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HINTERGRUND
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Ein Induktionsmotor ist eine asynchrone elektrische Maschine, die durch Wechselstrom (alternating current AC) mit Energie versorgt wird, die Energie bereitstellt, indem sie eine Drehung eines Rotors über elektromagnetische Induktion herbeiführt. Ein Induktionsmotor kann als ein Generator oder Fahrmotor arbeiten. Rotoren von Induktionsmotoren umfassen herkömmlich axial oder schräge Leiterstäbe, beispielsweise in einem Käfig (squirrel cage).
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Induktions- oder asynchrone Motoren werden in einer Vielfalt von Anwendungen verwendet, und werden zunehmend in Automobil-Anwendungen (z.B. als Antriebsmotoren) verwendet. Ein Induktionsmotor, der in einem Automobil- oder anderen System genutzt wird, zeigt eine Hochgeschwindigkeitsdrehung und erzeugt hohe Temperaturen innerhalb des Rotors selbst, was die mechanische und strukturelle Integrität beeinträchtigen kann. Als solches sind Kühlsysteme, die ein Kühlfluid (z.B. Luft, Wasser, Öl etc.) nutzen, in Rotoren und/oder Induktionsmotoren eingebaut.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Induktionsrotor für eine elektrische Maschine nach einem nicht beschränkenden Beispiel umfasst eine Rotorwelle, einen Kern, der eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden leitfähigen Stäben aufweist, und einen Endring, der an einem Ende des Kerns angeordnet und elektrisch mit der Mehrzahl von leitfähigen Stäben verbunden ist. Der Endring umfasst eine Mehrzahl von Platten, die Mehrzahl von Platten umfasst ein Paar benachbarter Platten, die einen Fluidkanal dazwischen definieren, und der Fluidkanal ist ausgebildet, ein Kühlfluid durch den Endring zirkulieren zu lassen.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Induktionsrotors einer elektrischen Maschine nach einem nicht beschränkenden Beispiel umfasst das Konstruieren eines Kerns einer elektrischen Maschine, wobei der Kern eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden leitfähigen Stäben aufweist, das Montieren des Kerns auf einer Rotorwelle, und das Installieren eines Endrings an einem Ende des Kerns, um den Endring mit der Mehrzahl von leitfähigen Stäben elektrisch zu verbinden. Das Installieren umfasst das Montieren einer axialen Anordnung einer Mehrzahl von Platten an den leitfähigen Stäben, das Anordnen einer Beabstandungseinrichtung zwischen einem Paar von benachbarten Platten, um eine Trennung dazwischen zu schaffen, das mechanische Befestigen der Mehrzahl von benachbarten Platten an den leitfähigen Stäben, während die Beabstandungseinrichtung zwischen dem Paar benachbarter Platten angeordnet ist, und das Entfernen der Beabstandungseinrichtung. Die mechanische Befestigung erhält die Trennung aufrecht, und die Trennung definiert einen Fluidkanal, der ausgebildet ist, ein Kühlfluid durch den Endring zirkulieren zu lassen.
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Eine elektrische Maschine nach einem nicht beschränkenden Beispiel umfasst einen Stator und einen Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle und einen Kern umfasst, der eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden leitfähigen Stäben aufweist. Der Rotor umfasst des Weiteren einen Endring, der an einem Ende des Kerns angeordnet und elektrisch mit der Mehrzahl von leitfähigen Stäben verbunden ist. Der Endring umfasst eine Mehrzahl von Platten, die Mehrzahl von Platten umfasst ein Paar benachbarter Platten, die einen Fluidkanal dazwischen definieren, und der Fluidkanal ist ausgebildet, ein Kühlfluid durch den Endring zirkulieren zu lassen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 stellt einen Induktionsrotor für einen Elektromotor dar, der ein Kühlsystem nach einem Aspekt eines Ausführungsbeispiels umfasst;
- 2 ist eine Querschnittsansicht des Induktionsrotors aus 1;
- 3 stellt einen Abschnitt des Rotors aus 1 dar, der einen Endring umfasst, der ein oder mehr Kanäle für Kühlfluid bereitstellt;
- 4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Induktionsrotors gemäß einem Aspekt eines Ausführungsbeispiels darstellt; und
- 5 stellt ein Beispiel einer Technik zum Befestigen von Endringen als Teil des Verfahrens aus 4 dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die 1-3 stellen eine Ausführungsform einer Rotoranordnung 10 („Rotor“) für eine elektrische Maschine dar. 1 ist eine perspektivische Ansicht des Rotors. Die 2 und 3 sind Querschnittsansichten in einer Ebene, die eine zentrale Drehachse A des Rotors schneidet und parallel zur Drehachse A ist.
