WO2016055199A2 - Käfigläufer für eine elektrische asynchronmaschine mit einen kurzschlussring stabilisierenden zugankern - Google Patents

Käfigläufer für eine elektrische asynchronmaschine mit einen kurzschlussring stabilisierenden zugankern Download PDF

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squirrel cage
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Tobias Schneider
Stefan Schuerg
Jeihad Zeadan
Jochen Schechterle
Harald Laue
Arndt Kelleter
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • H02K17/20—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors having deep-bar rotors

Definitions

  • the invention relates to a squirrel cage rotor for an electrical asynchronous machine.
  • Electrical machines are used for a variety of purposes, especially as drives and / or generators in motor vehicles such as electric or hybrid vehicles.
  • asynchronous machines have proven to be advantageous, among other things because they can be dispensed with expensive permanent magnets.
  • a so-called short-circuit cage is usually provided in a rotor which is rotatably mounted relative to a stator.
  • the rotor of the asynchronous machine is therefore also referred to as squirrel cage or squirrel cage rotor.
  • the short-circuit cage has elongated short-circuiting rods, which are generally parallel or slightly oblique to a rotation axis, that is, extending in the axial direction.
  • the shorting bars are held in a rotor body.
  • the rotor main body is usually designed as a disk set of a plurality suitably punched in the form and axially stacked laminations. The shorting bars are inserted in punched recesses or grooves in the plate pack.
  • the short-circuit bars are electrically connected to each other by short-circuit rings, which are arranged at both front ends of the rotor base body.
  • short-circuit rings An example of a squirrel cage rotor of an asynchronous machine is described in DE 195 42 962 C1.
  • the shorting cage is generally made of a material of high electrical conductivity. For example, copper, aluminum or an alloy with these substances is used. However, these materials usually have a relatively low mechanical strength. When the rotor is accelerated to high speeds, the components of the short-circuit cage, especially the exposed ones, tend to be
  • a squirrel cage for an electric motor to stabilize costs.
  • improved functionalities such as e.g. improved cooling, simplified balancing, etc. can be achieved.
  • a squirrel cage for an electric motor to stabilize costs.
  • improved functionalities such as e.g. improved cooling, simplified balancing, etc. can be achieved.
  • Asynchronous machine proposed which a plate pack of a plurality of axially stacked laminations and sheet metal
  • the short-circuit bars of the short-circuit cage extend in the axial direction through the disk set and are each connected to each other by a short-circuit ring on end faces of the disk set.
  • tie rods are arranged on the disk pack, which have a higher mechanical strength than the short-circuit bars and which of the end faces of the disk set in
  • tie rods which for example pass longitudinally through acting as a rotor body slat set and which end faces of the Lamella package survive such that they protrude at least partially into one or preferably in both of the adjacent shorting rings inside.
  • the tie rods thus mechanically connect the shorting rings with the rotor body. Since the tie rods have a higher mechanical strength than the short-circuiting rods and the short-circuiting ring, they can not only
  • a "higher mechanical strength" of the tie rods in comparison to the short-circuit rings should be understood to mean that the tie rods deform less under mechanical load, in particular when the mechanical load acts in the radial direction of the squirrel cage rotor
  • the material of the tie rods should generally have a higher modulus of elasticity than the material of the short-circuit ring.
  • axial direction is understood to mean a direction along the squirrel cage, ie essentially parallel or slightly oblique to a rotational axis of the squirrel cage rotor.
  • the tie rods can be made of a mechanically more stable material than the shorting rings. In other words, the tie rods can increase their mechanical strength compared to the short-circuit bars due to
  • the higher mechanical strength may also be a result of a suitably chosen geometric design of the tie rods.
  • tie rods For example, trained as hollow tubes tie rods have a high mechanical strength with respect to buckling loads.
  • the tie rods can be made of a denser and thus heavier material than the shorting rings.
  • a density of a material used for the tie rods may be higher than that of a material used for the shorting rings.
  • the shorting rings may be formed of lightweight aluminum or aluminum alloys, whereas the tie rods may be formed of heavy metals or metal alloys. This can
  • tie rods as further specified below, are used for balancing the squirrel cage.
  • the tie rods can consist of a magnetically non-conductive material. This may be advantageous or necessary to avoid magnetic shorts or shunts within the rotor.
  • the tie rods can be made of steel, in particular stainless steel.
  • Steel suitable alloy can not be magnetically conductive and sufficiently mechanically stable at the same time.
  • the tie rods extend at least as far as an end surface of a short-circuit ring.
  • the tie rods extend slightly into a short-circuiting ring, but they are dimensioned so that they extend axially through the short-circuiting ring, so that they extend as far as opposite to the plate assembly
  • the tie rods can, for example, flush with the opposite
  • tie rods free and can therefore be edited from the outside.
  • the tie rods may e.g. be partially removed to balance the squirrel cage subtractive.
  • the tie rods are formed by stabilizing rods which extend in the axial direction through the plate pack.
  • the stabilizing bars can in the region in which they extend completely through the disk pack, the disk pack, for example. stabilize against torsion or twisting, and further, the
  • Stabilizing rods in the area in which they extend axially beyond end faces of the disk pack extend into the local short-circuit rings and stabilize them.
  • the stabilizing rods may be formed as hollow tubes.
  • the stabilizing bars may be hollow throughout.
  • a cooling fluid such as air, water or oil can then be flowed longitudinally through the squirrel cage and therefore cool it efficiently during operation.
