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Die Erfindung betrifft einen Käfigläufer für eine Asynchronmaschine, wobei der Käfigläufer ein Läuferblechpaket mit in axialer Richtung des Käfigläufers gestapelten Elektroblechen mit Nuten umfasst. Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Käfigläufers.
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Asynchronmaschinen besitzen in der Regel einen Käfigläufer mit einem Läuferblechpaket, welches aus mehreren gegeneinander isolierten Elektroblechen aufgebaut ist. Durch den geblechten Aufbau werden Eisen- und Wirbelstromverluste im Läufer reduziert.
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Die verschiedenen Einzelbleche, die aufeinander gestapelt das Läuferblechpaket bilden, werden in der Regel mit einem Stanzverfahren hergestellt. Die Geometrie der Bleche hängt u. a. von dem Außendurchmesser der Asynchronmaschine, dem Wellendurchmesser sowie der gewünschten Nutform und Nutgröße ab. Diese geometrischen Größen werden über das Stanzwerkzeug definiert. Entsprechend muss für jede gewünschte Geometrie des Einzelblechs ein eigenes Stanzwerkzeug zur Verfügung gestellt werden. Asynchronmaschinen mit unterschiedlicher Betriebsparametern oder unterschiedlichen Materialien für den Käfigläufer erfordern in der Regel auch unterschiedliche Nutformen und Flächen, was konsequenterweise die Bereitstellung unterschiedlicher Stanzwerkzeuge bedingt.
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Asynchronmaschinen im unteren und mittleren Leistungsbereich umfassen häufig einen Kurzschlussläufer, der mittels eines Druckgussverfahrens hergestellt wird. Hierbei wird das Läuferblechpaket in eine Druckgussform gegeben. Anschließend wird das Druckgussmaterial, welches häufig Aluminium oder Kupfer ist, in die Druckgussform gegeben, so dass die Nuten mit der Druckgussmasse ausgefüllt werden und stirnseitig an das Läuferblechpaket Kurzschlussringe angegossen werden. Nach dem Aushärten der Druckgussmasse befinden sich in den Nuten des Läuferblechpaketes Leiterstäbe, die stirnseitig über die angegossenen Kurzschlussringe kurzgeschlossen sind. Die gegossenen Leiterstäbe gehen mit den Elektroblechen des Läuferblechpaketes hierbei eine elektrisch leitende Verbindung ein.
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Da diese elektrische Verbindung die Betriebsdaten der Maschine verschlechtert, wobei insbesondere das Hochlaufverhalten von einphasigen Motoren negativ beeinflusst wird, werden die fertig gegossenen Läuferpakete in der Regel thermisch behandelt, um die Stäbe des Käfigläufers vom Läuferblechpaket zu lösen und somit den Übergangswiderstand zwischen den Läuferstäben und den Elektroblechen zu erhöhen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung verschiedener Varianten einer Asynchronmaschine möglichst kostengünstig zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Käfigläufer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein solcher Käfigläufer für eine Asynchronmaschine umfasst ein Läuferblechpaket mit in axialer Richtung des Käfigläufers gestapelten Elektroblechen mit Nuten einer ersten Nutquerschnittsfläche, wobei in den Nuten jeweils eine am Nutrand anliegende Nuteinlage vorgesehen ist, die die erste Nutquerschnittsfläche auf eine zweite Nutquerschnittsfläche reduziert.
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Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufers für eine Asynchronmaschine mit den Verfahrensschritten gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Hiernach werden die folgenden Verfahrensschritte erfindungsgemäß durchgeführt.
