DE19818774C1 - Kurzschlußläufer mit einem Läuferkäfig - Google Patents

Abstract

Bei einem Kurzschlußläufer mit einem Läuferkäfig, der stirnseitig am Läuferblechpaket (14) des Kurzschlußläufers (10) angeordnete, mit in Nuten (20) des Läuferblechpakets (14) angeordneten Kurzschlußstäben verbundene Kurzschlußringe (18) aufweist, umfaßt das Läuferblechpaket (14) Bleche (24) aus amorphem magnetischen Material, insbesondere aus einem amorphen Metall hoher Sättigungsmagnetisierung. In einem weiteren Aspekt sind die Nuten (20) mit einem konvexen Nutgrund (22) ausgebildet. In einem weiteren Aspekt bestehen die Kurzschlußringe (18) eines gattungsgemäßen Kurzschlußläufers aus einem elektrisch gut leitenden Metall-Matrix-Verbundwerkstoff, bevorzugt einem faserverstärkten Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoff.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurzschlußläufer mit einem Läuferkäfig, der stirnseitig am Läuferblechpaket des Kurzschlußläufers angeordnete, mit in Nuten des Läuferblechpakets angeordneten Kurzschlußstäben verbundene Kurzschlußringe aufweist.

Ein solcher Kurzschlußläufer ist z. B. aus DE-Z: Elektrische Maschinen, 1984, S. 352 bis 356 bekannt.

Bei bekannten Kurzschlußläufern dieser Art führen die Zentrifugalkräfte bei höheren Umdrehungszahlen zu einer starken Beanspruchung des Läufers. Die erreichbare Umdrehungszahl wird durch die Verformung einzelner Elemente oder im Extremfall durch die Zerstörung des Motors begrenzt. Bei den hohen Rotationsgeschwindigkeiten hat der Läufer dann beträchtliche Energie gespeichert, die bei einer Fehlfunktion zu erheblichen Zerstörungen noch in der Umgebung des Motors führen können.

Es ist bekannt, die Kurzschlußringe durch zusätzliche Elemente gegen die auf sie wirkenden Fliehkräfte zu sichern. So werden in der Druckschrift DE-C-42 22 187 die Kurzschlußringe durch zusätzliche Haltemittel am Läuferblechpaket gesichert. Dabei sind jeweils an den Endblechen des Läuferblechpakets in entsprechende Ausnehmungen der Kurzschlußringe eingreifende Halteelemente vorgesehen.

Es ist weiterhin bekannt, die gesamte Rotorwicklung eines Kurzschlußläufers aus einem Metallmatrix Verbundwerkstoff zu fertigen (IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 3, Nr. 2, Juni 1988, S. 427 bis 432). Glasartige Metalle sind aus DE-Z: E und M, Jahrgang 1980, Heft 9, S. 378 bis 385 bekannt.

Weitere Kurzschlußläufer sind aus GB 12 81 348 und GB 12 92 111 bekannt. In ihnen kommen faserverstärkte Kunststoffe und bestimmte Nutformen zur Anwendung.

Ein massiver Eisenläufer erlaubt zwar wegen seiner hohen Festigkeit hohe Drehzahlen, der erreichbare Drehschub, d. h. die Kraft pro Fläche im Luftspalt ist jedoch inakzeptabel niedrig. Darüber hinaus lassen die hohen spezifischen Verluste eine ausreichende Kühlung praktisch nicht mehr zu.

Hier setzt die Erfindung an. Es soll ein Kurzschlußläufer der eingangs beschriebenen Gattung geschaffen werden, der bei hohen Drehzahlen betrieben werden kann, ohne daß die Zentrifugalkräfte zu einer Deformation oder Zerstörung des Läufers führen. Dabei soll weiter ein möglichst hohes Drehmoment gewährleistet werden. Diese Aufgabe wird durch jeden der in den unabhängigen Ansprüchen 1, 3 und 5 beschriebenen Aspekte der Erfindung gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung.

Gemäß Anspruch 1 umfaßt bei dem Kurz­ schlußläufer der genannten Gattung das Läuferblechpaket Ble­ che aus amorphem magnetischen Material, insbesondere aus ei­ nem amorphen Metall hoher Sättigungsmagnetisierung.

