DE69311530T2

DE69311530T2 - Elektrischer Asynchronmotor mit hoher Drehgeschwindigkeit und hoher Leistung

Info

Publication number: DE69311530T2
Application number: DE69311530T
Authority: DE
Inventors: Pierre Bawin; Roland Botte; Jean-Marie Edebouw; Dominique Gilon
Original assignee: GEC Alstom ACEC Energie SA
Current assignee: Converteam Motors SA
Priority date: 1993-02-05
Filing date: 1993-05-11
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2013-05-12
Also published as: DE69311530D1; EP0609645B1; EP0609645A1

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor von großer Leistung, der dazu bestimmt ist, bei sehr hohen Drehzahlen zu arbeiten. Sie betrifft speziell Verbesserungen bei dem Rotor eines solchen Elektromotors, insbesondere eines Asynchronmotors.

Technisches Gebiet der Erfindung

Gegenwärtig besteht ein Bedürfnis nach Elektromotoren von großer Leistung, die bei hoher Drehzahl, und zwar in der Größenordnung von 10.000 T/min und mehr, arbeiten können.
Die Verbesserungen bei den Halbleitern, aus denen die Leistungselektronik besteht, ermöglichen gegenwärtig, Asynchronmotoren von hoher Leistung mit variabler Frequenz zu steuern, und folglich die Drehzahl der Asynchronmotoren zu regeln, die Leistungen in der Größenordnung von mehreren Megawatt haben können.
Beim Anlassen großer Maschinen mit Drehzahlen in der obenerwähnten Größenordnung ergeben sich jedoch Schwierigkeiten mechanischer Art, insbesondere, was die mechanische Festigkeit der beweglichen Teile dieser Maschinen, in dem vorliegenden Fall des Rotors, betrifft.
Bei einem Rotor von herkömmlicher Bauart ist eine lamellierte magnetische Masse, die aus einem Stapel Rotorblechen besteht, durch Festklemmen auf einer Rotationswelle des Rotors angebracht.
Gemäß dieser Konfiguration haben die Rotorbleche, die die magnetische Masse darstellen, ein zentrales Loch, das zum Einschieben der Rotationswelle bestimmt ist, und daher ergeben sich beim Bohren und danach infolge der Wirkung der Zentrifugalkraft bei der Rotation des Motors Spannungen an dem Rand des zentralen Lochs.
Die Käfigwicklung des Rotors besteht in herkömmlicher Weise aus zwei Kurzschlußringen, die beiderseits der magnetischen Masse angeordnet sind, und durch über den Umfang der magnetischen Masse gleichmäßig verteilte Stäbe miteinander verbunden sind. Ein solcher Motor ist aufgrund des Dokuments EP- A-343.313 bekannt.

Ziele der vorliegenden Erfindung

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen asynchronen Elektromotor von hoher Leistung und mit hoher Drehzahl vorzuschlagen, der eine völlig neuartige Konzeption hat, und nicht die Nachteile des Standes der Technik aufweist.
Insbesondere zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, einen asynchronen Elektromotor vorzuschlagen, der eine größere Umfangsgeschwindigkeit und eine besonders hohe Eigenfrequenz aufweist.
Weitere Ziele und Vorteile werden bei der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich werden.

Hauptsächliche kennzeichnende Elemente der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen asynchronen Elektromotor von hoher Leistung und mit hoher Drehzahl, der aus einem Stator und einem Rotor besteht, wobei der Rotor eine lamellierte magnetische Masse aufweist, die aus einem Stapel Rotorblechen besteht, und eine Käfigwicklung aufweist, die gebildet wird von einer Vielzahl von Stäben, die über den Umfang der magnetischen Masse verteilt sind, und von zwei Kurzschlußringen, die die Stäbe miteinander verbinden und beiderseits der magnetischen Masse angeordnet sind, wobei die magnetische Masse starr gehalten wird durch eine Reihe von Zugstäben, die sich auf zwei Wellenstümpfen abstützen, die wiederum beiderseits der Einheit aus der magnetischen Masse und den Kurzschlußringen angeordnet sind, wie dies in EP-A-0.509.119 beschrieben ist. Der Motor der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorbleche kein zentrales Loch aufweisen, und daß jeder der zwei Kurzschlußringe zwischen einem Wellenstumpf und der magnetischen Masse angeordnet ist, wobei die Kurzschlußringe durch die Zugstäbe gegen die magnetische Masse gepreßt werden.
Der Rotor weist beiderseits der magnetischen Masse und der Kurzschlußringe außerdem zwei aufgesetzte Wellenstümpfe auf, die die Lager tragen.
Es wurde festgestellt, daß es in vorteilhafter Weise nicht mehr unbedingt erforderlich ist, diese Wellenstümpfe aus dem gleichen Material wie die magnetische Masse zu verwirklichen.
Der Rotor weist außerdem Zugstäbe auf, die dazu bestimmt sind, den Zusammenbau der verschiedenen Bestandteile des Rotors auszuführen.

