DE102015224579A1

DE102015224579A1 - Rotor, Verfahren zum Herstellen eines Rotors, Asynchronmaschine und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015224579A1
Application number: DE102015224579.9A
Authority: DE
Inventors: Holger Ulbrich; Manfred Siegling; Josef Lichtinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2017-06-08
Also published as: US20180287444A1; CN107925323A; US10637313B2; WO2017097501A1; CN107925323B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (10) für eine Asynchronmaschine (50), umfassend ein Blechpaket (20) und einen zumindest teilweise im Blechpaket (20) integrierten Kurzschlusskäfig (30), bei welchem (i) der Kurzschlusskäfig (30) mit Stäben (31) mit oder aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und Kurzschlussringen (32-1, 32-2) mit oder aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist, (ii) an mindestens einem der Kurzschlussringe (32-1, 32-2) und in mechanischem Kontakt mit diesem ein Stützring (60-1, 60-2) ausgebildet ist, (iii) ein jeweiliger Kurzschlussring (32-1, 32-2) und/oder ein jeweiliger Stützring (60-1, 60-2) zur Ausbildung des mechanischen Kontaktes eine Kontur (33, 61) aufweist und (iv) ein jeweiliger mechanischer Kontakt als Passung ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor, ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors, eine Asynchronmaschine und ein Fahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Rotor für eine Asynchronmaschine, ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Asynchronmaschine, eine Asynchronmaschine, insbesondere für einen Antrieb eines Fahrzeuges, sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug und/oder ein Hybridfahrzeug.
Bei vielen technischen Anwendungen, insbesondere beim Antrieb von Fahrzeugen und deren Komponenten, werden Asynchronmaschinen eingesetzt. Derartige Maschinen werden auch als Drehstrom-Asynchronmaschinen oder Drehstrom-Induktionsmaschinen bezeichnet. Bei derartigen Maschinen wechselwirken ein Läufer oder Rotor und ein Stator über magnetische Drehfelder miteinander, wobei im Generatorbetrieb der Läufer dem Statordrehfeld vorauseilt und im Motorbetrieb der Läufer dem Statordrehfeld nachläuft.
Bei passiven Asynchronmaschinen wird der Läufer von einem Kurzschlussläufer oder Käfigläufer gebildet. Ein derartiger Rotor besteht aus einem Blechpaket, insbesondere aus einem Eisenblechpaket mit ausgebildeten Nuten, wobei die Bleche gegenseitig elektrisch isoliert sind. Üblicherweise werden bei der Herstellung in die Nuten des Blechpaketes Stäbe eingebracht und über Kurzschlussringe elektrisch kurzgeschlossen, dies kann über ein Gussverfahren erfolgen.
Problematisch ist, dass eine Materialsubstitution zur Verbesserung der elektrischen Leitwerte einerseits und der Erhöhung der mechanischen Stabilität andererseits mit bekannten Herstellungsverfahren nicht oder nur mit einem erheblichen Mehraufwand an Material- und Energiekosten erreicht werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Rotor für eine Asynchronmaschine anzugeben, welcher den Aufbau und den Betrieb einer Asynchronmaschine zuverlässiger gestaltet, ohne dass der Aufwand bei der Herstellung steigt. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein entsprechendes Herstellungsverfahren für einen Rotor, eine Asynchronmaschine und ein Fahrzeug anzugeben und entsprechend weiterzubilden.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Rotor für eine Asynchronmaschine erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1, bei einem Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Asynchronmaschine erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 7, bei einer Asynchronmaschine erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13 und bei einem Fahrzeug erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Rotor für eine Asynchronmaschine geschaffen, umfassend ein Blechpaket und einen zumindest teilweise im Blechpaket integrierten Kurzschlusskäfig, bei welchem (i) der Kurzschlusskäfig mit Stäben mit oder aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und Kurzschlussringen mit oder aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist, (ii) an mindestens einem der Kurzschlussringe und in mechanischem Kontakt mit diesem ein Stützring ausgebildet ist, (iii) ein jeweiliger Kurzschlussring und/oder ein jeweiliger Stützring zur Ausbildung des mechanischen Kontaktes eine Kontur aufweist und (iv) ein jeweiliger mechanischer Kontakt als Pressung zur formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen und insbesondere durch das Ausbilden eines jeweiligen mechanischen Kontaktes über eine Kontur nach Art einer Pressung an mindestens einem eines jeweiligen Kurzschlussringes und eines jeweiligen Stützringes kann mit besonders einfachen Mitteln und gleichwohl mit hoher Zuverlässigkeit eine mechanische Stabilisierung eines Kurzschlussringes mit einfacher Montage eines Stützringes am jeweiligen Kurzschlussring als Endring erfolgen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors wird die mechanische Stabilisierung eines jeweiligen Kurzschlussringes durch einen jeweiligen Stützring dadurch gesteigert, dass ein jeweiliger Stützring als formschlüssige und/oder kraftschlüssige und insbesondere als am jeweiligen Kurzschlussring aufgepresste Struktur ausgebildet ist. Durch diese Maßnahmen kann die Zentrifugalbelastung im Betrieb des Rotors zur Stabilisierung vom jeweiligen Kurzschlussring in den Stützring eingeleitet und kompensiert werden.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors wird eine Vereinfachung des zu Grunde liegenden Herstellungsprozesses dadurch erreicht, dass eine jeweilige Kontur ganz oder teilweise als mit dem jeweiligen Stützring bzw. mit dem jeweiligen Kurzschlussring inhärente Struktur ausgebildet ist.
