E-bibliotek 1. Teil Kurzschlußkäfig

8/17/2019 E-bibliotek 1. Teil Kurzschlußkäfig

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EDZ e – publikacijeGlavni urednik: dr. sc. Neven SRBZamjenik glavnog urednika: prof. dr. sc. Zvonko BENČIĆ Urednik rubrike – Električni strojevi i transformatori: dr.sc. Neven SRB

Neven Srb DK 621.313.12/13.621.3. 027.001.4

Kurzschlußkäfige1. Teil

Rezension: mr. sc. Miljenko ĐUKIĆ, dipl. ing.mr. sc. Želimir VOLF, dipl. ing.

Tehnische Bearbeitung: Nada MENZILDŽIĆ


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InhaltL1 Einführung L/2L1.1 Kurzfassung L/3L1.2 Sachworterverzeichnis L/3

L1.3 Formelzeichen L/3L2 Das physikalische Bild des Käfigläufers L/4L2.1 Physikalisches Bild des idealiesierten Käfigläufers L/4L2.2 Physikalisches Bild des realen Käfigläufers L/4L3 Vereinfachungen des räumlichen elektrischen Netzwerkes

des Läufers mit nichtisoliertem Käfig L/7 L3.1 Vereinfachung des radial-tangentialen elektrischen Netzwerkes

des Läufers mit nichtisoliertem Käfig L/8L3.2 Vereinfachung des axialen elektrischen Netzwerkes

des Läufers mit nichtisoliertem Käfig L/10L4 Übergangswiderstand L/12L5 Ausführungen und Eigenschaften L/14L5.1 Geschweißte Kurzschlußkäfige L/19

L5.1.1 Übersicht über die Nutausführungen L/20 L5.1.2 Übersicht über die Verbindungen zwischen Stab und Ring L/20 L5.2 Gegossene Kurzschlußkäfige L/25

L5.2.1 Übersicht über die Nutausführungen L/25 L5.2.2 Haupteigenschaften L/25 L6 Schrifttum L/30

___________________________________________________________________________Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/1


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L1 Einführung K1.1 Kurzfassung

L1.1 Kurzfassung Dieser Artikel verfolgt die Absicht, einen tieferen Einblick in einige spezifischeelektrische Eigenschaften des Läufers mit nichtisoliertem Kurzschlußkäfig zu

geben. Das physikalische Bild des Läufers mit nichtisoliertem Kurzschlußkäfigwurde geklärt. Danach wurde der gegossenen Käfig eingehend analysiert. Durch

Messung der Leitfähigkeit, des spezifischen Gewichtes und durch radiographische Aufnahmen wurde die Inhomogenität der Läuferstäbe festgestellt. Die gemessenen Ergebnisse wurden statistisch bearbeitet. Besondere Aufmerksamkeit wurde derUntersuchung des Übergangs- oder Kontaktwiderstandes gewidmet, sowie desQuerwiderstandes und der Querimpedanz. Dabei wurde die Theorie der Kontakteangewendet und es wurden zahlreiche und umfangreiche Messungen durchgeführt,welche das vorausgesetzte physikalische Bild des Übergangswiderstandes

bestätigten. Zur Messung des Kontaktwiderstandes und der Querimpedanz wurdenneue Methoden entwickelt und besondere Vorrichtungen hergestellt. Kriterien zurVereinfachung des sehr komplizierten räumlichen elektrischen Netzwerkes des

Läufers mit nichtisoliertem Kurzschlußkäfig wurden festgelegt sowie Reduktionsfaktoren des Querwiderstandes abgeleitet. Anschließend wurde ein»allgemeines« Ersatzschild eines Mehrphasen-Asynchronmotors aufgestellt. Darinist der Asynchronmotor durch n Elementarmotoren ersetzt. Das »allgemeine«

Ersatzschaltbild ermöglicht ein getreues Simulieren der konstruktiven undtechnologischen axialen Un-symmetrien des Läufers. Mit seiner Hilfe können auch

Einphasen-Asynchronmotoren unter Anwendung der Theorie des mit- und gegenlaufenden Systems berechnet werden. Beim Übergang auf einen besonderen Fall - axial homogene, isolierte und nicht geschrägte Stäbe - erhält man das bekannte Ersatzschaltbild eines Mehrphasen- Asynchronmotors. Im »allgemeinen« Ersatzschaltbild wird außer der Unsymmetriedes Läufers und den nichtisolierten Stäben auf eine neue Weise die Schrägung der

Läuferstäbe behandelt. Der Einfluß der Schrägung ist in der komplexen Reaktanzdes magnetischen Hauptfeldes erfaßt. Am Ende der Arbeit sind Vergleiche

zwischen den Berechnungsresultaten und gemessenen Werten gezogen worden. Aus

den Vergleichen am Läufer ohne Kurzschlußringe, d. h. am Motor mit starkausgeprägtem Einfluß der Querströme, ist ersichtlich, daß die in diesem Artikelvorgeschlagene Berechnungsmethode zufriedenstellende Resultate ergibt.

