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Schnellaufende Asynchronmaschine mit einem mindestens einen Kurzschlusskäfig
aufweisenden Rotor.
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Die Erfindung betrifft eine schnellaufende Asynchronmaschine mit einem
mindestens einen Kurzschlusskäfig aufweisenden Rotor, dessen Aktivteil einen massiven
inneren Teil aus magnetisierbarem Stahl und einen mit diesem verbundenen äusseren,
in axialer Richtung des Rotors unterteilten Teil aus magnetisierbarem Stahl aufweist.
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Unter den für Asynchronmaschinen verwendbaren Rotoren sind der Massivrotor
ohne Kurzschlusskäfig, der Massivrotor mit Kurzschlusskäfig und der lamellierte
Rotor mit Kurzschlusskäfig schon seit langem bekannt.
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Ein Rotor mit massivem Eisenkörper ist schon in der im Jahre 1890
erteilten DT-PS Nr. 51083 von Dolivo-Dobrowolsky beschrieben. In der betreffenden
Patentschrift wird ein Anker für Wechselstrommotoren beansprucht bestehend aus einem
beliebig geformten Eisenkörper, welcher entweder von Kupferadern irgendwelcher Form
(Draht, Band, usw.), deren Enden alle untereinander in leitender Verbindung stehen,
durchzogen ist, oder der solche Kupferadern in Vertiefungen (Nuten) seiner Oberfläche
enthält, die ebenfalls an ihren Enden untereinander leitend verbunden sind, oder.
dessen Oberfläche teilweise oder ganz mit einer elektrisch zusammenhängenden Schicht
bedeckt ist".
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Der Massivrotor mit oder ohne. Kurzschlusskäfig weist bedeutende Vorteile
in bezug auf seine mechanischen Eigenschaften auf, die insbesondere seine Steifigkeit
und die sich aus dieser ergebenden hohen biegekritischen Drehzahlen und seine Festigkeit,
die den Widerstand gegen die in Betrieb auftretenden Zentrifugalkräfte aufbringt,
betreffen. In Bezug auf seine elektromagnetischen Eigenschaften hingegen ist der
Massivrotor, sogar wenn er eine Käfigwicklung aus Material hoher elektrischer Leitfähigkeit
besitzt, mit beträchtlichen Nachteilen behaftet, die insbesondere den Einschaltstrom
und
die bei SchaltvorgMngen entstehenden Pendelmomente und die Rotoroberflächen-
und Zahnpulsationsverluste betreffen. Diese' nehmen beim Massivrotor unerwünscht
hohe Werte an, so dass im allgemeinen die Ausnutzung der Maschine gegenüber derjenigen
mit dem später entwickelten geblechten Rotor zu-Zusatzmassji hmen rückgesetzt werden
muss und an der Rotoroberfläche (z.B.
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Rillung) erforderlich sind, um die thermisehe Belastung infolge Oberfeldverlusten
in beherrschbaren Grenzen zu halten.
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Im Laufe der Jahrzehnte hat es sich tatsächlich erwiesen, dass bei
Verwendung eines aus genügend dünnen Blechen aufgebauten Rotors, wie dieser beispielsweise
aus der GB-PS 184 340 bekannt ist, die elektromagnetischen Nachteile des massiven
Rotors vermieden werden können. Aus diesem Grunde werden heutzutage für Asynchronmaschinen
hauptsächlich lamellierte Rotoren mit Kurzschlusskäfigen verwendet. Ein solcher
Rotor besteht aus einer massiven Welle in axialer Richtung zu einem Blechpaket aufgeschichteten
dünnen Bleichen, mit einem oder mehreren Kurzschlusskäfigen aus in Nuten des Blechpaketes
angeordneten, untereinander verbundenen Kupferstäben.
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Leider stehen den vorerwähnten elektromagnetischen Vorteilen des geblechten
Rotors mit Kurzschlusskäfig schwerwiegende
mechanische Nachteile
gegenüber. Ein Nachteil betrifft die niedrige Steifigkeit des Rotors, die nur unwesentlich
grösser ist als die Steifigkeit der relativ dünnen Rotorwelle, da das Blechpaket
nur wenig zu dieser Steifigkeit beiträgt. Ein zweiter Nachteil betrifft die aus
der niedrigen Steifigkeit des Rotors hervorgehenden relativ niedrigen biegekritischen
Drehzahlen desselben, die zu den Nenndrehzahlen des Rotors in einer festen Relation
stehen müssen und diese daher in unerwünschter Weise beschränken.
