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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Kurzschlusskäfig für eine Asynchron-Elektromaschine.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische Maschinen werden in Form von Motoren oder Generatoren dazu eingesetzt, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln bzw. umgekehrt. Beispielsweise werden Elektromaschinen in Elektro- oder Hybridkraftfahrzeugen als Antrieb und/oder zur Rekuperation von Bewegungsenergie eingesetzt.
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In Elektromaschinen wird ein Drehmoment zwischen einem Stator und einem Rotor aufgrund von zwischen diesen Komponenten wirkenden Magnetfeldern bewirkt. Sogenannte Asynchron-Elektromaschinen können gegenüber vielen anderen Elektromaschinentypen einen Vorteil dahingehend aufweisen, dass zur Erzeugung eines Magnetfeldes keine teuren Permanentmagnete eingesetzt werden brauchen. Stattdessen können in einem Stator Elektromagnete vorgesehen sein, deren Magnetfelder in einem sogenannten Kurzschlusskäfig des Rotors elektrische Ströme induzieren, welche dann wiederum Magnetfelder des Rotors bewirken, die mit den vom Stator generierten Magnetfeldern wechselwirken können.
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Kurzschlusskäfige herkömmlicher Asynchron-Elektromaschinen bestehen im Allgemeinen aus mehreren parallel zueinander verlaufenden elektrisch leitfähigen Kurzschlussstäben, welche an ihren Endbereichen durch Kurzschlussringe miteinander verbunden sind. Ein Kurzschlusskäfig kann dabei z.B. einstückig, beispielsweise im Druckgussverfahren, gegossen werden. Alternativ kann der Kurzschlusskäfig aus mehreren Komponenten zusammengesetzt sein, welche miteinander beispielsweise durch Hartlöten mechanisch und elektrisch verbunden wurden.
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DE 10 2013 202 557 A1 offenbart einen Kurzschlusskäfig für einen Kurzschlussläufer und Herstellungsverfahren desselben.
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Auf Komponenten eines Kurzschlusskäfigs und insbesondere auf dessen Kurzschlussringe können aufgrund von im Betrieb der Elektromaschine auftretenden hohen Drehzahlen erhebliche Fliehkräfte einwirken. Es werden herkömmlich beispielsweise um die Kurzschlussringe herum sogenannte Bandagen oder Korsagen beispielsweise in Form von Stützringen vorgesehen, um Verformungen oder Beschädigungen aufgrund der Fliehkräfte zu vermeiden. Hierdurch entsteht jedoch im Allgemeinen ein erheblicher Material- und/oder Montageaufwand.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise einen Kurzschlusskäfig für eine Asynchron-Elektromaschine ermöglichen, welcher mechanisch stabil, günstig herstellbar und/oder einfach montierbar ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kurzschlusskäfig für eine Asynchron-Elektromaschine, der eine Mehrzahl von länglichen Kurzschlussstäben sowie zwei Kurzschlussringe aufweist, vorgeschlagen. Die Kurzschlussstäbe sind entlang eines Umfangs des Kurzschlusskäfigs zueinander beabstandet und in Längserstreckungsrichtung des Kurzschlusskäfigs verlaufend angeordnet. Die Kurzschlussringe sind an zwei entgegengesetzten Endbereichen des Kurzschlusskäfigs angeordnet und verbinden die Kurzschlussstäbe elektrisch miteinander. Der Kurzschlusskäfig zeichnet sich dadurch aus, dass die Kurzschlussringe jeweils durch Endbereiche der Kurzschlussstäbe und durch zwischen diese Endbereiche komplementär zwischengelagerte Zwischensegmente gebildet bzw. zusammengesetzt sind, wobei die Kurzschlussstäbe einen keilförmigen Querschnitt aufweisen, bei dem eine Breite einer radial innenliegenden Flanke kleiner ist als eine Breite einer radial außenliegenden Flanke, und wobei die Zwischensegmente einen entgegengesetzt keilförmigen Querschnitt aufweisen, bei dem eine Breite einer radial innenliegenden Flanke größer ist als eine Breite einer radial außenliegenden Flanke.