-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kurzschlussläufer für einen Elektromotor, insbesondere Asynchronmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Kurzschlussläufers gemäß Anspruch 14 und/oder 15.
-
Kurzschlussläufer oder Käfigläufer werden die Rotoren von Elektromotoren, insbesondere Asynchronmotoren, genannt, die statt einer aus Draht gewickelten, über Schleifringe versorgten Spule einen im Blechpaket dauernd kurzgeschlossenen Käfig (massive Windungen) besitzen. Ein Kurzschlussläufer umfasst im Wesentlichen mindestens einen Kurzschlussring und mindestens einen Kurzschlussstab.
-
-
Aus mechanischer Sicht problematisch bei Kurzschlussringen sind hohe Massen und dadurch bedingt hohe Fliehkräfte, so dass ein Kurzschlussring aus einem „Leichtbaumaterial“ wie Aluminium trotz der schlechteren elektrischen Leitfähigkeit wünschenswert erscheint. Dies bedingt vergrößerte Übergangsquerschnitte von Kurzschlussstäben aus Kupfer auf die Stirnseite der Kurzschlussringe aus Aluminium. Weiterhin muss der Querschnitt des Kurzschlussrings aus Aluminium gegenüber einem Kurzschlussring aus Kupfer vergrößert werden, um denselben Stromfluss zu gewährleisten. Aluminium-Kurzschlussringe tendieren daher dazu, axial und/oder radial größer zu bauen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher einen verbesserten Kurzschlussläufer bereitzustellen, insbesondere einen Kurzschlussläufer bereitzustellen, bei dem ein hoher Stromfluss zwischen dem mindestens einen Kurzschlussstab und dem mindestens einen Kurzschlussring, bei gleichzeitig geringem Bauraum gewährleistet werden kann.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Kurzschlussläufer mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass der Kurzschlussring einen Fügekörper und einen Leitkörper umfasst, wobei Fügekörper und Leitkörper aus unterschiedlichen Materialien und der Fügekörper und der mindestens eine Kurzschlussstab aus gleichartigem, vorzugsweise identischem, Material, gebildet sind, wobei der Fügekörper eine dem mindestens einen Kurzschlussstab zugewandte Kontaktfläche aufweist, wobei die Anschlussfläche des Kurzschlussstabes mit der Kontaktfläche des Fügekörpers verbunden ist, eröffnet sich die Möglichkeit, ein stabiles Material, beispielsweise Aluminium, für den Leitkörper einzusetzen, wodurch ein geringer Bauraum realisiert werden kann. Hierdurch können sich weiterhin Gewichtsvorteile ergeben, wodurch tendenziell höhere Drehzahlen mit dem erfindungsgemäßen Kurzschlussläufer bzw. Elektromotor erreichbar sind. Auch können durch die Materialauswahl Kostenvorteile erzielt werden. Ferner kann durch den Einsatz eines von dem Leitkörper abweichenden, aber hinsichtlich Fügekörper und Kurzschlussstab gleichartigen Materials, wie beispielsweise Kupfer, eine vorteilhafte elektrische, thermische und/oder mechanische Verbindung zwischen Fügekörper und Kurzschlussstab sichergestellt werden. Zwischen gleichartigen Materialpaarungen kann ein hoher Stromfluss gewährleistet werden. Zudem können durch den Einsatz von gleichartigen Materialien von Fügekörper und Kurzschlussstab Vorteile hinsichtlich der mechanischen Stabilität erreicht werden. Gleichartige Materialien im hier verwendeten Sinn umfassen einen Werkstoff und dessen Legierungen. So sind z.B. Kupfer und Kupferlegierungen als gleichartige Materialien aufzufassen. So fangen beispielsweise beide gleichartige Fügepartner bei vergleichbaren Prozesstemperaturen an zu schmelzen bzw. zu erweichen. Für beispielsweise einen Reibschweißprozess bedeutet dies, dass der Fügeprozess wesentlich prozesssicherer und letztendlich auch effektiver ausgestaltet werden kann, als dies bei unterschiedlichen Werkstoffpaarungen der Fall ist. Zudem ergeben sich Vorteile hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit zwischen identischen Materialpaarungen.
