DE102023208992A1

DE102023208992A1 - Squirrel cage rotor for an electrical asynchronous machine, asynchronous machine with such a squirrel cage rotor and rail vehicle with a traction drive designed as such an asynchronous machine

Info

Publication number: DE102023208992A1
Application number: DE102023208992.0A
Authority: DE
Inventors: Josef Eberler
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2023-09-15
Filing date: 2023-09-15
Publication date: 2025-03-20
Also published as: WO2025056238A1; EP4690441A1; CN121844472A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Käfigrotor (7) für eine elektrische Asynchronmaschine (3) zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs (1). Er umfasst eine um eine Rotorachse (12) drehbare Rotorwelle (11), ein drehfest mit der Rotorwelle (11) verbundenes Rotorblechpaket (14) mit mehreren axial verlaufende Rotornuten (15), und einen Kurzschlusskäfig (17) mit in den Rotornuten (15) angeordneten Kurzschlussstäben (18). Erfindungsgemäß weist ein Stabquerschnitt (Q) eines Kurzschlussstabes (18) einen rechteckförmigen Außenbereich (QA) und einen sich daran anschließenden trapezförmigen Innenbereich (QI) auf. Dabei liegt der Innenbereich (QI) radial näher an der Rotorachse (12) als der Außenbereich (QA) und verjüngt sich in radialer Richtung hin zur Rotorachse (12). Hierdurch wird ein Käfigrotor (7) sowohl hinsichtlich seiner elektromagnetischen Eigenschaften als auch seiner mechanischen Festigkeitseigenschaften optimiert.

The invention relates to a cage rotor (7) for an electric asynchronous machine (3) for driving a rail vehicle (1). It comprises a rotor shaft (11) rotatable about a rotor axis (12), a rotor core (14) connected to the rotor shaft (11) in a rotationally fixed manner and having a plurality of axially extending rotor slots (15), and a squirrel cage (17) with squirrel bars (18) arranged in the rotor slots (15). According to the invention, a bar cross-section (Q) of a squirrel bar (18) has a rectangular outer region (QA) and an adjoining trapezoidal inner region (QI). The inner region (QI) is radially closer to the rotor axis (12) than the outer region (QA) and tapers in the radial direction towards the rotor axis (12). As a result, a cage rotor (7) is optimized with regard to both its electromagnetic properties and its mechanical strength properties.

Description

Die Erfindung betrifft einen Käfigrotor für eine elektrische Asynchronmaschine zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a cage rotor for an electric asynchronous machine for driving a rail vehicle according to the preamble of patent claim 1.

Ein Käfigrotor oder Käfigläufer bildet zusammen mit einem Stator oder Ständer die Aktivanordnung einer elektrischen Asynchronmaschine, die zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs vorgesehen sein kann. Ein gattungsgemäßer Käfigrotor umfasst eine Rotorwelle, die um eine Rotorachse drehbar ist. Ferner umfasst der Käfigrotor ein drehfest mit der Rotorwelle verbundenes Rotorblechpaket. Das Rotorblechpaket kann einen Stapel axial aneinander geschichteter, magnetisierbarer Rotorbleche aufweisen. Das Rotorblechpaket umfasst mehrere axial verlaufende Rotornuten, die das beispielsweise zylindrische Rotorblechpaket nahe seiner äußeren Mantelfläche durchsetzen. Die Rotornuten können bezüglich einer Umfangsrichtung um die Rotorachse in gleichmäßigen Abständen über das Rotorblechpaket verteilt angeordnet sein. Der Käfigrotor umfasst außerdem einen Kurzschlusskäfig mit in den Rotornuten angeordneten Kurzschlussstäben. Die Kurzschlussstäbe enden zu beiden Seiten des Rotorblechpakets an je einem Kurzschlussring des Kurzschlusskäfigs, an welchen sie elektrisch leitend befestigt sind.A cage rotor or squirrel cage rotor, together with a stator or stator, forms the active assembly of an asynchronous electrical machine, which can be used to drive a rail vehicle. A cage rotor of this type comprises a rotor shaft that can rotate about a rotor axis. The cage rotor further comprises a rotor lamination stack that is connected in a rotationally fixed manner to the rotor shaft. The rotor lamination stack can have a stack of axially stacked, magnetizable rotor laminations. The rotor lamination stack comprises a plurality of axially extending rotor slots that penetrate the, for example, cylindrical rotor lamination stack near its outer surface. The rotor slots can be distributed at equal intervals around the rotor lamination stack in a circumferential direction around the rotor axis. The cage rotor also comprises a squirrel cage with short-circuit bars arranged in the rotor slots. The short-circuit bars terminate on both sides of the rotor lamination stack at a short-circuit ring of the squirrel cage, to which they are electrically conductively attached.

Solche Käfigläufer unterscheiden sich in Abhängigkeit der an die elektrische Asynchronmaschine gestellten Anforderungen unter anderem durch den Stabquerschnitt der Kurzschlussstäbe. Aus der Offenlegungsschrift DE 35 39 543 A1 sind beispielsweise Läuferstäbe mit rechteckiger, L-förmiger und trapezförmiger Querschnittsform bekannt. Dort wird vorgeschlagen, die Läuferstäbe entlang ihrer Oberkante im Abstand in Längsrichtung der Stäbe im Bereich des Läuferpakets mit sich quer zur Längsausdehnung des Stabes erstreckenden Ausnehmungen zu versehen, um Strompfade entlang der Oberkante zu einem wellenartigen Verlauf zu zwingen und damit die wirksame Länge der Strompfade gegenüber derjenigen bei konstantem Querschnitt zu verlängern. Diese Verlängerung ergibt eine zusätzliche Erhöhung des Widerstandes und der Induktivität durch Stromverdrängung.Such squirrel cage rotors differ depending on the requirements placed on the electrical asynchronous machine, among other things, by the bar cross-section of the short-circuit bars. From the published application DE 35 39 543 A1 For example, rotor bars with rectangular, L-shaped, and trapezoidal cross-sections are known. There, it is proposed to provide the rotor bars along their upper edge, at intervals along the longitudinal direction of the bars, with recesses extending transversely to the longitudinal extent of the bar in the area of the rotor core. This is to force current paths along the upper edge into a wave-like course and thus extend the effective length of the current paths compared to that with a constant cross-section. This extension results in an additional increase in resistance and inductance due to current displacement.

