CN105305752B - 异步电机的笼型转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转式异步电机的笼型转子(1)，具有轴向层叠的组合叠片，其具有基本上轴向延伸的槽(9)，至少一个导电体位于槽中，导电体至少由两个分导体(12，13)组成，分导体由不同的能导电的材料制成，设置在组合叠片的相应端面处的短路环(6)，该短路环使相应槽的轴向上从组合叠片中伸出的导电体相互导电地连接，其中，在相应的槽(9)的轴向延伸上观察，不同的能导电的材料的较高强度的材料至少按部段地朝向槽(9)的径向靠外的区域。

Description

异步电机的笼型转子
技术领域
本发明涉及一种异步电机的笼型转子，其具有轴向层叠的组合叠片，组合叠片具有基本上轴向延伸的槽，槽内有导电体，该导电体与组合叠片的相应端面处的其他槽内的导电体构成短路环，并且如此构成笼型转子。
背景技术
在以较高转速范围应用的具有笼型转子的异步电机中，在转子处，特别是短路环处，显示出薄弱部位。在此，在短路环处由于离心力而出现不规则的扩张，这发展成不允许的、不可恢复的变化，并且在此意义上能够作为转子中的不平衡性被察觉。这主要出现在短路环中，其使用纯铝(AL99.5)作为导电的浇铸料。在此，虽然导电值比较高，但是这种材料不适合于高离心力荷载。
发明内容
由此出发，本发明基于以下目的，实现一种异步电机的笼型转子，其不仅能承受离心力荷载，而且还有较少的损耗。
所提出的目的通过一种异步电机的笼型转子来实现，其具有
轴向层叠的组合叠片，其具有基本上轴向延伸的槽，槽内有导电体，导电体至少由两个导体组成，该两个导体由不同的能导电的材料制成，
设置在组合叠片的相应端面处的短路环，该短路环使轴向上从组合叠片中伸出的导电体相互导电地连接，
其中，高强度的材料至少占据槽的径向靠外的区域，并且在轴向延伸上观察，至少按部段地占据槽的这些靠外的区域。
所提出的目的也通过一种异步电机和一种用于制造笼型转子的方法来实现，该方法包括以下步骤：
冲压叠放转子的片，以便获得组合叠片，
将作为分导体的棒置入到组合叠片的轴向延伸的槽中，使得棒轴向地从槽中伸出，
将分导体浇铸到槽内，以便如此来获得导体，同时将短路环浇铸到组合叠片的端面处。
根据本发明，现在使用铝合金，特别是Al9Cu3或ALSi9Cu3，其具有Rm＝240N/mm2并且Rp0.2＝140N/mm2，具有仅为21m/Ohm mm2的导电值。通过在较低的温度下也能够浇铸的方式，这种材料具备对于压铸法来说比较好的技术性能。
此外，由此显著提升了短路环的转速适宜度，因为这种浇铸料在较高转速时才进入到塑性区域中。为了补偿槽中的低导电值，将根据本发明的铝棒Al99.7置入到槽中，该铝棒具有36m/Ohm mm2的导电值、具有相应的槽几何形状和一定程度的槽填充。例如，通过铝棒填充85％的槽，15％通过浇铸料。短路环中较低的导电值能够通过将横截面以1.7倍扩大来补偿。
在浇铸时，在棒和浇铸料之间产生合金，该合金在允许的延伸性方面至少与浇铸料相对应。因此，在高转速时基于扩张而垂直于切向应力延伸的接触面不会断裂。铝棒和浇铸料的膨胀系数几乎一致。因此，该系统适用于高转速。
在大约40％用特殊的铜棒并且60％用浇铸料Al9Cu3填充槽时，槽内产生大约35m/Ohm mm2的导电值。短路环中较低的导电值在此也能够借助使导电的短路环的横截面以1.7倍扩大来补偿。
然而，嵌入的铜棒必须以一种特别针对高转速研发的几何形状来实施，从而不会由于高的切向应力产生棒的接触面朝向浇铸的短路环断裂。该铜棒具有针对高转速和在短路环中的切向应力的特殊几何形状。
为了在棒和浇铸料之间能够形成金属间相，为棒覆层。
在形成、制造时的金属间相的几何形状和形态也明确地参见在DE 10 2009 008440 B3中的公开内容，就此也应当包含这些内容。