Solche Materialien werden wegen ihrer geringen Ummagnetisie­ rungsverluste bei hohen Frequenzen beispielsweise für Lei­ stungsübertrager in Schaltnetzteilen eingesetzt. Es wurde nun gefunden, daß diese amorphen magnetischen Materialien darüber hinaus eine außerordentlich hohe Festigkeit aufweisen. Durch diese hohen Festigkeiten läßt sich bei Einsatz eines Läufer­ blechpakets aus amorphem magnetischen Material die Drehzahl des Läufers deutlich steigern. Die bekannten weichmagneti­ schen Eigenschaften der amorphen Materialien stehen, anders als gewöhnlich, bei der vorliegenden Erfindung nicht im Vor­ dergrund, da die Ummagnetisierungsverluste im Rotor wegen der geringen Schlupffrequenz auch bei Hochdrehzahlmotoren durch konventionelle Blechung gering gehalten werden können.

Vorteilhaft weist das amorphe magnetische Material eine hohe Sättigungsmagnetisierung auf. Die Sättigungsmagnetisierung liegt dabei zweckmäßig nicht unter 1 Tesla (T), bevorzugt liegt sie über 1.4 T, besonders bevorzugt über 1.6 T. Eine hohe Sättigungsmagnetisierung führt dann zu mit konventionel­ len Maschinen vergleichbaren Drehschüben bei gleichzeitig deutlich gesteigerter Drehzahl. Daraus resultiert eine deut­ liche Steigerung der erzielbaren Leistungsdichte.

Als amorphe Metalle werden beispielsweise Bor-Eisen- oder Bor-Eisen-Silizium-Legierungen verwendet. Eisen kann dabei durch Nickel oder Kobalt ergänzt bzw. zumindest teilweise er­ setzt werden. Um möglichst gleichmäßige magnetische Eigen­ schaften zu erhalten, wird das amorphe Metall nicht wie üb­ lich in einem Vorzugsfeld geglüht. Auf den Glühprozeß wird vielmehr vorteilhaft ganz verzichtet, wodurch auch die norma­ lerweise damit einhergehende Versprödung des Materials ver­ mieden wird.

Als zusätzlicher Vorteil der amorphen Materialien ergibt sich, daß die Eisenverluste, die durch Wirbelströme und Hy­ stereseverluste im magnetischen Material entstehen, wegen der weichmagnetischen Eigenschaften und des aufgrund der amorphen Struktur hohen spezifischen Widerstands, klein gehalten wer­ den. Dadurch wird die Erwärmung des Elektromotors bei hohen Drehzahlen reduziert.

Die Ummagnetisierungsverluste und Wirbelströme werden auch durch eine geringe Blechstärke klein gehalten. Konventionelle Bleche weisen typischerweise eine Stärke von 0.5 mm auf und werden durch eine Lackschicht elektrisch voneinander iso­ liert. Es hat sich nun als vorteilhaft erwiesen, wenn die Bleche des Läuferblechpakets eine Dicke von weniger als 50 µm, bevorzugt von etwa 20 µm aufweisen. Ohne an eine be­ stimmte Erklärung gebunden zu sein, wird vermutet, daß eine natürliche Oxidschicht an der Oberfläche der Bleche diese elektrisch voneinander isoliert. Eine geringe Blechstärke bietet als weiteren Vorteil, daß eventuelle Risse durch star­ ke Beanspruchung sich nur wenig ausbreiten können. Sie werden statt dessen durch die Vielzahl der Lamellen auf ein enges Gebiet beschränkt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind bei dem Kurz­ schlußläufer der genannten Gattung die Nuten mit einem konve­ xen Nutgrund ausgebildet. Dieser Aspekt der Erfindung beruht auf dem Gedanken, daß die zulässige Belastung des Materials an der Nutumfangslinie durch die Belastungsspitzen am Nut­ grund gegeben ist, und daß durch die konvexe Ausbildung die Zentrifugalkraftbelastung im wesentlichen gleichmäßig über den Nutgrund verteilt ist. Die maximale Drehzahl kann dadurch erhöht werden.

Besonders günstig ist es, wenn der Krümmungsradius R des kon­ vexen Nutgrunds im wesentlichen dem Abstand des Nutgrunds zur Achse des Läuferblechpakets entspricht. Der radiale Abstand zwischen der inneren Begrenzung des Läuferblechpakets und dem Nutgrund ist dann entlang der konvexen Kontur konstant.