________________________________________________________________L/2 Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen


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L1 Einführung _ _______________________

L1.2 SachworterverzeichnisEngewiderstand, L/15Physikalisches Bild-

des Käfigläufers, L/4- idealisierten Käfigläufers, L/4- realen Käfigläufers, L/4Querwiderstand, L/15Übergangswiderstand, L/15Vereinfachungen- des räumlichen elektrischen Netzwerkes des Läufers mit nicht isolierten Käfig,

L/7- des radial-tangentialen elektrischen Netzwerkws des Läufers mit nichtisolierten

Käfig, L/8- des axialen elektrischen Netzwerkes des Läufers mit nichtisolierten Käfig, L/10Widerstand des Überzuges, L/15L1.3 Formelzeichen

N - Anzahl der LäufernutenL R - Widerstand Läufer-Oberfläche [Ω]Fl R - Übergangswiderstand Stab-Paket [Ω]KStB R*KStB R**KStB

R - Tangentialwiderstand des Zahnes [Ω]FeNt R - Radialwiderstand des Zahnes [Ω]FeNr R - Tangentialwiderstand des Jochs [Ω]FeJt R - Radialwiderstand des Jochs [Ω]FeJr R - Übergangswiderstand Blechpaket-Welle [Ω]KStW R - Tangentialwiderstand der Welle [Ω]Wt R - Radialwiderstand der Welle [Ω]Wr R - Axialwiderstand des Stabes [Ω]St 20 ________________________________________________________________1) RKStB und RKStW sind Meßwerte

W - Anzahl der in Reihe geschalteten Windungen einerSPhase der Ständerwicklung

ξ - Wicklungsfaktor des Städerwicklungξ - SchrägungsfaktorSch

p - Polpaarzahl RE – Engewiderstand [Ω] Rk - Kontaktwiderstand [Ω]U i – induzierte Spannung [V]

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Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/3L2 Das physikalische Bild des Käfigläufers ___ __________________


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L2. Das physikalische Bild des KäfigläufersDas physikalische Bild eines realen Käfigläufers unterscheidet sich bedeutendvom physikalischen Bild des idealisierten Käfigläufers. Um die Unterschiedemöglichst klarzustellen, werden im weiteren Text beide physikalischen Bilderdargestellt.

L2.1. Physikalisches Bild des idealisierten KäfigläufersUm ein möglichst einfaches Bild des Käfigläufers zu erhalten, wurden folgendeVoraussetzungen gemacht:der Läuferkäfig, Abb. L1, besteht aus N L radialsymmetrisch angeordnetengleichen, elektrisch gut leitenden Stäben alle Stäbe und Kurzschlußringe desKäfigs sind gegen das Eisenpaket des Läufers elektrisch isoliert ihrer ganzenLänge nach haben die Stäbe sowie die Kurzschlußringe unveränderte

geometrische Form, Abmessungen, magnetische und elektrische Eigenschaften.

Abb. L1 Aluminium-Läuferkäfig eines Waschmaschinenmotors

Der idealisierte Kurzschlußkäfig stellt demnach eine N L-phasige Wicklung dar,welche aus N L Maschen besteht. Die Ströme der Maschen sind gleich den Strö-men der Kurzschlußringe I RVN für die Maschen, welche aus den Stäben N -l und N sowie den zugehörigen Segmenten der Kurzschlußringe zwischen ihnen bestehen(Abb. L2).

L2.2. Physikalisches Bild des realen KäfigläufersBei normalen Ausführungen der Käfigläufer nach Abb. L3 ist der Käfig gegendas Läufereisenpaket nicht isoliert.Dies hat eine sehr verwickelte elektrische Schaltung des realen Käfigläufers zurFolge. Das vereinfachte räumliche elektrische Modell eines Läufersegmentes mit6 Nuten eines Waschmaschinenmotors ist in Abb. L4 dargestellt.

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L/4 Prüfungen und Messungen an elektrischen MaschinenL2 Das physikalische Bild des Käfigläufers __________________________


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Abb. L2 Räumliches elektrisches Modell des Läuferkäfigs eines Waschmaschinenmotors

(Segment ≈ 40º)

Abb. L3 Käfigläufer eines Waschmaschinenmotors

Das erhaltene physikalische Bild ermöglicht eine genügend genaue quantitativeund qualitative Analyse der Ableitströme sowie deren Einfluß auf die Kennliniendes Asynchronmotors.

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Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/5L2 Das physikalische Bild des Käfigläufers____________________________


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Um möglichst genaue Resultate zu erzielen, müßte man eine noch feinereAufteilung, insbesondere in der Zone der Läuferzähne vornehmen. UnterBerücksichtigung, daß wegen der Natur des Übergangswiderstandes notwendigist, jedes Blech des Läuferpakets gesondert zu betrachten, erhält man einräumliches elektrisches Netz mit mehreren zehn- bis mehreren hunderttausendElementen. So umfangreiche elektrische Netze können z. Z. nicht einmal mitHilfe modernster Rechenmaschinen wirtschaftlich aufgelöst werden. Es istdeshalb notwendig, die Netze zu vereinfachen und auf eine geringere Zahl vonElementen zurückzuführen.

Abb. L4 Vereinfachtes elektrisches Modell des Käfigläufers einesWaschmaschinenmotors (Segment von ≈25°)

Um dies zu ermöglichen, müssen zuerst die einzelnen Elemente des dargestelltenelektrischen Modells analysiert und dann Kriterien für die Vereinfachung deselektrischen Netzes festgelegt werden. Dabei ist es erforderlich, den gesamtenRotor als eine geschlossene mechanische und elektrische Einheit ständig im Augezu behalten.

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L/6 Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen


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L3 Vereinfachungen des räumlichen elektrischen Netzwerkes des Läufersmit nichtisoliertem Käfig_________________________________________

Man muß immer wieder vom Fertigungsgang der Käfigläufer ausgehen: Stanzender Bleche, Schichten der Bleche zu Paketen, Gießen der Käfige, Montage desLäuferpaketes mit dem Käfig auf die Welle, mechanische Bearbeitung derLäuferoberfläche u. a. und die hierdurch entstehenden Zusatzverlusteuntersuchen.