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Der Rotor 10 ist ein Induktionsrotor, der eine zentrale Welle 12 umfasst, auf der ein Rotorkern 14 montiert ist. Der Rotorkern 14 umfasst eine Mehrzahl von Blechen 16, die in einer Axialrichtung (parallel zu der Drehachse A) gestapelt sind, und eine Mehrzahl von leitfähigen Stäben 24 (gezeigt in den 2 und 3), die sich axial durch die Bleche erstrecken. Die Rotorstäbe 24 sind elektrisch miteinander an den Enden des Rotorkerns 14 durch einen ersten Endring 18 und einen zweiten Endring 20 verbunden.
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Der Rotor 10 kann auf verschiedene Weisen gekühlt werden. Bei einer Ausführungsform ist der Rotor 10, wenn er in einer Motorbaugruppe installiert ist, mit einem Kühlsystem verbunden. Bei einer Ausführungsform spritzt das Kühlsystem ein Kühlfluid (z.B. Öl, Wasser, Luft etc.) in den Rotor 10 oder lässt es durch ihn zirkulieren. Beispielsweise ist das Kühlsystem ein ölgekühltes System, das Öl 22 über ein oder mehr Sprühdüsen 21 einspritzt (siehe 3 und 5).
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Die Endringe 18 und 20 sind ausgebildet, Konvektionskühlung zu ermöglichen, indem sie einen oder mehr Fluidkanäle innerhalb jedes Endrings aufrechterhalten. Die Fluidkanäle werden durch Spalte oder Zwischenräume zwischen aufbauenden Platten der Endringe 18 und 20 gebildet. Beispielsweise steht jeder Kanal in Fluidverbindung mit Öl 22 vom Rotor 10 und stellt einen Weg bereit, um das Öl 22 zwischen benachbarten Platten zirkulieren zu lassen. Die Kanäle sorgen für eine vergrößerte Oberfläche zum Kühlen im Vergleich mit herkömmlichen Endringen und/oder herkömmlichen Rotoren.
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Die leitfähigen Stäbe 24 erstrecken sich durch die Endringe 18 und 20 und sind an Platten in jedem Endring über Verschweißungen oder einen anderen Befestigungsmechanismus befestigt. Jede geeignete Befestigung, die eine mechanische und elektrische Verbindung bereitstellt, kann verwendet werden.
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Beispielsweise umfasst jeder Ring 18 und 20 eine Mehrzahl von Ringplatten, die axial zusammengestapelt sind. Die Platten können flache, ringförmige Platten sein, wobei jede eine Ringform und Öffnungen aufweist, um die leitfähigen Stäbe 24 aufzunehmen. Wie in den 2 und 3 gezeigt, umfasst der Endring 18 eine Mehrzahl von axial angeordneten Platten 28, und der Endring 20 umfasst eine Mehrzahl von axial angeordneten Platten 30.
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Im Endring 18 sind die Platten 28 axial durch Zwischenräume oder Spalte getrennt, die Fluidkanäle 32 bilden, die jeder mit dem Öl 22 von dem Rotorkern 14 in Fluidverbindung sind. Desgleichen sind die Platten 30 des Endrings 20 voneinander getrennt, um Fluidkanäle 34 zu bilden. Die Fluidkanäle 32 und 34 sorgen für eine vergrößerte Oberfläche für das Öl 22, um mit den Platten 28 und 30 in Kontakt zu kommen, und verbessern somit die Konvektionskühlung der Endringe 18 und 20 und des Kerns 14.
