EP3501089A1 - Ein läufer und herstellen eines läufers einer rotierenden elektrischen maschine - Google Patents

Ein läufer und herstellen eines läufers einer rotierenden elektrischen maschine

Info

Publication number
EP3501089A1
EP3501089A1 EP17784187.1A EP17784187A EP3501089A1 EP 3501089 A1 EP3501089 A1 EP 3501089A1 EP 17784187 A EP17784187 A EP 17784187A EP 3501089 A1 EP3501089 A1 EP 3501089A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
electrical
electrical conductors
winding
rotor winding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17784187.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Bittner
Markus HÖSLE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3501089A1 publication Critical patent/EP3501089A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/0012—Manufacturing cage rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K17/00—Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
    • H02K17/02—Asynchronous induction motors
    • H02K17/16—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
    • H02K17/18—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors having double-cage or multiple-cage rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K17/00—Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
    • H02K17/02—Asynchronous induction motors
    • H02K17/16—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
    • H02K17/20—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors having deep-bar rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/12—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots
    • H02K3/16—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots for auxiliary purposes, e.g. damping or commutating
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/34—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation between conductors or between conductor and core, e.g. slot insulation
    • H02K3/345—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation between conductors or between conductor and core, e.g. slot insulation between conductor and core, e.g. slot insulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/48—Fastening of windings on the stator or rotor structure in slots
    • H02K3/487—Slot-closing devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/10—Applying solid insulation to windings, stators or rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/10—Applying solid insulation to windings, stators or rotors
    • H02K15/105—Applying solid insulation to windings, stators or rotors to the windings

