AT515990A2

AT515990A2 - Kurzschlussrotor

Info

Publication number: AT515990A2
Application number: ATA358/2014A
Authority: AT
Inventors: Christian Dr Grabner
Original assignee: Atb Spielberg Gmbh
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2016-01-15
Also published as: AT515990B1; AT515990A3

Abstract

Ein Kurzschlussrotor (1) besitzt ein Rotorpaket (2) in dem geschrägte oder achsparallele Nuten (4), in die Kupferstäbe (3) eingesetzt sind, vorgesehen sind. An die Kupferstäbe (3) sind Streusegmentstege (5) angeformt, die zur Außenfläche {7) des Rotorpaketes (2) ragen. Die Kupferstäbe (3) sind gegenüber den Innenflächen (9) der Nuten (4) isoliert und an diesen über achsparallele Rippen (8) abgestützt. Die über die seitlichen Stirnflächen (12) des Rotorpaketes (2) vorstehenden Enden der Kupferstäbe (3), die Kerben (11) aufweisen, sind auf beiden Seiten des Rotorpaketes (2), mit angegossenen Kurzschlussringen (20) aus Aluminium, elektrisch leitend verbunden. In einzelnen Nuten (4) sind aus dem Werkstoff Aluminium der Kurzschlussringe (20) bestehende und mit den Kurzschlussringen (20) einstückig ausgebildete Stäbe (15) vorgesehen. Die Aluminiumstäbe (15) sind mit gleichen Winkelabständen, insbesondere 90", voneinander angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussrotor (Kurzschlussläufer)mit den Merkmalen des einleitenden Teils von Anspruch 1 (JP H09-65625 A) .

Kurzschlussrotoren (Käfigrotoren), wie sie für Asynchronmaschinenverwendet werden, besitzen Kurzschlussringe. Problematisch beiden bekannten Rotoren ist es, dass es schwierig ist, Materialeinzusparen, wobei dieses Problem auch durch Verwenden vonKurzschlussläufern aus Aluminium, die im Druckgussverfahrenhergestellt werden können, nicht gelöst ist.

Ein Kurzschlussrotor ist aus der DE 102 47 484 Al bekannt. Beidiesem Rotor für eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine sinddie als Kupferstäbe ausgebildeten elektrischen Leiter des Rotorsin Nuten des geblecht ausgeführten Rotors (Käfigläufers)eingebettet. Zwischen den Kupferstäben und dem Blechpaket desRotors sind elektrisch isolierende Schichten vorgesehen. Über dieAusgestaltung des Kurzschlussringes des bekanntenKurzschlussrotors gibt die DE 102 47 484 Al keine Auskunft. DieQuerschnittsform der Nuten im Blechpaket, in welchen dieKupferstäbe aufgenommen sind, kann gemäß der DE 102 47 484 Alrechteckig, trapezförmig oder tropfenförmig sein.

Die JP H09-65625A zeigt einen Kurzschlussrotor, in demelektrische Leiter in Form von Kupferstäben vorgesehen sind.Zusätzlich sind bei dem bekannten Kurzschlussrotor weitere Stäbevorgesehen, die zusammen mit den Endringen durch Gießen ausAluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet werden.

Die JP H09-65625 A zeigt einen Kurzschlussrotor, in demelektrische Leiter in Form von Stäben aus unterschiedlichenWerkstoffen (Aluminium und Kupfer) vorgesehen sind.

Ein ähnlicher Kurzschlussrotor ist aus der GN 201956853 Ubekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kurzschlussrotor zu schaffen, der einfach herzustellen ist. Weiters soll dieEnergieeffizienz in Asynchronmaschinen durch den Einsatz deserfindungsgemäßen Kurzschlussrotors verbessert (gesteigert)werden.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einemKurzschlussrotor, der die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sindGegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Kurzschlussrotor können beide ausAluminium bestehenden Kurzschlus.sringe, also der Kurzschlussringan der AS-Seite (Abtriebseite) und der Kurzschlussring an der BS-Seite (Bremsenseite), in einem Arbeitsgang, beispielsweise durchein Aluminiumdruckgussverfahren, hergestellt werden.

