DE2716184A1 - Kurzschlusslaeufermaschine - Google Patents

Description

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h. AfR. »77 Dipl.- Ing. Todor Sabev, 8399 Neuburg/lnn

KurzechluBlaufermaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Asynchronmaschine mit Kurzschlußläufer nach dem überbegriff des Anspruchs 1, die hauptsächlich als Antriebsmotor im Bergbau, insbesondere Steinkohlenbergbau gedacht ist, die aber vorteilhaft auch für andere Zwecke, z.B. Aufzugantrieb u.a., in polumschaltbarer oder eintouriger Ausführung verwendet werden kann.

Im Bergbau werden oft polumschaltbar Drehstrommaschinen mit Kurzschlußläufer mit zwei getrennten Wicklungen im Ständer, z.B. 6/lP-polig oder 4/8-polig und Wasserkühlung im Ständer, sowie im Läufer verwendet. Die Maschinen sind in elektrischer und mechanischer Hinsicht nach VDE 0170 schlagwettergeschützt in Zündschutzart " Druckfeste Kapselung (Sch)dⁿ ausgeführt. Bei geschlossener Maschine ( Uindestschutzart IP44 nach DIN 40050 ) ist es insbesondere bei Schaltbetrieb sowie bei Schwungmassen-Char^enbetrieb entscheidend, die im Läufer entstehende Verlustwärme möglichst direkt, also nicht über das Ständerblechpaket abzuführen.

Eine direkte Wasserkühlung in der Läuferwelle verteuert die Konstruktion und benachteiligt gegebenenfalls die Betriebssicherheit.

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Bei anderen Antrieben, z.B. Aufzugantrieb, werden durch Außenluft innengekühlte Asynchronmaschinen verwendet mit ein- oder zweiseitigem Belüftungssystem, mit eigenen und/ oder fremdangetriebenen Lüftern.

Bei einseitiger Belüftung werden die Maschinenteile unglei chmäliig gekühlt; die Geräuschbildung kann hoch sein.

Die erwünschten Momentenkennlinien bei den hier oben erwähnten Antrieben, sowie bei anderen Antrieben auch, sollen einen etwa konstanten Verlauf aufweisen und eine bestimmte Größe haben, wobei die Anlaufströme die vorgeschriebenen Werte nicht übersteigen. Der Schlupf und die Belastbarkeit der Maschinen sind auch vorgeschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kurzschlußläufermaschine der eingangs geschilderten Art durch einige einfache Maßnahmen so zu gestalten, daß die Maschineneigenschaften verbessert, im Laufe der Zeit unverändert bleiben und die Wärmeabgabe an den Entstehungestellen direkt und intensiv erfolgt, wodurch entweder eine erhebliche Leistungssteigerung oder eine wesentliche Erhöhung der Betriebssicherheit zustande kommt, in beiden Fällen jedoch eine auffallend große Verbilligung erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 gekenntzeichneten Merkmale.

Die Erfindung ist in der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnungen - Beispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt: Prinzipbild einer

geschlossenen erfindungsgemäßen Drehstrom-Kurzschlußläufermaschine ;

Fig. 2 einen Querschnitt der in Fig.l gezeigten Maschine;

Fig. 3 einen Längsschnitt: Prinzipbild einer durchzugbelüfteten erfindungsgemäßen Asynchronkurzechluüläufermaechine;

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Fig. 4 das eine Läuferende einer erfingungsgemäßen Maschine;

Fig. 5 Varianten von Läufernutenschnitten mit Anordnung der Stäbe für erfindungsgemäße Maschinen und

Fig. 6 Momentenkennlinie einer erfindungsgemäßen Maschine.

In dem Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 und Fig. 2 ist eine eintourige, schlagwettergeschützte Maschine in Zündschutzart " Druckfeste Kapselung (Sch)d" gezeigt. Das Kühl system besteht aus einem gerichteten Innenluftkreislauf. Es bedeuten: Ständerblechpaket 1; Läuferblechpaket 2; Spulenköpfe der Ständerwicklung 3» im Ständer axial verlaufende Kühlkanäle 4; im Läufer axial verlaufende Kühlkanäle 5; Wassermantel um den Ständer O; Käfigstäbe (Hochstäbe) 7; Käfigringe 8; Luftleitringe 9; Läuferdruckscheiben 10; Ständernuten 11; Läufernuten 12; Kühlwasser 13; Welle 14; Mittelringe 15·