Die europäische Veröffentlichung EP 3 598 618 A1 zeigt eine dynamoelektrische rotatorische Maschine. Diese umfasst einen Stator, der ein zwischen Zähnen eines magnetischen leitfähigen Körpers befindlichen Nuten angeordnetes Wicklungssystem aufweist, das an den Stirnseiten des Stators jeweils einen Wickelkopf aufweist. Die Maschine umfasst außerdem einen Rotor mit einem Kurzschlusskäfig, der um eine Achse drehbar angeordnet ist und im Betrieb der dynamoelektrischen rotatorischen Maschine über einen Luftspalt mit dem in den Nuten angeordneten Wicklungssystem des Stators motorisch oder generatorisch in elektromagnetischer Wechselwirkung steht. Der Rotor weist Leiterstäbe auf, die in geschlossenen oder auch halb offenen Rotornuten zu dem Luftspalt der Maschine weisen. Die Leiterstäbe weisen eine rechteckige Querschnittsform auf.The European release EP 3 598 618 A1 shows a dynamoelectric rotary machine. This comprises a stator with a winding system arranged between the teeth of a magnetic conductive body in slots, each winding system having a winding head on each end face of the stator. The machine also comprises a rotor with a squirrel cage that is rotatable about an axis and, during operation of the dynamoelectric rotary machine, interacts electromagnetically, either in a motor-like or generator-like manner, with the stator winding system arranged in the slots via an air gap. The rotor has conductor bars that point toward the air gap of the machine in closed or half-open rotor slots. The conductor bars have a rectangular cross-sectional shape.

Solche rechteckförmigen Kurzschlussstäbe führen zu dem Nachteil, dass die zwischen den Rotornuten verlaufenden Rotorzähne des Rotorblechpakets eine Trapezform mit geringerer Breite im Bereich der Zahnfüße aufweisen. Damit geht einerseits eine geringere Festigkeit einher, die zu Brüchen oder sogar zum Verlust eines Rotorzahns führen kann, was wiederum Schäden an der Statorwicklung oder gar einen Ausfall der Maschine zur Folge haben kann. Andererseits bedingt die Trapezform der Rotorzähne einen magnetisch eingeschnürten Rotorzahn, der weniger Querschnitt für den Stromfluss bietet.Such rectangular shorting bars have the disadvantage that the rotor teeth of the rotor core running between the rotor slots are trapezoidal in shape with a narrower width in the area of the tooth roots. This results in reduced strength, which can lead to breakage or even the loss of a rotor tooth, which in turn can cause damage to the stator winding or even failure of the machine. On the other hand, the trapezoidal shape of the rotor teeth results in a magnetically constricted rotor tooth, which offers less cross-section for current flow.

Diese Nachteile überwindet ein aus der internationalen Veröffentlichung WO 2014/067756 A1 bekannter Käfigläufer für eine elektrische Maschine, welcher ein Läuferblechpaket mit einer Nut, einen an einem axialen Ende des Läuferblechpakets angegossenen Kurzschlussring und einen Stab, der in der Nut angeordnet ist, aufweist. Der Stab ist durch eine deformierbare Lagerung in der Nut gelagert und weist einen keil- oder trapezförmigen Querschnitt auf. Durch die Keilform der Stäbe erreicht man Läuferzähne mit parallelen Zahnflanken, die eine höhere Festigkeit im Bereich der Zahnfüße und einen großen Zahnquerschnitt für den Stromfluss bieten.These disadvantages are overcome by a WO 2014/067756 A1 A well-known squirrel-cage rotor for an electrical machine, comprising a rotor core with a slot, a short-circuit ring cast onto one axial end of the rotor core, and a bar arranged in the slot. The bar is supported in the slot by a deformable bearing and has a wedge- or trapezoidal cross-section. The wedge shape of the bars results in rotor teeth with parallel tooth flanks, which provide greater strength in the area of the tooth roots and a large tooth cross-section for current flow.

