CN109478831B - 尤其用于高转速的鼠笼式转子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种异步电机(1)的鼠笼式转子(3)，其具有电导体，电导体设置在叠片组(5)的基本上轴向伸展的槽中，其中在叠片组(5)的每个端侧处设有至少一个短路环，短路环将至少一定预设数量的电导体电连接，其中短路环具有由相对高强度的材料构成的护板(24)。
Description
技术领域
本发明涉及一种异步电机的鼠笼式转子/笼式转子，其具有电导体，电导体设置在叠片组的基本上轴向伸展的槽中，其中在鼠笼式转子的每个端侧处设有至少一个短路环，短路环将至少一定预设数量的电导体电连接。本发明还涉及一种具有这种鼠笼式转子的机电机器和这种机电机器的应用。此外，本发明涉及一种用于制造这种鼠笼式转子的方法，在该方法中通过冲压和打包叠片组来实现鼠笼式转子。
背景技术
在机电的旋转异步电机中的鼠笼式转子通常能够在直至大约90m/s的转子处环周速度下使用。更高的转速能力仅通过特别的措施才是可行的。
由于总是要求结构更紧凑、或由于使用直接驱动器以节省传动装置，从现在开始转速要求达到200m/s的转子处环周速度，这例如在轴高度160的情况下对应于大约25000转/分钟的转速。
离心力负荷与速度成平方，使得材料载荷、尤其是在鼠笼式转子的短路环中的材料载荷随转速提高显著上升。在应用密度为2.7kg/dm3的常用铝材料的情况下，作为短路环中的最大允许的机械应力可以直至大约80N/mm2。
然而在150至200℃范围中的常见短路环温度中，纯铝仅具有最大20N/mm2的抗拉强度，进而排除作为用于所寻求的高转速范围的浇注料。
铜由于其8.9kg/dm3的密度同样不适合于极高的转速，因为在所寻求的转速和与其关联的离心力负荷的情况下超过了铜的屈服极限。
此外，为了提供机电机器的高效率，但是如纯铝(电导率36m/Ωmm2)或铜(电导率56m/Ωmm2)的材料是显著适合的。借助已知的铝铜合金，无法实现铝和铜的纯浇注料的电导。
从现在开始，为了在机电机器有效率的同时获得这种转速范围，已知由不同材料构成的、在短路环的外直径处的支撑环。在此不利的是：环仅向外支撑，然而在短路环内部区域中的材料由于高离心力和机械应力而能够流动。借此还改变鼠笼式转子的平衡值，尤其是短路环中的平衡值。
通过使用直至大约80N/mm2的提高的抗拉强度的高强度合金，同样尝试达到该高的转速。在此不利的是：电导率为20至29m/Ωmm2的值，进而与纯铝的情况相比显著更低。由于这种合金的脆性更高，可延展性也更低，由此使关于短路环处机械应力裂纹的欠抵抗力升高。
在合金位于熔化坩埚中时，还造成合金组成部分的析出，这些合金组成部分根据情况能够是锶、硅、锰等。
由此，又降低了熔化物在电导率和机械强度值方面的品质。压铸的工艺安全性和工艺品质因此极其难于维持。这通过如下方式例如通过持续地分析由熔化物构成的样本以及通过由此所需要的再合金来实现：加入合金组成部分并且通过搅拌机构尽可能分散均匀。
在保护气体下浇铸还意味着显著的额外耗费。尤其在机动车工业中的驱动器中，该方法由于所需要的工艺安全性而引起极高的耗费和成本，并且在异步和转子技术中具有相对小的可接收性。
发明内容
基于此，本发明的目的是：实现一种机电机器，尤其异步电机，其具有鼠笼式转子，该鼠笼式转子适合于转子处的高环周速度，特别是直至200m/s的环周速度，并且在效率相对高的情况下，还在车辆中和在机床中提供适合于驱动技术的驱动器。
所提出的目的的解决方案通过一种异步电机的鼠笼式转子实现，其具有电导体，电导体设置在叠片组的基本上轴向伸展的槽中，其中在叠片组的每个端侧处设有至少一个短路环，短路环将至少一定预设数量的电导体电连接，其中短路环具有由相对高强度的材料构成的护板。