Alternativ dazu kann eine jeweilige Kontur aber auch ganz oder teilweise als zu dem jeweiligen Stützring bzw. zu dem jeweiligen Kurzschlussring nachträglich hinzugefügte Struktur ausgebildet sein.
Um den Grad der mechanischen Kopplung über den mechanischen Kontakt zwischen jeweiligem Stützring und jeweiligem Kurzschlussring weiter zu steigern, kann es gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Rotors vorgesehen sein, dass eine jeweilige Kontur mit einem Oberflächenprofil, mit einer oder mit mehreren Ausnehmungen und/oder mit einem oder mit mehreren Vorsprüngen zur Ausbildung und/oder zur Unterstützung des mechanischen Kontaktes ausgebildet ist.
Ein besonders hoher Grad an gegenseitiger mechanischer Wechselwirkung und Stabilisierung zwischen einem jeweiligen Kurzschlussring und einem jeweiligen Stützring stellt sich insbesondere dann ein, wenn ein jeweiliger Kurzschlussring und ein jeweiliger Stützring mit kooperierenden und/oder zumindest teilweise zueinander komplementären Konturen ausgebildet sind.
Ein besonders hohes Maß an mechanischer Stabilisierung des erfindungsgemäßen Rotors ergibt sich auch, wenn ein jeweiliger Stützring ganz oder teilweise außenumfänglich am jeweiligen Kurzschlussring ausgebildet ist und/oder ganz oder teilweise im jeweiligen Kurzschlussring einbettet ist.
Da es im Hinblick auf den Stützring je nach Positionierung in Relation zum Kurzschlussring auf dessen elektrische Eigenschaften nicht ankommt, eröffnet sich die Möglichkeit einer weitergehenden Materialpalette, insbesondere im Hinblick darauf, den Kurzschlussring gegenüber hohen Zentrifugalkräften, insbesondere beim Unrundlaufen, zu stabilisieren.
So ist es gemäß einer alternativen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Rotors vorgesehen, dass ein jeweiliger Stützring mit oder aus einem Material aus der Gruppe von Materialien ausgebildet ist, die aufweist metallische Materialien, keramische Materialien, Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, insbesondere mit oder aus Glas- und/oder Karbonfasermaterialien, und deren Kombinationen.
Alternativ kann ein Stützring auch mit oder aus demselben Material ausgebildet sein wie der jeweilige Kurzschlussring.
Die Stabilisierung des oder der Kurzschlussringe in mechanischer Hinsicht durch die Verwendung eines Stützrings ermöglicht auch die Verwendung von Materialkombinationen im Hinblick auf die Stäbe und/oder die Kurzschlussringe unter besonderer Berücksichtigung der jeweiligen elektrischen Leitfähigkeit und ggf. ohne besonderen Fokus auf die mechanische Stabilität des Kurzschlussringes, weil dieser erfindungsgemäß durch den Stützring mechanisch stabilisiert wird.
So ist es insbesondere möglich, dass (i) die Stäbe in oder mit gegossenem und/oder gefügtem Aufbau ausgebildet sind, (ii) einer oder mehrere der Kurzschlussringe als Endringe ausgebildet sind, (iii) das erste Material eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als das zweite Material, (iv) das zweite Material eine höhere mechanische Festigkeit und/oder Stabilität aufweist als das erste Material, (v) das erste Material und/oder das zweite Material ein Material aus der Gruppe ist, die aufweist Aluminium, Kupfer, Silber und deren Kombinationen und Legierungen, und/oder (vi) das erste Material Kupfer oder eine Kupferlegierung ist oder aufweist und das zweite Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist oder aufweist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Asynchronmaschine geschaffen.
