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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Asynchronmaschine und eine einen solchen Rotor aufweisende Asynchronmaschine.
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Elektrische Maschinen, wie Asynchronmaschinen, finden Anwendung als elektrische Antriebsaggregate von Kraft- oder Nutzfahrzeugen, wie beispielsweise Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, usw.
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Bei den genannten Anwendungen besteht die Tendenz, die Asynchronmaschinen mit höheren Drehzahlen bei verhältnismäßig kleinen Drehmomenten zu betreiben. Um hierbei eine größere Leistungsdichte zu erzielen, ist es erstrebenswert, die Abmessungen der Asynchronmaschine zu verringern. Dies ist allerdings aus folgenden Gründen nur begrenzt möglich.
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Bekannte Rotoren von Asynchronmaschinen sind in der Regel aus einem Blechpaket, das auf einer entsprechenden Welle des Rotors angeordnet ist, und einem das Blechpaket durchsetzenden Käfig aufgebaut. Der Käfig beinhaltet eine Vielzahl von Streben, die das Blechpaket durchsetzen und an den jeweiligen Stirnseiten des Blechpaketes durch einen Kurzschlussring elektrisch miteinander verbunden sind.
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Das Blechpaket wird während des Betriebes durch die auftretenden Fliehkräfte mechanisch belastet. Die auftretende Fliehkraft lässt sich durch folgende Gleichung beschreiben: F = m·ω2·r
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Wie ersichtlich ist, nimmt die Fliehkraft F zwar mit Verringerung der Baugröße bzw. des Radius r des Rotors ab, jedoch erhöht sie sich quadratisch mit der Zunahme der Winkelgeschwindigkeit ω.
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Zusätzlich zu der fliehkraftabhängigen Belastung des Blechpaketes kommen noch temperaturbedingte Belastungen hinzu. Der Käfig des Rotors ist in der Regel aus Kupfer gefertigt und besitzt deshalb einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Blechpaket. Folglich dehnen sich die Kurzschlussringe und Streben des Käfigs bei Erhöhung der Temperatur im Betrieb der Asynchronmaschine stärker aus als das Blechpaket.
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Sowohl die fliehkraftabhängigen Belastungen als auch die temperaturbedingten Belastungen nehmen in Richtung der Stirnseiten des Blechpaketes zu und führen dort zu erhöhten mechanischen Spannungen.
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Die auftretenden mechanischen Spannungen bedingen zwangsläufig eine entsprechende Dimensionierung der Stege, d.h. dem Bereich der Bleche, der sich in radialer Richtung auf der Außenseite der Streben befindet, und begrenzen damit die erstrebenswerte Verringerung der Abmessungen des Rotors bzw. der Asynchronmaschine.
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Überlegungen, den Steg zu vergrößern, indem der Käfig in dem Blechpaket radial zu der Drehachse kleiner ausgebildet wird, scheitern daran, dass hierdurch weniger Leistung erzielt wird.
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Allgemein ausgedrückt besteht die Problematik, dass die maximal mögliche Drehzahl bzw. die bei dieser Drehzahl maximal mögliche Verringerung der radialen Abmessungen des Rotors durch die Festigkeit der Stege im Bereich der Stirnseiten begrenzt ist.
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Ansätze, die Drehzahl einer Asynchronmaschine zu erhöhen, sind aus dem Dokument
DE102012214772 A1 bekannt. Dieses Dokument zeigt einen Rotor für eine Asynchronmaschine, der ein Blechpaket trägt, in dem ein vollständiger im Druckgussverfahren gebildeter Käfig, der Streben und entsprechende die Streben verbindende Kurzschlussringe aufweist, aufgenommen ist. Im Übergangsbereich zwischen den jeweiligen Rotorstreben und dem entsprechenden Kurzschlussring sind eine oder mehrere Stufen ausgebildet, die zu einer Reduzierung der Kerbwirkungen in dem Übergangsbereich bzw. der lokalen Spannungsspitzen führen und damit höhere Drehzahlen erlauben.