- i) Elektrobleche mit Nuten einer ersten Nutquerschnittsfläche werden in axialer Richtung des Käfigläufers aufeinandergestapelt;
- ii) In die Nuten wird jeweils eine Nuteinlage derart eingeführt, dass die Nuteinlage am jeweiligen Nutrand anliegt und die erste Nutquerschnittsfläche auf eine zweite Nutquerschnittsfläche reduziert wird;
- iii) Die Nuten werden zumindest teilweise mit Leiterstäben gefüllt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, für verschiedene Varianten der Asynchronmaschine nur einen einzigen Blechschnitt für die in axialer Richtung aufeinander zu stapelnde Elektrobleche vorzusehen. Hierbei wird das Elektroblech mit der größten erforderlichen Nut hergestellt, die eine der abzudeckenden Varianten der Asynchronmaschine benötigt. Diese größte zur Verfügung zu stellende Nut besitzt die erste Nutquerschnittsfläche. Soll nun eine Variante dieser Asynchronmaschine gefertigt werden, bei der eine geringere Nutquerschnittsfläche, die zweite Nutquerschnittsfläche, vorzusehen ist, so wird nicht wie im Stand der Technik üblich ein weiterer Blechschnitt für diese zweite Nutquerschnittsfläche hergestellt sondern lediglich die Nuteinlage in die Nut eingeführt, so dass die erste Nutquerschnittsfläche auf die zweite Nutquerschnittsfläche reduziert wird. Auf diese Art und Weise kann ein weiteres Stanzwerkzeug zur Herstellung eines neuen Elektrobleches eingespart werden.
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Selbstverständlich kann die Nuteinlage nicht nur dazu verwendet werden, die Nutquerschnittsfläche zu reduzieren. Vielmehr ist es auch denkbar und von der Erfindung umfasst, mit Hilfe der Nuteinlage die Nutform derart zu modifizieren, dass eine gewünschte Funktionalität bereitgestellt wird. So wäre es beispielsweise möglich, eine Einzelstabnut mit einer großen Nutfläche durch eine entsprechende Nuteinlage derart zu modifizieren, dass eine Doppelstabnut entsteht.
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Die Nuteinlage kann vorteilhafterweise magnetisch leitfähig sein, um innerhalb des Rotors möglichst viel Volumen zur Führung des magnetischen Flusses bereitzustellen. Vorzugsweise kann die Nuteinlage weiterhin dazu verwendet werden, elektrisch besser oder schlechter leitende Bereiche innerhalb des Rotors zu definieren.
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Der nach dem Einlegen der Nuteinlage verbleibende Restquerschnitt der Nut wird zumindest teilweise durch einen Leiterstab des herzustellenden Käfigläufers gefüllt. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die zweiten Nutquerschnittsflächen jeweils zumindest teilweise mit einem gegossenen Leiterstab gefüllt. Hierzu kann vorzugsweise ein Druckgussverfahren angewendet werden, welches sicherstellt, dass das Druckgussmaterial auf der vollständigen axialen Länge des Läuferblechpaketes in die Nuten eindringt.
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Hierbei sind in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Nuteinlage an der den Nutrand abgewandten Seite mit Aluminium beschichtet und die Leiterstäbe aus Aluminium. Das Aluminiumdruckgussverfahren ist sehr etabliert und ermöglicht eine kostengünstige Herstellung eines Käfigläufers für Asynchronmaschinen. Dadurch, dass die Nuteinlage an der Seite mit Aluminium beschichtet ist, an der auch die Aluminiumschmelze mit der Nuteinlage in Berührung tritt, wird eine gute stoffschlüssige Verbindung zwischen der Nuteinlage und den Leiterstäben ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft ist es hierbei, die Nuteinlage als Kupferrohr auszubilden. Wird ein solches Kupferrohr an der den Aluminiumstäben zugewandten Seite mit Aluminium beschichtet, bevor die Aluminiumschmelze appliziert wird, so entsteht eine mischkristalline Verbindung zwischen den Kupferrohren und den Aluminiumstäben. Diese Legierungsschicht bewirkt, dass die Verbindung zwischen der Nuteinlage und dem Leiterstab auch unter extremen thermischen Zyklen hält. Hierdurch bleibt ein guter Übergangsleitwert zwischen dem Kupferrohr und dem Aluminiumdruckgussstab auch unter extremer Wechselbelastung der Asynchronmaschine erhalten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass die Nuteinlage in radialer Richtung des Käfigläufers betrachtet elektrisch isolierend ist. Hierdurch wird eine leitende Verbindung zwischen den Kurzschlussstäben und den Elektroblechen des Läuferblechpaketes verhindert. Eine solche leitende Verbindung wirkt sich negativ auf das Betriebsverhalten der Asynchronmaschine aus. Durch die Verwendung einer isolierenden Schicht zwischen den Leiterstäben und den Elektroblechen muss die aus dem Stand der Technik bekannte thermische Behandlung des gegossenen Käfigläufers nicht mehr durchgeführt werden. Die thermische Behandlung von fertig gegossenen Blechpaketen ist nicht nur aufwändig. Sie führt auch häufig nicht zu der gewünschten hundertprozentigen Isolierung zwischen den Elektroblechen und den Betriebsstäben. Hingegen lässt sich durch die isolierende Wirkung der Nuteinlage ein Stromfluss zwischen den Leiterstäben und den Elektroblechen vollständig unterbinden.