Eine derartige Asynchronmaschine wird mit einem Blechpaket und zumindest einem teilweise im Blechpaket integrierten Kurzschlusskäfig ausgebildet. Erfindungsgemäß wird bei dem Herstellungsverfahren der Kurzschlusskäfig (a) mit Stäben, welche mit oder aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material geformt sind, und (b) mit Kurzschlussringen, welche mit oder aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material geformt sind, ausgebildet. Mindestens einer der Kurzschlussringe wird in mechanischem Kontakt mit diesem mit einem Stützring ausgebildet. Dabei wird ein jeweiliger Kurzschlussring und/oder ein jeweiliger Stützring zur Ausbildung des mechanischen Kontaktes mit einer Kontur versehen und ein jeweiliger mechanischer Kontakt als Pressung zur formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung ausgebildet. Dadurch, dass beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren an mindestens einem der Kurzschlussringe und in mechanischem Kontakt mit diesem ein Stützring ausgebildet wird und der mechanische Kontakt über eine Kontur an mindestens einem des jeweiligen Kurzschlussringes und des jeweiligen Stützringes als Pressung realisiert wird, ergibt sich ein besonders hohes Maß an mechanischer Integrität des hergestellten Rotors, und zwar selbst bei hohen Zentrifugalbelastungen und teilweisem Unrundlaufen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird beim hergestellten Rotor die mechanische Integrität und Widerstandsfähigkeit dadurch weiter gesteigert, dass ein jeweiliger Stützring als formschlüssige und/oder kraftschlüssige und insbesondere als am jeweiligen Kurzschlussring aufgepresste Struktur ausgebildet wird.
Eine besonders einfache Herstellung ergibt sich, wenn eine jeweilige Kontur ganz/oder teilweise mit dem jeweiligen Stützring bzw. mit dem jeweiligen Kurzschlussring als inhärente Struktur ausgebildet wird.
Alternativ dazu kann es auch vorteilhaft sein, wenn eine jeweilige Kontur ganz oder teilweise zu dem jeweiligen Stützring bzw. zu dem jeweiligen Kurzschlussring als nachträgliche Struktur hinzugefügt wird.
Ferner lässt sich die mechanische Wechselwirkung zwischen Stützring und Kurzschlussring zur gesteigerten mechanischen Stabilität verbessern, indem gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine jeweilige Kontur mit einem Oberflächenprofil, mit einer oder mit mehreren Ausnehmungen und/oder mit einem oder mit mehreren Vorsprüngen zur Ausbildung oder Unterstützung des mechanischen Kontaktes ausgebildet wird.
Ferner kann es von Vorteil sein, wenn sowohl der Kurzschlussring als auch der mit dem Kurzschlussring wechselwirkende Stützring beide mit einer Kontur ausgebildet sind, insbesondere wenn ein jeweiliger Kurzschlussring und ein jeweiliger Stützring mit kooperierenden und/oder zumindest teilweise zueinander komplementären Konturen ausgebildet werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird zum Erzielen eines besonders hohen Maßes an mechanischer Stabilität ein jeweiliger Stützring ganz oder teilweise außenumfänglich am jeweiligen Kurzschlussring ausgebildet und/oder ganz oder teilweise im jeweiligen Kurzschlussring einbettet.
Auch können materielle Aspekte zur Steigerung der Stabilität der herzustellenden Struktur berücksichtigt werden.
Dies kann zum Beispiel geschehen, indem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens ein jeweiliger Stützring mit oder aus einem Material aus der Gruppe von Materialien ausgebildet wird, die aufweist metallische Materialien, Legierungen, keramische Materialien, Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, insbesondere mit oder aus Glas- und/oder Karbonfasermaterialien, und deren Kombinationen.
Alternativ dazu kann ein Stützring auch mit oder aus demselben Material ausgebildet werden wie der jeweilige Kurzschlussring.
Gemäß weiteren Alternativen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann es vorgesehen sein, dass (i) die Stäbe in oder mit gegossenem und/oder gefügtem Aufbau ausgebildet werden, (ii) ein oder mehrere der Kurzschlussringe als Endringe ausgebildet werden, (iii) als erstes Material ein Material mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als der des zweiten Materials verwendet wird, (iv) als zweites Material eine Material mit einer höheren mechanischen Festigkeit und/oder Stabilität als der des ersten Materials verwendet wird, (v) als das erste Material und/oder als das zweite Material ein Material aus der Gruppe verwendet wird, die aufweist Aluminium, Kupfer, Silber und deren Kombinationen und Legierungen, und (vi) insbesondere als das erste Material Kupfer oder eine Kupferlegierung und als das zweite Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet wird.
Besonders ökonomisch gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dann, wenn ein jeweiliger Kurzschlussring mittels eines Gießverfahrens unter Verwendung einer Form ausgebildet wird und dabei die Form ein Komplement der Kontur des Kurzschlussringes aufweist und so beim Gießen des Kurzschlussringes mit die Kontur inhärent mit gegossen wird.
Die vorliegende Erfindung schafft des Weiteren eine Asynchronmaschine, insbesondere für den Antrieb und/oder als Generator eines Fahrzeuges. Die erfindungsgemäße Asynchronmaschine weist einen erfindungsgemäßen Rotor sowie einen Stator auf.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Personenfahrzeug, batterieelektrisches Fahrzeug und/oder ein Hybridfahrzeug. Das Fahrzeug umfasst eine erfindungsgemäß ausgebildete Asynchronmaschine, welche als Teil eines Antriebes und/oder eines Generators des Fahrzeuges ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Asynchronmaschine kann auch bei beliebigen anderen Vorrichtungen als Antrieb und/oder als Generatorkomponente eingesetzt werden, z.B. bei Arbeits- oder Werkzeugmaschinen, insbesondere bei einer Kreissäge, bei Pumpen, z.B. Wasserpumpen, bei Wasser- und Windgeneratoren und dergleichen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
1 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht den Aufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Asynchronmaschine.
