WO2017097503A1 - Rotor, verfahren zum herstellen eines rotors, asynchronmaschine und fahrzeug - Google Patents

Rotor, verfahren zum herstellen eines rotors, asynchronmaschine und fahrzeug Download PDF

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WO2017097503A1
WO2017097503A1 PCT/EP2016/076516 EP2016076516W WO2017097503A1 WO 2017097503 A1 WO2017097503 A1 WO 2017097503A1 EP 2016076516 W EP2016076516 W EP 2016076516W WO 2017097503 A1 WO2017097503 A1 WO 2017097503A1
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short
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PCT/EP2016/076516
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Manfred Siegling
Holger Ulbrich
Josef Lichtinger
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • 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
    • H02K17/165—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors characterised by the squirrel-cage or other short-circuited windings
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    • 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

  • Rotor Method for producing a rotor, asynchronous machine and vehicle
  • the present invention relates to a rotor, a method of manufacturing a rotor, an asynchronous machine and a vehicle.
  • the present invention particularly relates to a rotor for an asynchronous machine, a method for producing a rotor for an asynchronous machine, an asynchronous machine, in particular for driving a vehicle, and a vehicle, in particular a passenger car and / or a
  • asynchronous machines are used. Such machines are also referred to as three-phase asynchronous machines or three-phase induction machines.
  • a rotor or rotor and a stator interact with one another via magnetic rotating fields, the rotor projecting ahead of the stator rotary field during generator operation and the rotor following the stator rotary field during engine operation.
  • Such a rotor consists of a laminated core, in particular of a sheet iron package with
  • the invention is based on the object, a rotor for a
  • the invention is based on the object of a corresponding manufacturing method for a rotor, a
  • the object of the invention is based on a rotor for an asynchronous machine according to the invention with the features of independent claim 1, in a method for producing a rotor for an asynchronous machine according to the invention with the features of independent claim 6, in an asynchronous machine
  • An inventive rotor for an asynchronous machine has
  • the short-circuit cage is formed with bars or with a first electrically conductive material and short-circuit rings with or made of a second electrically conductive material.
  • the short-circuit rings are formed in indirect or direct Reibsch doriv with the rods. Due to the
  • the rods of the short-circuit cage have a cast and / or assembled structure.
  • one or more of the short-circuiting rings may be formed as end rings of the short-circuiting cage.
  • an expansion offers, the only two
  • Shorting rings namely in the form of end rings, having.
  • the first material has a higher electrical conductivity than the second material.
  • the second material may have a higher mechanical strength and / or stability than the first material.
  • the first material and / or the second material is a material from the group comprising aluminum, copper, silver and their alloys, and in particular the first material is copper or a copper alloy or and the second material is or comprises aluminum or an aluminum alloy.
  • At least one guide plate is formed, the at least one guide plate between the rods and a the shorting rings arranged and with the bars and the
  • Short circuit ring is electrically conductively connected, wherein the connection of the at least one guide plate with the at least one short-circuit ring is a Reibsch waitharm.
  • the present invention is based on the fact that a rotor for an asynchronous machine, comprising a laminated core and an integrated at least partially integrated in the laminated core short circuit cage, the short-circuit cage is formed with rods with or from a first electrically conductive material and shorting rings with or out a second electrically conductive material, and wherein the
  • Short-circuit rings are formed in direct or indirect Reibsch dotress with the rods.
  • rods of the short-circuit cage are poured and / or joined.
  • one or more shorting rings may be formed as end rings.
  • Integrity of the rotor according to the invention as a whole is in one
  • Conductivity is used as that of the second material and / or that as the second material, a material having a higher mechanical strength and / or stability than that of the first material is used.
  • a material from the group comprising aluminum, copper, silver and their alloys can be used in particular as the first material and / or as the second material.
  • copper or a copper alloy and / or aluminum or an aluminum alloy as the second material can be used be used.
  • At least one guide plate is formed, that at least one guide plate between the rods and one of the short-circuiting arranged and electrically conductively connected to the rods and the short-circuit ring and the connection of the at least one guide plate the at least one short-circuit ring is formed by friction welding.
  • the asynchronous machine in particular for the drive and / or as a generator of a vehicle created.
  • the asynchronous machine according to the invention comprises a rotor and a stator, wherein the rotor
  • the present invention also provides a vehicle, in particular a passenger vehicle, a battery electric vehicle and / or a hybrid vehicle, which is configured according to the invention Asynchronous machine which is formed as part of a drive and / or a generator of the vehicle.
  • the asynchronous machine according to the invention can also be used in any other devices as a drive and / or as a generator component, e.g. in working or machine tools, in particular in a circular saw, in pumps, e.g. Water pumps, water and water
  • Wind generators and the like Wind generators and the like.
  • FIG 1 shows in schematic and partially cut
  • FIG. 2 shows a type of exploded view
  • Embodiment of the rotor according to the invention which as squirrel cage for a
  • Asynchronous machine can be used.
