DE102017102754A1

DE102017102754A1 - Planar asynchronous machine

Info

Publication number: DE102017102754A1
Application number: DE102017102754.8A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Ulm; Reinhardt Erli; Harald Kazmierczak
Original assignee: HOCHSCHULE HEILBRONN
Current assignee: HOCHSCHULE HEILBRONN
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2018-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Asynchronmaschine (1) nach dem Scheibenläuferprinzip mit einem eine Wicklung (4) enthaltenden Stator (2) und einem verdrehbar gegenüber diesem aufgenommenen Rotor (6) mit einem Kurzschlussläufer (7) mit einem radial äußeren Kurzschlussring (9) und einem radial inneren Kurzschlussring (8) sowie die Kurzschlussringe (8, 9) miteinander verbindenden Kurzschlussstäben (10). Um den Kurzschlussläufer (7) besser entwärmen zu können, weist der Kurzschlussläufer (7) zwischen den Kurzschlussringen (8, 9) angeordnete Entwärmungskanäle (11) auf.

The invention relates to an asynchronous machine (1) according to the pancake principle with a stator (2) containing a winding (4) and a rotor (6) rotatably received with respect thereto and having a squirrel cage rotor (7) with a radially outer shorting ring (9) and a radial inner short-circuit ring (8) and the short-circuit rings (8, 9) interconnecting short-circuit bars (10). In order to be able to better de-heat the squirrel-cage rotor (7), the squirrel-cage rotor (7) has cooling channels (11) arranged between the short-circuit rings (8, 9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Asynchronmaschine nach dem Scheibenläuferprinzip mit einem eine Wicklung enthaltenden Stator und einem verdrehbar gegenüber diesem aufgenommenen Rotor mit einem Kurzschlussläufer mit einem radial äußeren Kurzschlussring und einem radial inneren Kurzschlussring sowie die Kurzschlussringe miteinander verbindenden Kurzschlussstäben.The invention relates to an asynchronous machine according to the disc rotor principle with a stator containing a winding and a rotor rotatably received with respect to this with a squirrel-cage rotor with a radially outer short-circuit ring and a radially inner short-circuit ring and the shorting bars interconnecting shorting bars.

Planare Asynchronmaschinen sind als sogenannte Scheibenläufer bekannt. Beispielsweise ist aus der DE 198 42 928 C1 ein derartiger Scheibenläufer als Starter-Generator für ein Kraftfahrzeug bekannt. Hierbei sind die Kurzschlussringe und die Kurzschlussstäbe des Kurzschlussläufers massiv ausgebildet.Planar asynchronous machines are known as so-called pancake machines. For example, is from the DE 198 42 928 C1 Such a pancake known as a starter-generator for a motor vehicle. Here, the short-circuiting rings and the shorting bars of the squirrel cage rotor are solid.

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer planaren Asynchronmaschine insbesondere zur Verbesserung der Entwärmung des Kurzschlussläufers.The object of the invention is the development of a planar asynchronous machine, in particular for improving the cooling of the squirrel cage rotor.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.The object is solved by the subject matter of claim 1. The dependent claims give advantageous embodiments of the subject matter of claim 1 again.

Die vorgeschlagene Asynchronmaschine ist nach dem Scheibenläuferprinzip ausgebildet. Die Asynchronmaschine enthält einen drehfest angeordneten Stator mit einem Statorgehäuse und eine in dieses integrierte Wicklung. Gegenüber dem Stator ist entlang einer Drehachse verdrehbar ein Rotor aufgenommen. Rotor und Stator sind bevorzugt koaxial zueinander angeordnet. Der Rotor kann gegenüber dem Stator beispielsweise mittels Axiallagern wie beispielsweise Gleit- oder Wälzlagern axial ein- oder beidseitig festgelegt sein. Der Rotor kann eine Welle zur Übertragung des in der Asynchronmaschine gebildeten oder aufgenommenen Drehmoments aufweisen. Die Welle kann massiv oder hohl ausgebildet sein. Die Welle kann an dem Stator beispielsweise an dem Statorgehäuse beispielsweise mittels eines oder mehreren Gleit- oder Wälzlagern rotativ gelagert sein.The proposed asynchronous machine is designed according to the disc rotor principle. The asynchronous machine includes a rotatably mounted stator with a stator housing and a winding integrated in this. Opposite the stator, a rotor is rotatably received along a rotation axis. Rotor and stator are preferably arranged coaxially with each other. The rotor can be fixed axially on the one or both sides of the stator, for example by means of thrust bearings such as plain or roller bearings. The rotor may have a shaft for transmitting the torque formed or received in the asynchronous machine. The shaft can be solid or hollow. The shaft may be rotatably mounted on the stator, for example, on the stator housing, for example by means of one or more sliding or rolling bearings.