Kurze Beschreibung der Figuren

- Die Figur 1 gibt eine perspektivische Ansicht eines Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung wieder, aus der im wesentlichen alle Bestandteile des Rotors ersichtlich sind.
- Die Figur 2 gibt eine Schnittansicht, längs der Rotationsachse, der oberen Hälfte eines Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung wieder.
- Die Figur 3 gibt eine Schnittansicht, quer zu der Achse des Rotors, eines Rotorblechs der magnetischen Masse gemäß der vorliegenden Erfindung wieder.

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung

Die Figuren 1 und 2 geben eine perspektivische Ansicht bzw. eine Schnittansicht, längs der Achse eines Rotors, eines asynchronen Motors einer Maschine wieder, der sehr hohe Drehzahlen erreichen kann, wobei der Stator weggelassen wurde.
Der Rotor weist im wesentlichen eine lamellierte magnetische Masse (1) und eine Käfigwicklung auf. Die magnetische Masse (1) besteht aus einem Stapel Rotorblechen (11), von denen eines in der Figur 3 im Querschnitt dargestellt ist.
Die Käfigwicklung besteht aus zwei Kurzschlußringen (2), die durch eine Vielzahl von Stäben (3), die über den Umfang der magnetischen Masse (1) gleichmäßig verteilt sind, miteinander verbunden sind. Die Kurzschlußringe und die Stäbe sind aus einem Material mit hoher mechanischer Festigkeit und niedrigem spezifischem elektrischem Widerstand, im allgemeinen aus legiertem Kupfer verwirklicht.
Wie in der Figur 3 dargestellt ist, weisen die Rotorbleche (11), aus denen die magnetische Masse (1) des Rotors besteht, kein zentrales Loch auf. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, die mechanischen Spannungen zu verringern, die bei den Rotorblechen infolge der Wirkung der Zentrifugalkraft hervorgerufen werden.
Die Quersteifigkeit der Bleche (11) wird durch Zentrierung der magnetischen Masse (1) auf Zugstäben (6) sichergestellt. Der Stapel Rotorbleche (11) hat dann die Form eines Zylinders, dessen Längsstabilität bei der Montage des Rotors dadurch verwirklicht wird, daß auf jeden der Zugstäbe (6) eine genau bemessene Zugkraft ausgeübt wird.
Folglich weisen diese Rotorbleche (11) nur Öffnungen (105), die zum Einschieben der Zugstäbe (6) bestimmt sind, und Öffnungen (110), die zum Einschieben der Stäbe (3) bestimmt sind, und kein zentrales Loch mehr auf.
Außerdem weist der Rotor der vorliegenden Erfindung zwei aufgesetzte Wellenstümpfe (4) auf, die die Lager (nicht wiedergegeben) tragen. Diese Wellenstümpfe sind an den seitlichen Enden der magnetischen Masse (1) angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die aufgesetzten Wellenstümpfe (4) aus einem anderen Material als die magnetische Masse verwirklicht. Beispielsweise können die Wellenstümpfe, wobei dies keine Begrenzung darstellt, aus einem unmagnetischen Material verwirklicht werden, um speziell die Streufelder zu vermeiden, oder im dem Fall einer Verwendung in einer besonders korrosiven Umgebung aus einem nichtoxidierbaren Material verwirklicht werden. Eventuell ummantelte keramische Materialien können für spezifische Anwendungen, wie einen Betrieb bei hoher Temperatur, ebenfalls in Betracht gezogen werden.
Die Montage des Rotors erfolgt folgendermaßen: Die Rotorbleche (11), die die magnetische Masse (1) bilden sollen, werden auf den Zugstäben (6) angeordnet, und danach werden beiderseits der magnetischen Masse (1) die Kurzschlußringe (2) angeordnet und befestigt, und außerdem die Wellenstümpfe (4) angeordnet. Wie oben bereits erwähnt wurde, wird der Stapel Rotorbleche (11) dadurch stabilisiert, daß auf jeden der Zugstäbe (6) eine genau bemessene Zugkraft ausgeübt wird. Außerdem wird die Konzentrizität der magnetischen Masse (1) mit den Wellenstümpfen (4) dadurch verwirklicht, daß diese Wellenstümpfe bezüglich derselben Zugstäbe (6) zentriert werden.
Die Kurzschlußringe (2) werden dagegen mit Spiel bezüglich der Zugstäbe (6) montiert; das heißt, die Öffnungen in den Ringen (2), die zum Einschieben der Zugstäbe (6) bestimmt sind, sind ein wenig größer als der Durchmesser der Zugstäbe (6) (siehe Figur 1), damit sich die Ringe (2) unabhängig von der magnetischen Masse (1) in der Umfangsrichtung ausdehnen können.
Die Konzentrizität der Kurzschlußringe (2) bezüglich der anderen Teile wird dann mit Hilfe eines Zapfens (7) verwirklicht, der in die Wellenstümpfe (4) eingesetzt wird. Danach können die Wellenstümpfe maschinell bearbeitet und fertigbearbeitet werden, um die Lager aufzunehmen.
Schließlich wird eine Kappe (8) aufgebracht, um die Enden der Zugstäbe (6) zu bedecken, damit die Verluste durch Ventilation verringert werden.
Für die Kappe können ähnliche Materialien wie für die Wellenstümpfe verwendet werden, und zwar aus den gleichen Gründen.
Ein Motor der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Vorteile auf:
1) Die Umfangsgeschwindigkeit ist höher, da keine Rotationswelle vorhanden ist, was ermöglicht, Rotorbleche (11) herzustellen, die kein zentrales Loch aufweisen.
2) Die Eigenfrequenz ist besonders hoch, da die Zugstäbe (6) zu der Trägheit der Maschine beitragen, wodurch eine große Biegeträgheit erhalten wird.
3) Es gibt eine geringe transversale gegenseitige Abhängigkeit der Kurzschlußringe (2), der Stäbe (3) und der magnetischen Masse (1), die jedem der verschiedenen Bestandteile des Rotors ermöglicht, sich unabhängig von den anderen Bestandteilen frei auszudehnen.
4) Die allgemeine Struktur des Rotors ermöglicht, infolge der in den Zugstäben enthaltenen elastischen Reserve eine hohe Längskompaktheit zu erreichen.
5) Die Struktur des Rotors ermöglicht, die für die Wellenstümpfe und die Kappe verwendeten Materialien auszuwählen, um einen drehenden Bereich zu verwirklichen, der besonderen Umgebungsbedingungen unterworfen ist: keine Streufelder, starke Korrosion, hohe Temperatur...
6) Schließlich ermöglicht die allgemeine aerodynamische Form des Rotors der vorliegenden Erfindung, eine Verringerung der Energieverluste durch Ventilation zu erhalten.

