DE102008038798B4

DE102008038798B4 - Asynchronmotor, insbesondere Kältemittelverdichter-Antriebsmotor

Info

Publication number: DE102008038798B4
Application number: DE102008038798.3A
Authority: DE
Inventors: Niels Christian Weihrauch
Original assignee: Secop GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2008-08-13
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2028-08-14
Also published as: CN101651393B; DE102008038798A1; CN101651393A

Abstract

Asynchronmotor (1), insbesondere Kältemittelverdichter-Antriebsmotor, mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), wobei der Rotor einen Korpus (7) mit einer zentrischen Bohrung (18), durch die eine drehfest mitdem Korpus verbundene Welle geführt ist, und Nuten (16, 17) aufweist, in denen elektrischen Leiter (14, 15) angeordnet sind, die an beiden Stirnseiten des Korpus (7) durch jeweils einen Kurzschlussring (12) miteinander verbunden sind, wobei ein Kurzschlussring (12) eine axial nach innen in die Bohrung (18) geführte, in Umfangsrichtung durchgehende Verlängerung (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (18) an dem Ende, an dem die Verlängerung (24) angeordnet ist, eine Durchmesservergrößerung aufweist und die Verlängerung (24) im Bereich der Durchmesservergrößerung eine größere radiale Dicke als in einem Bereich (22) axial weiter innen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Asynchronmotor, insbesondere einen Kältemittelverdichter-Antriebsmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Asynchronmotor für Kompressoren ist aus JP 59-106866 A bekannt, wobei der Motor einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor drehfest mit einer Welle verbunden ist, die durch eine zentrische Bohrung im Rotor geführt ist. An seinen beiden Stirnseiten weist der Rotor jeweils einen Kurzschlussring auf, wobei einer der Kurzschlussringe eine axiale Verlängerung aufweist, die sich in die Bohrung hinein erstreckt.
Ein weiterer Rotor für einen derartigen Motor ist beispielsweise aus DE 692 06 626 T2 bekannt. Der Rotor weist eine Bohrung mit einem gestuften Innendurchmesser auf. Wenn der Stator eines derartigen Motors im Betrieb ein Drehfeld erzeugt, das über den Umfang des Rotors läuft, dann werden in den elektrischen Leitern, die in den Nuten des Rotors angeordnet sind, Ströme induziert, die ihrerseits ein Magnetfeld erzeugen, das mit dem Drehfeld aus dem Stator zu einer Antriebsleistung auf den Rotor führt.
US 2007/0069601 A1 beschreibt einen weiteren Rotor für einen elektrischen Motor, bei der die Kurzschlussringe eine Querschnittsform haben, bei der die radial äußere Kontur gekrümmt ist. Dies ergibt einen verbesserten Wirkungsgrad und eine bessere Motorleistung.
DE 602 18 217 T2 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Rotors. Die elektrischen Leiter in den Nuten werden dadurch erzeugt, dass man den Korpus in eine Gießform einlegt und die Bohrung mit Stopfen verschließt. Danach kann von einer Stirnseite her flüssiges Aluminium eingegossen werden, um die elektrischen Leiter zu erzeugen.
US 3 783 317 zeigt einen Rotor für eine dynamoelektrische Maschine, bei der die Kurzschlussringe axial in den Korpus vordringende Spitzen aufweisen, um die Kurzschlussringe besser am Korpus zu verankern. Diese Spitzen haben aber praktisch keinerlei Einfluss auf die elektrische Leistung des Motors.
In DE 692 06 626 T2 ist ein Läufer für eine elektrische Maschine beschrieben, wobei axial verlaufende Nuten in einem Rotor angeordnet sind, die sich in axialer Richtung verändernde Profile aufweisen. Dabei ist ein Querschnittsbereich der Nuten in einem Bereich kleiner, in denen ein Durchmesser einer Bohrung größer ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Asynchronmotor mit einem guten Wirkungsgrad bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einem Asynchronmotor der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Mit einer derartigen Ausgestaltung lässt sich eine Steigerung des Wirkungsgrads um bis zu 0,3 % erreichen. Man führt dies darauf zurück, dass der Strom nun einen größeren Leiterquerschnitt zur Verfügung hat, um von einem elektrischen Leiter zu einem anderen elektrischen Leiter zu gelangen. Dies gilt insbesondere in Situationen, wo der Strom aus einer Hälfte des Rotors in die andere Hälfte des Rotors fließt. In diesem Falle wäre der kürzeste elektrische Weg der günstige. Dieser kürzeste elektrische Weg führt aber durch die Bohrung, wo kein Leiter zur Verfügung steht. Wenn man nun in der Bohrung durch die Verlängerung des Kurzschlussringes einen zusätzlichen Leitungsquerschnitt zur Verfügung stellt, dann wird der elektrische Widerstand in diesem Teil des Strompfades herabgesetzt und damit der gesamte elektrische Widerstand des Rotors. Man kann in erster Näherung davon ausgehen, dass der Wirkungsgrad des Motors umso besser ist, je niedriger der elektrische Widerstand im Rotor ist. Die Bohrung weist an dem Ende, an dem die Verlängerung angeordnet ist, eine Durchmesservergrößerung auf und die Verlängerung weist im Bereich der Durchmesservergrößerung eine größere radiale Dicke als in einem Bereich axial weiter innen auf. Auch dies ergibt günstige Querschnittsverhältnisse für den Kurzschlussring. Man vermeidet eine Stromkonzentration beim Übergang von dem Hauptteil des Kurzschlussrings, der axial außerhalb des Korpus angeordnet ist, und der axial innerhalb des Korpus befindlichen Verlängerung.
