DE19858138A1 - Käfigläufer für elektrische Maschinen und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Abstract

Die an den Stirnseiten des Läuferblechpaketes (3) überstehenden Enden (4') der Läuferstäbe (4) weisen eine axiale Verdrehung (6) auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Käfigläufer für eine elektrische Maschine, mit einem auf einer Läuferwelle angeordneten Läu­ ferblechpaket, in dem Läuferstäbe angeordnet sind, welche an den an den Stirnseiten des Läuferblechpaketes überstehenden Läuferstabenden durch je einen Kurzschlußring elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind.

Wie sich aus der DE 34 21 537 A1 ergibt, enthält bei bekann­ ten Kurzschlußläufern das mit Nuten versehene Läuferblechpa­ ket in die Nuten eingebettete Läufer- oder Käfigstäbe aus elektrisch gut leitendem Material, deren Enden über die Stirnseiten des Läuferblechpaketes vorstehen und mit kompak­ ten Kurzschlußringen hart verlötet sind. Die Enden der Läu­ ferstäbe ragen z. B. in eingedrehte Ringnuten in den Kurz­ schlußringen, die das Bett für das Hartlot bilden und mit diesem gefüllt sind. Die Kurzschlußringe und die Läuferstäbe bestehen vorzugsweise aus Kupfer bzw. Kupferlegierungen. Zur Verhinderung des Auffächerns des Läuferblechpaketes werden stirnseitig gesonderte kompakte Druckringe und/oder Läufer­ endbleche an das Läuferblechpaket angepreßt. Um ferner eine Axialverschiebung der Läuferstäbe in den Nuten des Läufer­ blechpaketes zu verhindern, sind sie mit dem Läuferblechpaket mechanisch fest verbunden, z. B. verstemmt oder verschweißt.

Bei schnell laufenden Asynchronmotoren sind besonders die beiderseits aus dem Blechpaket ragenden Enden der Käfigläu­ ferstäbe und die mit ihnen verbundenen Kurzschlußringe durch hohe Temperaturen bei großen Fliehkräften stark beansprucht und durch unkontrollierte Unwuchten gefährdet. Darüber hinaus weist jede gestabte Käfigkonstruktion im Bereich der freilie­ genden Wicklung (Wickelkopf) eine Schwingungsfähigkeit in ra­ dialer und in Umfangsrichtung auf, die insbesondere bei Bahn­ motoren zu schädlichen Resonanzschwingungen führen kann, weil es meist nicht gelingt, die Eigenfrequenzen außerhalb der An­ regefrequenzen, z. B. aus dem Getriebe, zu legen. Zur Beherr­ schung der Fliehkräfte im Bereich der Kurzschlußringe einer Asynchronmaschine werden sogenannte Kappenringe verwendet, die über die Kurzschlußringe aufgezogen werden. Solche insbe­ sondere aus Stahl bestehenden Kappenringe in Form von Schrumpfringen sind aus der EP 0 749 198 A2 bekannt. Bei die­ sem bekannten Kurzschlußläufer sind beiderseits des Blechpa­ kets Distanzstege und vorzugsweise mit diesen einstückig aus­ gebildete Stützringe vorgesehen, derart, daß jeder Kurz­ schlußring in radialer Richtung durch einen auf der Läufer­ welle festsitzenden Stützring abgestützt ist und der Kurz­ schlußring durch den zugeordneten Schrumpfring, der den Kurz­ schlußring umgibt, auf den Stützring gepreßt wird. Ein Kurz­ schlußläufer dieser Ausführung ist jedoch relativ aufwendig.

Die Beherrschung der Belastungszyklen von Drehzahl und Tempe­ ratur erfolgte bisher konstruktiv über eine Veränderung der Ausladung und Querschnitte der Läuferstäbe bzw. durch ver­ schiedene Kurzschlußringquerschnitte bzw. durch diverse Löt­ verfahren und Kupferwerkstoffe.

Da die Käfige von Kurzschlußläufern beim Einsatz in elektri­ schen Maschinen für den oberen Leistungsbereich hinsichtlich ihrer Festigkeit sehr stark von den Parametern Temperatur, Drehzahlen, Toleranzen, Geometrie, Material und Lötverfahren abhängig sind und immer höhere Drehzahlen und Temperaturen zu beherrschen sind, ist es die Aufgabe der Erfindung, eine ver­ besserte Lösung für einen Käfigläufer der eingangs genannten Art vorzuschlagen. Außerdem soll der erfindungsgemäße Käfig­ läufer einfacher herstellbar und insbesondere für den Einsatz bei elektrischen Maschinen mit großen Leistungen zum Antrieb von Schienenfahrzeugen verwendbar sein.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Käfigläufer mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie des Patentan­ spruches 4 gelöst.