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Ein weiterer wesentlicher mechanischer Nachteil des geblechten Rotors
mit Kurzschlusskäfig betrifft die zufolge der auf die Bleche im Betrieb einwirkenden
Zentrifugalkräfte beschränkten Rotordrehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten.
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Diese Zentrifugalkräfte sind nach der bekannten Formel
rdr berechenbar, wobei m die bei einem Radius r als konzentriert angenommenen Masse
eines Blechelementes, r der Radius des Elementes und X die Winkelgeschwindigkeit
des Elementes bzw. des Rotors ist. Diese Kräfte, die in den Ringen des Blechpaketes
Tangential- und Radialspannungen verursachen, steigen mit wachsender Umfangsgeschwindigkeit
und wachsendem Rotordurchmesser, b.zw. wachsender Blechgrösse sehr rasch an. Die
durch die Bleche aufnehmbaren Kräfte hingegen sind äusserst beschränkt.
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In der Tat werden für geblechte Rotoren mit Käfigwicklung niedrigpoliger
Asynchrommaschinen meistens Dynamobleche verwendet. Da Dynamoblech gewöhnlich mit
Silizium legiert und grobkristalliner Struktur ist, besitzt es nur geringe Zugfestigkeit.
Leider steht nur ein Teil dieser Zugfestigkeit zur Verfügung, um den zufolge der
Zentrifugalkrfte in den Blechen hervorgerufenen maximalen Spannungen Widerstand
zu leisten, die am kleinsten Durchmesser der Bleche entstehen und tagentiale Zugspannungen
sind. Die Bleche bzw.
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das Blechpaket müssen nämlich auf der Welle mit so hoher Vorspannung
sitzen, dass bei voller Rotordrehzahl unter Einschluss von Sicherheiten ,und Fabrikationstoleranzen
kein Abheben des Blechpaketes entsteht. Damit wird aber ein Teil der zulässigen
Zugspannung verbraucht, und der zum Widerstand gegen die Zentrifugalkräfte zur Verfügung
stehende Teil in beträchtlichem Masse herabgesetzt.
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Zur Ermöglichung grösserer Umfangsgeschwindigkeiten bzw.
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Leistungen ist es schon vorgeschlagen worden,- anstelle des Dynamobleches
aus hochfestem, magnetisierbarem Stahl gefertigte Bleche zu verwenden, die hohe
Zentrifugalkräfte bzw, Umfangsgeschwindigkeiten ertragen können, Diese hochfeste
Stahlbleche verwendende Lösung bringt jedoch bei
niedrigpcligen
Maschinen nur eine begrenzte Erhöhung der ausführbaren Maschinenleistung, da durch
die Herabsetzung der zulässigen Zugspannung durch den Betrag der genannten Restvorspannung
die Festigkeit der hochfesten Stahlbleche nicht voll für die Aufnahme der Zentrifugalkräfte
ausgenutzt werden kann. Dies umso mehr, je grösser die Drehzahl und die beim Anfahren
des Rotors an seinem Aussenumfang entstehende Erwärmung ist. Des weiteren erlaubt
der Einsatz von hochfestem Stahlblech auch nicht eine Erhöhung der biegekritischen
Drehzahlen bei gegebenen Abmessungen eines Rotors, so dass auch diese Grenze bleibt.
Letztlich bestehen bei der Herstellung, dem Stanzen und Schichten von hochfesten
Stahlblechen der erforderlichen Abmessungen fabrikatorische Probleme, welche das
Verfahren mit Nachteilen praktischer Art belasten.
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In bezug auf die erzielbare Leistung eines Asynchronmotors kann davon
ausgegangen werden, dass diese proportional zu D2L n ist, wobei D der Aussendurchmesser,
L die aktive Länge des Rotors und n die Rotordrehzahl ist. Vom Standpunkt der Leistung
wäre also ein grösstmöglicher Durchmesser D, einegrösstmögliche aktive Länge L und
eine grösstmögliche Drehzahl n des Rotors erwünscht. Jedoch ist der wählbare Durchmesser
D und die wählbare Rotordrehzahl n aus den vorangehend
aufgeführten
Festigkeitsgründen stark beschränkt, und die maximal zulässige Umfangsgeschwindigkeit
entsprechend begrenzt.
