Kurzgeschlossener RotorShorted rotor
Die Erfindung betrifft einen kurzgeschlossenen Rotor einer Einrichtung zur Wandlung elektrischer in mechanische oder mechanischer in elektrische Energie, der von einem eine Wicklung tragenden Statorkörper umschlossen ist. Dabei findet die Erfindung insbesondere Anwendung in solchen Einrichtungen o.a. Art, bei denen Drehmomente mit stark wechselnder Amplitude in einem großen Frequenzbereich auftreten. Solche Anwendungsfälle liegen beispielsweise vor, wenn die Einrichtung zur Energiewandlung in Systemen zur aktiven Verringerung von Drehungleichförmigkeiten der Triebwellen von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden.The invention relates to a short-circuited rotor of a device for converting electrical into mechanical or mechanical into electrical energy, which is enclosed by a stator body carrying a winding. The invention is used in particular in such facilities or the like. Type in which torques with a strongly changing amplitude occur in a large frequency range. Such applications exist, for example, when the device for energy conversion is used in systems for actively reducing rotational irregularities in the drive shafts of internal combustion engines.
Einrichtungen mit hohen Drehungleichförmigkeiten bzw. mit sich stark änderndem Drehmoment als Funktion des Drehwinkels benutzen Schwungräder, die im Bereich des Drehmomentüberschusses Energie speichern und im Bereich des Drehmomentdefizits Energie an das System abgeben. Die Zielstellung, die Masse des Energiespeichers zu reduzieren, führte zur Entwicklung der Visko- sitätsdrehschwingungsdämpfer. Neben der Möglichkeit des Ausgleiches des Ungleichförmigkeitsgrades konnten im System angeregte Drehschwingungen gedämpft werden. Die mit der vorgenommenen Dimensionierung festgeschriebenen Eigenschaften ließen sich variablen Betriebszuständen und Betriebsbe- dingungen jedoch nicht nachträglich anpassen. Die Eigenschaften unterlagen den Einflüssen des Betriebszustandes, der Betriebsbedingungen und z.B. dem Alterungsverhalten der verwendeten Viskositätsmaterialien. Die Aufgabe einer im montierten Zustand des Systems möglichen Anpassung und aktiven Beeinflussung abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt wird erst mit der Nutzung eines elektromagnetischen Energiewandlers lösbar.Devices with high rotational irregularities or with strongly changing torque as a function of the angle of rotation use flywheels which store energy in the area of the excess torque and deliver energy to the system in the area of the torque deficit. The goal of reducing the mass of the energy store led to the development of the viscosity torsional vibration damper. In addition to the possibility of compensating for the degree of non-uniformity, the system was able to dampen torsional vibrations. However, the properties specified with the dimensioning undertaken could not be subsequently adjusted to variable operating states and operating conditions. The properties were subject to the influences of the operating state, the operating conditions and e.g. the aging behavior of the viscosity materials used. The task of adapting and actively influencing depending on the respective operating point in the assembled state of the system can only be solved with the use of an electromagnetic energy converter.
Der elektromagnetische Energiewandler erlaubt, z.B. amplituden- und frequenzabhängig phasengerecht die Energieverteilung zum Abbau z.B. der Drehungleichförmigkeiten zu steuern. Dabei auftretende hohe und höchste Energiedichten in der gesamten Einrichtung führen zu thermischen Problemen - eine ausreichende Kühlung bzw. Kühlmittelversorgung aller kühlbedürftigen Maschinenbereiche ist nur unzureichend gewährleistet.The electromagnetic energy converter allows, e.g. Depending on the amplitude and frequency, the energy distribution for degradation, e.g. to control the rotational irregularities. The high and highest energy densities that occur in the entire facility lead to thermal problems - an adequate cooling or coolant supply to all areas of the machine that require cooling is insufficiently guaranteed.