2 zeigt nach Art einer Explosionsdarstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors, welcher als Kurzschlussläufer für eine Asynchronmaschine genutzt werden kann.
3 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors.
3-1, 3-2 zeigen in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Rotors.
4-1, 4-2 zeigen in perspektivischer Seitenansicht zwei Ausführungsformen für Stützringe, die erfindungsgemäß eingesetzt werden können.
5 zeigt in schematischer Seitenansicht ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Fahrzeug.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form von einander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
1 zeigt in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Asynchronmaschine 50.
Diese besteht aus einem Stator 40, in dessen Inneren ein Rotor 10 mit einer Rotorwelle 12 über Lager 41 gelagert angeordnet ist. Die Rotorwelle 12 definiert eine Drehachse 11 des Rotors 10. Die einzelnen Komponenten des Rotors 10 sind mit der Welle 12 drehfest verbunden. Die Drehachse 11, die über die Rotorwelle 12 definiert wird, ist parallel zu der in 1 als x-Achse dargestellten Richtung ausgerichtet.
Der Rotor 10 selbst besteht neben der Rotorwelle 12 aus einem Blechpaket 20, welches gebildet wird von gegeneinander elektrisch isolierten dünnen Blechen, zum Beispiel aus Eisen oder dergleichen. Das Blechpaket 20 ist mit einer Mehrzahl von Nuten 21 oder Ausnehmungen hier in Längsrichtung parallel zur Drehachse 11 ausgebildet, jedoch ist auch ein schräger Verlauf denkbar, bei welchem die einzelnen Bleche um mindestens einen vorgegebenen Schrägwinkel um die Achse 11 gegeneinander verdreht sind. Die Nuten 21 werden mit Stäben 31 bestückt, die auch als Käfigstäbe bezeichnet werden. An den Enden 31-1 und 31-2 werden die Stäbe 31 mit – hier endständiger – Kurzschlussringen 32-1 und 32-2 verbunden, welche elektrisch leitend sind, und dadurch elektrisch kurzgeschlossen.
Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Asynchronmaschine 50 gemäß 1 weist der erfindungsgemäße Rotor 10 am Außenumfang des ersten Kurzschlussringes 31-2 einen ersten Stützring 60-1 als Teil einer Stützringanordnung 60 auf.
Entsprechend weist der zweite Kurzschlussring 32-2, der wie der erste Kurzschlussring 32-1 ebenfalls als Endring ausgebildet ist, bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors 10 gemäß 1 an seinem Außenumfang einen entsprechend ausgebildeten zweiten Stützring 60-2 als Teil der Stützringanordnung 60 auf.
Die ersten und zweiten Stützringe 60-1 bzw. 60-2 sind erfindungsgemäß über einen mechanischen Kontakt mit den jeweiligen Kurzschlussringen 32-1, 32-2 gekoppelt. Dazu weisen entweder ein jeweiliger Kurzschlussring 32-1, 32-2 oder ein jeweiliger Stützring 60-1, 60-2 oder beide zur Ausbildung des mechanischen Kontaktes jeweils eine Kontur 33 bzw. 61 auf, die in der Darstellung der 1 nicht zu sehen ist. Erfindungsgemäß ist der jeweilige mechanische Kontakt nach Art einer Pressung zur formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung ausgebildet, nämlich zwischen dem zu Grunde liegenden Kurzschlussring 32-1, 32-2 und dem jeweiligen am Kurzschlussring 32-1, 32-2 vorgesehenen Stützring 60-1, 60-2.
Insbesondere über Formschluss und/oder Kraftschluss wird ein besonders hohes Maß an Stabilität der Kurzschlussringe 32-1, 32-2 gegenüber Zentrifugalkräften bei Rotation mittels der Rotorwelle 12 um die Rotationsachse 11 erzielt.
Auf Grund der Stabilisierung der ersten und zweiten Kurzschlussringe 32-1 bzw. 32-2 durch die Stützringe 60-1, 60-2 der Stützringanordnung 60 kann die Materialwahl im Hinblick im Hinblick auf das Material der Kurzschlussringe 32-1, 32-2 – solange ein elektrisches Kurzschließen der Stäbe 31 möglich ist – beliebig ausgestaltet sein, um zum Beispiel Aspekten einer besonders leichten und kostengünstigen Gestaltung der Kurzschlussringe 32-1, 32-2 besser Rechnung tragen zu können. Eine mechanische Belastung der Kurzschlussringe 32-1, 32-2 kann durch die Stützringe 60-1, 60-2 abgefangen werden.
