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Dokumentenidentifikation DE69735798T2 28.09.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000851557
Titel Käfigläuferinduktionsmotor
Anmelder ABB Oy, Helsinki, FI
Erfinder Haring, Tapio, 65370 Vaasa, FI;
Iisakkala, Jarkko, 65350 Vaasa, FI
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69735798
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.12.1997
EP-Aktenzeichen 976601526
EP-Offenlegungsdatum 01.07.1998
EP date of grant 03.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.09.2006
IPC-Hauptklasse H02K 3/16(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H02K 3/28(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H02K 17/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Käfigläuferinduktionsmotor insbesondere zur Verwendung als Frequenzkonverter, wobei der Käfigläuferinduktionsmotor einen Stator, eine in seinen axialen Nuten angeordnete Statorwindung, die in mindestens zwei Spulengruppen für jede Phase des speisenden Wechselstroms aufgeteilt ist und derart an den speisenden Wechselstrom angeschlossen ist, dass die Summe der Nutenströme mit Basisfrequenz jederzeit im Wesentlichen Null beträgt; und einen zum Rotieren bezüglich des Stators angeordneten Rotor umfasst.

Seit Kurzem vergrößern sich Lagerbeschädigungen an durch Frequenzkonverter bereitgestellten Käfigläuferinduktionsmotoren und als Grund dafür wird der Effekt der Frequenzkonverter-Verwendung auf auf Lager gerichtete Spannungs- und Strombelastung gefunden. In praktischen Messungen wurde herausgefunden, dass Frequenzkonverter drei verschiedene Arten von Spannungen erzeugen, die das Lager beeinflussen. Die Spannungen können durch ihren Kopplungsmechanismus in kapazitive und induktive Spannungen eingeteilt werden. Bei einer induktiven Kopplung, wobei der Gleichtaktstrom in dem durch den Motor gebildeten Stromkreis zirkuliert, induzieren der Frequenzkonverter und eine durch eine Gleichtaktspannung erzeugte Erdung aufgrund eines unsymmetrischen kapazitiven Stromverlusts in dem Motor eine Spannung zwischen den Enden der Welle, wobei die Größe der Spannung von der Amplitude des Stroms und seiner Änderungsrate abhängt. Diese wiederum hängen ab von der Spannungsanstiegsrate von Leistungskomponenten in dem Frequenzkonverter und von Streukapazitäten des Gleichtaktstromkreises und anderen effektiven Impedanzen. Die Spannung erzeugt einen durch die Lager und den Rahmen zwischen den Enden der Welle des Motors zirkulierenden Strom. Die Größe des Stroms hängt von den Impedanzen des Lagerstromkreises und der Größe des Erdstromes ab.

Üblicherweise wird ein Käfigläuferinduktionsmotor derart ausgebildet, dass alle Verbindungsdrähte dem Spulenende der Statorwindung bei dem D-Ende des Motors zugeführt werden und dann in den Statornuten verlaufenden Windungsabschnitten bereitgestellt werden. Die Dokumente US-3686553 und EP-557809 offenbaren derartige Dreiphasen-Maschinen. Die für die niederfrequenten Ströme sichtbare Streukapazität sichtbare Streukapazität zwischen der Windung und dem Rahmen ist sehr klein, weshalb kein longitudinaler Kapazitätsstromverlust auftreten wird und die Summe der Nutenströme des Motors jederzeit Null beträgt.

Ein hochfrequenter Nullstrom verhält sich jedoch auf eine andere Art. Wenn der Strom durch räumlich verteilte Streukapazitäten von der Windung zu dem geerdeten Rahmen fließt, ist die longitudinale Nochfrequenzstromverteilung des Motors nicht symmetrisch. Das heißt, wenn alle Ströme aller Statornuten aufaddiert werden, beträgt ihre Summe nicht Null. Der axiale Nettostrom erzeugt für die Luftspalt einen entsprechenden Hochfrequenznullfluss, der die Welle umgibt. Da die Welle nun durch einen variablen magnetischen Fluss umgeben ist, wird auf dem Induktionsgesetz basierend eine Spannung in ihr induziert, wobei der durch die Spannung erzeugte Strom in dem Fall, dass der Stromkreis sich durch die Lager und den Rahmen schließt, den Änderungen in dem Fluss entgegenzuwirken sucht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Käfigläuferinduktionsmotor bereitzustellen, in dem zwischen den Enden der Welle keine durch einen hochfrequenten Nettostrom erzeugte Spannung erzeugt wird und daher der den an den Lagern Beschädigungen verursachende Strom nicht durch die Lager fließen wird.