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden: Es wird vorgeschlagen, den Kurzschlussring eines Kurzschlusskäfigs nicht vorab einstückig als durchgängigen Ring herzustellen und ihn dann mit den Kurzschlussstäben zu verbinden. Stattdessen sollen die Kurzschlussringe segmentiert aus Endbereichen der Kurzschlussstäbe und zwischen diese voneinander in Umfangsrichtung beabstandeten Endbereiche zwischengelagerte Zwischensegmente zusammengesetzt werden. Sowohl die Kurzschlussstäbe als auch die Zwischensegmente sollen jeweils einen keilförmigen Querschnitt aufweisen und derart komplementär zueinander ausgestaltet sein, dass die jeweils abwechselnd nebeneinander angeordneten Kurzschlussstäbe und Zwischensegmente zusammen einen in sich geschlossenen Kurzschlussring bilden. Aufgrund der Keilform sind gegenüberliegende Seitenflanken der Kurzschlussstäbe bzw. der Zwischensegmente nicht parallel sondern unter einem Winkel, dem sogenannten Keilwinkel, zueinander angeordnet. Eine Keilform der Kurzschlussstäbe soll dabei umgekehrt ausgerichtet sein wie eine Keilform der Zwischensegmente, d.h. während die Kurzschlussstäbe an einer Außenflanke breiter sind als an einer Innenflanke ist dies bei den Zwischensegmenten umgekehrt. Die Zwischensegmente können daher bei einer Montage von radial innen her nach außen zwischen jeweils benachbarte Kurzschlussstäbe eingeschoben werden, bis sie einen Zwischenraum zwischen den Kurzschlussstäben komplementär ausfüllen. Aufgrund ihrer umgekehrten Keilform können die Zwischensegmente dann nicht weiter nach außen geschoben werden, sondern verkeilen sich zwischen den benachbarten Kurzschlussstäben, ähnlich wie bei einem keilförmigen Schlussstein in alten Gewölben. Da die Kurzschlussstäbe selbst im Allgemeinen stabil in Ausnehmungen oder Nuten eines Rotorgrundkörpers gehalten sind, kann auf diese Weise ein einfach montierbarer und auch unter Einwirkung hoher Fliehkräfte stabiler Kurzschlusskäfig gebildet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind Seitenflanken der Zwischensegmente hinsichtlich eines Keilwinkels und einer Oberflächenbeschaffenheit derart ausgebildet, dass es zu einer Selbsthemmung zwischen einem Zwischenelement und zwei angrenzenden Kurzschlussstäben kommt. Unter einer Selbsthemmung wird in der Mechanik ein durch Reibung verursachter Widerstand gegen ein Verrutschen oder ein Verdrehen zweier aneinander liegender Körper verstanden. Sobald eine Haftreibung überschritten ist, sind die Körper nicht mehr selbsthemmend. Eine Selbsthemmung wird durch einen Neigungswinkel, eine Oberflächenrauigkeit von Auflageflächen, eine Werkstoffpaarung, sowie gegebenenfalls eine Gleitgeschwindigkeit, einen Schmierstoff und eine Erwärmung beeinflusst. Um eine Selbsthemmung zu erreichen, sollte ein resultierender Winkel kleiner als ein Arkustangens der Haftreibungszahl ausgeführt sein. Beispielsweise ist als vorteilhaft anzunehmen, die Zwischensegmente im Querschnitt mit einem Keilwinkel von zwischen 0,2° und 10°, vorzugsweise einem Keilwinkel von zwischen 0,95° und 3,8°, auszubilden.
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Durch die selbsthemmend ausgebildete Keilgeometrie der Zwischensegmente können diese während der Montage einfach zwischen benachbarte Kurzschlussstäbe eingeschoben werden und halten in dieser Position zunächst von selbst, d.h. ohne durch von außen wirkende Kräfte fixiert werden zu müssen, sodass der derart zusammengesetzte Kurzschlussring anschließend einfach weiterbearbeitet werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Zwischensegmente jeweils mit angrenzenden Kurzschlussstäben gefügt. Mit anderen Worten sind die Zwischensegmente mit jeweils angrenzenden Kurzschlussstäben dauerhaft und vorzugsweise mechanisch stabil verbunden. Beispielsweise können die Zwischensegmente mit Kurzschlussstäben verlötet sein, insbesondere durch Hartlöten. Dabei kann jeweils zwischen ein Zwischensegment und angrenzende Kurzschlussstäbe eine Lotschicht zwischengelagert sein. Als Lot kann hierbei eine Metall-Legierung eingesetzt werden, die insbesondere je nach Material der zu verbindenden Komponenten aus bestimmten Mischungsverhältnissen von Metallen besteht, hauptsächlich Zinn, Zink, Silber und Kupfer sowie Phosphor. Die entgegengesetzte Keilform der zu fügenden Kurzschlussstäbe und Zwischensegmente sowie gegebenenfalls der Einsatz eines selbsthemmenden Keilwinkels ermöglichen es dabei, eine Schichtdicke der Lotschicht beispielsweise geringer zu wählen als bei herkömmlichen Kurzschlusskäfigen. Beispielsweise kann die Schichtdicke der Lotschicht zwischen 0,05mm und 0,15mm betragen. Die Lotschicht kann beispielsweise durch Plattieren auf die Zwischensegmente oder die Endbereiche der Kurzschlussstäbe aufgebracht oder als zwischengelagerte Folie eingebracht werden.