L3. Vereinfachungen des räumlichen elektrischen Netzwerkes desLäufers mit nichtisoliertem Käfig

Aus dem bisher Gesagten ist zu ersehen, daß ein Läufer mit nichtisoliertem Käfignur durch ein sehr kompliziertes und unsymetrisches dreidimensionaleselektrisches Netzbild ersetzt werden kann. Wegen der großen Anzahl von

unbekannten bzw. nur teilweise bekannten Elementen ist es nicht nöglich, einesolche Ersatzschaltung weder bei der Berechnung von Asynchronmotoren mitnichtisoliertem Käfigläufer noch bei der Verwertung von Meßresultaten der Quer-impedanz und des Übergangswiderstandes zu benutzen. Es ist daher nötig, eineReihe von Voraussetzungen zu machen, die in kleinerem oder größerem Maße dieGenauigkeit des Endresultates beeinträchtigen, jedoch die mathematischenModelle vereinfachen und eine Berechnung ermöglichen.

Abb. L5 Vereinfachtes radial-tangentiales elektrisches Schaltbild eines Läuferbleches. R =Fe 0

_____________________________________________________________________________Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/7


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L3 Vereinfachung des räumlichen elektrischen Netzwerkws des Läufers mitnichtisoliertem Käfig___________ _________________________

L3.1. Vereinfachung des radial-tangentialen elektrischen Netzwerkesdes Läufers mit nichtisoliertem Käfig

Geht man vom allgemeinen räumlichen elektrischen Schaltbild einesnichtisolierten Käfigläufers aus (Abb. L4), so kann das radial-tangentialeelektrische Schaltbild durch Einführung folgender Voraussetzungen vereinfachtwerden:- Der Läufer ist radial symmetrisch, d. h. alle Stäbe haben den gleichen

Widerstand RSt sowie Kontaktwiderstand RKSIB.- Der Widerstand der Dynamobleche in radialer und in tangentialer Richtung

kann teilweise oder ganz vernachlässigt werden. Siehe Tabelle L-1.Die Anzahl der Elemente je Nutenschritt kann auf diese Weise auf den

dreißigsten, zwanzigsten oder den zehnten Teil herabgesetzt werden, inAbhängigkeit davon, welches vereinfachte elektrische Radial-Tan-gential-

Netzwerk angewandt wird. Da tatsächlich Dynamobleche einen bestimmten(wenn auch relativ sehr geringen) elektrischen Widerstand in radialer und intangentialer Richtung besitzen, werden die aus dem Netzwerk in Abb. L5erhaltenen Resultate die obere Grenze darstellen und jene nach Abb. L6 dieuntere Grenze, innerhalb welcher die tatsächlichen Werte liegen. Eine realeErsatzschaltung für jeden Stab erhält man durch Teilung des Stabes in 2n Teileund durch Ersetzen eines jeden Teiles durch eine Schaltung gemäß Abb. L7.

Abb. L6 Vereinfachtes radial-tangentiales elektrisches Schaltbild eines Läuferbleches: RFcN = 0, RFeL = ∞

_________________________________________________________________L/8 Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen


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L3 Vereinfachungen des räumlichen elektrischen Netzwerkes des Läufersmit nichtisoliertem Käfig______________________________________

Abb. L7 Vereinfachtes radial-tangentiales elektrisches Schaltbild eines Läuferbleches: RFeNt = = 0, R = FeJt = 0

Dabei ist es günstig, eine Kettenschaltung laut Abb. L8 vorzusehen, weil immer je zwei

einzelne Zweipole erfaßt werden können und außerdem ein symmetrischer Vierpolentsteht, was mit Rücksicht auf die Symmetrie eines jeden Paares von Läuferstäbenvorteilhaft ist.

Abb. L8 Ersatz-Vierpol einer kurzen elektrischen Leitung _________________________________________________________________________________________________________________________

Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/9


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L3 Vereinfachungen des räumlichen elektrischen Netzwerkes des Läufersmit nichtisoliertem Käfig_______________________________________

Für praktische Berechnungen erhält man in jedem Falle bei Benutzung der Schaltunglaut Abb. L7 genügend genaue Werte. Noch genauere Resultate können durchBenutzung immer komplizierterer radial-tangentialer Netzwerke mit entsprechendenWerten für die radial-tangentialen Widerstände der Elemente der Läuferbleche erreichtwerden.

Nach den Angaben der Tabelle L-1 ist dies jedoch nicht notwendig, obwohl dadurchkeine grundsätzlichen Schwierigkeiten entstehen, sondern die Schwierigkeiten nureinerseits in der genauen Festlegung der einzelnen Elemente bestehen und andererseitsmit der Möglichkeit genauer Auflösung großer Matrizen mittels Näherungsmethodenzusammenhängen.

Abb. L9 Kettenschaltung von Ersatz-Vierpolen

L3.2. Vereinfachung des axialen elektrischen Netzwerkes des Läufersmit nichtisoliertem Käfig

Um das räumliche elektrische Netz in axialer Richtung wesentlich vereinfachen zukönnen, kann folgendes vorausgesetzt werden:- Der Stab widerstand Rift ist entlang der gesamten Stablänge konstant.- Die Querimpedanz Zlf ist entlang der gesamten Stablänge konstant.Unter den angeführten Voraussetzungen stellt jedes Stabpaar eine lange homogeneelektrische Leitung dar. Die Verhältnisse der Größen am Anfang und am Ende desStabes sind dann durch die bekannten Differentialgleichungen bestimmt. Imvorliegenden Fall des Asynchronmotors kann jedes Paar der Läuferstäbe durch einigeVierpole ersetzt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Anzahl der axialenElemente des räumlichen elektrischen Netzwerkes auf den zehnten bis hundertsten Teilzu reduzieren. ___________________________________________________________________________L/10 Prüfungen und Messungen an elektrischen Mashinen


