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Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussläufer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kurzschlussläufers.
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Laminierte, also aus vielen einzelnen ferromagnetischen Blechen aufgebaute Rotoren für Elektromotoren sind bekannt.
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Für Anwendungen mit sehr hohen Drehzahlen und/oder in verunreinigten, korrosiven oder unkontrollierbaren Umgebungen kann diese laminierte Bauform allerdings an physikalische Grenzen stoßen oder gar unzulässig werden.
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Die Verwendung eines einteiligen, massiven Rotors bzw. Läufers (Massivläufers) aus ferromagnetischem Material kann hier die gewünschte Lösung bieten, da diese Bauform erhebliche Vorteile in Bezug auf mechanische Festigkeit, rotordynamische Stabilität, einfachen Aufbau und massive Reduktion von Bauteilen darstellt.
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Verschiedene Bauformen eines Massivläufers sind im Stand der Technik verwirklicht und im Einsatz, wie z. B.: glatte Massivläufer, Massivläufer mit Schlitzen, Massivläufer mit Außenhülse, Massivläufer mit Kurzschlusskäfig usw.
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Ein mit einem Kurzschlusskäfig ausgebildeter Kurzschlussläufer eines Elektromotors kann typischerweise eine ferromagnetische Läuferwelle mit einem Massivläuferabschnitt, mehrere elektrisch leitende stabförmige Leiter und elektrisch leitende Endringe aufweisen.
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Ein Kurzschlussläufer der eingangsgenannten Art ist aus
DE 7000062 U bekannt. Bei diesem Kurzschlussläufer sind mehrere konische Leiterstäbe (Stabelemente) durch Einschrumpfen in axial durch einen Massivläuferabschnitt des Kurzschlussläufers hindurch verlaufende konische Bohrungen (Durchgangspassagen) eingesetzt. Mit anderen Worten sind die Leiterstäbe fest mit dem Massivläuferabschnitt verbunden. Dadurch kann sich bei Erwärmung des Kurzschlussläufers, da die Leiterstäbe in der Regel aus einem anderen Material als der Massivläuferabschnitt bestehen und damit andere Wärmeausdehnungseigenschaften aufweisen, der gesamte Kurzschlussläufer verziehen, was zu Unwuchten oder sogar zu Rissen führen kann.
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Dies kann zur Verringerung der Lebensdauer des Kurzschlussläufers und damit zum vorzeitigen Ausfall eines damit ausgerüsteten Elektromotors führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kurzschlussläufer bereitzustellen, der im Betrieb einen geringeren Verzug aufweist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kurzschlussläufers bereitzustellen.
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Die o. g. Aufgaben werden mit einem Kurzschlussläufer gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß der Erfindung weist ein Kurzschlussläufer für einen Elektromotor eine Läuferwelle, die einen von ferromagnetischem Material gebildeten Massivläuferabschnitt hat, der eine Mehrzahl von sich in einer Axialrichtung der Läuferwelle um einen Umfang des Massivläuferabschnitts herum verteilt erstreckenden Durchgangspassagen aufweist, eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Stabelementen, die jeweils in einer der Durchgangspassagen aufgenommen sind, so dass sich die jeweiligen Stabelemente in Axialrichtung der Läuferwelle durch den Massivläuferabschnitt hindurch erstrecken, wobei die Stabelemente jeweils ein erstes Längsende und ein dem ersten Längsende abgewandtes zweites Längsende aufweisen, und zwei elektrisch leitende Endelemente auf, von denen ein erstes Endelement die ersten Längsenden der Stabelemente elektrisch miteinander verbindet und ein zweites Endelement die zweiten Längsenden der Stabelemente elektrisch miteinander verbindet, so dass von Stabelementen und Endelementen ein Kurzschlusskäfig gebildet ist.
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Der erfindungsgemäße Kurzschlussläufer zeichnet sich dadurch aus, dass die jeweiligen Stabelemente in den Durchgangspassagen derart aufgenommen sind, dass bei einer Längenänderung der Stabelemente und/oder des Massivläuferabschnitts eine Relativbewegung in Axialrichtung der Läuferwelle zwischen dem Massivläuferabschnitt und den in dessen Durchgangspassagen aufgenommenen jeweiligen Stabelementen ermöglicht ist.