Definitions

  • the invention relates to a method of producing a rotor for a rotating electrical machine, in which at least ⁇ a rotor coil is incorporated in a rotor core of the Läu ⁇ fers electrically insulated. Furthermore, the invention relates to a rotor for a rotating electrical
  • the invention also relates to a rotary electric machine with a stator and a rotatably mounted in an opening of the stator rotor.
  • a stator is usually provided as a stator, which usually provides a substantially circular opening for receiving ei ⁇ nes rotor designed as a rotor.
  • ⁇ ff- voltage of the rotor is disposed about an axis of rotation of the rotor rotatably ge ⁇ layered, wherein an air gap is formed between the rotor and the stator.
  • the rotary electric machine is a device that converts electrical energy into mechanical energy in a motor operation
  • Energy in particular kinetic energy, and / or in a Ge ⁇ nerator
  • the movement is usually a rotation that is performed by the runner.
  • Of the Stand is - in contrast to the rotor - usually arranged rotationally fixed, that is, the rotational movement is a rotational movement of the rotor relative to the stator.
  • the stator and the rotor are linked by means of a magnetic flux, whereby the motor effect, namely the torque is generated, which rotatably drives the rotor relative to the stator during engine operation.
  • the power supplied to the rotor mechanical energy in the form of a Rota ⁇ tion is converted into electrical energy.
  • ⁇ sen of the stator and the rotor each have a traversed by an electric current winding.
  • Rotary electrical machines of the generic type are, for example, rotary field machines, which are connected to a multi-phase, in particular three-phase, electrical alternating voltage network, such as asynchronous machines, synchronous machines, synchronous machines with damper cage or the like, or even DC machines such as shunt or series machines or the like.
  • a special rotating electrical machine is the Asyn ⁇ chronmaschine, in which the rotor in a rotating magnetic field of the stator in the generator mode before or after running ⁇ motor operation.
  • the induction machine has a passive rotor, which can be shorted either permanently manner of a squirrel-cage rotor or cage rotor or falling ⁇ as, for example, in a slip-ring rotor.
  • Runners of the asynchronous are also excited with a different frequency, for example, in a double-fed ⁇ asynchronous machine or the like.
  • Single-phase operable asynchronous machines are for example the
  • the asynchronous machine is one of the most commonly used rotary electric machines today.
  • An advantage of asynchronous machines over other rotating electrical machines is that commutation by means of commutator and brushes can be avoided. Nevertheless, the operation of the asynchronous machine results in undesired system feedback, with respect to harmonics, which are caused inter alia by the intended operation of the asynchronous machine by the electrical current caused on the network side.
  • the asynchronous machine usually has as a main ingredient ⁇ share essentially the stand and the runners on.
  • electrical currents are guided in an axial direction, that is to say parallel to the axis of rotation of the rotor, on the air-gap side.
  • both the stator and, as a rule, also the rotor each have correspondingly designed windings, namely a stator winding on the stator side and a rotor winding on the rotor side.
  • the rotor winding may comprise one or more wire windings, one or more preformed coils, one or more cages formed of electrical conductors, in particular rods, combinations thereof or the like.
  • stacks of laminations are provided both on the stator side and on the rotor side, namely stan ⁇ der butter the stator lamination stack and rotor side of the rotor ⁇ sheet package.
  • the laminated cores in the axial direction according to the rotational axis are laminated, to undesirable effects, for example due to eddy current effects ⁇ and / or the like to reduce or even avoid entirely.
  • the winding is usually short-circuited within the rotor. It may, for example, comprise electrically conductive bar windings or the like. In a bar winding, axial ends of the electrically conductive bars are connected to the axial end. the shorted of the rotor, for example by means of a short-circuit ring or the like.
  • the mode of operation of the asynchronous machine is based on a rotating field generated by the stator winding, which is aligned substantially radially in the air gap between the stator and the rotor. To it to rich ⁇ uniform possible force on the rotor, a sinusoidal extending air gap field would be desirable. This would have to be provided by the stand Wick ⁇ development. At the same time, a favorable effect with regard to the network perturbations, in particular the harmonics could be achieved.
  • a rotor for the rotary electric machine with an improved effect in terms of network perturbations, in particular harmonics, and / or a drive effect is to be achieved.
  • a method, a rotor and a rotating electrical machine according to inde ⁇ Gigen claims are proposed with the invention.
  • the rotor winding is formed by means of an additive manufacturing process in Läufererblechpa- ket, at the same time with the formation of the
  • a material of at least one of the electrical conductors in particular transversely to a current-carrying direction determined by the at least one of the electrical conductors, and / or a cross-sectional area in a longitudinal direction of the at least one of the electrical conductors is changed.
  • the rotor winding provide at least two cages which are electrically insulated from one another, wherein sections guided in the rotor core package are provided by the respective different ones of the cages. ordered electrical conductors are arranged such that they have at least two mutually different distances in their longitudinal direction.
  • the rotor is designed according to the invention.
  • Example a good approximation to a sinusoidal design of the air gap field can be achieved. Namely, it is possible by the additive manufacturing method to easily form complex conductor structures as a rotor winding.
  • the conductor of the rotor winding need not necessarily be positioned exclusively in the area of the surface of the rotor, but it can also be provided conductors that sunk into the laminated core ⁇ assigns, in particular within the laminated core and are formed enclosed by this , This makes it possible to display almost any winding structure be ⁇ riding noted that allows to provide customized for a variety of ready for operation ⁇ conditions magnetic fields opened.
  • the efficiency can be improved, but also the formed in the air gap circumferential magnetic field of the sinusoidal shape can be better adapted, for example, to reduce system perturbations such as harmonics with respect to the mains or supply current or even completely avoided.
  • the laminated core may, for example, be provided correspondingly prior to the formation of the electrical conductors of the rotor winding, so that by means of the additive manufacturing driving only needs the rotor winding needs to be introduced into the rotor laminations.
  • the introduction of the Läu ⁇ ferwicklung can in this case preferably take place in the axial direction of the axis of rotation, for example, conductors of the stator winding are formed in layers in their axial extent and at the same time layer by layer the rotor ⁇ sheet package by adding respective individual sheets, which are also gradually added, completed the ⁇ the.
  • the electrical conductors of Läufer- development for the additive preparation processes are permanent access-ready, for example for a print head or ⁇ same, so that a reliable realization of the herstel ⁇ development of the rotor can be achieved.
  • the invention allows not only the head of the rotor winding, but also a suitable electrical insulation to benachbar ⁇ th electrical conductors of the rotor winding or other components, such as the laminated core or the like to realize. So there are no further steps he ⁇ required to provide a fully functional rotor for the rotating electrical machine can.
  • the rotor winding can also be designed in particular as at least two cages which are electrically insulated from one another.
  • a plurality of electrically isolated cages or at least damper loops within the rotor can be formed, which form the rotor winding, attenuate the specific of the respective harmonics of the air gap field or - depending on the operating state - even lent, the harmonics can be used for the intended machine function.
  • the harmonics can be used for the intended machine function.
  • the use of the additive manufacturing process opens up a large variety of shapes for the design of the rotor winding, in particular of the entire rotor. As a result, the production of the runner is no longer restricted, while For example, because no longer paid attention to it
  • Ver ⁇ can continue to be used, for example, a powder sintering or printing process printing with extruded construction materials, a stereo and / or the like.
  • ⁇ sondere are suitable as the additive manufacturing method, a 3D printing with powder (3DB), selective laser sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM) or the like.
  • 3DB 3D printing with powder
  • SLS selective laser sintering
  • SLM Selective Laser Melting
  • Individual or all electrical conductors of at least one cage can have a different distance from the axis of rotation via their axial orientation, for example, with respect to their extent toward a groove base. It is also possible for individual electrical conductors or else all electrical conductors of at least one cage to have a different distance from the latter, via their axial orientation, for example with regard to their extent to the cylindrical outer side of the rotor.
  • At least one of the electrical conductors by means of the additive manufacturing process is formed at least partially transversely to a direction of current determined by the at least one of the electrical conductors.
  • the formation of the at least one electrical conductor for example, at least if it is arranged, for example, substantially parallel to a longitudinal axis of the rotor, take place in the direction of a radial extension of the rotor.
  • the requirements may be determined, for example, by the magnetic field, network perturbations, efficiency and / or the like.
  • the at least one of the electrical conductors at least at the position determined by the at least one of the electrical conductors current-carrying direction having a layer structure with at least two layers of transverse having respective mutually different work ⁇ materials.
  • This allows to be able to embellish least one elec ⁇ tric conductors easily almost any respects ⁇ Lich technical requirements.
  • Due to the layer structure if necessary, special electrical properties can be achieved.
  • the rotor winding in particular the electrical conductors of the rotor winding, but also be made in a kind of sandwich construction. A layering provided thereby can be provided, for example, radially and / or tangentially.
  • Layers of the sandwich construction can be short-circuited via the respective short-circuit ring.
  • the at least two layers have different materials from each other ⁇ Liche, wherein the materials are, however, sufficiently suitable for conducting electrical current.
  • Each of the materials can be formed by a metal, an alloy, in particular of metals, but also by a composite material, an electrically conductive plastic and / or the like.
  • a gradual transition can also be provided, at least in the region of a layer boundary. It may be provided that a proportion of a first material of a first layer in the direction of an adjacent second layer gradually decreases in the transition area, whereas a portion of a second work ⁇ substance of the second layer gradually increases correspondingly in the transition region.
  • the transition can also extend over the entire adjacent layers.
  • a separate third material may be provided, which is different from the first and second material.
  • the third material may also be an electrically conductive substance.
  • the third material may be an insulating material.
  • the electrical conductors formed by layers insulated from one another can be assigned to different cages by cages which are insulated electrically from one another.
  • one of the layers is formed entirely from an insulating material.
  • the insulating material may be formed by an oxide of a metal, an electrically insulating synthetic and / or composite material, combinations thereof and / or the like.
  • the electrical insulation layer is formed by depositing an electrically insulating ceramic material.
  • the use of an electrically insulating ceramic material is particularly suitable for use in the aforementioned additive manufacturing process, since with the Same technology with which the electrical conductors of the rotor winding can be formed, the electrical insulation layer can be formed. It need here for ⁇ so only the used materials adapted accordingly to be selected and supplied to form the desired structure fits.
  • the electrical insulation layer may be formed natuer ⁇ Lich also at least partially formed by depositing an artificial material, so that the electric insulation ⁇ layer is formed by a suitable plastic.
  • the ceramic material can for example be a elekt ⁇ driven insulating oxide, such as alumina, Sili ⁇ dioxide, combinations thereof or the like.
  • the electrical insulation layer is formed by an upper ⁇ area of the conductor of the rotor winding at least partially chemically reacts with another substance to form the electrical insulating layer at least partially.
  • This can for example be achieved by making the surface to be insulated of the electrical conductor is applied to a suitable surface ⁇ mix fabric, so that a entspre ⁇ sponding insulating layer formed by a chemical reaction on the surface of the conductor.
  • the further substance is an oxidizing agent, in particular oxygen, which forms the electrical insulation layer by chemical reaction with a material of the electrical conductor.
  • the Oxi ⁇ dationsffen can be supplied by means of a suitable feed to the desired location to be isolated.
  • the oxidizing agent in particular gaseous form. It can be supplied by means of a suitable nozzle to the point to be isolated. It may also be provided that the oxidizing agent comprises an acid or the like.
  • a further embodiment of the invention provides that the rotor core is formed together with the rotor winding. The formation of the rotor core can also be carried out in layers.
  • the mutually insulated layers of Läufererblechpers can be made very thin in order to further reduce losses in normal operation can.
  • the additive manufacturing method it is namely possible to reduce the previously selected sheet thicknesses for the rotor sheets of Läufererblechpers.
  • the sheet metal thicknesses customary hitherto generally represent compromise values which enable a useful suppression of eddy current formation during normal operation with manageable production costs. Due to the additive manufacturing process, the sheet thickness can now be chosen much thinner because the individual sheets do not need to be made even in a separate manufacturing ⁇ method. Thereby, the efficiency of the rotary electric machine can be further improved.
  • the isolation of the individual layers of the rotor core can be provided that these are mutually electrically isolated by forming a ceramic insulating layer in order to suppress the formation Wirbelstromaus ⁇ effective.
  • a method can be used, as has already been explained above with respect to the Isolie ⁇ ren of the electrical conductor of the rotor winding.
  • a runner not only from a single type of sheet for the laminated core, but also a suitably selected different selection of types of sheets.
  • each sheet may differ from another and / or subsequent.
  • the runner has beveled conductors at least in a cage and if the runner additionally has cooling channels, then these cooling passages can also run parallel to the axis and need not be skewed.
  • the rotor winding is at least partially stabilized as electrically insulated cage and / or as a damper formed loop. This can be realized a squirrel-cage rotor for the rotating electrical machine Ma ⁇ ⁇ easily Wei se.
  • the rotor winding can be produced as a homogeneous one-piece component of the rotor. There is no need to provide additional electrical connections so that the reliability and resilience of the rotor can be improved. It may be pre- ⁇ see that the cage is designed to be electrically isolated only in the region of the Blechpa- kets. By contrast, a short-circuit ring of the cage can be designed, for example, without electrical insulation, in particular if it protrudes axially out of the laminated core. Of course, it can also be provided that the cage is formed entirely without electrical insulation.
  • a cage of the rotor winding basically has essentially approximately axially extending conductors, which are straight and / or may also be aligned beveled.
  • the electrical conductor at the opposite end faces of the rotor and / or optionally also interme ⁇ diär can be electrically contacted by means of short-circuit rings.
  • the runner can thus also be designed as a relay runner or Doppelstaffel ceremonyr.
  • the rotor has a plurality of cages, for example two, three or even more Kä ⁇ cages, which are preferably electrically insulated from one another and optionally also electrically insulated with respect to the rotor core, may for example be staggered a cage out ⁇ leads his and another cage also simply beveled.
  • the electrical conductors of the cages of the rotor winding can be arranged both side by side and / or radially one above the other and / or in the circumferential direction side by side in the same and / or different grooves of the rotor.
  • the grooves can be formed by a juxtaposition of stamped sheets of rotor laminations or by the addi ⁇ tive manufacturing process.
  • the respective shorting rings can be arranged both one inside the other and / or radially one below the other and / or axially one behind the other.
  • the conductors may have a substantially straight course.
  • the ad ⁇ ditive manufacturing process it is possible to realize this bent, curved or with other gradients.
  • a change of the cross section in a longitudinal extension of the electrical conductor of the rotor winding may also be provided.
  • At least one short-circuit ring is formed at one axial end of the rotor, on which a cooling unit, in particular projecting beyond an axial extension of the rotor core, is formed becomes.
  • the cooling unit is formed integrally with the short-circuit ring. It therefore need not be provided separate units for the purpose of cooling.
  • the cooling unit can be formed for example by the fact that the end face has at least one of the axial ends of the rotor of the short-circuit ring corresponding formations that he be formed ⁇ mulend means of the additive preparation process in one step, and with which a cooling function for the rotor can be achieved.
  • the formations may have a blade shape or the like.
  • corresponding channels for a cooling fluid are additionally formed by means of the additive manufacturing process in the rotor winding and / or in the rotor laminations.
  • such cooling channels can be provided in a suitable manner and at particularly preferred locations where they would not be feasible with conventional production methods.
  • very filigree cooling structures can be realized, which make it possible to cool the rotor in an improved manner according to a heat development during normal operation, so that the runner reaches a uniform temperature level, for example, in normal operation.
  • the cooling channels are designed for the guidance of a rotor externally supplied cooling fluid.
  • a further embodiment of the invention provides that the electrical conductor of the rotor winding is formed in a radially outwardly open groove of the laminated core and the groove is closed by means of a, in particular magnetic, slot closure, preferably manufactured by means of the additive Heinrichsver ⁇ procedure.
  • a, in particular magnetic, slot closure preferably manufactured by means of the additive Heinrichsver ⁇ procedure.
  • the slot closure can be formed simultaneously with the electrical conductor.
  • open slots of the rotor can be closed by magnetic slot closures, which can lead to fewer fluctuations in the magnetic conductance, which fewer harmonics and fewer losses, for example, tooth pulsation losses, in particular when using a Zahnwick ⁇ ment, can be achieved.
  • the slot closure can be made by means of the additive manufacturing process.