-
Mit anderen Worten wird ein hybrider Kurzschlussring vorgeschlagen, bei dem der Fügekörper aus einem leitfähigeren Material und der Leitkörper aus einem stabileren Material gefertigt wird. Zudem eröffnet die gleichartige Materialpaarung zwischen Fügekörper und Kurzschlussstab Vorteile hinsichtlich mechanischer Stabilität und elektrischer und/oder thermischer Leitfähigkeit.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kurzschlussläufer einen ersten Kurzschlussring und einen zweiten Kurzschlussring aufweist, die auf einer Welle axial voneinander beabstandet angebracht sind, wobei zwischen den Kurzschlussringen Kurzschlussstäbe angebracht sind, wobei die Kurzschlussstäbe parallel zu der Welle und in Umfangsrichtung nebeneinander angebracht sind. Es ergibt sich auf Grund gleichartiger Materialien von Fügekörper und den Kurzschlussstäben ein verbesserter stoffschlüssiger Kontakt, nicht nur zwischen dem Fügekörper und den Kurzschlussstäben, sondern auch zwischen den im besten Falle eng aneinanderliegenden Seitenflächen der Kurzschlussstäbe bzw. den Kurzschlussstabenden. Hier ergeben sich insbesondere die oben bereits skizzierten Vorteile, insbesondere mechanische Vorteile.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sowohl der Fügekörper als auch der Kurzschlussstab aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen, und/oder der Leitkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Da die Verbindung Fügekörper-Kurzschlussstab vorzugsweise eine Kupfer-Kupferverbindung darstellt, verhält sich die Fügeverbindung „homogener“ als eine Kupfer-Aluminium-Verbindung. Hiermit ist insbesondere gemeint, dass beide Fügepartner bei vergleichbaren Prozesstemperaturen anfangen zu schmelzen bzw. zu erweichen. Auch können sich durch die Verwendung von Aluminium Gewichtsvorteile ergeben, wodurch höhere Drehzahlen mit dem Elektromotor realisierbar sind. Auch ist eine verbesserte thermische Anbindung der Kurzschlussstäbe an den erfindungsgemäßen Kurzschlussring gegenüber einem reinem Aluminiumring möglich. Es kann sich eine verbesserte thermische Abfuhr durch eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen Kupfer (guter thermischer Leiter, etwa 400W/mK) und Aluminium (mittelmäßiger thermischer Leiter, etwa 200 W/mK) ergeben. Dies insbesondere dann, wenn der Kurzschlussring, z.B. durch eine Sprühölkühlung gekühlt wird.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Fügekörper und der Leitkörper eine einander zugewandte Verbindungsfläche aufweisen, wobei
- - die Verbindungsfläche planar oder nicht planar ausgestaltet ist, insbesondere in Form einer gewölbten Ebene, und/oder
- - die Verbindungsfläche senkrecht zur Welle oder nicht senkrecht zur Welle ausgerichtet ist, insbesondere eine schräge Ausrichtung aufweist, und insbesondere
- - die Verbindungsfläche mindestens eine Nut und einen korrespondierenden Zapfen aufweist, wobei der mindestens eine Zapfen in der mindestens einen Nut aufgenommen ist, wobei die Nut insbesondere hinterschnitten, vorzugsweise als Schwalbenschwanznut oder als Ringnut ausgestaltet ist, und/oder
- - die Verbindungsfläche aus mehreren Ebenen zusammengesetzt ist, die zueinander unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen, insbesondere in einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet sind.
-
Die vorgenannte Variante „planare Verbindungsfläche und Verbindungsfläche senkrecht zur Welle“ stellt gewissermaßen eine Basisvariante dar, die vorzugsweise mittels Walzplattieren leicht herzustellen ist. Die sich weiter aus den oben angegebenen Variationen ergebenden Varianten weisen vorzugsweise eine vergrößerte Verbindungsfläche auf. Hierdurch kann die elektrische und/oder mechanische Verbindung weiter verbessert werden. Es kann zusätzlich einer Reibkorrosion (Fretting) vorgebeugt werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Fügekörper und/oder der Leitkörper eine ringförmige Gestalt aufweisen. Die vorgenannten Formen lassen sich einfach herstellen und entsprechend leicht fügen. Bevorzugte Fügeverfahren hierzu werden weiter unten angegeben werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Leitkörper den Fügekörper axial überragt, insbesondere mit mindestens einem Kragen ausgestattet ist. Der Kragen kann zur mechanischen Unterstützung des eingefassten Fügekörpers dienen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kurzschlussring, insbesondere der Fügekörper, radial außen von einem zusätzlichen Spannring eingefasst ist. Der Spannring kann zur mechanischen Unterstützung des Kurzschlussrings dienen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, die Kontaktflächen für den Stromübergang zwischen Kurzschlussstab bzw. -stäben und Fügekörper sowie die anteilige Kontaktfläche zwischen Fügeköper und Leitkörper dergestalt anzupassen, dass eine verbesserte Stromverteilfunktion zwischen Kurzschlussstab und Kurzschlussring erreicht wird. Dazu kann vorgesehen sein, dass die Kontaktfläche zwischen Fügekörper und Kurzschlussstab größer oder gleich der Querschnittsfläche des Kurzschlussstabs ist. Dadurch kann ein guter Stromübergang vom Kurzschlussstab auf den Fügekörper erreicht werden.