所提出目的的解决方案也通过一种机电机器、尤其是异步电机实现，其具有根据本发明的鼠笼式转子。
所提出目的的解决方案也通过一种机床、一种电动汽车、一种压缩机驱动器或一种泵驱动器实现，其具有至少一个机电机器，该机电机器具有根据本发明的鼠笼式转子。
所提出目的的解决方案同样通过一种用于通过如下步骤制造鼠笼式转子的方法来实现：
-冲压并且打包鼠笼式转子的叠片组，
-将适合的护板固定在叠片组的端侧处，
-经由至少一个喷射通道将能导电的浇注料喷入到护板中和叠片组的槽空间中。
根据本发明，上面提出的缺点通过短路环区域中的护板来避免。该护板由于其结构优选地以增材制造方法(3D打印方法)或借助于组合的冲压深拉部件制成，并在将鼠笼绕组在叠片组中铸出之前插入压铸工具中。
借此，现在用于护板的是具有极高抗拉强度的金属，例如钛、钢。护板在短路环的内径和外径处以及在短路环端侧上尽可能闭合地构成。在此之间，设有精细的编织网、框架结构或网格结构或微尺度结构，其给予短路环在运行时所需的支持，然而由于其大约5至10％的体积份额相对很小，确保了同步机的足够的效率。在此，仅不明显地妨碍电通流。
护板的外径和内径闭合地构成，而有利在端侧处、即在指向远离叠片组的面处设有小开口，以在压铸工艺期间排气，由此避免在浇铸工艺期间形成层有害的缩孔。附加地，在朝叠片组的方向上的侧面上，设有设置用于电导体的凹部。
本发明也适合于鼠笼式结构，其中将已经预制成的铜棒插入叠片组的槽中，铜棒有利地轴向地在叠片组的端侧处伸出并且伸入到护板中，使得通过例如通过铝的随后浇铸过程将铜棒从现在开始嵌入铝中，相反短路环几乎由铝掺杂并且通过护板在高转速下保持住。
护板在制造时在该情况下能够附加地承担如下功能：在压铸期间将导体棒尤其径向地且统一地向内和向外固定。
通过用于制造和构建笼式转子的该根据本发明的方法，从现在开始可行的是：由纯铝99.7构成浇注料工作。在应用合金的情况下的上述缺点因此能够被避免。电导率从现在开始显著地高于在所提及的合金中的情况。此外，在短路环中存在均匀分布的均质的护板，该护板在全部区域中使短路环稳定。
由此可靠地避免了通过短路环的外部或内部区域处的高离心力引起的改变或流动。通过护板的闭合的内环区域实现附加的保持，该保持抵抗短路环扩宽。
通过闭合的外环以及护板的至少一个端侧处的闭合面，也保护短路环的外部区域，防止主要在高转速范围中不允许的改变和扩宽。
在中等高度的转速下可能有意义的是：这种护板或网格结构仅设置在短路环的外部区域的径向边缘处。
通过鼠笼式转子、尤其短路环的根据本发明的结构，达到相对高的效率，该效率在纯铝作为浇注料和所需要的转速的情况下无法达到。
短路环的均匀稳定化确保了持久的稳定化，因此避免了在制造过程期间和在机电机器运行时的鼠笼式转子的不平衡。
根据本发明的思想适合于鼠笼式转子的全部笼，或者适合经典的铝笼、混合式笼，即将铜导电棒嵌入铝中，其中短路环基本上由铝或铜笼构成。根据本发明的思想也适合于特定的鼠笼式转子(例如具有彼此绝缘的笼的双重或更多重鼠笼式转子)。
附图说明
根据原理性示出的实施例详细地阐述了本发明以及本发明的有利设计方案。其中示出：
图1示出异步电机的纵截面图，
图2示出护板的立体图，
图3示出护板的另一立体图，
图4示出在护板之内的网格结构的细节图，
图5示出在压铸过程之后贯穿导电材料的剖面的部分立体图，
图6示出单盘的部分立体图，
图7示出单盘的分解图，
图8示出通过单盘制造的护板的总视图，和
图9示出由深冲叠片构成的组合的护板。
具体实施方式