  • upstream of the slot seal can also be designed for flush cylindricity ⁇ rule surface of the rotor, whereby a noise during normal operation of the rotary electric machine can be reduced. Even damping windings can be produced additively in this way.
  • the cage in a squirrel cage can be adapted to an almost any number of pole pairs of the stator be ⁇ or as to adapt to this.
  • the invention makes it possible to better limit upper field torques to a narrow speed range, wherein, for example, a Oberfeldsattel can run very sharp.
  • the field torques depend in particular on the number of rotor slots, and as a rule they can become stronger as the number of rotor slots increases.
  • the electrical conductor of the rotor winding is arranged in a plane which extends outside of an axis of rotation of the rotor.
  • the axis of rotation of the rotor need not be in this embodiment in the plane in which the electrical conductor of the rotor winding is arranged in this embodiment.
  • At least one of the electrical conductors of the rotor winding in the rotor laminations be formed such that a predetermined Oberwellenwirwir ⁇ kung provided with respect to a magnetic field of the stator of the electric ⁇ rule machine in normal operation becomes.
  • the harmonic effect can be adjusted in a predeterminable manner.
  • a further development provides that a dimension of Wenig ⁇ least one of the electrical conductors, in particular transversely to egg ner by the at least one of the electrical conductors certain current-flow direction is changed.
  • the current-carrying direction corresponds to a longitudinal extent of the electrical conductor.
  • the at least one of the electrical conductors can thus preferably have at least two mutually different cross-sectional areas in a longitudinal extension direction of the at least one of the electrical conductors.
  • a cross-sectional area of at least one of the electrical conductors in a longitudinal extension direction of the at least one of the electrical conductors is changed during manufacture by means of the additive manufacturing method.
  • rotating electrical machines such as the asynchronous machine, in particular with squirrel cage, due to the requirement-related complexity can be produced by the additive manufacturing process. It can thus for examples play additional cages compared to a traditional cage ⁇ runners will be arranged provided to dampen harmonics.
  • combinations of beveled conductor bars with non-tapered conductor bars can be realized as a rotor winding with the invention.
  • the winding of the stator can also be realized with tooth coils, whereby automation over a star-yoke-package arrangement is possible.
  • harmonics for example, a distance between two electrical conductors of the rotor winding of a cage or a damper loop is equal to an even number of half-waves of the harmonics to be suppressed.
  • a distance may be 4/5 of a pole pitch.
  • several Kä ⁇ fige be prepared for the rotor winding within the rotor.
  • the electrical conductor of the rotor winding such as conductor bars and shorting rings, the insulation between the electrical conductors and the laminated core as well as optionally between different electrical conductors in a groove of the rotor, and / or the magnetic field leading parts, in particular the laminated core produced by additive manufacturing process become.
  • different materials are used.
  • a cage may basically be made of not only one but also multiple electrically conductive materials such as copper, aluminum, silver, alloys thereof, and / or the like. When selecting the materials, different coefficients of expansion can also be taken into account. A gradual transition from one material to another material can reduce tension.
  • the respective electrical conductors in particular conductor bars, can be used both for the fundamental and for occurring
  • harmonics of the air gap field separated from each other in Läu ⁇ ferblechp and / or nested elekt ⁇ driven from each other are arranged isolated.
  • Conductor cross sections of the electrical conductors can depend, inter alia, on the expected current strengths or the expected startup behavior, for example of a current displacement rotor.
  • the harmonics usually have a dependent on their atomic number deviant rotational speed.
  • the Umlaufge ⁇ speed is usually just so large that the Mag ⁇ netfelder just in a period of the mains voltage their wavelength lenlen. Due to the different Umlaufge ⁇ speed, a constantly changing form of Ge ⁇ felfeldes a. Different cages within the rotor can therefore be optimized for different operating points.
  • At least two cages are formed, of which a first of the cages of the cage, a second-stage ⁇ is formed for an effect with respect to a harmonic for an effect with respect to a fundamental wave and.
  • a first of the cages of the cage a second-stage ⁇ is formed for an effect with respect to a harmonic for an effect with respect to a fundamental wave and.
  • an appropriately adjusted cage is provided for each harmonic to be be taken into ⁇ can be provided.
  • a third, a fourth or an nth cage can be additionally formed.
  • each of the Kä ⁇ fige is designed tuned to another harmonic.
  • the electrical lead for the first cage is made with a larger conductor cross-section than the electrical lead for the second cage.
  • a power of the fundamental wave is significantly greater than a power of one or more of the harmonics.
  • the power of the harmonics decreases with increasing atomic number.
  • conductor cross sections of the cages adapted to the respective harmonics can also be reduced. This can not only saves material for the conductor, but it can also additional more space for the guiding of the magnetic field provided ⁇ the, for example by the rotor core is formed in addition in this space, or the like, despite the plurality of cages.
  • it made it ⁇ light is precisely the process procedure according to the invention in the UN Difference to the prior art, easily provide a variety of different cages in the rotor.
  • the cages can also have very fine structures, such as filigree structures.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a rotating electric machine with a squirrel cage along an axis of rotation of the rotor
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view in the region of an end face of the rotor according to FIG. 2;
  • 5 is a schematic sectional view in the region of the front end of the rotor according to FIG 4;
  • 6 is a schematic sectional view of a stator for the squirrel cage rotor according to one of the preceding embodiments, wherein the stator has tooth coils according to a configuration as a two-pole rotary electric machine; in a schematic representation of a diagram by means of which the magnetic field in the air gap over the circumference is represented by bars; a schematic cross-sectional illustration of a detail of the cage rotor according to one of the prior figures ⁇ forth transverse to the rotational axis of the rotor in the region of an air gap; a schematic perspective view of an electrical conductor of the rotor winding of a squirrel cage, wherein the electrical conductor ⁇ layer is produced radially from the inside
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a rotating electrical machine 10, which is presently designed as Asyn chronmaschine for connection to a three-phase Wech ⁇ selhardsnetz, and a stand 12th has, which is arranged rotationally fixed.
  • the stator 12 has a stator core 34, in which a stator winding 36 is arranged.
  • the stator windings 36 show the winding heads 18 protruding along the stator core 34 on the long side.
  • the section in Figure 1 is quietly vorlie ⁇ a longitudinal section along a rotational axis 30 of a Läu ⁇ fers 14, which is designed as a squirrel-cage rotor.
  • the rotor 14 is arranged rotatably reasonable in the induction machine 10, and rotatably fixed via bearings, not shown ⁇ against to the stator 12 in position.
  • the rotor 14 has a rotor core 16, which comprises a rotor winding 20.
  • the rotor winding 20 comprises electrical conductors 22, which are formed as rods.
  • At the front ends 38 of the rotor core 16 each short-circuiting ring units 28 are provided by means of which the electrical conductors 22 (FIG 3, 5,8) are each electrically coupled to each other frontally to form cages.
  • the rotor 14 also has a rotor shaft 40, which serves for connection to a rotatable mechanical device.
  • the rotatable mechanical means may comprise a ⁇ be undesirables function, for example, a drive function for an industrial machine, an electrically powered motor vehicle and / or the like.
  • the mechanical device may of course also be a combustion engine, a wind turbine and / or the like.
  • the squirrel-cage can be supplied to 14 mechanical energy in the form of rotational movement, so that the asynchronous machine can be operated in a generator mode 10, or the asynchronous machine 10 can apply by about elekt ⁇ generic to their connected electric power grid energy and the rotor 14 and the Läu ⁇ ferwelle 40 provide a torque during engine operation.
  • FIG. 2 shows a schematic end view of a first embodiment of the asynchronous machine 10 according to FIG. 1, with the rotor 14 each having two short-circuit rings at the end 24, 26, which form the shorting ring unit 28.
  • the formation of the short-circuit rings 24, 26 is present at the same time on both end faces of the rotor 14.
  • the short-circuit rings 24, 26 are arranged radially one above the other so that the short-circuit ring 26 is surrounded radially by the short-circuit ring 24.
  • FIG 3 illustrates this Ausgestal ⁇ tion.
  • the short-circuit ring 24 has axially projecting air blades 32. With these air blades 32, an air guide can be generated, which serves the frontal cooling of the rotor 14.
  • the short-circuit rings 24, 26 are each connected to the electrical conductors 22.
  • the electrical conductors 22 are designed as rod conductors and protrude axially beyond the front end 38 of the rotor core 16 at a distance a.
  • the short-circuit rings 24, 26 are therefore not directly in contact with the rotor laminations 16.
  • the electrical conductors 22 are each connected in the circumferential direction alternately with one of the short-circuit rings 24, 26 electrically conductive.
  • electrically insulated cages can be provided to one another, which, as will be explained below, result in an improved function of the asynchronous machine 10.
  • FIG 8 shows schematically in a fragmentary cross-sectional view of a section in the region of the air gap between the stator 12 and the rotor 14.
  • the electrical conductors 22 are formed as Stablei- ter. Alternately, the electrical Lei ⁇ ter 22 are each electrically connected to the short-circuit ring 24 or the short-circuit ring 26.
  • the electrical conductors 22 are alsobil ⁇ det in grooves 44 of the rotor core 16, which are radially outwardly open and extending substantially in the axial direction parallel to the axis of rotation 30 of the Läu ⁇ fers 14. In the present case, it is provided that the grooves are formed axially parallel to the rotation axis 30, but it can also be provided that the grooves are opposite the rotation axis.
  • axis 30 of the rotor 14 are formed slanted.
  • Slanting can vary depending on the application for the asynchronous machine 10.
  • FIG. 2 shows an alternative second embodiment for the shorting ring unit 28 according to FIG. 1.
  • a first shorting ring 24 receives a second shorting ring 26, so that the second shorting ring 26 inside the shorting ring 24 is arranged.
  • the short-circuit rings 24, 26 are electrically insulated from each other by means of an electrical insulation layer 46.
  • the electrical insulation layer 46 is present ⁇ formed by an electrically insulating oxide layer.
  • the electrical insulation layer 46 is manufactured using an additive manufacturing method for manufacturing the rotor 14.
  • 5 shows in a pronouncedba ⁇ ren view as Figure 3 shows a longitudinal section along the axis of rotation 30 of the rotor 14 in the region of the front end 38 of the rotor core 16.
  • the short-circuit ring 26 frontally accessible radially.
  • the short-circuit ring 26 can also be completely surrounded by the material of the short-circuit ring 24.
  • FIG 6 shows a schematic representation of an embodiment of the stator 12 of the asynchronous machine 10 according to FIG 1. From FIG 6 it can be seen that the stator 12 the
  • Stator core 34 has, which is equipped with tooth coils 18 ⁇ , which form the stator winding 36.
  • tooth coils 18 ⁇ which form the stator winding 36.
  • the formation of a bipolar Asynchronous machine 10 tooth coils are provided in the circumferential direction, which are connected to form a rotating field according to the three-phase electrical power grid.
  • the three-phase energy supply network can basically also be provided by a suitably designed converter, which in turn is connected to an electrical supply network, an electrical energy store, for example a high-voltage battery, and / or the like.
  • Each of the number coils 18 has a yoke 50 which extends axially in the direction of the axis of rotation 30. As a result, a respective tooth is formed.
  • the yoke 50 is bordered by electrical conductors 52 which are traversed in the opposite direction by the same electrical current during normal operation and form a respective coil 18 of the stator winding 36. Characterized a magnetic field is generated in a predeterminable manner along the extension of the yoke 50, which is introduced into an air gap 48 (FIG 8). Via the air gap 48, the field runs in the rotor 14, and here in particular in the rotor laminations 16, so that the desired ⁇ te electromagnetic concatenation can be effected.
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of a bar diagram which schematically illustrates the magnetic field generated in the circumferential direction by the stator 12 in the region of the air gap 48 according to FIG.
  • ⁇ ⁇ a half Um ⁇ running phase is characterized in relation to the pole pitch.
  • the individual bars can each be assigned to individual tooth coils 18.
  • the bars 1 to 12 shown in FIG. 7 are also variable according to the temporal variability. When subjected to a three-phase AC mains voltage of 50 Hz, the bars 1 to 12 change in time accordingly. As a result, the stand according to FIG. 6 provides a corresponding rotating rotating field.
  • the bar chart thus shows the magnetic field ⁇ at a fixed time.
  • FIG. 8 a section in the region of the air gap 48 is shown in a cross-sectional view transversely to the axis of rotation 30. It can be seen that, compared to twelve tooth coils 18 of the stator 12, thirteen trapezoidal bars are provided on the rotor side as electrical conductors 22 on the rotor side.
  • the electrical conductors 22 are - as already explained above - alternately connected to one of the short-circuit rings 24, 26 electrically conductively.
  • Each of the electrical conductors 22 is formed in a radially outwardly open longitudinal groove 44 of the rotor core 16.
  • each of the electric conductor 22 is layer 46 from the rotor core 16 by an electrical insulation electrically insulated manner ⁇ arranged.
  • the electrical conductors 22 as well as the electrical insulation layer 46 are produced by means of an additive manufacturing process.
  • the rotor core 16 is prepared by making individual sheets of the rotor core 16. This can be done by punching or the like. Then, the individual sheets of the rotor core 16 are provided with a non-illustrated electrical insulation layer.
  • a first of the two short-circuit ring units 28 is first produced by means of selective laser melting (SLS) as an additive manufacturing method by predeterminably depositing copper in order to produce the short-circuit rings 24, 26.
  • SLS selective laser melting
  • the electrical conductors 22, in this case the trapezoidal conductor bars, are then formed step by step. With the progress of forming the electrical conductor ⁇ rule 22, the individual sheets of the rotor core 16 are inserted and so in a continuous working process ⁇ the entire rotor is produced fourteenth To provide the reliable function, during the formation of the electrical conductors 22, their surface is provided with an electrical insulation layer 46.
  • the short-circuit rings 24, 26 can be provided on the front side with air guide vanes, such as the air blades 32.
  • air guide vanes such as the air blades 32.
  • a stray flux is also indicated schematically by the reference numeral 42.
  • This stray flux 42 can be reduced by the second cage winding, which is formed electrically insulated from the first cage winding, so that an overall improvement in the function of the asynchronous machine 10 can be achieved.
  • FIG. 9 shows a schematic perspective view of an electrical conductor 54 of a rotor winding of a squirrel-cage rotor, not shown further.
  • the electrical conductor 54 is produced in layers radially from the inside to the outside by means of the additive manufacturing process.
  • the electrical conductor 54 has a longitudinal axis 56, in which an electrical current is conducted in a normal operation.
  • the electrical conductor 54 can be produced at the desired position by depositing individual layers along the longitudinal axis 56 by means of the additive manufacturing method.
  • Such an electrical conductor 54 is shown in FIG. Basically, of course, a blank with a smaller than the desired diameter can be provided, which is then constructed by means of the additive manufacturing process to the desired geometry and size.
  • FIG 10 shows a detail of a schematic section view in a radially outer region of a rotor core 16 of a squirrel-cage rotor.
  • the portion shown includes a groove 44 in which a layer-produced by means of the additive Her ⁇ alternate method of electrical conductors is disposed 54th Due to the additive manufacturing method, the electrical conductor 54 has a layer structure of layers 60 which are arranged one above the other in the groove 44 in the radial direction of the squirrel-cage rotor. In the present case, the layers 60 directly adjoin one another and are not electrically insulated from one another in this embodiment. Not shown in FIG 10 is that the electrical conductor 54, however, is arranged electrically insulated from Läu ⁇ ferblechMulti 16.
  • the individual layers 60 may basically be formed from the same material. In this embodiment, however, it is provided that the individual layers 60 have mutually different materials. Thus, it is provided that the lowermost or radially innermost layer 60 is essentially formed from copper. The top Bezie ⁇ hung radially outermost layer 60, however, is in the materiality loan formed of aluminum. Intermediate layers
  • the groove 44 is, after the electric conductor 54 has been positioned in the groove 44 by means of the additive preparation process, ver radially outwardly by means of a slot seal 58 ⁇ closed.
  • the slot closure 58 is also produced by the additive manufacturing method.
  • the factory ⁇ material a magnetizable material is present vorgese ⁇ hen.
  • a non-magnetizable material for example a Plastic, in particular a composite material, but also combinations thereof or the like.
  • FIG. 11 shows a detail of a schematic section view in a radially outer region of a squirrel-cage rotor.
  • a groove 44 of a Läufererblechpers 16 two mutually electrically insulated electrical conductors 62, 64 of different electrically isolated cages of a squirrel cage are arranged.
  • the electrical conductor 64 has first been introduced into the groove 44 by means of the additive manufacturing method.
  • an electrical insulation layer 66 is then applied by means of the additive manufacturing process.
  • the electrical conductor is then also by the additive manufacturing method of the generic elekt ⁇ insulating layer 66 62 ⁇ be applied.
  • the groove 44 is - as already explained for Substituted ⁇ staltung shown in FIG 10 - closed by a Nutverschlus ⁇ ses 58th
  • the electrical insulation of the electrical conductors 62, 64 to LäufererblechMulti 16 is not shown.
  • it can also be produced by means of the additive manufacturing method, either before the electrical conductors 62, 64 have been introduced into the groove 44 or even during this.
  • the individual electrical conductors 62, 64 may also have a layer structure-as already explained with reference to FIG. 10.
  • 62 64 is the Läu ⁇ ferblechMP 16 and thus the groove 44 prior to insertion of the electrical conductors 54, already exist. But it can also be provided that the rotor core 16 is formed to ⁇ equal to the electrical conductors 54, 62, 64 and any electrical insulation means of the additive manufacturing process.
  • the invention can of course also be applied to the stator of the rotary electric machine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Abstract