Der Rotor enthält einen Kurzschlussläufer mit einem radial äußeren Kurzschlussring und einem radial inneren Kurzschlussring sowie die Kurzschlussringe miteinander verbindenden Kurzschlussstäben. Der Kurzschlussläufer kann beblecht ausgebildet sein. Die Beblechung kann beispielsweise um die Drehachse spiralförmig angeordnet sein, wobei an entsprechenden radialen Öffnungen des auf diese Weise gebildeten Blechpakets die Kurzschlussstäbe aufgenommen sind. Alternativ können kreisförmige oder kreissegmentförmige Steckbleche um die Kurzschlussstäbe angeordnet sein.The rotor contains a squirrel-cage rotor with a radially outer short-circuit ring and a radially inner short-circuit ring as well as the short-circuiting bars interconnecting short-circuiting bars. The squirrel-cage rotor can be designed as a sheet metal. The Beblechung may for example be arranged spirally about the axis of rotation, wherein the short-circuit bars are added to corresponding radial openings of the laminated core formed in this way. Alternatively, circular or circular segment-shaped plug-in sheets can be arranged around the short-circuit bars.

Die Wicklung mit im Wesentlichen auf der radialen Höhe der Kurzschlussringe angeordneten Wicklungsköpfen kann an dem Kurzschlussläufer einseitig angeordnet sein. Um Axialkräfte zu vermeiden, kann die Wicklung geteilt ausgebildet sein und beidseitig des Kurzschlussläufers angeordnet sein. Auf der Welle kann ein einziger Scheibenläufer angeordnet sein. Zur Ausbildung eines Mehrscheibenläufers können axial beabstandet mehrere Kurzschlussläufer mit entsprechenden Wicklungsteilen der Wicklung des Stators kommunizieren. Insoweit sind die Eigenschaften des nachfolgend beschriebenen Kurzschlussläufers auch bei zumindest einem, bevorzugt allen Kurzschlussläufern eines Mehrscheibenläufers vorgesehen.The winding with winding heads arranged substantially at the radial height of the shorting rings can be arranged on one side on the squirrel cage rotor. In order to avoid axial forces, the winding may be formed divided and arranged on both sides of the squirrel cage. On the shaft, a single pancake may be arranged. In order to form a multi-disk rotor, a plurality of squirrel-cage rotators can communicate with corresponding winding parts of the winding of the stator axially spaced apart. In that regard, the properties of the squirrel-cage rotor described below are also provided in at least one, preferably all squirrel-cage rotors of a multi-disc rotor.

Die Asynchronmaschine eignet sich als Elektromotor und/oder als Generator, wobei die Wicklung und Kurzschlussläufer auf die entsprechende Betriebsweise abgestimmt sind. Die vorgeschlagene Asynchronmaschine kann für einen weitreichenden Anwendungsbereich vorgesehen sein, beispielsweise für Antriebskonzepte in elektrisch oder hybridisch betriebenen Kraftfahrzeugen, beispielsweise als Starter-Generator, als Antrieb von Zusatzgeräten, in Stromkraftwerken, Kraft/Wärmekopplungen, im Kleinmotorbereich und dergleichen. Der Leistungsbereich der vorgeschlagenen Asynchronmaschine kann motorisch und/oder generatorisch von wenigen Watt bis zu mehreren Kilowatt betragen.The asynchronous machine is suitable as an electric motor and / or as a generator, wherein the winding and squirrel cage are tuned to the appropriate mode of operation. The proposed asynchronous machine can be provided for a wide range of applications, for example for drive concepts in electrically or hybrid-powered motor vehicles, for example as a starter-generator, as a drive of additional equipment, in power plants, power / heat couplings, small engine and the like. The power range of the proposed asynchronous machine can be motorized and / or regenerative from a few watts to several kilowatts.