-
Gleichzeitig oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis von der anteiligen Verbindungsfläche zwischen Leitkörper und Fügekörper zu der Kontaktfläche zwischen Fügekörper und Kurzschlussstab größer als 1,5 ist, insbesondere wenn das Verhältnis zwischen Anschlussfläche und Querschnittsfläche des Kurzschlussstabes kleiner als 1,2 ist. In dieser Ausgestaltung kann der Strom vom leitfähigeren Fügekörper über eine vergrößerte Verbindungsfläche auf den weniger leitfähigen Leitkörper übergehen, so dass eine gute Stromverteilung gewährleistet wird.
-
In anderen Worten: Der Stromübergang wird dadurch verbessert, dass entweder die Kontaktfläche zwischen Kurzschlussstab und Fügekörper und/oder die Verbindungsfläche zwischen Fügekörper und Leitkörper vergrößert wird.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kurzschlussring eine Dicke D, größer als 4mm, bevorzugt dicker als 7mm, aufweist. Maximale Dicken sind dem Fachmann hinreichend bekannt. Durch eine derartige Ausgestaltung ist der Kurzschlussläufer vorzugsweise für Hochstromanwendungen, insbesondere Ströme in der Größenordnung von 100A, besonders bevorzugt geeignet.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kurzschlussring mit einer Diffusionssperre zwischen Fügekörper und Leitkörper ausgestattet ist, wobei die Diffusionssperre insbesondere aus Nickel oder einer Nickellegierung oder Silber oder einer Silberlegierung ausgestaltet ist. Dies soll den Aufbau einer Grenz- oder Zwischenschicht aus Aluminium- oder Kupferoxiden sowie die Eindiffusion von Atomen des einen Materials ins Kristallgitter des anderen Materials verhindern oder zumindest reduzieren. Vorzugsweise ist nicht nur ein Fügepartner vor dem Fügen mit einer Diffusionssperre versehen, sondern beide.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kurzschlussring keine Durchgangsöffnungen oder Sacklöcher für Kurzschlussstäbe aufweist. Insofern ist bevorzugt vorgesehen, dass der mindestens eine Kurzschlussstab, insbesondere die Anschlussfläche des Kurzschlusstabs, mit dem Kurzschlussring, insbesondere dem Fügekörper, verbunden ist.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen verbesserten Elektromotor, insbesondere Asynchronmotor, mit einem Kurzschlussläufer bereitzustellen, insbesondere einen leistungsfähigen und kompakt bauenden Elektromotor bereitzustellen.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Elektromotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Dadurch, dass ein erfindungsgemäßer Kurzschlussläufer verwendet wird, kann der Kurzschlussläufer, bei gleichzeitig kompakter Bauweise, mit einem hohen Strom beaufschlagt werden.