Allerdings weisen Kurzschlussstäbe mit trapezförmigem Stabquerschnitt eine geringere Betriebsfestigkeit bei sehr hohen Belastungen, wie sie typischerweise bei Traktionsantrieben, insbesondere bei Tatzlagerantrieben, auftreten. Die in Umfangsrichtung in den Käfigrotor eingeprägten Schwingungen erzeugen durch die Biegebelastung eines Kurzschlussstabes an seiner breiten Stelle des trapezförmigen Querschnitts die höchsten mechanischen Spannungen. Diese Spannungsspitzen sind oftmals Ausgangspunkt für Stabbrüche. Zwischen Kurzschlussring und Rotorblechpaket auftretende Wärmespiele und daraus resultierende radiale Kräfte können den Sitz eines Kurzschlusstabes in seiner Rotornut lockern. Das dadurch auf Dauer entstehende mechanische Spiel zwischen Kurzschlussstab und Rotorblechpaket kann zu Vibrationen, dadurch erzeugten Resonanzen und schließlich zu Schäden an der Maschine führen.However, squirrel cage bars with a trapezoidal cross-section exhibit lower fatigue strength under very high loads, such as those typically encountered in traction drives, particularly traction bearing drives. The vibrations imparted to the cage rotor in the circumferential direction generate the highest mechanical stresses due to the bending load on a squirrel cage bar at its widest point of the trapezoidal cross-section. These stress peaks are often the starting point for bar fractures. Thermal play occurring between the squirrel cage ring and the rotor lamination stack and the resulting radial forces can loosen the seat of a squirrel cage bar in its rotor slot. The resulting mechanical play between the squirrel cage and the rotor lamination stack over time can lead to vibrations, resulting resonances, and ultimately to damage to the machine.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Käfigrotor der eingangs genannten Art bereitzustellen, der sowohl hinsichtlich seiner elektromagnetischen Eigenschaften als auch seiner mechanischen Festigkeitseigenschaften optimiert ist.The invention is therefore based on the object of providing a cage rotor of the type mentioned at the outset which, both in terms of its electromagnetic properties as well as its mechanical strength properties.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch einen gattungsgemäßen Käfigrotor mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.The object is achieved according to the invention by a cage rotor of the generic type having the features specified in the characterizing part of patent claim 1.