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Dadurch, dass bei einer z. B. erwärmungsbedingten Längenänderung der Stabelemente und/oder des Massivläuferabschnitts eine Relativbewegung in Axialrichtung der Läuferwelle zwischen dem Massivläuferabschnitt und den Stabelementen ermöglicht ist, wird sich der Massivläuferabschnitt und damit der ganze Kurzschlussläufer im Betrieb in einem Elektromotor nicht so stark wie ein herkömmlicher Kurzschlussläufer oder gar nicht verziehen.
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Damit können Unwuchten und Risse vermieden werden, welche zur Verringerung der Lebensdauer des Kurzschlussläufers und damit zum vorzeitigen Ausfall eines damit ausgerüsteten Elektromotors führen würden.
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Bevorzugt ist der Massivläuferabschnitt einstückig an die Läuferwelle angeformt, so dass Läuferwelle und Massivläuferabschnitt aus dem gleichen Material hergestellt sind.
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Diese Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass keine kraftschlüssige und/oder Formschlüssige Verbindung zwischen Läuferwelle und Massivläuferabschnitt hergestellt werden braucht, sondern beide aus einem Stück z. B. per Drehen herstellbar sind. Dies reduziert die Herstellungskosten und mögliche Problemstellen des Kurzschlussläufers.
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Gemäß der Erfindung können die jeweiligen Stabelemente so in den Durchgangspassagen aufgenommen sein, dass die Stabelemente unter Überwindung einer bestimmten Kraft in Axialrichtung relativ zum Massivläuferabschnitt verlagerbar sind. Eine solche Lagerung der Stabelemente in den Durchgangspassagen kann z. B. durch eine leichte Presspassung, eine Übergangspassung, eine Spielpassung oder sogar durch eine über eine Spielpassung hinausgehend lose Aufnahme der Stabelemente in den Durchgangspassagen realisiert sein.
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Bevorzugt sind die jeweiligen Stabelemente ungeklemmt in den Durchgangspassagen aufgenommen, so dass eine ungehemmte Relativbewegung in Axialrichtung der Läuferwelle zwischen dem Massivläuferabschnitt und den in dessen Durchgangspassagen aufgenommenen jeweiligen Stabelementen ermöglicht ist. Bevorzugt ist zwischen einem Außenumfang der jeweiligen Stabelemente und einem Innenumfang der jeweiligen Durchgangspassagen eine Spielpassung gebildet.
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Damit sind die Stabelemente einerseits ungehemmt relativ zu dem Massivläuferabschnitt verschiebbar und andererseits einfach und schnell austauschbar, wenn dies notwendig sein sollte.
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Im Betrieb eines mit dem erfindungsgemäßen Kurzschlussläufer ausgerüsteten Elektromotors, wie z. B. eines Asynchronmotors, werden die Stabelemente mit steigender Drehzahl immer stärker gegen einen radial äußeren Abschnitt ihrer jeweiligen Durchgangspassage gepresst, so dass Schwingungen der Stabelemente vermindert und der magnetische Fluss verbessert werden. Damit werden Erwärmungen des Massivläuferabschnitts und der Stabelemente reduziert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eines von dem ersten und dem zweiten Längsende eines jeden Stabelements so mit dem zugehörigen Endelement verbunden, dass bei einer Längenänderung des jeweiligen Stabelements und/oder des Massivläuferabschnitts unter Gewährleistung einer für einen zu übertragenden elektrischen Strom dimensionierten elektrischen Verbindung eine Relativbewegung in Axialrichtung der Läuferwelle zwischen dem betreffenden Längsende und dem Endelement ermöglicht ist.
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Mit anderen Worten ist das betreffende Längsende einerseits fest genug an dem Endelement gehalten, wie z. B. geklemmt oder z. B. mittels einer Schrauben-Druckfeder-Kombination gekuppelt, dass sich das Stabelement im Betrieb des Kurzschlussläufers nicht unbeabsichtigt aus den Durchgangspassagen lösen kann und stets der maximal zu übertragende Induktionsstrom (Wirbelstrom) über diese Verbindung übertragbar ist. Andererseits ist es bei einer z. B. erwärmungsbedingten Längenänderung des Stabelements und/oder des Massivläuferabschnitts ermöglicht, dass das betreffende Längsende sich unter Überwindung einer bestimmten Kraft in Axialrichtung relativ zum Endelement verlagert, um die Längenänderung auszugleichen.