Käfigläufer für eine rotierende elektrische Maschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Läufers (14) für eine rotierende elektrische Maschine (10), bei dem zumindest eine Läuferwicklung (20) in ein Läuferblechpaket (16) des Läufers (14) elektrisch isoliert eingebracht wird, wobei die Läuferwicklung (20) zumindest teilweise mittels eines additiven Herstellverfahrens im Läuferblechpaket (16) als elektrisch isolierter Käfig und/oder als eine Dämpferschleife ausgebildet wird, wobei zugleich mit dem Ausbilden der Läuferwicklung (20) zwischen einem elektrischen Leiter (22) der Läuferwicklung (20) und dem Läuferblechpaket (16) und/oder zwischen benachbart angeordneten Leitern (22) der Läuferwicklung (20) eine elektrische Isolationsschicht (46) ausgebildet wird.

Description

EIN LÄUFER UND HERSTELLEN EINES LÄUFERS EINER ROTIERENDEN ELEKTRISCHEN MASCHINE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Läufers für eine rotierende elektrische Maschine, bei dem zu¬ mindest eine Läuferwicklung in ein Läuferblechpaket des Läu¬ fers elektrisch isoliert eingebracht wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Läufer für eine rotierende elektrische
Maschine, mit einem Läuferblechpaket, zumindest einer Läufer¬ wicklung, die in das Läuferblechpaket elektrisch isoliert eingebracht und als elektrisch isolierter Käfig und/oder als eine Dämpferschleife ausgebildet ist, und einer zwischen we- nigstens einem elektrischen Leiter der Läuferwicklung und dem Läuferblechpaket und/oder zwischen benachbart angeordneten elektrischen Leitern der Läuferwicklung ausgebildeten elektrischen Isolationsschicht. Schließlich betrifft die Erfindung auch eine rotierende elektrische Maschine mit einem Ständer und einem in einer Öffnung des Ständers drehbar gelagerten Läufer .
Gattungsgemäße elektrische Maschinen sowie Läufer hierfür sind dem Grunde nach im Stand der Technik bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Bei einer rotierenden elektrischen Maschine ist in der Regel ein Ständer als Stator vorgesehen, der üblicherweise eine im Wesentlichen kreisförmige Öffnung zur Aufnahme ei¬ nes als Rotor ausgebildeten Läufers bereitstellt. In der Öff- nung ist der Läufer um eine Drehachse des Läufers drehbar ge¬ lagert angeordnet, wobei zwischen dem Läufer und dem Ständer ein Luftspalt ausgebildet ist.
Die rotierende elektrische Maschine ist eine Vorrichtung, die in einem Motorbetrieb elektrische Energie in mechanische
Energie, insbesondere Bewegungsenergie, und/oder in einem Ge¬ neratorbetrieb mechanische Energie in eine elektrische Ener¬ gie umwandelt. Bei der Bewegung handelt es sich in der Regel um eine Drehbewegung, die vom Läufer ausgeführt wird. Der Ständer ist - im Unterschied zum Läufer - in der Regel drehfest angeordnet, das heißt, bei der Drehbewegung handelt es sich um eine Drehbewegung des Läufers gegenüber dem Ständer .
Der Ständer und der Läufer sind mittels eines magnetischen Flusses verkettet, wodurch im Motorbetrieb die Kraftwirkung, nämlich das Drehmoment erzeugt wird, die den Läufer gegenüber dem Ständer drehend antreibt. Im Generatorbetrieb wird die dem Läufer zugeführte mechanische Energie in Form einer Rota¬ tion in elektrische Energie umgewandelt. Zu diesem Zweck wei¬ sen der Ständer und der Läufer jeweils eine von einem elektrischen Strom durchflossene Wicklung auf. Rotierende elektrische Maschinen der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise Drehfeldmaschinen, die an ein mehrphasiges, insbesondere dreiphasiges, elektrisches Wechselspannungsnetz angeschlossen sind, wie beispielsweise Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen, Synchronmaschinen mit Dämpferkäfig oder dergleichen, oder auch Gleichstrommaschinen wie Nebenschlussoder Reihenschlussmaschinen oder dergleichen.
Eine besondere rotierende elektrische Maschine ist die Asyn¬ chronmaschine, bei der der Läufer in einem rotierenden Mag- netfeld des Ständers im Generatorbetrieb vor- oder im Motor¬ betrieb nachläuft. Die Asynchronmaschine weist einen passiven Läufer auf, der entweder permanent nach Art eines Kurzschlussläufers beziehungsweise Käfigläufers oder auch fall¬ weise kurzgeschlossen werden kann, beispielsweise bei einem Schleifringläufer . Bei Einsatz im Generatorbetrieb kann der
Läufer der Asynchronmaschine auch mit einer abweichenden Frequenz erregt werden, beispielsweise bei einer doppelt ge¬ speisten Asynchronmaschine oder dergleichen. Einphasig betreibbare Asynchronmaschinen sind beispielsweise der
Kondensatormotor, der Spaltpolmotor, der Anwurfmotor oder dergleichen . Die Asynchronmaschine ist heutzutage eine der am häufigsten verwendeten rotierenden elektrischen Maschinen. Ein Vorteil von Asynchronmaschinen gegenüber anderen rotierenden elektrischen Maschinen ist, dass eine Kommutierung mittels Kommuta- tor und Bürsten vermieden werden kann. Gleichwohl ergibt sich durch den Betrieb der Asynchronmaschine eine unerwünschte Netzrückwirkung, und zwar in Bezug auf Oberwellen, die unter anderem durch den bestimmungsgemäßen Betrieb der Asynchronmaschine durch den netzseitig bewirkten elektrischen Strom ver- ursacht werden.
Die Asynchronmaschine weist üblicherweise als Hauptbestand¬ teile im Wesentlichen den Ständer und den Läufer auf. In den Wicklungen des Läufers und des Ständers werden elektrische Ströme im Wesentlichen in eine axiale Richtung, das heißt, parallel zur Drehachse des Läufers luftspaltseitig geführt. Zu diesem Zweck weisen sowohl der Ständer als in der Regel auch der Läufer jeweils entsprechend ausgebildete Wicklungen auf, nämlich ständerseitig eine Ständerwicklung und läufer- seitig eine Läuferwicklung. Die Läuferwicklung kann eine oder mehrere Drahtwicklungen, eine oder mehrere Formspulen, einen oder mehrere aus elektrischen Leitern, insbesondere Stäben, gebildete Käfige, Kombinationen hiervon oder dergleichen umfassen. Zur gewünschten Führung des durch die Wicklungen be- reitgestellten magnetischen Felds sind sowohl ständerseitig als auch läuferseitig Blechpakete vorgesehen, und zwar stän¬ derseitig das Ständerblechpaket und läuferseitig das Läufer¬ blechpaket. Üblicherweise sind die Blechpakete in axialer Richtung gemäß der Drehachse geblecht ausgeführt, um uner- wünschte Wirkungen, beispielsweise aufgrund von Wirbelstrom¬ effekten und/oder dergleichen, zu reduzieren oder sogar gänzlich zu vermeiden.
Bei einem Kurzschluss- beziehungsweise Käfigläufer ist die Wicklung in der Regel innerhalb des Läufers kurzgeschlossen. Sie kann beispielsweise elektrisch leitfähige Stabwicklungen oder dergleichen aufweisen. Bei einer Stabwicklung sind axiale Enden der elektrisch leitfähigen Stäbe an den axialen En- den des Läufers kurzgeschlossen, beispielsweise mittels eines Kurzschlussrings oder dergleichen. Die Wirkungsweise der Asynchronmaschine basiert auf einem durch die Ständerwicklung erzeugten Drehfeld, welches im Luftspalt zwischen dem Ständer und dem Läufer im Wesentlichen radial ausgerichtet ist. Um eine möglichst gleichmäßige Kraftwirkung auf den Läufer er¬ reichen zu können, wäre ein sinusförmig verlaufendes Luftspaltfeld wünschenswert. Dieses müsste durch die Ständerwick¬ lung bereitgestellt werden. Zugleich könnte dadurch eine günstige Wirkung hinsichtlich der Netzrückwirkungen, insbesondere der Oberwellen erreicht werden.
Bei den derzeit praktisch realisierbaren Asynchronmaschinen sind hierbei jedoch enge Grenzen gesetzt. Durch die bisher üblichen Fertigungsverfahren, das heißt, das Anordnen von elektrisch leitfähigen Stäben in radial nach außen offenen Nuten des Läuferblechpakets kann zwar durch die Anzahl der Stäbe ein gewisser Einfluss erreicht werden, jedoch sind die Möglichkeiten der Beeinflussung begrenzt.
Darüber hinaus wurde bereits auch versucht, zusätzliche elek¬ trische leitfähige Stäbe innerhalb des Blechpakets einzubrin¬ gen. Jedoch erwies sich dieses Vorgehen als fertigungstechnisch außerordentlich aufwändig, sodass sich diese Technik bislang kaum durchsetzen konnte.
Schließlich wurde auch versucht, durch Sehnungsfaktoren eines gesehnten Wicklungssystems des Ständers die Oberwellen zu re¬ duzieren, um das Luftspaltfeld einer Sinusform angleichen zu können. Ein solches Wicklungssystem benötigt aber aufgrund der stirnseitigen Schaltungsanordnung einen hohen Kupferaufwand, der nicht zur Antriebswirkung der Asynchronmaschine beiträgt und damit die Effizienz der Asynchronmaschine teil¬ weise deutlich reduziert. Eine Verbesserung diesbezüglich kann zwar mit konzentrierten Wicklungen, beispielsweise Zahnspulen, erreicht werden, jedoch verschlechtert sich dadurch die Situation in Bezug auf die Oberwellen des Luftspaltfel¬ des . Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Her¬ stellungsverfahren für einen Läufer, einen Läufer sowie eine rotierende elektrische Maschine zu verbessern. Insbesondere soll ein Läufer für die rotierende elektrische Maschine mit einer verbesserten Wirkung in Bezug auf Netzrückwirkungen, insbesondere Oberwellen, und/oder einer Antriebswirkung erreicht werden. Als Lösung werden mit der Erfindung ein Verfahren, ein Läufer sowie eine rotierende elektrische Maschine gemäß den unabhän¬ gigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Läuferwicklung mittels eines additiven Herstellverfahrens im Läuferblechpa- ket ausgebildet wird, wobei zugleich mit dem Ausbilden der
Läuferwicklung zwischen einem elektrischen Leiter der Läuferwicklung und dem Blechpaket und/oder zwischen benachbart angeordneten elektrischen Leitern der Läuferwicklung eine elektrische Isolationsschicht ausgebildet wird.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Läufers wird gemäß einem ersten Aspekt insbesondere vorgeschlagen, dass ein Werkstoff von wenigstens einem der elektrischen Leiter, insbesondere quer zu einer durch den wenigstens einen der elektrischen Leiter bestimmten Stromführungsrichtung, und/oder eine Querschnittsfläche in einer Längserstreckungsrichtung des wenigstens einen der elektrischen Leiter verändert ist.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Läufers wird gemäß einem zweiten Aspekt insbesondere vorgeschlagen, dass die Läuferwicklung wenigstens zwei voneinander elektrisch isolierte Käfige bereitstellt, wobei im Läuferblechpaket geführte Ab¬ schnitte von den jeweiligen unterschiedlichen der Käfige zu- geordneten elektrischen Leitern derart angeordnet sind, dass sie in ihrer Längserstreckungsrichtung wenigstens zwei voneinander unterschiedliche Abstände aufweisen. Bezüglich einer gattungsgemäßen rotierenden elektrischen Maschine wird insbesondere vorgeschlagen, dass der Läufer gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, nahezu beliebige Ausgestaltungen der Läuferwicklung zu realisieren, insbesondere auf einfache Weise mehrere Läuferwicklungen auszubilden, die vorzugsweise auch voneinander elektrisch isoliert ausge¬ bildet sein können. Dadurch kann gezielt auf das Magnetfeld im Luftspalt der rotierenden elektrischen Maschine Einfluss genommen werden, sodass durch geeignete Leiteranordnung zum
Beispiel eine gute Annäherung an eine sinusförmige Ausbildung des Luftspaltfeldes erreicht werden kann. Durch das additive Herstellverfahren ist es nämlich möglich, auf einfache Weise auch komplexe Leiterstrukturen als Läuferwicklung auszubil- den. So brauchen die Leiter der Läuferwicklung nicht mehr zwingend im Bereich der Oberfläche des Läufers ausschließlich positioniert zu sein, sondern es können darüber hinaus auch Leiter vorgesehen sein, die in das Blechpaket versenkt ange¬ ordnet, insbesondere auch innerhalb des Blechpakets und von diesem umschlossen ausgebildet sind. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, eine nahezu beliebige Wicklungsstruktur be¬ reitzustellen, die es erlaubt, für verschiedenste Betriebsbe¬ dingungen angepasste Magnetfelder bereitzustellen. Somit kann nicht nur der Wirkungsgrad verbessert, sondern auch das im Luftspalt ausgebildete umfängliche Magnetfeld der Sinusform besser angepasst werden, um beispielsweise Netzrückwirkungen wie Oberwellen in Bezug auf den Netzstrom beziehungsweise Versorgungsstrom zu reduzieren oder sogar gänzlich zu vermeiden .
Dabei kann das Blechpaket beispielsweise vor dem Ausbilden der elektrischen Leiter der Läuferwicklung entsprechend bereitgestellt sein, sodass mittels des additiven Herstellver- fahrens lediglich noch die Läuferwicklung in das Läuferblechpaket eingebracht zu werden braucht. Das Einbringen der Läu¬ ferwicklung kann hierbei vorzugsweise in axialer Richtung der Drehachse erfolgen, wobei beispielsweise Leiter der Ständer- wicklung schichtweise in ihrer axialen Erstreckung ausgebildet werden und zugleich entsprechend schichtweise das Läufer¬ blechpaket durch Hinzufügen jeweiliger einzelner Bleche, welche ebenfalls schrittweise ergänzt werden, komplettiert wer¬ den. Auf diese Weise sind die elektrischen Leiter der Läufer- wicklung für das additive Herstellverfahren permanent Zugriffsbereit, beispielsweise für einen Druckkopf oder der¬ gleichen, sodass eine zuverlässige Realisierung der Herstel¬ lung des Läufers erreicht werden kann. Zugleich ermöglicht es die Erfindung, nicht nur die Leiter der Läuferwicklung, son- dern auch eine geeignete elektrische Isolation zu benachbar¬ ten elektrischen Leitern der Läuferwicklung oder anderer Komponenten, beispielsweise des Blechpakets oder dergleichen, zu realisieren. Es sind also keine weiteren Arbeitsschritte er¬ forderlich, um einen vollständig funktionsfähigen Läufer für die rotierende elektrische Maschine bereitstellen zu können.
Durch das additive Herstellverfahren kann die Läuferwicklung insbesondere auch als wenigstens zwei voneinander elektrisch isolierte Käfige ausgebildet werden. So können auf einfache Weise zum Beispiel auch mehrere elektrisch voneinander isolierte Käfige oder zumindest Dämpferschleifen innerhalb des Läufers ausgebildet werden, die die Läuferwicklung bilden, die spezifische der jeweiligen Oberwellen des Luftspaltfeldes dämpfen oder aber - je nach Betriebszustand - es sogar ermög- liehen, die Oberwellen für die bestimmungsgemäße Maschinenfunktion genutzt werden können. Darüber hinaus lässt sich natürlich auch ein Einkäfigläufer herstellen, der lediglich einen einzigen Käfig als Läuferwicklung aufweist. Durch die Nutzung des additiven Herstellverfahrens eröffnet sich ein großer Formenschatz für die Ausgestaltung der Läuferwicklung, insbesondere des gesamten Läufers. Dadurch ist die Herstellung des Läufers nicht mehr eingeschränkt, bei- spielsweise weil nicht mehr darauf geachtet zu werden
braucht, ob zum Beispiel bei einem Hybridläufer ein elektrischer Leiter der Läuferwicklung in Form eines Stabes aus Kupfer in eine Nut des Läuferblechpaketes einlegt ist oder nicht. Es braucht auch nicht mehr darauf geachtet zu werden, ob beim Gießen eines Käfigs aus Aluminium alle Nuten auch mit Aluminium ausgegossen sind. Insbesondere braucht eine Nutform zur Verbesserung des Gießens nicht mehr geändert zu werden. Auch unterschiedliche Schmelzpunkte aufgrund der Nutzung von Kupfer in Verbindung mit Aluminium bei dem Hybridläufer, beispielsweise mit Kupferstäben und Aluminiumguss , sind durch die Nutzung des additiven Fertigungsverfahrens im Wesentli¬ chen unbeachtlich. Als additives Herstellverfahren können unterschiedliche Ver¬ fahren zum Einsatz kommen, beispielsweise ein Sinter- oder Pulverdruckverfahren, ein Drucken mit extrudierten Baumaterialien, eine Stereolithographie und/oder dergleichen. Insbe¬ sondere eignen sich als additives Herstellungsverfahren ein 3D-Drucken mit Pulver (3DB) , selektives Lasersintern (SLS) , selektives Laserschmelzen (SLM) oder dergleichen. Diese additiven Herstellverfahren eignen sich besonders für die Herstellung des Läufers. Bezüglich der Herstellverfahren wird ergänzend auf 3D-Drucken von Petra Fastermann verwiesen, Ver- lag Springer Viehweg, 2014.