  • the stabilizing rods should be suitably dimensioned with regard to their inner and outer diameters in order, on the one hand, to ensure adequate mechanical strength and, on the other hand, to enable a low flow resistance for flowing cooling fluid.
  • the tie rods can protrude with Abrage Schemeen beyond an end surface of a short-circuit ring addition.
  • the tie rods, coming from the disk pack pass completely through one or both short-circuit rings and protrude beyond their respective end faces on their or their opposite sides.
  • the tie rods are thus easily accessible and can be easily edited from the outside. For example, material can be removed for subtractive balancing. - -
  • cooling-fluid-conveying blades on the projecting regions of the tie rods projecting beyond the end faces.
  • Rotors of asynchronous machines can reach high temperatures during operation due to heat loss, so that it may be advantageous or necessary to cool them.
  • parts of the rotor may be filled with a cooling fluid, for example a gas, e.g. Air or a liquid, e.g. Oil or water, to be lapped.
  • Moving blades may serve to circulate the cooling fluid.
  • axially projecting parts of the tie rod can be suitably deformed and / or bent in such a way that they act as blades while they are set into a rotating movement together with the rotor.
  • end regions of the tie rods may be curved such that they extend transversely to the axial direction.
  • a central region of the tie rods can be formed linearly and in the
  • Stabilization rod extend.
  • an end region inward i. be bent towards the axis of rotation of the squirrel cage and an oppositely disposed end portion may be outwardly, i. be bent away from the axis of rotation.
  • the tie rods may be formed as bolts, pins and / or screws, which engage in holes, preferably blind holes, on the end faces of the plate pack.
  • a plurality of axially extending holes can be provided in end regions of the disk pack, in which tie rods, for example in the form of bolts, pins or Screws force, form or cohesively engaging can be attached.
  • the holes in the disk pack can be produced for example by suitable punching of the individual laminations or by a subsequent drilling.
  • the tie rods can for example be screwed or pressed.
  • a number of tie rods distributed over a circumference of the disk pack can be arbitrary. However, it may be advantageous to select the number of tie rods as possible as possible to a pole number of the electric machine to avoid electromagnetic couplings.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a squirrel cage according to a
  • Fig. 2 shows a partial cross-sectional view through a squirrel cage
  • FIG. 3 shows a partial cross-sectional view through a squirrel cage one
  • FIG. 4 shows a partial cross-sectional view through a squirrel cage one
  • FIG. 5 shows a partial cross-sectional view through a squirrel cage of a
  • Fig. 6 shows a partial cross-sectional view through a squirrel cage of a
  • Asynchronous machine designed as pins with tie rods according to a
  • Fig. 7 shows a partial cross-sectional view through a squirrel cage of a
  • Asynchronous machine with trained as screws tie rods according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a squirrel cage 1 a
  • Asynchronous machine A plurality of laminations 5 are stacked axially next to one another to form a disk pack 7. Every single lamination 5 was previously through
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view through an upper half of a squirrel cage rotor 1 of an asynchronous machine which can rotate about an axis 3 within a stator.
  • a plurality of axially adjacent stacked laminations 5 forms
  • Lamellae Packet 7 Each lamination 5 extends in a plane orthogonal to the axis 3, i. in the radial direction. Each lamination has a thickness of
  • the recesses 6 and grooves were introduced through which short-circuit bars 1 1 of a short-circuit cage 9 are to run in the fully assembled squirrel cage.
  • the disk set 7 is pressed onto a shaft 15, which extends axially through the central recess 10 of the laminations 5.
  • a tie rod 16 in the form of a stabilizing rod 17 is arranged in each case.
  • Stabilizing rods 17 are preferably arranged radially between the recesses 6 or grooves for the short-circuit bars 1 1 and the central recess 10 for the shaft 15. It may be advantageous, the recesses 8 and the
  • Stabilizing rods 17 radially outward as far as possible, i. near the recesses 6 and grooves for the shorting bars 1 1, to position.
  • the stabilizing rod 17 is made of a magnetically non-conductive material such. Stainless steel and has due to its material properties and / or its geometry on a high mechanical strength.
  • a length of the stabilizing bars 17 is greater than an axial length of the
  • Disc packs 7 ends 18 of the stabilizing rods 17 protrude axially beyond the respective outermost laminations 5 of the disk pack 7 also.
  • An outer diameter of the stabilizing bars 17 is suitable for a
  • a mold can be formed around the disk pack 7, into which then a material forming the short-circuit cage 9 such as copper or aluminum in the liquid state and under high pressure - - can be poured.
  • the shape is chosen such that when
  • Short circuit bars 1 1 electrically interconnect, i. short circuit, to be poured.
  • Stabilizing rods 17 at least partially into the short-circuiting rings 13 inside. In other words, the stabilizing bars 17 during die casting of
  • the stabilizing rods 17 have a higher mechanical strength than the short-circuit rings 13 formed of relatively soft material, the ends 18 of the stabilizing rods 17 projecting into the short-circuit rings 13 can stabilize the short-circuit rings 13, in particular with respect to radially acting forces.
  • Fig. 3 shows an embodiment of a squirrel cage 1, in which the
  • Stabilizing rods 17 are formed as hollow tubes and through the
  • Shorting rings 13 pass through to the respective exposed surfaces 14.
  • the stabilizing bars 17 are flush with these surfaces 14.
  • the thus accessible from the outside stabilizing rods 17 can be edited later.
  • some of them material can be selectively removed to balance the squirrel cage.