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Die Festigkeit des Steges des entsprechenden Blechpaketes wird in diesem Dokument allerdings nicht thematisiert.
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Durch die Ausbildung der Stufen in dem Übergangsbereich zwischen den Rotorstreben und dem entsprechenden Kurzschlussring wird vielmehr die Masse des Käfigs in diesem Bereich weiter erhöht, weshalb die bereits im Vorhergehenden erläuterte Problematik der temperaturabhängigen und fliehkraftabhängigen Belastungen bei einem in dem genannten Dokument gezeigten Rotor nicht vermindert ist.
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Insoweit besteht auch im Hinblick auf die genannte Druckschrift die Problematik, dass die maximal mögliche Drehzahl bzw. die bei dieser Drehzahl maximal mögliche Verringerung der radialen Abmessungen des Rotors durch die notwendige Festigkeit der Stege im Bereich der Stirnseiten begrenzt ist.
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Darüber hinaus erhöhen sich bei dem bekannten Rotor die Herstellungskosten, da die einzelnen Bleche des Blechpaketes unterschiedlich gestanzt werden müssen, um die Stufen zu realisieren.
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Vor obigem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine Asynchronmaschine zu schaffen, der im Vergleich zum Stand der Technik eine weitere Erhöhung der Drehzahlen bzw. Verringerung der Abmessungen zulässt. Zumindest ist es Ziel der Erfindung, einen zum Stand der Technik alternativen Rotor zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch einen Rotor gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein gemäß einem Aspekt der Erfindung aufgebauter und für eine Asynchronmaschine vorgesehener Rotor beinhaltet ein Rotorblechpaket und einen Rotorkäfig.
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Das Rotorblechpaket des Rotors ist aus einer Vielzahl von Rotorblechen aufgebaut, die in einer Längsrichtung des Rotors, in der eine bestimmungsgemäße Drehachse des Rotors verläuft, geschichtet sind.
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Das Rotorblechpaket ist bevorzugt auf einer Welle des Rotors montiert bzw. befestigt, wobei die Drehachse durch die Welle verläuft. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Rotors wird dieser in einen Stator einer Asynchronmaschine eingesetzt und ist in dem Stator derart gelagert, dass sich der Rotor um die durch die Welle verlaufende Drehachse drehen kann.
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Die geschichteten Rotorbleche sind bevorzugt aneinander befestigt bzw. paktiert. Das Befestigen bzw. Paktieren kann bevorzugt durch einen Kraft- und/oder Formschluss, beispielsweise durch sogenanntes Stanzpaktieren, erfolgen. Darüber hinaus können die geschichteten Rotorbleche durch eine stoffschlüssige Verbindung, wie beispielsweise eine Klebstoffverbindung, aneinander befestigt bzw. paktiert sein.
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Der Rotorkäfig des Stator weist eine Vielzahl von Rotorstäben, die die Rotorbleche in der Längsrichtung durchlaufen, und mindestens einen Kurzschlussring auf, der an einem in der Längsrichtung liegenden Ende des Rotorblechpakets derart angeordnet ist, dass er die Rotorstäbe elektrisch miteinander verbindet.
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Die Rotorbleche werden bevorzugt vor dem Paktieren jeweils zur Ausbildung von Öffnungen gestanzt, wobei die Rotorbleche bei dem Paktieren so ausgerichtet werden, dass das resultierende Rotorblechpaket eine Vielzahl von Durchgängen aufweist. In diese Durchgänge sind die Rotorstäbe eingesetzt und durchlaufen hierdurch das Rotorblechpaket. Zumindest an einem Ende des Rotorblechpaketes ist ein Kurzschlussring angeordnet, der die Rotorstäbe elektrisch miteinander verbindet. Der Kurzschlussring liegt hierbei bevorzugt direkt an einer Stirnseite des Rotorblechpaketes an.