Vorzugsweise weist die Bohrung mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern auf und die Verlängerung erstreckt sich zumindest in dem Abschnitt mit dem größten Durchmesser. Vorzugsweise erstreckt sich die Verlängerung auch noch in einen Abschnitt mit einem etwas kleineren Durchmesser. Auf jeden Fall ist die Verlängerung dort angeordnet, wo der Bedarf für einen vergrößerten Leitungsquerschnitt und eine verringerte Leitungslänge am größten ist. Im Bereich des größten Durchmessers der Bohrung stünde ansonsten nur der Weg außen um die Bohrung herum zur Verfügung, der relativ lang ist. Durch die Verlängerung des Kurzschlussringes in die Bohrung hinein erreicht man einen Strompfad auf dem kleinstmöglichen Durchmesser.
Dies gilt insbesondere dann, wenn die Verlängerung zumindest in einem axialen Abschnitt der Bohrung eine Umfangswand der Bohrung bildet. Die Verlängerung des Kurzschlussringes erstreckt sich also so weit radial nach innen, wie es geht. Natürlich muss auch die Verlängerung einen Bereich in der Bohrung freilassen, um Platz für die Welle zu schaffen. Gleichwohl wird auf diese Weise ein relativ kurzer Leitungsweg für den Strom bereitgestellt.
Vorzugsweise weist die Verlängerung eine radiale Innenseite auf, die sich in einer die Bohrung umgebende Innenseite des Korpus fortsetzt. Dies hat vor allem Vorteile bei der Herstellung. Man kann die Verlängerung gemeinsam mit dem zugeordneten Kurzschlussring am Korpus anbringen und dann eine Feinbearbeitung der Bohrung vornehmen, beispielsweise durch Bohren oder Ausdrehen. Eine Stufe zwischen der Verlängerung und der Innenseite des Korpus ist dann nicht mehr vorhanden.
Auch ist von Vorteil, wenn die Verlängerung an ihrem dem Korpus benachbarten Umfang mindestens einen Vorsprung aufweist, der in einen Rücksprung im Korpus eingreift. Damit ist eine Verdrehsicherung zwischen der Verlängerung und dem Korpus geschaffen, die sich insbesondere dann vorteilhaft auswirkt, wenn die Bohrung nach dem Herstellen der Verlängerung noch bearbeitet werden muss. Man kann dann die Verlängerung mit einer relativ dünnen radialen Wandstärke ausbilden, ohne befürchten zu müssen, dass die Verlängerung bei einem Bohr- oder Drehvorgang vom übrigen Kurzschlussring abreißt. Der Vorsprung, der in den Rücksprung des Korpus eingreift, setzt einer Drehbewegung der Verlängerung gegenüber dem Korpus einen ausreichenden Widerstand entgegen.
Bevorzugterweise ist die Welle in einem Lagergehäuse gelagert, das sich in die Bohrung erstreckt, wobei die Verlängerung das Lagergehäuse zumindest auf einem Teil seiner axialen Länge umgibt. Eine derartige Lagerung hat vor allem dann Vorteile, wenn der Asynchronmotor in einem Kältemittelverdichter verwendet wird. In einem Kältemittelverdichter bildet die Welle die Kurbelwelle eines Verdichters, d. h. sie bewegt über einen Kurbelzapfen und eine Pleuelstange einen Kolben in einem Zylinder hin und her. Durch die Lagerung der Welle in einem Lagergehäuse, das den Rotor auf einem Teil seiner axialen Länge durchsetzt, kann man auf relativ einfache Weise erreichen, dass der Rotor gegenüber dem Stator nicht kippt, auch wenn der Kurbelzapfen mit einer gewissen Entfernung von der axialen Mitte des Rotors an der Welle angeordnet und praktisch nur ein Lager vorgesehen ist. Allerdings hat ein derartiges Lagergehäuse den Nachteil, dass es eine relativ große Bohrung im Korpus erfordert. Eine große Bohrung wiederum bedeutet einen längeren Weg für den Strom von einem elektrischen Leiter, der für den „Hinfluss“ verwendet wird, zu einem anderen elektrischen Leiter, der für den „Rückfluss“ benötigt wird. Durch die Anordnung der Verlängerung des Kurzschlussringes in dem Bereich des Lagergehäuses wird dieses Problem auf elegante Weise umgangen.
Bevorzugterweise ist zwischen der Verlängerung und dem Lagergehäuse ein Spalt mit einer radialen Erstreckung von maximal 1 mm, insbesondere 0,5 mm vorgesehen. Im Grunde reicht es aus, wenn die Verlängerung mit einem geringen Spiel relativ zum Lagergehäuse gelagert ist, so dass sie nicht am Lagergehäuse schleift. Die Verlängerung bildet damit einen Strompfad oder elektrischen Leiter, der auf dem kleinstmöglichen Durchmesser angeordnet ist.
Vorzugsweise weist die Bohrung einen kleinsten Durchmesser auf und der Korpus ist im Bereich dieses kleinsten Durchmessers mit der Welle verbunden, wobei die Nuten in diesem Bereich unterschiedliche radiale Erstreckungen radial einwärts aufweisen. Der Korpus weist in dem Bereich, wo die Bohrung den kleinsten Durchmesser aufweist, einen magnetischen Flusspfad mit dem größten Querschnitt auf. Dies kann man in vorteilhafter Weise dazu auszunutzen, auch einen entsprechend größeren Querschnitt für die elektrischen Leiter zur Verfügung zu stellen. Um zu verhindern, dass sich benachbarte elektrische Leiter im Bereich ihres radial inneren Endes berühren, verwendet man einfach Nuten, deren innere Enden unterschiedliche Entfernungen zur Rotationsachse haben.
Bevorzugterweise ist die Verlängerung an den Kurzschlussring angegossen. Dies vereinfacht zum einen die Herstellung. Für die Herstellung der Verlängerung ist kein zusätzlicher Bearbeitungsschritt erforderlich. Zum anderen werden die elektrischen Eigenschaften verbessert. Wenn die Verlängerung einstückig mit dem Kurzschlussring gegossen ist, dann ergeben sich beim Übergang vom Kurzschlussring in die Verlängerung keine unnötigen elektrischen Widerstände.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