Erfindungsgemäß weist ein Stabquerschnitt eines Kurzschlussstabes einen rechteckförmigen Außenbereich und einen sich daran anschließenden trapezförmigen Innenbereich auf. Dabei liegt der Innenbereich radial näher an der Rotorachse als der Außenbereich. Der trapezförmige Innenbereich verjüngt sich dabei in radialer Richtung zur Rotorachse hin. Durch die ineinander übergehende Zusammensetzung des Stabquerschnittes aus einem äußeren Rechteck und einem inneren Trapez, welches sich zur Rotorachse hin keilförmig verjüngt, kann ein elektromagnetisch und festigkeitsbezogen optimierter Kurzschlussstab gestaltet werden. Die zwischen den Innenbereichen benachbarter Kurzschlussstäbe angeordneten Rotorzähne können dadurch parallelflankig und breit ausgebildet werden, was eine Übermagnetisierung des Rotorblechpakets verhindert. Es steht außerdem ein optimal großer Zahnquerschnitt mit breiten Zahnfüßen zur Verfügung, was die Rotorzähne unempfindlich bezüglich tangentialer Schwingungen macht. Im Außenbereich kann der Kurzschlussstab relativ breit ausgeführt werden, um einen großen Querschnitt für den Stromfluss sowie seine mechanische Festigkeit bereitzustellen. Gleichzeitig werden durch die rechteckige Ausführung des Kurzschlussstabes im Außenbereich die in einem Trapezstab auftretenden Spannungsspitzen vermieden. Die rechteckige Ausführung verhindert außerdem das Lockern des Kurzschlusstabes aufgrund von radialen Kräften und Mikrobewegungen, da die Keilwirkung hier nicht auftritt.According to the invention, a bar cross-section of a short-circuit bar has a rectangular outer region and an adjoining trapezoidal inner region. The inner region is radially closer to the rotor axis than the outer region. The trapezoidal inner region tapers radially towards the rotor axis. The merging composition of the bar cross-section from an outer rectangle and an inner trapezoid, which tapers in a wedge shape towards the rotor axis, makes it possible to design a short-circuit bar that is optimized both electromagnetically and in terms of strength. The rotor teeth arranged between the inner regions of adjacent short-circuit bars can thus be designed with parallel flanks and are wide, which prevents overmagnetization of the rotor laminated core. Furthermore, an optimally large tooth cross-section with wide tooth roots is available, which makes the rotor teeth insensitive to tangential vibrations. The outer region of the short-circuit bar can be designed relatively wide in order to provide a large cross-section for the current flow and its mechanical strength. At the same time, the rectangular design of the short-circuit bar in the outer area prevents the stress peaks that occur in a trapezoidal bar. The rectangular design also prevents the short-circuit bar from loosening due to radial forces and micro-movements, as the wedge effect does not occur here.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Käfigrotors ist ein Nutquerschnitt einer Rotornut kongruent zu einem Stabquerschnitt ausgebildet, wobei die Kurzschlussstäbe durch Verstemmen spielfrei in die Rotornut eingeführt sind. Der durch deckungsgleiche Querschnitte von Kurzschlussstab und Rotornut erzielte Formschluss führt zu einem festen Sitz der Kurzschlussstäbe im Rotorblechpaket. Das Verstemmen der Kurzschlussstäbe kann durch ein entsprechendes Werkzeug erfolgen.In an advantageous embodiment of the cage rotor according to the invention, the cross-section of a rotor slot is congruent with the cross-section of a bar, with the short-circuit bars being inserted into the rotor slot without play by caulking. The positive fit achieved by the congruent cross-sections of the short-circuit bar and the rotor slot leads to a tight fit of the short-circuit bars in the rotor core. The caulking of the short-circuit bars can be performed using an appropriate tool.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Käfigrotors weist das Rotorblechpaket axial verlaufende Schlitze auf, welche sich radial von einer äußeren Umfangsseite des Rotorblechpakets bis zu den Rotornuten erstrecken. Die axialen Schlitze der offenen Rotornuten bilden Streuschlitze. Deren Querschnitt kann rechteckförmig ausgebildet sein und eine Breite von etwa einem Drittel einer Breitenausdehnung der Rotornut aufweisen.In a further advantageous embodiment of the cage rotor according to the invention, the rotor core has axially extending slots that extend radially from an outer circumferential side of the rotor core to the rotor slots. The axial slots of the open rotor slots form scattering slots. Their cross-section can be rectangular and have a width of approximately one-third of the width of the rotor slot.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Käfigrotors beträgt ein Verhältnis aus einer sich radial erstreckenden Längenausdehnung des Außenbereichs zu einer sich senkrecht zur Längenausdehnung erstreckenden Breitenausdehnung des Außenbereichs zwischen 3,0 und 3,4, vorzugsweise 3,2. Der Außenbereich des Stabquerschnittes bildet ein in radialer Richtung hochkant stehendes Rechteck, welches mehr als dreimal so lang wie breit ist. Die konkreten Abmessungen hängen von einem Außendurchmesser des Rotorblechpakets ab. Die Kurzschlussstäbe haben so einen für die erforderliche Festigkeit ausreichend großen Stabquerschnitt. Gleichzeitig weisen die Rotorzähne an ihrer schmalsten Stelle eine Zahnbreite auf, die 4/3 der Breitenausdehnung des Außenbereichs des Stabquerschnittes beträgt. Somit kann auch der Zahnquerschnitt ausreichend groß gestaltet werden.In a further advantageous embodiment of the cage rotor according to the invention, the ratio of a radially extending length of the outer region to a width of the outer region extending perpendicular to the length is between 3.0 and 3.4, preferably 3.2. The outer region of the bar cross-section forms a rectangle standing upright in the radial direction, which is more than three times as long as it is wide. The specific dimensions depend on the outer diameter of the rotor laminated core. The squirrel bars thus have a bar cross-section sufficiently large for the required strength. At the same time, the rotor teeth have a tooth width at their narrowest point that is 4/3 of the width of the outer region of the bar cross-section. This also allows the tooth cross-section to be designed to be sufficiently large.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Käfigrotors beträgt ein Verhältnis aus der Längenausdehnung des Außenbereichs zu einer sich radial erstreckenden Höhenausdehnung des Innenbereichs zwischen 2,2 und 2,6, vorzugsweise 2,4. Das heißt, dass die Höhe des trapezförmigen Innenbereichs nur etwa 30% der gesamten Stabhöhe in radialer Richtung gesehen beträgt. Der sich verjüngende Innenbereich schmälert den Stabquerschnitt damit nur unwesentlich, so dass die Festigkeit dadurch nicht beeinträchtigt wird.In a further advantageous embodiment of the cage rotor according to the invention, the ratio of the longitudinal extension of the outer region to the radially extending height of the inner region is between 2.2 and 2.6, preferably 2.4. This means that the height of the trapezoidal inner region is only approximately 30% of the total rod height in the radial direction. The tapered inner region thus only insignificantly reduces the rod cross-section, so that the strength is not compromised.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Käfigrotors weist der Innenbereich eine sich senkrecht zur Höhenausdehnung erstreckende Basisausdehnung an einem Übergang zum Außenbereich und eine sich senkrecht zur Höhenausdehnung erstreckende Grundausdehnung an einem radial innen liegenden Nutgrund einer Rotornut auf. Dabei stimmt die Basisausdehnung des Innenbereichs mit der Breitenausdehnung des Außenbereichs überein. Ein Verhältnis der Grundausdehnung zur Basisausdehnung beträgt zwischen 0,8 und 0,9, vorzugsweise 0,87. Das Verhältnis der Grundausdehnung zur Basisausdehnung ist so gewählt, dass die beiden Trapezschenkel des Innenbereichs einen Verjüngungswinkel einschließen, der zu einer Parallelität von Trapezschenkeln benachbarter Kurzschlussstäbe führt. Der Verjüngungswinkel kann beispielsweise 4,8° betragen. Dies bedeutet wiederum, dass die Zahnflanken der Rotorzähne in Richtung Nutgrund der Rotornut sich nicht verjüngen und damit ebenfalls einen ausreichend großen Zahnquerschnitt aufweisen.In a further advantageous embodiment of the cage rotor according to the invention, the inner region has a base extension extending perpendicular to the vertical extent at a transition to the outer region and a base extension extending perpendicular to the vertical extent at a radially inner groove base of a rotor groove. The base extension of the inner region corresponds to the width extension of the outer region. The ratio of the base extension to the base extension is between 0.8 and 0.9, preferably 0.87. The ratio of the base extension to the base extension is selected such that the two trapezoidal legs of the inner region enclose a taper angle that leads to parallelism of the trapezoidal legs of adjacent squirrel cages. The taper angle can be 4.8°, for example. This in turn means that the tooth flanks of the rotor teeth do not taper towards the groove base of the rotor groove and thus also have a sufficiently large tooth cross-section.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Käfigrotors weisen die Kurzschlussstäbe an Außenecken des Querschnittes Rundungen auf, wobei ein Verhältnis eines Radius der Rundungen zur Breitenausdehnung des Außenreichs zwischen 0,18 und 0,19 beträgt. Die Rundungen an den Außenecken erleichtern das Verstemmen der Kurzschlussstäbe in die Rotornuten. Des Weiteren vermindern die Rundungen die Kerbwirkung im Bereich der Außenecken des Rotorblechpakets bei mechanischen Belastungen.In a further advantageous embodiment of the cage rotor according to the invention, the short-circuit bars have curves at the outer corners of the cross-section, with the ratio of the radius of the curves to the width of the outer area being between 0.18 and 0.19. The curves at the outer corners facilitate the caulking of the short-circuit bars into the rotor slots. Furthermore, the curves reduce the notch effect in the area of the outer corners of the rotor core under mechanical loads.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Käfigrotors bestehen die Kurzschlussstäbe aus Kupfer. Die Kurzschlussstäbe sind aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gefertigt, vorzugsweise aus Kupfer.In a further advantageous embodiment of the cage rotor according to the invention, the short-circuit bars are made of copper. The short-circuit bars are made of a material with high electrical conductivity, preferably copper.

Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Asynchronmaschine zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs. Die Maschine umfasst ein Maschinengehäuse, einen hohlzylindrischen Stator mit einem Statorblechpaket und mit einer Statorwicklung. Der Stator ist in dem Maschinengehäuse drehfest zu diesem eingesetzt. Die Asynchronmaschine umfasst erfindungsgemäß einen Käfigrotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dessen Rotorwelle im Maschinengehäuse drehbar gelagert ist und dessen Rotorblechpaket innerhalb des Statorblechpakets unter Bildung eines radialen Luftspaltes drehbar angeordnet ist. Die Asynchronmaschine kann elektromagnetisch optimaler ausgeführt werden, bei gleichzeitiger mechanischer Robustheit. Dies wirkt sich auch in Effizienz und Baugröße der Maschine positiv aus.The invention further relates to an electric asynchronous machine for driving a rail vehicle. The machine comprises a machine housing, a hollow cylindrical stator with a stator core and a stator winding. The stator is mounted in the machine housing in a rotationally fixed manner thereto. According to the invention, the asynchronous machine comprises a cage rotor according to one of the preceding claims, the rotor shaft of which is rotatably mounted in the machine housing and the rotor core is rotatably arranged within the stator core, forming a radial air gap. The asynchronous machine can be designed to be more electromagnetically optimized while maintaining mechanical robustness. This also has a positive effect on the efficiency and size of the machine.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Schienenfahrzeug mit einem Traktionsantrieb, der als elektrische Asynchronmaschine nach dem vorangehenden Anspruch ausgebildet ist. Bei Schienenfahrzeugen, wie Straßenbahnen, Metros, Triebzügen für den Regional- und Hochgeschwindigkeitsverkehr sowie dieselelektrischen und Hochleistungslokomotiven, können erfindungsgemäße elektrische Asynchronmaschinen als Traktionsantrieb zum Einsatz kommen. Die Robustheit und Effizienz bei kleiner Baugröße ermöglicht eine einfachere Integration des Traktionsantriebs im Drehgestellbereich des Schienenfahrzeugs, wo in der Regel nur sehr beengter Bauraum zur Verfügung steht.The invention also relates to a rail vehicle with a traction drive configured as an electric asynchronous motor according to the preceding claim. Electric asynchronous motors according to the invention can be used as traction drives in rail vehicles such as trams, metros, multiple units for regional and high-speed rail service, as well as diesel-electric and high-performance locomotives. Their robustness and efficiency combined with their compact size enable easier integration of the traction drive in the bogie area of the rail vehicle, where space is typically very limited.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen, in deren

1 ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug in Seitenansicht,
2 einen axialer Längsschnitt durch einen als erfindungsgemäße elektrische Asynchronmaschine ausgebildeten Traktionsantrieb des Schienenfahrzeugs aus 1 und
3 einen axialen Teilquerschnitt durch einen erfindungsgemäßen Käfigrotor der elektrischen Asynchronmaschine aus 2

schematisch veranschaulicht sind.Further advantages and features of the invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the drawings, in which

1 a rail vehicle according to the invention in side view,
2 an axial longitudinal section through a traction drive of the rail vehicle designed as an electric asynchronous machine according to the invention 1 and
3 an axial partial cross-section through a cage rotor according to the invention of the electrical asynchronous machine from 2

are illustrated schematically.

Gemäß 1 weist ein beispielsweise als Lokomotive ausgebildetes Schienenfahrzeug 1 in Drehgestellen 2 integrierte elektrische Asynchronmaschinen 3 als Traktionsantrieb zum Antreiben von Radsätzen 4 auf.According to 1 A rail vehicle 1, designed for example as a locomotive, has electric asynchronous machines 3 integrated in bogies 2 as traction drive for driving wheel sets 4.

Eine solche elektrische Asynchronmaschine 3 umfasst gemäß 2 ein Maschinengehäuse 5, in dem ein Stator 6 und ein erfindungsgemäßer Käfigrotor 7 angeordnet sind. Der Stator 6 weist ein hohlzylindrisches Statorblechpaket 8 auf, welches mit dem Maschinengehäuse 5 drehfest verbunden ist. Der Stator 6 weist ferner eine in Statornuten verlaufende und an gegenüberliegenden Stirnseiten des Statorblechpakets 8 Wickelköpfe 9 ausbildende Statorwicklung 10. Der Käfigrotor 7 umfasst eine Rotorwelle 11, die um eine Rotorachse 12 drehbar im Maschinengehäuse 5 über Wälzlager 12 gelagert ist. Ferner umfasst der Käfigrotor 7 ein drehfest mit der Rotorwelle 11 verbundenes Rotorblechpaket 14. Das Rotorblechpaket 14 kann einen Stapel axial aneinander geschichteter, magnetisierbarer Rotorbleche aufweisen.Such an electrical asynchronous machine 3 comprises according to 2 a machine housing 5 in which a stator 6 and a cage rotor 7 according to the invention are arranged. The stator 6 has a hollow cylindrical stator laminated core 8, which is connected in a rotationally fixed manner to the machine housing 5. The stator 6 further has a stator winding 10 running in stator slots and forming winding heads 9 on opposite end faces of the stator laminated core 8. The cage rotor 7 comprises a rotor shaft 11, which is mounted in the machine housing 5 via rolling bearings 12 for rotation about a rotor axis 12. Furthermore, the cage rotor 7 comprises a rotor laminated core 14, which is connected in a rotationally fixed manner to the rotor shaft 11. The rotor laminated core 14 can comprise a stack of axially stacked, magnetizable rotor laminations.