Es ist erfindungsgemäß insbesondere nicht mehr notwendig, die Stäbe 31 und die Kurzschlussringe 32-1, 32-2 aus demselben Material und/oder im selben Arbeitsgang und mit denselben Herstellungsmethoden auszubilden.
2 zeigt nach Art einer Explosionsdarstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors 10 mit einem Kurzschlusskäfig 30 mit Stäben 31 und endständigen Kurzschlussringen 32-1 und 32-2 sowie mit einem Blechpaket 20 mit parallel zur Rotorachse 11 ausgebildeten Nuten 21 zur Aufnahme der Stäbe 31.
Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors 10 gemäß 2 sind das Blechpaket 20 und der Kurzschlusskäfig 30 in der Explosionsdarstellung explizit gezeigt. Der erfindungsgemäß vorzusehende Stützring 60-1 der Stützringanordnung 60 ist in Bezug auf den ersten Kurzschlussring 32-1 nur schematisch mit einer gestrichelten Kontur angedeutet.
3 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors 10. Dieser entspricht im Wesentlichen dem Rotor 10, wie er bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Asynchronmaschine 50 aus 1 Verwendung findet.
Die Rotorachse 11 wird durch eine Rotorwelle 12 definiert. Mit dieser Rotorwelle 12 sind die weiteren Komponenten des Rotors 10 drehfest verbunden. Dabei handelt es sich insbesondere um ein Blechpaket 20 mit parallel zur Rotorachse 11 ausgebildeten Nuten 21 oder Ausnehmungen, in welche Stäbe 31 eines Kurzschlusskä30 aufgenommen sind. Die Stäbe 31 sind ihrerseits mit ihren ersten Enden 31-1 auf der Innenseite eines ersten Kurzschlussringes 32-1 elektrisch leitend verbunden. Die den ersten Enden 31-1 gegenüberliegenden zweiten Enden 31-2 der Stäbe 31 des Kurzschlusskäfigs 30 sind mit der Innenseite eines gegenüberliegenden und endständigen zweiten Kurzschlussringes 32-2 elektrisch leitend verbunden.
Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors 10 gemäß 3 zeigt jeweils außenumfänglich umlaufend am ersten Kurzschlussring 32-1 einen ersten Stützring 60-1 der Stützringanordnung 60 und am zweiten Kurzschlussring 32-2 einen zweiten Stützring 60-2 der Stützringanordnung 60.
Die ersten und zweiten Stützringe 60-1 und 60-2 sind erfindungsgemäß am jeweils zugeordneten Kurzschlussring 32-1, 32-2 über einen mechanischen Kontakt über eine Kontur 33, 61 nach Art einer Pressung und insbesondere formschlüssig und/oder kraftschlüssig angeordnet und verleihen dem jeweiligen Kurzschlussring 32-1, 32-2 gegenüber Zentrifugalkräften bei Rotation mittels der Rotorwelle 12 um die Rotationsachse 11 ein besonders hohes Maß an Stabilität, insbesondere auch bei Unwuchten.
Die 3-1 und 3-2 zeigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Rotors 10 mit spezifischen Ausgestaltungen der Kontur 33, hier eines ersten Kurzschlussringes 32-1.
Gemäß 3-1 ist die Kontur 33 des ersten Kurzschlussringes 32-1 nach Art einer Rändelung strukturiert.
Bei der Ausführungsform gemäß 3-2 weist die Kontur 33 des ersten Kurzschlussringes 32-1 eine Abfolge axialer Ausnehmungen 62 und Vorsprünge 63 auf, welche alternierend entlang der Außenumfangsfläche 34 des ersten Kurzschlussringes 32-1 angeordnet sind.
Die 4-1 und 4-2 zeigen Ausführungsformen der Stützringe 60-1, 60-2 der Stützringanordnung 60, wie sie bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Rotors 10 bzw. einer Asynchronmaschine 50 zum Einsatz kommen können.
Zur Verbesserung des mechanischen Kontaktes – insbesondere durch Kraftschluss und/oder durch Formschluss zwischen einem jeweiligen Stützring 60-1, 60-2 und einem jeweiligen Kurzschlussring 32-1, 32-2 – können die Innenseite 65 und/oder die Außenseite 64 eine bestimmte Kontur 61 aufweisen.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 besitzen die Stützringe 60-1, 60-2 sowohl auf der Außenseite 64 als auch auf der Innenseite 65 eine insgesamt glatte Kontur 61.
Bei der Ausführungsform gemäß den 4-1 und 4-2 ist die Außenseite 64 glatt, wogegen die Kontur 61 der Innenseite 65 des Stützringes 60-1, 60-2 nach Art einer Rändelung ausgebildet ist, die beim Herstellungsprozess des jeweiligen Stützrings 60-1, 60-2 inhärent mit ausgebildet werden kann.