-
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussrings eines erfindungsgemäßen Kurzschlussläufers vorzuschlagen.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 14 bzw. 15 gelöst. Die dort vorgeschlagenen alternativen oder auch kombiniert eingesetzten Verfahren eignen sich in besonders vorteilhafterweise zur Verbindung von Fügekörper und Leitkörper bzw. Fügekörper und Kurzschlussstab. Es ist selbstverständlich nicht ausgeschlossen, dass weitere Bearbeitungsschritte vor, nach oder zwischen den dort genannten Verfahren durchgeführt werden. Vorteilhafterweise ist jedoch die Herstellung des erfindungsgemäßen Kurzschlussrings unabhängig vom Montageschritt des erfindungsgemäßen Kurzschlussrings möglich.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen Abbildungen. Darin zeigen
- 1 einen erfindungsgemäßer Elektromotor;
- 2 einen erfindungsgemäßer Kurzschlussläufer;
- 3 eine perspektivische Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Kurzschlussläufers;
- 4 das Verbinden von Kurzschlussring und Kurzschlussstäben mittels Rotationsreibschweißen;
- 5 einen Schnitt X-X gemäß 4;
- 6a einen Kurzschlussring mit Draufsicht auf die Kontaktfläche A3 des Fügekörpers;
- 6b einen Kurzschlussring in Draufsicht mit effektiver Stromübergangsfläche A3' bezogen auf einen Kurzschlussstab
- 7a) bis 7u) zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Kurzschlussrings, insbesondere von Fügekörper und Leitkörper;
- 8a , 8b Fügekörper und Leitkörper mit Draufsicht auf die Verbindungsfläche A4 und anteilige Verbindungsfläche A4' bezogen auf einen Kurzschlussstab (gemäß Basisvariante);
- 9a einen Kurzschlussläufer, der mit vergrößerten Enden der Kurzschlussstäbe ausgestattet ist in einer Querschnittdarstellung;
- 9b einen Kurzschlussläufer, der mit vergrößerten Enden der Kurzschlussstäbe ausgestattet ist in einer Draufsicht.
-
Ein erfindungsgemäßer Kurzschlussläufer R umfasst im Wesentlichen mindestens einen Kurzschlussring 1 und mindestens einen Kurzschlussstab 2. Der Kurzschlussläufer weist eine Rotations- bzw. Längsachse L auf.
-
Bei dem Kurzschlussstab 2 handelt es sich in der Regel um einen massiven länglichen Stab. Der Kurzschlussstab 2 weist eine bezogen auf seine Längsrichtung senkrecht ausgerichtete Querschnittsfläche A1 auf. Ferner weist der Kurzschlussstab 2 eine Anschlussfläche A2 zur Verbindung mit dem Kurzschlussring 1 auf. Die Anschlussfläche A2 kann aus stirnseitigen und umfangsseitigen Flächenanteilen A2' bzw. A2" zusammengesetzt sein.
-
In der Regel umfasst der Kurzschlussläufer einen ersten Kurzschlussring 1 und einen zweiten Kurzschlussring 1a, die auf einer Welle 4 axial voneinander beabstandet angebracht sind. Zwischen den Kurzschlussringen 1, 1a ist mindestens ein Kurzschlussstab 2, vorzugsweise mehrere Kurzschlussstäbe 2, 2a, 2b, ... angebracht, die vorzugsweise parallel zu der Welle 4 verlaufen und weiter vorzugsweise in Umfangsrichtung nebeneinander angebracht sind. Vorzugsweise sind die Kurzschlussstäbe in Blechlamellen 3 aufgenommen. Mehrere Blechlamellen ergeben das sogenannte Blechpaket.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kurzschlussring 1 einen Fügekörper 11 und einen Leitkörper 12 umfasst, wobei Fügekörper und Leitkörper aus unterschiedlichen Materialien und der Fügekörper 11 und der mindestens eine Kurzschlussstab 2 aus gleichartigem, insbesondere identischem, Material gebildet sind, wobei der Fügekörper eine dem mindestens einen Kurzschlussstab zugewandte Kontaktfläche A3 aufweist, wobei der Kurzschlussstab 2 eine der Kontaktfläche zugewandte Anschlussfläche A2 aufweist, wobei die Anschlussfläche A2 des Kurzschlussstabes 2 zumindest abschnittsweise bzw. die stirnseitigen und insbesondere die umfangsseitigen Flächenanteile A2' bzw. A2" mit der Kontaktfläche A3 des Fügekörpers verbunden ist bzw. sind. Beispiele für eine Verbindung der stirnseitigen und umfangsseitigen Flächenanteile A2' bzw. A2" sind beispielsweise die Ausgestaltung eines Kurzschlussringes gemäß 7o) bei dem der Kurzschlussstab gewissermaßen geringfügig versenkt ist. Ein Beispiel für eine rein stirnseitige Verbindung stellt beispielsweise die Ausführungsform des Kurzschlussringes gemäß 7a) dar.
