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Asynchronmotor großer Leistung und hoher Drehzahl Käfiganker mit auf
den Stirnseiten angeordneten Kurzschlußringen, in denen die Kupferstäbe verlötet
sind, können für Drehstrommotoren großer Leistung, z. B. von mehr als 1000 kW und
hoher Drehzahl, z. B. n = 3000, nicht ohne weiteres verwendet werden, da sie nicht
genügend betriebssicher sind. Beim Verlöten oder Schweißen der Kupferstäbe in den
Kurzschlußringen entstehen infolge der verschiedenen Erwärmungen und Längenänderungen
der Stäbe und Ringe Spannungen, die an der schwächsten Stelle der Verbindung, =nämlich
in der Verlötung, zu Zerstörungen in Form von Rissen führen. Solche Zerstörungen
werden auch durch die verschieden starken Erwärmungen und die dadurch bedingten
unterschiedlichen Längenänderungen der Stäbe beim Hochlauf der Motoren durch die
beträchtliche Strombelastung verursacht. Der Grund für die verschiedenen Erwärmungen
der Stäbe liegt darin, daß sie nicht durchweg gleichmäßig am umgebenden Blechpaket
anliegen. Infolgedessen ist die Wärmeableitung von den Stäben durch das Blechpaket
verschieden, was sich letzten Endes in der unterschiedlichen Ausdehnung der Stäbe
auswirkt. Die gleichen Schäden treten auch infolge hoher Tangentialspannungen in
den Ringen auf, die durch die hohe Drehzahl oder beim Schleudern verursacht werden.
Es ist verständlich, daß auch in diesem Fall die schwächsten Stellen im Kurzschlußring,
d. h. also die Lötstellen gefährdet sind und daher im Extremfall reißen. Durch die
Risse an den Verlötungen der Stäbe mit den Ringen werden starke Erwärmungen in den
noch einwandfrei verbundenen Stäben verursacht, die zur Folge haben können, daß
Kupferstäbe zerstört sowie aus dem Läufer herausgeschleudert werden und dabei zumeist
die Ständerwicklung der Maschine beschädigt wird.
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Es sind Anordnungen für die Verbindung der am Läuferumfang befindlichen
Käfig- oder Dämpferstäbe mit den einen wesentlich geringeren Durchmesser aufweisenden
Kurzschlußringen bekanntgeworden, die z. B. über die schräg- oder rechtwinklig nach
innen gebogenen Enden der Stäbe damit verbunden sind. Gemäß einer anderen Lösung
können die Kurzschlußringe zu diesem Zweck auch radiale Arme tragen, deren Enden
mit den Stäben verbunden sind. Nach einem älteren Vorschlag können auch Fahnen aus
Blechbändern zwischen den Stabenden und den Ringen die Verbindung herstellen, wobei
die Fahnen mit den Stabenden und den Ringen hart verlötet sind. In einem Fall ist
es beabsichtigt, die Erregerfeldspule nach der Fertigstellung des Dämpferstabkäfigs
einzulegen, die dadurch nicht störend im Wege ist. In einem anderen Fall kam es
auf die Erhöhung des Ankerwiderstandes an, die durch die langen Verbindungsarme
zwischen den Kurzschlußringen und den Stabenden verursacht wird und die Drehzahl
der Maschine beeinflußt. Nur nach dem älteren Vorschlag wird neben der getrennten
Anbringung der Erregerwicklung und der Käfigwicklung die Verbindung der Stabenden
mit den Kurzschlußringen mittels der Fahnen als besonders günstig bezeichnet, und
zwar insofern, als sich die Enden der Stäbe ausdehnen oder zusammenziehen können
sollen. Diese Feststellung ist nicht zutreffend. Die Fahnen haben ihre größte Abmessung
in der Achsrichtung des Läufers. Wegen des in dieser Richtung großen Widerstandsmomentes
ist keine Nachgiebigkeit der Fahnen bei Längenänderungen der Käfig- oder Dämpferstäbe
gewährleistet, so daß die Lötverbindungen eher reißen, als daß die Fahnen nachgeben.