Die Kühlung sowie Rückkühlung der Luft erfolgt im Gegenstromprinzip. Der Wassermantel 6 und die Kühlkanäle 4 befinden sich innerhalb der druckfesten Kapselung. Die Enden der Ständerkühlkanäle 4 und die Läuferdruckscheiben 10 sind so ausgeführt, daß die Kühlkanäle 4,5 *n ihren beiden Enden jeweils abwechselnd frei (4a,5a) oder in die stirnseitigen Wickelkopfräume (4b,5b) münden. In den benachbarten Kühlkanälen 4,5 im Ständer 1 sowie im Läufer 2 fließt die Kühlluft, wie aus den Fig.l und 2 ersichtlich in entgegengesetzte Richtungen A₁B.a,b. Alle Läufernuten 12 sind mit Hochstäben 7 belegt; die Hälfte der Stäbe 7a, hier Anlaufstäbe genannt, haben keine Verbindung ■it den Käfigringen oder mit den Luftleitringen 9; die zweite Hälfte der Stäbe 7 (Käfigstäbe) ist elektrisch leitend mit den Kurzschlußringen 8 und mit den Luftleitringen 9 verbunden. Alle Läuferstäbe 7, 7· sind an der Läuferoberfläche durch zwei Mittelringe 15 miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Läufernuten 12 sind so ausgebildet, daß der Widerstand in Querrichtung sehr groß ist. Als Folge dessen können sich kaum Querströme ausbildet. Dadurch wird erreicht, daß

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keine Änderung der Maschineneigenechaften mit der Zeit entstehen kann: das "Altern" ist unmöglich geworden. Durch die besondere konstruktive Ausbildung der Stab- 7, -Ring 8 - Luftleitring 9-Verbindungen sind die sonst erforderlichen Innenlüfter überflüssig geworden. Die Oberfläche der Stabenden - oder ein Teil davon - ist also zugleich Lüfterflügel für den besonderen Kreislauf der Innenluft. Der große Wärmewideretand, der normalerweise zwischen Lüfter und Käfig vorhanden ist, ist aufgehoben und die Wärmeabgabe am Entstehungsort wesentlich intensiviert. Die übrigen Maschinenteile werden auch direkt und gleichmäßig gekühlt. Das Geräuschniveau ist herabgesetzt.

In dem Aueführungsbeispiel gem. Fig.3 ist eine polumschaltbar durchzugbelüftete Asynchronkurzschlußläufermaschine nach der Erfindung im Längsschnitt gezeigt. Die Bezeichnungen sind wie in Fig. 1 und 2, jedoch ist hier keine Wasserkühlung im Ständer und kein geschlossener Innenluftkreislauf vorgesehen. Es bedeuten noch: axial gerichtete, in der Lagerschilden angebrachte Lufteintritts— öffnungen 16; radial gerichtete, in der Mitte des Maschinengehäuses angebrachte Luftaustrittsöffnungen 17. Das Kühlsystem ist zweiseitig, symmetrisch, im Gegenstromprinzip für den Läufer: Die Hälfte der Läuferkühlkanäle 5 erhält Kühlluft von der Antriebe-, die restlichen dazwischen liegenden Kühlkanäle von der Nichtantriebsseite. Die Kühlung ist intensiviert und gleichmäßig. Die Verlustwärme wird wiederum von den Entstehungstellen direkt abgeführt. Die Geräusch— bildung ist gering. Auch in diesem Fall sind keine üblichen Innenlüfter vorgesehen. Alle Läuferstäbe sind als Käfighochstäbe 7 vorgesehen, mit den Käfigringen 8 und ein Teil davon auch mit den Luftleitringen 9 elektrisch leitend verbunden. Die Stabenden übernehmen die Aufgabe der Lüfter und verbessern die Kühlung.

Die Lauferstanzung 12 ist auch in diesem Fall so vorgesehen, daß das Ausbilden von Strömen in Querrichtung kaum möglich ist.

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Die Maschine ist «it nur einem Binfach-Hochstabkäfigläufer ausgerüstet. Un konstant verlaufende Momentenkennlinien bei dieser Ausführung zu erreichen, ist ein relativ großer Nennschlupf erforderlich.

Fig. 4 zeigt das eine Läuferende einer erfindungsgemäOen Maschine. In alle Läufernuten sind Hochstäbe mit gleicher Breite und gleicher Höhe angebracht, jedoch ein Drittel der Stäbe 7a, Anlaufstäbe genannt, ist ohne elektrisch leitende Verbindung mit den Käfigringen 8; die restlichen zwei Drittel der Stäbe 7b und 7c, Käfigstäbe, sind •lektriscb leitend mit den Käfigringen 8 verbunden und ein Drittel der Gesamtstabzahl 7c ist weiterhin verlängert und mit Luftleitringen 9 elektrisch leitend verbunden. Die Läuferstäbe sind symmetrisch angeordnet: Es folgen z.B. in Umfangrichtung 7a, 7b, 7c, 7·» 7b, 7c, usw. Der Läufer ist mit einem oder mehreren Mittelringen 15 versehen. Die Mittelringe 15 sind in Fig.4 nicht gezeigt.