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Die biegekritische Drehzahl ist ihrerseits dem Quadrat des massgebenden
Wellendurchmessersproportional und so durch den wählbaren Durchmesser des massiven-
Teiles begrenzt. Ferner ist die biegekritische Drehzahl des Rotors dem Quadrat des
Lagerabstandes umgekehrt proportional, so dass dieser kurz gewählt werden muss,
um eine biegekritische Drehzahl zweckmässiger Grösse zu erzielen. Diese Wahl des
Lagerabstandes beschränkt jedoch die aktive Länge L und demzufolge die Motorleistung
in unerwünschter Weise.
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Die bekannten aus Dynamoblech gefertigten geblechten Rotoren genügen
lediglich den mechanischen Anforderungen, die bei einer Netzfrequenz von 50 oder
60 Hz und einer Leistung von etwa 6 bis 7 MW pro Pol bei nicht forcierter Kühlung
an sie gestellt werden. Aus diesem Grund ist z.B. die maximal erzielbare Umfangsgeschwindigkeit,
der Rotordurchmesser und die Leistung bei zweipoligen Maschinen in der Grössenordnung
von 130 m/sec, bzw. 1,5 m, bzw. 14 MW, wobei die Betriebsdrehzahl dieser Maschinen
oberhalb der ersten biegekritischen Resonanzdrahzahl liegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die vorerwähnten Nachte;.le aer
bekannten
Asynchronmaschinen zu vermeiden und eine schnelllaufende Asynchronmaschine mit einem
mindestens einen Kurzschlusskäfig aufweisenden Rotor zu schaffen, bei welcher durch
zweckmässige Konstruktion des Rotors sowohl die Vorteile des bekannten massiven
Rotors in bezug auf biegekritische Drehzahlen wie auch diejenigen des geblechten
Rotors in bezug auf den Einschaltstrom, die Schaltmomente und die Rotoroberflächen-
und Zahnpulsationsverluste erreicht werden können, und die ausführbare Grösse und
damit die erzielbare.
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Leistung der Asynchronmaschine gegenüber den bekannten Maschinen wesentlich
höher liegt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine minimale,
von der Rotoroberfläche gemessene, radiale Abmessung des äusseren Teiles bis zum
Aussenumfang des äussersten Käfigs reicht, dass eine maximale, von der Rotoroberfläche
gemessene radiale Abmessung des äusseren Teiles über den inner9ten'Käfig hineinreicht,
und diese maximale Abmessung so bemessen ist, dass sich beim synchronen Lauf des
Rotors im mit Maschinen-Nennspannung erregten Statorfeld mindestens die Hälfte des
Rotorjochflusses pro Pol infolge Sättigung des äusseren Teiles über den inneren
Teil schliesst, und dass demzufolge die Käfigstäbe ganz im inneren Teil oder ganz
im äusseren Teil oder teilweise in beiden Teilen liegen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der innere
Teil und der äussere Teil des Rotors aus einem Stück gebaut. Jedoch kann der äussere
unterteilte Teil Zähne aufweisen, die am Umfang eines Kreises in Winkelabständen
voneinander angeordnet, in axialer Richtung zu einem Blechpaket aufgeschichtet und
so ausgebildet sind, dass zwei benachbarte Zähne je einen Kupferstab des Käfigs
in ihren zu diesem Zweck vorgesehenen Ausschnitten aufnehmen. Die Zähne können Einzelzähne
sein, von denen jeder mit dem inneren Teil individuell verbunden ist. Die Zähne
können ferner als radial nach aussen ragende Teile von aus Blechen bestehenden Ringen
ausgebildet sein, die den inneren Teil umgeben und mit diesem zur Uebertragung der
Betriebskrärte verbunden sind. Die Verbindung zwischen dem inneren Teil und dem
äusseren Teil kann eine Schwalbenschwanz-, eine Hammerkopf-, eine Schweissverbindung
oder eine beliebige andere dem Zweck entsprechende Verbindung sein.
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Ferner können die unterteilten Stahlteile des äusseren Teiles durch
Isoliermaterial voneinander getrennt sein, oder die zwischen den Stahlteilen vorhandenen
Zwischenräume mit dem den Rotor umgebenden Medium, beispielsweise mit Luft, Gas
oder Oel gefüllt sein, um zu verhindern, dass bei Einwirkung
des
Erregerfeldes Ströme von Teil zu Teil in axialer Richtung des Rotors fliessen.