Da die Drehzahlen des Käfigläufers und die erhöhte Temperatur seiner Kurzschlußringe gegenüber den Läuferstäben und dem Läuferblechpaket zu erheblichen Beanspruchungen der aus dem Blechpaket herausragenden Läuferstabenden und der Lötstellen zwischen den Läuferstabenden und den Kurzschlußringen führen, kommt es bei den bekannten Käfigläufern bei hohen Drehzahlen und wegen der Temperaturunterschiede zu einem Aufweiten und Kippen der Kurzschlußringe. Dieser Verformung versuchen die an die Kurzschlußringe angelöteten oder angeschweißten Läu­ ferstabenden aufgrund ihrer hohen radialen Biegesteifigkeit entgegenzuwirken. Dies führt jedoch zu einer hohen Material­ beanspruchung, was sich auf die Laufzeitdauer des Läufers ne­ gativ auswirkt. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Kä­ figläufers wird die radiale Biegesteifigkeit der aus dem Läu­ ferblechpaket ragenden Läuferstabenden verringert. Hierzu werden die in radialer Stellung aus dem Blechpaket axial aus­ tretenden Läuferstabenden beispielsweise einzeln um 900 um ihre Längsachse verdreht und dann wie bisher an den Kurz­ schlußring gelötet. Durch das reduzierte Widerstandsmoment ist die radiale Biegesteifigkeit der austretenden Läuferstäbe verkleinert und damit wird die Torsionssteifigkeit des Käfigs erhöht, was sich hinsichtlich der Torsionsschwingungen vor­ teilhaft auswirkt.

Erfindungsgemäße Ausführungen ergeben sich ferner aus den Pa­ tentansprüchen 2, 3 und 5.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spieles und der Zeichnung näher erläutert, in der eine End­ partie eines erfindungsgemäßen Käfigläufers perspektivisch dargestellt ist.

Auf der Läuferwelle 2 eines Käfigläufers 1 einer elektrischen Maschine, beispielsweise einer mit hoher Drehzahl und Lei­ stung betriebenen Asynchronmaschine zum Antrieb von Schienen­ fahrzeugen, ist ein Läuferblechpaket 3 in üblicher Weise be­ festigt. Das Läuferblechpaket 3 weist im Bereich seines Au­ ßenumfanges axial verlaufende Bohrungen oder Nuten auf, in welche Läuferstäbe 4 eingesetzt und gegen Fliehkrafteinfluß gesichert sind. Die aus elektrisch gut leitendem Material be­ stehenden Läuferstäbe 4 überragen das Läuferblechpaket 3 je­ weils stirnseitig mit ihren Läuferstabenden 4', die mit beid­ seitig des Blechpaketes angeordneten Kurzschlußringen 5 me­ chanisch und elektrisch verbunden sind, was insbesondere durch Hartlöten oder Verschweißen erfolgt.

Um die aufgrund hoher Drehzahlen und Temperaturunterschiede im Käfigläufer 1 in den Läuferstabenden 4' sowie in ihrer Verbindung zum Kurzschlußring 5 auftretende hohe Materialbe­ anspruchung zu vermeiden, wird die radiale Biegesteifigkeit der Läuferstabenden 4' dadurch verringert, daß die Läuferstabenden 4' zwischen dem jeweiligen Endblech des Läu­ ferblechpaketes 3 und dem Kurzschlußring 5 eine axiale Ver­ drehung 6 aufweisen.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die axiale Verdrehung 6 der Läuferstabenden 4' gleichsinnig ausgebildet. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Läuferstabenden 4' um etwa 90° um die Längsachse 4'' des Läuferstabes verdreht sind. Damit wird das Widerstandsmoment der Läuferstabenden hinsichtlich ihrer ra­ dialen Biegesteifigkeit verkleinert, was ein Aufweiten und Kippen des Kurzschlußringes vermeidet, so daß beispielsweise zusätzliche, an sich bekannte Kappenringe und/oder Abstützun­ gen für die Kurzschlußringe gegen die Läuferwelle entfallen können.

Claims (5)

1. Käfigläufer (1) für eine elektrische Maschine, mit einem auf einer Läuferwelle (2) angeordneten Läuferblechpaket (3), in dem Läuferstäbe (4) angeordnet sind, welche an den an den Stirnseiten des Läuferblechpaketes überstehenden Läuferstab­ enden (4') durch je einen Kurzschlußring (5) elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferstabenden (4') zwischen dem jeweiligen Endblech des Läuferblechpaketes (3) und dem Kurzschlußring (5) eine axiale Verdrehung (6) aufwei­ sen.

2. Käfigläufer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die axiale Verdrehung (6) der Läuferstabenden (4') gleichsinnig ausgebildet ist.

3. Käfigläufer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Läuferstabenden (4') bis zu 90° um ihre Längsachse (4'') verdreht sind.

4. Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufers nach den An­ sprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß nach dem Einsetzen der Läuferstäbe (4) in das Läuferblechpaket (3) die in radialer Stellung aus dem Läufer­ blechpaket ragenden Läuferstabenden (4' um die Läuferstab­ längsachse (4'') verdreht und dann gegen den Kurzschlußring (5) befestigt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die axial aus dem Läufer­ blechpaket (3) ragenden Läuferstabenden (4') einzeln oder in einem Arbeitsgang um bis zu 90° im gleichen Drehsinn um ihre Längsachsen (4'') verdreht und anschließend mit den Kurz­ schlußringen (5) durch Löten, Schweißen od. dgl. elektrisch und mechanisch verbunden werden.