Der Kurzschlussläufer der vorgeschlagenen Asynchronmaschine weist zwischen den Kurzschlussringen angeordnete Entwärmungskanäle auf. Bei einer Drehbewegung des Kurzschlussläufers um die Drehachse wird dabei unter Einwirkung der Corioliskraft Luft von radial innen nach radial außen verlagert und dadurch ein Luftstrom erzeugt, der den Kurzschlussläufer kühlt. Beispielsweise kann eine Zuluft des Luftstroms durch eine den Kurzschlussläufer aufnehmende Welle vorgesehen sein. In dem Statorgehäuse können entsprechende Öffnungen oder Abtluftkanäle zur Abführung des Luftstroms vorgesehen sein.The squirrel-cage rotor of the proposed asynchronous machine has cooling channels arranged between the short-circuit rings. During a rotational movement of the squirrel cage rotor about the axis of rotation is thereby displaced under the action of the Coriolis force air from radially inward to radially outward, thereby generating an air flow that cools the squirrel cage rotor. For example, a supply air of the air flow can be provided by a shaft receiving the squirrel cage. In the stator housing corresponding openings or Abtluftkanäle may be provided for discharging the air flow.

Die Entwärmungskanäle können als separate, die Kurzschlussringe verbindende Entwärmungskanäle wie Hohlstäbe, Rohre oder dergleichen ausgebildet sein, die im Wärmeaustausch mit dem Blechpaket und/oder den Kurzschlussstäben stehen. Die Entwärmungskanäle kommunizieren dabei mit Öffnungen in den Kurzschlussringen, so dass ein durchgängiger Luftstrom vom Innenumfang bis zum Außenumfang des Kurzschlussläufers vorgesehen werden kann. In einer einfachen Ausbildung können die Öffnungen radial ausgebildet sein. Insbesondere bei festgelegter Drehrichtung des Kurzschlussläufers können die Öffnungen aus der radialen Ausrichtung in Umfangsrichtung abweichen, beispielsweise radial innen der Drehbewegung gegengerichtet sein und radial außen in Richtung der Drehbewegung münden, so dass der Luftstrom zusätzlich vergrößert wird.The Entwärmungskanäle may be formed as a separate, the shorting rings connecting Entwärmungskanäle such as hollow rods, tubes or the like, which are in heat exchange with the laminated core and / or the short-circuiting rods. The Entwärmungskanäle communicate with openings in the short circuit rings, so that a continuous flow of air from the inner circumference to the outer circumference of the squirrel cage can be provided. In a simple embodiment, the openings may be formed radially. In particular, with a fixed direction of rotation of the squirrel cage, the openings may deviate from the radial orientation in the circumferential direction, for example, be radially inwardly directed against the rotational movement and open radially outward in the direction of rotational movement, so that the air flow is additionally increased.