通过使合适部位处的材料形成混合晶体式的连接，改进了导体和短路环之间的连接。短路棒在转子组合叠片的端面侧的两个端部处轴向地从组合叠片中伸出，并且伸入到所浇铸的短路环内。还通过以下方式实现在导体端部和短路环之间的粘着力的提升，即通过使分导体、即由铝或铜制成的棒以如下方式覆层，使得不仅在覆层和导体之间产生合金、即混合晶体式连接，而且在覆层和所浇铸的短路环材料之间也产生合金。
在笼型转子在运行中升温时，达到大约200至250℃的温度。由此导致在所浇铸的槽区域中出现高的热膨胀。在导体和短路环之间的过渡此时可能松开，由此导致在短路环和导体之间的过渡的区域中的导电值变差。这导致了过渡电阻，过渡电阻额外地加热了短路环。
此外，当分导体、即棒和所浇铸的短路环之间的连接不能产生足够的轴向保持力时，在压铸法中出于密封的原因而轴向压合的转子组合叠片能够在轴向上进一步扩张。
通过覆层使得导体通过最大可能的粘着力连接到压铸体处。相应地，当笼型转子在电动发电机运行时经历重要的热周期时，尽管可能有不同的热膨胀系数，但导体和短路环之间的连接保持稳定。在高转速时，作用到转子上的离心力也部分地起到在导体-短路环内形成的强烈应力的作用。此外，通过合金实现材料之间的最优过渡导电值。
覆层和第一合金层能够通过电机械地电镀来形成。在此，首先以电化学路径在棒上沉积一层覆层材料。此时在该过程中，在棒和覆层材料之间形成所期待的混合晶体式连接。当随后特别是借助压铸工艺施加压铸材料、即Al时，熔化在棒上的覆层，并且随着压铸熔融物同样形成混合晶体式连接，从而形成第二合金层。
能够考虑其他的覆层方法来代替电镀，其同样导致了在材料之间的所期待的混合晶体式连接。在此特别适合热喷涂法，特别是火焰喷涂、等离子喷涂、光弧喷涂或者激光喷涂。
该层同样能够通过冷喷涂或者通过蒸发镀膜来制造。
在所有这些方法中、但特别是也在电镀中，也在覆层之前通过化学预处理该导体来去除导体的氧化层。氧化层具有绝缘的电属性，从而通过去除所述的氧化层明显降低了材料之间的过渡电阻。
例如在此，在具有铜棒和铝短路环的混合转子中，使薄铝层施加到铜导体的表面上。这例如能够通过电镀来实现。在该覆层过程中，在铝覆层和铜导体之间形成合金。随后将铝压铸料注入到槽中，其中由此同时也浇铸了短路环。在此，熔化了在导体表面处的铝覆层，并且随着铝熔融物形成混合晶体式连接。此时，最终形成第二合金层。特别是在铜棒的从转子组合叠片中伸出并伸入到短路环中的端部的区域内，在这两种材料之间形成表现稳定的连接，从而提高了关于热循环和在运行时出现的离心力方面的稳定性。在此，在由铝制成的短路环和铜棒之间形成近乎理想的电和机械连接。
在浇铸方法中，在已覆层的分导体之间、即棒和熔融物之间可能出现显著的化学反应。在本发明的有利设计方案中，为了避免棒由于与棒处于接触状态的熔融物而有大的损耗，能够将覆层和合金层仅仅布置在导体的从转子组合叠片伸出并伸入到短路环内的端部区域处。所述的端部区域是在导体和短路环之间的晶体式连接部位。相应地，所参与的材料和分导体的强烈的晶体式连接在此特别重要。
还重要的是，在每个导体的该端部区域中在这两种材料之间的过渡导电值具有特别的重要性，因为此时电流从导体过渡到短路环上。相反，即使在借助压铸来制造的转子中，导体在槽内部的区域中的强烈的晶体式连接重要性较小，因为此时在分导体之间不期望有电流。
在棒和浇铸料的接触面处形成更硬的合金、例如ALCU2，相比两个待连接的部件铜和浇铸料分别具有的延伸能力，其延伸能力较小。为了现在避免棒在高转速时从短路环断裂，现在在棒中设置有特殊的轮廓，由此实现几乎与切向应力的方向同向地延伸的面。因此，这些接触面荷载有剪切力，附加地由棒的轮廓产生形状配合。
在另一种实施方式中，短路环具有支撑环并且因此防止了由于在具有大于125m/s的圆周速度的转速时的离心力而出现塑性扩张。支撑环由在热膨胀方面与待支撑的短路环的热膨胀性相对应的材料制成，例如ENAW-7075。优选地由具有极高抗拉强度的铝合金制成。
支撑环也能够由挤压材料来获得，这种材料具备所需要的材料特征值。
在此，高强度的铝合金是特别适合的，抗拉强度达到了500N/mm2范围中。该高强度的、具有23.6x10-6 1/K的热膨胀系数的铝合金等于纯铝的热膨胀系数。