1 einen Motor eines Kältemittelverdichters,
2 einen Rotor des Motors,
3 einen Schnitt III-III nach 2,
4 einen Schnitt IV-IV nach 2,
5 einen Schnitt V-V nach 2 und
6 einen Schnitt VI-VI nach 2.

Ein Motor 1, der zum Antrieb eines Kältemittelverdichters verwendet wird, weist einen Stator 2 und einen Rotor 3 auf. Der Rotor 3 ist drehfest mit einer Welle 4 verbunden, die in einem Lagergehäuse 5 radial und axial gelagert ist. Das Lagergehäuse 5 ist Bestandteil eines Verdichterblocks 6. Das Lagergehäuse 5 ragt dabei mit einem Teil seiner Länge in den Rotor 3 hinein.
Der Rotor 3 weist einen Korpus 7 auf, der aus aufeinander geschichteten Blechronden 8 gebildet ist, deren Form aus den 3 bis 6 hervorgeht. Die Blechronden 8 sind magnetisch leitend und elektrisch gegeneinander isoliert. Auch der Stator 2 ist als Blechpaket 9 mit einer Vielzahl von aufeinander gestapelten Blechen 10 ausgebildet, die magnetisch leitend und elektrisch gegeneinander isoliert sind. Zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 3 ist eine Luftspalt 11 gebildet.
Der Rotor 3 weist an seinen beiden axialen Enden Kurzschlussringe 12, 13 auf, die elektrisch mit elektrischen Leitern 14, 15 verbunden sind. Die Leiter 14, 15 sind in Nuten 16, 17 angeordnet, die in den Blechronden 8a-8d ausgebildet sind. Die Blechronden 8a-8d können beispielsweise durch Stanzen erzeugt werden. Die elektrischen Leiter 14, 15 und die Kurzschlussringe 12, 13 können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass das Blechpaket des Korpus 7 in eine Gießform eingelegt wird und sodann Aluminium eingegossen wird, das die elektrischen Leiter 14, 15 und die Kurzschlussringe 12, 13 bildet. Die Leiter 14, 15 sind mit den Kurzschlussringen 12, 13 dann einstückig verbunden.
Zur Aufnahme der Welle 4 weist der Korpus 7 des Rotors 3 eine zentrische, axial verlaufende Bohrung 18 auf, die mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist. In einem Abschnitt 19 mit dem kleinsten Durchmesser ist die Welle 4 drehfest mit dem Korpus 7 verbunden. An den Abschnitt 19 schließt sich ein Abschnitt 20 mit einem etwas größeren Durchmesser an. Dazwischen kann noch ein Hilfsabschnitt 21 mit einem noch etwas größeren Durchmesser vorgesehen sein. Der Hilfsabschnitt 21 befindet sich dort, wo das Lagergehäuse 5 axial endet.
Auf der dem Hilfsabschnitt 21 abgewandten Seite schließt sich an den Abschnitt 20 ein weiterer Abschnitt 22 mit einem weiter vergrößerten Durchmesser und danach ein Abschnitt 23 mit einem nochmals vergrößerten Durchmesser an.
Im Bereich der Abschnitte 22, 23 mit dem größten Durchmesser ist eine Verlängerung 24 des Kurzschlussrings 12, der dem Verdichterblock 6 benachbart ist, angeordnet. Die Verlängerung 24 ist, wie dies aus den 3 und 4 zu erkennen ist, als Ringzylinder ausgebildet. Sie ist einstückig mit dem Kurzschlussring 12 ausgebildet.
Wie insbesondere aus 2 zu erkennen ist, bildet die axiale Verlängerung 24 des Kurzschlussrings 12 über einen gewissen axialen Bereich des Korpus 7 die radial äußere Begrenzung der Bohrung 8, mit anderen Worten die Innenwand des Läufers 3. Die Innenseite der Verlängerung 24 setzt sich in der Innenseite des Korpus 7 im Abschnitt 20 fort. Dementsprechend entsteht hier keine Stufe, sondern die Bohrung 18 ist auf der dem Abschnitt 19 mit dem kleinsten Durchmesser gegenüberliegenden Seite des Hilfsabschnitts 21 glatt ausgebildet.