Unter Bezugnahme auch auf 3 umfasst das Rotorblechpaket 14 mehrere axial verlaufende Rotornuten 15, die das beispielsweise zylindrische Rotorblechpaket 14 nahe seiner äußeren Mantelfläche 16 durchsetzen. Die Rotornuten 15 können bezüglich einer Umfangsrichtung um die Rotorachse 12 in gleichmäßigen Abständen über das Rotorblechpaket 14 verteilt angeordnet sein. Der Käfigrotor 7 umfasst außerdem einen Kurzschlusskäfig 17 mit in den Rotornuten 15 angeordneten Kurzschlussstäben 18, die vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen guten elektrischen Leitermaterial bestehen. Die Kurzschlussstäbe 18 enden stirnseitig zu beiden Seiten des Rotorblechpakets 14 an je einem Kurzschlussring 19 des Kurzschlusskäfigs 17, an welchen sie elektrisch leitend befestigt sind. Das Rotorblechpaket 14 des Käfigrotors 7 ist innerhalb des Statorblechpakets 8 unter Bildung eines radialen Luftspaltes 20 drehbar angeordnet ist. Die Wirkungsweise der elektrischen Asynchronmaschine 3, den Käfigrotor 7 durch elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Stator 6 in Drehbewegung zu versetzen, ist hinlänglich bekannt und wird daher nicht im Einzelnen beschrieben. Außerdem sind zahlreiche Details, wie beispielsweise Kühleinrichtungen, in 2 der Einfachheit halber nicht dargestellt.With reference also to 3 The rotor laminated core 14 comprises a plurality of axially extending rotor slots 15 which pass through the, for example, cylindrical rotor laminated core 14 near its outer surface 16. The rotor slots 15 can be arranged at equal intervals over the rotor laminated core 14 with respect to a circumferential direction around the rotor axis 12. The cage rotor 7 also comprises a squirrel cage 17 with short-circuit bars 18 arranged in the rotor slots 15, which short-circuit bars are preferably made of copper or another good electrical conductor material. The short-circuit bars 18 end on both sides of the rotor laminated core 14 at a short-circuit ring 19 of the squirrel cage 17, to which they are electrically conductively attached. The rotor laminated core 14 of the cage rotor 7 is arranged such that it can rotate within the stator laminated core 8, forming a radial air gap 20. The operation of the electric asynchronous machine 3, which sets the cage rotor 7 in rotation through electromagnetic interaction with the stator 6, is well known and will therefore not be described in detail. Furthermore, numerous details, such as cooling devices, are described in 2 not shown for simplicity.

Der Teilschnitt durch das Rotorblechpaket 14 zeigt gemäß 3 drei Rotornuten 15, wobei in den beiden äußeren Rotornuten 15 jeweils ein Kurzschlussstab 18 eingesetzt ist, während ein solcher in der mittleren Rotornut 15 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen wurde. Ein Stabquerschnitt Q eines Kurzschlussstabes 18 nach der Erfindung weist einen rechteckförmigen Außenbereich QA und einen sich daran anschließenden trapezförmigen Innenbereich QI auf. Dabei liegt der Innenbereich QI radial näher an der Rotorachse 12 als der Außenbereich QA. Der trapezförmige Innenbereich QI verjüngt sich dabei in radialer Richtung zur Rotorachse 12 hin. Durch die ineinander übergehende Zusammensetzung des Stabquerschnittes Q aus einem äußeren Rechteck QA und einem inneren Trapez QI, welches sich zur Rotorachse 12 hin keilförmig verjüngt, kann ein elektromagnetisch und festigkeitsbezogen optimierter Kurzschlussstab 18 gestaltet werden. Die zwischen den Innenbereichen QI benachbarter Kurzschlussstäbe 18 angeordneten Rotorzähne 21 können dadurch parallelflankig und breit ausgebildet werden, was eine Übermagnetisierung des Rotorblechpakets 14 verhindert. Es steht außerdem ein optimal großer Zahnquerschnitt mit breiten Zahnfüßen 22 zur Verfügung, was die Rotorzähne 21 unempfindlich bezüglich tangentialer Schwingungen macht. Im Außenbereich QA kann der Kurzschlussstab 18 relativ breit ausgeführt werden, um einen großen Querschnitt für den Stromfluss sowie seine mechanische Festigkeit bereitzustellen. Gleichzeitig werden durch die rechteckige Ausführung des Kurzschlussstabes 18 im Außenbereich QA die in einem Trapezstab auftretenden Spannungsspitzen vermieden. Die rechteckige Querschnittsausführung verhindert außerdem das Lockern des Kurzschlusstabes 18 aufgrund von radialen Kräften und Mikrobewegungen, da die Keilwirkung hier nicht auftritt.The partial section through the rotor core 14 shows 3 three rotor slots 15, with a short-circuit bar 18 inserted in each of the two outer rotor slots 15, while one such bar has been omitted from the middle rotor slot 15 for reasons of clarity. A bar cross-section Q of a short-circuit bar 18 according to the invention has a rectangular outer region QA and an adjoining trapezoidal inner region QI. The inner region QI is radially closer to the rotor axis 12 than the outer region QA. The trapezoidal inner region QI tapers in the radial direction towards the rotor axis 12. By merging the composition of the bar cross-section Q from an outer rectangle QA and an inner trapezoid QI, which tapers in a wedge shape towards the rotor axis 12, a short-circuit bar 18 can be designed that is optimized in terms of electromagnetics and strength. The rotor teeth 21 arranged between the inner regions QI of adjacent short-circuit bars 18 can thus be designed with parallel flanks and wide, which prevents overmagnetization of the rotor core 14. Furthermore, an optimally large tooth cross-section with wide tooth roots 22 is available, which makes the rotor teeth 21 insensitive to tangential vibrations. In the outer region QA, the short-circuit bar 18 can be designed relatively wide in order to provide a large cross-section for the current flow as well as its mechanical strength. At the same time, the rectangular design of the short-circuit bar 18 in the outer region QA avoids the voltage peaks that occur in a trapezoidal bar. The rectangular cross-section design also prevents the short-circuit bar 18 from loosening due to radial forces and micro-movements, since the wedge effect does not occur here.