Die obige Aufgabe wird mit dem Käfigläuferinduktionsmotor der Erfindung erfüllt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Hälfte der Spulengruppen jeder Phase an einem Ende des Stators und die andere Hälfte der Spulengruppe jeder Phase an dem anderen Ende des Stators an den speisenden Wechselstrom angeschlossen ist.

Die Idee der Lösung der Erfindung besteht darin, dass ein hochfrequenter Nettostrom in der Windung zum Fliessen wie gegen sich selbst gebracht wird, in welchem Falle sein induktiver Effekt bezüglich der Welle aufgehoben werden wird. Da die Windung jedenfalls derart angeschlossen ist, dass die Summe ihrer Nutenströme mit Basisfrequenz unter Berücksichtigung der Richtung ähnlich der eines konventionellen Motors ist, das heißt, derart, dass die Summe der Nutenströme mit Basisfrequenz des Stators jederzeit im Wesentlichen Null beträgt, ist ihre elektrische Leistungsfähigkeit ansonsten gänzlich ähnlich der einer konventionellen Windung.

Im Folgenden wird der Käfigläuferinduktionsmotor der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen in größerem Detail erklärt werden, wobei

1 eine schematische Schnittansicht eines konventionellen Käfigläuferinduktionsmotors ist,

2 eine Phase einer verteilten Ein-Lagen-Windung eines Stators eines konventionellen Käfigläuferinduktionsmotors zeigt,

3 ein Verfahren nach dem Stand der Technik zum Anschließen von Spulengruppen einer Statorwindung zeigt, und

4 ein Verfahren der Erfindung zum Anschließen von Spulengruppen einer Statorwindung zeigt.

1 ist eine Schnittansicht eines konventionellen Käfigläuferinduktionsmotors, der einen Stator 1 und seine Windungen 2 und einen Rotor 4 umfasst, der bezüglich des Stators rotiert. Eine zu den axialen Nuten des Stators angeordnete Statorwindung 2 ist in mindestens zwei Spulengruppen für jede Phase der speisenden Wechselspannung aufgeteilt und ist derart an die speisende Wechselspannung angeschlossen, dass die Summe der Nutenströme des Stators mit Basisfrequenz jederzeit im Wesentlichen Null beträgt. Ein Ende des Motors ist mit dem Bezugszeichen D und das andere mit dem Bezugszeichen N bezeichnet. In einem herkömmlichen Käfigläuferinduktionsmotor werden alle Verbindungsdrähte der Statorwindung zu dem D-Spulenende des Motors geführt, von dem der Strom den Statornuten zugeführt wird. Diese herkömmliche Art, verschiedene Phasen von Spulengruppen der Statorwindung zu versorgen, ist in 3 dargestellt, aus der zu entnehmen ist, dass die Versorgungsleitungen aller Spulengruppen, wie zum Beispiel 3A und 3B, dem D-Ende des Motors zugeführt werden, wo sie an verschiedene Phasen der speisenden Wechselspannung angeschlossen werden. Es ist anzumerken, dass 3 nicht eine funktionierende Windung zeigt, sondern nur ein Verfahren, der Windung einen Strom zuzuführen darstellt.

Eine herkömmliche Statorwindung 2 und ihr Versorgungsverfahren werden außerdem in 2 dargestellt, wo Windungen einer Phase zwischen den Phasenspannungen V1 und V2 angeschlossen sind, wobei die in den axialen Nuten des Stators verlaufenden Windungsabschnitte durch Kreise und Kreuze markiert ist, wobei ein Kreis die Stromrichtung vom Papier weg zeigt und ein Kreuz die Stromrichtung auf das Papier zu anzeigt. Die in der radialen Richtung des Stators verlaufenden Spulenabschnitte bilden ringförmige Spulenabschnitte an beiden Enden des Motors.

Wie früher herausgefunden wurde, fließt ein hochfrequenter Nullstrom über räumliche verteilte Streukapazitäten von der Windung zu dem geerdeten Rahmen, in welchem Fall die longitudinale Hochfrequenzstromverteilung des Motors unsymmetrisch ist. Das heißt, wenn alle Ströme der Statornuten aufaddiert werde, ist ihre Summe nicht Null. Dieser axiale Nettostrom erzeugt für den Luftspalt einen entsprechenden Hochfrequenznullfluss, der die Welle umgibt. Da die Welle nun durch einen variierenden magnetischen Fluss umgeben ist, wird auf der Basis des Induktionsgesetztes in ihr eine Spannung induziert, wobei der durch die Spannung erzeugte Strom in dem Fall, dass der Stromkreis sich über die Lager und den Rahmen schließt, den Änderungen im Fluss entgegenzuwirken sucht. In 1 werden die erzeugte Spannung und der dadurch erzeugte Strom durch eine Spannungsquelle VS dargestellt.