In den DE-Offenlegungssch ritten 195 32 164, 195 32 129, 195 32 128 sowie 195 49 259 sind solche Systeme beschrieben. Hier werden als entsprechende
- 2 -In the DE Offenlegungssch rides 195 32 164, 195 32 129, 195 32 128 and 195 49 259 such systems are described. Here are considered appropriate - 2 -
Energiewandler u.a. Asynchronmaschinen mit Kurzschlußläufer eingesetzt. Die Kurzschlußläufer werden dabei als Käfigläufer mit in Axialrichtung verlaufenden Käfigstäben, die jeweils stirnseitig mit Kurzschlußringen verbunden sind, beschrieben (DE 195 32 128, Sp. 38, Zei. 2 - 6, DE 195 49 259, Sp. 37, Zei. 52 - 56). Praktisch sind solche Kurzschlußläufer mit in Kurzschlußringen hartverlöteten bzw. geschweißten Kupferstäben ausgeführt. Nachteile einer solchen Rotorgestaltung sind einerseits in einer aufwendigen und daher teuren Fertigung zu sehen, andererseits weisen derartig konstruierte Rotoren erhebliche Unwuchten und damit Qualitätsmängel auf bzw. müssen aufwendig ausgewuchtet werden.Energy converter and others Asynchronous machines with squirrel-cage rotors used. The squirrel-cage rotors are described as squirrel-cage rotors with cage bars running in the axial direction, each of which is connected on the front side with short-circuit rings (DE 195 32 128, column 38, lines 2 - 6, DE 195 49 259, column 37, lines 52 - 56). Such short-circuit rotors are practically designed with copper rods brazed or welded in short-circuit rings. Disadvantages of such a rotor design are on the one hand to be seen in a complex and therefore expensive production, on the other hand, rotors constructed in this way have considerable imbalances and thus quality defects or have to be balanced in a complex manner.
Auch die Realisierung der Verbindung Rotorkäfig und getriebene oder treibende Welle bedarf bei üblicher Konstruktionsweise zusätzlicher und besonders gestalteter Baugruppen.The realization of the connection between the rotor cage and the driven or driving shaft also requires additional and specially designed assemblies in the usual design.
Ziel der Erfindung ist es daher, einen kurzgeschlossenen Rotor für energiewandelnde Einrichtungen der genannten Art zu schaffen, dessen Fertigungsaufwand gegenüber den Lösungen des Standes der Technik deutlich verringert ist, dessen Konstruktionsprinzip Unwuchtursachen meidet, die extreme mechanische Beanspruchungen beherrschen läßt, in der Formgebung eine günstige Wegweisung für ein flüssiges Kühlmedium für den die Wicklung aufnehmenden Stator sowie den Rotor bietet und der eine unkomplizierte Verbindung zu treibenden oder getriebenen Wellen gestattet. Dieses Ziel wird durch einen kurzgeschlossenen Rotor erreicht, der entsprechend der Merkmale der Patentansprüche gestaltet ist.The aim of the invention is therefore to provide a short-circuited rotor for energy-converting devices of the type mentioned, the manufacturing cost of which is significantly reduced compared to the solutions of the prior art, the design principle of which avoids causes of imbalance, which allow extreme mechanical stresses to be controlled, and in terms of shape, a favorable guide for a liquid cooling medium for the winding-receiving stator and the rotor, and which allows an uncomplicated connection to driving or driven shafts. This goal is achieved by a short-circuited rotor, which is designed according to the features of the claims.
Dabei besteht das Wesen der Erfindung darin, daß besagter Rotor einenThe essence of the invention is that said rotor one
Kurzschlußkäfig besitzt, der mit der tragenden Nabe des Rotors eine Einheit bildet. In vorteilhafter Ausgestaltung dieses Wesens der Erfindung ist ein kurzgeschlossener Rotor aus einer Legierung einstückig im Gußverfahren hergestellt, wobei durch die Wahl des Legierungsmaterials eine günstige und wichtige Anpassung des Rotors an seine Verwendungsparameter, wieHas short-circuit cage, which forms a unit with the supporting hub of the rotor. In an advantageous embodiment of this essence of the invention, a short-circuited rotor is made in one piece from an alloy using the casting process, the choice of the alloy material making it possible to adapt the rotor in a favorable and important manner to its use parameters, such as
Drehmoment- oder Dämpfungsgrößen, erfolgen kann. Die Anwendung des Gußverfahrens zur Herstellung des einstückigen Rotors führt auch zu einer thermisch günstigen Gestaltung des Rotors: Sind bei herkömmlicher Gestaltung kurzgeschlossener Rotoren mehrfache thermische Materialübergänge