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Damit wird ein Verziehen des Massivläuferabschnitts bzw. des gesamten Kurzschlussläufers zuverlässig vermieden.
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Gemäß der Erfindung können die Endelemente Sackausnehmungen und/oder Durchgangsausnehmungen zum Aufnehmen der Längsenden der Stabelemente aufweisen. Bei Sackausnehmungen ist zu gewährleisten, dass ausreichend Spiel zwischen einem Bodenabschnitt der jeweiligen Sackausnehmung und dem jeweiligen Längsende vorhanden ist, so dass die Längsausdehnung des Stabelements aufnehmbar ist.
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Gemäß der Erfindung können beide Längsenden in beiden Endelementen wie oben beschrieben axialverlagerbar aufgenommen sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem jeweiligen verschiebbaren Längsende und dem jeweils zugehörigen Endelement eine Übergangspassung gebildet.
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Die Übergangspassung gewährleistet einerseits, dass das betreffende Längsende fest genug an dem Endelement gehalten ist, so dass sich das Stabelement im Betrieb des Kurzschlussläufers nicht unbeabsichtigt aus der jeweiligen Durchgangspassage lösen kann und stets der maximal zu übertragende Induktionsstrom (Wirbelstrom) über diese Verbindung übertragbar ist, und andererseits, dass sich das betreffende Längsende bei einer z. B. erwärmungsbedingten Längenänderung des Stabelements und/oder des Massivläuferabschnitts unter Überwindung einer bestimmten Kraft (hier einer durch die Übergangspassung erzeugten Klemmkraft) in Axialrichtung relativ zum Endelement verlagert, so dass die Längenänderung ausgeglichen wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Endelemente jeweils ringförmig ausgebildet, wobei jedes Endelement wenigstens zweiteilig ausgebildet ist, und wobei die wenigstens zwei Teile jedes Endelements elektrisch miteinander verbunden sind.
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Durch die mehrteilige, z. B. zweiteilige oder auch dreiteilige, Ausführung des Endelements wird dessen Montage erleichtert, da eine geringere Anzahl von Stabelementen gleichzeitig bzw. pro Teil einzupassen sind. Damit können auch hinsichtlich der Fertigungsgenauigkeit (z. B. Teilungswinkel, Durchmesser der Durchgangspassagen) die Toleranzen größer gewählt werden und damit die Kosten reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Kurzschlussläufer mit einem einen Kurzschlusskäfig aufweisenden Massivläuferabschnitt bereitgestellt, wobei der Kurzschlussläufer eine ferromagnetische Läuferwelle mit dem einstückig an diese angeformten Massivläuferabschnitt, mehrere elektrisch leitende Stabelemente (stabförmige Leiter) und elektrisch leitende, ein- oder mehrteilige Endelemente (bevorzugt Endringe) aufweist, und wobei die Stabelemente in gebohrten oder erodierten Löchern in den Massivläuferabschnitt der Läuferwelle eingebracht sind.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung können die Stabelemente einen runden, ovalen, eckigen oder jeden sonstigen Profilquerschnitt aufweisen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung sind die Stabelemente lose oder fest mit den ein- oder mehrteiligen Endelementen (bevorzugt Endringen) verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Stabelemente lose mit dem einstückig an die ferromagnetische Läuferwelle angeformten Massivläuferabschnitt verbunden.
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Gemäß der Erfindung werden bei einem Verfahren zum Herstellen eines Kurzschlussläufers gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform(en) in jeder denkbaren Kombination die Durchgangspassagen im Massivläuferabschnitt jeweils durch eine Trennbearbeitung in den Massivläuferabschnitt eingebracht.
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Damit kann einerseits die gewünschte Passung zwischen jeweiligen Stabelementen und jeweiligen Durchgangspassagen mit guter Genauigkeit gewährleistet werden und kann andererseits der Übergang der Stabelemente in die Endelemente mit guter Positionsgenauigkeit sichergestellt werden.
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Bevorzugt werden die Durchgangspassagen im Massivläuferabschnitt jeweils durch eine spanende und/oder eine abtragende Bearbeitung in den Massivläuferabschnitt eingebracht. Noch bevorzugter werden die Durchgangspassagen im Massivläuferabschnitt jeweils durch Bohren und/oder Funkenerodieren in den Massivläuferabschnitt eingebracht.