根据本发明，浇铸料的对于高转速而言的降低的导电能力通过在槽内插入铝棒或铜棒来补偿。因此，在实现了槽内的高导电值的同时实现异步电机的高度的转速适应性。在转速特别高时，通过支撑环的共同作用防止了浇铸料流动。支撑环的材料在高抗拉强度的同时具有与短路环相同的热膨胀系数。由此能够确保电动发电机的从-40℃到+250℃的温度范围。因此，对于根据本发明的笼型转子能够实现在200到230m/s的圆周速度范围内的转速。
因此，支撑环的所允许的行程界限只能够用于在高转速时来自离心力的负载，并且不因为短路环的热膨胀而已经被“消耗掉”，因此，具有540N/mm2的抗拉强度的铝合金就已经足够了。
因此，在高强度的铝合金中，例如具有高抗拉强度的AL7075中，相对于传统的布置能够实现高达70％的转速提升，其中，因此特别是也满足了来自车辆技术(用于电驱动汽车和公交车的发动机、纯电动的和混合式的驱动装置)，或者压缩机技术中的规定。
如果转子的槽的头部区域代替Al99.5以铝合金来浇铸，那么基于这种材料的更高的强度，防止了浇铸料从槽向外流出。因此也能够在转子组合叠片中设置几乎开放的、半开放式的槽或者具有较窄的槽开口的槽，这些槽基于这些槽的漏电感而适合于这些转子的变流器式应用。
附图说明
根据所示出的实施例更详尽地阐述本发明以及本发明的其他有利的设计方案；在此示出：
图1是电动机的原理性纵剖面图，
图2是转子的部分横截面，
图3是转子的部分纵剖面，
图4、图5是转子的部分横截面，
图6转子组合叠片的部分横截面。
具体实施方式
图1以原理图示出了电动发电机的纵剖面，该电动发电机实施为异步电机，其中，容纳了轴承罩8的壳体18支承了轴4，在轴上转子5与其组合叠片抗扭地连接。转子5在本发明的领域内也被称为笼型转子。轴4在此围绕轴线20转动。在该组合叠片的端面处分别有短路环6，该短路环使转子5的轴向从槽9中探出的导体在端面处电连接。定子2位于转子5的径向外侧，定子通过气隙19隔开，定子在其端面处具有绕组系统3的绕组头部。
图2以转子5的横向于轴线20的部分横截面图示出了两个分导体，一个由铝制成的棒和一个铝合金制成的在槽头部区域内的分导体。在异步电机运行时出现的切向应力15和径向应力16，如在后面的附图中一样，在转子5的这个区段内用箭头表示。在转子片和导体棒13之间存在接触面11。
图3以部分纵剖面图示出了根据图2的转子5的短路环6，该短路环通过支撑环14抵抗径向力、即离心力地在异步电机运行时支撑住。分导体13、即棒在轴向上经由转子5的组合叠片10的端面伸入到短路环6内。槽头部在该处也以一种铝合金来实施。
图4和图5以横截面示出了具有特殊棒的短路环，即用于高转速的分导体13，其中，径向应力和切向应力在该处也用箭头表示。导体棒13根据图4实施为梳状，并且根据图5实施为S形，以便在短路环6内实现棒轮廓的尽可能大的接触面。在此，导体棒或分导体13在其整个轴向长度上实施为梳状的或S形的。然而也可行的实施方案是，其中，分导体13仅仅按部段地、即例如仅在具有增大的接触面的短路环区域内、即例如实施为梳状、双梳状、齿轮状、星状或者S状。
原则上，分导体13的其他增大表面的造型也是可行的，此外重要的是，通过增大表面是否实现了所追求的分导体13在短路环6内的接触效果。
图6示出了槽9的部分横截面，槽在气隙18的方向上通过槽开口17来实施，其中，分导体12在槽头部区域内伸入到槽开口17中。根据槽开口17的宽度产生漏电感，该漏电感对于电动发电机的变流器运行能够是有利的。
如果转子的槽的头部区域由铝合金、例如AlSi9Cu3代替Al99.5来浇铸，那么基于该铝合金的更高的强度，防止了在运行时浇铸料由于离心力而从槽9内“流出去”。在浇铸期间，槽开口17对外密封。因此也能够在转子组合叠片中设置几乎开放的、半开放的槽9或者具有较窄的槽开口17的槽9。
笼型转子的以下实施方案例如特别为高转速而设计，并且因此特别适合在电动车(直接驱动或混合驱动)的车辆技术中的应用和在压缩机驱动装置中的应用。当然，只要使用了具有类似材料特征值的材料，笼型转子的其他材料组合也是可行的。