Einzelne oder alle elektrischen Leiter zumindest eines Käfigs können über deren axiale Ausrichtung zum Beispiel bezüglich ihrer Erstreckung hin zu einem Nutgrund einen unterschiedli- chen Abstand von der Drehachse haben. Es ist auch möglich, dass einzelne elektrische Leiter oder auch alle elektrischen Leiter zumindest eines Käfigs über deren axiale Ausrichtung zum Beispiel bezüglich ihrer Erstreckung zur zylindrischen Außenseite des Läufers einen unterschiedlichen Abstand zu dieser aufweisen.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass wenigstens einer der elektrischen Leiter mittels des additiven Herstellverfahrens zumindest teilweise quer zu einer durch den wenigstens einen der elektrischen Leiter bestimmten Stromführungsrichtung ausgebildet wird. So kann das Ausbilden des wenigstens einen elektrischen Leiters beispielsweise, zumindest wenn er zum Beispiel im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Läufers angeordnet ist, in Richtung einer radialen Erstre- ckung des Läufers erfolgen. Dies erlaubt es, den wenigstens einen elektrischen Leiter, insbesondere hinsichtlich seiner Geometrie, in vielfältigster Weise flexibel gestalten zu kön- nen, um unterschiedlichste Anforderungen realisieren zu können. Die Anforderungen können zum Beispiel durch das Magnetfeld, Netzrückwirkungen, Wirkungsgrad und/oder dergleichen bestimmt sein.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der wenigstens eine der elektrischen Leiter zumindest quer zu der durch den wenigstens einen der elektrischen Leiter bestimmten Stromführungsrichtung eine Schichtstruktur mit wenigstens zwei Schichten aufweist, die jeweilige voneinander unterschiedliche Werk¬ stoffe aufweisen. Dies erlaubt es, den wenigstens einen elek¬ trischen Leiter auf einfache Weise nahezu beliebig hinsicht¬ lich technischer Anforderungen ausgestalten zu können. Durch die Schichtstruktur können gegebenenfalls besondere elektrische Eigenschaften erreicht werden. Unter anderem kann die Läuferwicklung, insbesondere die elektrischen Leiter der Läuferwicklung, aber auch in einer Art Sandwichbauweise hergestellt werden. Eine hierdurch bereitgestellte Schichtung kann zum Beispiel radial und/oder tangential vorgesehen sein.
Schichten der Sandwichbauweise können über den jeweiligen Kurzschlussring kurzgeschlossen sein.
Die wenigstens zwei Schichten weisen voneinander unterschied¬ liche Werkstoffe auf, wobei die Werkstoffe sich jedoch zur Führung von elektrischem Strom hinreichend eignen sollen. Je- der der Werkstoffe kann durch ein Metall, eine Legierung, insbesondere von Metallen, aber auch durch einen Verbundwerkstoff, einen elektrisch leitfähigen Kunststoff und/oder dergleichen gebildet sein. So kann zum Beispiel eine der wenigs- tens zwei Schichten aus Kupfer und eine andere der wenigstens zwei Schichten aus Aluminium aufweisen. Es brauchen keine ausgeprägten Schichtgrenzen vorhanden zu sein. Es kann nämlich auch ein gradueller Übergang zumindest im Bereich einer Schichtgrenze vorgesehen sein. So kann vorgesehen sein, dass im Übergangsbereich ein Anteil eines ersten Werkstoffs einer ersten Schicht in Richtung einer angrenzenden zweiten Schicht graduell abnimmt, wohingegen ein Anteil eines zweiten Werk¬ stoffs der zweiten Schicht im Übergangsbereich graduell ent- sprechend zunimmt. Der Übergang kann sich auch über die gesamten angrenzenden Schichten erstrecken. Darüber hinaus kann im Übergangsbereich auch ein separater dritter Werkstoff vorgesehen sein, der vom ersten und zweiten Werkstoff verschieden ist. Der dritte Werkstoff kann ebenfalls ein elektrisch leitfähiger Stoff sein.
Vorteilhaft kann zwischen zwei benachbart ausgebildeten
Schichten eine elektrische Isolationsschicht ausgebildet sein. Die Schichten brauchen dann nicht mit dem gleichen elektrischen Potential beaufschlagt zu sein. Insofern kann also auch der dritte Werkstoff ein Isolationswerkstoff sein. Besonders vorteilhaft können die durch voneinander isolierte Schichten gebildeten elektrischen Leiter unterschiedlichen Käfigen von voneinander elektrisch isolierten Käfigen zuge- ordnet sein.
Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass eine der Schichten vollständig aus einem Isolationswerkstoff gebildet ist. Der Isolationswerkstoff kann durch ein Oxid eines Metalls, einen elektrisch isolierenden Kunst- und/oder Verbundwerkstoff, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen gebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die elektrische Isolationsschicht durch Abscheiden eines elektrisch isolierenden keramischen Werkstoffs ausgebildet wird. Die Nutzung eines elektrisch isolierenden keramischen Werkstoffs eignet sich besonders für die Verwendung bei den vorgenannten additiven Herstellverfahren, da sich mit der gleichen Technologie, mit der auch die elektrischen Leiter der Läuferwicklung ausgebildet werden können, die elektrische Isolationsschicht ausgebildet werden kann. Es brauchen hier¬ für also nur die verwendeten Materialien entsprechend ange- passt gewählt und zugeführt zu werden, um die gewünschte Struktur auszubilden.
Grundsätzlich kann die elektrische Isolationsschicht natür¬ lich auch zumindest teilweise durch Abscheiden eines Kunst- Stoffs ausgebildet sein, sodass die elektrische Isolations¬ schicht durch einen geeigneten Kunststoff ausgebildet wird. In diesem Fall wäre jedoch bezüglich des additiven Herstellverfahrens ein entsprechender zusätzlicher Aufwand vorzusehen, der das Verarbeiten von Kunststoff ergänzend berücksich- tigt. Der keramische Werkstoff kann beispielsweise ein elekt¬ risch isolierendes Oxid, beispielsweise Aluminiumoxid, Sili¬ ziumdioxid, Kombinationen hiervon oder dergleichen sein.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die elekt- rische Isolationsschicht ausgebildet wird, indem eine Ober¬ fläche des Leiters der Läuferwicklung zumindest teilweise mit einem weiteren Stoff chemisch reagiert, um die elektrische Isolationsschicht zumindest teilweise auszubilden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die zu isolierende Oberfläche des elektrischen Leiters mit einem geeigneten che¬ mischen Stoff beaufschlagt wird, sodass sich eine entspre¬ chende Isolationsschicht durch eine chemische Reaktion an der Oberfläche des Leiters ausbildet. So ist es beispielsweise möglich, bei der Ausbildung eines elektrischen Leiters aus Aluminium seine zu isolierende Oberfläche in Bezug auf be¬ nachbarte elektrische Leiter beziehungsweise das Blechpaket mit einer geeignet ausgebildeten Aluminiumoxidschicht zu ver¬ sehen, indem während des Ausbildungsprozesses des elektri¬ schen Leiters an den Stellen, an denen die elektrische Isola- tion ausgebildet werden soll, Sauerstoff zugeführt wird, da¬ mit durch die Reaktion mit dem Aluminium des elektrischen Leiters eine Aluminiumoxidschicht gebildet wird, die eine elektrische Isolation bereitstellt. Auch weitere chemische Paarungen können vorgesehen sein, um eine geeignete elektrische Isolation bereitstellen zu können. Je nach Spannungsfestigkeit kann eine entsprechende Expositionszeit für die che¬ mische Reaktion vorgesehen sein. Darüber hinaus kann abhängig von der bereitzustellenden Spannungsfestigkeit auch eine ent¬ sprechende Auswahl der geeigneten Stoffe vorgesehen sein.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der weitere Stoff ein Oxidationsmittel , insbesondere Sauerstoff, ist, welches durch chemische Reaktion mit einem Werkstoff des elektrischen Leiters die elektrische Isolationsschicht ausbildet. Das Oxi¬ dationsmittel kann mittels einer geeigneten Zuführeinheit an die gewünschte zu isolierende Stelle zugeführt werden. Vor¬ zugsweise ist das Oxidationsmittel fluid, insbesondere gas- förmig. Es kann mittels einer geeigneten Düse zu der zu isolierenden Stelle zugeführt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Oxidationsmittel eine Säure oder dergleichen umfasst . Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Läuferblechpaket gemeinsam mit der Läuferwicklung ausgebildet wird. Das Ausbilden des Läuferblechpakets kann ebenfalls schichtweise erfolgen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die gegenüber einander isolierten Schichten des Läuferblechpakets sehr dünn ausgebildet werden können, um Verluste im bestimmungsgemäßen Betrieb weiter reduzieren zu können. Durch das additive Herstellverfahren ist es nämlich möglich, auch die bisher gewählten Blechstärken für die Läuferbleche des Läuferblechpakets zu reduzieren. Die bisher üblichen Blechstär- ken stellen in der Regel Kompromisswerte dar, die eine brauchbare Unterdrückung der Wirbelstromausbildung im bestimmungsgemäßen Betrieb bei überschaubarem Fertigungsaufwand ermöglichen. Durch das additive Herstellverfahren kann die Blechstärke nun sehr viel dünner gewählt werden, weil die einzelnen Bleche nicht selbst in einem separaten Fertigungs¬ verfahren hergestellt zu werden brauchen. Dadurch kann der Wirkungsgrad der rotierenden elektrischen Maschine weiter verbessert werden. Dabei kann auch für die Isolation der ein- zelnen Schichten des Läuferblechpakets vorgesehen sein, dass diese durch Ausbilden einer keramischen Isolationsschicht gegeneinander elektrisch isoliert sind, um die Wirbelstromaus¬ bildung wirksam zu unterdrücken. Hierfür kann ein Verfahren genutzt werden, wie es bereits zuvor in Bezug auf das Isolie¬ ren des elektrischen Leiters der Läuferwicklung erläutert wurde .
Durch die Verwendung des additiven Herstellverfahrens ist es somit möglich, einen Läufer nicht nur aus einem einzigen Typ von Blech für das Blechpaket aufzubauen, sondern auch eine geeignet ausgewählte unterschiedliche Auswahl von Typen von Blechen. So kann sich jedes Blech von einem anderen und/oder nachfolgenden unterscheiden. Weist der Läufer beispielsweise geschrägte Leiter zumindest in einem Käfig auf und weist der Läufer zusätzlich Kühlkanäle auf, so können diese Kühlkanäle auch achsparallel verlaufen und brauchen nicht geschrägt zu sein . Besonders vorteilhaft wird die Läuferwicklung zumindest teil¬ weise als elektrisch isolierter Käfig und/oder als eine Dämpferschleife ausgebildet. Dadurch lässt sich auf einfache Wei¬ se ein Kurzschlussläufer für die rotierende elektrische Ma¬ schine realisieren. So kann die Läuferwicklung als ein homo- genes einstückiges Bauteil des Läufers hergestellt werden. Es brauchen keine zusätzlichen elektrischen Verbindungen vorgesehen zu werden, sodass die Zuverlässigkeit und Beanspruch- barkeit des Läufers verbessert werden können. Es kann vorge¬ sehen sein, dass der Käfig lediglich im Bereich des Blechpa- kets elektrisch isoliert ausgebildet ist. Ein Kurzschlussring des Käfigs kann dagegen beispielsweise ohne eine elektrische Isolation ausgebildet sein, insbesondere wenn er axial aus dem Blechpaket herausragt. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass der Käfig gänzlich ohne eine elektrische Isolation ausgebildet wird.
Ein Käfig der Läuferwicklung weist grundsätzlich im Wesentlichen etwa axial verlaufende Leiter auf, die gerade und/oder auch geschrägt ausgerichtet sein können. Je nach Konstruktion können die elektrischen Leiter an den gegenüberliegenden Stirnseiten des Läufers und/oder gegebenenfalls auch interme¬ diär mittels Kurzschlussringen elektrisch kontaktiert sein. Der Läufer kann somit auch als Staffelläufer oder Doppelstaffelläufer ausgebildet sein. Weist der Läufer eine Mehrzahl von Käfigen auf, beispielsweise zwei, drei oder auch mehr Kä¬ fige, die vorzugsweise elektrisch gegeneinander isoliert und gegebenenfalls auch gegenüber dem Läuferblechpaket elektrisch isoliert sind, kann zum Beispiel ein Käfig gestaffelt ausge¬ führt sein und ein weiterer Käfig auch einfach geschrägt.
Die elektrischen Leiter der Käfige der Läuferwicklung können sowohl ineinander und/oder radial übereinander und/oder in Umfangsrichtung betrachtet nebeneinander in der gleichen und/oder verschiedenen Nuten des Läufers angeordnet sein. Die Nuten können durch eine Aneinanderreihung gestanzter Bleche des Läuferblechpakets gebildet sein oder auch durch das addi¬ tive Herstellverfahren.
Bei mehreren Käfigen können die jeweiligen Kurzschlussringe sowohl ineinander und/oder auch radial untereinander und/oder axial hintereinander angeordnet sein. Bei Doppelkäfigläufern, Doppelnutmehrfachkäfigläufern, Doppelnutläufern, Hochnutläufern, Hochstabläufern und/oder dergleichen, können die Leiter einen im Wesentlichen geraden Verlauf aufweisen. Durch die Erfindung, insbesondere das ad¬ ditive Herstellverfahren ist es jedoch möglich, diese auch gebogen, gekrümmt oder mit anderen Verläufen zu realisieren. Auch eine Änderung des Querschnitts in einer Längserstreckung des elektrischen Leiters der Läuferwicklung kann vorgesehen sein . Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass an einem axialen Ende des Läufers wenigstens ein Kurzschlussring ausgebildet wird, an dem eine, insbesondere über eine axiale Erstreckung des Läuferblechpakets hinausragende, Kühleinheit ausgebildet wird. Vorzugsweise ist die Kühleinheit einstückig mit dem Kurzschlussring ausgebildet. Es brauchen also keine separaten Einheiten zum Zwecke des Kühlens vorgesehen zu werden. Die Kühleinheit kann beispielsweise dadurch gebildet sein, dass stirnseitig an wenigstens einem der axialen Enden des Läufers der Kurzschlussring entsprechende Ausformungen aufweist, die mittels des additiven Herstellverfahrens in einem Schritt er¬ gänzend ausgebildet werden, und mit denen eine Kühlfunktion für den Läufer erreicht werden kann. Die Ausformungen können eine Schaufelform oder dergleichen aufweisen. Darüber hinaus kann natürlich vorgesehen sein, dass mittels des additiven Herstellverfahrens in der Läuferwicklung und/oder im Läuferblechpaket entsprechende Kanäle für ein Kühlfluid ergänzend ausgebildet werden. Mittels des additiven Herstellverfahrens können nämlich solche Kühlkanäle in geeigneter Weise und an besonders bevorzugten Stellen vorgesehen werden, an denen sie mit konventionellen Herstellverfahren nicht realisierbar wären. Insbesondere können natürlich sehr filigrane Kühlstrukturen realisiert werden, die es erlauben, den Läufer in ver- besserter Weise entsprechend einer Wärmeentwicklung im bestimmungsgemäßen Betrieb kühlen zu können, sodass der Läufer im bestimmungsgemäßen Betrieb beispielsweise ein möglichst gleichmäßiges Temperaturniveau erreicht. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle für die Führung eines läuferextern zuführbaren Kühlfluids ausgebildet sind.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der elektrische Leiter der Läuferwicklung in einer radial nach außen offenen Nut des Blechpakets ausgebildet und die Nut mittels eines, insbesondere magnetischen, Nutverschlusses, vorzugsweise hergestellt mittels des additiven Herstellver¬ fahrens, verschlossen wird. Dadurch kann eine verbesserte Magnetfeldformung für das Luftspaltfeld erreicht werden, um eine Oberwellenausbildung zu reduzieren. Der Nutverschluss kann gleichzeitig mit dem elektrischen Leiter ausgebildet werden. Beispielsweise können offene Nuten des Läufers durch magnetische Nutverschlüsse geschlossen werden, was zu weniger Schwankungen des magnetischen Leitwertes führen kann, wodurch weniger Oberwellen und weniger Verluste, beispielsweise Zahn- pulsationsverluste, insbesondere bei Einsatz einer Zahnwick¬ lung, erreicht werden können. Auch der Nutverschluss kann mittels des additiven Herstellverfahrens gefertigt sein. Vor- zugsweise kann der Nutverschlusses auch bündig zur zylindri¬ schen Oberfläche des Läufers ausgebildet sein, wodurch eine Geräuschentwicklung im bestimmungsgemäßen Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine reduziert werden kann. Auch Dämpfungswicklungen können auf diese Weise additiv herge- stellt werden.
Grundsätzlich kann der Käfig bei einem Käfigläufer an eine nahezu beliebige Polpaarzahl des Ständers angepasst sein be¬ ziehungsweise sich an diese anpassen.