Dies hat zur Folge, dass die Verlängerung 24 im Bereich des Abschnitts 23 mit dem größten Durchmesser radial eine größere Erstreckung aufweist, als im Bereich des Abschnitts 22 mit dem nächst kleineren Durchmesser. Dies ist durch einen Vergleich der 3 und 4 ohne Weiteres zu erkennen. 3 zeigt einen Schnitt im Bereich des Abschnitts 23 und 4 zeigt einen Schnitt im Bereich des Abschnitts 22.
Die Verlängerung 24 weist in Umfangsrichtung verteilt mehrere radial vorstehende Vorsprünge 25 auf, die in entsprechende Rücksprünge 26 im Korpus 7 eingreifen. Dementsprechend kann man die Verlängerung 24 des Kurzschlussrings 12 gegenüber dem Korpus 7 nicht verdrehen. Dies hat Vorteile bei der Herstellung des Rotors 3. Man kann die elektrischen Leiter 14, 15 in den Nuten 16, 17, wie oben erwähnt, aus Aluminium gießen und auch gleichzeitig die Verlängerung 24 erzeugen. Diese kann nach dem Gießvorgang durchaus noch einen Teil der Bohrung 18 ausfüllen. Danach wird die Bohrung 18 erzeugt. Dabei wirken in Umfangsrichtung teilweise erhebliche Kräfte auf die Verlängerung 24. Da die Verlängerung 24 aber durch die Kombination von Vorsprung 25 und Rücksprung 26 drehfest im Korpus 7 gehalten ist, kann sich die Verlängerung 24 nicht gegenüber dem Kurzschlussring 12 drehen. Dementsprechend wird auch ein Abreißen der Verlängerung 24 vom Kurzschlussring 12 verhindert.
Wie insbesondere aus 1 zu erkennen ist, ist durch die radiale Verdickung 27 der Verlängerung 24 an der dem Kurzschlussring 12 benachbarten Stirnseite des Korpus 7 ein Übergang zum Kurzschlussring 12 geschaffen, der einen vergleichsweise großen Querschnitt hat. Dadurch kann man der Tatsache Rechnung tragen, dass der Kurzschlussring 12 in der Nähe des Verdichterblocks 6 einen relativ großen Innendurchmesser haben muss, um Platz für den Verdichterblock 6 zur Verfügung zu stellen.
Wie ebenfalls aus 1 zu erkennen ist, umgibt die Verlängerung 24 das Lagergehäuse 5 mit einem ausgesprochen geringen Spalt. Die radiale Erstreckung des Spalts liegt bei maximal 1 mm, vorzugsweise sogar bei 0,5 mm. Im Grunde muss nur verhindert werden, dass im Betrieb die Verlängerung 24 am Lagergehäuse 5 schleift.
Durch die sich axial in den Rotor erstreckende Verlängerung 24 des Kurzschlussrings 12 kann man die Auswirkungen des Nachteils beseitigen, der sich dadurch ergibt, dass man das Lagergehäuse 5 in den Rotor 3 einsetzt. Diese Ausgestaltung hat zwar mechanische Vorteile, weil der Rotor mit der Welle 4 über einen relativ großen Bereich geführt werden kann. Sie hat aber elektrisch den Nachteil, dass die Ströme von einem Leiter 14 zum anderen Leiter 15 um das halbe Lagergehäuse 5 herumfließen müssen. Wenn man nun die Verlängerung 24 vorsieht, die am kleinst möglichen Durchmesser im Rotor 3 angeordnet ist, dann wird die Länge des Kurzschlussring-Leiters, die elektrische Leiter 14, 15 miteinander verbindet, verringert. Dadurch sinkt der elektrische Widerstand, was sich positiv auf den Wirkungsgrad des Motors 1 auswirkt.
Wie ein Vergleich der 3 bis 6 zeigt, sind die Nuten 16, 17 in den Abschnitten 20, 22, 23 praktisch gleich. Gleiches gilt auch für die elektrischen Leiter 14, 15 in den Nuten 16, 17. Lediglich im Abschnitt 20 sind die Nuten 16, 17 und die Leiter 14, 15 in radialer Richtung nach innen etwas verlängert, weil hier der Durchmesser der Bohrung 18 etwas kleiner ist.
In 6, die eine Ronde 8d zeigt, wo der Durchmesser der Bohrung 18 am kleinsten ist, ist jede zweite Nut radial nach innen verlängert und mit einem elektrischen Leiter ausgefüllt. Dadurch ergeben sich günstige elektrische Verhältnisse.

