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Die Erfindung betrifft einen Rotor, insbesondere für eine Asynchronmaschine, aufweisend ein Blechpaket mit axial verlaufenden Kurzschlussstäben, eine Rotorwelle mit einem Rotorwellenkanal zum Transportieren eines Kühlmittels, aufweisend axial verlaufende Kühlmittelkanäle, welche sich parallel zu den Kurzschlussstäben erstrecken, und aufweisend axial endseitig angeordnete Wuchtscheiben, insbesondere in Form von Kurzschlussringen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Asynchronmaschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Asynchronmaschine.
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Asynchronmaschinen weisen hohe Verluste in den Rotorstäben insbesondere in Luftspaltnähe auf. Um den Wirkungsgrad von Asynchronmaschinen besser auszunutzen, ist eine effiziente Abfuhr der entstehenden Wärme erforderlich. Insbesondere kann der Wirkungsgrad der Asynchronmaschinen durch geringere Betriebstemperaturen steigen.
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Es sind bereits verschiedene Methoden bekannt, die Kurzschlussringe oder Kurzschlussstäbe von Asynchronmaschinen zu kühlen. Dabei sind oftmals Kühlkanäle in die Rotorbleche eingebracht, die zur Wärmeabfuhr verwendet werden. Die
DE 10 2016 124 830 A1 beschreibt beispielsweise ein Blech zur Ausbildung eines Blechpakets mit der Möglichkeit der Einbringung von Kurzschlussstäben. Zwischen dem Luftspalt und den Kurzschlussstäben sind Lufttaschen vorgesehen, um Stromwärmeverluste zu senken. Auch die
CN 106 340 981 A beschreibt eine Asynchronmaschine mit radial außenseitig angeordneten Kühlmittelkanälen, die axial mit einem Kühlmittel durchströmt werden. Hierzu kann der Rotor ein Pumpenrad zum Fördern des Kühlmittels aufweisen.
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Die
WO 2018/154176 A1 beschreibt zum Beispiel eine Asynchronmaschine mit Aufnahmeslots für die Kurzschlussstäbe, welche in ihrer radialen Ausdehnung vergrößert sind. Hierdurch werden Kühlkanäle entlang der axialen Richtung ausgebildet. Die Kühlkanäle werden durch axiale Bohrungen mit einer Rotorwellenkühlung direkt durch das Blechpaket verbunden. Eine derartige Asynchronmaschine erfordert jedoch eine Vielzahl von unterschiedlichen Blechen, um die Verbindung zwischen den axialen Kühlkanälen und der Rotorwellenkühlung bzw. dem Rotorwellenkanal herzustellen. Dies erfordert einen erhöhten Herstellungsaufwand. Auch aus der
DE 10 2016 222 846 A1 ist eine derartige Asynchronmaschine bekannt, welche eine radiale Fluidverbindung durch das Blechpaket hindurch erfordert, um axial verlaufende Kühlkanäle mit einer Kühlmittelquelle zu verbinden.
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In der
US 2020/0259397 A1 ist eine Asynchronmaschine mit Kurzschlussstäben offenbart, die zu axial verlaufenden Kühlkanälen angeordnet sind. Die Kühlkanäle werden durch separate Zuführleitungen mit einem Kühlmittel versorgt. Die Zuführleitungen werden separat am Blechpaket befestigt und müssen den hohen Fliehkräften und Temperaturgradienten standhalten. Eine derartige Asynchronmaschine erfordert ebenfalls einen erhöhten Herstellungsaufwand und ist anfällig für mechanische Schäden der Zuführleitungen bei hohen Drehzahlen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Asynchronmaschine, einen Rotor und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Asynchronmaschine zu schaffen, welche den Herstellungsaufwand senken und die Herstellung eines Rotors mit Kurzschlussstäben und Kühlkanälen beschleunigen können. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Rotor, insbesondere für eine Asynchronmaschine, bereitgestellt. Der Rotor weist ein Blechpaket aus einer Vielzahl von zusammengesetzten Blechen auf. Durch das Blechpaket verlaufen entlang einer Axialrichtung Kurzschlussstäbe. Des Weiteren ist eine Rotorwelle mit einem axial verlaufenden Rotorwellenkanal zum Transportieren eines Kühlmittels vorgesehen. Vorzugsweise ist die Rotorwelle mit dem Blechpaket verbunden. Dabei ist vorzugsweise eine Verdrehsicherung zwischen der Rotorwelle und dem Blechpaket vorgesehen.