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Die Fluidkanäle 32 und 34 können jede gewünschte Breite aufweisen, die einer Trennung zwischen benachbarten Platten entspricht. Die Breite(n) werden beispielsweise basierend auf räumlichen Beschränkungen, den Dicken der Platten, dem Typ des Fluids und/oder anderen Überlegungen ausgewählt. Beispielsweise kann die Kanalbreite so ausgewählt werden, dass sie ein gewünschtes Verhältnis zwischen Plattendicke und Kanalbreitenplatte von ungefähr 2,5 mm und einem Spalt 0,5-1 mm aufweisen. Die Kanäle können alle die gleiche Breite oder unterschiedliche Breiten aufweisen.
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4 stellt Ausführungsformen eines Verfahrens 50 zur Herstellung eines Statorkörpers und/oder des Betreibens einer elektrischen Maschine, z.B. eines induktiven Elektromotors, dar. Das Verfahren 50 umfasst eine Anzahl von Schritten oder Stufen, die durch die Blöcke 51-57 repräsentiert werden. Das Verfahren 50 ist nicht durch die Anzahl oder Reihenfolge der Schritte darin beschränkt, da einige durch die Blöcke 51-57 repräsentierte Schritte in einer anderen Reihenfolge als der unten beschriebenen durchgeführt werden können, oder es können weniger als alle der Schritte durchgeführt werden.
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Bei Block 51 wird eine Rotorwelle hergestellt oder erhalten. Die Rotorwelle kann zur Verwendung als eine Antriebswelle für einen Fahrmotor oder Generator ausgebildet sein.
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Bei Block 52 wird ein Rotorkern, wie etwa ein Käfigrotorkern (squirrel cage rotor core) auf die Rotorwelle montiert. Der Rotorkern umfasst einen Stapel von Blechen und Leiterstäbe in einem Käfigaufbau (squirrel cage configuration) oder in einem anderem Aufbau.
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Bei Block 53 wird eine Mehrzahl von Endringplatten aus einem leitfähigen Material (z.B. Stahl, Kupfer oder Aluminium) gebildet. Die Endringplatten können unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens gebildet werden, wie etwa Stanzen, Bearbeiten (z.B. Bearbeitung durch computerisierte numerische Steuerung oder CNC, Wasserstrahl, etc.), Laserschneiden und andere. Jede Endringplatte kann als eine flache, ringförmige Platte ausgebildet werden, die Schlitze für die Leiterstäbe umfasst.
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Bei Block 54 werden die Endringplatten an den Leiterstäben montiert, um eine axiale Anordnung von Platten entlang der leitfähigen Stäbe zu bilden. Die Leiterstäbe sind aus einem leitfähigen Material gebildet, wie etwa aus Aluminium oder Kupfer. Für den Motor mit der höchsten Leistung sollten die leitfähigen Stäbe und Endringplatten aus einem Material mit niedrigem Widerstand gebildet werden, wie etwa aus Kupfer. Eine Beabstandungseinrichtung oder ein Beabstandungskörper wird zwischen jedes Paar benachbarter Endringplatten eingesetzt, um eine Trennung oder einen Spalt zwischen benachbarten Platten herzustellen. Bei einer Ausführungsform werden ein oder mehr Bearbeitungsabstandshalter oder andere Beabstandungseinrichtungen, die eine der gewünschten Breite von Fluidkanälen entsprechende Breite aufweisen, an verschiedenen Stellen eingesetzt, um einen gleichbleibenden Spalt zwischen der Gesamtheit jedes Paars von benachbarten Platten aufrechtzuerhalten.
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Bei Block 55 werden die Endringplatten an den Leiterstäben befestigt, um eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Platten und den Leiterstäben herzustellen. Die Endringplatten können unter Verwendung jeder gewünschten Befestigungstechnik befestigt werden, wie etwa Schweißen. Bei einer Ausführungsform wird jede Platte über zentrales Schweißen befestigt, bei dem eine Verschweißung (z.B. eine Laserverschweißung) in einem Inneren jeder Platte gebildet wird.
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Bei Block 56 werden die Beabstandungseinrichtung oder andere Einrichtungen entfernt, und die Verschweißung oder eine andere mechanische Befestigung hält die Trennung aufrecht. Die Trennung definiert einen oder mehr Fluidkanäle zwischen benachbarten Platten.