-
Die Auswahl der Materialien erfolgt vorzugsweise anhand der schwerpunktmäßig zugewiesenen Funktion. So bildet der Leitkörper 12 zum einen die überwiegend tragende Struktur des Kurzschlussrings 1, zum anderen die überwiegend elektrisch leitende Struktur in Umfangsrichtung. Der Fügekörper 11 bildet überwiegend die elektrisch leitende Struktur des Kurzschlussrings in axialer Richtung, d.h. eine Stromverteilungsfunktion von Kurzschlussstab bzw. -stäben auf den Leitkörper. Bevorzugtes Material für den Fügekörper 11 ist Kupfer oder eine Kupferlegierung. Bevorzugtes Material für den Leitkörper 12 ist Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Entsprechend der Materialgleichartigkeit ist auch der mindestens eine Kurzschlussstab 2 vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet.
-
Der Fügekörper 11 weist die dem mindestens einen Kurzschlussstab zugewandte Kontaktfläche A3 auf, wobei die Anschlussfläche A2 des Kurzschlussstabes 2 zumindest abschnittsweise bzw. die stirnseitigen und insbesondere die umfangsseitigen Flächenanteile A2' bzw. A2", mindestens elektrisch, vorzugsweise elektrisch und mechanisch, mit der Kontaktfläche A3 des Fügekörpers 11, verbunden ist bzw. sind. Die effektive Stromübergangsfläche zwischen Kurzschlussstab und Kontaktfläche wird mit A3' bezeichnet. Die effektive Stromübergangsfläche A3' ergibt sich aus der Paarung der zwischen Kontaktfläche A3 mit stirnseitigen Anteilen A2' und/oder umfangsseitigen Anteilen A2" des Kurzschlussstabes. Als Fügeverfahren kommen Schweißverfahren, insbesondere Reibschweißverfahren in Frage.
-
Der Kurzschlussring 1 als solches weist eine im Wesentlichen ringförmige Gestalt auf. Insofern weisen der Fügekörper 11 und/oder der Leitkörper 12 eine im Wesentlichen ringförmige Gestalt auf. Fügekörper 11 und Leitkörper 12 sind grundsätzlich untrennbar miteinander verbunden. Als Herstellungsverfahren zur Herstellung des Kurzschlussrings kommen
- - urformende Verfahren, insbesondere Vergießen des Fügekörpers mit dem Leitkörper,
- - umformende Verfahren, insbesondere Walzplattieren, Taumelpressen, Massivumformung und
- - Fügeverfahren, insbesondere Schweißen, ganz besonders Reib-, Kaltpress - und Ultraschallschweißen
in Frage.
-
Im Detail sind auch nachfolgende Herstellungs- und Gestaltungsvarianten denkbar:
- - Reibschweißen von Fügekörper 11 und Leitkörper 12
- - Walzplattieren eines Fügekörpers 11 auf den Leitkörper 12
- - Kaltpressschweissen
- - Ultraschallschweissen
- - Gießen, insbesondere von z.B. parallelogrammförmigem Leitkörper um schrägen formoptimierten (z.B. L-Form) Fügekörper
- - Zusätzliche Beschichtung / Einfügen einer Diffusionssperre
- - Umfassen mit Armierungsring aus Stahl
- - Umfassen des Fügekörpers mit einem Kragen
- - Die Form des Fügekörpers kann s-förmig ausgestaltet sein
- - Der Fügekörper 11 und Leitkörper 12 können formschlüssig miteinander verbunden sein, ähnlich einer Feder-Nut-Verbindung (hier jedoch eingegossen).
-
Auch Kombinationen der vorgenannten Verfahren oder Gestaltungen sind denkbar.
-
Der Fügekörper 11 und der Leitkörper 12 sind fest miteinander verbunden und weisen eine einander zugewandte Verbindungsfläche auf, die nachfolgend mit dem Bezugszeichen A4 angesprochen werden soll. Die anteilige Verbindungsfläche zwischen Leitkörper 12 und Fügekörper 11 bezogen auf einen Kurzschlussstab kann dabei als A4' bezeichnet werden. Die anteilige Verbindungsfläche A4' ergibt sich somit aus der gesamten Verbindungsfläche A4 geteilt durch die Anzahl der Kurzschlussstäbe.