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Darüber hinaus weist der Rotor axial verlaufende Kühlmittelkanäle auf, welche sich parallel zu den Kurzschlussstäben erstrecken. Die axialen Kühlmittelkanäle verlaufen durch das Blechpaket hindurch. Axial endseitig des Blechpakets sind Wuchtscheiben angeordnet. Die Wuchtscheiben fungieren vorzugsweise als Kurzschlussringe und bilden zusammen mit den Kurzschlussstäben einen Kurzschlusskäfig des Rotors aus.
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Erfindungsgemäß weist mindestens eine der zwei axial endseitig angeordneten Wuchtscheiben radiale Verbindungskanäle auf, welche dazu eingerichtet sind, eine direkte oder indirekte fluidführende Verbindung zwischen dem Rotorwellenkanal und den axialen Kühlmittelkanälen auszubilden.
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Durch die Verwendung von modifizierten Wuchtscheiben zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Rotorwellenkühlung und den axialen Kühlmittelkanälen kann eine kosteneffiziente Kurzschlussstabkühlung bereitgestellt werden, die ohne umfangreiche Modifikationen des Herstellungsvorgangs einhergeht. Insbesondere sind keine zusätzlichen Komponenten und Bauteile erforderlich. Die entsprechende Kurzschlussstabkühlung ist im Wesentlichen über geringfügige Modifikation aller Bleche des Blechpakets und der Wuchtscheiben umsetzbar. Die Bereitstellung und Positionierung von zusätzlichen Blechen, die einen radialen Kühlmitteltransport ermöglichen, kann somit entfallen.
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Vorzugsweise ist jeder Verbindungskanal an einem ersten Ende mit dem Rotorwellenkanal verbunden. An einem zweiten Ende kann jeder Verbindungskanal je nach Ausgestaltung mit mindestens einem axialen Kühlmittelkanal gekoppelt sein.
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Alternativ kann jeder Verbindungskanal an seinem zweiten Ende mit mehreren axialen Kühlmittelkanälen verbunden sein, sodass eine Kurzschlussstabkühlung mit einer geringeren Anzahl an Verbindungskanälen umsetzbar ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist zumindest jeder zweite radiale Verbindungskanal an einem radial außenliegenden Ende oder an einem radial innenliegenden Ende geöffnet, wobei die Öffnungen als Austrittsöffnungen für ein Kühlmittel ausgestaltet sind. Derartige Öffnungen können nach einem Vergussprozess des Rotors in Form von Bohrungen eingebracht werden. Somit können die Wuchtscheiben als Schutz der axialen Kühlmittelkanäle gegen die Gussmasse fungieren. Darüber hinaus kann ein derartiger Prozessschritt technisch einfach implementiert werden.
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Eine bidirektionale Durchströmung des Rotors mit einem Kühlmittel kann realisiert werden, wenn die gegenüberliegenden radialen Verbindungskanäle der beiden Wuchtscheiben einander abwechselnd entlang einer Radialrichtung und/oder Axialrichtung geöffnet sind. Hierzu können beide Wuchtscheiben Verbindungskanäle aufweisen, die mit dem Rotorwellenkanal fluidführend gekoppelt sind.
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Das Kühlmittel kann ein gasförmiges oder ein flüssiges Kühlmittel sein. Vorteilhafterweise kann das Kühlmittel als ein Öl ausgestaltet sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei Kühlmittelkanäle durch einen Verteilerabschnitt in Umfangsrichtung fluidführend miteinander verbunden, wobei der Verteilerabschnitt in das Blechpaket und/oder in mindestens eine Wuchtscheibe eingebracht ist. Durch diese Maßnahme kann jeweils ein Verbindungskanal mindestens einer Wuchtscheibe mehrere axiale Kühlmittelkanäle indirekt über die Verteilerabschnitte fluidführend verbinden. Hierdurch kann die Masse der Wuchtscheiben maximiert und der Modifizierungsaufwand der Wuchtscheiben verringert werden.