Die Wirkung des in der Windung fließenden Hochfrequenznullstroms kann aufgehoben werden, wenn das Anschlussverfahren der Windung wie in der Erfindung beschrieben geändert wird. Die Grundidee des Anschlussverfahrens der Erfindung ist es, die Summe des Hochfrequenzstromes über den Stator auch zu Null zu machen. Praktisch wird dies derart erreicht, dass der Strom den Statornuten von beiden Spulenenden gleich zugeführt wird, in welchen Fall der Induktionseffekt des Hochfrequenzgleichtaktnullstroms auf die Welle aufgehoben wird und die Summe aller sowohl Basis- als auch Hochfrequenzströme Null ist. Wie in 4 gesehen werden kann, wird nun eine Hälfte, das heisst, in der Praxis der Teil 3A der Spulengruppen jeder Phase, an dem N-Ende des Stators an den speisenden Wechselstrom angeschlossen und die andere Hälfte, d.h. der Teil 3B, an dem anderen Ende des Stators, an dem D-Ende. Eine Hälfte der Spulengruppen der Phasen ist daher in der longitudinalen Richtung invertiert, jedoch derart angeschlossen, dass die Richtungen der Nutenströme mit Basisfrequenz im Vergleich mit einer normalen Windung gleich bleiben. Die Polarität der invertierten Spulengruppen wird daher geändert, um die Richtung der Nutenströme mit Basisfrequenz zu erhalten. Da der Gleichtaktnullfluss sich in allen Phasen in Phase befindet, wird er derart gleich verteilt, dass ein Teil des Stroms von dem N-Ende des Motors zu den Nuten fließt, und ein Teil von dem D-Ende, in welchem Falle die Summe aller Ströme mit Berücksichtigung der Richtung jederzeit Null beträgt. Dann ist die Stromverteilung in longitudinaler Richtung so symmetrisch wie möglich und der Nettostrom kann nicht mehr erzeugt werden. Dann wird keine longitudinale Hochfrequenzspannung in der Welle erzeugt, welche Spannung den durch die Lager fließenden Strom erzeugen könnte.

Mehrere bemerkenswerte praktische Vorteile werden mit der Lösung der Erfindung erreicht. Ein bekannter Weg, den durch die Lager fließenden Strom zu eliminieren, ist es, isolierte Lager zu verwenden. Nun besteht keine Notwendigkeit mehr, solche isolierten Lager zu verwenden, in welchem Fall das Bereitstellen dieser Speziallager keine Probleme für den Hersteller des Motors oder den Kunden verursacht. Noch verursacht die Lösung der Erfindung signifikante Extrakosten zu dem Motor, wie das Verwenden von Speziallagern es tut. Noch hat die Lösung der Erfindung eine Auswirkung auf den Rest der Bauweise, sondern es kann als vorteilhaft angesehen werden, dass symmetrische Spulenenden außerdem die Temperaturdifferenzen des Motors angleichen. Der Aufbau der Erfindung erzeugt keinen Bedarf zum Investieren in Ausrüstungen.

Der Käfigläuferinduktionsmotor der Erfindung ist oben nur auf der Basis einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass in der Praxis die Grundidee des Speisens von beiden Enden der Spulengruppen der Statorwindung wie in der Erfindung beschrieben für alle Käfigläuferinduktionsmotoren angewendet werden kann.


Anspruch[de]
  1. Käfigläuferinduktionsmotor insbesondere zur Verwendung als Frequenzkonverter, wobei der Käfigläuferinduktionsmotor einen Stator (1), eine in seinen axialen Nuten angeordnete Statorwindung (2), die in mindestens zwei Spulengruppen (3A, 3B) für jede Phase des speisenden Wechselstroms aufgeteilt ist und derart mit dem speisenden Wechselstrom verbunden ist, dass die Summe von Nutenströmen mit Basisfrequenz jederzeit im Wesentlichen Null beträgt; und einen Rotor (4) umfasst, der angeordnet ist, bezüglich des Stators zu rotieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hälfte (3A) der Spulengruppen jeder Phase an einem Ende (N) des Stators und die andere Hälfte (3B) der Spulengruppen jeder Phase an dem anderen Ende (D) des Stators mit dem speisenden Wechselstrom verbunden ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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