  • a cooling fluid can be passed, so that the stabilizing rods 17 not only stabilize the short-circuiting rings 13 but also for cooling the interior of the squirrel cage, in which losses can lead to significant heating during operation.
  • An inner diameter of the stabilizing rods 17 is suitably chosen to be large enough to allow sufficient cooling fluid to flow through the cage runs can. For example, the
  • Stabilizing rods 17 have an outer diameter in the range of 5 to 8 mm and an inner diameter in the range of 30 to 60% of the outer diameter. - -
  • FIG. 4 an embodiment of a squirrel cage 1 is shown in which the
  • Stabilizing rods 17 protrude with a Abrag region 19 axially beyond the short-circuit rings 13 addition.
  • the Abrage Scheme 19 may have an axial length which is smaller, equal to or greater than a thickness of the short-circuiting rings 13 in the axial direction.
  • the stabilizing rods 17 are easily accessible from the outside in the Abrage Schemeen and thus can be easily edited later. For example, they can occasionally be shortened to balance the squirrel cage.
  • Stabilizing bars 17 may be solid or alternatively hollow as shown.
  • the stabilizing bars 17 may be machined and / or reshaped at the support portions so as to form blades 23 suitably shaped to circulate, for example, a gaseous or liquid cooling fluid or to selectively convey in a particular direction.
  • the blades can be formed for example by means of a stamping process.
  • Stabilizing rods 17 are similar to the example of FIG. 3 designed as hollow tubes. However, the stabilizing bars 17 do not pass linearly through the shorting rings 13 as in FIG. 3. Instead, end portions 21 of the
  • Stabilizing rods 17 are curved so that they extend in regions transverse to the axial direction of the squirrel cage 1.
  • the end areas look at least partially out of the short-circuit ring. In a possible manufacturing process, they are initially still paraxial to the shaft or the package axis. Only after a cooling of the die-cast material of the short cage they are then bent and get their preferred direction. Alternatively, pre-bent tubes could be subsequently introduced and secured in the axial bore, for example by interference fit, positive connection or the like.
  • a stabilizing bar 17 is curved inwardly towards the shaft 15, whereas the stabilizing bar 17 is curved outwardly away from the shaft 15 at the opposite end.
  • FIGS. 6 and 7 show alternative embodiments in which the tie rods 16 are not formed in the form of rods passing through the plate pack 7 but in the form of bolts 18 or screws 20 that are substantially shorter than the plate set 7.
  • the bolts 18 and screws 20 engage in recesses in the form of blind holes 24, which are provided in the disk set 7 at its end faces.
  • the bolts 18 and screws 20 are in this case in the axial direction beyond the end faces and are poured in a casting of the short-circuit cage 9 in the short-circuit rings 13 with it.

Abstract

Es wird ein Käfigläufer (1) für eine elektrische Asynchronmaschine vorgeschlagen, der ein Lamellenpaket (7) aus einer Vielzahl von in Axialrichtung nebeneinander gestapelten Blechlamellen (5) und einen Kurzschlusskäfig (9) aufweist. Die Kurzschlussstäbe (11) des Kurzschlusskäfigs (9) erstrecken sich in Axialrichtung durch das Lamellenpaket (7) und sind jeweils durch einen Kurzschlussring (13) an Stirnflächen des Lamellenpakets (7) miteinander verbunden. Der Käfigläufer zeichnet sich dadurch aus, dass sich an dem Lamellenpaket Zuganker (16) angeordnet sind, welche eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen als die Kurzschlussstäbe (11) und welche von den Stirnflächen des Lamellenpakets (7) in Axialrichtung abstehen und zumindest teilweise in zumindest einen der Kurschlussringe (13) hinein ragen. Die Zuganker (16) können beispielsweise Stabilisierungsstäbe (17) sein, welche sich in Axialrichtung durch das Lamellenpaket (7) erstrecken. Dadurch können die Zuganker (16) die typischerweise aus mechanisch weichem Material bestehenden Kurzschlussringe (13) beispielsweise gegenüber bei hohen Drehzahlen auftretenden Fliehkräften stabilisieren. Wenn die Zuganker (16) als Stabilisierungsstäbe (17) in Form von Hohlröhren ausgebildet sind, können sie ergänzend als Kühlkanäle dienen. Überstehende Endbereiche (21 ) können geeignet gebogen oder zu Schaufeln verformt sein, um Kühlfluid umzuwälzen oder durch die hohlen Stabilisierungsstäbe (17) zu fördern.

Description

Beschreibung
Titel
Käfigläufer für eine elektrische Asynchronmaschine mit einen Kurzschlussring stabilisierenden Zugankern
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Käfigläufer für eine elektrische Asynchronmaschine.
Hintergrund der Erfindung
Elektrische Maschinen werden für vielfältige Zwecke eingesetzt, insbesondere als Antriebe und/oder Generatoren in Kraftfahrzeugen wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeugen. Hierbei haben sich Asynchronmaschinen als vorteilhaft erwiesen, unter anderem da bei ihnen auf teure Permanentmagnete verzichtet werden kann.