- 3 - vorhanden, ermöglicht der erfindungsgemäße Rotor einen kontinuierlichen Wärmefluß innerhalb seines Materials, wodurch eine effektive Kühlung besser möglich ist. Dies spielt besonders bei der Anwendung des Rotors im Bereich stark wechselnder Momente und Frequenzen eine wichtige Rolle. Durch geeignete Gestaltung wird das Kühlmedium auf die Wicklung des umschließenden Statorkörpers geführt. Die Ausführung der Einheit von Kurzschlußkäfig und Nabe ermöglicht nicht nur eine unproblematische Anflanschung des Rotors an treibende oder getriebene Wellen, sondern gestattet auch eine besondere kurze Bauform des Rotors bzw. ein Größenverhältnis von Durchmesser zu Rotorlänge. Auch dies ist unter dem Gesichtspunkt der Anwendung des Rotors bei Energiewandlern im Kraftfahrzeug ein besonderer Vorteil.Torque or damping variables can take place. The use of the casting process to produce the one-piece rotor also leads to a thermally favorable design of the rotor: in the case of conventional design of short-circuited rotors, these are multiple thermal material transitions - 3 - available, the rotor according to the invention enables a continuous flow of heat within its material, as a result of which effective cooling is better possible. This plays an important role especially when using the rotor in the area of strongly changing moments and frequencies. The cooling medium is guided onto the winding of the enclosing stator body by a suitable design. The design of the short-circuit cage and hub unit not only enables the rotor to be easily flanged to driving or driven shafts, but also permits a particularly short design of the rotor or a size ratio of diameter to rotor length. This is also a particular advantage from the point of view of the use of the rotor in energy converters in the motor vehicle.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der kurzgeschlossene Rotor derart vom Statorkörper umschlossen, daß ein zur Kühlung erforderliches Medium gleichzeitig beiden Teilen Rotor und Stator zugeführt werden kann. Dabei kann bei langsamer laufenden Energiewandlern zunächst eine Tauchkühlung, bei höheren Drehzahlen dann eine Ölnebelküh- lung Anwendung finden. Auch eine Strahlkühlung ist vorteilhaft anwendbar, insbesondere in diesem Fall kann der Rotorkörper richtungsweisende Ober- flächenelemente besitzen, die eine kühlungsfördemde Wegweisung für das Kühlmedium bewirken.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the short-circuited rotor is enclosed by the stator body in such a way that a medium required for cooling can be supplied to both parts of the rotor and stator at the same time. In the case of slow-running energy converters, immersion cooling can be used first, then oil mist cooling at higher speeds. Jet cooling can also be used advantageously, in particular in this case the rotor body can have directional surface elements which cause the cooling medium to be conveyed in a manner which promotes cooling.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden. Hierzu zeigt die zugehörige Zeichnung das Schnittschema eines erfindungsgemäßen kurzgeschlossenen Rotors.The invention will be described in more detail below using an exemplary embodiment. For this purpose, the associated drawing shows the sectional diagram of a short-circuited rotor according to the invention.
Gemäß Zeichnung besteht dieser aus einer konstruktiven Einheit 1 von Nabe 1a und Kurzschlußkäfig 1b mit eingeschlossem Blechpaket. Dieses Blechpaket enthält Nuten 3, die ebenfalls Material der Legierung des Kurzschlußkäfigs 1b aufnehmen. Auf diese Weise werden die in üblichen Rotoren vorhandenenAccording to the drawing, this consists of a structural unit 1 of hub 1a and short-circuit cage 1b with an enclosed laminated core. This laminated core contains grooves 3, which also accommodate the alloy material of the short-circuit cage 1b. In this way, the ones available in conventional rotors
Kurzschlußstäbe auf überraschend vorteilhafte Weise ersetzt und quasi in das Material- und Konstruktgefüge integriert. Dieses besondere Merkmal der Erfindung führt durch Wegfall von Materialübergängen zu bedeutenden Verbesserungen der Kühleigenschaften des Rotors, zu hohen Einsparungen an
- 4 -Short-circuit rods replaced in a surprisingly advantageous manner and virtually integrated into the material and construct structure. This special feature of the invention leads to significant improvements in the cooling properties of the rotor and to high savings by eliminating material transitions - 4 -
Fertigungskosten sowie zur Verbesserung der Rotorstabilität und damit auch zur Verbesseung des Rundlaufes.Manufacturing costs as well as to improve the rotor stability and thus also to improve the concentricity.
Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit hinsichtlich Fliehkraft und Anpreßkraft weist die konstruktive Einheit 1 Versteifungsteile 4 auf, die am Innen - und/oder Außendurchmesser der Einheit 1 abgewinkelt oder angeflächt in den Legierungskorpus der Einheit 1 eingebracht sind. Diese Versteifungsteile 4 sind vorzugsweise als Ringeinlage angeordnet.
To increase the mechanical strength with regard to centrifugal force and contact pressure, the structural unit 1 has stiffening parts 4 which are angled or flattened into the alloy body of the unit 1 on the inside and / or outside diameter of the unit 1. These stiffening parts 4 are preferably arranged as a ring insert.
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Aufstellung der Bezugszeichen zur PatentanmeldungList of reference numbers for the patent application
„Kurzgeschlossener Rotor""Short-circuited rotor"
1 konstruktive Einheit1 constructive unit
1a Nabe1a hub
1b Kurzschlußkäfig1b short-circuit cage
2 Bleche2 sheets
3 Nut
4 Versteifungsteil
3 groove 4 stiffening part