In besonders vorteilhafter Weise sind die Kurzschlussstäbe selbst hohl ausgebildet und bilden die Entwärmungskanäle. Hierbei hat sich aus den Eigenschaften der Stromverdrängung von massiven Kurzschlussstäben gezeigt, dass in für die Stromverdrängung weniger effizienten Kernbereichen der Kurzschlussstäbe ohne wesentliche Leistungseinbuße Entwärmungskanäle vorgesehen werden können. Beispielsweise können die Durchmesser der Entwärmungskanäle 20 % bis 90 %, bevorzugt 50 % bis 80 % des Außendurchmessers der Kurzschlussstäbe betragen. Auf diese Weise können beispielsweise durch Entwärmung des Kurzschlussläufers ein höherer Wirkungsgrad der Asynchronmaschine, durch die hohle Ausbildung der Kurzschlussstäbe ein verminderter Materialeinsatz und ein geringeres Gewicht des Kurzschlussläufers erzielt werden. Diese Vorteile können weiterhin gesteigert werden, indem zumindest einer der Kurzschlussringe, bevorzugt beide Kurzschlussringe hohl ausgebildet sind.In a particularly advantageous manner, the short-circuit bars themselves are hollow and form the Entwärmungskanäle. It has been shown from the properties of the current displacement of solid short-circuit bars that in less efficient for the current displacement core areas of the short-circuit bars without significant performance loss Entwärmungskanäle can be provided. For example, the diameter of the Entwärmungskanäle 20% to 90%, preferably 50% to 80% of the outer diameter of the short-circuit bars. In this way, for example, by cooling the squirrel cage rotor, a higher efficiency of the asynchronous machine can be achieved by the hollow design of the shorting bars, a reduced use of material and a lower weight of the squirrel cage rotor. These advantages can be further increased by at least one of the short-circuit rings, preferably both short-circuit rings are hollow.

Der Kurzschlussläufer ist abgesehen von einer Beblechung aus bevorzugt elektrisch gut leitfähigen Nichteisenmetallen, beispielsweise Kupfer, dessen Legierungen oder dergleichen gebildet. Der Kurzschlussläufer kann einteilig ausgebildet sein, beispielsweise gegossen sein. Besonders vorteilhaft kann die Herstellung des Kurzschlussläufers mittels eines 3D-Druckverfahrens sein. Mittels dieses Herstellverfahrens können in besonders vorteilhafter Weise die Kurzschlussstäbe und gegebenenfalls Kurzschlussringe hohl ausgebildet sein. In einem alternativen Herstellverfahren kann der Kurzschlussläufer gebaut beispielsweise aus dem inneren Kurzschlussring, dem äußeren Kurzschlussring und den Kurzschlussstäben als Bauteile hergestellt sein. Das Fügen der Bauteile kann form- oder stoffschlüssig beispielsweise mittels Löten oder Schweißen vorgesehen sin. Zur Darstellung von hohlen Kurzschlussringen können diese zudem mehrteilig, beispielsweise als ringförmige Hälften und die Kurzschlussstäbe einteilig ausgebildet sein.The squirrel-cage rotor is formed apart from a Beblechung from preferably electrically good conductive non-ferrous metals, such as copper, its alloys or the like. The squirrel-cage rotor can be formed in one piece, for example cast. Particularly advantageous may be the production of the squirrel cage by means of a 3D printing process. By means of this manufacturing method, the short-circuiting rods and optionally short-circuiting rings can be made hollow in a particularly advantageous manner. In an alternative manufacturing method, the squirrel-cage rotor can be constructed, for example, from the inner short-circuit ring, the outer short-circuit ring and the short-circuit bars as components. The joining of the components can be provided in a positive or material fit, for example by means of soldering or welding. For the presentation of hollow short-circuiting these can also be made in several parts, for example, as an annular halves and the short-circuiting rods in one piece.

Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine 3D-Teilansicht einer planaren Asynchronmaschine,
2 den Kurzschlussläufer der Asynchronmaschine der 1 in 3D-Darstellung und
3 den Kurzschlussläufer der 2 in geschnittener 3D-Darstellung.

The invention is based on the in the 1 to 3 illustrated embodiment illustrated. Showing:

1 a 3D partial view of a planar asynchronous machine,
2 the squirrel cage rotor of the asynchronous machine 1 in 3D representation and
3 the squirrel cage rotor 2 in a cut 3D illustration.