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Bei einer Ausführungsform werden die Blöcke 53-56 für einen ersten Endring an einem Ende des Rotorkerns durchgeführt und für einen zweiten Endring an einem gegenüberliegenden Ende des Kerns wiederholt.
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Bei Block 57 wird der Rotor mit einem Stator installiert, der Leiter-Wicklungen und andere geeignete Komponenten aufweist, um eine Induktionsmotorbaugruppe zu konstruieren. Die Induktionsmotorbaugruppe kann dann in einem Fahrzeug oder einem anderen System installiert werden und entsprechend betrieben werden. Während des Betriebs wird Kühlfluid, wie etwa Öl, im Rotor zirkulieren gelassen, um den Rotor zu kühlen. Das Kühlfluid fließt durch die Kanäle, die durch die Endringe definiert sind.
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5 zeigt ein Beispiel einer Befestigung zwischen den Platten und den leitfähigen Stäben. Die Befestigung umfasst eine zentrale Verschweißung 60, die in einem Inneren jeder Platte 28 ausgebildet ist. Die zentralen Verschweißungen 60 stellen eine mechanische und elektrische Verbindung mit den leitfähigen Stäben 24 bereit. Die zentralen Verschweißungen 60 erlauben es dem Endring 18, die Fluidkanäle 32 aufrechtzuerhalten und stellen mehr Oberfläche bereit, als unter Verwendung anderer Verfahren erreichbar wäre. Beispielsweise sind Endringplatten typischerweise zusammengestapelt und an den Fugen zwischen jeder Platte verschweißt. Die zentralen Verschweißungen 60 sorgen für einen Fluidkanalraum, der unter Verwendung eines solchen typischen Prozesses nicht erreichbar ist. Es wird angemerkt, dass hier beschriebene Ausführungsformen nicht auf zentrale Verschweißungen oder innere Verschweißungen beschränkt sind, da jeder geeignete Befestigungsmechanismus eingesetzt werden kann, der eine mechanische und elektrische Verbindung bereitstellt und Beabstandungen für Fluidkanäle aufrechterhält.
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Hier beschriebene Ausführungsformen zeigen einige Vorteile und technische Wirkungen auf. Beispielsweise sorgen die Fluidkanäle für eine vergrößerte Oberfläche, die mit einem Kühlfluid in Kontakt ist, wodurch sie eine Fähigkeit zum Wärmemanagement eines Rotorkühlsystems verbessern. Zudem erlauben die hier beschriebenen Herstellungsverfahren den Aufbau von Kühlkanälen durch die Verwendung von zentralen Verschweißungen oder anderen geeigneten Befestigungsmechanismen. Beispielsweise sorgen die hier beschriebenen Ausführungsformen für 3- bis 10-mal mehr Oberfläche der Endringe, die für eine Konvektionskühlung verfügbar ist, verglichen mit herkömmlichen oder aktuellen Rotoren.
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Die Begriffe „ungefähr“ und „im Wesentlichen“ sollen den Fehlergrad umfassen, der mit der Messung der bestimmten Größe einhergeht, basierend auf dem Equipment, das zum Zeitpunkt der Einreichung der Anmeldung verfügbar ist. Beispielsweise können „ungefähr“ und/oder „im Wesentlichen“ einen Bereich von ± 8% oder 5% oder 2% eines gegebenen Werts umfassen.
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Die hier verwendete Terminologie hat nur den Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht beschränken. So, wie sie hier verwendet werden, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ ebenfalls die Pluralformen umfassen, es sei denn, dass der Kontext deutlich etwas anderes anzeigt. Es versteht sich ebenfalls, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“, wenn sie in dieser Schrift verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Zahlen, Schritten, Betriebsvorgängen, Elementen und/oder Komponenten angeben, aber nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehr Merkmalen, Zahlen, Schritten, Betriebsvorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
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Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel oder Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente mit Elementen davon ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Ferner können viele Abwandlungen durchgeführt werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichen Umfang abzuweichen. Somit ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt wird, die als die Weise offenbart wird, die für die Ausführung dieser Erfindung als die beste betrachtet wird, sondern, dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Umfang der Ansprüche fallen.