Die in Fig. 5 gezeigten Läufernutenschnitte mit Anordnung der Käfigstäbe 7 und Anlaufstäbe 7d, 7e sind für einige Ausführungen bestimmt: Die Varianten 5»1 und 5.3 sind für Doppelstabläufer mit kombinierter Stanzung ( zwei Nutformen folgen einander in Querrichtung); die Variante 5.2 stellt einheitliche Stanznng für einen Doppelstabläufer dar, wobei in jeder Nut entweder ein Hochetab 7 oder ein Rundstab 7d angebracht werden kann. Es sind selbstverständlich noch andere Varianten möglich.

Fig. 6 zeigt vereinfacht, wie die resultierende Momentenkannlinie R von einer erfindungsgemäßen Maschine ( in deren Läufer elektrisch leitende Anlaufstäbe angebracht sind) im Motorbereich durch Überlagerung von zwei Momentenkennlinien (h und w) entsteht. Mit h ist die Momentenkennlinie bei Läuferhochstabkäfig, mit w die Momentenkennlinie bei AnIaufstäben (z.B. 7« in Fif.l und Fig.4; Stäbe 7d in Fig.3.1 und 3.2; Stäbe 7e in Fig.3.3) bezeichnet.

Wie aus Fig.3 ersichtlich, können die Anlaufstäbe 7a,7d,7e verschiedene Querschnitte aufweisen und auch nur einen Teil der Läufernuten belegen;

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ein Teil der Nuten ist dann durch Kühlluft 18 durchflossen.

Die Anlaufstäbe 7a,7d|7e können mit anderen Hingen oder miteinander, sowie mit den Käfigstäben 7»7b,7c elektrisch leitend verbunden sein. Sie können aber auch "lose" sein, d.h. ohne elektrisch leitende Verbindungen miteinander oder mit den Käfigstäben 7,7b,7c oder mit anderen Ringen. Die Maschine ist in allen diesen Fällen, falls außer dem Käfig auch Anlaufstäbe vorgesehen sind, mit einem Doppelstabläufer ausgerüstet.

Der Läufernutenschnitt kann aus einer oder mehreren geometrischen Formen bestehen. Man kann die Anlaufstäbe als .Stromverdrängungsstäbe oder als stromverdrängungsfreie Stäbe wählen. Durch Anpassen der aktiven und induktiven Läuferwiderstände ist fast jede gewünschte Momentenkennlinie zu erzielen. Es ist dadurch möglich geworden, eine Kurzschlußläufermaschine zu schaffen, deren Momentenkentilinien im Synchronismus einen fast senkrechten, und im übrigen Drehzahlbereich konstanten Verlauf haben können. Der Schlupf der hochpoligen Ausführung bei polumschaltbaren Maschinen kann ohne besonderen Aufwand klein gehalten werden, und zwar dadurch, wie schon erwähnt, daß zwei Momentenkennlinien durch überlagerung eine Resultante bilden, die fast einen idealen, für bestimmte Antriebe, Verlauf haben.

Die ausragenden Hochstabteile können größere oder kleinere Höhen aufweisen als die im Blech liegenden Teile. Sie können auch wechselseitig hinausgezogen und mit Luftleitringen elektrisch leitend verbunden sein.

Das Ständerblechpaket bei geschlossenen Maschinen, dessen Außendurchmesser nicht zu groß werden darf, kann auch ohne Kühlkanäle ausgeführt werden. Die Verlustwärme wird durch Kühlluft an den wassergekühlten Lagerschilden, die eine große Kühlungsoberfläche 19 aufweisen, abgegeben.

Es ist auch möglich, daß das Läuferblechpaket keine Kühlkanäle hat, oder daß die Kanäle nur zur Verringerung des Läufergewichtes bzw. der Läuferschwungmasse dienen und ein- oder beidseitig zugedeckt sind.

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Die erfindungsgemäUe Maschine in geschlossener oder durchzugbelüfteter Ausführung kann auch mit einseitiger Belüftung ausgeführt werden, wobei jedoch die verschiedenen Maschinenteile nicht so gleichmäßig gekühlt werden wie bei der symmetrischen beidseitigen Belüftung. Die Kühlkanüle sind an der einen Seite frei, an der anderen Läuferseite z.B. abwechselnd frei oder in den stirnseitigen Wickelkopfräumen mündend. Die Kühlluft fließe in allen Kanälen in gleicher Richtung.

Anstatt mit Kühlkanälen kann der Läufer, insbesondere bei einseitiger Belüftung, mit Stegwelle ausgestattet sein.