Wenn in dem Rotorpaket des erfindungsgemäßen Kurzschlussrotors nNuten (beispielsweise n=24) vorgesehen sind, können aus m Nuten(beispielsweise m=4) Kupferstäbe weggelassen werden. Diese mNuten, die insbesondere über den Umfang des Rotorpaketesgleichmäßig verteilt (gleiche Winkelabstände (ziB. 90° -mechanische Grade) voneinander) sind, erlauben das Strömen vonflüssigem Aluminium von einem Ende (AS) des Rotorpaketes zumanderen Ende (BS) (beispielsweise von der Abtriebseite "AS" zurBremsenseite "BS" hin), so dass beide Kurzschlussringe in einemArbeitsgang hergestellt, d.h. an die über die Stirnflächen desRotorpaketes überstehenden Enden der Kupferstäbe angegossenwerden können.

Mit dem erfindungsgemäßen Kurzschlussrotor lassen sich in derPraxis kleinere Schlupfwerte erreichen und damit auch verringerteVerlustwerte. Das Ergebnis dieser Maßnahme ist, dass derWirkungsgrad des Motors (Asynchronmaschine) bei gleichemBauvolumen deutlich angehoben ist. Zusätzlich werden bei demerfindungsgemäßen Motor parasitäre Effekte, wie "Querströme" imRotorkäfig, klein gehalten.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich ausder nachstehenden Beschreibung eines bevorzugtenAusführungsbeispiels anhand der Zeichnungen.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Einzelheit eines erfindungsgemäßenKurzschlussrotors,

Fig. 2 in Schrägansicht (teilweise) einen erfindungsgemäßenKurzschlussrotor und

Fig. 3 schematisch einen doppelt gekerbten Kupferstab und

Bei dem erfindungsgemäßen Kurzschlussrotor 1 ist in über denAußenumfang des Rotorpaketes 2 (Blechpaket) gleichmäßig verteilteine Reihe von Kupferstäben 3 als elektrische Leiter vorgesehen.Die Kupferstäbe 3 sind in achsparallelen oder geschrägtausgeführten Nuten 4 in dem Rotorpaket 2, dem Grundkörper desRotors 1, angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel haben dieNuten 4 und die Kupferstäbe 3 einander entsprechende, im Beispielim Wesentlichen tropfenförmige Querschnittsformen. AndereQuerschnittsformen für die Nuten 4 und die Kupferstäbe 3, wiepolygonale (dreieckig, viereckig) oder kreisrunde sind ebenfallsin Betracht gezogen.

Mit jedem der Kupferstäbe 3 einstückig ausgebildet ist einStreusegmentteil 5 ("Streusteg"), der in das offene Ende der Nut4 im Rotorpaket 2 ragt. Die äußere Endfläche 6 desStreusegmentteils 5 fluchtet mit der (zylindrischen) Außenfläche7 des Rotorpakets 2.

Zur sicheren Führung der Kupferstäbe 3 in den Nuten 4 desRotorpaketes 2 sind an den Kupferstäben 3 drei längslaufendeRippen 8 vorgesehen, die an der Innenfläche 9 der Nuten 4anliegen und so als Führung für die Kupferstäbe 3 ("3 Punkt"-Führung) dienen. Statt der Rippen 8 können an der Außenfläche derKupferstäbe 3, z.B. kegelförmige oder kegelstumpfförmige,Vorsprünge, die an der Innenfläche 9 der Nuten 4 anliegen,vorgesehen sein.

Um die Kupferstäbe 3 gegenüber dem Rotorpaket 2 zu isolieren,können entweder Isoliermaterialien eingelegt sein oder aber eswird - bevorzugt - eine elektrische Isolierung durchOxidschichten auf der Innenfläche 9 der Nuten 4 und/oder derAußenseite der Kupferstäbe 3 erzeugt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Isolierungdurch Oxidschichten wie folgt hergestellt werden.