Die 1 zeigt die als Scheibenläufer ausgebildete Asynchronmaschine 1 in Teilansicht. In dem Stator 2 mit dem Statorgehäuse 3 ist die Wicklung 4 mit den Wicklungsköpfen 5 rotationssymmetrisch zu der Drehachse d aufgenommen. Gegenüber dem Stator 2 ist der Rotor 6 verdrehbar beispielsweise mittels einer nicht dargestellten, im Statorgehäuse 3 drehbar gelagerten Welle verdrehbar angeordnet. Der Rotor 6 enthält den Kurzschlussläufer 7, welcher in nicht dargestellter Weise beblecht ausgebildet sein kann. Der Übersicht halber ist der im Wesentlichen symmetrisch zu dem Kurzschlussläufer 7 ausgebildete Teil des Stators 2 nicht dargestellt. Dieser schließt sich an den dargestellten Teil des Stators 2 auf der freien Seite des Kurzschlussläufers 7 axial an.The 1 shows the trained as a disc rotor asynchronous machine 1 in partial view. In the stator 2 with the stator housing 3 is the winding 4 with the winding heads 5 rotationally symmetric to the axis of rotation d added. Opposite the stator 2 is the rotor 6 rotatable, for example by means of a not shown, in the stator housing 3 rotatably mounted shaft arranged rotatably. The rotor 6 contains the squirrel cage 7 , which may be formed sheet metal in a manner not shown. For the sake of clarity, this is essentially symmetrical to the squirrel cage rotor 7 trained part of the stator 2 not shown. This connects to the illustrated part of the stator 2 on the free side of the squirrel cage 7 axially.

Der Kurzschlussläufer 7 weist den radial inneren Kurzschlussring 8 und den radial äußeren Kurzschlussring 9 sowie die diese miteinander verbindenden, radial ausgerichteten und um die Drehachse d verteilt angeordneten Kurzschlussstäbe 10 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind acht Kurzschlussstreben vorgesehen. Es versteht sich, dass die Anzahl der Kurzschlussstäbe je nach Anwendungsfall beispielsweise zwischen drei und vierundzwanzig variieren kann. Der Kurzschlussläufer kann einteilig beispielsweise mittels eines 3D-Druckverfahrens oder gebaut hergestellt sein.The squirrel cage 7 has the radially inner short-circuit ring 8th and the radially outer shorting ring 9 and the interconnecting, radially aligned and about the axis of rotation d distributed arranged shorting bars 10 on. In the embodiment shown eight short-circuit struts are provided. It is understood that the number of shorting bars may vary, for example, between three and twenty four depending on the application. The squirrel cage rotor can be made in one piece, for example by means of a 3D printing process or built.

Zur Entwärmung des Kurzschlussläufers 7 und damit des gesamten Rotors 6 sind an dem Kurzschlussläufer 7 Entwärmungskanäle 11 vorgesehen, die radial zwischen den Kurzschlussringen 8, 9 vorgesehen sind und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in den hohl ausgebildeten Kurzschlussstäben 10 ausgebildet sind. Zur Ermöglichung eines sich vom Innenumfang des Kurzschlussrings 8 bis zum Außenumfang des Kurzschlussrings 9 über die hohl ausgebildeten Kurzschlussstäbe 10 ausbildenden Luftstroms sind in den Kurzschlussringen 8, 9 mit den Entwärmungskanälen 11 fluchtende Öffnungen 12, 13 vorgesehen.For cooling the squirrel cage 7 and thus the entire rotor 6 are at the squirrel cage 7 Entwärmungskanäle 11 provided radially between the short-circuited rings 8th . 9 are provided and in the embodiment shown in the hollow short-circuit bars 10 are formed. To allow one from the inner circumference of the shorting ring 8th to the outer circumference of the short-circuit ring 9 over the hollow short-circuit bars 10 forming airflow are in the short circuit rings 8th . 9 with the cooling channels 11 aligned openings 12 . 13 intended.