Dies trifft höchstens auf Zentrifugalbeanspruchungen zu, weshalb auch die Fahnen
Ausbiegungen besitzen, um radial nachgeben zu können. Bei Längenänderungen der Stäbe
kann höchstens über die starren Fahnen der Kurzschlußring auf der Welle der Maschine
verstellt werden, vorausgesetzt, daß er nicht verklemmt ist. Auch dann ist die Lötverbindung
zwischen den Fahnen und den Stäben bzw. Ringen gefährdet. Die Verschiebbarkeit der
Ringe bildet dann jedoch keinen Schutz gegen die Zerstörung der Lötverbindungen,
wenn nämlich die Längenänderungen der Stäbe verschiedenartig sind, wobei wiederum
nur die Lötverbindungen beansprucht werden. Bei einer anderen Maschinenausführung
ist ein sternartiges Gebilde aus Flachmaterial vorgesehen worden, von dessen zentralem
ringartigem Teil Arme zu den Enden der Läuferstäbe führen. Die Arme sind der Natur
des Materials entsprechend bandförmig, so daß dadurch ein für Längenänderungen der
Stäbe des Käfigläufers nachgiebiges Element gebildet worden ist. In Verbindung damit
sind andere Maßnahmen ergriffen worden, die der praktischen Anwendung der Ausführung
entgegenstehen oder mindestens eine sehr kostspielige Herstellung bedingen. In die
flachen Zungen
an dem eigentlichen Kurzschlußringteil sind die
Stabenden nicht unmittelbar eingelötet, sondern dazwischen angeordnete Metallstreifen,
die in radialer Richtung nachgiebige Zwischenglieder darstellen und zur Folge haben,
daß die Zungen keinen großen Zentrifugalbeanspruchungen ausgesetzt sind. Da aber
in den Kurzschlußkäfigen beim Anlauf der Motoren beträchtliche Ströme fließen, ist
es unmöglich angängig, im Anschluß an die Käfigstäbe großen Querschnitts Leiterstücke
kleineren Querschnitts folgen zu lassen, die zwar mechanisch taugliche Elemente
darstellen, jedoch eine Widerstandserhöhung im Läuferkreis bedingen und sich infolgedessen
erwärmen sowie bei wiederholtem Einschalten so stark erhitzen können, daß von dort
aus die Zerstörung des Läufers eingeleitet wird. Solche Erwärmungen weisen auch
die Zungen am Kurzschlußteil auf, falls ein Läufer zahlreiche Stäbe besitzt und
die Zungen daher nicht genügend breit bemessen, sondern eher schmal gehalten werden
müssen und daher gegenüber den Stäben einen geringeren Querschnitt besitzen. Es
ist auch nicht vorstellbar, wie in so schmale Zungen die Verbindungsstreifen mit
den Käfigstabenden betriebssicher eingelötet werden und außerdem noch Biegebeanspruchungen
standhalten sollen. Möglicherweise ist eine solche Lösung für Asynchronmotoren kleiner
Leistung und Drehzahl befriedigend, jedoch keinesfalls für Maschinen großer Leistung
und hoher Drehzahl, um dies es sich bei der Erfindung handelt.
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Die im letzteren Fall auftretenden starken Beanspruchungen können
bei Asynchronmotoren mit einem durch Preßteller zusammengehaltenen Blechpaket des
Käfigläufers, dessen an seinem Umfang angeordneten Stäbe an den Blechpaketstirnseiten
Verbindungen mit den um die Läuferwelle sitzenden Kurzschlußringen besitzen, dadurch
aufgenommen werden, daß die bei mit großen Drehzahlen laufenden Hochleistungsmaschinen
hohe Anlaufströme führenden Stäbe an ihrem Enden in Aussparungen der Preßteller
od. dgl. gefaßt sind und über etwa den gleichen Querschnitt wie sie selbst aufweisende,
in der Achsrichtung geringere Abmessungen als quer dazu besitzende, gekrümmte oder
wellige Arme mit den auf der Welle beweglich gelagerten Kurzschlußringen verbunden
sind. Die Arme bestehen zweckmäßig mit dem Ringteil aus einem Stück. Da die stromführenden
Teile des Läufers praktisch durchgehend den gleichen Querschnitt aufweisen, können
keine zusätzlichen Verluste durch die erfindungsgemäße Anordnung entstehen und werden
örtliche Erwärmungen vermieden. Das bedeutet eine wesentliche Erhöhung der Betriebssicherheit
und Lebensdauer der Maschinen. Die Arme sind zweckmäßig in ihrer Längsrichtung gekrümmt,
gebogen oder gewellt ausgebildet, so daß ein in jeder Hinsicht nachgiebiger Bauteil
des Käfigankers entsteht, der einerseits den beim Löten oder im Betrieb durch Erwärmung
entstehenden Längenänderungen der Kurzschlußstäbe nachgeben kann, wodurch die Lötverbindungen
zwischen den Stäben und den Armen keinen erheblichen Beanspruchungen mehr ausgesetzt
sind und somit die Betriebssicherheit der Käfigankermaschinen nicht mehr beeinträchtigt
werden kann. Andererseits wird ein Reißen der Arme durch starke Zentrifugalkräfte
infolge ihrer Nachgiebigkeit bis zur Anlage der Stäbe an den Durchführungsöffnungen
in den Preßtellern des Läuferblechpaketes verhindert.
