DE19626807C1 - Rotor für einen Asynchronmotor, Verfahren zur Herstellung des Rotors, und Asynchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Asynchronmo­ tor, ein Verfahren zur Herstellung des Rotors, sowie einen Asynchronmotor mit einem solchen Rotor.

Im Stand der Technik ist es bekannt, das Blechpaket eines Rotors eines Asynchronmotors mit Nuten (Ausnehmungen) an seinem Außenumfang zu versehen und in diese Nuten Stäbe aus Kupfer einzubringen. Diese Stäbe sind durch Kurzschlußringe aus Kupfer miteinander elektrisch leitend (z. B. durch Hart­ löten) verbunden, die an den Stirnflächen des Rotors ange­ ordnet sind. Die Stäbe und die beiden Kurzschlußringe bil­ den zusammen einen sog. Kurzschlußläuferkäfig. Die Verwen­ dung von Kupfer als Material für die Stäbe und die Kurz­ schlußringe erlaubt eine kompakte Bauweise bei niedrigen elektrischen Verlusten. Allerdings ist das Rotorgewicht, und damit das Motorträgheitsmoment eines derartigen Asyn­ chronmotors relativ hoch und die Herstellungskosten bedingt durch den hohen Kupferanteil und insbesondere die aufwendi­ ge Verarbeitung sind ebenfalls sehr hoch.

Als Alternative dazu ist es bekannt, den Kurzschlußläufer­ käfig vollständig aus Aluminium herzustellen. Dies wird vorzugsweise in der Weise realisiert, daß der komplette Kurzschlußläuferkäfig als Aluminium-Druckgußteil in das Blechpaket eingegossen wird. Damit kann das Rotorgewicht (bezogen auf das Volumen) verringert werden. Außerdem ist die Herstellung erheblich preiswerter. Allerdings steigt das Volumen (bei gleicher Leistungsfähigkeit des Motors) aufgrund der verringerten Leitfähigkeit von Aluminium er­ heblich an, da die Stäbe einen größeren Querschnitt haben müssen.

Aus der DE 29 32 952 A1 ist es bekannt, Aluminium in Ring­ form zu schmelzen. Anschließend wird das Läuferblechpaket mit den einschobenen Aluminiumstäben soweit in die Alumini­ umschmelze abgesenkt, daß die überstehenden Enden der Alu­ miniumstäbe in die Schmelze eintauchen und mit der ringför­ migen Aluminiumschmelze bei deren Erkalten eine stoff­ schlüssige Verbindung eingehen.

Aus der DE 38 37 094 A1 ist es bekannt, die Stäbe aus Kup­ fer, Aluminium, oder Legierungen dieser Metalle herzustel­ len und die Stirnringe aus Metall herzustellen, das dem Me­ tall bzw. der Legierung der Stäbe gleicht.

Aus der CH 431 702 ist eine Käfigwicklung für Läufer elek­ trischer Maschinen bekannt, die aus Gitterstäben besteht, die in Nuten in dem Läufer eingebettet sind und an beiden Enden durch Kurzschlußringe zusammengeschlossen sind. Diese Kurzschlußringe sind in axialer Richtung mit gegenseitigem Abstand unterteilt. Außerdem sind diese Ringelemente durch radiale Zerlegung nochmals in Segmente unterteilt. Die Seg­ mente sind jeweils durch ein Verbindungsstück pro Gitter­ stab untereinander verbunden.

Die Gitterstäbe, Segmente und Verbindungsstücke können aus legiertem Kupfer sein. Alternativ dazu können die Gitter­ stäbe auch aus Hartkupfer sein, während die Segmente und die Verbindungsstücke aus elektrischem Widerstandsmaterial gebildet sind. Damit wird erreicht, daß ein großer Teil der Verluste an dem Ort entsteht, wo sie auch abgeführt werden können.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, einen Rotor für einen Asynchronmotor bereitzustellen, die bei gleicher Leistung eine preiswertere und kompaktere Bauweise erlaubt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Rotor für einen Asynchronmotor, der an seinem Umfang ange­ ordnete elektrisch leitende Stäbe aufweist, die durch an seinen beiden Stirnseiten angeordnete Kurzschlußringe mit­ einander verbunden sind, wobei die Kurzschlußringe aus ei­ ner als wesentlichen Bestandteil Aluminium enthaltenden Le­ gierung und die Stäbe aus einer als wesentlichen Bestand­ teil Kupfer enthaltenden Legierung gebildet sind.

Die Herstellung der Kurzschlußringe aus Aluminium bedingt zwar für die gleiche Leistungsfähigkeit des Asynchronmotors größere Querschnitte für die Kurzschlußringe. Es ist jedoch möglich, die Kurzschlußringe (bei gleichem Widerstand wie Kurzschlußringe aus Kupfer) aus Aluminium herzustellen, oh­ ne das Volumen des Asynchronmotors zu vergrößern. Dies liegt daran, daß die Köpfe der Statorwicklungen den Rotor mit den Kurzschlußringen an seinen beiden Stirnseiten ohne­ hin erheblich überragen. Damit ist noch genügend Raum für Kurzschlußringe aus Aluminium mit entsprechend größerem Querschnitt.