  • FIGS 3 and 4 show in schematic and partially cut
  • inventive rotor with and without Leitpiatte.
  • FIG. 5 shows a schematic side view
  • FIG. 1 shows, in a schematic and sectional side view, an embodiment of the asynchronous machine 50 according to the invention.
  • This consists of a stator 40, in the interior of which a rotor 10 with a rotor shaft 12 is mounted via bearings 41.
  • the rotor shaft 12 defines an axis of rotation 1 1 of the rotor 10.
  • the individual components of the rotor 10 are rotatably connected to the shaft 12.
  • the axis of rotation 1 1. which is defined via the rotor shaft 12 is aligned parallel to the direction shown in Figure 1 as the x-axis.
  • the rotor itself is next to the rotor shaft 12 of a laminated core 20, which is formed by mutually electrically insulated thin sheets, for example, iron or the like.
  • the sheet metal package 20 is formed with a plurality of grooves 21 or recesses here in the longitudinal direction parallel to the axis of rotation 1 1, but also an oblique course is conceivable in which the individual sheets are rotated, for example by at least one Schränkwinkel about the axis 1 1.
  • the grooves 21 are fitted with rods 31, which are also referred to as cage bars. At the ends 31 -1 and 31 -2, the rods 31 are connected to - here terminal - short-circuit rings 32-1 and 32-2, which are electrically conductive, and thereby electrically short-circuited.
  • the first short-circuit ring 32-1 and the first ends 31 -1 of the rods 31 of the short-circuit cage 30 are materially connected via a friction-welded connection and electrically conductive.
  • the second short-circuit ring 32-2 is connected in a material-locking and electrically conductive manner to the second ends 31-2 of the rods 31 of the short-circuit cage 30 via a friction-welded connection. Due to the friction welding connection between the first and second ends 31 -1, 31 -2 of the rods 31 of the shorting cage 30 and the inner sides or inner surfaces of the first and second shorting rings 32-1 and 32-2 respectively, the material choice with respect to the material of Rods 31 on the one hand and in terms of the material of the short-circuit rings 32-1, 32-2 on the other hand - as long as a material connection via a Reibsch spatagen is possible - be configured arbitrarily, for example, aspects of particularly good electrical conductivity of the rods 31 on the one hand and a particularly high mechanical resistance of the short-circuit rings 32-1, 32-2 on the other hand to better take into account.
  • Figure 2 shows an exploded view of an embodiment of the rotor 10 according to the invention with a short-circuit cage 30 with rods 31 and terminal short-circuit rings 32-1 and 32-2 and with a
  • Laminated core 20 with parallel to the rotor axis 1 1 formed grooves 21 for receiving the rods 31st
  • Figure 3 shows a schematic and sectional side view of a
  • Embodiment of a rotor 10 according to the invention corresponds essentially to the rotor 10, as in the embodiment of the
  • Asynchronous machine 50 of Figure 1 according to the invention finds use.
  • the rotor axis 1 1 is defined by a rotor shaft 12. With this rotor shaft 12, the other components of the rotor 10 are rotatably connected. This is in particular a laminated core 20 with parallel to the rotor axis 1 1 formed grooves 21 or recesses into which rods 31 of a short-circuit cage 30 are added.
  • the rods 31 are in turn connected with their first ends 31 -1 on the inside of a first short-circuit ring 32-1 by means of Reibsch spathetic substance conclusive and electrically conductive.
  • the opposite ends of the first 31 -1 second ends 31 -2 of the rods 31 of the shorting cage 30 are with the inside of an opposite and terminal second
  • Short-circuit ring 32-2 by means of friction-welded connection fabric coherently and electrically connected.
  • FIG. 4 shows a schematic and sectional side view of another embodiment of the rotor 10 according to the invention.
  • the structure of this embodiment of the rotor 10 according to the invention is similar to the structure of the rotor 10 shown in Figures 1 and 3. However, in the embodiment according to Figure 4, it is essential that for better contacting and / or to avoid corrosion problems between the bars 31 of the Short-circuit cage 30 and in particular their ends 31 -1, 31 -2 and the terminal short-circuit rings 32-1, 32-2 each have a guide plate 35-1 and 35-2 is formed.
  • the short-circuit rings 32-1 and 32-2 can be connected with their inner sides directly on the respective outer side of the first and second guide disks 35-1 and 35-2 in a frictionally engaged and electrically conductive manner. In this way, only an indirect connection between the first and second short-circuit rings 32-1, 32-2 and the bars 31 of the short-circuiting cage 30 is created. This can
  • FIG. 5 shows an embodiment of a vehicle 1 according to the invention using an embodiment of the invention
  • Asynchronous machine 50 for a drive 80 is asynchronous machine 50 for a drive 80.