Claims

1. Asynchroner Elektromotor von hoher Leistung und mit hoher Drehzahl, der aus einem Stator und einem Rotor besteht, wobei der Rotor eine lamellierte magnetische Masse (1) aufweist, die aus einem Stapel Rotorblechen (11) besteht, und eine Käfigwicklung aufweist, die gebildet wird von einer Vielzahl von Stäben (3), die über den Umfang der magnetischen Masse (1) verteilt sind, und von zwei Kurzschlußringen (2), die die Stäbe (3) miteinander verbinden und beiderseits der magnetischen Masse (1) angeordnet sind, wobei die magnetische Masse starr gehalten wird durch eine Reihe von Zugstäben (8), die sich auf zwei Wellenstümpfen (4) abstützen, die wiederum beiderseits der Einheit aus der magnetischen Masse (1) und den Kurzschlußringen (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorbleche (11) kein zentrales Loch aufweisen, und daß jeder der zwei Kurzschlußringe (2) zwischen einem Wellenstumpf (4) und der magnetischen Masse (1) angeordnet ist, wobei die Kurzschlußringe durch die Zugstäbe (8) gegen die magnetische Masse (1) gepreßt werden.

2. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgesetzten Wellenstümpfe (4) aus einem anderen Material als die magnetische Masse (1) verwirklicht sind.

3. Motor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgesetzten Wellenstümpfe (4) aus einem unmagnetischen Material oder einem nichtoxidierbaren Material oder aus eventuell ummantelten keramischen Materialien verwirklicht sind.