Hohe mechanische Stabilität ergibt sich, wenn die Nuten zum Luftspalt hin geschlossen sind. Bevorzugt ist allerdings eine Ausführungsform, in der die Nuten geschlitzt sind. Solche zum Luftspalt hin offenen Nuten erlauben ein beträchtlich höheres Drehmoment, ohne daß die Festigkeit zu stark reduziert ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die zulässige Drehzahl dadurch erhöht, daß bei dem Kurzschlußläufer die Kurzschlußringe aus einem elektrisch gut leitenden Metall-Ma­ trix-Verbundwerkstoff gefertigt sind. Das Eigenschaftsprofil des Verbundwerkstoffs läßt sich auf die hohe Zentrifugalkr­ aftbelastung abstimmen. Besonders günstig ist die Verwendung von faserverstärkten Aluminiumlegierungen, die bei relativ geringen Herstellungskosten eine große Zugfestigkeit, hohen E-Modul und große Verschleißbeständigkeit bieten. Die Verwen­ dung von kurzfaserverstärkten Aluminiumlegierungen kann be­ sonders vorteilhaft sein.

Vorteilhaft sind die Kurzschlußstäbe aus Aluminium gefertigt, da sich die Stäbe in diesem Fall bei ausreichend hoher elek­ trischer Leitfähigkeit wegen der kleineren spezifischen Dich­ te von Aluminium durch ein geringes Gewicht auszeichnen.

Eine besonders große Steigerung der zulässigen Drehzahl bei hohem Drehmoment ergibt sich durch die mögliche Kombination von zwei oder mehreren der beschriebenen Vorkehrungen. Die Erhöhung ist bei einer Kombination besonders groß, weil die maximale Drehzahl durch das jeweils schwächste Element be­ schränkt wird.

Die Verwendung eines amorphen magnetischen Materials verleiht dem Läuferblechpaket eine hohe mechanische Festigkeit. Die Verwendung eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffs für die Kurzschlußringe erhöht derer mechanische Festigkeit. Beide Maßnahmen führen zu einer höheren maximalen Drehzahl. Auch die spezielle Form der Nuten erlaubt höhere Drehzahlen. Ein hohes Drehmoment ergibt sich aus einer hohen Sättigungsmagne­ tisierung des Läuferblechpakets, wie auch aus offenen Nuten. Es ergibt sich aus den vorhergehenden Ausführungen, daß nicht alle diese Maßnahmen zugleich angewandt werden müssen um die erfindungsgemäße Lösung zu erreichen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Kurzschlußläufers mit Läuferkäfig und Läuferblechpaket;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Kurzschlußläufer nach dem Stand der Technik im Bereich des Läuferblechpakets aus Richtung II von Fig. 1;

Fig. 3 einen detaillierten Ausschnitt von Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt wie Fig. 2 durch einen erfindungsgemä­ ßen Kurzschlußläufer;

Fig. 5 einen detaillierten Ausschnitt von Fig. 4;

Fig. 1 zeigt einen Kurzschlußläufer 10 in perspektivischer Darstellung. Stirnseitig des Läuferpakets 14 sind die Kurz­ schlußringe 18 angeordnet. Unter den Öffnungsspalten 16 be­ finden sich die die Kurzschlußstäbe enthaltenden Nuten 20. Die Kurzschlußstäbe bilden mit den Kurzschlußringen 18 den Läuferkäfig. Das Läuferblechpaket besteht aus einzelnen, an­ einander gepreßten Blechen 24 (Fig. 2).

In bekannten Kurzschlußläufern sind die Nuten typischerweise in einer Gestalt wie in Fig. 3 gezeigt ausgebildet. Es wurde nun gefunden, daß die konkave Ausgestaltung des Nutgrunds 22 bei schneller Rotation des Läufers zu einer besonders hohen Zugbelastung durch Zentrifugalkräfte in der Mitte des Nut­ grunds (Bezugszeichen 26) führt. Dies trifft wegen der Krüm­ mung der inneren Begrenzung 28 des Bleches auch bei einer ge­ raden Ausgestaltung des Nutgrunds zu. Diese Spitzenbelastung in der Mitte des Nutgrunds begrenzt die erreichbare Drehzahl. Die erfindungsgemäße konvexe Ausgestaltung des Nutgrunds führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der Zentrifugalkraft­ belastung auf den gesamten Nutgrund (Fig. 4 und 5). Um die Nutfläche gegenüber einer Ausführung wie in Fig. 3 konstant zu halten, wird insgesamt der Querschnitt der Nuten verbrei­ tert und verkürzt. Die mit der konvexen Ausführung einherge­ hende reduzierte Spitzenbelastung führt zu einer deutlich er­ höhten zulässigen Drehzahl des Läufers. Die geschlitzte Aus­ führung der Nuten erhöht das erreichbare Drehmoment.