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Die entgegengesetzte Keilform der zu fügenden Kurzschlussstäbe und Zwischensegmente ermöglicht ferner, auf eine mechanisch stabilisierende Abstützung des Kurzschlussrings von außen zu verzichten, d.h. dass die Kurzschlussringe nicht durch radial außerhalb umlaufenden Bandagierungen oder Korsageringe umgeben sind.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Kurzschlussstäbe und/oder die Zwischensegmente aus vornehmlich hinsichtlich einer elektrischen Leitfähigkeit, nicht hinsichtlich einer mechanischen Festigkeit optimiertem Material ausgebildet. Mit anderen Worten braucht aufgrund der Verkeilung, mit der die Zwischensegmente gegenüber nach außen wirkenden Fliehkräften zwischen benachbarten Kurzschlussstäben gehalten sind, ein Material insbesondere der Zwischensegmente nicht aus einem hochfesten Werkstoff wie z.B. eine Kupfer-Chrom-Zirkon-Legierung (CuCrZr) bestehen, um mechanischen Ansprüchen zu genügen. Stattdessen kann das Material der Zwischensegmente vornehmlich mit Hinblick auf gute elektrische Leitfähigkeiten ausgewählt werden.
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Beispielsweise können die Kurzschlussstäbe und/oder die Zwischensegmente aus Aluminium, Kupfer oder einer Aluminium und/oder Kupfer aufweisenden Legierung ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Zwischensegmente stranggepresst. Strangpressen eignet sich insbesondere für Bauteilkomponenten aus Aluminium oder Kupfer oder entsprechende Legierungen, wie sie sich aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit für Kurzschlussringe gut eignen. Insbesondere können durch Strangpressen einfach Bauteile mit im Querschnitt komplexen Geometrien gefertigt werden, sodass die Zwischensegmente präzise mit einem keilförmigen Querschnitt hergestellt werden können.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kurzschlusskäfigs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil eines Kurzschlussrings für einen Kurzschlusskäfig gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt eine Draufsicht auf ein zwischen Kurzschlussstäbe zwischengelagertes Zwischensegment eines Kurzschlussrings für einen Kurzschlusskäfig gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Kurzschlusskäfig 1 für eine Asynchron-Elektromaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Kurzschlusskäfig 1 kann Teil eines Rotors sein. In dem Rotor ist der Kurzschlusskäfig 1 an bzw. in einem Rotorgrundkörper eingebracht. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist der Rotorgrundkörper in den Figuren nicht dargestellt.
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Der Kurzschlusskäfig 1 weist mehrere längliche Kurzschlussstäbe 3 auf. Die Kurzschlussstäbe 3 sind parallel zueinander und zu einer Längsachse 7 des Kurzschlusskäfigs 1 angeordnet. Entlang einer Umfangsrichtung 9 sind die Kurzschlussstäbe 3 voneinander beabstandet. Jeder der Kurzschlussstäbe 3 weist einen keilförmigen Querschnitt auf und besteht aus einem sehr gut elektrisch leitfähigen Material wie z.B. Kupfer, Aluminium oder einer Legierung mit diesen Metallen. Die Kurzschlussstäbe 3 können beispielsweise durch Strangpressverfahren hergestellt werden.
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Wie auch in den Draufsichten aus den Fign. 2 und 3 gut zu erkennen, sind in Endbereichen 11 der Kurzschlussstäbe 3 zwischen jeweils zwei benachbarte der keilförmigen Kurzschlussstäbe 3 Zwischensegmente 5 eingefügt. Jedes der Zwischensegmente 5 weist ebenfalls einen keilförmigen Querschnitt auf. Die Keilformen der Zwischensegmente 5 können sich dabei hinsichtlich einer in Umfangsrichtung gemessenen Breite von denjenigen der Kurzschlussstäbe 3 unterscheiden. Querschnitte der Kurzschlussstäbe 3 und der Zwischensegmente 5 sind dabei derart geeignet komplementär zueinander ausgebildet, dass zwischen zwei keilförmige Kurzschlussstäbe 3 jeweils ein umgekehrt ausgerichtetes keilförmiges Zwischensegment 5 zwischengelagert ist. Auf diese Weise werden die Kurzschlussstäbe 3 elektrisch und mechanisch miteinander verbunden und somit ein Kurzschlussring 13 für den Kurzschlusskäfig 1 gebildet.