Bei einer Asynchronmaschine wird meist in einem Rotor, der relativ zu einem Stator drehbar gelagert ist, ein sogenannter Kurzschlusskäfig vorgesehen. Der Rotor der Asynchronmaschine wird daher auch als Käfigläufer oder Kurzschlussläufer bezeichnet. Der Kurzschlusskäfig weist längliche Kurzschlussstäbe auf, die im Allgemeinen parallel oder leicht schräg zu einer Rotationsachse, d.h. in Axialrichtung verlaufend angeordnet sind. Die Kurzschlussstäbe sind in einem Rotorgrundkörper gehalten. Der Rotorgrundkörper ist meist als Lamellenpaket aus einer Vielzahl geeignet in Form gestanzter und axial nebeneinander gestapelter Blechlamellen ausgebildet. Die Kurzschlussstäbe sind in freigestanzte Ausnehmungen oder Nuten in dem Lamellenpaket eingelegt. An ihren Enden sind die Kurzschlussstäbe durch Kurzschlussringe, welche an beiden stirnseitigen Enden des Rotorgrundkörpers angeordnet sind, elektrisch miteinander verbunden. Ein Beispiel eines Kurzschlussläufers einer Asynchronmaschine wird in DE 195 42 962 C1 beschrieben.
Während des Betriebs der elektrischen Maschine werden in dem Kurzschlusskäfig aufgrund variierender Magnetfelder starke Ströme induziert. Um Widerstandsverluste gering zu halten, besteht der Kurzschlusskäfig im Allgemeinen aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit. Beispielsweise wird Kupfer, Aluminium oder eine Legierung mit diesen Stoffen verwendet. Allerdings weisen diese Materialien meist eine verhältnismäßig geringe mechanische Festigkeit auf. Wenn der Rotor auf hohe Drehzahlen beschleunigt wird, neigen die Komponenten des Kurzschlusskäfigs, insbesondere die freiliegenden
Kurzschlussringe, dazu, sich aufgrund von Fliehkräften zu verformen. Eine
Verringerung der Festigkeit der Komponenten, wie sie bei den im Betrieb häufig vorkommenden hohen Temperaturen auftreten kann, kann Deformationstendenzen noch verstärken.
Um Deformationen der Kurzschlussringe zu vermeiden, werden diese herkömmlich durch von außen umgreifende Bandagen gestützt. Ein Bandagieren des Rotors bzw. der Kurzschlussringe kann jedoch einen aufwändigen Arbeitsprozess erfordern und somit Kosten und Komplexität der Asynchronmaschine erhöhen.
Offenbarung der Erfindung Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, Kurzschlussringe eines Käfigläufers mit geringem Montage- und
Kostenaufwand zu stabilisieren. Außerdem können verbesserte Funktionalitäten wie z.B. eine verbesserte Kühlung, eine vereinfachte Wuchtbarkeit, etc. erreicht werden. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Käfigläufer für eine elektrische
Asynchronmaschine vorgeschlagen, welcher ein Lamellenpaket aus einer Vielzahl von in Axialrichtung nebeneinander gestapelten Blechlamellen und
einen Kurzschlusskäfig aufweist. Die Kurzschlussstäbe des Kurzschlusskäfigs erstrecken sich in Axialrichtung durch das Lamellenpaket und sind jeweils durch einen Kurzschlussring an Stirnflächen des Lamellenpakets miteinander verbunden. Der Käfigläufer zeichnet sich dadurch aus, dass an dem Lamellenpaket Zuganker angeordnet sind, welche eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen als die Kurzschlussstäbe und welche von den Stirnflächen des Lamellenpakets in
Axialrichtung abstehen und zumindest teilweise in zumindest einen der
Kurschlussringe hinein ragen.
Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Um die mechanisch wenig stabilen Kurzschlussringe des Kurzschlusskäfigs gegen radiale Deformation beispielsweise aufgrund bei hohen Drehzahlen auftretender starker Fliehkräfte abzustützen, wird vorgeschlagen, auf nachträglich anzubringende Bandagen zu verzichten und stattdessen Zuganker vorzusehen, welche beispielsweise längs durch ein als Rotorgrundkörper wirkendes Lamellenpaket hindurchreichen und welche über Stirnflächen des Lamellenpaket derart überstehen, dass sie zumindest teilweise in einen oder vorzugsweise in beide der angrenzenden Kurzschlussringe hinein ragen. Die Zuganker verbinden somit die Kurzschlussringe mechanisch mit dem Rotorgrundkörper. Da die Zuganker eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen als die Kurzschlussstäbe und der Kurzschlussring, können sie dabei nicht nur
gegebenenfalls eine Torsionssteifigkeit des Lamellenpakets erhöhen, sondern auch den Kurzschlussring bzw. die Kurzschlussringe stabilisieren.
Unter einer„höheren mechanischen Festigkeit" der Zuganker im Vergleich zu den Kurzschlussringen soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass sich die Zuganker bei mechanischer Belastung, insbesondere bei in Radialrichtung des Käfigläufers wirkender mechanischer Belastung, weniger deformieren als die
Kurzschlussringe. Insbesondere sollte der Werkstoff der Zuganker generell einen höheren E-Modul haben als der Werkstoff des Kurzschlussrings.
Unter der„Axialrichtung" soll in diesem Zusammenhang eine Richtung längs durch den Käfigläufer, d.h. im Wesentlichen parallel oder leicht schräg zu einer Rotationsachse des Käfigläufers, verstanden werden. - -
Die Zuganker können aus einem mechanisch stabileren Material bestehen als die Kurzschlussringe. Mit anderen Worten können die Zuganker ihre im Vergleich zu den Kurzschlussstäben höhere mechanische Festigkeit aufgrund von
Festigkeitseigenschaften des für die Zuganker verwendeten Materials erhalten.
Alternativ oder ergänzend kann die höhere mechanische Festigkeit auch ein Resultat einer geeignet gewählten geometrischen Ausbildung der Zuganker sein.