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Anstelle einer massiv ausgebildeten Nuteinlage, die nach der Herstellung des Läuferblechpaketes in die Nuten eingeschoben wird, kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Nuteinlage auch als Beschichtung ausgebildet sein oder zumindest eine Beschichtung aufweisen. Beispielsweise kann ein weichmagnetisches Komposit verwendet werden, um den Nutrand derart auszukleiden, dass die gewünschte zweite Nutquerschnittsfläche verbleibt.
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Neben der Nuteinlage können noch weitere Elemente in die Nut eingebracht werden, die die für die Kurzschlussstäbe verbleibende Nutquerschnittsfläche zusätzlich reduzieren. So ist eine Ausführungsform der Erfindung besonders vorteilhaft, bei der in den Nuten des Läuferblechpaketes Wärmerohre angeordnet sind. Diese Wärmerohre können als Heatpipes oder Thermosiphons ausgebildet sein. Es bietet sich an, diese Wärmerohre im Wesentlichen mittig, also im Zentrum der Nut, anzuordnen. Auf diese Art und Weise wird die in den Kurzschlussstäben entstehende Wärme besonders effektiv aus dem Rotor abgeführt. Der zwischen der Nuteinlage und dem Wärmerohr verbleibende Restquerschnitt wird beispielsweise mit einem Druckgussverfahren mit Aluminium oder Kupfer aufgefüllt, um die Betriebsstäbe des Käfigläufers auszubilden.
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Eine Asynchronmaschine mit einem Käfigläufer nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist in verschiedenen Varianten sehr kostengünstig herzustellen und aufwandsarm hinsichtlich verschiedener Betriebsparameter zu optimieren. Auf Grundlage einer einzigen Nutform kann durch Verwendung geeigneter Nuteinlagen und sonstiger Elemente wie beispielsweise der bereits angesprochenen Wärmerohre die Asynchronmaschine für spezielle Einsatzgebiete oder Betriebsbedingungen optimiert werden. Verschiedene Maschinentypen mit verschiedenen Leistungsparametern können auf Basis eines einzigen Läuferblechpaketes verfügbar gemacht werden. Hierdurch können in großem Maße Kosten für die Bereitstellung verschiedener Stanzwerkzeuge eingespart werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 ein Elektroblech für einen Käfigläufer einer Asynchronmaschine
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2 einen Blechausschnitt umfassend eine Nut des Elektrobleches mit einer ersten Nutquerschnittsfläche,
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3 einen weiteren Blechausschnitt aus einem weiteren Elektroblech mit einer weiteren Nut, die eine kleinere Nutquerschnittsfläche aufweist als die in 2 gezeigte Nut,
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4 die Nut nach 2 mit einer ersten Nuteinlage,
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5 eine zweite Nuteinlage,
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6 die Nut nach 2 mit der zweiten Nuteinlage,
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7 die Nut nach 2 mit der zweiten Nuteinlage und einem Leiterstab,
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8 die Nut nach 2 mit einer dritten Nuteinlage, einem Kupferrohr und einem Wärmeleitrohr und
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9 eine Asynchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt ein Elektroblech 2 für einen Käfigläufer einer Asynchronmaschine. Über den Umfang des Elektroblechs 2 verteilt sind Nuten 3 angeordnet, die von den Leiterstäben des Käfigläufers durchdrungen werden.