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L3 Vereinfachung des räumlichen elektrischen Netzwerkes des Läufers mitnichtisoliertem Käfig ______________________________

Auf Grund des Dargelegten kann man die gesamte Anzahl von Elementen desräumlichen elektrischen Netzes eines Läufers mit nichtisoliertem Käfig100.... 3000-mal verringern.Dadurch fällt die Anzahl der Elemente des räumlichen elektrischen Netzes von etlichenzehn- bis hunderttausend auf etliche zehn bis einige tausend Elemente. In den meistenFällen enthalten die entstehenden elektrischen Netze einige hundert Elemente.Solche Netzwerke können verhältnismäßig einfach und wirtschaftlich mit Hilfe von mo-dernen Digitalrechnern aufgelöst werden.Diese einfachen räumlichen elektrischen Netzwerke können nunmehr in einer Ebenedargestellt werden, wie in den folgenden Kapiteln dargestellt wird.

Tabelle L-1 Bennenungen, Bezeichnunge, Symbole und Widerstandswerte je

Nutenschritt eines Waschmaschinenmotor-LäufersBennenungdes Widerstandes

Bezeichnung desWiderstandes

Wertdes Widerstandes

WiderstandLäufer-Oberfläche

RFl (0,1...10) Ω

1) RKStB und RKStW sind Meßwerte ______________________________________________________________________Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/11

ÜbergangswiderstandStab-Paket

RKStB R*KStB R**KStB

≈ 42⋅10-6Ω 1)

≈ 2,1⋅10-3Ω ≈ 0,027 Ω mm2

Tangentialwiderstand

des Zahnes

RFeNt ≈ 2,4⋅10-6Ω

Radialwiderstanddes Zahnes

RFeNr ≈ 11⋅10-6Ω

Tangentialwiderstanddes Jochs

RFeJt ≈ 0,59⋅10-6 Ω

Radialwiderstand des Jochs RFeJr ≈ 100⋅10-6Ω Übergangswiderstand

Blechpaket-Welle RKStW ≈ 4500⋅10-6Ω 1)

Tangentialwiderstandder Welle

RWt ≈ 2,8⋅10-6Ω

Radialwiderstand der Welle RWr ∞ Ω Axialwiderstand des Stabes RSt 20 ≈ 1,15⋅10-6Ω


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L4 Übergangswiderstand________________________________________________

L4 ÜbergangswiderstandDie Verhältnisse hinsichtlich Übergangswiderstand oder Kontaktwiderstand zwischenKäfig und Blechpaket sind in der vorhandenen Literatur lediglich am Rand bearbeitetworden. Deshalb wird in dieser Arbeit versucht, das Problem des Übergangswider-standes von mehreren Seiten aus zu beleuchten.

Natur des ÜbergangswiderstandesUm die Natur des Übergangswiderstandes zu bestimmen, wurde seine Abhängigkeitvon Temperatur und vom Wert des Meßstromes untersucht. Die Ergebnisse derMessung zweier charakteristischer Abhängigkeiten des Übergangswiderstandes zwi-schen Blech und Stab von der Temperatur sind in Abb. L10 und Abb. L11 dargestellt.

Abb. L10 Abhängigkeit des Übergangswiderstandes RKB eines Bleches von der Läufertemperatur.Temperatur-Koeffizient des Widerstandes negativ, αKB


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L4 Übergangswiderstand________________________________________________

Abb. L11 Abhängigkeit des Übergangswiderstandes RKB eines Bleches von derLäufertemperatur. Temperatur-Koeffizient des Widerstandes positiv, αKB> 0.

Infolge des zweifach höheren Wärmedehnungs-Koeffizienten von Aluminiumgegenüber Eisen (βAl = 2,31 • 10

-5/K, ßFe = 1,15 • 10-5/K) kommt es bei jedem

thermischen Schock (Erwärmung und plötzliche Abkühlung) zu einem Anwachsen derDicke der Isolationsschicht zwischen Stabaluminium und Blechpaket auf Kosten derVerdichtung des Stabes.

Die Höhe des Zwischenschichtwiderstandes ist nicht bekannt. Sie kann weder durchBerechnung noch durch Messen bestimmt werden.Man kann jedoch voraussetzen, daß der Zwischenschichtwiderstand einediskontinuierliche Größe und relativ hoch ist, weil die Schicht aus Luft,Verschmutzungen und chemischen Verbindungen von geringer elektrischerLeitfähigkeit besteht.

_____________________________________________________________________Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/13


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L4 Übergangswiderstand______ _____ _______________________________

Deswegen kann sein Einfluß auf die Höhe des Übergangswiderstandes bei den üblichenGießmethoden vernachlässigt werden.Der Engewiderstand RE ist somit ausschlaggebend für die Höhe desÜbergangswiderstandes R

K . Er besteht aus einem örtlichen direkten metallischen Kon-

takt zwischen dem Aluminium des Käfigs und dem Paketeisen.Um ein mathematisches Modell zu erhalten, muß eine Kontaktstelle (Elementarkontakt)idealisiert dargestellt werden.In Abb. L12 wird das Element eines Aluminiumstabes und des Paketeisens durch zwei

prismatische Kontakte mit der Seite a und mit dem spezifischen elektrischenWiderstand rAi und rFe dargestellt.

Abb. L12 Idealisiertes Bild der Kontaktstelle zwischen Aluminium und Eisen(Elementarkontakt)

Wenn sich die Metalle mit ihrer gesamten Stirnfläche berühren würden, so würden die

Stromlinien mit gleichmäßiger Dichte senkrecht zur Kontaktflache verlaufen (Abb. L12a). Da jedoch der Kontakt lediglich auf einer kleinen Kugel mit dem Durchmesser d ovon vernachlässigbar geringem elektrischen Widerstand stattfindet, werden dieStromlinien radial zur Kugel abweichen (Abb. L12b). Dadurch entsteht eineEinengung, welche in Abb. L12b durch eine sphärische Fläche mit Durchmesser a (gestrichelte Linie) schematisch abgegrenzt ist.