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Die Rotorstäbe und der Kurzschlussring können beispielsweise durch eine Löt- oder Schweißverbindung aneinander befestigt sein. Alternativ können die Rotorstäbe und der Kurzschlussring in einem Druckgussverfahren einstückig in das Rotorblechpaket eingezogen werden.
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Bevorzugt ist nicht nur an dem einen Ende des Rotorblechpaketes ein Kurzschlussring angeordnet, sondern auch an dem anderen Ende des Rotorblechpaketes, wobei in diesem Fall der weitere Kurzschlussring an dem anderen Ende ebenfalls bevorzugt an einer entsprechenden Stirnseite des Rotorblechpaketes anliegt.
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Die Rotorstäbe und der/die Kurzschlussring(e) sind bevorzugt aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Speziallegierung ausgebildet.
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Das Rotorblechpaket beinhaltet in einem Bereich an dem Ende mindestens ein Rotorblech, das in einer bezüglich der Drehachse radialen Richtung eine höhere Festigkeit und/oder eine höhere Steifigkeit aufweist als andere der Rotorbleche.
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Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung des Rotorblechpaketes bzw. die Anordnung des mindestens einen die höhere Festigkeit und/oder höhere Steifigkeit aufweisenden Rotorbleches in dem Bereich an dem Ende des Rotorblechpaketes, an dem der Kurzschlussring angeordnet ist, können an den Stegen höhere Fliehkräfte bzw. die in dem Bereich auftretenden höheren Spannungen besser aufgenommen werden.
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Hierdurch lässt sich gegenüber dem Fall, dass alle Rotorbleche eine einheitliche Dicke in der Längsrichtung aufweisen und aus einem gleichen Material ausgebildet sind, die maximal mögliche Drehzahl der mit dem Rotor ausgestatteten Asynchronmaschine weiter erhöhen oder bei gleichbleibender maximalen Drehzahl die radialen Abmessungen des Rotors weiter verringern.
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Allgemein lässt sich durch den erfindungsgemäßen Rotor die Leistung der Asynchronmaschine bei einer kompakteren Bauweise erhöhen. Mit der kompakteren Bauweise geht eine Gewichtsersparnis einher.
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Die höhere Festigkeit wird dadurch erreicht, dass das mindestens eine Rotorblech aus einem Material mit einer höheren Festigkeit als die anderen Rotorbleche ausgebildet ist. Das Rotorblechpaket und die entsprechenden Rotorbleche werden bei bestimmungsgemäßem Betrieb hauptsächlich durch die auftretenden Fliehkräfte mechanisch auf Zug beansprucht. Insoweit ist unter der Festigkeit insbesondere die Zugfestigkeit bzw. Dehnfestigkeit und unter der Steifigkeit die Zugsteifigkeit zu verstehen.
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Zusätzlich zu der Festigkeit oder alternativ hierzu ist die Steifigkeit des mindestens einen Rotorbleches größer als die der anderen Rotorbleche.
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Die höhere Steifigkeit kann beispielsweise durch eine größere Dicke des mindestens einen Rotorbleches in der Längsrichtung oder eine spezielle geometrische Ausgestaltung des mindestens einen Rotorbleches erreicht werden.
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Insoweit kann beispielsweise das mindestens eine Rotorblech aus dem gleichen Material wie die anderen Rotorbleche gebildet sein, wobei seine entsprechende Steifigkeit durch seine Dicke oder geometrische Ausgestaltung gegenüber der der anderen Rotorbleche erhöht ist.
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Wie erwähnt kann das mindestens eine Rotorblech alternativ oder zusätzlich aus einem Material mit einer höheren Festigkeit gegenüber der der anderen Rotorbleche ausgebildet sein.
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Der Bereich an dem Ende des Rotorblechpaketes verformt sich während des Betriebes des Rotors aufgrund der erhöhten Festigkeit und/oder Steifigkeit weniger, weshalb auch der Luftspalt zwischen Rotor und Stator zur Einsparung von Bauraum verringert werden kann.
