Rotor mit Kurzschlusskäfig

Die Erfindung betrifft einen Rotor mit Käfigläufer, als auch eine dynamoelektrische Maschine mit einem derartigen Rotor. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Her stellung eines derartigen Rotors mit Käfigläufer.

Rotoren mit Käfigläufern dynamoelektrischer Maschinen, insbe sondere Asynchronmotoren werden kostengünstig mit einer ge gossenen Läuferwicklung hergestellt. Kurzschlussringe liegen dabei an den Enden des Rotorblechpakets an und sind mit den Leiterstäben u.a. mechanisch und elektrisch leitend fest ver bunden.

Durch thermische Ausdehnung und/oder Fliehkraftbeanspruchun gen im Betrieb der dynamoelektrischen Maschinen dehnen sich die Kurzschlussringe radial mehr als das Blechpaket des Ro tors mit den eingegossenen Stäben. Dabei entstehen Schubspan nungen an der Leiterstab-Kurzschlussring-Verbindung. Die Höhe dieser Schubspannung begrenzt die maximal mögliche Drehzahl und die maximal zulässige Temperatur der dynamoelektrischen Maschinen.

Kappenringe am äußeren Umfang der Kurzschlussringe zur Errei chung höherer Drehzahlen sind nicht oder nur bedingt geeig net, da sich dadurch u.a. die thermisch bedingten Schubspan nungen nicht vermeiden lassen.

Bei Überschreitung der zulässigen Bemessungsgrenze können deshalb die gegossene Käfigwicklung nicht mehr verwendet wer den.

Deshalb werden Käfigwicklungen auch als Kurzschlusswicklungen bezeichnet aus einzeln eingebrachten Stäben und angelöteten oder angeschweißten Kurzschlussringen gefertigt. Diese Wick lungen weisen aufgrund des Fertigungsverfahrens einen axialen Stabüberstand an der Stirnseite des Blechpakets auf, der eine thermische Ausdehnung der Kurzschlussringe ermöglicht und so mit höhere Drehzahlen und/oder eine höhere Temperatur ermög licht. Der Einsatz von Kappenringen ermöglicht bei diesen dy namoelektrischen Maschinen eine weitere Drehzahlsteigerung.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ei nen Rotor einer dynamoelektrischen Maschine mit einem Kurz schlusskäfig zu schaffen, der einfach herzustellen ist, und für vergleichsweise hohe höhere Drehzahlen geeignet ist. Au ßerdem soll eine dementsprechende dynamoelektrische Maschine bereitgestellt werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen Rotor einer rotatorischen dynamoelektrischen Maschine, wobei der Rotor folgende Merkmale aufweist:

- zumindest einen magnetisch leitfähigen Körper mit am Umfang verteilt im Wesentlichen axial verlaufenden Nuten,

- zumindest einen Kurzschlusskäfig mit in Nuten angeordneten elektrischen Leitern, die jeweils an den beiden Stirnseiten des Rotors mittels zugewiesener Kurzschlussringe elektrisch kontaktiert sind,

- der magnetisch leitfähige Körper weist einen Basiskörper und zumindest an jeder Stirnseite zumindest zwei weitere Zusatzkörper aufweist, die sich axial an den Basiskörper anschließen, wobei sich axial unmittelbar an die Stirnseite des Basiskörpers ein erster Zusatzkörper und axial daran jeweils ein zweiter und ggf. weitere Zusatzkörper anschlie ßen,

- radial freiliegende Nuten bzw. Nutabschnitte in den axialen Endbereichen des Rotors, derart, dass eine radiale Beweg lichkeit der Leiter nach außen ermöglicht ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer rotatorischen dynamoelektrischen Maschine mit einem Kurzschlusskäfig nach Anspruch 1 durch folgende Schritte: - Herstellen eines magnetisch leitfähigen Körpers mit am Um fang verteilt im Wesentlichen axial verlaufenden Nuten,

- Herstellen des Kurzschlusskäfigs mit in den Nuten angeord neten elektrischen Leitern, die jeweils an den beiden Stirnseiten des Rotors mittels Kurzschlussringen elektrisch kontaktiert werden,

- Materialabtragung ausgehend axial von den Stirnseiten des Rotors am radial äußeren Rand, dass die Leiter in diesem Bereich freigelegt werden, derart, dass eine radiale Beweg lichkeit der Leiter ermöglicht wird.

Der magnetisch leitfähige Körper weist einen Basiskörper und zumindest an jeder Stirnseite zumindest zwei weitere Zusatz körper auf, die sich axial an den Basiskörper anschließen. Dabei schließt sich axial unmittelbar an die Stirnseite des Basiskörpers ein erster Zusatzkörper und axial daran jeweils ein zweiter und ggf. weitere Zusatzkörper an. Der erste Zu satzkörper ist eine Scheibe oder Platte, die überwiegend den Konturen des Basiskörpers angepasst ist.