  • Asynchronous machine 50 can be driven to move the vehicle 1. It may be in the vehicle 1 according to the invention to act a purely electrically powered vehicle or a hybrid vehicle.
  • the asynchronous machine 50 of the drive 80 according to the invention is powered by an energy source, in particular a battery 81
  • the rotor 10 of an asynchronous machine 50 which is also referred to as a squirrel cage rotor or squirrel cage 30, consists of an iron sheet packet 20.
  • Laminated core 20 via a casting process e.g. about one
  • the cast rotor bars 31 are provided on both sides with short-circuit rings 32- 1, 32-2 and thus form the electrically conductive squirrel cage rotor 30.
  • the conductive material of the squirrel-cage rotor 10 is made of aluminum, only lower efficiencies can be achieved due to the poorer conductivity compared to copper
  • the shorting rings 32-1, 32-2 can be manufactured by an aluminum die casting process.
  • the casting process - in terms of tooling costs, reworking, energy costs for melting the metal - in itself and in the manufacturing process Downstream processing steps disadvantageous.
  • connection of the shorting rings 32-1, 32-2, e.g. as end rings, from a low conductive material, such as aluminum, can be done via a friction welding directly to the short-firing bars 31.
  • the proposed method can use a suitable material with high strength and / or high electrical conductivity for the end rings 32-1, 32-2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (10) für eine Asynchronmaschine (50), umfassend ein Blechpaket (20) und einen zumindest teilweise im Blechpaket (20) integrierten Kurzschlusskäfig (30), bei welchem der Kurzschlusskäfig (30) mit Stäben (31) mit oder aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und Kurzschlussringen (32-1, 32-2) mit oder aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist und die Kurzschlussringe (32-1, 32-2) in mittelbarer oder unmittelbarer Reibschweißverbindung mit den Stäben (31) ausgebildet sind.

Description

Rotor, Verfahren zum Herstelleo eines Rotors, Asynchronmaschine und Fahrzeug
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor, ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors, eine Asynchronmaschine und ein Fahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Rotor für eine Asynchronmaschine, ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Asynchronmaschine, eine Asynchronmaschine, insbesondere für einen Antrieb eines Fahrzeuges, sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug und/oder ein
Hybridfahrzeug.
Bei vielen technischen Anwendungen, insbesondere beim Antrieb von Fahrzeugen und deren Komponenten, werden Asynchronmaschinen eingesetzt. Derartige Maschinen werden auch als Drehstrom- Asynchronmaschinen oder Drehstrom-Induktionsmaschinen bezeichnet. Bei derartigen Maschinen wechselwirken ein Läufer oder Rotor und ein Stator über magnetische Drehfelder miteinander, wobei im Generatorbetrieb der Läufer dem Statordrehfeld vorauseilt und im Motorbetrieb der Läufer dem Statordrehfeld nachläuft.
Bei passiven Asynchronmaschinen wird der Läufer von einem
Kurzschlussläufer oder Käfigläufer gebildet. Ein derartiger Rotor besteht aus einem Blechpaket, insbesondere aus einem Eisenblechpaket mit
ausgebildeten Nuten, wobei die Bleche gegenseitig elektrisch isoliert sind. Üblicherweise werden bei der Herstellung in die Nuten des Blechpaketes Stäbe eingebracht und über Kurzschlussringe elektrisch kurzgeschlossen, dies kann über ein Gussverfahren erfolgen. Problematisch ist, dass eine Materialsubstitution zur Verbesserung der elektrischen Leitwerte einerseits und der Erhöhung der mechanischen Stabilität andererseits mit bekannten Herstellungsverfahren nicht oder nur mit einem erheblichen Mehraufwand an Material- und Energiekosten erreicht werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Rotor für eine
Asynchronmaschine anzugeben, welcher den Aufbau und den Betrieb einer Asynchronmaschine zuverlässiger gestaltet, ohne dass der Aufwand bei der Herstellung steigt. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein entsprechendes Herstellungsverfahren für einen Rotor, eine
Asynchronmaschine und ein Fahrzeug anzugeben und entsprechend weiterzubilden.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Rotor für eine Asynchronmaschine erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 , bei einem Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Asynchronmaschine erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 6, bei einer Asynchronmaschine
erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 1 und bei einem Fahrzeug erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine Asynchronmaschine weist ein
Blechpaket und einen zumindest teilweise im Blechpaket integrierten
Kurzschlusskäfig auf. Beim erfindungsgemäßen Rotor ist der Kurzschlusskäfig mit Stäben mit oder aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und Kurzschlussringen mit oder aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Die Kurzschlussringe sind in mittelbarer oder unmittelbarer Reibschweißverbindung mit den Stäben ausgebildet. Auf Grund der
Reibschweißverbindung zwischen den Kurzschlussringen und den Stäben des Kurzschlusskäfigs kann ohne Mehraufwand im Hinblick auf Energie- und Materialeinsatz der Rotor im Hinblick auf die verwendeten ersten und zweiten Materialien für die Stäbe bzw. die Kurzschlussringe besonders flexibel weitergebildet werden. Eine Verbindung zwischen dem Material der Stäbe des Kurzschlusskäfigs und der Kurzschlussringe erfolgt in einfacher Art und Weise durch die Reibschweißverbindung, so dass ein energetischer oder kostenmäßiger Mehraufwand, zum Beispiel im Zusammenhang mit einem Gussverfahren, entfällt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors besitzen die Stäbe des Kurzschlusskäfigs einen gegossenen und/oder gefügten Aufbau.
Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere der Kurzschlussringe, insbesondere sämtliche Kurzschlussringe, als Endringe des Kurzschlusskäfigs ausgebildet sein. insbesondere bietet sich ein Ausbau an, der ausschließlich zwei
Kurzschlussringe, nämlich in Form von Endringen, aufweist.
Auf Grund der Möglichkeit der flexibleren Materialwahl bei den Materialien der Stäbe des Kurzschlusskäfigs einerseits und der Kurzschlussringe andererseits ist es gemäß einer weiteren Fortbildung des erfindungsgemäßen Rotors möglich, dass das erste Material eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als das zweite Material.
Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Material eine höhere mechanische Festigkeit und/oder Stabilität aufweisen als das erste Material.
Dabei kann eine geschickte Auswahl der Materialien in Kombination miteinander sowohl die elektrischen Eigenschaften als auch die mechanische Integrität des erfindungsgemäßen Rotors insgesamt verbessern.
So ist es gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors denkbar, dass das erste Material und/oder das zweite Material ein Material aus der Gruppe ist, die aufweist Aluminium, Kupfer, Silber und deren Legierungen, und insbesondere das erste Material Kupfer oder eine Kupferlegierung ist oder aufweist und das zweite Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist oder aufweist.
Um den elektrischen Kontakt zwischen den Stäben des Kurzschlusskäfigs und den Kurzschlussringen zu verbessern und/oder um Korrosionsprobleme zu unterdrücken, ist es gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors denkbar, dass mindestens eine Leitplatte ausgebildet ist, die mindestens eine Leitplatte zwischen den Stäben und einem der Kurzschlussringe angeordnet und mit den Stäben und dem
Kurzschlussring elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Verbindung der mindestens einen Leitplatte mit dem mindestens eine Kurzschlussring eine Reibschweißverbindung ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Asynchronmaschine geschaffen.
Verfahrenstechnisch beruht die vorliegende Erfindung dabei darauf, dass ein Rotor für eine Asynchronmaschine, umfassend ein Blechpaket und einen zumindest teilweise im Blechpaket integrierten Kurzschlusskäfig, hergestellt wird, wobei der Kurzschlusskäfig ausgebildet wird mit Stäben mit oder aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und Kurzschlussringen mit oder aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material und wobei die
Kurzschlussringe in mittelbarer oder unmittelbarer Reibschweißverbindung mit den Stäben ausgebildet werden.
In analoger Weise wie bei den strukturellen Vorteilen des erfindungsgemäßen Rotors für eine Asynchronmaschine kann auch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für den Rotor weitergebildet werden.
So ist es denkbar, dass die Stäbe des Kurzschlusskäfigs gegossen und/oder gefügt werden.
Alternativ oder zusätzlich dazu können ein oder mehrere Kurzschlussringe als Endringe ausgebildet werden. Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften und/oder der mechanischen
Integrität des erfindungsgemäßen Rotors insgesamt ist es bei einer
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens vorgesehen, dass als erstes Material ein Material mit einer höheren elektrischen
Leitfähigkeit als der des zweiten Materials verwendet wird und/oder dass als zweites Material ein Material mit einer höheren mechanischen Festigkeit und/oder Stabilität als der des ersten Materials verwendet wird.
Dabei kann insbesondere als erstes Material und/oder als zweites Material ein Material aus der Gruppe verwendet werden, die Aluminium, Kupfer, Silber und deren Legierungen aufweist, Insbesondere kann als erstes Material Kupfer oder eine Kupferlegierung und/oder als zweites Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet werden.
Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften und zur Vermeidung von Korrosionsproblemen beim herzustellenden Rotor für eine
Asynchronmaschine ist es bei einer Fortbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens vorgesehen, dass mindestens eine Leitplatte ausgebildet wird, dass die mindestens eine Leitplatte zwischen den Stäben und einem der Kurzschlussringe angeordnet und mit den Stäben und dem Kurzschlussring elektrisch leitend verbunden wird und die Verbindung der mindestens einen Leitplatte mit dem mindestens eine Kurzschlussring durch Reibschweißen ausgebildet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine
Asynchronmaschine, insbesondere für den Antrieb und/oder als Generator eines Fahrzeuges, geschaffen. Die erfindungsgemäße Asynchronmaschine umfasst einen Rotor und einen Stator, wobei der Rotor den
erfindungsgemäßen Aufbau besitzt.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Personenkraftfahrzeug, ein batterieelektrisches Fahrzeug und/oder ein Hybridfahrzeug, welches eine erfindungsgemäß ausgestaltete Asynchronmaschine aufweist, welche als Teil eines Antriebes und/oder eines Generators des Fahrzeuges ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Asynchronmaschine kann auch bei beliebigen anderen Vorrichtungen als Antrieb und/oder als Generatorkomponente eingesetzt werden, z.B. bei Arbeits- oder Werkzeugmaschinen, insbesondere bei einer Kreissäge, bei Pumpen, z.B. Wasserpumpen, bei Wasser- und
Windgeneratoren und dergleichen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
Figur 1 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener
Seitenansicht den Aufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Asynchronmaschine.
Figur 2 zeigt nach Art einer Explosionsdarstellung eine
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors, welcher als Kurzschlussläufer für eine
Asynchronmaschine genutzt werden kann.
Figuren 3 und 4 zeigen in schematischer und teilweise geschnittener
Seitenansicht Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Rotors, und zwar mit und ohne Leitpiatte.
Figur 5 zeigt in schematischer Seitenansicht ein
erfindungsgemäß ausgestaltetes Fahrzeug.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5
Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und
Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form von einander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Figur 1 zeigt in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Asynchronmaschine 50. Diese besteht aus einem Stator 40, in dessen Inneren ein Rotor 10 mit einer Rotorwelle 12 über Lager 41 gelagert angeordnet ist. Die Rotorwelle 12 definiert eine Drehachse 1 1 des Rotors 10. Die einzelnen Komponenten des Rotors 10 sind mit der Welle 12 drehfest verbunden. Die Drehachse 1 1 . die über die Rotorwelle 12 definiert wird, ist parallel zu der in Figur 1 als x-Achse dargestellten Richtung ausgerichtet.
Der Rotor selbst besteht neben der Rotorwelle 12 aus einem Blechpaket 20, welches gebildet wird von gegeneinander elektrisch isolierten dünnen Blechen, zum Beispiel aus Eisen oder dergleichen. Das Blech paket 20 ist mit einer Mehrzahl von Nuten 21 oder Ausnehmungen hier in Längsrichtung parallel zur Drehachse 1 1 ausgebildet, jedoch ist auch ein schräger Verlauf denkbar, bei dem die einzelnen Bleche zum Beispiel um mindestens einen Schränkwinkel um die Achse 1 1 verdreht sind. Die Nuten 21 werden mit Stäben 31 bestückt, die auch als Käfigstäbe bezeichnet werden. An den Enden 31 -1 und 31 -2 werden die Stäbe 31 werden mit - hier endständiger - Kurzschlussringen 32-1 und 32-2 verbunden, welche elektrisch leitend sind, und dadurch elektrisch kurzgeschlossen.
Der erste Kurzschlussring 32-1 und die ersten Enden 31 -1 der Stäbe 31 des Kurzschlusskäfigs 30 sind über eine Reibschweißverbindung stoff schlüssig und elektrisch leitend miteinander verbunden.
Der zweite Kurzschlussring 32-2 ist über eine Reibschweißverbindung stoffschlüssig und elektrisch leitend mit den zweiten Enden 31 -2 der Stäbe 31 des Kurzschlusskäfigs 30 verbunden. Auf Grund der Reibschweißverbindung zwischen den ersten und zweiten Enden 31 -1 , 31 -2 der Stäbe 31 des Kurzschlusskäfigs 30 und der Innenseiten oder Innenflächen der ersten und zweiten Kurzschlussringe 32-1 bzw. 32-2 kann die Materialwahl im Hinblick auf das Material der Stäbe 31 einerseits und im Hinblick auf das Material der Kurzschlussringe 32-1 , 32-2 andererseits - solange ein Stoffschluss über eine Reibschweißverbindung möglich ist - beliebig ausgestaltet sein, um zum Beispiel Aspekten einer besonders guten elektrischen Leitfähigkeit der Stäbe 31 einerseits und einer besonders hohen mechanischen Widerstandsfähigkeit der Kurzschlussringe 32-1 , 32-2 andererseits besser Rechnung tragen zu können.
Es ist erfindungsgemäß insbesondere nicht mehr notwendig, die Stäbe 31 und die Kurzschlussringe 32-1 , 32-2 aus demselben Material und/oder im selben Arbeitsgang und mit denselben Herstellungsmethoden auszubilden.
Figur 2 zeigt nach Art einer Explosionsdarstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors 10 mit einem Kurzschlusskäfig 30 mit Stäben 31 und endständigen Kurzschlussringen 32-1 und 32-2 sowie mit einem
Blechpaket 20 mit parallel zur Rotorachse 1 1 ausgebildeten Nuten 21 zur Aufnahme der Stäbe 31.