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Wenn die Verbindungsarme mit den Ringen aus einem Stück bestehen,
können sie am besten aus einer flachen Ringscheibe ausgeschnitten werden, deren
innerer Rand als Kurzschlußring stehenbleibt. Die ausgeschnittenen Arme weisen in
der Scheibenebene größere Breite als quer dazu auf, so daß schon allein durch die
Wahl dieser Fertigungsart die erfindungsgemäße Forderung nach der besonderen Ausbildung
der Arme erfüllt ist. Vom Rand her wird die Scheibe zwischen den für die Aufnahme
der Kurzschlußstabenden vorgesehenen Bohrungen oder rechteckigen Aussparungen radial
geschlitzt, und zwar derart tief, daß auf jeden Fall eine genügende Nachgiebigkeit
der Verbindungsarme des so gewonnenen sternartigen Kurzschlußgebilde erzielt wird.
Da es zweckmäßig ist, den Kurzschlußstern mittels einer Art Nabe, die den Kurzschlußringteil
bildet, mit Bewegungssitz auf der Läuferwelle zu lagern, so erhält die zur Fertigung
des Kurzschlußsternes benutzte Scheibe ebenso wie am Rand zur Bildung der Köpfe
der Arme innen eine entsprechende Verstärkung, bis zu der die Schlitzung vom Rand
her reicht. Unten enden die Schlitze in Bohrungen, die zuerst in der Scheibe angebracht
werden und Kerbstellen wie bei scharf begrenzten Aussparungen verhindern. In den
später beschriebenen Abbildungen ist der sanft verlaufende Abschluß der Schlitze
deutlich erkennbar.
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Die Anzahl der Arme entspricht der Zahl der Kupferstäbe des Rotors.
Der Querschnitt der Arme ist etwa dem der Kupferstäbe angepaßt, damit der Temperaturverlauf
beim Abkühlen dieser Teile nach der Lötung möglichst gleichartig ist, um auf jeden
Fall Beanspruchungen der Lötstellen durch Spannungen zu vermeiden. Die wellige Form
der Arme läßt sich dadurch gewinnen, daß das Scheibenmaterial mit ständig veränderlicher
Tiefe bzw. Anstellung des Drehstahles beim Drehen entfernt wird. Dazu ist es naturgemäß
erforderlich, daß sich die Schnittiefen auf beiden Seiten der Scheibe stets um entgegengesetzt
gleiche Beträge ändern. Da infolge der radialen Schlitze der Querschnitt der Arme
sich in nächster Nähe des Kurzschlußringteiles gegebenenfalls etwas verringert,
können die Schlitze abwechselnd verschieden tief, zweckmäßig jedoch um stets gleiche
Beträge voneinander abweichend angebracht werden: Auf diese Weise ist für den Stromübergang
zwischen den Armen und dem Ringteil ein genügender Leitungsquerschnitt vorhanden,
wenn nicht der Querschnitt der Arme unten verstärkt wird. Davon soll jedoch zweckmäßig
abgesehen werden, um die Elastizität der Arme nicht herabzusetzen.
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An den Enden der Arme sind Bohrungen mit Augen oder Schlitze angebracht
zur Aufnahme der aus dem Blechpaket des Rotors vorstehenden Enden der Läuferstäbe
aus Kupfer, die aus Rund- oder Flachmaterial bestehen können. Falls die Arme mit
den Kurzschlußringen nicht aus einem Stück bestehen, sondern selbständige Teile
bilden, erhalten sie zweckmäßig Zapfen, profilierte Füße od. dgl., die in entsprechenden
Aussparungen der Kurzschlußringtei.le verlötet werden. Die armartigen Verbindungen
zwischen den; Kupferstäben und dem Kurzsch luBring, der also nunmehr die Welle mit
geringem Abstand. oder dicht umgibt und nicht mehr am Rotorumfang sitzt, weisen
durch ihre Formgebung in axialer und radialer Richtung eine solche Federung auf,
daß sie Wärmedehnungen beim Löten oder beim Hochlauf der Maschine nachgeben und
bei der Abkühlung in die ursprüngliche Lage zurückgehen, ohne daß damit eine Beanspruchung
der Lötstellen der Stäbe verursacht wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in den Zeichnungen gezeigten
Ausführungen ira..;,,,,einzelnen näher beschrieben.