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Mit anderen Worten wird gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Einbringung der Stabelemente (stabförmigen Leiter) durch Tieflochbohrungen und/oder Formerodierungen am Umfang durch den Massivläuferabschnitt hindurch, d. h. durch die bevorzugt vollwandige bzw. massive Läuferwelle mit dem für den Massivläufer vorgesehenen Abschnitt hindurch, bewerkstelligt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
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1 zeigt eine schematische teilweise geschnittene Ansicht eines Kurzschlussläufers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Massivläuferabschnitts des Kurzschlussläufers von 1, gesehen entlang einer Linie A-A in 1.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, weist ein erfindungsgemäßer Kurzschlussläufer 1 für einen Elektromotor (nicht vollständig gezeigt) eine von ferromagnetischem Material gebildete Läuferwelle 10, die einen einstückig daran angeformten Massivläuferabschnitt 11 in Form einer zylindrischen Durchmesservergrößerung hat, eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Stabelementen 20 mit kreisrundem Querschnitt konstanten Durchmessers und zwei elektrisch leitende Endelemente 30 und 40 in Form von zwei jeweils einteiligen Endringen auf.
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Der Massivläuferabschnitt 11 weist eine Mehrzahl von sich in einer Axialrichtung AR der Läuferwelle 10 um einen Umfang des Massivläuferabschnitts 11 herum verteilt erstreckenden Durchgangspassagen 12 auf.
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Die Stabelemente 20 sind jeweils in einer der Durchgangspassagen 12 aufgenommen, so dass sich die jeweiligen Stabelemente 20 in Axialrichtung AR der Läuferwelle 10 durch den Massivläuferabschnitt 11 hindurch erstrecken, wobei die Stabelemente 20 jeweils ein erstes Längsende 20a und ein dem ersten Längsende 20a abgewandtes zweites Längsende 20b aufweisen.
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Ein erstes (in 1 linkes) Endelement 30 der beiden Endelemente 30, 40 verbindet die ersten Längsenden 20a der Stabelemente 20 elektrisch miteinander. Ein zweites (in 1 rechtes) Endelement 40 der beiden Endelemente 30, 40 verbindet die zweiten Längsenden 20b der Stabelemente 20 elektrisch miteinander. Damit bilden die Stabelemente 20 und die beiden Endelemente 30, 40 einen Kurzschlusskäfig.
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Die jeweiligen Stabelemente 20 sind in den Durchgangspassagen 12 derart aufgenommen, dass bei einer z. B. erwärmungsbedingten Längenänderung der Stabelemente 20 und/oder des Massivläuferabschnitts 11 eine Relativbewegung in Axialrichtung AR der Läuferwelle 10 zwischen dem Massivläuferabschnitt 11 und den in dessen Durchgangspassagen 12 aufgenommenen jeweiligen Stabelementen 20 ermöglicht ist.
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Gemäß der gezeigten Ausführungsform sind die jeweiligen Stabelemente 20 ungeklemmt in den Durchgangspassagen 12 aufgenommen, so dass eine ungehemmte Relativbewegung in Axialrichtung AR der Läuferwelle 10 zwischen dem Massivläuferabschnitt 11 und den in dessen Durchgangspassagen 12 aufgenommenen jeweiligen Stabelementen 20 ermöglicht ist. D. h., zum Verlagern bzw. Verschieben der Stabelemente 20 in den Durchgangspassagen 12 ist im Wesentlichen keine Klemmkraft zu überwinden.
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Zu diesem Zweck ist zwischen einem Außenumfang (nicht bezeichnet) der jeweiligen Stabelemente 20 und einem Innenumfang (nicht bezeichnet) der jeweiligen Durchgangspassagen 12 eine Spielpassung, d. h. eine Passung, bei der beide Teile das gleiche Nennmaß jedoch derart unterschiedliche Toleranzbereiche aufweisen, dass das kleinste Innendurchmessermaß der Durchgangspassage 12 immer größer als das größte Außendurchmessermaß des Stabelements 20 ist, gebildet.
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Jedes Endelement 30, 40 weist eine Mehrzahl von um einen Umfang des Endelements 30, 40 herum verteilt angeordneten Durchgangsbohrungen 31 bzw. 41 auf, welche in ihrer Kreisteilung zu jener der Durchgangspassagen 12 korrespondieren. Ferner weist jedes Endelement 30, 40 eine mittige Aufnahmebohrung 32 bzw. 42 auf.