Gemäß 3 ist ein Nutquerschnitt einer Rotornut 15 kongruent zu einem Stabquerschnitt Q ausgebildet, wobei die Kurzschlussstäbe 18 durch Verstemmen spielfrei in die Rotornut 15 eingeführt sind. Der durch deckungsgleiche Querschnitte von Kurzschlussstab 18 und Rotornut 15 erzielte Formschluss führt zu einem festen Sitz der Kurzschlussstäbe 18 im Rotorblechpaket 14. Das Rotorblechpaket 14 weist axial verlaufende Schlitze 23 auf, welche sich radial von der äußeren Mantelfläche 16 des Rotorblechpakets 14 bis zu den Rotornuten 15 erstrecken. Die Streuschlitze 23 bilden offene Rotornuten 15. Ein Querschnitt der Schlitze 23 kann rechteckförmig ausgebildet sein und eine Schlitzbreite B23 von etwa einem Drittel einer Breitenausdehnung B15 der Rotornut 15 aufweisen. Ein Verhältnis aus einer sich radial erstreckenden Längenausdehnung L des Außenbereichs QA zu einer sich senkrecht zur Längenausdehnung L erstreckenden Breitenausdehnung B des Außenbereichs QA beträgt zwischen 3,0 und 3,4, vorzugsweise 3,2. Der Außenbereich QA des Stabquerschnittes Q bildet ein in radialer Richtung hochkant stehendes Rechteck, welches mehr als dreimal so lang wie breit ist. Die konkreten Abmessungen hängen von einem Außendurchmesser des Rotorblechpakets 14 ab. Die Kurzschlussstäbe 18 haben so einen für die erforderliche Festigkeit ausreichend großen Stabquerschnitt Q. Gleichzeitig weisen die Rotorzähne 21 an ihrer schmalsten Stelle eine Zahnbreite B21 auf, die 4/3 der Breitenausdehnung B des Außenbereichs QA des Stabquerschnittes Q beträgt. Somit kann auch der Zahnquerschnitt ausreichend groß gestaltet werden. Ein Verhältnis aus der Längenausdehnung L des Außenbereichs QA zu einer sich radial erstreckenden Höhenausdehnung h des Innenbereichs beträgt zwischen 2,2 und 2,6, vorzugsweise 2,4. Das heißt, dass die Höhe h des trapezförmigen Innenbereichs QI nur etwa 30% der gesamten Stabhöhe H in radialer Richtung gesehen beträgt. Der sich verjüngende Innenbereich QI schmälert den Stabquerschnitt Q damit nur unwesentlich, so dass die Festigkeit dadurch nicht beeinträchtigt wird. Der Innenbereich QI weist eine sich senkrecht zur Höhenausdehnung h erstreckende Basisausdehnung b an einem Übergang 24 zum Außenbereich QA (in 3 durch eine Strichpunktlinie angedeutet ) und eine sich senkrecht zur Höhenausdehnung h erstreckende Grundausdehnung g an einem radial innen liegenden Nutgrund 25 einer Rotornut 15 auf. Dabei stimmt die Basisausdehnung b des Innenbereichs QI mit der Breitenausdehnung B des Außenbereichs QA überein. Ein Verhältnis der Grundausdehnung g zur Basisausdehnung b beträgt zwischen 0,8 und 0,9, vorzugsweise 0,87. Das Verhältnis der Grundausdehnung g zur Basisausdehnung b ist so gewählt, dass die beiden Trapezschenkel 26 des Innenbereichs QI einen Verjüngungswinkel α einschließen, der zu einer Parallelität von Trapezschenkeln 26 benachbarter Kurzschlussstäbe 18 führt. Der Verjüngungswinkel α kann beispielsweise 4,8° betragen. Dies bedeutet wiederum, dass die Zahnflanken 27 der Rotorzähne 21 in Richtung Nutgrund 25 der Rotornut 15 sich nicht verjüngen und damit ebenfalls einen ausreichend großen Zahnquerschnitt aufweisen. Die Kurzschlussstäbe 18 weisen an Außenecken des Stabquerschnittes Q Rundungen 28 auf, wobei ein Verhältnis eines Radius R der Rundungen 28 zur Breitenausdehnung B des Außenreichs QA zwischen 0,18 und 0,19 beträgt. Die Rundungen 28 an den Außenecken erleichtern das Verstemmen der Kurzschlussstäbe 18 in die Rotornuten 14.According to 3 a slot cross-section of a rotor slot 15 is congruent with a bar cross-section Q, wherein the short-circuit bars 18 are inserted into the rotor slot 15 without play by caulking. The positive fit achieved by congruent cross-sections of short-circuit bar 18 and rotor slot 15 leads to a firm fit of the short-circuit bars 18 in the rotor laminated core 14. The rotor laminated core 14 has axially extending slots 23 which extend radially from the outer circumferential surface 16 of the rotor laminated core 14 to the rotor slots 15. The scattering slots 23 form open rotor slots 15. A cross-section of the slots 23 can be rectangular and have a slot width B23 of approximately one third of a width B15 of the rotor slot 15. The ratio of a radially extending length L of the outer region QA to a width B of the outer region QA extending perpendicular to the length L is between 3.0 and 3.4, preferably 3.2. The outer region QA of the bar cross-section Q forms a rectangle standing upright in the radial direction, which is more than three times as long as it is wide. The specific dimensions depend on the outer diameter of the rotor laminated core 14. The short-circuit bars 18 thus have a bar cross-section Q that is sufficiently large for the required strength. At the same time, the rotor teeth 21 have a tooth width B21 at their narrowest point that is 4/3 of the width B of the outer region QA of the bar cross-section Q. This means that the tooth cross-section can also be designed to be sufficiently large. The ratio of the length L of the outer region QA to the radially extending height h of the inner region is between 2.2 and 2.6, preferably 2.4. This means that the height h of the trapezoidal inner region QI is only about 30% of the total bar height H in the radial direction. The tapered inner region QI thus only insignificantly reduces the bar cross-section Q, so that the strength is not impaired. The inner region QI has a base extension b extending perpendicular to the height h at a transition 24 to the outer region QA (in 3 indicated by a dash-dot line) and a base extension g extending perpendicular to the height extension h at a radially inner slot base 25 of a rotor slot 15. The base extension b of the inner region QI corresponds to the width extension B of the outer region QA. A ratio of the base extension g to the base extension b is between 0.8 and 0.9, preferably 0.87. The ratio of the base extension g to the base extension b is selected such that the two trapezoidal legs 26 of the inner region QI enclose a taper angle α which leads to parallelism of trapezoidal legs 26 of adjacent short-circuit bars 18. The taper angle α can be 4.8°, for example. This, in turn, means that the tooth flanks 27 of the rotor teeth 21 do not taper toward the groove base 25 of the rotor groove 15 and thus also have a sufficiently large tooth cross-section. The short-circuit bars 18 have rounded portions 28 at the outer corners of the bar cross-section Q, with a ratio of a radius R of the rounded portions 28 to the width B of the outer area QA being between 0.18 and 0.19. The rounded portions 28 at the outer corners facilitate the caulking of the short-circuit bars 18 into the rotor grooves 14.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 35 39 543 A1 [0003]
EP 3 598 618 A1 [0004]
WO 2014/067756 A1 [0006]