-
In einer Ausführungsform ist die Verbindungsfläche A4 planar und senkrecht zur Welle bzw. Wellenachse ausgerichtet (beides im technisch üblichen Sinne). Diese Ausgestaltung kann als Basislösung angesprochen werden und eignet sich insbesondere für eine Herstellung des Kurzschlussringes 1 mittels Walzplattieren. Hiervon abweichend kann die Verbindungsfläche A4 aber auch eine von dieser Ausführungsform abweichende Ausgestaltung aufweisen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass
- - die Verbindungsfläche A4 planar oder nicht planar ausgestaltet ist, insbesondere in Form einer gewölbten Ebene und/oder
- - die Verbindungsfläche A4 senkrecht zur Welle oder nicht senkrecht zur Welle ausgerichtet ist, insbesondere eine schräge Ausrichtung aufweist, und insbesondere
- - die Verbindungsfläche A4 mindestens eine Nut 5 und einen korrespondierenden Zapfen 6 aufweist, wobei der mindestens eine Zapfen 6 in der mindestens einen Nut 5 aufgenommen ist, wobei die Nut insbesondere hinterschnitten, vorzugsweise als Schwalbenschwanznut oder als Ringnut ausgestaltet ist, und/oder
- - die Verbindungsfläche A4 aus mehreren Ebenen zusammengesetzt ist, die zueinander unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen, insbesondere in einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet sind.
-
Die vorgenannten Ausgestaltungen können einzeln, aber auch in Kombination miteinander, zur Ausgestaltung der Verbindungsfläche zwischen Fügekörper und Leitkörper Anwendung finden. Sie dienen im Wesentlichen der Oberflächenvergrößerung der Verbindungsfläche im Vergleich zu der oben skizzierten Basislösung. Hierdurch kann die elektrische und/oder mechanische Verbindung weiter verbessert werden. Es kann zusätzlich einer Reibkorrosion (Fretting) vorgebeugt werden.
-
Eine Auswahl an oberflächenvergrößernden Formen ist in den 7b) bis v) dargestellt. Es handelt sich bei diesen Darstellungen um die Darstellung der Querschnittsflächen von Fügekörper und Leitkörper, bezogen auf eine nicht maßstabsgerechte Rotationsachse des Kurzschlussringes. Die Querschnittsfläche des Fügekörpers soll mit dem Bezugszeichen A5 bezeichnet werden. Die Querschnittsfläche des Leitkörpers soll mit dem Bezugszeichen A6 bezeichnet werden.
- 7a) zeigt die oben angesprochene Basislösung.
- 7b) zeigt einen Kurzschlussring, der vorzugsweise eine bessere Stromverteilung aufweist.
- 7c) zeigt einen Kurzschlussring, bei dem vorzugsweise das Kupfergewicht in Richtung Zentrum verlagert ist.
- 7d) zeigt einen Kurzschlussring, zur Verdeutlichung, dass runde Formen grundsätzlich zulässig sind, beispielsweise Massivumformung des Kupferteils und anschließendes Angießen des Aluminiumteils.
- 7e) zeigt einen Kurzschlussring, zur Verdeutlichung der Nutzung der maximalen Tiefe des Kurzschlussrings zur Vergrößerung der Verbindungsfläche.
- 7f) zeigt einen Kurzschlussring, der vorzugsweise einen als schräges L ausgebildeten Fügekörper aufweist. Es handelt sich hier um eine Ausführungsform eines optimalen Stromverteilers.
- 7g) zeigt einen Kurzschlussring, der vorzugsweise eine künstlich vergrößerte Verbindungsfläche aufweist. Diese Ausführungsform ist insbesondere stromtechnisch und mechanisch vorteilhaft.
- 7h) zeigt einen Kurzschlussring, der vorzugsweise mit hinterschnittenen Nuten und korrespondierenden Zapfen ausgestattet ist.
- 7i) zeigt einen Kurzschlussring, zur Verdeutlichung, dass Ausbuchtungen möglich sind, als durchgehende Ringnut oder als zyklisch vorstehende Säulen.
- 7j) zeigt einen Kurzschlussring, der vorzugsweise mit einem Aluminiumkragen ausgestattet ist.
- 7k) zeigt einen Kurzschlussring, der vorzugsweise mit einem Spannring 8 ausgestattet ist.
- 7l) zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform, bei welcher der Fügekörper durch einen 7 Aluminiumkragen eingefasst ist und dieser wiederum von einem Spannring umfasst wird Der Fügekörper kann analog 7f) als schräges L ausgeführt sein, so dass die Ausführungsform gemäß 7m) ensteht.
- 7n) zeigt einen Kurzschlussring, der vorzugsweise mit zwei Kragen 7 ausgestattet ist, insbesondere zur mechanischen Abstützung des Kurzschlussrings an dem Kurzschlussstab durch Formschluss.