Die Läuferenden der erfindungsgemäßen Maschine können auch auf eine andere Weise gefertigt werden. Aus Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit, z.B. Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Stahl, o.a., kann man lüfterähnliche Teile, die Lüfterflügel oder auch Luftleitringe aufweisen, anfertigen und mit den Läuferkäfigenden entweder elektrisch leitend oder zumindest wärmeleitend verbinden. Diese Auslührungsformen ermöglichen die Erweiterung der Anwendung von billigen Spritzgußläufern in der erfindungsgemäßen Maschine. Zur Verhinderung von (juerströmen kann ein Teil der Läufernuten, die nicht weit von der Läuferoberfläche beginnen entweder mit elektrisch leitenden Stäben bzw. mit wärmebeständigem Isoliermaterial belegt werden oder leer bleiben. Die Endbleche oder andere in den Endzonen des Läufers liegende Bleche sollen nur Käfignuten aufweisen und gegenüber den Käfigringen bei gegossenem Käfig vorzugsweise isoliert sein. Die weit ausragenden mit Luftleitringen oder LüfterflUgel versehenen Endteile werden entweder elektrisch oder zumindest wärmeleitend mit den Käfigenden verbunden.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   • 1, Kurzschlußläufermaschine mit wassergekühltem Ständer, luftgekühltem Läufer, mit doppelseitig oder einseitig geschlossenem Lul'tkreislauf, bzw. durchzugbelüftete, luftgekühlte Kurzschlußläufermaschine mit doppelseitiger oder einseitiger Belüftung; mit Ilochstab- oder Doppelstabläufer, mit Betriebskäfigstäbe aus stromverdrängenden llochstäben, die mit Käfigringen elektrisch leitend verbunden sind; mit Anlaufstäben ebenso aus stromverdrängenden oder Stromverdrängungsfreien Stäben, die in gleichen Nuten mit den Betriebsstäben oder in anderen Nuten angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Betriebskäfigstäbe ( 7,7b,7c ) ein-, beid-, oder wechselseitig verlängert und mit Luitleitringen (9) elektrisch leitend verbunden sind; daß die Anlaufstäbe ( 7*»7d,7e ) wenigstnens teilweise miteinander und / oder mit den käfigstäben ( 7,7b,7c ) und / oder mit Ringen ( 8,15 ) oder mit anderen Ringen elektrisch leitend verbunden sind und, daß keine üblichen Innenlüfter vorgesehen sind.
2. 2. Kurzschlußläufermaechine mit wassergekühltem Ständer, luftgekühltem Läufer, mit doppelseitig oder einseitig geschlossenem Luftkreislauf, bzw. durchzugbelüftete, luftgekühlte Kurzschlußläuferinaschine mit doppelseitiger oder einseitiger Belüftung; mit Ilochstab- oder Doppelstabläufer, mit Betriebskäfigstäbe aus atromverdräugenden llochstäben, die mit Käfigringen elektrisch leitend verbunden sind; mit Anlaufstäben ebenso aus stromverdrängenden oder stromverdrängungsfreien Stäben, die in gleichen Nuten mit den Betriebsstäben oder in anderen Nuten angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufstäbe ( 7»,7d,7* ) wenigstens teilweise miteinander und / oder mit Ringen ( 8,15 ) oder mit anderen Ringen elektrisch leitend verbunden sind und, daß die Käfigenden mit lüfterähnlichen Teilen aus Materialen mit guter Wärmeleitfähigkeit, welche Lüfterflügel ( 7c ) oder auch Luftleitringe ( 9 ) ausweisen, ein- oder beidseitig in elektrisch oder zumindest in wärmeleitende Verbindung gebracht sind.

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3. 3. Kurzechlußliiuferniaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufstäbe ( 7a,7d,7e ) keine elektrisch leitende Verbindung miteinander, mit den Käfigstäben ( 7,7b,7c ) mit Ringen (8,15) oder mit anderen Ringen haben.
4. 4. Kurzschlußläufermaschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Käfigstäbe ( 7»7b ) sowie die Käfigringe (8) aus Aluminium oder Aluminiumlegierung gegossen sind und daß ein Teil der Läufernuten (12) entweder mit elektrisch leitenden Anlaufstäben ( 7a,7d,7e ) oder mit wärmebeständigem Isolationsmaterial belegt oder leer belassen sind.
5. 5. Kurzschlußläufermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufernutform (l2) das Anbringen nur von Uochstäben ( 7,7a,7b,7c ) ermöglicht.
6. 6. Kurzschlußläufermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinander folgenden Läufernuten (12) in Querrichtung zumindest zwei verschiedene Nutformen aufweisen und symmetrisch angeordnet sind.
7. 7. Kurzschlußläufermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferwiderstand in Querrichtung, bedingt durch die Läufernutform ( 12) vergrössert ist.

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