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Vorzugsweise weist das Stabmaterial der Käfige einen elektrischen-Leitwert
auf, der kleiner ist als der derjenige von reinem Eisen, und die Käfigstäbe sind
von dem sie umgebenden Material des inneren und/oder äusseren Teiles des Rotors
vollständig isoliert.
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Als wesentliche Vorteile der erfindungsgemässen Asynchronmaschinenkonstruktion
sind die folgenden zu erwähnen: Das elektrische Betriebsverhalten der aus einem
massiven Teil und einem unterteilten Teil bestehenden Maschine entspricht in der
Nähe der synchronen Drehzahl dem einer vollständig geblechten Maschine. Der Einschaltstrom
steigt zwar zufolge der sich im massiven Teil beim Anfahren ergebenden zusätzlichen
magnetischen Widerstände an, jedoch wegen des unterteilten Teiles auf einen kleineren
Wert als bei einem Rotor gleichen Querschnitts mit vollständig massivem Eisen.
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Auch ergibt sich auf Grund der Wirbelströme im massiven Teil eine
erwünschte Einschaltdrehmomenterhöhung und eine ebenso erwünschte teilweise Erzeugung
der Schlupfleistung ausserhalb des Käfigs.
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Die bei Schaltvorgängen entstehenden Pendelmomente sowie die Rotoroberflächen-
und Zahnpulsationsverluste nehmen Werte an, die den bei Asynchronmaschinen mit geblechten
Rotoren erzielten günstigen Werten nahe genug kommen, um den in der Praxis vorkommenden
Anforderungen zu genügen.
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Die radialen Breiten der Bleche und deren Massen sind im Vergleich
mit der bekannten geblechten Konstruktion herabgesetzt, so dass bei sonst gleichem
Rotordurchmesser und gleicher Drehzahl geringere Zentrifugalkräfte entstehen.
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Demzufolge sind die durch die Zentrifugalkräfte hervorgerufenen Spannungen
in den Blechen wesentlich kleiner, und da keine Aufschrumpfung der Bleche auf die
Welle erforderlich ist, kann die ganze Zugfestigkeit der Bleche zur Aufnahme der
Zentrifugalkräfte verwendet werden.
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Der Rotordurchmesser und/oder die Umfangsgeschwindigkeit können wesentlich
höher als bei den bekannten Rotoren gewählt werden, und die erzielbare Leistung
entsprechend gesteigert werden. Ferner hat eine Erhöhung des Rotordurchmessers eine
entsprechende Erhöhung der biegekritischen Drehzahlen sowie eine gesteigerte Betriebssicherheit
zur Folge. Die so erzielten hohen biegekritischen Drehzahlen können durch Vergrösserung
der aktiven Länge des Rotors auf minimal zulässige Werte
herabgesetzt
werden, um eine zusätzliche Steigerung der erzielbaren Leistung zu erreichen. Ferner
kann eine Maschine, die bei konventioneller Ausführung bei der erforderlichen Leistung
überkritisch laufen müsste, mit der effindungsgemessen Ausführung unterkritisch
betrieben werden.
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Die erfindungsgemässe Konstruktion bietet die Möglichkeit, luftgekühlte
Grenzleistungsaynchronmaschinen zu bauen, die bei als zweifach gesteigerter Leistung
einwandfreies elektromagnetisches und mechanisches Verhalten aufweisen.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Radialschnitt durch einen bekannten lamellierten
Rotor einer Asynchronmaschine mit Kurzschlusskäfig; Fig. 2 einen Axialschnitt durch
den lamellierten Rotor nach Fig. 1; Fig. 3 einen Radialschnitt durch einen Rotor,
der einen massiven äusseren Teil und einen lamellierten inneren Teil aufweist, wobei
die von der Rotoroberfläche gemessene radiale Abmessung des äusseren Teiles über
den
Käfig hineinreicht, und einen maximalen Wert Bmaxanmimmt; Fig. 4 einen Axialschnitt
durch den Rotor nach Fig. 3; Fig. 5 einen Radialschnitt durch einen Rotor,bei welchem
die von der Rotoroberfläche gemessene radiale Abmessung des äusseren Teiles bis
zum Aussenumfang des Käfigs reicht, und einen minimalen Wert Bmin annimmt; Fig.
