus Kupfer - ausgeführt und somit höhere Beanspru ^¬ chungen ermöglicht .

In FIG 3 zeigt einen Teil eines weiteren erfindungsgemäßen Käfigläufers. In FIG 3 enthält die Endplatte 9 für jeden Läu ^¬ ferstab 3 eine öffnung 10, die nicht genau dem Querschnitt des Läuferstabes entsprechen muss und auch prinzipiell in der radialen Position anders angeordnet werden kann, so lange der daraus resultierende Querschnittsübergang sowohl fertigungs- technisch als auch von den Betriebskenndaten der elektrischen Maschine vertretbar bleibt. Außerdem enthält die Endplatte 9 den erfindungsgemäßen Anteil des Kurzschlussringes 11 in ro ^¬ tationssymmetrischer Form. Es ist auch möglich, mehrere Läuferstäbe 3 in einer öffnung 10 in der Endplatte 9 zusammenzu- fassen. FIG 4 zeigt einen Teil des erfindungsgemäßen Käfigläufers von FIG 3 aus einem anderen Sichtwinkel.

FIG 5 ähnelt FIG 3, nur ist der außerhalb der Endplatte 9 liegende Teil des Kurzschlussringes 4 mit beliebigem Quer- schnitt gestaltet. FIG 6 zeigt einen Teil des erfindungsgemä ^¬ ßen Käfigläufers von FIG 5 aus einem anderen Sichtwinkel.

Als weitere Ausgestaltung zeigt FIG 7 eine Endplatte 9, die an einer oder mehreren möglichen Stellen übergangsradien 8 besitzt. FIG 8 zeigt einen Teil des erfindungsgemäßen Käfig ^¬ läufers von FIG 7 aus einem anderen Sichtwinkel.

In FIG 9 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführung darge ^¬ stellt, wobei sich hier der vollständige Querschnitt des Kurzschlussringes 4 innerhalb der Endplatte 9 befindet. FIG

10 zeigt einen Teil des erfindungsgemäßen Käfigläufers von FIG 9 aus einem anderen Sichtwinkel.

Als weitere Detaillierung zeigt FIG 11 eine Ausführung, in der die Endplatte 9 im Bereich der Anbindung zur Welle 1 in der Materialstärke reduziert wird, bzw. auf eine Anbindung vollständig verzichtet wird. Weiterhin ist denkbar, an der den Läuferstäben 3 abgewandte Seite des Kurzschlussringes 4 radial nach außen laufende oder/und tangential verlaufende Rillen vorzusehen, so dass eine Kühlung des Kurzschlussringes 4 während des Betriebs der Asynchronmaschine eintritt. FIG 12 zeigt einen Teil des erfindungsgemäßen Käfigläufers von FIG

11 aus einem anderen Sichtwinkel.

FIG 13 zeigt eine beispielhafte Asynchronmaschine mit einem Gehäuse 12 und einem Anschlusskasten 13.