Beispielsweise können als Hohlröhren ausgebildete Zuganker eine hohe mechanische Festigkeit bezüglich Knickbelastungen aufweisen. Die Zuganker können aus einem dichteren und somit schwereren Material bestehen als die Kurzschlussringe. Anders ausgedrückt kann eine Dichte eines für die Zuganker verwendeten Materials höher sein als diejenige eines für die Kurzschlussringe verwendeten Materials. Beispielsweise können die Kurzschlussringe aus leichtem Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen gebildet sein, wohingegen die Zuganker aus schweren Metallen oder Metalllegierungen gebildet sein können. Dies kann
insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Zuganker, wie weiter unter angegeben, zum Wuchten des Käfigläufers eingesetzt werden.
Die Zuganker können aus einem magnetisch nicht leitfähigen Material bestehen. Dies kann vorteilhaft oder notwendig sein, um magnetische Kurz- oder Nebenschlüsse innerhalb des Rotors zu vermeiden.
Beispielweise können die Zuganker aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, bestehen. Stahl geeigneter Legierung kann zugleich nicht magnetisch leitfähig und ausreichend mechanisch stabil sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erstrecken sich die Zuganker zumindest bis an eine stirnseitige Oberfläche eines Kurzschlussrings. Mit anderen Worten reichen die Zuganker nicht nur geringfügig bis in einen Kurzschlussring hinein, sondern sind derart lang bemessen, dass sie sich axial durch den Kurzschlussring hindurch erstrecken, sodass sie sich bis an eine dem Lamellenpaket entgegengesetzte
Oberfläche des Kurzschlussrings erstrecken.
Die Zuganker können dabei beispielsweise bündig mit der entgegengesetzten
Oberfläche des Kurzschlussrings abschließen. An dieser Oberfläche liegen die - -
Zuganker frei und können somit von außen her bearbeitet werden. Insbesondere können die Zuganker z.B. teilweise abgetragen werden, um den Käfigläufer subtraktiv zu wuchten. Insbesondere in einer solchen Ausgestaltung kann es vorteilhaft sein, die Zuganker aus einem verhältnismäßig dichten Material auszubilden, da in diesem Fall zum Wuchten nur wenig Material abgetragen werden braucht.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Zuganker durch Stabilisierungsstäbe gebildet sind, die sich in Axialrichtung durch das Lamellenpaket erstrecken. Die Stabilisierungsstäbe können dabei in dem Bereich, in dem sie sich vollständig durch das Lamellenpaket erstrecken, das Lamellenpaket z.B. gegen Torsion oder ein Verwinden stabilisieren, und ferner können sich die
Stabilisierungsstäbe in dem Bereich, in dem sie sich axial über Stirnflächen des Lamellenpakets hinaus erstrecken, in die dortigen Kurzschlussringe hinein erstrecken und diese stabilisieren.
Insbesondere können die Stabilisierungsstäbe als Hohlröhren ausgebildet sein. Mit anderen Worten können die Stabilisierungsstäbe durchgehend hohl ausgebildet sein. Durch die Stabilisierungsstäbe hindurch kann dann somit beispielsweise ein Kühlfluid wie Luft, Wasser oder Öl längs durch den Käfigläufer geströmt werden und diesen daher während des Betriebs effizient kühlen. Die Stabilisierungsstäbe sollten hierbei bezüglich ihres Innen- und Außendurchmessers geeignet dimensioniert sein, um einerseits eine ausreichende mechanische Festigkeit zu gewährleisten und um andererseits einen geringen Strömungswiderstand für durchströmendes Kühlfluid zu ermöglichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Zuganker mit Abragebereichen über eine stirnseitige Oberfläche eines Kurzschlussrings hinaus ragen. Anders ausgedrückt verlaufen die Zuganker in diesem Fall vom Lamellenpaket kommend durch einen oder beide Kurzschlussringe komplett hindurch und ragen an dessen bzw. deren entgegengesetzten Seiten über dortige Stirnflächen hinaus ab. Die
überstehenden Abragebereiche der Zuganker sind somit leicht zugänglich und können einfach von außen her bearbeitet werden. Beispielsweise kann Material zum subtraktiven Wuchten abgetragen werden. - -
Besonders vorteilhaft kann hierbei sein, an den über die Stirnflächen überstehenden Abragebereichen der Zuganker Kühlfluid-fördernde Schaufeln auszubilden. Rotoren von Asynchronmaschinen können während des Betriebs aufgrund von Verlustwärme hohe Temperaturen erreichen, sodass es vorteilhaft oder notwendig sein kann, sie zu kühlen. Hierzu können Teile des Rotors mit einem Kühlfluid, beispielsweise einem Gas wie z.B. Luft oder einer Flüssigkeit wie z.B. Öl oder Wasser, umspült werden. Bewegte Schaufeln können dazu dienen, das Kühlfluid umzuwälzen. Axial überstehende Teile des Zuganker können hierzu derart geeignet umgeformt und/oder gebogen werden, dass sie als Schaufeln wirken, während sie mit dem Rotor zusammen in eine drehende Bewegung versetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können Endbereiche der Zuganker derart gekrümmt sein, dass sie sich quer zur Axialrichtung erstrecken. Anders ausgedrückt kann eine zentraler Bereich der Zuganker linear ausgebildet sein und sich im
Wesentlichen parallel oder leicht schräg zur Längsachse des Käfigläufers erstrecken, wohingegen Endbereiche gebogen oder abgekröpft ausgestaltet sind und sich somit quer zur Axialrichtung bzw. quer zum Zentralbereich des jeweiligen
Stabilisierungsstabes erstrecken. Dabei kann beispielsweise ein Endbereich nach innen, d.h. hin zur Rotationsachse des Käfigläufers gebogen sein und ein entgegengesetzt angeordneter Endbereich kann nach außen, d.h. weg von der Rotationsachse gebogen sein.