______________________________________________________________________L/14 Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen


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L4 Übergangswiderstand ________________ ________________

Die Durchmesser der Halbkugeln, an welchen der direkte metallische Kontaktstattfindet, sind von den schon vorher angeführten Bedingungen sowie vom Vorgang

beim Stanzen der Bleche abhängig. Ihre Größe kann auf d

o ≈ (0,01... 1) μm geschätzt werden. Nunmehr kann die Abhängigkeit des Engewider-

standes RE von der Temperatur analysiert werden.Mit dem Ansteigen der Temperatur wird der Engewiderstand höher, weil diespezifischen elektrischen Widerstände des Aluminiums und des Eisens ansteigen.Man könnte annehmen, daß die Zunahme des Durchmessers d o dabei vernachlässigtwerden kann, weil die Wärmedehnungs-Koeffizienten von Aluminium und Eisen mehrals 100-mal kleiner sind als ihre thermischen Widerständskoeffizienten. In Wirklichkeitnehmen jedoch die a -o Werte bei Temperaturanstieg viel schneller zu, weil sie durchZunahme der Stababmessungen anwachsen. Die Stabbreite ist 1000-mal größer als d .oBei der Zunahme der Stababmessungen vergrößern sich die bestehenden Oberflächen

des direkten metallischen Kontaktes, und es entstehen neue Berührungsstellen. Dies bedeutet die Möglichkeit einer Senkung des Engewiderstandes bei Temperaturanstieg.Auf Grund des Dargelegten ergibt sich, daß der Engewiderstand RE und damit auch derÜbergangswiderstand RK eine sehr diskontinuierliche Größe mit unbestimmtenTemperaturkoeffizienten ist. Im allgemeinen kann man sagen, daß die Kontaktschichtsich ähnlich wie eine Halbleiterschicht verhält.Beim Betrachten des Übergangswidertsandes ist auch der Widerstand der Läufer-Oberfläche RFl zu berücksichtigen. Er kann bei großen Läufern vernachlässigt werden;ebenso bei geschlossenen Nuten und bei Käfigen, deren Stäbe vom Luftspaltweggerückt sind. Bei kleinen gegossenen Läufern mit halbgeschlossenen Nuten

beeinflußt der Widerstand des Überzuges RFl, welcher beim Abdrehen des Läufersentsteht, aber wesentlich die Höhe des Querwiderstandes Rq. Dieser Einfluß ist umsogrößer, je kleiner der Läufer ist.Der Widerstand der Läufer-Oberfläche kann durch Berechnung nicht bestimmt werden,weil die Dicke des Überzugs sowohl in axialer als auch in tangentialer Richtung sehrungleichmäßig ist. Er hängt von der Breite der Läufernutenöffnung und vom Drehvorgang ab. BeimDurchgang des Drehmessers vom Stab zum Zahn wird das Aluminium verschmiert undin Richtung der Messerbewegung nachgezogen. So wird auf einer Nutseite eine bessere

Verbindung zwischen dem Stabaluminium und dem Paketeisen geschaffen als auf deranderen Nutenseite. Abb. L13 zeigt den Unterschied in der Stärke des Überzugs aufSeite A und B der Nutenöffnung.Die Dicke des Überzugs liegt schätzungsweise in der Größenordnung von etlichen 10μm.

______________________________________________________________________Pr űfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/15


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L5 Ausführungen und Eigenschaften ______________________ ____________

Abb. L13: Detail der Oberfläche eines mechanisch bearbeiteten Läufers

Mit ansteigender Temperatur nimmt der Oberflächenwiderstand RFl zu, weil derspezifische elektrische Widerstand steigt. Bei stärkerer Erwärmung des Läufers kommtes zu mechanischen Beanspruchungen und stellenweisen Brechen des Überzugs.Dadurch wird der Oberflächenwiderstand auf ein Mehrfaches erhöht.

L5. Ausführungen und Eigenschaften

Der Käfigläufer des Asynchronmotors (Abb. L14) stellt einen überaus einfachen undrobusten Bestandteil eines Elektromotors dar.

Abb. L14 Der Käfigläufer eines Asynchronmotors

________________________________________________________________________L/16 Pr űfungen und Messungen an elektrischen Maschinen


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L5 Ausführungen und Eigenschaften___________ ____

Deshalb sowie wegen seiner wirtschaftlichen Fertigungsmöglichkeit hat er den breitenEinsatz von Asynchronmotoren den Weg eröffnet - von Anwendungen im Haushalt,Gewerbe, Landwirtschaft, Transport und allen Industriezweigen bis hin zuRechnertechnik, Raumforschung usw.Trotz seiner Einfachheit ist der Käfigläufer heutzutage wegen seiner riesigenProduktion und zahlreichen Anwendungsbereichen der Gegenstand intensiverForschungen geblieben. Ein Beweis dafür liefert die große Zahl von Patentanmeldungenund erteilten Patenten.Die Vorschläge neuer Lösungen betreffen sowohl Verbesserungen bestehenderAusführungen als auch ganz neue Läuferkonstruktionen, die derAsynchronmotorspeisung mit nichtsinusförmiger Spannung, erhöhten und hohenFrequenzen, immer größeren und geringeren Leistungen, dem Generatorbetrieb, demBetrieb unter sehr veränderlichen Belastungen und Belastungszeiten, häufigen und

schweren Anläufen und vielen anderen spezifischen Betriebsbedingungen.Konstruktion des KäfigläuferDer Läufer besteht aus der Welle, dem Läuferblechpaket , der Käfigwicklung und den

beiden Lüftern.