Figur 3 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors 10. Dieser entspricht im Wesentlichen dem Rotor 10, wie er bei der Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Asynchronmaschine 50 aus Figur 1 Verwendung findet.
Die Rotorachse 1 1 wird durch eine Rotorwelle 12 definiert. Mit dieser Rotorwelle 12 sind die weiteren Komponenten des Rotors 10 drehfest verbunden. Dabei handelt es sich insbesondere um ein Blechpaket 20 mit parallel zur Rotorachse 1 1 ausgebildeten Nuten 21 oder Ausnehmungen, in welche Stäbe 31 eines Kurzschlusskäfigs 30 aufgenommen sind. Die Stäbe 31 sind ihrerseits mit ihren ersten Enden 31 -1 auf der Innenseite eines ersten Kurzschlussringes 32-1 mittels Reibschweißverbindung Stoff schlüssig und elektrisch leitend verbunden. Die den ersten Enden 31 -1 gegenüberliegenden zweiten Enden 31 -2 der Stäbe 31 des Kurzschlusskäfigs 30 sind mit der Innenseite eines gegenüberliegenden und endständigen zweiten
Kurzschlussringes 32-2 mittels Reibschweißverbindung Stoff schlüssig und elektrisch leitend verbunden.
Figur 4 zeigt in schematischer und geschnittener Seitenansicht eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors 10.
Der Aufbau dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors 10 ist ähnlich zu dem Aufbau des in den Figuren 1 und 3 gezeigten Rotors 10. Maßgeblich ist jedoch bei der Ausführungsform gemäß Figur 4, dass zur besseren Kontaktierung und/oder zur Vermeidung von Korrosionsproblemen zwischen den Stäben 31 des Kurzschlusskäfigs 30 und insbesondere deren Enden 31 -1 , 31 -2 und den endständigen Kurzschlussringen 32-1 , 32-2 jeweils eine Leitscheibe 35-1 bzw. 35-2 ausgebildet ist.
Bei der Anordnung gemäß Figur 4 können die Kurzschlussringe 32-1 und 32-2 mit ihren Innenseiten direkt auf der jeweiligen Außenseite der ersten bzw. zweiten Leitscheibe 35-1 bzw. 35-2 in Reibschluss stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden sein. Auf diese Art und Weise entsteht eine nur mittelbare Verbindung zwischen den ersten und zweiten Kurzschlussringen 32-1 , 32-2 und den Stäben 31 des Kurzschlusskäfigs 30. Dies kann
Kontaktprobleme bei direktem Kontakt zwischen den Kurzschlussringen 32-1 , 32-2 und den Stäben 31 vermeiden, indem das Material der Leitscheiben 35- 1 , 35-2 elektrochemisch vermittelnd gewählt wird.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges 1 unter Verwendung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Asynchronmaschine 50 für einen Antrieb 80.
In der schematischen Darstellung der Figur 5 weist das erfindungsgemäße Fahrzeug 1 ein Chassis 2 sowie vier Räder 3 auf, welche über einen
Antriebsstrang 85 mittels der erfindungsgemäß ausgebildeten
Asynchronmaschine 50 zur Fortbewegung des Fahrzeuges 1 angetrieben werden können. Dabei kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug 1 um ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug handeln.
Die erfindungsgemäße Asynchronmaschine 50 des Antriebes 80 wird von einer Energiequelle, insbesondere einer Batterie 81 , über eine
Versorgungsleitung 86 gespeist. Mittels einer Steuereinheit 90 werden über Steuer-ZKommunikationsleitungen 82, 83 und 84 Funktion und Betrieb der Batterie 81 , der Asynchronmaschine 50 und des Antriebsstranges 85 überwacht und/oder gesteuert.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Der Rotor 10 einer Asynchronmaschine 50, der auch als Kurzschlussläufer oder Käfigläufer 30 bezeichnet, besteht aus einem Eisenblechpaket 20.
zusammengesetzt aus gegenseitig isolierten Blechen, mit eingestanzten Nuten 21 .
Beim Herstellen von Asynchronrotoren 10 kann das Einbringen des
Kurzschlusskäfigs 30 mit Stäben 31 und Endringen 32-1 , 32-2 in das
Blechpaket 20 über ein Gussverfahren erfolgen, z.B. über ein
Aluminiumdruckgussverfahren.
Die gegossenen Läuferstäbe 31 werden beidseitig mit Kurzschlussringen 32- 1 , 32-2 versehen und bilden somit den elektrisch leitenden Kurzschlussläufer 30.