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Die anderen Rotorbleche sind insbesondere solche die in einer in der Längsrichtung liegenden Mitte des Rotorblechpaketes angeordnet sind.
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Bevorzugt ist der Rotor so ausgestaltet, dass der Bereich an dem Ende eine Vielzahl von Rotorblechen aufweist, die die höhere Festigkeit und/oder die höhere Steifigkeit aufweisen.
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Hierbei können die Rotorbleche der Vielzahl von Rotorblechen identisch oder unterschiedlich ausgestaltet sein. Insbesondere können die Festigkeiten und/oder die Steifigkeiten der Vielzahl von Rotorblechen so ausgelegt sein, dass sie einem während des Betriebes des Rotors auftretenden Spannungsverlauf in dem Rotorblechpaket angepasst sind.
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Bevorzugt hat der Bereich an dem Ende des Rotorblechpakets ausgehend von dem Ende eine Länge in der Längsrichtung von 10 % bis zu 20% einer Gesamtlänge des Rotorblechpakets.
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Bevorzugt ist das mindestens eine Rotorblech bzw. sind die Rotorbleche der Vielzahl von Rotorblechen aus einem Material mit einer Dehngrenze von 550 MPa bis 650 MPa ausgebildet.
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Beispielsweise haben hochfeste Elektrobleche solche Dehngrenzen.
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Allgemein können Materialien Verwendung finden, die ausgewogene elektrische und mechanische Eigenschaften haben. Wenn sich die Verluste im jeweiligen Anwendungsfall in einem vertretbaren Rahmen bewegen, können auch „Structural steels (Baustähle)“ oder Werkzeugstähle eingesetzt werden.
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Bevorzugt weist das mindestens eine Rotorblech dadurch eine höhere Steifigkeit auf, dass das mindestens eine Rotorblech in der Längsrichtung eine größere Stärke bzw. Dicke aufweist als die anderen Rotorbleche. Hierbei weist das mindestens eine Rotorblech in der Längsrichtung bevorzugt eine Stärke bzw. Dicke von 0,4 mm bis 1 mm, besonders bevorzugt von 0,50 mm bis 0,65 mm, auf.
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Weiterhin bevorzugt wird das Ende des Rotorblechpakets durch ein Federstahlblech gebildet.
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Ganz besonders bevorzugt ist der Rotor so ausgestaltet, dass
der Bereich an dem Ende eine Vielzahl von Rotorblechen aufweist, die die höhere Festigkeit und/oder die höhere Steifigkeit aufweisen,
jedes der Vielzahl von Rotorblechen aus einem Material mit einer Dehngrenze von größer/gleich 550 MPa, besonders bevorzugt von 550 MPa bis 650 MPa, ausgebildet ist, und
das Ende des Rotorblechpaketes durch ein Federblech, insbesondere ein Federstahlblech, ausgebildet ist.
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Darüber hinaus sind bevorzugt die Rotorbleche der Vielzahl von Rotorblechen in der Längsrichtung dicker, insbesondere 0,4 mm bis 1 mm, besonders bevorzugt von 0,5 mm bis 0,65 mm, als die anderen Rotorbleche ausgebildet.
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Die anderen Rotorbleche sind insbesondere standardisierte Rotorbleche, die aus einem Material mit einer Dehngrenze von ungefähr 380 MPa gefertigt sind und eine Stärke in der Längsrichtung von ungefähr 0,2 bis 0,35mm aufweisen.
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Weiterhin bevorzugt ist der Rotor derart ausgestaltet, dass der Rotorkäfig einen weiteren Kurzschlussring aufweist, der an einem in der Längsrichtung liegenden anderen Ende des Rotorblechpakets derart angeordnet ist, dass er die Rotorstäbe elektrisch miteinander verbindet; wobei
das Rotorblechpaket in einem Bereich an dem anderen Ende mindestens ein Rotorblech oder eine Vielzahl von Rotorblechen beinhaltet, das in einer radialen Richtung bezüglich der Drehachse eine höhere Festigkeit und/oder eine höhere Steifigkeit aufweist als die anderen der Rotorbleche, die sich weder in dem Bereich an dem einen Ende noch in dem Bereich an dem anderen Ende befinden.