5 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Asynchronmaschine 50 für einen Antrieb 80.
In der schematischen Darstellung der 5 weist das erfindungsgemäße Fahrzeug 1 ein Chassis 2 sowie vier Räder 3 auf, welche über einen Antriebsstrang 85 mittels der erfindungsgemäß ausgebildeten Asynchronmaschine 50 zur Fortbewegung des Fahrzeuges 1 angetrieben werden können. Dabei kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug 1 um ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug handeln.
Die erfindungsgemäße Asynchronmaschine 50 des Antriebes 80 wird von einer Energiequelle, insbesondere einer Batterie 81, über eine Versorgungsleitung 86 gespeist. Mittels einer Steuereinheit 90 werden über Steuer-/Kommunikationsleitungen 82, 83 und 84 Funktion und Betrieb der Batterie 81, der Asynchronmaschine 50 und des Antriebsstranges 85 überwacht und/oder gesteuert.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Der Rotor 10 einer Asynchronmaschine 50, der auch als Kurzschlussläufer oder Käfigläufer 30 bezeichnet wird, besteht aus einem Eisenblechpaket 20, zusammengesetzt aus gegenseitig isolierten Blechen, mit eingestanzten Nuten 21.
Beim Herstellen von Asynchronrotoren 10 kann das Einbringen des Kurzschlusskä30 mit Stäben 31 und Endringen 32-1, 32-2 in das Blechpaket 20 über ein Aluminiumdruckgussverfahren erfolgen.
Die gegossenen Läuferstäbe 31 werden beidseitig mit Kurzschlussringen 32-2, 32-2 versehen und bilden somit den elektrisch leitenden Kurzschlussläufer 10.
Durch eine Substitution beim Druckgussverfahren von Aluminium durch einen anderen geeigneten Werkstoff mit höherem Leitwert wie z.B. Kupfer wird zwar der Wirkungsgrad der E-Maschine verbessert. Nachteilig wirkt sich dabei im Allgemeinen die geringere mechanische Festigkeit des substituierenden Materials aus.
Bei hohen Drehzahlen oder großem Rotordurchmesser sind die an den axialen Enden des Blechpakets 20 angeordneten Kurzschlussringe 32-1, 32-2, auf Grund von Zentrifugalkräften der Gefahr einer mechanischen Deformation ausgesetzt, wodurch eine Beschädigung oder Zerstörung des Rotors 10 erfolgen kann.
Um dem entgegenzuwirken ist der Einsatz von Stützringen 60 aus mechanisch stabilen Materialien denkbar, diese nehmen die Fliehkräfte des Kurschlussringes 32-1, 32-2 auf.
Verfahren zur Verbindung der Stützringe mit den Endringen durch Kleben, Schweißen oder Aufschrumpfen sind aufwendig, kostenintensiv und mechanisch nachteilig:

– Bei geklebten Stützringen ist eine mechanische Bearbeitung zur Erzeugung des Klebespalts erforderlich. Des Weiteren muss die Klebestelle von Verunreinigungen entsprechend vorbehandelt werden, z.B. durch Reinigen. Nach dem Reinigen der Klebestellen muss der Klebstoff in einem separaten Fertigungsschritt aufgebracht werden, wobei die Aushärtedauer den Fertigungsprozess verzögert. In Verbindung mit hohen Temperaturen gilt die Klebestelle als Schwachpunkt sowohl der Verbindung selbst als, z.B. in mechanischer Hinsicht, auch des gesamten Fertigungsprozesses.
– Bei geschweißten Stützringen ist die Materialauswahl von Stützring und Kurzschlussringen 32-1, 32-2 durch die Schweißbarkeit beschränkt. Die Schweißpunkte müssen in einem separaten Fertigungsschritt aufgebracht werden. Dafür notwendige Schweißeinrichtungen sind kostenintensiv. Mögliche thermische Verspannungen auf Grund des Einbringens von Wärme beim Schweißen können zum Verzug der Bauteile führen. Durch die Schweißnähte können die Möglichkeiten der Wuchtpositionen am Rotor 10 eingeschränkt werden.
– Bei eingepassten Stützringen ist immer eine Presspassung notwendig. Somit müssen sowohl der Kurzschlussring 32-1, 32-2 als auch der Stützring 60-1, 60-2 sehr genau gefertigt werden. Zum Fügen der Teile müssen diese häufig thermisch behandelt (kühlen, erhitzen) werden.

Um auch bei hohen Drehzahlen die Fliehkräfte des Kurzschlussläufers 30 und insbesondere der Kurzschlussringe 32-1, 32-2 aufzunehmen und somit eine Beschädigung zu verhindern, wird erfindungsgemäß u.a. ein neues Verfahren zum Anbringen des Stützringes 60-1, 60-2 einer Stützringanordnung 60 vorgeschlagen.