Zunächst wird das Rotorpaket 2 thermisch behandelt (Bläuen),sodass auf diesem eine Oxidschicht, insbesondere an derInnenseite 9 der Nuten 4, erreicht wird.

Die Isolierung des gebläuten Rotorpaketes 2 wird durch Tränkendes Rotorpaketes 2 in einem Harzbad, das eine Tränkisolation 10ergibt, verstärkt.

Die Kupferstäbe 3, die in die geschrägten oder achsparallelenNuten 4 des Rotorpaketes 2 einzusetzen sind, werden unabhängigvon den beiden zuvor genannten Maßnahmen vor dem

Verarbeitungsvorgang (Einsetzen der Kupferstäbe 3 in die Nuten 4)ebenfalls oxidiert, sodass auch auf den Kupferstäben 3 einezuverlässige elektrische Isolation verwirklicht wird.

Hinzuweisen ist noch darauf, dass die in die Nuten 4 desRotorpaketes 2 eingesetzten Kupferstäbe 3 beispielsweise eineTropfenform aufweisen. Unabhängig von der Form der Kupferstäbe 3und der entsprechenden Form der Nuten 4 können erfindungsgemäßfolgende Maßnahmen verwirklicht werden: - Der Streusteg 5 kann durch eine spezielle Formgebung der

Kupferstäbe 3 verwirklicht werden, wie dies insbesondere undbeispielhaft aus Fig. 1 ersichtlich ist.

Durch die längslaufenden Rippen 8 (oder Vorsprünge) an denKupferstäben 3 ergibt sich eine vorteilhafte "3 Punkt"-Führung, sodass es durch die oben geschilderten Maßnahmen (Bläuen und Tränken im Harzbad) möglich ist, die Stäbe 3 indas Rotorpaket 2 einzuschieben, wobei nur an drei Punktenoder Linien ein Kontakt Kupferstab-Rotorblechpaket auftritt.Dies hat eine vorteilhafte Reduktion der parasitärenQuerströme zur Folge. Zwischen den Führungsvorsprüngen(diese können durchgehende Rippen 8 oder einzelne bzw.knopfartige (kegelförmige) Vorsprünge sein) befindet sicheine genau definierte Isolierschicht 10 aus Gießharzmaterialdurch die Tränkharzisolierung.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Kurzschlussringe 20 bei demerfindungsgemäßen Kurzschlussrotor 1 aus Aluminium ausgeführt.Dabei ist vorgesehen, dass die beidseitig über das Rotorpaket 2überstehenden Enden der beispielsweise eine tropfenförmigeQuerschnittsform aufweisenden Kupferstäbe 3 in dieKurzschlussringe 20 eingreifen.

Wie in Fig. 3 gezeigt, besitzen die Kupferstäbe 3 deserfindungsgemäßen Kurzschlussrotors 1 an beiden Enden (Fig. 3)Kerben 11. Die Form der Kerben 11 ist nicht wesentlich. Kerben 11mit gebogener Form sind erfindungsgemäß ebenso in Betrachtgezogen wie gewinkelte Formen, z.B. dreieckige oder trapezförmigeKerben 11.

Bei dem erfindungsgemäßen Kurzschlussrotor 1 bestehen dieKurzschlussringe 20 aus Aluminium und werden beispielsweise imAluminiumdruckgussverfahren hergestellt. Es werden also die überdie Stirnflächen 12 des Rotorpaketes 2 überstehenden Enden derKupferstäbe 3 in einem Arbeitsgang mit Aluminium umgossen, um dieKurzschlussringe 20 zu bilden. Normalerweise gibt es keinen Spalt21 zwischen dem Rotorpaket 2 und dem gegossenen Aluminium-Kursschlussring 20 auf der AS-Seite und der BS-Seite.

Wenn im Vorliegenden "Aluminium" angesprochen ist, sind nicht nur(technisch) reines Aluminium, sondern auch Aluminiumlegierungengemeint.

Dabei sind in den Nuten 4 des Rotorpaketes 2 (Blechpaket)Kupferstäbe 3 beispielsweise so angeordnet, dass an beiden Enden(abtriebseitig "AS" und bremsenseitig "BS") Kerben 11 aufweisendeEnden von Kupferstäben 3 über das Rotorpaket 2 überstehen.