6 einen Axialschnitt durch den Rotor nach Fig. 5; Fig. 7 einen Radialschnitt durch
einen Rotor, bei welchem die von der Rotoroberfläche gemessene radiale Abmessung
des äusseren Teiles bis zum Innenumfang des Käfigs reicht, und einen zwischen Bmin
und Bmax liegenden, intermediären Wert B annimmt:, Fig. 8 einen Axialschnitt durch
den Rotor nach Fig. 7:, Fig. 9 ein Kennliniendiagramm, welches den Einschaltstrom
als Funktion des Schlupfes für verschiedene Rotorkonstruktionen darstellt; und
Fig.
10 ein Kennliniendiagramm, welches das Einschaltdrehmoment als Funktion des Schlupfes
für verschiedene Rotorkonstruktionen darstellt.
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Bestandteile durch gleiche
Bezugsziffern bezeichnet, Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte bekannte lamellierte
Rotor 1 weist die Welle 9, den lamellierten äusseren Teil 3, im vorliegenden Fall
ein Blechpaket, die das Blechpaket zusammenhaltenen Endplatten 8 und die in den
Nuten -7 des Blechpaketes 3 angeordneten, den Kurzschlusskäfig bildenden Kupferstäube
6 auf. Dieser Rotor 1 ist ein gewöhnlicher, für Asynchronmaschinen meistens verwendeter
lamellierter Rotor mit Kurzschlusskäfig. Sein Blechpaket 3 innerhalb des Käfigs
ist so gross, dass er mehr als 50 % des Maschinen-Nennflusses führt.
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Im Gegensatz zu diesem weisen die Ausführungsformen des Rotors 1 nach
den Fig. 3 bis 8 einen inneren massiven Teil 2 und einen äusseren lamellierten Teil
3, d.h. ein aus Blechen bestehendes Blechpaket 3 auf. Ferner sind das Blechpaket
3 .zusammenhaltende Endplatten 8 und in den Nuten 7 des Rotors
angeordnete,den
Kurzschlusskäfig bildende Kupferstäbe 6 vorgesehen.
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Nach den Fig. 3 und 4 besteht das Blechpaket 3-aus auf einem Kreis
in Winkelabständen voneinander angeordneten, in axialer Richtung des Rotors 1 aneinandergereihten
einzelnen Zähnen 10, die mit dem massiven Teil 2 durch eine Hammerkopfverbindung
verbunden ist. Die Zähne 10 sind so ausgebildet, dass zwei benachbarte Zähne 10
je einen Kupferstab 6 in ihren zu diesem Zweck vorgesehenen Ausschnitten 11 aufnehmen.
Die von der Rotoroberfläche gemessene radiale Abmessung des äusseren Teiles 3 reicht
über den Käfig hinein und beträgt den maximalen Wert Bmax> der so gewählt wurde,
dass sich beim synchronen Lauf des Rotors 1 im mit Maschinen-Nennspannung erregten
Statorfeld mindestens die Hälfte des Rotorjochflusses pro Pol infolge Sättigung
des äusseren Teiles 3 über den inneren Teil 2 schliesst. Die biegekritische Drehzahl
des massiven Teiles 2, die proportional dem Quadrat seines Aussendurchmessers, d.h.
des Trennungsdurchmessers zwischen den beiden Teilen 2, 3 des Rotors ist, ist natürlich
viel höher als die entsprechende biege--kritische Drehzahl der Welle 9 des bekannten
lamellierten Rotors 1 der Fig. 1 und 2. Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, können
die Zähne 10 als Teile von Ringen ausgebildet sein,
die auf den
massiven Teil 2 geschoben und durch dessen Hammerkopfnuten gehalten werden.
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Nach den Fig. 5 und 6 reicht die von der Rotoroberfläche gemessene
radiale Abmessung des äusseren Teiles 3 bis zum Aussenumfang des Käfigs und beträgt
den minimalen Wert Bmin. Dieser wurde so gewählt, dass der Käfig ganz im massiven
Eisen liegt.