Die Erfindung ermöglicht es, Oberfelddrehmomente auf einen engen Drehzahlbereich besser beschränken zu können, wobei zum Beispiel ein Oberfeldsattel sehr spitz verlaufen kann. Die Oberfelddrehmomente hängen insbesondere von der Läufernuten- zahl ab, wobei sie in der Regel mit zunehmender Läufernutenzahl stärker werden können.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der elektrische Leiter der Läuferwicklung in einer Ebene angeordnet wird, die sich au- ßerhalb einer Drehachse des Läufers erstreckt. Die Drehachse des Läufers braucht bei dieser Ausgestaltung also nicht in der Ebene zu sein, in der der elektrische Leiter der Läuferwicklung angeordnet ist. Dadurch kann die Wirkung in Bezug auf die Oberwellen sowie auch eine Wirkung in Bezug auf ein etwaiges Verrasten beim Anlaufen der rotierenden elektrischen Maschine reduziert oder sogar vermieden werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass wenigstens einer der elektrischen Leiter der Läuferwicklung im Läuferblechpaket derart ausgebildet wird, dass eine vorgegebene Oberwellenwir¬ kung in Bezug auf ein Magnetfeld des Ständers der elektri¬ schen Maschine im bestimmungsgemäßen Betrieb bereitgestellt wird. Dadurch kann die Oberwellenwirkung in vorgebbarer Weise angepasst werden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine Abmessung des wenigs¬ tens einen der elektrischen Leiter, insbesondere quer zu ei- ner durch den wenigstens einen der elektrischen Leiter bestimmten Stromführungsrichtung, verändert wird. In der Regel entspricht die Stromführungsrichtung einer Längserstreckung des elektrischen Leiters. Diese Ausgestaltung erlaubt es, den elektrischen Leiter spezifisch an eine erforderliche Strom- führung anzupassen. So kann zum Beispiel eine Stromdichteverteilung quer zur Stromführungsrichtung zur Auslegung der jeweiligen Querschnittsfläche herangezogen werden. Hierdurch kann beispielsweise eine Stromverdrängung oder dergleichen berücksichtigt werden. Der wenigstens eine der elektrischen Leiter kann somit vorzugsweise in einer Längserstreckungs- richtung des wenigstens einen der elektrischen Leiter wenigstens zwei voneinander verschiedene Querschnittsflächen aufweisen . Insbesondere wird vorgeschlagen, dass eine Querschnittsfläche von wenigstens einem der elektrischen Leiter in einer Längs- erstreckungsrichtung des wenigstens einen der elektrischen Leiter beim Herstellen mittels des additiven Herstellverfahrens verändert wird.
Insgesamt können rotierenden elektrischen Maschinen wie die Asynchronmaschine, insbesondere mit Käfigläufer, aufgrund der anforderungsbedingten Komplexität durch das additive Herstellverfahren hergestellt werden. Es können dadurch zum Bei- spiel zusätzliche Käfige gegenüber einem klassischen Käfig¬ läufer anordbar vorgesehen werden, um Oberwellen zu dämpfen. Ebenso können mit der Erfindung Kombinationen von geschrägten Leiterstäben mit nicht geschrägten Leiterstäben als Läuferwicklung realisiert werden. Ferner kann die Wicklung des Ständers auch mit Zahnspulen realisiert werden, wodurch eine Automatisierung gegenüber einer Stern-Joch-Paket-Anordnung möglich ist. Bei einer Berücksichtigung von Oberwellen ist zum Beispiel ein Abstand zweier elektrischer Leiter der Läuferwicklung eines Käfigs oder einer Dämpferschleife gleich einer geraden Anzahl von Halbwellen der zu unterdrückenden Oberwellen.
Eventuell können auch mehrere voneinander isolierte Hin- und Rückleiter vorgesehen sein. Ein Abstand kann zum Beispiel 4/5 einer Polteilung betragen. Somit können durch das additive Herstellverfahren, auch 3-D-Technologie genannt, mehrere Kä¬ fige für die Läuferwicklung innerhalb des Läufers hergestellt werden. Dabei können der elektrische Leiter der Läuferwicklung, beispielsweise Leiterstäbe und Kurzschlussringe, die Isolation zwischen den elektrischen Leitern und dem Blechpaket sowie auch gegebenenfalls zwischen unterschiedlichen elektrischen Leitern in einer Nut des Läufers, und/oder die magnetfeldführenden Teile, insbesondere das Blechpaket, durch additive Herstellverfahren hergestellt werden. Vorzugsweise kommen unterschiedliche Materialien zum Einsatz. Dies betrifft beispielsweise die elektrischen Leiter und die jewei¬ ligen Kurzschlussringe, die erst durch das additive Herstell- verfahren beziehungsweise Drucken entstehen. Ein Käfig kann dem Grunde nach nicht nur aus einem sondern auch aus mehreren elektrisch leitfähigen Materialien wie Kupfer, Aluminium, Silber, Legierungen hiervon und/oder dergleichen hergestellt sein. Bei der Wahl der Materialien können auch unterschiedli- che Ausdehnungskoeffizienten berücksichtigt werden. Durch einen graduellen Übergang von einem Material zu einem anderen Material können Verspannungen reduziert werden.
Die jeweiligen elektrischen Leiter, insbesondere Leiterstäbe, können sowohl für die Grundwelle als auch für auftretende
Oberwellen des Luftspaltfeldes voneinander getrennt im Läu¬ ferblechpaket und/oder ineinander verschachtelt jedoch elekt¬ risch voneinander isoliert angeordnet werden. Leiterquerschnitte der elektrischen Leiter können unter anderem von den zu erwartenden Stromstärken oder dem zu erwartenden Anlaufverhalten, beispielsweise eines Stromverdrängungsläufers, ab¬ hängen . Die Oberwellen haben in der Regel eine von ihrer Ordnungszahl abhängige abweichende Umlaufgeschwindigkeit. Die Umlaufge¬ schwindigkeit ist üblicherweise gerade so groß, dass die Mag¬ netfelder in einer Periode der Netzspannung gerade ihre Wel- lenlänge zurücklegen. Durch die unterschiedliche Umlaufge¬ schwindigkeit stellt sich eine dauernd ändernde Form des Ge¬ samtfeldes ein. Unterschiedliche Käfige innerhalb des Läufers können deshalb für unterschiedliche Betriebspunkte optimiert sein .
Es wird ferner vorgeschlagen, dass wenigstens zwei Käfige ausgebildet werden, von denen ein erster der Käfige für eine Wirkung in Bezug auf eine Grundwelle und ein zweiter der Kä¬ fige für eine Wirkung in Bezug auf eine Oberwelle ausgebildet wird. Dadurch ist es möglich, den Läufer individuell in Bezug auf eine Wechselwirkung mit Oberwellen auszubilden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass für jede Oberwelle, die be¬ rücksichtigt werden soll, ein entsprechend angepasster Käfig bereitgestellt wird. So kann neben dem zweiten Käfig ergän- zend auch ein dritter, ein vierter beziehungsweise ein n-ter Käfig ausgebildet werden. Vorzugsweise ist dann jeder der Kä¬ fige auf eine andere Oberwelle abgestimmt ausgebildet.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der elektrische Lei- ter für den ersten Käfig mit einen größeren Leiterquerschnitt als der elektrische Leiter für den zweiten Käfig hergestellt wird. Dies berücksichtigt, dass in der Regel eine Leistung der Grundwelle deutlich größer als eine Leistung einer oder mehrerer der Oberwellen ist. Häufig nimmt die Leistung der Oberwellen mit zunehmender Ordnungszahl ab. Entsprechend können auch Leiterquerschnitte der an die jeweiligen Oberwellen angepassten ausgebildeten Käfige reduziert werden. Dadurch kann nicht nur Material für die Leiter eingespart werden, sondern es kann trotz der Mehrzahl der Käfige auch zusätzli- eher Raum für das Führen des Magnetfeldes bereitgestellt wer¬ den, beispielsweise indem in diesem Raum das Läuferblechpaket ergänzend ausgebildet wird oder dergleichen. Weiterhin ermög¬ licht es gerade die erfindungsgemäße Verfahrensführung im Un- terschied zum Stand der Technik, auf einfache Weise eine Vielzahl von unterschiedlichen Käfigen im Läufer vorzusehen. Die Käfige können auch sehr feine Strukturen, beispielsweise filigrane Strukturen, aufweisen.
Weitere Merkmale und Vorteile sind der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funkti¬ onen. Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläute- rung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
Es zeigen: eine schematische Schnittansicht einer rotierenden elektrischen Maschine mit einem Käfigläufer entlang einer Drehachse des Läufers;
FIG 2 eine schematische Stirnseitenansicht eines ersten
Käfigläufers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit zwei voneinander elektrisch isoliert ausgebil¬ deten Käfigen sowie zwei radial übereinander angeordneten Kurzschlussringen hergestellt mit einem
Herstellverfahren der Erfindung;
FIG 3 eine schematische Schnittansicht im Bereich eines stirnseitigen Endes des Läufers gemäß FIG 2;
FIG 4 eine schematische Stirnseitenansicht eines zweiten
Käfigläufers mit zwei voneinander elektrisch iso¬ liert ausgebildeten Käfigen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei die Kurzschlussringe der Käfige ineinander angeordnet sind, hergestellt mit dem Herstellverfahren der Erfindung; FIG 5 eine schematische Schnittdarstellung im Bereich des stirnseitigen Endes des Läufers gemäß FIG 4; FIG 6 eine schematische Schnittdarstellung eines Ständers für den Käfigläufer gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, wobei der Ständer Zahnspulen entsprechend einer Ausgestaltung als zweipolige ro- tierende elektrische Maschine aufweist; in einer schematischen Darstellung ein Diagramm, mittels welchem das Magnetfeld im Luftspalt über den Umfang verteilt durch Balken dargestellt ist; eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts des Käfigläufers gemäß einer der vor¬ hergehenden Figuren quer zur Drehachse des Läufers im Bereich eines Luftspalts; eine schematische perspektivische Ansicht eines elektrischen Leiters der Läuferwicklung eines Käfigläufers, wobei der elektrische Leiter schicht¬ weise radial von innen nach außen mittels des addi¬ tiven Herstellverfahrens hergestellt wird; einen Ausschnitt einer schematischen Schnittansicht in einem radial äußeren Bereich einer Nut eines Käfigläufers, wobei in der Nut ein schichtweise mit¬ tels des additiven Herstellverfahrens hergestellter elektrischer Leiter angeordnet ist; und einen Ausschnitt einer schematischen Schnittansicht in einem radial äußeren Bereich einer Nut eines Käfigläufers, wobei in der Nut zwei voneinander elek¬ trisch isolierte elektrische Leiter von unterschiedlichen voneinander elektrisch isolierten Käfigen eines Käfigläufers angeordnet sind.
FIG 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine rotierende elektrische Maschine 10, die vorliegend als Asyn chronmaschine für einen Anschluss an ein dreiphasiges Wech¬ selspannungsnetz ausgebildet ist, und die einen Ständer 12 aufweist, der drehfest angeordnet ist. Der Ständer 12 weist ein Ständerblechpaket 34 auf, in welchem eine Ständerwicklung 36 angeordnet ist. In FIG 1 sind von der Ständerwicklung 36 die längsseitig über das Ständerblechpaket 34 hinausragenden Wicklungsköpfe 18 sichtbar. Der Schnitt in FIG 1 ist vorlie¬ gend ein Längsschnitt entlang einer Drehachse 30 eines Läu¬ fers 14, der als Käfigläufer ausgebildet ist.
Der Läufer 14 ist in der Asynchronmaschine 10 drehbar ange- ordnet und über nicht weiter dargestellte Lagerungen gegen¬ über dem Ständer 12 in seiner Position drehbar festgelegt. Der Läufer 14 weist ein Läuferblechpaket 16 auf, welches eine Läuferwicklung 20 umfasst. Die Läuferwicklung 20 umfasst elektrische Leiter 22, die als Stäbe ausgebildet sind. An stirnseitigen Enden 38 des Läuferblechpakets 16 sind jeweils Kurzschlussringeinheiten 28 vorgesehen, mittels denen die elektrischen Leiter 22 (FIG 3, 5,8) stirnseitig jeweils elektrisch miteinander gekoppelt sind, um Käfige zu bilden. Der Läufer 14 weist ferner eine Läuferwelle 40 auf, die zur Verbindung mit einer rotierbaren mechanischen Einrichtung dient. Die rotierbare mechanische Einrichtung kann eine be¬ liebige Funktion aufweisen, beispielsweise eine Antriebsfunktion für eine Industriemaschine, ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug und/oder dergleichen. Darüber hinaus kann die mechanische Einrichtung natürlich auch ein verbrennungskraft- betriebener Motor, ein Windrad und/oder dergleichen sein. Je nach Betriebsart kann dem Käfigläufer 14 mechanische Energie in Form der Drehbewegung zugeführt werden, so dass die Asyn- chronmaschine 10 in einem Generatormodus betrieben werden kann, oder die Asynchronmaschine 10 kann durch über das an ihr angeschlossene elektrische Energieversorgungsnetz elekt¬ rische Energie beziehen und über den Läufer 14 und die Läu¬ ferwelle 40 ein Drehmoment im Motorbetrieb bereitstellen.
FIG 2 zeigt in einer schematischen Stirnseitenansicht eine erste Ausgestaltung für die Asynchronmaschine 10 gemäß FIG 1, wobei der Läufer 14 jeweils stirnseitig zwei Kurzschlussringe 24, 26 aufweist, die die Kurzschlussringeinheit 28 bilden. Die Ausbildung der Kurzschlussringe 24, 26 ist an beiden Stirnseiten des Läufers 14 vorliegend gleich vorgesehen. Die Kurzschlussringe 24, 26 sind vorliegend radial übereinander angeordnet, sodass der Kurzschlussring 26 vom Kurzschlussring 24 radial umfasst ist. FIG 3 verdeutlicht diese Ausgestal¬ tung. Zu erkennen ist ferner, dass der Kurzschlussring 24 axial hervorstehende Luftschaufeln 32 aufweist. Mit diesen Luftschaufeln 32 kann eine Luftführung erzeugt werden, die der stirnseitigen Kühlung des Läufers 14 dient.
Aus FIG 3 ist ferner ersichtlich, dass die Kurzschlussringe 24, 26 jeweils an die elektrischen Leiter 22 angeschlossen sind. Die elektrischen Leiter 22 sind vorliegend als Stablei- ter ausgebildet und ragen axial über das stirnseitige Ende 38 des Läuferblechpakets 16 mit einem Abstand a hinaus. Die Kurzschlussringe 24, 26 stehen deshalb nicht unmittelbar in Kontakt mit dem Läuferblechpaket 16. Die elektrischen Leiter 22 sind jeweils in Umfangsrichtung abwechselnd mit jeweils einem der Kurzschlussringe 24, 26 elektrisch leitend verbunden. Dadurch können voneinander elektrisch isolierte Käfige bereitgestellt werden, die, wie im Folgenden noch erläutert werden wird, eine verbesserte Funktion der Asynchronmaschine 10 nach sich ziehen.
FIG 8 zeigt schematisch in einer ausschnittsweisen Querschnittsdarstellung einen Ausschnitt im Bereich des Luftspalts zwischen dem Ständer 12 und dem Läufer 14. Aus FIG 8 ist ersichtlich, dass die elektrischen Leiter 22 als Stablei- ter ausgebildet sind. Abwechselnd sind die elektrischen Lei¬ ter 22 jeweils mit dem Kurzschlussring 24 oder dem Kurzschlussring 26 elektrisch leitend verbunden. Die elektrischen Leiter 22 sind in Nuten 44 des Läuferblechpakets 16 ausgebil¬ det, die radial nach außen offen sind und sich im Wesentli- chen in axialer Richtung parallel zur Drehachse 30 des Läu¬ fers 14 erstrecken. Vorliegend ist zwar vorgesehen, dass die Nuten achsparallel zur Drehachse 30 ausgebildet sind, jedoch kann auch vorgesehen sein, dass die Nuten gegenüber der Dreh- achse 30 des Läufers 14 geschrägt ausgebildet sind. Die
Schrägung kann je nach Anwendung für die Asynchronmaschine 10 variieren .
FIG 4 zeigt nun in einer Ansicht wie FIG 2 eine alternative zweite Ausgestaltung für die Kurzschlussringeinheit 28 gemäß FIG 1. Bei der Ausgestaltung gemäß FIG 4 ist vorgesehen, dass ein erster Kurzschlussring 24 einen zweiten Kurzschlussring 26 aufnimmt, sodass der zweite Kurzschlussring 26 innerhalb des Kurzschlussrings 24 angeordnet ist. Die Kurzschlussringe 24, 26 sind mittels einer elektrischen Isolationsschicht 46 elektrisch voneinander isoliert. Die elektrische Isolations¬ schicht 46 ist vorliegend durch eine elektrisch isolierende Oxidschicht gebildet. Die elektrische Isolationsschicht 46 wird unter Nutzung eines additiven Herstellverfahrens zum Herstellen des Läufers 14 hergestellt.
Auf diese Weise werden im Übrigen auch die elektrischen Leiter 22, die an die unterschiedlichen Kurzschlussringe 24, 26 angeschlossen sind, elektrisch von diesen und auch gegenüber einander sowie auch gegenüber dem Läuferblechpaket 16 vonei¬ nander elektrisch isoliert. FIG 5 zeigt in einer vergleichba¬ ren Darstellung wie FIG 3 einen Längsschnitt entlang der Drehachse 30 des Läufers 14 im Bereich des stirnseitigen Endes 38 des Läuferblechpakets 16. Vorliegend ist der Kurz- schlussring 26 stirnseitig radial zugänglich. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Kurzschlussring 26 natürlich auch vollständig vom Werkstoff des Kurzschlussrings 24 um- fasst sein. Mittels des additiven Herstellverfahrens sind hier weite Konstruktionsmöglichkeiten eröffnet, sodass die Kurzschlussringeinheit 28 an unterschiedlichste Anforderungen bedarfsgerecht mit großer Präzision angepasst werden kann.
FIG 6 zeigt nun in einer schematischen Darstellung eine Ausgestaltung für den Ständer 12 der Asynchronmaschine 10 gemäß FIG 1. Aus FIG 6 ist ersichtlich, dass der Ständer 12 das
Ständerblechpaket 34 aufweist, welches mit Zahnspulen 18 aus¬ gerüstet ist, welche die Ständerwicklung 36 ausbilden. Vorliegend ist vorgesehen, dass zur Ausbildung einer zweipoligen Asynchronmaschine 10 Zahnspulen in Umfangsrichtung vorgesehen sind, die zur Ausbildung eines Drehfeldes entsprechend an das dreiphasige elektrische Energieversorgungsnetz angeschlossen sind. Dem Grunde nach kann das dreiphasige Energieversor- gungsnetz jedoch auch durch einen geeignet ausgebildeten Umrichter bereitgestellt sein, der seinerseits an ein elektrisches Versorgungsnetz, einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise eine Hochvoltbatterie, und/oder dergleichen angeschlossen ist.
Jede der Zahlenspulen 18 weist ein Joch 50 auf, welches sich axial in Richtung der Drehachse 30 erstreckt. Dadurch wird ein jeweiliger Zahn gebildet. Das Joch 50 ist durch elektrische Leiter 52 eingefasst, die in entgegengesetzter Richtung vom gleichen elektrischen Strom durchflössen werden im bestimmungsgemäßen Betrieb und eine jeweilige Spule 18 der Ständerwicklung 36 bilden. Dadurch wird in vorgebbarer Weise entlang der Erstreckung des Jochs 50 ein Magnetfeld erzeugt, welches in einen Luftspalt 48 (FIG 8) eingebracht wird. Über den Luftspalt 48 verläuft das Feld in den Läufer 14, und hier insbesondere in das Läuferblechpaket 16, sodass die gewünsch¬ te elektromagnetische Verkettung bewirkt werden kann.