- 7o) zeigt einen Kurzschlussring, der vorzugsweise zusätzlich zu der Ausführungsform gemäß
- 7n) noch eine stoffschlüssige mechanische Unterstützung aufweist, ferner einen Kurzschlussring zeigt bei dem eine Überdeckung von Kurzschlussstab und Fügekörper vorliegt. Beim Rotationsreibschweißen ergibt sich dadurch auch außenumfänglich, nicht nur stirnseitig eine Stoffschlüssigkeit, so dass nicht nur die Verbindungsfläche A4, sondern zugleich auch die effektive Stromübergangsfläche A3' vergrößert ist Die Endgeometrie des Kurzschlusstabes kann hierzu angepasst werden, z.B. durch konische oder abgeflachte Kopfenden.
- 7p) zeigt einen Kurzschlussring, der vorzugsweise einen S-förmigen Fügekörper im Querschnitt ausbildet, so dass Verbindungs- A4 und effektive Stromübergangsfläche A3' vergrößert werden.
- 7q) zeigt einen Kurzschlussring, der vorzugsweise verdeutlichen soll, dass die Fügepartner keine gerade Fläche haben müssen. Die Endgeometrie der Kurzschlussstäbe kann entsprechend komplementär ausgeführt sein.
- 7r) und 7s) zeigt zwei weitere Varianten mit konvexer bzw. konkaver Form, die mit komplementär gestalteten Kurzschlussstabgeometrieen verbunden werden können.
- 7t) und 7u) zeigen einen Kurzschlussring mit dreieckiger Querschnittsform des Fügekörpers. Es kann ferner beispielsweise vorgesehen sein, dass der Leitkörper 12 den Fügekörper 11 axial überragt, insbesondere mit einem Kragen 7 ausgestattet ist. Der Kurzschlussring 1, insbesondere der Fügekörper 11, kann radial außen von einem zusätzlichen Spannring 8 eingefasst sein.
-
Daher sollen die vorgenannten Flächen
A1 bis
A4 vorzugsweise wie folgt ausgestaltet sein:
-
Dies bedeutet, dass die effektive Stromübergangsfläche
A3' für den Stromübergang zwischen Kurzschlussstab und Kurzschlussring so ausgestaltet ist, dass der elektrisch leitende Querschnitt zumindest erhalten oder vergrößert wird. Eine allfällige Abweichung elektrischer Leitfähigkeit von Kurzschlussstab- und Fügekörpermaterial kann somit aufgefangen werden.
-
Dies bedeutet, dass der elektrisch leitende Querschnitt zwischen anteiliger Verbindungsfläche zwischen Fügekörper und Leitkörper A4' und anteiliger Stromübergangsfläche des Fügekörpers A3' so gewählt ist, dass eine schlechtere Leitfähigkeit des Leitkörpers kompensiert werden kann. Der hierfür vorzugsweise notwendige Proportionalitätsfaktor ergibt sich dabei in erster Näherung aus dem Verhältnis der Leitfähigkeit der Materialpaarungen; bei Aluminium-Kupferpaarung ergibt sich in erster Näherung ein Proportionalitätsfaktor von 58/37 = 1,56 (Leitfähigkeit Kupfer bei 58 · 106 S/m, Leitfähigkeit von Aluminium bei 37 · 106 S/m). Abweichungen hiervon sind möglich. Beispielsweise können Aluminiumlegierungen gegenüber Aluminium geringere elektrische Leitfähigkeiten aufweisen, so dass der Proportionalitätsfaktor größer werden muss. Bei Verwendung einer Aluminiumlegierung wie EN AW-6061 erhöht sich der Faktor beispielsweise auf rund 58/23 =2,52. Auch diese Proportionalitätsfaktoren sind mit beschriebenen Ausführungsvarianten eines hybriden Kurzschlussringes realisierbar.
-
Die Stromleitung in Umfangsrichtung wird bevorzugt über den Leitkörper realisiert. Bevorzugt ist die Querschnittsfläche des Leitkörpers daher größer als die des Fügekörpers.
-
Der Kurzschlussring 1 sollte eine gewisse Dicke D aufweisen, insbesondere dicker als 4mm, bevorzugt dicker als 7mm. Dabei ist der Fügepartner möglichst dünn ausgeführt, so dass sich seine wesentliche Funktion auf die axiale Stromverteilung vom Kurzschlussstab auf den Leitkörper bezieht. Eine derartige Ausgestaltung eignet sich vorzugsweise für Hochstromanwendung, insbesondere für Ströme um Größenordnung von 100A.