图1示出机电机器1、尤其具有鼠笼式转子3的异步电机的纵截面的原理图。定子2具有绕组系统4，绕组系统在定子2的端侧处构成缠绕头。
在异步电机运行时，经由气隙22在定子2与鼠笼式转子3之间出现电磁交互作用，交互作用引起鼠笼式转子3围绕轴线7的转动。鼠笼式转子3的叠片组5在此抗扭地与轴23连接。
鼠笼式转子3具有槽，槽在其轴向伸展中几乎轴线平行或稍微倾斜地-直至大约两个槽间距-实施。在槽中在该视图中存在未详细示出的电导体，电导体与鼠笼式转子3的短路环6导电地连接。
为了也在直至环周速度200m/s的高转速下能够使用鼠笼式转子3，短路环6具有根据图2的护板24，护板由外轮廓件10、内轮廓件9和对此所需的用于外部的侧面25和用于内部的、即朝向叠片组的侧面26组成。此外，设有在外轮廓件10和/或在侧面25、26处分布的留空部8，留空部用于通风，其在压铸工艺期间在品质方面改进浇注工艺。
此外，在侧面25处设有喷射通道13，以便液态电材料能够进入护板中和叠片组5的槽空间中。
此外，图2示出短路环6的护板24，短路环在制成之前、尤其在浇注过程之前定位在鼠笼式转子3的叠片组5的端侧处。喷射通道13在该视图中是圆形的，但是根据对鼠笼式转子3的槽形状的要求，也能够构成为液滴状等，以便在制造时提供尽可能大的流动通道。在此，槽形状能够根据对鼠笼式转子3的要求(趋肤效应)构成为圆形的、液滴形的、梯形的等。
护板24无需强制性地直接贴靠叠片组5的端侧。为了获得与端侧间隔开的叠片组5，能够使用中间元件，其有可能能够在浇注过程之后取出。
经由护板24之一，进行整个浇注过程，使得至少在护板24的端侧26上设有材料进入开口。
图3从叠片组5的视角示出短路环6的护板24。朝向叠片组5的侧面26具有开口11，这些开口用于容纳电导体、或者用于浇注过程、和/或作为成形棒插入。在侧面26上不存在用于通风的留空部。
图4在护板24的子部分中示出外轮廓件10、以及内轮廓件9和存在于该轮廓件和侧面25、26之内的网格结构14。该网格结构14具有在短路环6之内的导体材料的支持功能，尤其在高转速下的支持功能。在那里示出的网格结构14具有接片20，接片在节点21处共同引导。
在此，基础结构如下构建：径向接片20始于内廓件9的内侧延伸至外轮廓件10的内侧，其中在环周方向上以及在径向和或轴向方向上设有另外的接片20。在接片20的交叉点处存在节点21，这些节点用于护板24之内的整个网格机构14的稳定化。
护板24由于耗费成本的、尤其微尺度的网格结构14借助增材制造方法而制成。因此，通过也称作为3D打印方法的制造方法能够制造由一种或多种抗拉伸的材料、如钢和/或钛构成的复杂的一件式护板。
现在通过压铸方法将导电材料、例如液态铝引入护板24中，导电材料随后占据未被网格结构14占据的体积。在此，得到根据图5的导体材料的结构，图5示出了“半个”短路环6，而没有进行支撑的网格机构14。
图6或图7在另一实施方式中示出其他类型的网格结构14的形成，其中相同或不同结构的各个深拉叠片以轴向依次布置的方式产生网格结构。在那里也同样存在用于通风的留空部8，还有设有喷射通道13。内轮廓件9通过轴向依次设置单独叠片借助定心边缘19来生成，同样生成外轮廓10。因此同样得到护板24，护板具有外轮廓件10、内轮廓件9以及侧面25和26。护板之内的网格结构14利用冲压-深拉方法制造，进而关于结构尽管不同地构成，但是配设与上面描述的护板24相同的特性。
这尤其也可从图8中得出，在那里在分解图中将侧面25、26作为深冲叠片在外部并作为深冲叠片在内部表示出。深冲叠片17在中央借助其定心边缘19形成内轮廓件和外轮廓件的一部分，其中每个深冲叠片17在中央具有基本上径向的接片20以及环绕的接片。就该网格结构14的意义而言的节点仅将接片20在径向方向和环周方向上聚集。