Die Kurzschlußringe sind aus faserverstärktem Aluminium ge­ gossen. Als vorteilhaft hat sich dabei ein Faseranteil von 15% bis 25% erwiesen. Die Kurzschlußringe erhalten durch das Fasermaterial eine signifikant erhöhte mechanische Festigkeit und Steifigkeit, während das Aluminium dem Verbundstoff eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit verleiht. Die Kurzschlußstäbe bestehen im Ausführungsbeispiel aus Alumi­ nium. Der im Vergleich zu Kupfer oder Silber wesentlich ge­ ringeren Masse der Aluminiumstäbe steht eine noch ausreichend hohe Leitfähigkeit gegenüber. Kurzschlußstäbe aus Kupfer oder Silber würden bei hohen Drehzahlen durch die nach außen ge­ richteten Zentrifugalkräfte die Spalte 16 aufdrücken und so das Läuferblechpaket 14 sprengen.

Das Läuferblechpaket 14 besteht aus dünnen Blechen 24 aus ei­ nem amorphen Metall hoher Sättigungsmagnetisierung. Bei­ spielsweise wurde eine Bor-(Eisen, Kobalt)-Silizium-Legierung verwendet, die eine Sättigungsmagnetisierung von 1.74 T auf­ wies. Diese amorphen magnetischen Materialien weisen eine au­ ßerordentlich hohe Zugfestigkeit auf.

Die bekannten weichmagnetischen Eigenschaften der amorphen Materialien stehen bei der vorliegenden Erfindung nicht im Vordergrund, die resultierenden niedrigen magnetischen Verlu­ ste stellen jedoch einen zusätzlichen Vorteil dar.

Da die maximale Kühlleistung bei gegebenen Motorvolumen be­ grenzt ist, ist es darüber hinaus von Bedeutung, die Erwär­ mung des Läufers durch elektrische und magnetische Verluste nicht zu groß werden zu lassen. Im Ausführungsbeispiel ist Aluminium als Material für die Kurzschlußstäbe gewählt, was im Vergleich zu Kupfer- oder Silberstäben höhere elektrischen Verluste bedingt. Jedoch weisen die Aluminiumstäbe ein gün­ stigeres Verhältnis von Leitfähigkeit zu Gewicht auf.

Die magnetischen Verluste werden dadurch weiter reduziert, daß die einzelnen Bleche aus nur etwa 20 µm dicken Lagen amorphen Metalls bestehen. Die Verwendung dünner Lamellen er­ höht darüber hinaus die Stabilität des Läuferblechpakets 14 gegen die Fortpflanzung eventuell entstehender Risse.

Claims (6)

1. Kurzschlußläufer mit einem Läuferkäfig, der stirnseitig am Läuferblechpaket (14) des Kurzschlußläufers (10) angeordnete, mit in Nuten (20) des Läuferblechpakets (14) angeordneten Kurzschlußstäben verbundene Kurzschlußringe (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Läuferblechpaket (14) Bleche (24) aus amorphem magnetischen Material, insbesondere aus einem amorphen Metall hoher Sättigungsmagnetisierung, umfaßt.

2. Kurzschlußläufer nach Anspruch 1, bei dem die Bleche (24) des Läuferblechpakets (14) eine Dicke von weniger als 50 µm, bevorzugt von etwa 20 µm aufweisen.

3. Kurzschlußläufer mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Kurzschlußringe (18) aus einem elektrisch gut leitenden Metall-Matrix-Verbundwerkstoff, bevorzugt einem faserverstärkten Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoff, bestehen.

4. Kurzschlußläufer nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Kurzschlußstäbe aus Aluminium bestehen.

5. Kurzschlußläufer mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Nuten (20) mit einem konvexen Nutgrund (22) ausgebildet sind.

6. Kurzschlußläufer nach Anspruch 5, bei dem der Krümmungsradius R des konvexen Nutgrunds (22) im wesentlichen dem Abstand des Nutgrunds zur Achse des Läuferblechpakets (14) entspricht.