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Das Kühlmittel kann besonders gleichmäßig auf die axialen Kühlmittelkanäle verteilt werden, wenn jeweils ein radialer Verbindungskanal der Wuchtscheiben in einem Verteilerabschnitt mündet, welcher mindestens zwei axiale Kühlkanäle miteinander verbindet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist eine erste Wuchtscheibe mindestens einen Verteilerabschnitt auf, welcher einen radialen Verbindungskanal indirekt mit mindestens zwei axialen Kühlmittelkanälen verbindet. Bevorzugterweise ist zumindest ein durch den Verteilerabschnitt gekoppelter Kühlmittelkanal an einem korrespondierenden Verbindungskanal einer zweiten Wuchtscheibe mit mindestens einer Austrittöffnung versehen. Hierdurch kann mindestens ein Kühlmittelkanal direkt mit einer axialen Austrittsöffnung versehen und mindestens ein weiterer Kühlmittelkanal zum Re-Zirkulieren des Kühlmittels verwendet werden.
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Die axial verlaufenden Kühlmittelkanäle können besonders vielseitig umgesetzt werden, wenn diese in Form von isolierten Kanälen oder in Form von Ausnehmungen von Stabkanälen zum Positionieren der Kurzschlussstäbe ausgestaltet sind.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Asynchronmaschine bereitgestellt, welche einen erfindungsgemäßen Rotor aufweist. Eine derartige Asynchronmaschine kann trotz integrierter Kurzschlussstabkühlung kosteneffizient und schnell hergestellt werden, da die Bauteilvielfalt minimiert ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Rotors bereitgestellt. In einem Schritt wird ein Blechpaket aus einer Vielzahl von Blechen zusammengesetzt. Anschließend werden Kurzschlussstäbe in axial verlaufende Stabkanäle des Blechpakets eingesetzt. Axial endseitig wird jeweils eine Wuchtscheibe aufweisend radiale Verbindungskanäle angeordnet, um mit den Kurzschlussstäben einen Kurzschlusskäfig auszubilden.
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Parallel zu den eingesetzten Kurzschlussstäben werden axiale Kühlmittelkanäle ausgebildet. Diese axialen Kühlmittelkanäle können bereits bei der Herstellung der Bleche in Form von isolierten Kanälen oder in Form von Ausnehmungen der Stabkanäle berücksichtigt werden.
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Die axialen Kühlmittelkanäle werden durch die axial endseitig angeordneten Wuchtscheiben axial endseitig verschlossen. Dabei verbinden die radialen Verbindungskanäle einen axialen Rotorwellenkanal mit den axialen Kühlmittelkanälen.
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In einem weiteren Schritt wird der Rotor zumindest bereichsweise mit Hilfe einer Gussform durch eine Gussmasse vergossen. Darüber hinaus wird in einem weiteren Schritt mindestens ein radialer Verbindungskanal durch Materialabtrag zumindest bereichsweise geöffnet. Durch den Materialabtrag werden Öffnungen als Austrittsöffnungen für ein Kühlmittel aus den axialen Kühlmittelkanälen hergestellt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Asynchronmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Asynchronmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
- 3a - 3f Darstellungen zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Rotors gemäß einer Ausführungsform.
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
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Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Asynchronmaschine 100 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Asynchronmaschine 100 weist einen Rotor 10 und einen Stator 110 auf. Dabei ist der Stator 110 umfangsseitig um den Rotor 10 angeordnet.
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Der Rotor 10 der Asynchronmaschine 100 weist ein Blechpaket 11 aus einer Vielzahl von zusammengesetzten Blechen auf. Durch das Blechpaket 11 verlaufen entlang einer Axialrichtung A Kurzschlussstäbe 20.
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Die Axialrichtung A zeigt im dargestellten Ausführungsbeispiel aus der Bildebene heraus. Eine Radialrichtung R ist orthogonal zur Axialrichtung A angeordnet und zeigt von einer Rotorwelle 12 des Rotors 10 weg. Die Rotorwelle 30 weist einen axial verlaufenden Rotorwellenkanal 31 zum Transportieren eines Kühlmittels.
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Die Rotorwelle 30 ist mit dem Blechpaket 11 derart verbunden, dass ein relatives Verdrehen zwischen der Rotorwelle 30 und dem Blechpaket 11 unterbunden ist. Des Weiteren bildet die Rotorwelle 30 eine Rotationsache des Rotors 10 aus, die deckungsgleich mit der Axialrichtung bzw. einer entsprechende Axialachse A ausgestaltet ist.