Die Entwärmung des Kurzschlussläufers 7 verläuft insbesondere durch Ausbildung des von radial innen nach radial außen gerichteten Luftstroms über die Entwärmungskanäle infolge des Einflusses der Corioliskraft auf die in den Entwärmungskanälen 11 enthaltene Luft bei drehendem Kurzschlussläufer 7. Dabei kühlt der Luftstrom die erhitzten Bauteile des Kurzschlussläufers 7.The cooling of the squirrel cage 7 runs in particular through the formation of the directed radially inward to radially outward air flow through the Entwärmungskanäle due to the influence of the Coriolis force on the in the Entwärmungskanälen 11 contained air with rotating squirrel cage 7 , The air flow cools the heated components of the squirrel cage rotor 7 ,

Die 2 zeigt den Kurzschlussläufer 7 der 1 mit den Kurzschlussringen 8, 9 und den diese verbindenden Kurzschlussstäben 10. Die hohl ausgebildeten Kurzschlussstäbe 10 enthalten die Entwärmungskanäle 11, welche jeweils an den Öffnungen 12, 13 der Kurzschlussringe 8, 9 nach außen münden.The 2 shows the squirrel cage 7 of the 1 with the short circuit rings 8th . 9 and the connecting them shorting bars 10 , The hollow short-circuit bars 10 contain the cooling channels 11 , each at the openings 12 . 13 the shorting rings 8th . 9 lead to the outside.

Die 3 zeigt den Kurzschlussläufer 7 der 1 und 2 in geschnittener 3D-Ansicht. Aus dieser Abbildung werden die in den Kurzschlussstäben 10 ausgebildeten Entwärmungskanäle 11 deutlich, die mit den Öffnungen 12, 13 in Verbindung stehen. Desweiteren sind die Kurzschlussringe 8, 9 zur Bildung der ringförmig umlaufenden Ringkanäle 14, 15 hohl ausgebildet, um in den Kurzschlussringen ebenfalls einen Luftstrom zur direkten umlaufenden Entwärmung der Kurzschlussringe vorzusehen.The 3 shows the squirrel cage 7 of the 1 and 2 in cut 3D view. From this figure, the in the Short rods 10 trained cooling channels 11 clearly, with the openings 12 . 13 keep in touch. Furthermore, the short-circuit rings 8th . 9 to form the annular circumferential annular channels 14 . 15 hollow designed to provide in the short circuit rings also an air flow for direct circulating heat dissipation of the shorting rings.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Asynchronmaschineasynchronous
22: Statorstator
33: Statorgehäusestator
44: Wicklungwinding
55: Wicklungskopfwinding head
66: Rotorrotor
77: KurzschlussläuferSquirrel-cage
88th: KurzschlussringShorting ring
99: KurzschlussringShorting ring
1010: KurzschlussstabShorting bar
1111: EntwärmungskanalEntwärmungskanal
1212: Öffnungopening
1313: Öffnungopening
1414: Ringkanalannular channel
1515: Ringkanalannular channel
dd: Drehachseaxis of rotation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19842928 C1 [0002]

Claims

Asynchronous machine (1) according to the disc rotor principle with a winding (4) containing a stator (2) and a rotatably opposite this recorded rotor (6) with a squirrel cage rotor (7) with a radially outer shorting ring (9) and a radially inner shorting ring (8 ) and the short circuit rings (8, 9) interconnecting short circuit bars (10), characterized in that the squirrel cage rotor (7) between the short circuit rings (8, 9) arranged Entwärmungskanäle (11).

Asynchronous machine (1) after Claim 1 , characterized in that the shorting bars (10) are hollow to form the Entwärmungskanäle (11) and communicate with openings (12, 13) in the short circuit rings (8, 9).

Asynchronous machine (1) after Claim 2 , characterized in that the openings (12, 13) are formed radially.

Asynchronous machine (1) according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that at least one of the short-circuit rings (8, 9) is hollow.

Asynchronous machine (1) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the squirrel cage rotor (7) is integrally formed.

Asynchronous machine (1) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the squirrel-cage rotor (7) is made constructed.

Asynchronous machine (1) after Claim 6 , characterized in that at least one of the short-circuit rings (8, 9) in several parts and the short-circuiting rods (10) are integrally formed.

Asynchronous machine (1) according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that a diameter of the Entwärmungskanäle (11) is 20% to 90%, preferably 50% to 80% of the outer diameter of the shorting bars (10).

Asynchronous machine (1) according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the winding (4) of the stator (2) is provided on one side or on both sides of the squirrel-cage rotor (7).

Asynchronous machine (1) according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that an operation of the asynchronous machine (1) is provided as a generator and / or motor.