-
Der Kurzschlussring 1 kann ferner mit einer Diffusionssperre zwischen Fügekörper 11 und Leitkörper 12 ausgestattet sein. Dies soll den Aufbau einer Grenz- oder Zwischenschicht aus Aluminium oder Kupferoxiden sowie die Eindiffusion von Atomen des einen Materials ins Kristallgitter des anderen Materials verhindern oder zumindest reduzieren. Vorzugsweise ist nicht nur ein Fügepartner vor dem Fügen mit einer Diffusionssperre versehen, sondern beide. Bevorzugtes Material der Diffusionssperre ist z.B. Nickel oder Silber.
-
Der Kurzschlussring 1 weist vorzugsweise keine Durchgangsöffnungen oder Sacklöcher für Kurzschlussstäbe 2 auf. Insofern ist bevorzugt vorgesehen, dass der mindestens eine Kurzschlussstab 2, insbesondere die Anschlussfläche A2 des Kurzschlusstabs 2, mit dem Kurzschlussring 1, insbesondere dem Fügekörper 11, auf der Kontaktfläche A3 verbunden ist.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Stabende des mindestens einen Kurzschlussstabes im Hinblick auf den ansonsten vorherrschenden Querschnitt A1 vergrößert ist. Dies kann beispielsweise durch geplättete Kopfenden des Kurzschlussstabes erreicht werden. Die Vergrößerung 2' des Kopfendes des Kurzschlussstabes ist vorzugsweise einseitig vorgenommen. Diese Art von Kurzschlussstäben ist vorzugsweise alternierend eingesetzt. Denkbar ist jedoch auch, die Kurzschlussstäbe beidseitig mit einem vergrößerten Kopfende auszustatten. Hierdurch ergibt sich eine vergrößerte Anschlussfläche A2 des Kurzschlussstabes 2. Diese Ausgestaltungen sind in den 8a und 8b dargestellt. Insoweit die vergrößerten Kopfenden bereits eine Stromverteilerfunktion darstellen, eignet sich dies insbesondere in Kombination mit einer einfachen Geometrie eines hybriden Kurzschlussrings.
-
Als technische bevorzugte Ausführungsform kommt die gegossene Ausführung „schräge L-Form“ mit Alukragen und optionalem Spannring in Frage. Mit anderen Worten, werden hier Fügekörper und Leitkörper miteinander vergossen, die Kontaktfläche ist L-förmig ausgestaltet, der Leitkörper überragt den Fügekörper axial, weist also einen Kragen auf und der Kurzschlussring, insbesondere der Leitkörper, ist mit einem Spannring ausgestattet.
-
Ein erfindungsgemäßer Elektromotor E, insbesondere Asynchronmotor, umfasst im Wesentlichen einen Stator S und den als Rotor ausgestalteten erfindungsgemäßen Kurzschlussläufer R. Schematisch ist diese Anordnung in der 1 dargestellt.
-
Es gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- R
- Kurzschlussläufer (Rotor)
- S
- Stator
- L
- Rotationsachse / Längsachse
- A1
- Querschnittsfläche des Kurzschlussstabes
- A2
- Anschlussfläche des Kurzschlussstabes
- A2'
- stirnseitige Anschlussfläche des Kurzschlussstabes
- A2"
- umfangsseitige Anschlussfläche des Kurzschlussstabes
- A3
- allgemeine Kontaktfläche des Fügekörpers
- A3'
- effektive Stromübergangsfläche des Fügekörpers je Kurzschlussstab
- A4
- Verbindungsfläche zwischen Leitkörper und Fügekörper
- A4'
- anteilige Verbindungsfläche zwischen Leitkörper und Fügekörper je Kurzschlussstab
- A5
- Querschnittsfläche des Fügekörpers
- A6
- Querschnittsfläche des Leitkörpers
- D
- Dicke des Kurzschlussrings
- 1
- Kurzschlussring
- 2
- Kurzschlussstab
- 2'
- Vergrößertes Ende Kurzschlussstab
- 3
- Blechlammelle
- 4
- Bohrung/Welle
- 5
- Nuten
- 6
- Zapfen
- 7
- Kragen
- 8
- Spannring
- 11
- Fügekörper (Kupfer)
- 12
- Leitkörper (Aluminium)
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 702234 C [0003]
- DE 4014116 A1 [0003]
- DE 102014013684 A1 [0003]