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Darüber hinaus weist der Rotor 10 axial verlaufende Kühlmittelkanäle 12 auf, welche sich parallel zu den Kurzschlussstäben 20 erstrecken. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kühlmittelkanäle 12 radial innenseitig und die Kurzschlussstäbe 20 radial außenseitig angeordnet. Dabei sind die Kühlmittelkanäle 12 gegenüber den Kurzschlussstäben 20 näher an der Rotorwelle 30 angeordnet.
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Die axialen Kühlmittelkanäle 12 verlaufen durch das Blechpaket 11 hindurch entlang der Axialrichtung A. Axial endseitig bzw. stirnseitig des Blechpakets 11 sind Wuchtscheiben 40, 41 angeordnet (s. 3b). Die Wuchtscheiben 40, 41 fungieren vorzugsweise als Kurzschlussringe und bilden zusammen mit den Kurzschlussstäben 20 einen Kurzschlusskäfig des Rotors 10 aus. Insbesondere bedecken die Wuchtscheiben 40, 41 die Stirnseiten des Blechpakets 11.
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In den axial endseitig angeordneten Wuchtscheiben 40, 41 sind radiale Verbindungskanäle 13 angeordnet, welche dazu eingerichtet sind, eine direkte fluidführende Verbindung zwischen dem Rotorwellenkanal 31 und den axialen Kühlmittelkanälen 12 auszubilden. Jeder Verbindungskanal 13 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem axialen Kühlmittelkanal 12 direkt verbunden.
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Die Verbindungskanäle 13 sind als Ausnehmungen bzw. Nuten einseitig in die Wuchtscheiben 40, 41 eingebracht und schließen fluiddicht gegenüber dem Blechpaket 11 ab. Somit bildet das Blechpaket 11 eine einseitige Begrenzung bzw. Wandung der Verbindungskanäle 13 aus.
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In der 2 ist eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Asynchronmaschine 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Im Unterschied zur in 1 gezeigten Asynchronmaschine 100 weisen die zwei axial endseitig angeordneten Wuchtscheiben 40, 41 radiale Verbindungskanäle 13 auf, welche dazu eingerichtet sind, eine indirekte fluidführende Verbindung zwischen dem Rotorwellenkanal 31 und den axialen Kühlmittelkanälen 12 auszubilden.
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Beispielhaft sind jeweils drei axiale Kühlmittelkanäle 12 durch einen Verteilerabschnitt 14 in Umfangsrichtung U fluidführend miteinander verbunden. Die jeweiligen Verteilerabschnitte 14 sind in beide Wuchtscheiben 40, 41 eingebracht. Hierdurch kann jeweils ein radialer Verbindungskanal 13 mindestens einer Wuchtscheibe 40, 41 mehrere axiale Kühlmittelkanäle 12 indirekt über die Verteilerabschnitte 14 fluidführend verbinden.
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In der 1 und 2 sind die Wuchtscheiben 40, 41 der Übersicht halber nicht dargestellt. Die jeweiligen radialen Verbindungskanäle 13 und die Verteilerabschnitte 14 sind entsprechend der Einbauposition der Wuchtscheiben 40, 41 gezeigt, um die Wirkungsweise zu verdeutlichen.
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In der 3a bis 3f sind Darstellungen zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Rotors 10 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Das Verfahren dient zum Herstellen eines Rotors 10 für Asynchronmaschinen 100.
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Die 3a zeigt einen Querschnitt des Blechpakets 11 entlang der Axialachse A und einen weiteren Querschnitt entlang der Radialrichtung R. In einem Schritt wird ein Blechpaket 11 aus einer Vielzahl von Blechen zusammengesetzt. Das Blechpaket 11 weist axial verlaufende Stabkanäle 15 und zu den Stabkanälen 15 in die Bleche eingebrachte Ausnehmungen auf, die die axial verlaufenden Kühlmittelkanäle 12 ausbilden.
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Anschließend werden Kurzschlussstäbe 20 in die axial verlaufenden Stabkanäle 15 des Blechpakets 11 eingesetzt. Dieser Schritt ist in 3b gezeigt. Axial endseitig wird weiterhin jeweils eine Wuchtscheibe 40, 41 aufweisend radiale Verbindungskanäle 13 angeordnet, um mit den Kurzschlussstäben 20 einen Kurzschlusskäfig auszubilden. Parallel zu den eingesetzten Kurzschlussstäben 20 werden axiale Kühlkanäle 12 ausgebildet. Diese axialen Kühlmittelkanäle 12 können bereits bei der Herstellung der Bleche in Form von isolierten Kanälen oder in Form von Ausnehmungen der Stabkanäle 15 berücksichtigt werden.