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Ein geometrischer Aufbau der Kurzschlussstäbe 3 sowie der Zwischensegmente 5 kann dabei so gewählt sein, dass bei einer Montage des Kurzschlussrings 13 die Zwischensegmente 5 von radial innen her jeweils zwischen benachbarte Kurzschlussstäbe 3 eingefügt werden können. Die Keilformen der Kurzschlussstäbe 3 sowie der Zwischensegmente 5 sind dabei so gewählt, dass der beim Zusammensetzen entstehende Ring näherungsweise rund ist.
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Die Kurzschlussstäbe 3 sind in einer Axialrichtung, d.h. parallel zur Längsachse 7, wesentlich länger als die Zwischensegmente 5. Beispielsweise können die Kurzschlussstäbe 3 zwischen 50 und 450mm und die die Zwischensegmente 5 zwischen 3 und 20mm lang sein.
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Ein Keilwinkel α (siehe 3) eines Zwischensegments 5 kann dabei definiert sein als der Arkustangens des Quotienten aus der Differenz der Breiten x1 und x2 an den innen- und außenliegenden Flanken 17, 19 des Zwischensegments 5 und der doppelten Länge l des Zwischensegments 5, d.h. α = tan–1[(x1 – x2)/2·l]. Der Keilwinkel α gibt dabei den Winkel an, mit dem zwei Seitenflanken 18, 20 des Zwischensegments 5 zueinander verlaufen. Die Breiten x1 und x2 sind dabei in Umfangsrichtung 9 zu messen, die Länge l wird n Radialrichtung gemessen. Beispielsweise können die Zwischensegmente 5 Breiten von zwischen 1 und 8 aufweisen, wobei eine Breite x1 an einer radial innenliegenden Flanke 17 abhängig vom Durchmesser des Kurzschlussrings mehr oder minder deutlich größer sein kann als eine Breite x2 an einer radial außenliegenden Flanke 19. Eine Länge l kann im Bereich von zwischen 5 und 80 mm liegen. Eine Dicke der Zwischensegmente 5 kann zwischen 3 und 20mm betragen.
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Es erscheint vorteilhaft, die Keilwinkel der Zwischensegmente 5 derart zu bemessen, dass die Zwischensegmente 5 nach einem Einschieben zwischen benachbarte Kurzschlussstäbe 3 dort durch Selbsthemmung in ihrer Position gehalten sind. Für die typischerweise für eine Bildung von Kurzschlussringen verwendeten metallischen Materialien, z.B. einer Cu-Cu-Paarung, und deren Oberflächenbeschaffenheiten ergibt sich beispielsweise, dass bei einem Zwischensegment 5 mit einer Länge l von 30mm sich rechnerisch ein Keilwinkel von zwischen 0,95° und 3,8° als geeignet zum Erreichen einer Selbsthemmung ergibt. Ein Keilwinkel von zwischen 1° und 2°, z.B. 1,3°, scheint eine vorteilhafte Wirkung sowohl hinsichtlich der Selbsthemmung als auch hinsichtlich einer mechanischen Stabilität des hiermit gebildeten Kurzschlussringes zuzulassen.
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Nachdem der Kurzschlussring 1 mithilfe der Kurzschlussstäbe 3 und Zwischensegmente 5 segmentartig zusammengesetzt wurde, können die Komponenten 3, 5 des Kurzschlussrings 1 miteinander verfügt werden. Beispielsweise kann auf Außenoberflächen der Zwischensegmente 5 eine Lotschicht 15, d.h. eine Schicht aus einem relativ niedrig schmelzenden Material, aufgebracht sein, beispielsweise durch Plattieren. Alternativ kann an einer Grenzfläche zwischen einem Zwischensegment 5 und angrenzenden Kurzschlussstäben 3 eine Lotschicht in Form einer dünnen Folie aus niedrigschmelzendem Material zwischengelagert sein. Während eines Fügeprozesses, beispielsweise eines Lötvorgangs, kann der segmentiert zusammengesetzte Kurzschlussring 1 gleichmäßig erwärmt werden. Nach einem nachfolgenden Abkühlen sind die Kurzschlussstäbe 3 und die Zwischensegmente 5 miteinander verfügt, insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Die keilförmigen Zwischensegmente 5 werden hierbei entsprechend einem Setzmaß beim Aufschmelzprozess des Lotes radial nach außen nachgesetzt. Durch die Selbsthemmung wird eine Druckspannung in einer Fügezone bzw. zwischen den beiden Fügepartnern aufgebaut.
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Während eines Betriebs der Elektromaschine, d.h. wenn sich der Rotor samt des daran vorgesehenen Kurzschlusskäfigs dreht, wird die Druckspannung durch hierbei auftretenden Zentrifugalkräfte abgebaut, so dass sich idealer Weise im Betriebspunkt ein spannungsfreies System einstellt.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013202557 A1 [0005]