Claims

Asynchronmotor (1), insbesondere Kältemittelverdichter-Antriebsmotor, mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), wobei der Rotor einen Korpus (7) mit einer zentrischen Bohrung (18), durch die eine drehfest mitdem Korpus verbundene Welle geführt ist, und Nuten (16, 17) aufweist, in denen elektrischen Leiter (14, 15) angeordnet sind, die an beiden Stirnseiten des Korpus (7) durch jeweils einen Kurzschlussring (12) miteinander verbunden sind, wobei ein Kurzschlussring (12) eine axial nach innen in die Bohrung (18) geführte, in Umfangsrichtung durchgehende Verlängerung (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (18) an dem Ende, an dem die Verlängerung (24) angeordnet ist, eine Durchmesservergrößerung aufweist und die Verlängerung (24) im Bereich der Durchmesservergrößerung eine größere radiale Dicke als in einem Bereich (22) axial weiter innen aufweist.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (18) mehrere Abschnitte (19, 20, 22, 23) mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist und die Verlängerung (24) sich zumindest in den Abschnitt (23) mit dem größten Durchmesser erstreckt.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung (24) zumindest in einem axialen Abschnitt der Bohrung (18) eine Umfangswand der Bohrung bildet.
Bohrung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung (24) eine radiale Innenseite aufweist, die sich in einer die Bohrung (18) umgebende Innenseite des Korpus (7) fortsetzt.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung (24) an ihrem dem Korpus (7) benachbarten Umfang mindestens einen Vorsprung (25) aufweist, der in einen Rücksprung (26) im Korpus 7 eingreift.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (4) in einem Lagergehäuse (5) gelagert ist, das sich in die Bohrung (18) erstreckt, wobei die Verlängerung (24) das Lagergehäuse (5) zumindest auf einem Teil seiner axialen Länge umgibt.
Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verlängerung (24) und dem Lagergehäuse (5) ein Spalt mit einer radialen Erstreckung von maximal 1 mm, insbesondere maximal 0,5 mm, vorgesehen ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (18) einen kleinsten Durchmesser aufweist und der Korpus (7) im Bereich dieses kleinsten Durchmessers mit der Welle (4) verbunden ist, wobei die Nuten (16, 17) in dem Bereich unterschiedliche radiale Erstreckungen radial einwärts aufweisen.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung (24) an den Kurzschlussring (12) angegossen ist.