Ein jeweiliger Stützring 60-1, 60-2 soll nicht durch Kleben, Schweißen oder mit einer Presspassung mit einem Kurzschlussring 32-1, 32-2 verbunden werden, sondern eine geeignete Kontur 33, 61 am Kurzschlussring 32-1, 32-2 und/oder am Stützring 60-1, 60-2. Dabei kann dies zum Beispiel mit einer beim Gießen des Kurschlusskäfigs 30 in der Gießform vorgegebenen komplementären Gegenkontur geschehen.
Eine bereits abgeschlossene Formgebung des Kurzschlussrings 32-1, 32-2 nach dem Gießen benötigt als letzten Arbeitsschritt nur noch das Aufpressen des Stützringes 60-1, 60-2 auf den Kurschlussring 32-1, 32-2 z.B. bei Raumtemperatur.
Im Gegensatz zu einem eingepassten Stützring sind hier größere Fertigungstoleranzen zulässig.
Ebenso ist aber auch ein nachträgliches Anbringen einer Kontur 33 am Kurzschlussring 32-1, 32-2 und/oder einer Kontur 61 an der Innenseite 65 des Stützrings 60-1, 60-2 möglich.
Vorteilhaft bei dieser Erfindung ist das einfache Anbringen der Stützringe 60-1, 60-2 durch Aufpressen z.B. bei Raumtemperatur ohne zusätzliche Hilfswerkstoffe oder einer aufwendigen Vorbearbeitung der Fügestellen.
Zusätzlich ist bei der hier aufgeführten Verbindungstechnologie die Materialauswahl weniger begrenzt. Beispielsweise können auch nicht-metallische Werkstoffe wie Faserverbundwerkstoffe oder Kunststoffe verwendet werden. Diese haben auf Grund ihrer geringeren Dichte erhebliche Vorteile für das Gesamtgewicht des Rotors 10 und somit der E-Maschine.
Folgende erfindungsgemäßen Vorteile stellen sich ein:

– Im Gegensatz zum eingepassten Stützring muss erfindungsgemäß weder der Kurzschlussring 32-1, 32-2 noch der Stützring 60-1, 60-2 auf ein genaues Passmaß gearbeitet werden (keine Passung), so dass größere Fertigungstoleranzen möglich sind. Dies spart Zeit und Kosten.
– Entfall zusätzlicher Fertigungsschritte wie Schweißen, Kleben; Vorbereiten der Klebe-, Schweißstellen entfällt.
– Kein Einbringen von zusätzlichen Werkstoffen und somit keine Festigkeitsnachteile.
– Flexibilität in der Materialauswahl bei den Stützringen 60-1, 60-2, weil Voraussetzungen wie Schweißbarkeit, Verträglichkeit mit Klebstoff usw. entfallen.
– Keine thermischen Materialverformungen der Kurschlussringe 32-1, 32-2 und der Stützringe 60-1, 60-2 durch Fügen bei Raumtemperatur.
– Verwendung von Stützringen 60-1, 60-2 aus leichten und hochfesten Materialen wie Faserverbundstoffe möglich.

Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Chassis
3: Rad
10: Rotor, Käfigläufer
11: Rotorachse
12: Rotorwelle
20: Blechpaket
21: Nut, Ausnehmung
30: Kurzschlusskäfig
31: Stab
31-1: (erstes) Ende/Stabende
31-2: (zweites) Ende/Stabende
32-1: (erster) Kurzschlussring
32-2: (zweiter) Kurzschlussring
33: Kontur Kurzschlussring 32-1, 32-2
34: (konvexe) Außenseite/Außenfläche
35: (konkave) Innenseite/Innenfläche
40: Stator
41: Lager
50: Asynchronmaschine
60: Stützringanordnung
60-1: (erster) Stützring
60-2: (zweiter) Stützring
61: Kontur Stützring 60-1, 60-2
62: Ausnehmung
63: Vorsprung
64: (konvexe) Außenseite/Außenfläche
65: (konkave) Innenseite/Innenfläche
80: Antrieb
81: Batterie
82: Steuer-/Kommunikationsleitung
83: Steuer-/Kommunikationsleitung
84: Steuer-/Kommunikationsleitung
85: Antriebsstrang
86: Versorgungsleitung
90: Steuereinheit

Claims

Rotor (10) für eine Asynchronmaschine (50), umfassend ein Blechpaket (20) und einen zumindest teilweise im Blechpaket (20) integrierten Kurzschlusskäfig (30), bei welchem – der Kurzschlusskäfig (30) mit – Stäben (31) mit oder aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und – Kurzschlussringen (32-1, 32-2) mit oder aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist, – an mindestens einem der Kurzschlussringe (32-1, 32-2) und in mechanischem Kontakt mit diesem ein Stützring (60-1, 60-2) ausgebildet ist, – ein jeweiliger Kurzschlussring (32-1, 32-2) und/oder ein jeweiliger Stützring (60-1, 60-2) zur Ausbildung des mechanischen Kontaktes eine Kontur (33, 61) aufweist und – ein jeweiliger mechanischer Kontakt als Pressung zur formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung ausgebildet ist.