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Diese Wahl der radialen Abmessung ergibt noch eine ausreichende Verkettung
der Luftspaltoberfelder mit dem Käfig, so dass diese zum Grossteil durch im Käfig
fliessende Ströme und nicht durch im Eisen fliessende Ströme abgedämpft werden,
wie -das bei dem ganz massiven Rotor der Fall ist. Hierdurch werden die damit verbundenen
Verluste auf ein erträgliches Mass reduziert. Die biegekritische Drehzahl des massiven
Teiles 2 ist im Vergleich mit dem Rotor nach den Fig. 3 und 4 wegen seines grösseren
Aussendurchmessers wesentlich grösser, doch sind die Oberwellenverluste höher. Die
Zähne 10 können in diesem Fall nicht als Teile von Ringen ausgebildet sein, sondern
müssen einzeln am massiven Teil 2 festgehalten, beispielsweise angeschweisst sein.
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In den meisten in der Praxis vorkommenden Fällen würde ein Rotor entsprechen,
bei welchem die von der Rotoroberfläche
gemessene radiale Abmessung
B des äusseren Teiles 3 zwi schen den früher definierten Bmin und Bmax liegt. Die
Käfig stäbe 6 können demzufolge ganz im inneren Teil 2 oder ganz im äusseren Teil
3 oder teilweise in beiden Teilen liegen.
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Eine derartige Lösung stellt einen Kompromiss dar, welcher bei günstiger
biegekritischer Drehzahl auch günstige Werte in Bezug auf den Einschaltstrom, die
Schaltmomente, die Rotoroberflächen-, Zahnpulsations- und Oberwellenverluste ergibt.
Ein Rotor dieser Art ist in den Fig. 7 und 8 gezeigt, bei welchem die von der Rotoroberfläche
gemessene radiale Abmessung B bis zum Innenumfang des Käfigs reicht.
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Die Zähne 10 müssen auch in diesem Fall am massiven Teil 2 einzeln
festgehalten sein, beispielsweise durch die gezeigte Schwalbenschwanzverbindung.
Diese Verbindung könnte auch eine Hammerkopfverbindung oder eine Schweissverbindung
sein.
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Es ist noch zu bemerken, dass der äussere Teil 3 und der inere Teil
2 auch aus einem Stück gebaut werden könnten.. In einem solchen Fall müsste der
äussere Teil 3 durch irgendein Metallbearbeitungsverfahren - in axialer Richtung
unterteilt werden, so dass zwischen den unterteilten Stahlteilen Zwischenräume entstehen.
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Die Stahlteile können durch Isoliermaterial voneinander
getrennt;
sein oder die zwischenräume mit dem den Rotor umgebenden Medium, beispielsweise
mit Luft, Gas oder Oel, gefilllt sein, um zu verhindern, dass bei Einwirkung des
Erregeri'elde3 Ströme von Teil zu Teil in axialer Richtung des Rotors 1 fliessen.
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Vorzugsweise weist das Stabmaterial der Käfige einen elektrischen
Leitwert auf, der kleiner ist als derjenige von reinem Eisen, und die Käfigstäbe
sind von dem sie umgebenden Material des inneren und/oder äusseren Teiles des Rotors
vollstEndig isoliert.
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Ueber die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Asynchronma schine
kann folgendes gesagt werden: Durch das Vorhandensein eines ausreichend grossen
Kurzschlusskäfigs aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit und eines
lamellierten Zahnteiles ergeben sich bei Betrieb der Maschinen, deren Nennleistungen
in der Grössenordnung der genannten Leistungen liege-n, sehr niedrige Nennschlüpfe.
Die Frequenz des Rotorflusses wird dadurch so klein, dass der Rotorfluss nahezu
vollständig in den Massivteil eindringen kann. Das Betriebsverhalten entspricht
also "in der Nähe" der synchronen Drehzahl dem einer vollständig lamellierten
Maschine.
Bei Stillstand und beim Anfahren, wenn die Rotorfrequenz zwischen Netzfrequenz und
Nennschlupffrequenz liegt wird der Fluss mehr oder weniger aus dem Massivteil an
dessen Aussenfläche verdrEngt, so dass sich im Rotoreisen für den Fluss zusätzliche
magnetische Widerstände ergeben, Diese bewirken ein Ansteigen des Stromes, jedoch
wegen.des-lamellierten Zahnes auf einen kleineren Wert als bei einem Rotor gleichen
Querschnittes mit vollständig massivem Eisen. Des weiteren ergibt sich auf Grund
der Wirbelströme im massiven Teil eine erwünschte Drehmomenterhöhung und eine ebenso
erwünschte teilweise Erzeugung der Schlupfleistung ausserhalb des Käfigs.