Die Anordnung der KupferStäbe 3 ist die folgende:

Am Rotorumfang sind in die Nuten 4 des Rotorpaketes 2 nurKupferstäbe 3 mit "doppelt gekerbter" Kontur (Fig. 3)eingeschoben.

Vor dem Angießen der Aluminium-Kurzschlussringe 20 können dieüberstehenden Enden der Kupferstäbe 3 mechanisch und/oderchemisch blank gemacht werden, um eine gut elektrisch leitendeVerbindung zwischen den Kupferstäben 3 und den Kurzschlussringen20 zu erreichen.

Bei dem erfindungsgemäßen Kurzschlussrotor 1 sind nicht in alleNuten 4 des Rotorpaketes 2 Kupferstäbe 3 mit über beideStirnflächen 12 des Rotorpaketes überstehenden, vorzugsweisegekerbten und nicht gekerbten Enden eingesetzt.

In wenigstens eine Nut 4 des Rotorpaketes 2 ist kein Kupferstab 3eingesetzt. Bevorzugt sind über den Umfang des Rotorpaketes 2gleichmäßig verteilte Nuten 4 nicht mit Kupferstäben 3 bestückt.Beispielsweise sind bei vierundzwanzig (24) Nuten 4 desRotorpaketes 2 vier (4) Nuten 4, die voneinander einenWinkelabstand von 90° haben, frei von Kupferstäben 3 und werdenbeim Angießen der Kurzschlussringe 20 mit Aluminium gefüllt, sodass in diesen Nuten 4 des Rotorpaketes 2 Aluminiumstäbe 15vorgesehen sind, die mit beiden Kurzschlussringen 20 einstückigsind. Dies erlaubt es beim Herstellen des erfindungsgemäßenKurzschussrotors 1 die Kurzschlussringe 20 (beide) durch einenArbeitsgang im Aluminiumdruckgussverfahreri’ von einer Seite, z.B.der Abtriebseite, aus herzustellen.

Mit Vorteil kann im Rahmen der Erfindung in einer möglichen

Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Kurzschlussringe 20 vonden Stirnflächen 12 des Rotorpaketes 2 Abstand (Spalt 21) haben,sodass eine vorteilhafte Entkopplung erreicht wird. Auf Grund derEntkopplung der an die Kupferstäbe 3 angegossenenKurzschlussringe 20 vom Rotorpaket 2 ergeben sich bezüglich derKühlung des Kurzschlussringes 20 Vorteile. Dies gilt sowohl fürden Betrieb eines mit dem erfindungsgemäßen Kurzschlussrotor 1ausgestatteten Motors durch Luftverwirbelung einerseits als auchfür das Herstellen des erfindungsgemäßen Kurzschlussrotors 1,wenn die Kupferstäbe 3 mit den Kurzschlussringen 20 imAluminiumdruckgussverfahren umgossen werden, andererseits.

Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiefolgt beschrieben werden:

Ein Kurzschlussrotor 1 besitzt ein Rotorpaket 2, in demgeschrägte oder achsparallele Nuten 4, in die Kupferstäbe 3eingesetzt sind, vorgesehen sind. An die Kupferstäbe 3 sindStreusegmentStege 5 angeformt, die zur Außenfläche 7 desRotorpaketes 2 ragen. Die Kupferstäbe 3 sind gegenüber denInnenflächen 9 der Nuten 4 isoliert und an diesen überachsparallele Rippen 8 abgestützt. Die über die seitlichenStirnflächen 12 des Rotorpaketes 2 vorstehenden Enden derKupferstäbe 3, die Kerben 11 aufweisen, sind auf beiden Seitendes Rotorpaketes 2 mit angegossenen Kurzschlussringen 20 ausAluminium elektrisch leitend verbunden. In einzelnen Nuten 4 sindaus dem Werkstoff Aluminium der Kurzschlussringe 20 bestehendeund mit den Kurzschlussringen 20 einstückig ausgebildete Stäbe 15vorgesehen. Die Aluminiumstäbe 15 sind mit gleichen,Winkelabständen, insbesondere 90°, voneinander angeordnet.