Anzumerken ist, dass es sich natürlich bei dem Magnetfeld so- wie auch dem die elektrischen Leiter 52 durchströmenden Strom um zeitlich veränderliche Größen handelt.
FIG 7 zeigt in einer schematischen grafischen Darstellung ein Balkendiagramm, welches das in Umfangsrichtung durch den Ständer 12 erzeugte Magnetfeld im Bereich des Luftspalts 48 gemäß FIG 6 schematisch darstellt. Mit τΡ ist eine halbe Um¬ laufphase in Bezug auf die Polteilung gekennzeichnet. Die einzelnen Balken können jeweils einzelnen Zahnspulen 18 zugeordnet werden. Die Balken 1 bis 12, die in FIG 7 dargestellt sind, sind natürlich entsprechend der zeitlichen Veränderlichkeit ebenfalls veränderlich. Bei einer Beaufschlagung mit einer dreiphasigen Netzwechselspannung von 50 Hz verändern sich die Balken 1 bis 12 zeitlich entsprechend. Demzufolge stellt der Ständer gemäß FIG 6 ein entsprechendes rotierendes Drehfeld bereit. Das Balkendiagramm zeigt somit das Magnet¬ feld zu einem festen Zeitpunkt.
In FIG 8 ist nunmehr ein Ausschnitt im Bereich des Luftspalts 48 in einer Querschnittdarstellung quer zur Drehachse 30 dargestellt. Zu erkennen ist, dass läuferseitig gegenüber zwölf Zahnspulen 18 des Ständers 12 dreizehn trapezförmige Stäbe als elektrische Leiter 22 läuferseitig vorgesehen sind. Die elektrischen Leiter 22 sind - wie bereits oben erläutert - abwechselnd jeweils mit einem der Kurzschlussringe 24, 26 elektrisch leitend verbunden. Jeder der elektrischen Leiter 22 ist in einer radial nach außen offenen Längsnut 44 des Läuferblechpakets 16 ausgebildet. Darüber hinaus ist jeder der elektrischen Leiter 22 durch eine elektrische Isolations- schicht 46 vom Läuferblechpaket 16 elektrisch isoliert ange¬ ordnet .
Vorliegend ist vorgesehen, dass die elektrischen Leiter 22 sowie auch die elektrische Isolationsschicht 46 mittels eines additiven Herstellverfahrens hergestellt werden. Zunächst wird in gewohnter Weise das Läuferblechpaket 16 vorbereitet, indem einzelne Bleche des Läuferblechpakets 16 hergestellt werden. Dies kann durch Stanzen oder dergleichen erfolgen. Dann werden die Einzelbleche des Läuferblechpakets 16 mit ei- ner nicht weiter dargestellten elektrischen Isolationsschicht versehen .
In einem nächsten Schritt wird mittels selektivem Laserschmelzen (SLS) als additivem Herstellverfahren zunächst eine erste der beiden Kurzschlussringeinheiten 28 hergestellt, indem in vorgebbarer Weise Kupfer abgeschieden wird, um die Kurzschlussringe 24, 26 herzustellen. Im weiteren Verlauf werden dann unmittelbar daran die elektrischen Leiter 22, hier die trapezförmigen Leiterstäbe, Schritt für Schritt aus- gebildet. Mit dem Fortschreiten des Ausbildens der elektri¬ schen Leiter 22 werden die einzelnen Bleche des Läuferblechpakets 16 eingefügt und so in einem kontinuierlichen Arbeits¬ verfahren der gesamte Läufer 14 hergestellt wird. Zur Bereitstellung der zuverlässigen Funktion wird während des Ausbildens der elektrischen Leiter 22 deren Oberfläche mit einer elektrischen Isolationsschicht 46 versehen. Zu die- sem Zweck wird eine entsprechende elektrisch isolierende Ke¬ ramikschicht abgeschieden, die im ausgebildeten fertig hergestellten Läufer 14 zwischen den elektrischen Leitern 22 und dem Läuferblechpaket 16 angeordnet ist. Das additive Her¬ stellverfahren wird so lange fortgeführt, bis die axial ge- genüberliegende Kurzschlussringeinheit 28 vollständig ausge¬ bildet ist.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Kurzschlussringe 24, 26 stirnseitig mit Luftleitschaufeln, wie den Luft- schaufeln 32, versehen werden können. Dadurch kann zugleich eine Kühlungsfunktion für den Läufer 14 sowie auch für die gesamte elektrische Maschine 10 bereitgestellt werden.
In FIG 8 ist ferner schematisch mit dem Bezugszeichen 42 ein Streufluss gekennzeichnet. Dieser Streufluss 42 kann durch die zweite Käfigwicklung, die von der ersten Käfigwicklung elektrisch isoliert ausgebildet ist, reduziert werden, sodass insgesamt eine Funktionsverbesserung der Asynchronmaschine 10 erreicht werden kann.
FIG 9 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines elektrischen Leiters 54 einer nicht weiter dargestellten Läuferwicklung eines Käfigläufers. In dieser Ausgestaltung wird der elektrische Leiter 54 schichtweise radial von innen nach außen mittels des additiven Herstellverfahrens hergestellt. Der elektrische Leiter 54 weist eine Längsachse 56 auf, in die in einem bestimmungsgemäßen Betrieb ein elektrischer Strom geführt wird. Der elektrische Leiter 54 kann an der ge¬ wünschten Position dadurch hergestellt werden, dass entlang der Längsachse 56 mittels des additiven Herstellverfahrens einzelne Schichten abgeschieden werden. Ein solcher elektrischer Leiter 54 ist in FIG 10 gezeigt. Dem Grunde nach kann natürlich auch ein Rohling mit einem kleineren als dem ge- wünschten Durchmesser vorgesehen werden, der dann mittels des additiven Herstellverfahrens zur gewünschten Geometrie und Größe aufgebaut wird.
FIG 10 zeigt einen Ausschnitt einer schematischen Schnittan- sieht in einem radial äußeren Bereich eines Läuferblechpakets 16 eines Käfigläufers. Der dargestellte Bereich umfasst eine Nut 44, in der ein schichtweise mittels des additiven Her¬ stellverfahrens hergestellter elektrischer Leiter 54 angeordnet ist. Der elektrische Leiter 54 weist aufgrund des additi- ven Herstellverfahrens eine Schichtstruktur aus Schichten 60 auf, die in radialer Richtung des Käfigläufers übereinander in der Nut 44 angeordnet sind. Die Schichten 60 grenzen vorliegend unmittelbar aneinander und sind in dieser Ausgestaltung nicht voneinander elektrisch isoliert. Nicht dargestellt in FIG 10 ist, dass der elektrische Leiter 54 jedoch vom Läu¬ ferblechpaket 16 elektrisch isoliert angeordnet ist.
Die einzelnen Schichten 60 können dem Grunde nach aus dem gleichen Werkstoff gebildet sein. In dieser Ausgestaltung ist jedoch vorgesehen, dass die einzelnen Schichten 60 voneinander unterschiedliche Werkstoffe aufweisen. So ist vorgesehen, dass die unterste beziehungsweise radial innerste Schicht 60 im Wesentlichen aus Kupfer gebildet ist. Die oberste bezie¬ hungsweise radial äußerste Schicht 60 ist dagegen im Wesent- liehen aus Aluminium gebildet. Dazwischenliegende Schichten
60 nach radial außen einen abnehmenden Kupfergehalt und einen dafür zunehmenden Aluminiumgehalt auf. Die gewählten Werkstoffe können natürlich bei Bedarf nahezu beliebig variiert werden. Auch ist eine invertierte Schichtanordnung möglich.
Die Nut 44 ist, nachdem der elektrische Leiter 54 in der Nut 44 mittels des additiven Herstellverfahrens angeordnet worden ist, mittels eines Nutverschlusses 58 radial nach außen ver¬ schlossen. Der Nutverschluss 58 ist vorliegend ebenfalls durch das additive Herstellverfahren hergestellt. Als Werk¬ stoff ist vorliegend ein magnetisierbarer Werkstoff vorgese¬ hen. Alternativ oder ergänzend kann aber auch ein nicht magnetisierbarer Werkstoff vorgesehen sein, beispielsweise ein Kunststoff, insbesondere ein Verbundwerkstoff, aber auch Kom¬ binationen hiervon oder dergleichen.
FIG 11 zeigt einen Ausschnitt einer schematischen Schnittan- sieht in einem radial äußeren Bereich eines Käfigläufers. In einer Nut 44 eines Läuferblechpakets 16 sind zwei voneinander elektrisch isolierte elektrische Leiter 62, 64 von unterschiedlichen voneinander elektrisch isolierten Käfigen eines Käfigläufers angeordnet. Zu diesem Zweck ist mittels des ad- ditiven Herstellverfahrens zunächst der elektrische Leiter 64 in die Nut 44 eingebracht worden. Auf dem elektrischen Leiter 64 wird sodann mittels des additiven Herstellverfahrens eine elektrische Isolationsschicht 66 aufgebracht. Auf die elekt¬ rische Isolationsschicht 66 wird dann ebenfalls mittels des additiven Herstellverfahrens der elektrische Leiter 62 aufge¬ bracht. Schließlich wird die Nut 44 - wie bereits zur Ausge¬ staltung gemäß FIG 10 erläutert - mittels eines Nutverschlus¬ ses 58 verschlossen. Auch hier ist die elektrische Isolation der elektrischen Leiter 62, 64 zum Läuferblechpaket 16 nicht weiter dargestellt. Dem Grunde nach kann sie aber ebenfalls mittels des additiven Herstellverfahrens hergestellt werden, entweder bevor die elektrischen Leiter 62, 64 in die Nut 44 eingebracht hat werden oder auch währenddessen. Natürlich können die einzelnen elektrischen Leiter 62, 64 auch einen Schichtaufbau - wie anhand von FIG 10 bereits erläutert - aufweisen .
Bei den Ausgestaltungen gemäß der FIG 10 und 11 ist das Läu¬ ferblechpaket 16 und somit auch die Nut 44 vor dem Einbringen der elektrischen Leiter 54, 62, 64 bereits vorhanden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Läuferblechpaket 16 zu¬ gleich mit den elektrischen Leitern 54, 62, 64 und etwaigen elektrischen Isolationen mittels des additiven Herstellverfahrens hergestellt wird.
Die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Insbesondere können natürlich Merkmale der Ausführungsbeispiele in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, um zu weiteren bedarfsgerechten Ausgestaltungen zu gelangen, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können natürlich auch unterschiedliche ad¬ ditive Herstellverfahren miteinander kombiniert werden, um zu neuen Herstellverfahren für den Läufer der rotierenden elektrischen Maschine zu gelangen.
Darüber hinaus kann die Erfindung natürlich auch auf den Ständer der rotierenden elektrischen Maschine angewendet werden .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Läufers (14) für eine rotierende elektrische Maschine (10), bei dem zumindest eine Läuferwicklung (20) in ein Läuferblechpaket (16) des Läufers (14) elektrisch isoliert eingebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Läuferwicklung (20) zumindest teilweise mittels eines ad¬ ditiven Herstellverfahrens im Läuferblechpaket (16) als elektrisch isolierter Käfig und/oder als eine Dämpferschleife ausgebildet wird, wobei zugleich mit dem Ausbilden der Läu¬ ferwicklung (20) zwischen einem elektrischen Leiter (22) der Läuferwicklung (20) und dem Läuferblechpaket (16) und/oder zwischen benachbart angeordneten Leitern (22) der Läuferwick- lung (20) eine elektrische Isolationsschicht (46) ausgebildet wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferwicklung (20) als wenigstens zwei voneinander elek- trisch isolierte Käfige ausgebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolationsschicht (46) durch Abscheiden eines elektrisch isolierenden keramischen Werkstoffs ausge- bildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolationsschicht (46) ausgebildet wird, indem eine Oberfläche des Leiters (22) der Läuferwicklung (20) zumindest teilweise mit einem weiteren
Stoff chemisch reagiert, um die elektrische Isolationsschicht (46) zumindest teilweise auszubilden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Läuferblechpaket (16) gemeinsam mit der Läuferwicklung (20) ausgebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolationsschicht (46) zumindest teilweise durch Abscheiden eines Kunststoffs ausge¬ bildet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem axialen Ende (38) des Läufers (14) wenigstens ein Kurzschlussring (24, 26) ausgebildet wird, an dem eine, insbesondere über eine axiale Erstreckung des Läuferblechpakets (16) hinausragende, Kühleinheit (32) ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (22) der Läufer- wicklung (20) in einer radial nach außen offenen Nut (44) des Läuferblechpakets (16) ausgebildet und die Nut (44) mittels eines, insbesondere magnetischen, Nutverschlusses, vorzugs¬ weise hergestellt mittels des additiven Herstellverfahrens, verschlossen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (22) der Läufer¬ wicklung (20) in einer Ebene angeordnet wird, die sich außer¬ halb einer Drehachse (30) des Läufers (14) erstreckt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der elektrischen Leiter (22) der Läuferwicklung (20) im Läuferblechpaket (16) derart ausgebildet wird, dass eine vorgegebene Oberwellenwir- kung in Bezug auf ein Magnetfeld eines Ständers (12) der elektrischen Maschine (10) im bestimmungsgemäßen Betrieb bereitgestellt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der elektrischen
Leiter (22) mittels des additiven Herstellverfahrens zumin¬ dest teilweise quer zu einer durch den wenigstens einen der elektrischen Leiter (22) bestimmten Stromführungsrichtung ausgebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abmessung des wenigstens einen der elektrischen Leiter (22), insbesondere quer zu einer durch den wenigstens einen der elektrischen Leiter (22) bestimmten Stromführungsrichtung, verändert wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche von we¬ nigstens einem der elektrischen Leiter (22) in einer Längser- streckungsrichtung des wenigstens einen der elektrischen Leiter (22) beim Herstellen mittels des additiven Herstellver- fahrens verändert wird.
14. Läufer (14) für eine rotierende elektrische Maschine, mit einem Läuferblechpaket (16),
zumindest einer Läuferwicklung (20), die in das Läufer- blechpaket (16) elektrisch isoliert eingebracht und als elektrisch isolierter Käfig und/oder als eine Dämpferschleife ausgebildet ist, und
einer zwischen wenigstens einem elektrischen Leiter (22) der Läuferwicklung (20) und dem Läuferblechpaket (16) und/oder zwischen benachbart angeordneten elektrischen
Leitern (22) der Läuferwicklung (20) ausgebildeten elektrischen Isolationsschicht (46),
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Werkstoff von wenigstens einem der elektrischen Leiter (22), insbesondere quer zu einer durch den wenigstens einen der elektrischen Leiter (22) bestimmten Stromführungsrichtung, und/oder eine Querschnittsfläche in einer Längserstre- ckungsrichtung des wenigstens einen der elektrischen Leiter (22) verändert ist.
15. Läufer (14) für eine rotierende elektrische Maschine, mit einem Läuferblechpaket (16), zumindest einer Läuferwicklung (20), die in das Läuferblechpaket (16) elektrisch isoliert eingebracht und als elektrisch isolierter Käfig und/oder als eine Dämpferschleife ausgebildet ist, und
- einer zwischen wenigstens einem elektrischen Leiter (22) der Läuferwicklung (20) und dem Läuferblechpaket (16) und/oder zwischen benachbart angeordneten elektrischen Leitern (22) der Läuferwicklung (20) ausgebildeten elektrischen Isolationsschicht (46),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Läuferwicklung (20) wenigstens zwei voneinander elekt¬ risch isolierte Käfige bereitstellt, wobei im Läuferblechpa¬ ket (16) geführte Abschnitte von den jeweiligen unterschied¬ lichen der Käfige zugeordneten elektrischen Leitern (22) der- art angeordnet sind, dass sie in ihrer Längserstreckungsrich- tung wenigstens zwei voneinander unterschiedliche Abstände aufweisen .
16. Läufer nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine der elektrischen Leiter (22) zumindest quer zu der durch den wenigstens einen der elektrischen Leiter (22) bestimmten Stromführungsrichtung eine Schichtstruktur mit wenigstens zwei Schichten aufweist, die jeweili¬ ge voneinander unterschiedliche Werkstoffe aufweisen.
17. Läufer nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine der elektrischen Lei¬ ter (22) in einer Längserstreckungsrichtung des wenigstens einen der elektrischen Leiter (22) wenigstens zwei voneinan- der verschiedene Querschnittsflächen aufweist.
18. Rotierende elektrische Maschine mit einem Ständer und ei¬ nem in einer Öffnung des Ständers drehbar gelagerten Läufer (14) ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Läufer (14) nach einem der Ansprüche 14 bis 17 ausgebildet ist.
EP17784187.1A 2016-09-30 2017-09-25 Ein läufer und herstellen eines läufers einer rotierenden elektrischen maschine Withdrawn EP3501089A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16191733.1A EP3301794A1 (de) 2016-09-30 2016-09-30 Herstellen eines läufers einer rotierenden elektrischen maschine
PCT/EP2017/074188 WO2018060121A1 (de) 2016-09-30 2017-09-25 Ein läufer und herstellen eines läufers einer rotierenden elektrischen maschine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3501089A1 true EP3501089A1 (de) 2019-06-26