Besteht das Leitmaterial des Käfigläufers 10 aus Aluminium, so lassen sich auf Grund der schlechteren Leitfähigkeit gegenüber Kupfer nur geringere Wirkungsgrade erzielen
Durch eine Substitution eines Materials mit einem geringeren Leitwert, z.B. Aluminium, durch einen anderen geeigneten Werkstoff mit höherem Leitwert wie z.B. Kupfer kann der Wirkungsgrad der Asynchronmaschine 50 verbessert werden. Eine vollständige Substitution von Aluminium durch Kupfer führt neben erhöhten Fertigungs- und Materialkosten zu Festigkeitsnachteilen. Aus Kosten- und Festigkeitsgründen empfiehlt es sich, außerhalb der Leiternuten 21 , d.h. insbesondere an den Endringen 32-1 , 32-2, ein preiswerteres und aber mechanisch stabileres und/oder festeres Material einzusetzen.
Denkbar sind also Hybridläufer. Bei diesen werden die Nuten 21 mit
Kupferstäben bestückt. Die Kurzschlussringe 32-1 , 32-2 können durch ein Aluminiumdruckgussverfahren hergestellt werden.
Bei einem Verfahren, bei dem die Stäbe 31 primär aus Kupfer und die Endringe 32-1 , 32-2 durch ein Aluminiumdruckgussverfahren gegossen werden, wirken sich bei der Herstellung das Gussverfahren - hinsichtlich Werkzeugkosten, Nachbearbeitung, Energiekosten zum Schmelzen des Metalls - an sich sowie nachgeschaltete Bearbeitungsschritte nachteilig aus.
Erfindungsgemäß wird dagegen vorgeschlagen, die Stäbe 31 des Rotors 10 oder Käfigläufers aus einem hoch-leitfähigem Material, beispielsweise Kupfer, über ein Gießverfahren oder durch Fügen einzubringen.
Die Anbindung der Kurzschlussringe 32-1 , 32-2, z.B. als End ringe, aus einem geringer leitfähigen Material, beispielsweise Aluminium, kann über ein Reibschweißverfahren direkt auf die Kurzschussstäbe 31 erfolgen.
Alternativ ist die Anbindung der Endringe 32-1 , 32-2 durch das
Reibschweißverfahren über eine angegossene bzw. über ein alternatives Verfahren fixierte Leitscheibe 35-1 , 35-2, die auch als Leitplatte bezeichnet wird, möglich.
Den Anforderungen entsprechend, kann durch das vorgeschlagene Verfahren ein geeignetes Material mit hoher Festigkeit und bzw. oder hoher elektrischer Leitfähigkeit für die Endringe 32-1 , 32-2 verwendet werden.
U.a. stellen sich folgende Vorteile ein: - Dadurch, dass die Nuten 21 komplett mit einem hoch-leitfähigem Material
(z.B. Kupfer) gefüllt sind, ergibt sich eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit, wodurch Maschinen mit höchsten Wirkungsgraden möglich werden.
- In den Kurzschlussringen 32-1 , 32-2 stellt sich die Stromdichte weniger problematisch dar, was dort den Einsatz von anderen geeigneten
Materialien rechtfertigt.
- Durch den Einsatz von kostengünstigen Materialien für die Endringe 32-1 , 32-2, beispielsweise Aluminium, spart man gegenüber dem rein aus Kupfer bestehenden Kurzschlussringen 32-1 , 32-2 Material (Kupfer) ein.
- Festigkeitsprobleme bei beispielsweise Hochdrehzahlanwendungen können durch den Einsatz von festeren Werkstoffen oder Legierungen, bei den Kurzschlussringen 32-1 , 32-2 reduziert werden.
- Durch den Einsatz von Materialien mit geringerer Dichte beispielsweise Aluminium als Endringe 32-1 , 32-2 können Gewichtseinsparungen erzielt werden.
- Gießverfahren für die Endringe 32-1 , 32-2 sind mit hohen Werkzeug- und Energiekosten verbunden. Neue Materialien für die Kurzschlussringe 32-1 , 32-2 bieten ermöglichen energie- und kostengünstigere
Herstellungsverfahren.
- Durch den Einsatz eines Reibschweißverfahrens können die bei einem Gießverfahren auftretenden Lunker in den Endringen 32-1 . 32-2 vermieden werden. Dies führt zu einer geringeren Unwucht im Rotor 10 und zu einem einfacheren Auswuchten der Anordnung. Bezugszeichenliste:
1 Fahrzeug
2 Chassis
3 Räder
10 Rotor
1 1 Rotorachse
12 Rotorweiie
20 Blechpaket
21 Nut, Ausnehmung
30 Kurzschlusskäfig
31 Stab
31 -1 (erstes( Ende/Stabende
31 - 2 (zweites) Ende/Stabende
32- 1 (erster) Kurzschlussring/Endring 32-2 (zweiter) Kurzschlussring/Endring 35-1 (erste) Leitscheibe/Leitplatte 35-2 (zweite) Leitscheibe/Leitplatte
40 Stator
41 Lager
50 Asynchronmaschine
80 Antrieb
81 Batterie
82 Steuer-ZKommunikationsleitung
83 Steuer-ZKommunikationsleitung Steuer-ZKommunikationsleitung
Antriebsstrang
Versorgungsleitung
Steuereinheit

Claims

Palentansprüche:
1 . Rotor (10) für eine Asynchronmaschine (50), umfassend ein
Blechpaket (20) und einen zumindest teilweise im Blechpaket (20) integrierten Kurzschlusskäfig (30),
bei welchem
- der Kurzschlusskäfig (30) mit
- Stäben (31 ) mit oder aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und
- Kurzschlussringen (32-1 , 32-2) mit oder aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material
ausgebildet ist und
- die Kurzschlussringe (32-1 , 32-2) in mittelbarer oder unmittelbarer Reibschweißverbindung mit den Stäben (31 ) ausgebildet sind.