Um nunmehr erfindungsgemäß eine thermische Expansion der Kurzschlussringe gegenüber dem Blechpaket im Betrieb der dy namoelektrischen Maschine zu ermöglichen, werden die Nuten, insbesondere an den Blechpaketenden, abschnittsweise im ers ten Zusatzkörper, an den zweiten und ggf. weiteren Zusatzkör pern so ausgeführt, dass sich die Stäbe radial nach außen be wegen können.

Dazu ist an den Enden des magnetisch leitfähigen Körpers, insbesondere in den zweiten und weiteren Zusatzkörpern eine Nutgeometrie vorgesehen, die keine Hinterschnitte hat und da mit entweder parallelflankig ist oder sich radial nach außen verbreitert. Mit anderen Worten die Nutwandungen sind paral lelflankig oder vergrößern im radialen Verlauf nach außen ih ren Abstand zueinander.

Bei Niederdruck-Gießverfahren kann diese Nutgeometrie ge schlossen oder offen ausgeführt werden. Der Gießmantel über- nimmt dabei die Abdichtung der radial nach außen offenen Nutge ometrie bzw. der Leiter. Die zweiten und weiteren Zusatzkör per, also der Bereich der offenen Stäbe bzw. Leiter, kann ge blecht oder mit massiven Platten ausgeführt sein, die ein mehrfaches der Blechdicke (5 bis 20-fach) aufweisen. Auch das Material der Platten kann identisch zu dem der Bleche oder - elektrotechnisch betrachtet - minderwertiger ausgeführt sein.

Bei Mittel- und Hochdruck-Gießverfahren zur Herstellung der Leiter ist aufgrund des Herstellverfahrens (zunächst) eine geschlossene Nut erforderlich. Bei der geschlossenen Nut wer den dann die Stäbe bzw. Leiter an den Paketenden durch Abdre hen des Außendurchmessers freigelegt. Damit wird ebenso eine Nutgeometrie ohne Hinterschnitte geschaffen, die eine radiale Bewegung aufgrund von thermischen Effekten und/oder Flieh kräften gestattet. Mit anderen Worten, dort sind die Nutwan dungen parallel oder mit einem Öffnungswinkel ausgeführt.

Da die Elektrobleche üblicherweise mit einer Dicke von 0,5mm oder 0,65 mm ausgeführt sind, würden sonst ohne den ersten Zusatzkörper am Ende der Freidrehung unterschiedlich stark angedrehte oder auch ausgerissene Segmente an den Blechen entstehen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine entspre chend axial dicke Scheibe bzw. Platte sich so an den Basis körper als erster Zusatzkörper anschließt, dass die Freidre hung in dem homogenen Material dieser Scheibe, also des ersten Zusatzkörpers endet.

Der Bereich zwischen dem Kurzschlussring und dem ersten Zu satzkörper, also der Scheibe, am Ende der Freidrehung kann sowohl geblecht und/oder auch massiv ausgeführt werden Die Nutgeometrie muss in jedem Fall den oben genannten Kriterien entsprechen.

Mit anderen Worten die zweiten und weiteren Zusatzkörper können sowohl geblecht als auch massiv ausgeführt werden. Zur weiteren Erhöhung der Drehzahl der dynamoelektrischen Ma schinen können zusätzlich am Außenumfang der Kurzschlussringe Kappenringe eingesetzt werden. Je nach angestrebter Drehzahl stufe der dynamoelektrischen Maschinen sind diese nur im Be reich des Kurzschlussringes vorhanden oder weisen auch eine zusätzliche Überdeckung der Stäbe im Bereich der radial offenen Nuten auf.

Das kostengünstige Herstellverfahren für gegossene Käfigwick lung eines Rotors kann somit erfindungsgemäß nunmehr auch für höhere Drehzahlen einer dynamoelektrischen Maschine bereit gestellt werden. Dabei liegen die Kurzschlussringe direkt an der Stirnseite des magnetisch leitfähigen Körpers. Dies redu ziert auch die axiale Ausladung des Rotors, so dass eine kom pakte dynamoelektrische Maschine geschaffen ist.

Der Vorteil liegt insbesondere in der Verwendung von Alumini- um-Druckguss-Technik und der Schleudergusstechnik gegenüber einem konventionell gefertigten Kupferläufer.

Erfindungsgemäß führt nunmehr die Verwendung der Gusstechno logie, mit der erfindungsgemäßen Gestaltung der Nutenden, an den Enden des magnetisch leitfähigen Körpers zu radial beweg lichen Leitern bzw. Stäben, um radiale Bewegungen aufgrund von thermischen Effekten und/oder Fliehkräften zu gestattet.

Durch zusätzlichen Einsatz von Kappenringen sind derartige Ro toren für noch höhere Drehzahlbereiche der dynamoelektrischen Maschine geeignet.

Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand prinzipiell dargestellter Ausführungsbespiele näher er läutert; darin zeigen:

FIG 1 einen Teillängsschnitt eines Kurzschlussläufers, FIG 2 einen Teilquerschnitt eines Kurzschlussläufers, FIG 3, 4 weitere Teillängsschnitte von Kurzschlussläu fern, FIG 5 einen bearbeiteten Teillängsschnitt eines Kurz schlussläufers,

FIG 6 einen Teilquerschnitt eines Kurzschlussläufers,

FIG 7, 8 prinzipielle Längsschnitte von dynamoelektri schen Maschinen.