Die Verwendung von Aluminium als Material für die Kurz­ schlußringe verringert mit dem Gewicht auch das Massenträg­ heitsmoment des Rotors und ist erheblich preiswerter.

Offensichtlich wird bei dem Stand der Technik gemäß der CH 431 702 ein ganz anderer Zweck verfolgt und auch ein ande­ res Prinzip verwendet, als bei der vorliegenden Erfindung.

Erfindungsgemäß enthalten die Kurzschlußringe zumindest 70 Gew.-%, vorzugsweise zumindest 95 Gew.-% Aluminium und die Stäbe zumindest 70 Gew.-%, vorzugsweise zumindest 95 Gew.-% Kupfer.

Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen Asynchronmotor mit folgenden Schritten an:

• - Bereitstellen eines Blechpaketes, das an seinem Umfang Ausnehmungen für metallische Stäbe aufweist,
• - Einbringen von im wesentlichen aus Kupfer bestehenden Stäben in die Ausnehmungen,
• - Anordnen jeweils eines im wesentlichen aus Aluminium be­ stehenden Kurzschlußringes an jeder Stirnseite des Rotors, und
• - Verbinden der beiden Kurzschlußringe mit den Stäben.

Dabei werden gemäß der Erfindung die beiden Kurzschlußringe mit den Stäben durch Reibschweißen, vorzugsweise durch Ul­ traschallschweißen, oder durch Elektronenstrahlschweißen verbunden.

Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Asynchronmo­ tor, mit einem Stator und einer Rotorbaugruppe, bei dem die Rotorbaugruppe ein Blechpaket mit von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite des Blechpaketes reichenden Ausnehmungen an seinem Umfang, sowie einen Kurzschlußkäfig aufweist, der durch in den Ausnehmungen angeordnete Stäbe sowie an den beiden Stirnseiten angeordnete Kurzschlußringe gebildet ist, wobei die Stäbe mit den Kurzschlußringen verbunden sind. Dabei sind die Kurzschlußringe aus einer als wesent­ lichen Bestandteil Aluminium enthaltenden Legierung und die Stäbe aus einer als wesentlichen Bestandteil Kupfer enthal­ tenden Legierung gebildet.

Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Asynchronmotor entlang dessen Mittelachse.

Fig. 2 zeigt einen Kurzschlußläuferkäfig gemäß der Er­ findung (ohne Welle und Blechpaket) in einer schematischen perspektivischen Darstellung.

Der in Fig. 1 gezeigte Asynchronmotor 10 hat ein zwei Stirnplatten 12a, 12c sowie einen rohrförmigen Körper 12b aufweisendes Gehäuse 12. Die beiden Stirnplatten 12a, 12c sind durch mehrere Schraubenbolzen 14 entlang dem Umfang des rohrförmigen Körper 12b gegeneinander verspannt.

Im Innern des Gehäuses 12 ist ein aus Eisenplatten aufge­ bauter ringförmiger Stator 16 angeordnet, der eine Stator­ wicklung 18 trägt. An den beiden Stirnseiten des Stators 16 ragen Wicklungsköpfe 18a, 18b über den Stator 16 hinaus.

Konzentrisch zu dem Stator 16 ist in dessen Hohlraum ein Rotor 20 angeordnet. Dieser Rotor ist durch eine Rotorbau­ gruppe gebildet, die ein Blechpaket 22 mit von einer Stirn­ seite zur anderen Stirnseite des Blechpaketes 22 reichenden Ausnehmungen 22a an seinem Umfang, sowie einen Kurzschluß­ käfig 24 aufweist, der durch in den Ausnehmungen 22a ange­ ordnete Stäbe 26 sowie an den beiden Stirnseiten angeordne­ te Kurzschlußringe 28a, 28b gebildet ist, wobei die Stäbe 24 mit den Kurzschlußringen 28a, 28b verbunden sind. Dabei sind die Kurzschlußringe 28a, 28b aus einer als wesentli­ chen Bestandteil Aluminium enthaltenden Legierung und die Stäbe 26 aus einer als wesentlichen Bestandteil Kupfer ent­ haltenden Legierung gebildet.

Die Ausnehmungen 22a können parallel zu der Mittellängsach­ se (bzw. zu einer Welle 30) des Asynchronmotors 10 verlau­ fen oder im Winkel dazu verlaufen, so daß auch die Stäbe 26 entsprechend parallel bzw. geschränkt zu der Mittellängs­ achse (bzw. zu der Welle 30) des Asynchronmotors 10 verlau­ fen.

In Fig. 2 ist der Aufbau des Kurzschlußläuferkäfigs veran­ schaulicht. Die beiden parallel zueinander im Abstand ange­ ordneten Kurzschlußringe 28a, 28b aus Aluminium verbinden eine Vielzahl von Stäben 26 aus Kupfer (von denen nur eini­ ge in Fig. 2 veranschaulicht sind), die in gleichmäßigen Abständen entlang des gesamten Umfangs der einander zuge­ wandten Oberflächen der beiden Kurzschlußringe 28a, 28b mit diesen fest verbunden sind. Die beiden Kurzschlußringe 28a, 28b haben einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt.