2. Rotor (10) nach Anspruch 1 ,
bei welchem
- die Stäbe (31 ) in oder mit gegossenem und/oder gefügtem Aufbau und/der
- ein oder mehrere der Kurzschlussringe (32-1 , 32-2) als Endringe ausgebildet sind.
3. Rotor (10) nach einem der votangehenden Ansprüche,
bei welchem
- das erste Material eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als das zweite Material und/oder
- das zweite Material eine höhere mechanische Festigkeit und/oder Stabilität aufweist als das erste Material.
4. Rotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem
- das erste Material und/oder das zweite Material ein Material aus der Gruppe ist, die aufweist Aluminium, Kupfer, Silber und deren Legierungen, und
- insbesondere das erste Material Kupfer oder eine Kupferlegierung ist oder aufweist und das zweite Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist oder aufweist.
5. Rotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem
- mindestens eine Leitplatte (35) ausgebildet ist,
- die mindestens eine Leitplatte (35) zwischen den Stäben (31 ) und einem der Kurzschlussringe (32-1 , 32-2) angeordnet ist und die mit den Stäben (31 ) und dem Kurzschlussring (32-1 , 32-2) elektrisch leitend verbunden ist,
- die Verbindung der mindestens einen Leitplatte (35) mit dem mindestens eine Kurzschlussring (31 -1 , 31 -2) eine
Reibschweißverbindung ist.
6. Verfahren zum Herstellen eines Rotors (10) für eine
Asynchronmaschine (50), umfassend ein Blechpaket (20) und einen zumindest teilweise im Blechpaket (20) integrierten Kurzschlusskäfig (30), bei welchem
- der Kurzschlusskäfig (30) ausgebildet wird mit
- Stäben (31 ) mit oder aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und
- Kurzschlussringen (32-1 , 32-2) mit oder aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material und
- die Kurzschlussringe (32-1 , 32-2) in mittelbarer oder unmittelbarer Reibschweißverbindung mit den Stäben (31 ) ausgebildet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
bei welchem
- die Stäbe (31 ) gegossen und/oder gefügt werden und/oder
- ein oder mehrere der Kurzschlussringe (32-1 . 32-2) als Endringe ausgebildet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
bei welchem
- als erstes Material ein Material mit einer höheren elektrischen
Leitfähigkeit als der des zweiten Materials verwendet wird und/oder
- als zweites Material ein Material mit einer höheren mechanischen Festigkeit und/oder Stabilität als der des ersten Materials verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
bei welchem
- als erstes Material und/oder als zweites Material ein Material aus der Gruppe verwendet wird, die aufweist Aluminium, Kupfer, Silber und deren Legierungen, und
- insbesondere als erstes Material Kupfer oder eine Kupferlegierung und/oder als zweites Material Aluminium oder eine
Aluminiumlegierung verwendet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
bei welchem
- mindestens eine Leitplatte (35) ausgebildet wird,
- die mindestens eine Leitplatte (35) zwischen den Stäben (31 ) und einem der Kurzschlussringe (32-1 , 32-2) angeordnet und mit den Stäben (31 ) und dem Kurzschlussring (32-1 , 32-2) elektrisch leitend verbunden wird,
- die Verbindung der mindestens einen Leitplatte (35) mit dem mindestens eine Kurzschlussring (31 -1 , 31 -2) durch Reibschweißen ausgebildet wird.
1 1. Asynchronmaschine (50), insbesondere für den Antrieb (80) und/oder als Generator eines Fahrzeuges (1 ),
- mit einem Rotor (10) und einem Stator (40)
- wobei der Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
12. Fahrzeug (1 ), insbesondere Personenkraftfahrzeug,
batterieelektrisches Fahrzeug und/oder Hybridfahrzeug,
- mit einer Asynchronmaschine (50) nach Anspruch 1 1
- bei welcher die Asynchronmaschine (50) als Teil eines Antriebes (80) und/oder eines Generators des Fahrzeuges (1 ) ausgebildet ist.
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