WelleDie Welle ist zur Kupplung mit antreibenden oder angetriebenen Maschinen je nachBedarf mit einem oder zwei Wellenstrümpfen für das Aufziehen von Kupplungshälftenversehen. Als Material dient ein Stahl antsprechend

DIN 17200. Die Abmessungen der Welle sind nach dem zu übertragendenDrehmoment unter Berücksichtigung der Beanspruchung beim Kurzschluß so gewählt,daß die statische Durchbiegung auf ein Minimum beschränkt bleibt und die

biegekritische Eigenschwingungszahl des Läufers in genügenden Abstand von der Nenndrehzahl liegt. Die 2-poligen Maschinen laufern im allgemein überkritisch, 4-, 6- poligen unterkritisch. Der Käfiglaufer ist mit Walzen-oder Gleitlagern gelagert. DieLagerstellen werden nach dem durchzuleitenden Drehmoment bestimmt. DieLagerstellen sind als Loslagerausgebildet, sie gestatten die freie Ausdehnung derWelle, wie sie z.B. bei Erwärmung auftritt. Die Führungsfunktion wird dabei imallgemein unter Verwendung einer Kupplung mit axialer Spielbegrenzung dem

Führungslager der angetriebenenMaschine übertragen.

LäuferblechpaketDas Läuferblechpaket besteht aus verlustarmen Dynamoblechen, vorwiegend0,5 oder 0,63 mm dick, mit günstigen Biegeziffern.

______________________________________________________________________Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/17


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L5 Ausführungen und Eigenschaften______________________________________

Die Blechringe sind einteilig (Rundschnitt). Das in einer Packvorrichtung gepackte undgepreßte Läuferblechpaket wird von 2 Druckringen in Verbindung mit einer ReiheSpannbolzen axial zusammengepreßt.Die Druckringe aus Walzstahl haben am Außendurchmesser Druckfinger, die Pressungauf die Zähne des Blechpaketes übertragen.

Durch die Pressung werden Blech-und Zahnschwingungen verhindert, und damitwird das Maschinengeräusch gemindert. Am Außenumfang der Blechringe sind Nuten zur Aufnahme der Wicklungeingestanzt. Für eine Paßfeder, die, bei größeren Läufer, zur späteren Fixierung desBlechpaketes auf der Welle dient, sind am Innendurchmesser Nuten eingestanzt. Durcheine Reihe von Bohrungen erfolgt der Kühllufteintrit in das Blechpaket. DieseBohrungen entfahlen bei kleinen Läufer oder bei Verwendung einer Stegwelle.

Die Bleche sind gegeneinander elektrisch isoliert. Bei größeren Läufer ist Blechpaketdurch Kühlschlitze in Teilpakete unterteilt. Diese Kühlschlitze werden durch Stützstegegebildet, die auf die End blechringe der Teilpakete aufgepunktet sind. Die Kühlluftströmt durch die im Läuferblechpaket bzw. bei Stegwellen in der Welle befindlicheaxialen Kanäle in die radialen Schlitze des Läuferblechpaketes, Abb. L15, und führtdie Verlustwärme des Läufers ab. Die Spannbolzen sind mit den Muttern und denDruckringen verschweißt.Das aufgeschrumpfte Blechpaket ist gegen axiale Verlagerungen durch Riegel auf derA-und B-Seite gesichert. Die Riegel sind in Ringnuten der Welle eingesetzt und mitden Druckringen verschweißt.

Abb. L15 Käfigläufer mit Kühlschlitze in Blechpaket. Kappenringe sind enfernt vonKurzschlußringe

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L/18 Prüfugen und Messungen an elektrischen Maschinen


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L5 Ausführungen und Eigenschaften__________________________________

L5.1 Geschweißte (gestiftete) KurzschlußkäfigeSie werden bei Asynchronmotoren mittlerer und großer Leistungen (über 50 kW)eingesetzt wie auch bei Kleinmotoren, wenn spezielle Charakteristiken zu erreichensind. Ihr breiter Anwendungsbereich und häufige Sonderausführungen erfordern einegroße Anzahl von verschiedenen Ausführungen.

Abb. L16 Nutprofile für geschweißten Kurzschlußstäbe

______________________________________________________________________Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/19


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L5 Ausführungen und Eigenschaften_______________________________________

L5.1.1 Übersicht über die NutausführungenDie Hauptform der Kurzschlußkäfig-Nuten sind aus Abb. L16 ersichtlich. Sie werdenvor allem aus Kupfer oder Aluminiumprofilen gefertigt, doch auch Messing, Bronzeund Eisen werden dafür benutzt. Die Schweiß- und Lötverfahren hängen voneingesetzten Werkstoffen und Kurzschlußkäfigkonstruktionen ab. Die Stäbe werden in

Nuten meistens durch Eisenkeile oder durch Stemmen von oberer Seite verfestigt. Dieeingesteckten Stäbe in geschlossenen oder halbgeschlossenen Nuten werden nicht

besonders verfestigt.

L5.1.2 Übersicht über die Verbindungen zwischen Stab und Ring Zur Käfigwicklung sind Kurzschlußstäbe in die Nuten eingetrieben und mit demKurzschlußring hart verlötet. Im allgemein ist die Käfigwicklung aus Kupfer.