因此，具有由纯铝Al、至少部分地围绕了棒的浇铸材料ALSI9Cu3制成的棒和分导体13并且具有由合金AW7075制成的支撑环14的笼型转子，具有在极高转速适应性时的较高的导电值。在此，棒和浇铸料具有相同的膨胀系数。由于这两种铝成分，实现了棒到短路环16处的特别好的结合。
具有由铜、至少部分地围绕了棒的浇铸料ALSI9Cu3制成的棒和分导体13并且具有由合金AW7075制成的支撑环14的笼型转子，在极高转速适应性时同样具有较高的导电值。然而，正如上面所示，铜棒需要特殊的轮廓，以便实现铜棒在所浇铸的短路环6内的充分的棒结合。

Claims (13)

1.一种旋转式异步电机(1)的笼型转子，具有
轴向层叠的组合叠片，该组合叠片具有基本上轴向延伸的槽(9)，至少一个导电体位于所述槽中，该导电体至少由两个分导体(12，13)组成，该分导体由不同的能导电的材料制成，
设置在所述组合叠片的相应的端面处的短路环(6)，该短路环使相应的所述槽的轴向上从所述组合叠片中伸出的所述导电体相互导电地连接，其中，在相应的所述槽(9)的轴向延伸上观察，不同的能导电的所述材料的较高强度的材料至少按部段地朝向所述槽(9)的径向靠外的区域，其中，短路笼的导体的至少一个所述分导体(12，13)构造成预成型的实心导体，预成型的所述实心导体具有特殊的轮廓，由此实现所述实心导体的与切向应力的方向同向地延伸的面，其中所述实心导体至少部分地由所述不同的能导电的材料的所述较高强度的材料围绕，其中，所述实心导体构造成梳状。
2.根据权利要求1所述的异步电机(1)的笼型转子，其特征在于，所述实心导体构造成双梳状。
3.根据权利要求1所述的异步电机(1)的笼型转子，其特征在于，所述实心导体构造成S形。
4.根据权利要求1所述的异步电机(1)的笼型转子，其特征在于，所述短路环(6)分别在径向靠外的圆周处具有至少一个支撑环(14)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的异步电机(1)的笼型转子，其特征在于，所述笼型转子的所述组合叠片的轴向延伸的所述槽(9)至少按部段地形成部分封闭的槽(9)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的异步电机(1)的笼型转子，其特征在于，在导体的两个所述分导体(12，13)之间构造有起到接触面作用的合金。
7.根据权利要求5所述的异步电机(1)的笼型转子，其特征在于，在导体的两个所述分导体(12，13)之间构造有起到接触面作用的合金。
8.一种具有根据前述权利要求中任一项所述的笼型转子(5)的异步电机(1)，所述笼型转子抗扭地连接在轴(4)上并且对于引起大于125m/s的圆周速度的转速是适合的。
9.一种用于制造用于异步电机的根据权利要求1-6中任一项所述的笼型转子的方法，具有以下步骤：
叠放所述转子(5)的片，以便得到组合叠片，
将作为分导体的棒插入到所述组合叠片的轴向延伸的槽(9)中，使得所述棒轴向地从所述槽(9)伸出，
在所述槽(9)中浇铸所述棒，以便获得导体，同时将短路环(6)浇铸到所述组合叠片的端面处，
其中，作为分导体的所述棒具有特殊的轮廓，由此实现所述棒的与切向应力的方向同向地延伸的面，其中所述棒至少部分地由不同的能导电的材料的所述较高强度的材料围绕，其中，所述棒构造成梳状。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，冲压叠放所述转子(5)的片。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述短路环(6)的外圆周处安装支撑环。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，棒在插入到轴向延伸的所述槽(9)中之前已覆层。
13.一种具有根据权利要求1-7中任一项所述的笼型转子的车辆驱动装置或压缩机驱动装置。
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