Aufgrund der gebogenen Endbereiche können während einer Rotation des Käfigläufers geeignete Druckverhältnisse innerhalb eines den Käfigläufer umgebenden Fluids bewirkt werden, sodass dieses umgewälzt und vorzugsweise durch die hohl ausgebildeten Zuganker hindurch geleitet wird. Auch in diesem Fall kann es wiederum vorteilhaft sein, zumindest Teile der Endbereiche der Zuganker mit geeigneten
Geometrien in Form von Kühlfluid-fördernde Schaufeln auszubilden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Zuganker als Bolzen, Stifte und/oder Schrauben ausgebildet sein, welche in Löcher, vorzugsweise Sacklöcher, an den Stirnflächen des Lamellenpakets eingreifen. Anders ausgedrückt können in Endbereichen des Lamellenpakets mehrere in Axialrichtung verlaufende Löcher vorgesehen sein, in welche Zuganker beispielsweise in Form von Bolzen, Stiften oder Schrauben kraft-, form- oder stoffschlüssig eingreifend befestigt werden können. Die Löcher in dem Lamellenpaket können beispielsweise durch geeignetes Stanzen der einzelnen Blechlamellen oder durch ein nachträgliches Einbohren erzeugt werden. Die Zuganker können beispielsweise eingeschraubt oder eingepresst werden.
Eine Anzahl von über einen Umfang des Lamellenpakets verteilten Zugankern kann prinzipiell beliebig sein. Es kann jedoch vorteilhaft sein, zur Vermeidung von elektromagnetischen Kopplungen die Anzahl von Zugankern möglichst teilerfremd zu einer Polzahl der elektrischen Maschine zu wählen.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen Käfigläufer gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine teilweise Querschnittsansicht durch einen Käfigläufer einer
Asynchronmaschine mit in einen Kurzschlussring ragenden Stabilisierungsstäben gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 3 zeigt eine teilweise Querschnittsansicht durch einen Käfigläufer einer
Asynchronmaschine mit außenbündig durch einen Kurzschlussring verlaufenden Stabilisierungsstäben gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 4 zeigt eine teilweise Querschnittsansicht durch einen Käfigläufer einer
Asynchronmaschine mit über einen Kurzschlussring hinaus abragenden
Stabilisierungsstäben gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 5 zeigt eine teilweise Querschnittsansicht durch einen Käfigläufer einer
Asynchronmaschine mit in Endbereichen gebogenen Stabilisierungsstäben gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine teilweise Querschnittsansicht durch einen Käfigläufer einer
Asynchronmaschine mit als Stifte ausgebildeten Zugankern gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7 zeigt eine teilweise Querschnittsansicht durch einen Käfigläufer einer
Asynchronmaschine mit als Schrauben ausgebildeten Zugankern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale. Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen Käfigläufer 1 einer
Asynchronmaschine. Mehrere Blechlamellen 5 sind axial nebeneinander zu einem Lamellenpaket 7 gestapelt. Jede einzelne Blechlamelle 5 wurde zuvor durch
Freistanzen in eine geeignete Form gebracht. Dabei wurden nahe einem
Außenumfang eine Vielzahl von Ausnehmungen 6 oder Nuten freigestanzt, durch die später Kurzschlussstäbe 1 1 eines Kurzschlusskäfigs 9 verlaufen können. Weitere Ausnehmungen 8 können als Kühlkanäle und/oder zur Aufnahme von Zugankern 16, insbesondere Stabilisierungsstäben 17, dienen. Zentral ist eine große Ausnehmung 10 vorgesehen, durch die hindurch eine Welle angeordnet werden kann.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine obere Hälfte eines Käfigläufers 1 einer Asynchronmaschine, der innerhalb eines Stators um eine Achse 3 rotieren kann. Eine Vielzahl von axial nebeneinander gestapelten Blechlamellen 5 bildet ein
Lamellenpaket 7. Jede Blechlamelle 5 erstreckt sich in einer Ebene orthogonal zur Achse 3, d.h. in radialer Richtung. Jede Blechlamelle weist eine Dicke von
beispielsweise 0,3 bis 0,4mm auf und wurde zuvor in eine geeignete Form gestanzt. Dabei wurden unter anderem die Ausnehmungen 6 bzw. Nuten eingebracht, durch die beim fertig montierten Käfigläufer Kurzschlussstäbe 1 1 eines Kurzschlusskäfigs 9 verlaufen sollen. Das Lamellenpaket 7 ist auf eine Welle 15 gepresst, welche sich axial durch die zentrale Ausnehmung 10 der Blechlamellen 5 erstreckt. Durch jede der Ausnehmungen 8 hindurch ist jeweils ein Zuganker 16 in Form eines Stabilisierungsstabs 17 angeordnet. Die Ausnehmungen 8 bzw. die
Stabilisierungsstäbe 17 sind vorzugsweise radial zwischen den Ausnehmungen 6 bzw. Nuten für die Kurzschlussstäbe 1 1 und der zentralen Ausnehmung 10 für die Welle 15 angeordnet. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Ausnehmungen 8 bzw. die
Stabilisierungsstäbe 17 radial möglichst weit außen, d.h. nahe den Ausnehmungen 6 bzw. Nuten für die Kurzschlussstäbe 1 1 , zu positionieren.