图9组合地示出由深拉叠片构成的短路环6的护板24，深拉叠片同样具有通风留空部8以及至少在护板中具有喷射通道13。
鼠笼式装置6因此在其端侧处至少分别具有由抗拉材料构成的护板24。在护板24之内并且在槽空间的至少部分中，借助于浇注工艺而存在能传导的材料。
如果不完全浇注槽空间，那么将预制的、例如由铜构成的导体棒定位到槽空间中，导体棒轴向地从叠片组5的端侧伸入到护板24中。槽和护板24中剩余的空腔在另外的制造工艺中被能传导的浇注料、如铝或铜占据。
根据本发明的鼠笼式转子6主要适合于高转速范围中的异步电机的应用，即在转子处环周速度为直至200m/s的转速下适合，即例如在车辆技术的驱动器中，例如在电汽车中，但是也在机床技术中或在泵和压缩机驱动器中适合。
Claims (12)
1.一种异步电机(1)的鼠笼式转子(3)，所述鼠笼式转子具有电导体，所述电导体设置在叠片组(5)的基本上轴向伸展的槽中，其中在所述叠片组(5)的每个端侧处设有至少一个短路环(6)，所述短路环将至少一定预设数量的所述电导体电连接，其中所述短路环(6)具有由相对抗拉的材料构成的护板(24)，其中所述护板在外环周处和内环周处闭合地构成，其中在背离所述叠片组的一侧上的侧面闭合地实施或者具有开口，其中在侧面上在朝叠片组的方向上设有用于所述电导体的凹部，其中在所述短路环的内径与外径之间以及在所述短路环的端侧之间，设有框架结构或网格结构，其中所述框架结构或所述网格结构包括在环周方向上以及在径向和轴向上设置的接片，其中在所述接片的交叉点处布置有节点。
2.根据权利要求1所述的鼠笼式转子(3)，其特征在于，所述槽中的所述电导体由铝和/或铜构成。
3.根据权利要求1或2所述的鼠笼式转子(3)，其特征在于，所述护板(24)具有几乎闭合的轮廓，所述轮廓具有内部的网格结构(14)。
4.根据权利要求3所述的鼠笼式转子(3)，其特征在于，所述网格结构(14)至少处于所述短路环(6)的径向外部区域中。
5.根据权利要求1或2所述的鼠笼式转子(3)，其特征在于，所述护板(24)通过增材制造而制成。
6.根据权利要求1或2所述的鼠笼式转子(3)，其特征在于，所述护板(24)通过轴向依次布置的单盘(16、17、18)以冲压深拉方法形成。
7.一种机电机器(1)，具有根据权利要求1-6中任一项所述的鼠笼式转子(3)。
8.根据权利要求7所述的机电机器，其特征在于，所述机电机器是异步电机。
9.一种机床、一种电动汽车、一种压缩机驱动器或一种泵驱动器，具有至少一个根据权利要求7或8所述的机电机器(1)。
10.一种用于制造鼠笼式转子(3)的方法，具有如下步骤：
-冲压并且打包所述鼠笼式转子(3)的叠片组(5)，
-将适合的护板(24)固定在所述叠片组(5)的端侧处，其中在所述叠片组(5)的每个端侧处设有至少一个短路环(6)，其中在所述短路环的内径与外径之间以及在所述短路环的端侧之间，设有框架结构或网格结构，其中所述框架结构或所述网格结构包括在环周方向上以及在径向和轴向上设置的接片，其中在所述接片的交叉点处布置有节点，
-经由至少一个喷射通道(13)将能导电的浇注料喷入到所述护板(24)中和所述叠片组(5)的槽空间中。
11.根据权利要求10所述的用于制造鼠笼式转子(3)的方法，其特征在于，在喷入所述浇注料之前，将能导电的棒插入到所述槽空间中。
12.根据权利要求11所述的用于制造鼠笼式转子(3)的方法，其特征在于，至少一些能导电的棒轴向地经由所述叠片组(5)的所述端侧伸入直至所述护板(24)中。
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