Family

ID=57042818

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP16191733.1A Withdrawn EP3301794A1 (de) 2016-09-30 2016-09-30 Herstellen eines läufers einer rotierenden elektrischen maschine
EP17784187.1A Withdrawn EP3501089A1 (de) 2016-09-30 2017-09-25 Ein läufer und herstellen eines läufers einer rotierenden elektrischen maschine

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP16191733.1A Withdrawn EP3301794A1 (de) 2016-09-30 2016-09-30 Herstellen eines läufers einer rotierenden elektrischen maschine

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20200014287A1 (de)
EP (2) EP3301794A1 (de)
CN (1) CN109804537A (de)
WO (1) WO2018060121A1 (de)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109193990B (zh) * 2018-10-21 2024-06-25 刘慕华 一种电机及其装配方法
EP3731386A1 (de) * 2019-04-23 2020-10-28 Siemens Aktiengesellschaft Elektrische maschine mit additiv hergestellter massverkörperung eines sensors auf dem rotor
DE102020130987A1 (de) * 2020-01-24 2021-07-29 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Verfahren zur Herstellung eines Bauteils eines Elektromotors, Elektromotorbauteil und Elektromotor
US11641149B2 (en) 2020-05-15 2023-05-02 Hamilton Sundstrand Corporation Electrical machines, laminations, and methods of making the same
US20220032585A1 (en) * 2020-07-28 2022-02-03 Ge Aviation Systems Llc Insulated ferromagnetic laminates and method of manufacturing

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE740689C (de) * 1941-11-28 1943-10-27 Garbe Doppelkaefiganker fuer Drehstrommotoren
DE1023520B (de) * 1956-10-20 1958-01-30 Schorch Werke Ag Stromverdraengungslaeufer
NL7309639A (nl) * 1973-07-10 1975-01-14 Heemaf Nv Kortsluitmotor.
JPS58130734A (ja) * 1982-01-27 1983-08-04 Hitachi Ltd 誘導電動機用かご形回転子の製造方法
GB2260450B (en) * 1991-08-29 1995-11-22 Blum Gmbh Secondary parts of asynchronous machines and a process for their manufacture
JPH0583937U (ja) * 1992-04-11 1993-11-12 株式会社フジクラ 絶縁電線、マグネットワイヤ及びリード線
JPH089605A (ja) * 1994-06-20 1996-01-12 Toshiba Corp かご形誘導電動機の回転子
US5886443A (en) * 1997-12-03 1999-03-23 General Electric Canada Inc. Spark suppression of induction type rotors of dynamoelectric machines
US20050134137A1 (en) * 2003-12-17 2005-06-23 Sweo Edwin A. Method for manufacturing squirrel cage rotor
JP5079021B2 (ja) * 2008-01-25 2012-11-21 三菱電機株式会社 誘導電動機及び密閉型圧縮機
DE102009008440B3 (de) * 2009-02-11 2010-12-02 Siemens Aktiengesellschaft Käfigläufer
EP2362526B1 (de) * 2010-02-26 2014-04-09 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung eines Stators für eine Energieumwandlungsvorrichtung
US20130033144A1 (en) * 2011-08-04 2013-02-07 GM Global Technology Operations LLC Stir-welded induction rotor
JP2013176233A (ja) * 2012-02-27 2013-09-05 Hitachi Automotive Systems Ltd 誘導電動機、電動駆動システム及びそれらを備えた電動車両
EP2744089A1 (de) * 2012-12-14 2014-06-18 Siemens Aktiengesellschaft Zuverlässiger Käfigläufer
CN105284038B (zh) * 2013-07-01 2018-04-10 株式会社日立产机系统 旋转电机及其制造方法
US20150076951A1 (en) * 2013-09-16 2015-03-19 Hamilton Sundstrand Corporation Electric machine construction
CN203984197U (zh) * 2014-07-18 2014-12-03 宁夏西北骏马电机制造股份有限公司 隔爆型异步电动机用双鼠笼转子结构
DE102014114615A1 (de) * 2014-10-08 2016-05-25 Feaam Gmbh Wicklungssystem

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018060121A1 (de) 2018-04-05
CN109804537A (zh) 2019-05-24
US20200014287A1 (en) 2020-01-09
EP3301794A1 (de) 2018-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3501089A1 (de) Ein läufer und herstellen eines läufers einer rotierenden elektrischen maschine
DE69214812T2 (de) Elektrische maschinen
EP0680133B1 (de) Elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine
EP2005555B1 (de) Stator für eine mehrphasige elektrische maschine und verfahren zu dessen herstellung
DE2731295A1 (de) Laminierte wicklung fuer elektrische maschinen und geraete
EP2030305A1 (de) Wechselstromgenerator für kraftfahrzeuge
EP3545610B1 (de) Synchron-maschine mit magnetischer drehfelduntersetzung und flusskonzentration
DE102014007549A1 (de) Elektrische Maschine
EP2999087A1 (de) Elektrische Maschine mit geringer magnetischer Nutstreuung
DE19503610C2 (de) Mehrphasige und vielpolige, elektrisch kommutierbare Maschine und Verfahren zur Herstellung des Ständers
EP3145059A1 (de) Käfigläufer
EP3488516A1 (de) Ständer einer drehfeldmaschine
WO2019233976A1 (de) Motor mit einer einstrangluftspaltwicklung
DE4427323C2 (de) Elektrische Maschine mit Permanentmagneten und Erregerfeldwicklungen
DE102020129142B4 (de) Läufer für eine rotierende elektrische Maschine
WO2010145841A2 (de) Stator für einen elektromotor
DE10338452A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Spule sowie elektrische Maschine mit derartigem Bauteil
EP3292615A1 (de) Rotor einer getriebelosen windenergieanlage
EP2067237B1 (de) Synchronmaschine
WO2009068356A1 (de) Elektrische maschine
WO2019149508A1 (de) Rotor mit kühlkanälen
EP3706288A1 (de) Blechpaket für eine elektrische maschine
WO2023110769A1 (de) Rotor für eine elektrische maschine mit einem kühlkanal in einem poltrenner
EP0158897A2 (de) Drehfelderregte Stromrichtermaschine
DE202018103158U1 (de) Motor mit einer Einstrangluftspaltwicklung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20190321

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20191016