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Die vorstehenden Ausführungen bezüglich der Ausgestaltung des Bereiches an dem einen Ende des Rotorblechpaketes gelten für die Ausgestaltung des Bereiches an dem anderen Ende des Rotorblechpakets gleichermaßen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Asynchronmaschine, insbesondere einen als Antriebsaggregat fungierenden Asynchronmotor für ein Kraftfahrzeug, mit einem Rotor wie er im Vorhergehenden beschrieben wurde.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors unter Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert.
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1 zeigt einen Querschnitt eines Rotors bzw. seines Rotorblechpaketes, wobei lediglich ¼ des rotationssymmetrischen Rotorblechpakets gezeigt ist;
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2 zeigt schematisch einen Längsschnitt des Rotorblechpaketes, wobei die ersten fünf der Rotorbleche ausgehend von einem Ende des Rotorblechpaketes gezeigt sind.
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1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors 100, wobei lediglich ein Rotorblechpaket 101 des Rotors 100 gezeigt ist.
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Der Rotor 100 ist um eine Drehachse A rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Drehachse A steht in 1 senkrecht zur Zeichenebene und verläuft in einer Längsrichtung (X-Richtung in 1) des Rotors 100.
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Bestimmungsgemäß wird der erfindungsgemäße Rotor 100 in einen nicht gezeigten Stator einer Asynchronmaschine eingesetzt und ist in dem Stator so gelagert, dass er sich um die Drehachse A drehen kann.
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Die gezeigte Y-Richtung und Z-Richtung entsprechen der Breiten- bzw. Höhenrichtung des erfindungsgemäßen Rotors 100.
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Das Rotorblechpaket 101 ist aus einer Vielzahl von in der Längsrichtung (X-Richtung) geschichteten Rotorblechen 102 aufgebaut. Jedes der Rotorbleche 102 weist eine Vielzahl von Durchgängen 103 auf, die so zueinander ausgerichtet sind, dass in dem Rotorblechpaket 101 eine Vielzahl von Durchgängen ausgebildet ist.
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In diese Durchgänge des Rotorblechpakets 101 werden, wie im Folgenden noch dargestellt wird, jeweils Rotorstäbe 104 eines Rotorkäfigs eingesetzt, die das Rotorblechpaket 101 durchlaufen und an einer Stirnseite 103 des Rotorblechpaketes 101 über einen in 1 nicht gezeigten Kurzschlussring 105 des Rotorkäfigs elektrisch miteinander verbunden sind.
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Nach Einsetzen des Rotors 100 in den Stator der Asynchronmaschine, die insbesondere als Asynchronmotor zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs dient, wird der Rotor bekanntermaßen dadurch in Rotation versetzt, dass ein von dem Stator erzeugtes Drehmagnetfeld ein durch in dem Rotorkäfig fließende Wirbelströme hervorgerufenes Magnetfeld mitnimmt.
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2 zeigt einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Rotors 100, wobei der Längsschnitt der Z-X-Ebene entspricht. In 2 sind lediglich schematisch die ersten fünf Rotorbleche 102 des Rotorblechpaketes 101 gezeigt.
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Die fünf Rotorbleche 102 befinden sich in einem Bereich an einem Ende des Rotorblechpaketes, wobei an dem Ende des Rotorblechpaketes 101 der bereits genannte Kurzschlussring 105 an der Stirnseite 103 anliegt.
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Das gesamte Rotorblechpaket 101 hat insgesamt wesentlich mehr Rotorbleche 102 als dargestellt. Beispielsweise kann das gesamte Rotorblechpaket 101 zwischen 800 und 1200 Rotorbleche 102 aufweisen. Der Bereich an dem Ende des Rotorblechpaketes 101 hat eine Länge in der Längsrichtung von bevorzugt bis zu 20% einer Gesamtlänge des Rotorblechpaketes 101 in der Längsrichtung.