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Zur Herstellung des Läuferblechpaketes werden mehrere Elektrobleche 2 in axialer Richtung aufeinander gestapelt und beispielsweise durch Stanzpaketieren miteinander verbunden. Die Nutform entspricht einer Doppelstabnut, bei der ein in radialer Richtung des Läufers betrachtet außenliegender Bereich für einen Anlaufstab verwendet wird und ein in radialer Richtung betrachtet innenliegender großflächigerer Bereich für einen Betriebsstab.
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2 zeigt einen Blechausschnitt aus dem Elektroblech 2 nach 1 umfassend eine Nut 3 mit einer ersten Nutquerschnittsfläche 4. Die Nutquerschnittsfläche 4 ist hierbei so gewählt, dass verschiedene Varianten der Asynchronmaschine mit dem dargestellten Blechschnitt realisiert werden können. Konkret bedeutet dies, dass die erste Nutquerschnittsfläche 4 die größte Nutquerschnittsfläche ist, die bei allen abzudeckenden Maschinenvarianten benötigt wird.
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3 zeigt einen weiteren Blechausschnitt aus einem weiteren Elektroblech mit einer weiteren Nut, die eine kleinere Nutquerschnittsfläche 10 aufweist als die in 2 gezeigte Nut. So zeigt 3, wie man die in 1 und 2 gezeigte Nutform gemäß dem Stand der Technik modifizieren würde, um einen anderen Maschinentypen herzustellen, der eine kleinere Nutquerschnittsfläche 10 benötigt. Hierzu müsste ein anderes Stanzwerkzeug bei der Herstellung des Elektrobleches 2 verwendet werden, welches die kleinere Nutfläche 10 ausstanzt. In der Folge bedeutet dies, dass zur Herstellung zweier Läuferblechpakete, die sich lediglich in der Größe der Nutfläche unterscheiden, zwei unterschiedliche Stanzwerkzeuge benötigt werden. Eine kleine Modifikation des Blechschnittes erfordert daher schon die Einrichtung einer eigenen Fertigungslinie bei der Blechproduktion.
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4 zeigt die Nut 3 nach 2 mit einer ersten Nuteinlage 7. Die Nuteinlage 7 ist als Beschichtung ausgebildet, die auf drei Flanken der Nut 3 vor der Ausbildung der Betriebsstäbe aufgebracht worden ist. Diese Beschichtung hat elektrisch isolierende Eigenschaften. Auf diese Art und Weise ist sichergestellt, dass zumindest in dem Bereich, in dem die Beschichtung in der Nut 3 vorgesehen ist, kein Stromfluss von den Kurzschlussstäben auf das Läuferblechpaket stattfinden kann. Eine solche Beschichtung kann beispielsweise ein weichmagnetisches Komposit sein. Als Beispiel für einen derartigen Verbundwerkstoff sei ein mit Harz gemischtes Metallpulver genannt. Alternativ kann die Beschichtung auch direkt durch Sintern der Läufernut hergestellt werden.
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Die in 4 gezeigte Nuteinlage 7 reduziert die erste Nutquerschnittsfläche 4 der Nut 3 auf eine kleinere zweite Nutquerschnittsfläche 5, die nunmehr für den Kurzschlussstab des Asynchronmotors zur Verfügung steht. Dieser freibleibende Restquerschnitt kann beispielsweise durch ein Aluminiumdruckgussverfahren mit Aluminiumschmelze anschließend gefüllt werden, so dass dich die Kurzschlussstäbe in den Nuten 3 ausbilden.