Bei der Herstellung der Baugruppe werden die Stäbe 26 in die Ausnehmungen in dem Rotorblechpaket eingeführt und mit den beiden Kurzschlußringen 28a, 28b verschweißt. Dazu sind in den einander zugewandten Oberflächen der beiden Kurz­ schlußringe 28a, 28b Sacklöcher ausgeformt (siehe Detailan­ sicht in Fig. 2), in die die jeweiligen Enden der Stäbe 26 eingeführt sind. Durch Ultraschallschweißen oder durch Elektronenstrahlschweißen werden die eingeführten Enden der Stäbe 26 mit dem jeweiligen Kurzschlußring 28b elektrisch leitend und stoffschlüssig verbunden.

Der effektive Querschnitt der Kurzschlußringe 28a, 28b aus Aluminium ist dabei so bemessen, daß der elektrische Wider­ stand und die Stromfestigkeit etwa genau so groß ist, wie bei einem Kurzschlußring aus Kupfer für den entsprechenden Asynchronmotor. Da das spezifische Gewicht von Aluminium 2.7 g/cm³ und das spezifische Gewicht von Kupfer 8.93 g/cm³ beträgt, während die elektrische Leitfähigkeit (bei 20°C) von Aluminium 37 m/Ω · mm² und die elektrische Leitfähigkeit (bei 20°C) von Kupfer 56 m/Ω · mm² beträgt, ist es möglich, Kurzschlußringe mit gleichem elektrischem Widerstand aber geringerem Gewicht herzustellen. Das größere Volumen der Kurzschlußringe aus Aluminium führt wegen der ohnehin über­ stehenden Wicklungsköpfe jedoch nicht zu einer Vergrößerung des Gesamtbauraums des Asynchronmotors.

An den voneinander abgewandten Oberflächen der beiden Kurz­ schlußringe 28a, 28b können auch in axialer Richtung orien­ tierte Lüfterflügel (nicht gezeigt) angeordnet sein. Die Querschnittsgestalt der Stäbe 26 entspricht der Form der Ausnehmungen in dem Rotorblechpaket. Dabei können auch in radialer Richtung zwei oder mehr Stäbe in den Ausnehmungen angeordnet und mit den Kurzschlußringen 28a, 28b ver­ schweißt werden, um einen größeren Wirkwiderstand beim An­ laufen des Asynchronmotors zu erzielen. Schließlich können die Kurzschlußringe anstelle der Sacklöcher an ihren radial innen oder vorzugsweise radial außen liegenden Mantelflä­ chen axial verlaufenden nutenförmige Ausnehmungen aufwei­ sen, in die die Stäbe eingebracht und wie oben beschrieben verschweißt werden.

Claims (9)

1. Rotor (22) für einen Asynchronmotor, der an seinem Um­ fang angeordnete elektrisch leitende Stäbe (26) aufweist, die durch an seinen beiden Stirnseiten angeordnete Kurz­ schlußringe (28a, 28b) miteinander verbunden sind, wobei die Kurzschlußringe (28a, 28b) aus einer als wesentlichen Bestandteil Aluminium enthaltenden Legierung und die Stäbe (26) aus einer als wesentlichen Bestandteil Kupfer enthal­ tenden Legierung gebildet sind.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußringe zumindest 70 Gew.% Aluminium enthalten.

3. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe zumindest 70 Gew.% Kupfer enthalten.

4. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußringe zumindest 95 Gew.% Aluminium enthalten.

5. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe zumindest 95 Gew.% Kupfer enthalten.

6. Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen Asyn­ chronmotor, mit folgenden Schritten:

• - Bereitstellen eines Blechpaketes, das an seinem Umfang Ausnehmungen für metallische Stäbe aufweist,
• - Einbringen von im wesentlichen aus Kupfer bestehenden Stäben in die Ausnehmungen,
• - Anordnen jeweils eines im wesentlichen aus Aluminium be­ stehenden Kurzschlußringes an jeder Stirnseite des Rotors, und
• - Verbinden der beiden Kurzschlußringe mit den Stäben.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die beiden Kurz­ schlußringe mit den Stäben durch Reibschweißen, vorzugswei­ se durch Ultraschallschweißen verbunden werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die beiden Kurz­ schlußringe mit den Stäben durch Elektronenstrahlschweißen verbunden werden.

9. Asynchronmotor, mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor ein Blechpaket mit von ei­ ner Stirnseite zur anderen Stirnseite des Blechpaketes rei­ chenden Ausnehmungen an seinem Umfang, sowie einen Kurz­ schlußkäfig aufweist, der durch in den Ausnehmungen ange­ ordnete Stäbe sowie an den beiden Stirnseiten angeordnete Kurzschlußringe gebildet ist, wobei die Stäbe mit den Kurz­ schlußringen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußringe aus einer als wesentlichen Bestandteil Aluminium enthaltenden Legierung und die Stäbe aus einer als wesentlichen Bestandteil Kupfer enthaltenden Legierung gebildet sind.