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In die in dem Rotorblechpaket 101 gebildeten Durchgänge sind die Rotorstäbe 104 eingesetzt, wobei einer der Rotorstäbe 104 in 2 im Schnitt gezeigt ist.
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Die Rotorstäbe 104 können bevorzugt an einem anderen in 2 nicht gezeigten Ende des Rotorblechpaketes 101 ebenfalls durch einen weiteren Kurzschlussring, der an der Stirnseite an dem anderen Ende des Rotorblechpaketes 101 anliegt, elektrisch verbunden sein.
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Die in 2 gezeigten Rotorbleche 102 sind aus unterschiedlichen Materialien gebildet.
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Die Rotorbleche 102a sind aus einem Elektroblech gefertigt, das eine Dehngrenze von ca. 380Mpa und eine Stärke bzw. Dicke in der Längsrichtung von ungefähr 0,3 mm aufweist. Bei diesen Rotorblechen 102a handelt es sich um Standardrotorbleche, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Solche Rotorbleche 102a sind auch in der in der Längsrichtung liegenden Mitte des Rotorblechpaketes 101 vorhanden und machen den Hauptteil der Rotorbleche aus.
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Die Rotorbleche 102b sind hingegen aus einem Material mit einer höheren Festigkeit ausgebildet. Beispielsweise sind diese Rotorbleche aus einem hochfesten Elektroblech mit einer Dehngrenze von ungefähr 600 MPa gefertigt.
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Darüber hinaus haben diese Rotorbleche 102b eine größere Stärke bzw. Dicke als die Standardrotorbleche 102a. Die Dicke dieser Rotorbleche 102b beträgt bevorzugt zwischen 0,5 mm bis 0,65 mm.
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Ein Rotorblech 102c, das das Rotorblechpaket 101 abschließt, ist bevorzugt ein Federstahlblech, das insbesondere unterschiedliche thermische Ausdehnungen des Rotorkäfigs und des Rotorblechpaketes 101 ausgleicht.
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Durch die erläuterte Ausgestaltung des Bereiches am Ende des Rotorblechpaketes 101 wird eine höhere Festigkeit des Rotorblechpaketes erzielt. Insbesondere wird hierdurch die Festigkeit eines Steges 106 des Rotorblechpaketes 101 erhöht. Bei dem Steg handelt es sich um den Bereich der Rotorbleche 102, der sich in radialer Richtung außerhalb des Rotorkäfigs auf den Rotorstreben 104 befindet.
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Wenn sich der erfindungsgemäße Rotor in dem Stator der Asynchronmaschine dreht, wirkt die in 2 schematisch gezeigte Fliehkraft F des Rotorkäfigs auf den Steg 106, die aufgrund des an der Stirnseite 103 anliegenden Kurzschlussringes 105 zu Spannungsspitzen in dem gezeigten Bereich am Ende des Rotorblechpaketes 101 führt. Durch die höhere Festigkeit der Rotorbleche 102b können diese Spannungen besser aufgenommen werden und deshalb die maximal mögliche Drehzahl gegenüber einem identischen Rotor, der lediglich in Bezug auf Material und Stärke einheitliche Rotorbleche aufweist, erhöht werden.
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Gleichermaßen können auch die radialen Abmessungen des Rotorblechpaketes 101 für eine gegebene Drehzahl geringer dimensioniert werden als bei einem Rotor, der lediglich in Bezug auf Material und Stärke einheitliche Rotorbleche aufweist.
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Darüber hinaus erhöhen sich bei dem erfindungsgemäßen Rotor auch die Herstellungskosten nicht, da die Rotorbleche 102 bevorzugt zur Ausbildung der Durchgänge nicht unterschiedlich gestanzt werden müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012214772 A1 [0012]