Der Stabilisierungsstab 17 besteht dabei aus einem magnetisch nicht leitfähigen Material wie z.B. Edelstahl und weist aufgrund seiner Materialeigenschaften und/oder seiner Geometrie eine hohe mechanische Festigkeit auf.
Eine Länge der Stabilisierungsstäbe 17 ist größer als eine axiale Länge des
Lamellenpakets 7. Enden 18 der Stabilisierungsstäbe 17 ragen dabei axial über die jeweils äußersten Blechlamellen 5 des Lamellenpakets 7 hinaus ab.
Ein Außendurchmesser der Stabilisierungsstäbe 17 ist passend zu einem
Innendurchmesser der Ausnehmungen 8 gewählt, sodass die Stabilisierungsstäbe 17 in die Ausnehmungen 8 presspassend eingeschoben werden können bzw. die
Blechlamellen sukzessive auf die Stabilisierungsstäbe 17 aufgepresst werden können. Dabei können die Stabilisierungsstäbe 17 sowohl eine Torsionssteif igkeit des
Lamellenpaktes 7 erhöhen als auch einen Vorgang des Paketierens vereinfachen.
Um anschließend den Kurzschlusskäfig 9 zu bilden, kann um das Lamellenpaket 7 herum eine Form gebildet werden, in die dann ein den Kurzschlusskäfig 9 bildendes Material wie z.B. Kupfer oder Aluminium im flüssigen Zustand und unter hohem Druck - - eingegossen werden kann. Die Form wird dabei derart gewählt, dass beim
Druckgießen vorzugsweise gleichzeitig sowohl die Kurzschlussstäbe 1 1 als auch an den Stirnseiten des Lamellenpakets 7 Kurzschlussringe 13, welche die
Kurzschlussstäbe 1 1 elektrisch miteinander verbinden, d.h. kurzschließen, gegossen werden.
Nach dem Druckgießen des Kurzschlusskäfigs 9 erstrecken sich Enden der
Stabilisierungsstäbe 17 zumindest teilweise bis in die Kurzschlussringe 13 hinein. Mit anderen Worten werden die Stabilisierungsstäbe 17 beim Druckgießen des
Kurzschlusskäfigs mit eingegossen.
Da die Stabilisierungsstäbe 17 eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen als die aus relativ weichem Material gebildeten Kurzschlussringe 13, können die in die Kurzschlussringe 13 hineinragenden Enden 18 der Stabilisierungsstäbe 17 die Kurzschlussringe 13 insbesondere gegenüber radial wirkenden Kräften stabilisieren.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Käfigläufers 1 , bei dem die
Stabilisierungsstäbe 17 als Hohlröhren ausgebildet sind und durch die
Kurzschlussringe 13 hindurch bis an die jeweiligen freiliegende Oberflächen 14 verlaufen. Die Stabilisierungsstäbe 17 schließen bündig mit diesen Oberflächen 14 ab. Gegebenenfalls können die somit von außen zugänglichen Stabilisierungsstäbe 17 nachträglich bearbeitet werden. Beispielsweise kann partiell von ihnen Material gezielt entfernt werden, um den Käfigläufer zu wuchten. Durch die hohlen Stabilisierungsstäbe 17 kann ein Kühlfluid geleitet werden, sodass die Stabilisierungsstäbe 17 nicht nur die Kurzschlussringe 13 stabilisieren sondern auch für eine Kühlung des Inneren des Käfigläufers, in dem im Betrieb Verluste zu einer signifikanten Erwärmung führen können, sorgen können. Ein Innendurchmesser der Stabilisierungsstäbe 17 ist dabei geeignet groß gewählt, um ausreichend Kühlfluid durch den Käfigläufen strömen lassen zu können. Beispielsweise können die
Stabilisierungsstäbe 17 einen Außendurchmesser im Bereich von 5 bis 8 mm und einen Innendurchmesser im Bereich von 30 bis 60% des Außendurchmessers aufweisen. - -
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform eines Käfigläufers 1 gezeigt, bei der die
Stabilisierungsstäbe 17 mit einem Abragebereich 19 axial über die Kurzschlussringe 13 hinaus abragen. Der Abragebereich 19 kann dabei eine axiale Länge aufweisen, die kleiner, gleich oder größer als eine Dicke der Kurzschlussringe 13 in Axialrichtung ist. Die Stabilisierungsstäbe 17 sind in den Abragebereichen einfach von außen zugänglich und können somit leicht nachträglich bearbeitet werden. Beispielsweise können sie vereinzelt gekürzt werden, um den Käfigläufer zu wuchten. Die
Stabilisierungsstäbe 17 können wie dargestellt massiv oder alternativ auch hohl ausgeführt sein.
Insbesondere können die Stabilisierungsstäbe 17 an den Abragebereichen derart bearbeitet und/oder umgeformt werden, dass sie Schaufeln 23 bilden, die geeignet geformt sind, um damit beispielsweise ein gasförmiges oder flüssiges Kühlfluid umzuwälzen oder gezielt in eine bestimmte Richtung zu fördern. Die Schaufeln können beispielsweise mittels eines Prägevorgangs gebildet werden.