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Das erste Endelement 30 ist mit seiner mittigen Aufnahmebohrung 32 auf ein erstes Längsende 10a der Läuferwelle 10 aufgepasst und über eine Schraubverbindung (nicht dargestellt) mit dem Massivläuferabschnitt 11 verbunden. Die ersten Längsenden 20a der Stabelemente 20 sind in die Durchgangsbohrungen 31 des ersten Endelements 30 eingesetzt, wobei zwischen dem Außenumfang der jeweiligen Stabelemente 20 und einem Innenumfang (nicht bezeichnet) der jeweiligen Durchgangsbohrungen 31 eine leichte Presspassung, d. h. eine Passung, bei der beide Teile das gleiche Nennmaß jedoch derart unterschiedliche Toleranzbereiche aufweisen, dass das größte Innendurchmessermaß der Durchgangsbohrung 31 in jedem Fall kleiner als das kleinste Außendurchmessermaß des Stabelements 20 ist, gebildet ist.
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Das erste Längsende 20a jedes Stabelements 20 ist zusätzlich über eine nicht dargestellte von radial außen des Endelements 30 nach radial innen dessen in die Durchgangsbohrung 31 eingreifende Madenschraube gegen ein Lösen aus der Durchgangsbohrung 31 gesichert.
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Das zweite Endelement 40 ist mit seiner mittigen Aufnahmebohrung 42 auf ein zweites Längsende 10b der Läuferwelle 10 aufgepasst und über eine Schraubverbindung (nicht dargestellt) mit dem Massivläuferabschnitt 11 verbunden. Die zweiten Längsenden 20b der Stabelemente 20 sind in die Durchgangsbohrungen 41 des zweiten Endelements 40 eingesetzt, wobei zwischen dem Außenumfang der jeweiligen Stabelemente 20 und dem Innenumfang der jeweiligen Durchgangsbohrungen 41 eine zu einer Presspassung hin tendierende Übergangspassung, d. h. eine Passung, mit einem leichten Übermaß des Außendurchmessers des Stabelements 20 gegenüber dem Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 41, gebildet ist.
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Im Gegensatz zum ersten Längsende 20a ist das zweite Längsende 20b jedes Stabelements 20 nicht zusätzlich per Madenschraube gesichert.
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Damit ist das zweite Längsende 20b eines jeden Stabelements 20 so mit dem zugehörigen zweiten Endelement 40 verbunden, dass bei einer z. B. erwärmungsbedingten Längenänderung des jeweiligen Stabelements 20 und/oder des Massivläuferabschnitts 11 unter Gewährleistung einer für einen zu übertragenden elektrischen Strom dimensionierten elektrischen Verbindung eine Relativbewegung in Axialrichtung AR der Läuferwelle 10 zwischen dem zweiten Längsende 20b und dem zweiten Endelement 40 ermöglicht ist.
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Mit anderen Worten können sich die zweiten Längsenden 20b der Stabelemente 20 unter Überwindung einer bestimmten Kraft (hier einer durch die Übergangspassung erzeugten leichten Klemmkraft) in Axialrichtung AR relativ zum zweiten Endelement 40 verlagern, so dass die Längenänderung ausgeglichen wird und keine Spannungen und damit auch kein Verzug im Kurzschlussläufer 1 entstehen.
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Gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des Kurzschlussläufers 1 werden die Durchgangspassagen 12 im Massivläuferabschnitt 11 jeweils durch eine Trennbearbeitung in den Massivläuferabschnitt 11 eingebracht.
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Genauer gesagt werden die Durchgangspassagen 12 im Massivläuferabschnitt 11 jeweils durch eine spanende und/oder eine abtragende Bearbeitung, hier insbesondere durch Tieflochbohren (z. B. mittels Horizontalbohrwerk) und/oder Funkenerodieren, in den Massivläuferabschnitt 11 eingebracht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurzschlussläufer
- 10
- Läuferwelle
- 10a
- erstes Längsende
- 10b
- zweites Längsende
- 11
- Massivläuferabschnitt
- 12
- Durchgangspassage(n)
- 20
- Stabelement(e)
- 20a
- erstes Längsende
- 20b
- zweites Längsende
- 30
- Endelement
- 31
- Durchgangsbohrung(en)
- 32
- Aufnahmebohrung
- 40
- Endelement
- 41
- Durchgangsbohrung(en)
- 42
- Aufnahmebohrung
- AR
- Axialrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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