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5 zeigt eine zweite Nuteinlage 8, die zur Reduzierung der Nutquerschnittsfläche in die Nut 3 gemäß 2 eingeführt werden kann. Hierbei handelt es sich um ein Kupferrohr 12, welches an seinen außenliegenden Seiten mit einer Beschichtung 13 versehen ist. Die Beschichtung 13 hat elektrisch isolierende Eigenschaften. Das so beschichtete Kupferrohr 12 bzw. die resultierende Nuteinalge 8 besitzt die Kontur des Betriebsstabbereiches der Nut 3 und kann somit zur Reduzierung der Nutquerschnittsfläche in diesen Bereich eingeführt werden. Aufgrund des hohen elektrischen Leitwertes von Kupfer eignet sich diese Nuteinalge 8 hervorragend als Betriebsstab für den Asynchronmotor. Da insbesondere bei höheren Frequenzen der Stromfluss hauptsächlich im Randbereich der Nut fließt, wird ein Großteil des Betriebsstromes innerhalb dieses elektrisch sehr gut leitenden Kupferrohres 12 stattfinden. Dies hat zur Folge, dass der elektrische Wirkungsgrad des Kurzschlussläufers erhöht wird.
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6 zeigt die Nut 3 nach 2 mit der zweiten Nuteinlage 8. Nachdem die Nuteinlage 8 in die Nut 3 des Läuferblechpaketes eingeschoben wurde, verbleibt lediglich der von dem Kupferrohr 12 umspannte Hohlraum in dem für den Betriebsstab vorgesehenen Bereich der Nut 3. Es ergibt sich eine zweite Nutquerschnittsfläche 6, die gegenüber der ersten Nutquerschnittsfläche 4 nach 2 deutlich reduziert ist.
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7 zeigt die Nut 3 nach 2 mit der zweiten Nuteinlage 8 und einem Leiterstab 11. Ferner ist ein Anlaufbereich der Nut 3 mit einem Anlaufstab 15 ausgefüllt. Der Anlaufstab 15 und der Leiterstab 11 sind mittels eines Aluminiumdruckgussverfahrens hergestellt worden. Der Leitstab 11 bildet zusammen mit dem Kupferrohr 12 den Betriebsstab des Käfigläufers. Aufgrund des hervorragenden elektrischen Leitwertes von Kupfer, ist der elektrische Wirkungsgrad eines solchen Läufers deutlich höher als der eines vergleichbaren Kurzschlussläufers, dessen Betriebsstäbe vollständig aus Aluminiumdruckguss gefertigt sind. Auf der anderen Seite ist die Fertigung des dargestellten Kurzschlussläufers deutlich einfacher als die Fertigung eines Kupferdruckgussläufers, mit dem sich ein ähnlich guter Wirkungsgrad erzielen ließe. Dies begründet sich dadurch, dass der Kupferdruckgussprozess auf Grund der hohen Schmelztemperatur von Kupfer im Vergleich zu Aluminium sehr material- und energieaufwendig ist.
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8 zeigt die Nut 3 nach 2 mit einer dritten Nuteinlage 9 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Auch diese dritte Nuteinlage 9 umfasst ein Kupferrohr 17, welches außenseitig mit einer Beschichtung 16 versehen ist. Das Kupferrohr 17 stellt wiederum den Betriebsstab des Käfigläufers dar. Die Besonderheit dieser Ausführungsform liegt nun darin, dass ein Wärmerohr 14 in der Mitte des Kupferrohres 17 angeordnet ist, um die während des Betriebes im Käfigläufer entstehende Wärme abzuführen. Auch hier ist ein Anlaufstab 15 vorgesehen, der beispielsweise mittels Aluminiumdruckgussverfahren gefertigt werden kann. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 7 wird jedoch bei einem derartigen Druckgussprozess kein Gussmaterial in den Betriebsbereich der Nut 3 eingebracht.
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9 zeigt eine Asynchronmaschine 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Durch die Verwendung eines einheitlichen Elektroblechs in Kombination mit verschiedenen Nuteinlagen lassen sich verschiedenste Variationen für die Asynchronmaschine 1 sehr kostengünstig bereitstellen. Durch eine Nuteinalge mit elektrisch isolierenden Eigenschaften können darüber hinaus bessere Betriebsdaten als bei herkömmlichen mittels Druckgussverfahren hergestellten Asynchronmaschinen erzielt werden.