In Fig. 1 ist
mit 1 ein Teil des Blechpaketes eines Käfigankers bezeichnet, an dessen Stirnseite
ein kräftiger Preßteller 2 angeordnet ist, der mittels eines gesicherten Federringes
festgelegt ist. Durch die Nuten 4 des Läufers und die anschließenden Bohrungen 5
im Preßteller 2 sind die Kupferstäbe 6 des Kurzschlußkäfigs gesteckt und stehen
gleichmäßig über den Prellteller 2 vor. Der zur Verbindung der Kurzschlußstäbe 6
dienende Kurzschlußring 7 ist dicht um die nicht dargestellte Welle der Maschine
angeordnet und trägt Arme 8, die radial verlaufen und am Ende Bohrungen 9 zur Aufnahme
der Köpfe der Kurzschlußstäbe 6 besitzen. Durch eine Hartverlötung oder Schweißung
wird an dieser Stelle eine elektrisch gut leitende Verbindung der Kupferstäbe und
Arme hergestellt. Die bei dieser Verlötung verursachten Längenänderungen der Stäbe
bleiben ohne Einfluß auf die Güte der Verlötung, da jeder Arm für sich diesen Längenänderungen
nachgeben kann und somit ein elastisches Element im gesamten Käfigaufbau bildet.
Die schon erwähnte gewellte Formgebung ist ohne weiteres erkennbar und hat den Zweck,
die bei hohen Drehzahlen auftretenden erheblichen Beanspruchungen auf Stab und Arme
zu verteilen. Die Zugbeanspruchung läßt sich durch sparsame Bemessung des Materials
sowie der Köpfe der Arme, die die Stabenden demzufolge nur auf einem kurzen Stück
fassen, auf ein Mindestmaß reduzieren, um so die tangentialen Ringspannungen klein
zu halten. Im übrigen trägt dien Halterung der Stabenden in dem kräftig bemessenen
Preßteller 2 dazu bei, daß die Zugbeanspruchungen der Arme durch das Stabmaterial
nicht wesentlich heraufgesetzt wird. Die Bohrungen 5 im Preßteller 2 sind außen
bei 10 geschlitzt, um etwaige starke Wirbelstrombildungen um die Stabenden und damit
starke Erwärmungen in den Preßtellern zu vermeiden.
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In Fig. 2 ist die Anwendung der Erfindung für einen Käfiganker mit
sogenannten Hochstäben dargestellt, die aus Flachkupfer hergestellt sein können.
Alle Bezeichnungen gleichbleibender Teile des Ankers sind aus Fig. 1 übernommen
bis auf die der Flachkupferstäbe 11. Die teilweise Verlötung der Enden der Flachkupferstäbe
11 in Schlitzen 12 der Arme 8 läßt erkennen, daß die an dieser Stelle auftretenden
mechanischen Beanspruchungen der Verbindung derart gering sind, daß eine solche
Bemessung der Verbindungsstelle ausreichend ist.
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An einer weiteren Ausführung im Schnitt gemäß Fig. 3 ist erkennbar,
daß am Kurzschlußring 7 radial nach außen wie Laschen oder Bänder die Arme 8 angesetzt
sind, die besonders gut in Fig. 4 erkennbar sind und dem Ganzen dadurch einen sternförmigen
Charakter verleihen. Im Ende gehen die Arme in Augen 17 über, die das freie Ende
der Kupferstäbe 6 aufnehmen. An dieser Stelle werden die Stäbe 6 mit den Armen 8
verlötet. Die gewellte Ausführung der Arme oder Laschen 8 ermöglicht das Mitgehen
der Arme 8 bei Wärmedehnungen bzw. bei deren Rückgang nach der Verlötung der Stäbe
6.
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Der Kurzschlußring 7 besitzt zweckmäßig Gleitsitz auf der Welle 21
und damit eine gewisse Verstellbarkeit in der Achsrichtung des Rotors, die gegebenenfalls
aus Gründen der Ausgleichung der Wärmedehnungen der Stäbe 6 zweckmäßig ist.
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Der Ringteil 7 des Kurzschlußsternes braucht nicht unmittelbar um
die Welle des Käfigankers angeordnet zu werden, sondern kann beispielsweise auch
mit Bewegungssitz auf einer Art Nabe des Preßtellers gelagert sein.