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Die mit dem erfindungsgemässen Rotor erzielbaren wesentlichen Verbesserungen
elektrischer Art sind aus den Fig0 9 und 10 ersichtlich, welche Kennliniendiagramme
zeigen, die den Statorstrom I1 bzw. Drehmoment T als Funktion des Schlupfes S für
verschiedene Rotorkonstruktionen darstellen. In beiden Diagrammen beziehen sich
die für gleiche Rotorabmessungen berechneten Kurven: I auf einen gewöhnlichen lamellierten
Rotor mit Kurzschlusskäfig II auf einen Massivrotor ohne Käfig
III
auf einen ttassivrotor mit Käfig, und IV auf einen erfindungsgemässen Rotor mit
Käfig.
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Aus den Diagrammen geht hervor, dass der Einschaltstrom beim erfindungsgemässen
Rotor niedriger ist als derjenige beim Massivrotor mit oder ohne Käfig und nur unwesentlich
höher ist als der Einschaltstrom beim lamellierten Rotor mit Käfig.
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Auf ähnliche Weise verhält sich das Einschaltdrehmoment, dessen Verlauf
sich vom günstigen Verlauf des beim lamellierten Roter mit Käfig entwickelten Einschaltdrehmomentes
nur wenig unterscheidet. Der erfindungsgemässe Rotor verhält sich also vom elektrischen
Standpunkt aus gesehen einwandfrei und ist dem lamellierten Rotor mit Käfig in bezug
auf den Einschaltstrom und das Einschaltdrehmoment nahezu äquivalent.
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Das Verhalten des erfindungsgemässen Rotors ist vom mecnani- ~-schen
Standpunkt aus betrachtet noch viel günstiger. Die lamellierten Bleche weisen kleinere
radialen Breiten und geringere Massen auf, so dass bei sonst gleichem Rotordurchmesser
und gleicher Drehzahl geringere Zentrifugalkräfte entstehen.
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Wenn die lamellierten Bleche aus Ringen bestehen, sind die an ihren
Innendurchmessern entstehenden tagentialen Zugspannungen noch immer die grössten,
jedoch kann die ganze Zugfestikeit
der Bleche zur Aufnahme der
Zentrifugalkräfte ver wendet werden, da keine Aufschrumpfung der Bleche auf den
massiven Teil 2 stattfindet. Wenn die lamellierten Bleche hingegen aus nicht zu
einem Ring zusammengefassten einzelnen Zähnen bestehen, verschwinden die Tangentialspannungen
gänz lich, so dass die Bleche nur auf Radialspannungen beansprucht werden, die wesentlich
geringer und daher viel weniger gejährlich sind. In beiden Fällen kann der Rotordurchmesser
und/oder die Umfangsgeschwindigkeit wesentlich höher als bei den bekannten Rotoren
gewählt werden und die erzielbare Leistung entsprechend gesteigert werden. Schätzungsweise
kann der Rotordurchmesser bei gleicher Drehzahl um einen Faktor von 1,5 vergrössert
werden, was einer Erhöhung der UmSangsgeschwindigkeit von der früher zulässigen
130 m/sec auf 200 m/sec und einer Steigerung der Leistung auf das 2,2-fache von
14 MW auf 30 MW, entspricht.
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Die Erhöhung des Rotordurchmessers und damit des Durchmessers des
massiven Teiles 2 hat eine wesentliche Erhöhung der biegekritischen Drehzahlen zur
Folge, die durch zweckmässige Wahl des Trennungskreises zwischen den beiden Teilen
des Rotors und damit des Trennungsradiuses innerhalb den den radialen Abmessungen
Bmax und Bmin zugeordneten zulässigen Radiuswerten
Rmin und Rmax
noch zwischen relativ weiten Grenzen variiert werden können. Auch ist es möglich,
die durch Vergrösserung des Rotordurchmessers erzielten hohen biegekritischen Drehzahlen
durch Vergrösserung der aktiven Länge des Rotors auf kleinere zulässige Werte herabzusetzen,
wodurch gleichzeitig eine zusEtzliche Steigerung der erzielbaren Leistung erreicht
wird. Die vorgeschlagene Lösung bietet also die als über raschender Effekt der Erfindung
zu betrachtende Möglichkeit, luftgekühlte Greflzleistungsasynchronmaschinen zu bauen,
die bei mehr als zweifach gesteigerten Leistungen durchaus günstige und elektromagnetische
Eigenschaften aufweisen.