Abb. L17 Die häufigsten Ring-/Stab-Verbindungen ___________________________________________________________________________________________________________________________

L/20 Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen


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L5 Ausführungen und Eigenschaften _____ ___________

Bei besonderen elektrischen und mehanischen Bedingungen, z.B. bei schwerem Anlauf(hohes Gegenmoment oder/und großes Trägheitsmoment), ist ein Material verwendet,das den höheren Anforderungen genügt, z.B. Siliziumkupfer oder Messing.Die Haupttypen der Verbindungen zwischen Stab und Ring sind in Abb. L17 dargestellt. Die Stäbe und die Ringe werden zusammengelötet oder -geschweißt(Hartlöten).

Abb. L18 Tipische Stabbrüchen und gebrochene Kurzschlußringe bei Käfigläufer

________________________________________________________________________ Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/21


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L5 Ausführungen und Eigenschaften _____ ____________

Abb. L19 Beschädigung der Ständerwicklung durch Stabbrüchen in Laufer

Abb. L 20 Elastische Verbindung zwischen Stab und Kurzschlußring

Läufer mit „freiem“ KurzschlußkäfigZur Entlastung der empfinflichsten Stelle des Rotors von mechanischen und thermischen

beanspruchungen und zur Verbesserung der Anlaufeigenschaften schlägt man die Lösung desLäufers mit „freiem“ Kurzsclußkäfig vor, Abb. L 21. Der obere Käfig (1) ist frei und mit demKurzschlußring nicht verbunden. Er funktioniert nach dem Prinzip der Querströme, was einefeste Verbindung zwischen Stab und Blechpaket erfordet. Da der obere Käfig frei ist, kann er

beim Anlauf stark belastet werden. Der untere Käfig (2) ist der Arbeitskäfig und wird mit demKurzschlußring (4) verbunden. Das federnder Element (3) dient zur Verfestigung des oberen und

des unteren Käfigs. Durch Änderung der Lage des federnden Elementes werden auch dieMoment- und Stromkurve des Asynchronsmotors geändert. Bei Antrieben, die eineWiderstandsmimentkurve erfordern, kann der Läufer mit gleichen Elementen, jedoch ohne denKurzschlußring eingesetzt werden.Der Einsatz des Läufers mit freiem Kurzschlußkäfig ermöglicht den Hochlauf von sogar bis zu250% größeren Schwungmassen als diejenigen, welche die üblichen Käfigausführungen erlauben.

_______________________________________________________________________L/22 Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen


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L5 Ausf űhrungen und Eigenschaften _____ _ ____________

Dies bedeutet häufig den Einsatz von kleineren Asynchronmotoren, und zwar mit einer um eine bis zwei Leistungsstufen geringeren Leistung. Dadurch können beträchtliche Ersparnisse anAnschlußkabeln und Transformatoren sowie beim Stromverbrauch erbracht werden.

Abb. L 21 Läufer mit „freiem“ Kurzschlußkäfig und die jeweils zugehörigen Kurven für Strom undMoment I =f(n) und M = f(n)

______________________________________________________________________Pr űfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/23


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L5 Ausführungen und Eigenschaften _______________

Zur Entlastung der durch Fliehkräfte beanspruchten Kurzschlußringe sind auf dieseKappenringe aus hochfesten Stählen bzw. Mehrstoffbronzen aufgeschrumpft,Abb. L22a. Die Kappenringe sind durch Gewindestifte gesichert.Bei großen Doppelkäfigen liegen im unteren Teil der Nut Kupferstäbe, darüber Stäbeaus Kupfer oder Messing. Durch Anlöten von insgesamt vier Kurzschlußringenentstehen zwei getrennte Käfige mit verschieden hohem Widerstand. Der obere Käfig,der den höheren Widerstand hat, wird oft als Anlaßkäfig bezeichnet.

a) b)

Abbb. L22 a) Käfigläufer mit schrägliegenden Nuten und Kappenringeb) Keilstabläufer - Stromverdrängungsläufer

Für Motoren größerer Leistung, nicht mehr mit gegossener Läuferwicklung herstellenlassen, verwendet man oft sogenannten Keilstabläufer, als Stromverdräugungsläufer,Abb. L 22b.Die Wirkung der Stromverdrängungsläufer beruht darauf, daß durch das Nutenquerfeldin den massiven Läuferstäben Wirbelströme induziert werden.wird und dadurch höhe Verluste entstehen. Der Wirkwiderstand der Läuferwicklungund das Drehmoment sind daher größer als bei gleichförmiger Stromverteilung. DieseWirkung nimmt zu, je höher die Läuferfrequenz und je höher der Stab ist. Sie

verschwindet in der Nähe des Synchronismus, also beim Nennbetrieb, und ist immotorischen Bereich am größten beim Stillstand. Diese rufen eine ungleichförmige Verteilung des Stromes über den Stabquerschnitthervor, so daß der Strom im Stab nach der Nutöffnung gedrängt

______________________________________________________________________L/24 Prüfungen und Messungen an elektrischen maschinen


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L5 Ausführungen und Eigenschaften ______ _________

LüfterBeiderseits des Blechpaketes sind Axial-lüfter angeordnet. Die Lüfterflügel sind ausWalzstahl und mit einer Lüfternabe verschweißten. Die geschweißten Lüfter sindspannungarm geglüht. Die Befestigung der Lüfter auf der Welle erfolgt mittelsZapfenschraube oder Stiften.

L5.2. Gegossene Kurzschlußkäfige

Sie werden von den geringsten Leistungen von 1 W bis zu den größten von1000 000 W (1 MW) eingesetzt, Abb. L23. Ein so breiter Anwendungsbereich erforderteine Vielfalt von Konstruktionen und Fertigungsverfahren.