Abschließend ist in Fig. 5 eine Ausführungsform dargestellt, bei der die
Stabilisierungsstäbe 17 ähnlich wie bei dem Beispiel aus Fig. 3 als Hohlröhren ausgebildet sind. Allerdings gehen die Stabilisierungsstäbe 17 nicht wie in Fig. 3 linear durch die Kurzschlussringe 13 hindurch. Stattdessen sind Endbereiche 21 der
Stabilisierungsstäbe 17 derart gekrümmt, dass sie sich bereichsweise quer zur Axialrichtung des Käfigläufers 1 erstrecken. Die Endbereiche schauen dabei zumindest teilweise aus dem Kurzschlussring heraus. Bei einem möglichen Herstellungsprozess sind sie zunächst noch achsparallel zu der Welle bzw. der Paketachse. Erst nach einem Erkalten des Druckgussmaterials des Kurzschlusskäfigs werden diese dann gebogen und erhalten ihre Vorzugsrichtung. Alternativ könnten vorgebogene Röhrchen nachträglich in axiale Bohrung eingebracht und befestigt werden, beispielsweise durch Pressverband, Formschluss oder ähnliches. An einem in Fig. 5 links dargestellten Ende ist ein Stabilisierungsstab 17 hierbei nach innen hin zur Welle 15 gekrümmt, wohingegen der Stabilisierungsstab 17 am entgegengesetzten Ende nach außen weg von der Welle 15 gekrümmt ist. Aufgrund der gekrümmten Endbereiche 21 und insbesondere wenn diese an entgegengesetzten Enden in unterschiedliche Richtungen gekrümmt sind, können sich bei Rotation des Käfigläufers 1 an den entgegengesetzten Enden der Stabilisierungsstäbe 17 . . verschiedene Druckverhältnisse einstellen, welche eine Fluidströmung durch die hohlen Stabilisierungsstäbe 17 bewirken können. Auch in diesem Fall können axial und/oder radial über den Kurzschlussring 13 hinausstehende Abragebereiche geeignet geformt sein, um fluidfördernde Schauten zu bilden.
In den Fign. 6 und 7 sind alternative Ausführungsformen dargestellt, bei denen die Zuganker 16 nicht in Form von durch das Lamellenpaket 7 durchgehender Stäbe sondern in Form von im Vergleich zum Lamellenpaket 7 wesentlich kürzerer Bolzen 18 bzw. Schrauben 20 ausgebildet sind. Die Bolzen 18 bzw. Schrauben 20 greifen in Ausnehmungen in Form von Sacklöchern 24 ein, welche in dem Lamellenpaket 7 an dessen Stirnflächen vorgesehen sind. Die Bolzen 18 bzw. Schrauben 20 stehen dabei in Axialrichtung über die Stirnflächen hinaus ab und werden bei einem Gießen des Kurzschlusskäfigs 9 in dessen Kurzschlussringe 13 mit eingegossen. Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie„aufweisend",„umfassend", etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie„eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Ansprüche
1 . Käfigläufer (1 ) für eine elektrische Asynchronmaschine, aufweisend:
ein Lamellenpaket (7) aus einer Vielzahl von in Axialrichtung nebeneinander gestapelten Blechlamellen (5);
einen Kurzschlusskäfig (9);
wobei sich Kurzschlussstäbe (1 1 ) des Kurzschlusskäfigs (9) in Axialrichtung durch das Lamellenpaket (7) erstrecken und jeweils durch einen Kurzschlussring (13) an Stirnflächen des Lamellenpakets (7) miteinander verbunden sind;
dadurch gekennzeichnet, dass
an dem Lamellenpaket Zuganker (16) angeordnet sind, welche eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen als die Kurzschlussstäbe (1 1 ) und welche von den Stirnflächen des Lamellenpakets (7) in Axialrichtung abstehen und zumindest teilweise in zumindest einen der Kurschlussringe (13) hinein ragen.
2. Käfigläufer nach Anspruch 1 , wobei die Zuganker (16) aus einem mechanisch stabileren Material bestehen als die Kurzschlussringe (13).
3. Käfigläufer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zuganker (16) aus einem dichteren Material bestehen als die Kurzschlussringe (13).
4. Käfigläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zuganker (16) aus einem magnetisch nicht leitfähigen Material bestehen.
5. Käfigläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zuganker (16) aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, bestehen.
6. Käfigläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zuganker (16) sich zumindest bis an eine stirnseitige Oberfläche (14) eines Kurzschlussrings (13) erstrecken.
7. Käfigläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Zuganker durch Stabilisierungsstäbe (17) gebildet sind, die sich in Axialrichtung vollständig durch das Lamellenpaket (7) hindurch erstrecken.
8. Käfigläufer nach Anspruch 7, wobei die Stabilisierungsstäbe (17) als Hohlröhren ausgebildet sind.
9. Käfigläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Zuganker (16) mit Abragebereichen (19) über eine stirnseitige Oberfläche (14) eines Kurzschlussrings (13) hinaus ragen.
10. Käfigläufer nach Anspruch 9, wobei an den Abragebereichen (19) der Zuganker (16) Kühlfluid-fördernde Schaufeln (23) ausgebildet sind.
1 1 . Käfigläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei Endbereiche (21 ) der Zuganker (16) derart gekrümmt sind, dass sie sich quer zur Axialrichtung erstrecken.
12. Käfigläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , die Zuganker (16) als Bolzen (18), Stifte und/oder Schrauben (20) ausgebildet sind, welche in Löcher (24) an den Stirnflächen des Lamellenpakets (7) eingreifen.
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