Rotor (10) nach Anspruch 1, bei welchem ein jeweiliger Stützring (60-1, 60-2) als formschlüssige und/oder kraftschlüssige und insbesondere als am jeweiligen Kurzschlussring (32-1, 32-2) aufgepresste Struktur ausgebildet ist.
Rotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine jeweilige Kontur (33, 61) – ganz/oder teilweise mit dem jeweiligen Stützring (60) bzw. mit dem jeweiligen Kurzschlussring (32-1, 32-2) als inhärente Struktur und/oder – ganz oder teilweise zu dem jeweiligen Stützring (60) bzw. zu dem jeweiligen Kurzschlussring (32-1, 32-2) als nachträglich hinzugefügte Struktur ausgebildet ist.
Rotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine jeweilige Kontur (33, 61) mit einem Oberflächenprofil, mit einer oder mit mehreren Ausnehmungen (62) und/oder mit einem oder mit mehreren Vorsprüngen (63) zur Ausbildung und/oder zur Unterstützung des mechanischen Kontaktes ausgebildet ist.
Rotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein jeweiliger Kurzschlussring (32-1, 32-2) und ein jeweiliger Stützring (60) mit kooperierenden und/oder zumindest teilweise zueinander komplementären Konturen (33, 61) ausgebildet sind.
Rotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein jeweiliger Stützring (60) – mit oder aus einem Material aus der Gruppe von Materialien ausgebildet ist, die aufweist metallische Materialien, keramische Materialien, Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, insbesondere mit oder aus Glas- und/oder Karbonfasermaterialien, und deren Kombinationen und/oder – mit oder aus demselben Material ausgebildet ist wie der jeweiligen Kurzschlussring (32-1, 32-2).
Verfahren zum Herstellen eines Rotors (10) für eine Asynchronmaschine (50), umfassend ein Blechpaket (20) und einen zumindest teilweise im Blechpaket (20) integrierten Kurzschlusskäfig (30), bei welchem – der Kurzschlusskäfig (30) ausgebildet wird mit – Stäben (31) mit oder aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und – Kurzschlussringen (32-1, 32-2) mit oder aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material, – an mindestens einem der Kurzschlussringe (32-1, 32-2) und in mechanischem Kontakt mit diesem ein Stützring (60-1, 60-2) ausgebildet wird, – ein jeweiliger Kurzschlussring (32-1, 32-2) und/oder ein jeweiliger Stützring (60-1, 60-2) zur Ausbildung des mechanischen Kontaktes mit einer Kontur (33, 61) ausgebildet wird und – ein jeweiliger mechanischer Kontakt als Pressung zur formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem ein jeweiliger Stützring (60-1, 60-2) als formschlüssige und/oder kraftschlüssige und insbesondere als am jeweiligen Kurzschlussring (32-1, 32-2) aufgepresste Struktur ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei welchem eine jeweilige Kontur (33, 61) – ganz/oder teilweise mit dem jeweiligen Stützring (60) bzw. mit dem jeweiligen Kurzschlussring (32-1, 32-2) als inhärente Struktur ausgebildet wird und/oder – ganz oder teilweise zu dem jeweiligen Stützring (60) bzw. zu dem jeweiligen Kurzschlussring (32-1, 32-2) als nachträgliche Struktur hinzugefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welchem eine jeweilige Kontur (33, 61) mit einem Oberflächenprofil, mit einer oder mit mehreren Ausnehmungen (62) und/oder mit einem oder mit mehreren Vorsprüngen (63) zur Ausbildung oder Unterstützung des mechanischen Kontaktes ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei welchem ein jeweiliger Kurzschlussring (32-1, 32-2) und ein jeweiliger Stützring (60) mit kooperierenden und/oder zumindest teilweise zueinander komplementären Konturen (33, 61) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei elchem ein jeweiliger Stützring (60) – mit oder aus einem Material aus der Gruppe von Materialien ausgebildet ist, die aufweist metallische Materialien, keramische Materialien, Kunststoffmaterialien, Verbundwerkstoffe, insbesondere mit oder aus Glas- und/oder Karbonfasermaterialien, und deren Kombinationen und/oder – mit oder aus demselben Material ausgebildet wird wie der jeweilige Kurzschlussring (32-1, 32-2).
Asynchronmaschine (50), insbesondere für den Antrieb (80) und/oder als Generator eines Fahrzeuges (1), – mit einem Rotor (10) und einem Stator (40) – wobei der Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
Fahrzeug (1), insbesondere Personenkraftfahrzeug, batterieelektrisches Fahrzeug und/oder Hybridfahrzeug, – mit einer Asynchronmaschine (50) nach Anspruch 13 – bei welcher die Asynchronmaschine (50) als Teil eines Antriebes (80) und/oder eines Generators des Fahrzeuges (1) ausgebildet ist.