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Die Pfeile veranschaulichen die Strömung des Kühlmittels aus dem Rotorwellenkanal 31 in die Verbindungskanäle 13 der Wuchtscheiben 40, 41 und anschließend in die axialen Kühlmittelkanäle 12. Das Kühlmittel wird nach Verlassen des Rotors 10 auf die Wickelköpfe (nicht dargestellt) geschleudert und kann anschließend im nicht dargestellten Motorgehäusesumpf gesammelt werden. Anschließend kann ein Kühlmittelkreis gebildet werden, welcher das Kühlmittel direkt oder indirekt in den Rotorwellenkanal 31 befördert.
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Die axialen Kühlmittelkanäle 12 werden durch die axial endseitig angeordneten Wuchtscheiben 40, 41 axial endseitig verschlossen. Dabei verbinden die radialen Verbindungskanäle 13 den axialen Rotorwellenkanal 31 mit den axialen Kühlmittelkanälen 12. Die 3c zeigt eine Draufsicht auf eine Wuchtscheibe 40 mit radial verlaufenden Verbindungskanälen 13. Eine derartige Wuchtscheibe 40, 41 erfüllt neben der Aufgabe der Speicherung von kinetischer Energie auch die Aufgabe einer Kühlmittelverteilung aus dem Rotorwellenkanal 31 in die axialen Kühlmittelkanäle 12.
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In einem weiteren Schritt, welcher in 3d dargestellt ist, wird der Rotor 10 zumindest bereichsweise mit Hilfe einer Gussform 120 durch eine Gussmasse 16 vergossen. Darüber hinaus wird in einem weiteren Schritt mindestens ein radialer Verbindungskanal 13 durch Materialabtrag zumindest bereichsweise geöffnet. Durch den Materialabtrag werden Öffnungen als Austrittsöffnungen 42 für ein Kühlmittel aus den axialen Kühlmittelkanälen 12 hergestellt. Diesen Schritt des Verfahrens verdeutlicht die 3e. Hierdurch wird der Rotor 10 im Wesentlichen fertiggestellt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Kurzschlussstäbe 20 beispielhaft durch die Gussmasse 16 ausgebildet, sodass ein Einsetzen bzw. Anordnen der Kurzschlussstäbe 20 und das Vergießen des Rotors 10 in einem gemeinsamen Schritt erfolgt. Nach einem Aushärten der Gussmasse 16 kann die Gussform 120 entfernt werden.
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In der 3f ist eine weitere Draufsicht auf eine zweite Wuchtscheibe 41 mit eingebrachten Austrittsöffnungen 42 für das Kühlmittel gezeigt. Dabei ist jeder zweite Verbindungskanal 13 radial außenseitig mit einer Austrittsöffnung 42 versehen. Die in der zweiten Wuchtscheibe 41 nicht geöffneten Verbindungskanäle 13 sind über die axialen Kühlmittelkanäle 12 mit Verbindungskanälen 13 einer ersten Wuchtscheibe 40 verbunden und dort über Austrittsöffnungen 42 geöffnet. Somit weisen die axialen Kühlmittelkanäle 12 abwechselnd eine Richtungsänderung der Strömung des Kühlmittels auf.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kraftfahrzeug
- 110
- Stator
- 120
- Gussform
- 10
- Rotor
- 11
- Blechpaket
- 12
- axiale Kühlmittelkanäle
- 13
- radiale Verbindungskanäle
- 14
- Verteilerabschnitte
- 15
- Stabkanäle
- 16
- Gussmasse
- 20
- Kurzschlussstäbe
- 30
- Rotorwelle
- 31
- Rotorwellenkanal
- 40
- erste Wuchtscheibe
- 41
- zweite Wuchtscheibe
- 42
- Austrittsöffnung
- A
- Axialrichtung / Rotationsachse
- R
- Radialrichtung
- U
- Umfangsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016124830 A1 [0003]
- CN 106340981 A [0003]
- WO 2018/154176 A1 [0004]
- DE 102016222846 A1 [0004]
- US 2020/0259397 A1 [0005]