Claims

Patentansprüche: 1. Kurzschlussrotor (1) für eine Asynchronmaschine, bestehendaus einem Rotorpaket (2), das nach außen zur Umfangsfläche(7) hin offene Nuten (4) aufweist, wobei in geschrägten oderachsparallelen Nuten (4) elektrische Leiter in Form vonKupferstäben (3) aufgenommen sind und wobei an beiden Endendes Kurzschlussrotors (1) Kurzschlussringe (20) vorgesehensind, wobei in wenigstens einer Nut (4) ein Stab (15)vorgesehen ist, der wie die Kurzschlussringe (20) ausAluminium besteht, und wobei an Enden der Kupferstäbe (3)Kerben (11) vorgesehen, sind, welche Kerben (11) mit demWerkstoff Aluminium der Kurzschlussringe (20) ausgefülltsind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferstäbe (3) überdie Seitenflächen (12) des Rotorpaketes (2) überstehen unddass die Kupferstäbe (3) an beiden Enden Kerben (11)aufweisen, dass die Kerben (11) der Kupferstäbe (3) an derAbtriebsseite (AS) und an der Bremsenseite (BS) liegen.
2. Kurzschlussrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Stab (15) aus Aluminium mit einem, bevorzugt mitbeiden der Kurzschlussringe (20) einstückig ausgebildet ist.
3. Kurzschlussrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, dass zwei oder mehr als zwei, insbesonderevier, Stäbe (15) aus Aluminium vorgesehen sind.
4. Kurzschlussrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,dass die Stäbe (15) aus Aluminium bezogen auf die Achse desRotorpaketes (2) voneinander gleiche Winkelabständeaufweisen.
5. Kurzschlussrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurchgekennzeichnet, dass der wenigstens eine Stab (15) ausAluminium und die Kurzschlussringe (20) einstückig gegossen,insbesondere im Druckgussverfahren gegossen sind.
6. Kurzschlussrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurchgekennzeichnet, dass im Rotorpaket (2) vierundzwanzig Nuten(4) vorgesehen sind und dass in vier Nuten (4) Stäbe (15),die aus Aluminium bestehen, vorgesehen sind.
7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurchgekennzeichnet, dass über die Seitenflächen (12) desRotorpaketes (2) des Rotors (1) vorstehende Enden derKupferstäbe (3) mit dem Werkstoff Aluminium derKurzschlussringe (20) umgossen sind.
8. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurchgekennzeichnet, dass Kerben (11) bezogen auf die Achse desRotorpaketes (2) radial nach innen und/oder radial nachaußen weisen.
9. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurchgekennzeichnet, dass die Kupferstäbe (3) eine tropfenförmigeQuerschnittsform aufweisen.
10. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurchgekennzeichnet, dass an den Kupferstäben (3) und an demwenigstens einen Stab (15) aus Aluminium in das offene Endeder Nuten (4) ragende Streusegmentstege (5) vorgesehen sind.
11. Rotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieAußenflächen (6) der Streusegmentstege (5) mit derAußenfläche (7) des Rotorpaketes (2) fluchten.
12. Rotor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dassdie Streusegmentstege (5) bis in die Kurzschlussringe (20)ragen.
13. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurchgekennzeichnet, dass die Außenflächen der Kupferstäbe (3)und/oder die Innenflächen (9) der Nuten (4) mit einerIsolationsschicht versehen sind, wobei die Isolationsschicht insbesondere eine Oxidschicht ist.
14. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurchgekennzeichnet, dass die Enden der Kupferstäbe (3) vor demAngießen der Kurzschlussringe (20) mechanisch und/oderchemisch blank gemacht sind.
15. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurchgekennzeichnet, dass die Kurzschlussringe (20) imDruckgussverfahren angegossen sind.
16. Rotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dieKurzschlussringe (20) in einem einzigen Verfahrensschrittangegossen sind.