Abb. L 23 Gegossene Käfigläufer mit Zwischenring

L5.2.1 Übersicht über die NutausführungenDie Hauptausführungen der Nuten von gegossenen Kurzschlußkäfigen sind aus Abb. 24ersichtlich. Die Mehrzahl der gegossenen Käfige ist aus Aluminium, einige sind ausSilumin, und etliche auch aus Kupfer. Bei Motoren bis50 kW (2 p=4) wird Druckguß angewendet, bei größeren Leistungen Vibrationsgießver-fahren.

L5.2.2 HaupteigenschaftenDie Eigenschaften der gegossenen Kurzschlußkäfige sind in hohem Maße vonFertigungstechniken und -verfahren abhängig. Bei ihnen sind die Abweichungen vonangenommenen bzw. ermittelten Werten sehr häufig, meistens infolge ungenauenBlechpaketierens, unausreichender Gußqualität, ungenügendem Kontaktwiderstandzwischen den Kurzschlußkäfigstäben und dem Blechpaket, sowie schlechtermechanischer Bearbeitung der Läuferoberfläche.

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Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/25L5 Ausführungen und Eigenschaften _____ _________

Abb. 24 Nutprofile für gegossene Kurzschlußkäfige

Durch ungenaues Blechpaketieren, Abb. L25, wird der Stabquerschnitt an einigenStellen wesentlich vermindert. Bei sehr dünnen Stäben und schlechtem Paketieren kannder Stab praktisch unterbrochen werden.Durch Guß unzufriedenstellender Qualität wird die Stableitfähigkeit wesentlichherabgesetzt. Die Stäbe werden porös, Abb. L26, durch Kavernen verschiedener Formund Größe und durch Einschlüsse verschiedener Herkunft (meist Schmiermittel fürWerkzeuge). Es ist klar, daß das Gießen ungenügender Qualität die Eigenschaften desLäufers mit langen und dünnen Stäben besonders negativ beeinflußt.

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L/26 Prüfungen und Messungen an elektrischen MaschinenL5 Ausführungen und Eigenschaften_______________________ ___________

Abb. L 25 Blechlamellenpaketierung: a) genaue Paketierung b) ungenaue Paketierung

Abb. L 26 Querschnitte eines gegossenen Aluminiumstabes auf 1/5, 2/5, 3/5 und 4/5der Stablänge in der Richtung des Schmelzflusses.

Durch nicht ausreichenden Kontaktwiderstand zwischen den Stäben und dem Blech- paket wird die schädliche Wirkung höherer Harmonischer auf die

Asynchronmotorcharakteristiken besonders ausgeprägt bei Motoren, bei denen dieAnzahl der Läufernuten größer ist als die Anzahl der Ständernuten (Z2>Z1). Schlechtemechanische Bearbeitung des Läufers hat bei halbgeschlossenen Nuten die Alumi-niumverwischung auf der Läuferoberfläche zur Folge.Die leitende Aluminiumschicht auf der Läuferoberfläche beeinflußt besonders negativdie Charakteristiken von Kleinasynchronmotoren (bis 50 W), insbesondere vonSpaltmotoren.

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Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/27L5 Ausführungen und Eigenschaften______________________________________

Durch verschiedene nachträglich anzuwendende Verfahren (z. B. vor allem zusätzlichemechanische oder Wärmebearbeitung des Läufers) können die negativen Einwirkungenauf die Motorcharakteristiken infolge unausreichenden Kontaktwiderstandes undverwischtem Aluminium auf der Läuferoberfläche beträchtlich herabgesetzt werden.Die Homogenität der Stäbe kann nur in unbedeutendem Maße beeinflußt werden,während es völlig unmöglich ist, den ungleichmäßigen Stabquerschnitt (durch schlech-tes Paketieren) zu beeinflussen. Als ein besonderes Problem ist die Qualitätskontrolleder gegossenen Kurzschlußläufer, in unbearbeitetem Zustand zu betonen. Dies stellt einsehr komplexes Problem dar, welches auf das genaue Messen des Stabwiderstandes unddes Kontaktwiderstandes zwischen Stab und Blech zurückgeführt wird.Zufriedenstellende Ergebnisse erhält man erst an bearbeitetem Läufer unter Anwendungzerstörender Meßmethoden.

Abb.L27 Elektrischer Widerstand einzelner gegossene Aluminiumstäbe N = 45 inKurzschlußkäfig (Schwarze Kreise bezeichnen acht Eingußstellen.)

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L/28 Prüfungen und Messungen an elektrischen MaschinenL5 Ausführungen und Eigenschaften_______________________________________

Abb. L28 Werte des spezifischen Widerstandes von Stabteilen für einen Teil des Läuferszwischen zwei Eingußöffnungen

Abb. L29 Charakteristischer Verlauf des spezifischen elektrischen Widerstandes entlangeines gegossenen Stabes

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Prüfungen und Messungen an elektrischen Maschinen L/29 L6 Schriftum__________________________________________________________

L6 Schrifttum [L1] Srb, N.: Elektromotori i elektromotorni pogoni,

Graphis, Zagreb, 2007., 556 str.[L2] Srb, N.: Servis elektromotora, Graphis, Zagreb, 2008., 400 str.[L3] Srb, N.: Elektroinženjerski priruč nik - drugo izdanje,

Kigen, Zagreb, 2009., 476 str.[L4] Srb, N.: Qualitäts- und Betriebsausfälle bei Käfigläufern,

Eine Bestandsaufnahme, EMA – 10/2001, S.10...15[L5] Srb, N.: Überwachung von Asynchronmotoren während des Betribs und

Messungen am Läufer ohne Ständer und Lagerschilde, Analyseresultate, EMA – 12/2001, S. 14...18

[L6] Srb, N.: Vergleich der Messverfahren und –ergebnisse, Exakte Diagnose,

EMA 1-2/2002, S. 30...35

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Documents

E-bibliotek 1. Teil Kurzschlußkäfig