Claims

Cage rotor (7) for an electrical asynchronous machine (3) for driving a rail vehicle (1), comprising - a rotor shaft (11) rotatable about a rotor axis (12), - a rotor laminated core (14) connected to the rotor shaft (11) in a rotationally fixed manner and having a plurality of axially extending rotor slots (15), and - a squirrel cage (17) with squirrel bars (18) arranged in the rotor slots (15), characterized in that - a bar cross-section (Q) of a squirrel bar (18) has a rectangular outer region (QA) and an adjoining trapezoidal inner region (QI), - the inner region (QI) being radially closer to the rotor axis (12) than the outer region (QA) and tapering in the radial direction towards the rotor axis (12).

Cage rotor (7) after Claim 1 , - wherein a slot cross-section of a rotor slot (15) is congruent with a bar cross-section (Q) and the short-circuit bars (18) are inserted into the rotor slots (15) without play by caulking.

Cage rotor (7) after Claim 2 , - wherein the rotor laminated core (14) has axially extending slots (23) which extend radially from an outer circumferential surface (16) of the rotor laminated core (14) to the rotor slots (15).

Cage rotor (7) according to one of the preceding claims, - wherein a ratio of a radially extending longitudinal extent (L) of the outer region (QA) to a width extent (B) of the outer region (QA) extending perpendicular to the longitudinal extent (L) is between 3.0 and 3.4, preferably 3.2.

Cage rotor (7) after Claim 4 , - wherein a ratio of the length extension (L) of the outer region (QA) to a radially extending height extension (h) of the inner region (QI) is between 2.2 and 2.6, preferably 2.4.

Cage rotor (7) after Claim 4 or 5 , - wherein the inner region (QI) has a base extension (b) extending perpendicular to the height extension (h) at a transition (24) to the outer region (QA) and a base extension (g) extending perpendicular to the height extension (h) at a radially inner groove base (25) of a rotor groove (15), - wherein the base extension (b) of the inner region (QI) corresponds to the width extension (B) of the outer region (QA), and - wherein a ratio of the base extension (g) to the base extension (b) is between 0.8 and 0.9, preferably 0.87.

Cage rotor (7) according to one of the preceding claims, - wherein the short-circuit bars (18) have curves (28) at outer corners of the cross section (Q), - wherein a ratio of a radius (R) of the curves (28) to the width (B) of the outer area (QA) is between 0.18 and 0.19.

Cage rotor (7) according to one of the preceding claims, - wherein the short-circuit bars (18) are made of copper.

An asynchronous electric machine (3) for driving a rail vehicle (1), comprising - a machine housing (5), - a stator (6) with a hollow cylindrical stator laminated core (8) and with a stator winding (10), which is inserted in and rotationally fixed to the machine housing (5), - a cage rotor (7) according to one of the preceding claims, which is rotatably mounted in the machine housing (5) and whose rotor laminated core (14) is rotatably arranged within the stator laminated core (8) to form a radial air gap (20).

Rail vehicle (1) with a traction drive which is designed as an electric asynchronous machine (3) according to the preceding claim.