FIG 1 zeigt in einem Teillängsschnitte einen Rotor 5, der als Kurzschlussläufers ausgebildet ist und der einen magnetisch leitfähigen Körper aufweist, mit am Umfang verteilt im We sentlichen axial verlaufenden Nuten 10. Die dort gezeigten unterschiedlichen Nutformen sind beispielhaft und können auch anders ausgeführt sein.

Der magnetisch leitfähige Körper weist einen Basiskörper 12, und mehrere axial hintereinander angeordnete Zusatzkörper 11,

28 auf.

In dem magnetisch leitfähigen Körper ist ein Kurzschlusskäfig 6 mit in Nuten 10 angeordneten elektrischen Leitern 7 vorge sehen. Die elektrischen Leiter 7 sind jeweils an den beiden Stirnseiten 9 des Rotors 5 mittels zugewiesener Kurzschluss ringe 8 elektrisch kontaktiert.

Die Leiter 7 in den Nuten 10 sind dabei unter Verwendung von Aluminium-Druckguss-Technik oder einer Schleudergusstechnik oder durch vorgefertigte Leiterstäbe generiert. Bei den Guss techniken wird der Kurzschlussring 8 mit angegossen. Bei vor gefertigten Leiterstäben ist zumindest an einer Stirnseite eine nachträgliches elektrisches kontaktieren zwischen den Leiterstäben und einem vorgefertigten Kurzschlussring 8 er forderlich .

Der Kurzschlussläufer ist in diesem Zustand bereits zwar grundsätzlich funktionsfähig, thermische Beanspruchungen und/oder Fliehkraftbeanspruchungen verursachen im Betreib der dynamoelektrischen Maschine aber, wie oben ausgeführt, schä digenden Schubspannungen an der Verbindungsstelle von in den Nuten 10 angeordneten Leitern 7 und den Kurzschlussringen 8. Die axial an den Basiskörper 12 anschließenden Zusatzkörper 11, 28 sind als Scheibe beim ersten Zusatzkörper 11 und als Scheibe und/oder Teilblechpaket bei den folgenden Zusatzkör pern 28 ausgebildet.

Der Rotor 5 kann neben Kurzschlusskäfig 8 auch weitere Dreh momentbildende Merkmale, wie Ausgestaltungen als Reluktanz läufer und/oder Permanentmagnete aufweisen. Dies gestattet dann einem Hochlauf der dynamischen elektrischen Maschine 1 direkt am elektrischen Netz ohne Zwischenschaltung eines Um richters.

Der Basiskörper 12 ist vorzugsweise geblecht ausgeführt und es schließt sich axial daran der erste Zusatzkörper 11 als Scheibe an. Axial daran schließen sich weitere Scheiben und/oder ein Teilblechpaket an.

In axialer Richtung weist der Leiter 7 zumindest eine Stufung 19 auf, die sich als eine Querschnittsvergrößerung im ersten Zusatzkörper 11 und als eine weitere Querschnittsvergrößerung in den weiteren Zusatzkörpern 28 darstellt. Dies erhöht die Stabilität.

Der Kurzschlussring 8 ragt an der Stirnseite 9 des axial letzten Zusatzkörpers 28 radial nach innen und liegt an der Stirnseite 9 an.

Die Form der Nuten 10 im Basiskörper 12 ist nahezu beliebig ausführbar. Im den Zusatzkörpern 28 jedoch sind die Nutwan dungen 15 der Nuten 10 gemäß FIG 2 parallelflankig oder als offene Nutwandungen mit einem leichten Öffnungswinkel ausge führt. Damit kann nunmehr erfindungsgemäß durch Abdrehen der radial äußeren Berandung bis zum Leiter 7 von der Scheibe und/oder des Teilblechpakets eine radiale Bewegung der Leiter 7 in den Zusatzkörpern 28 im Betrieb der elektrischen Maschi ne 1 radial nach außen stattfinden. FIG 3, 4, sind unterscheiden sich in der Ausführung der wei teren Zusatzkörper 28. Zum einen ist der zweite Zusatzkörper 28 auch eine Scheibe. In FIG 4 ist der weitere Zusatzkörper 28 ein Teilblechpaket. In FIG 1 sind die weiteren Zusatzkör per 28 eine Scheibe und ein Teilblechpaket. All diesen Aus führungen sind gemein, dass der erste Zusatzkörper 11 als Scheibe ausgeführt ist. Diese Scheibe entspricht dabei in ih rer axialen Dicke dem mehrfachen (4 bis 15-fachen) einer Blechdicke.

Entscheidend ist, dass beim Abdrehen der Vorgang des Materi- alabtragens axial innerhalb der Scheibe des ersten Zusatzkör per 11 endet. Der abgedrehte Abschnitt 17 erstreckt sich axi al von der Außenseite des Kurzschlussringes 8 bis in den ers ten Zusatzkörper 11.

Die Freidrehung bzw. die Materialabtragung endet somit in dem homogenen Material dieser entsprechend axial dicken Scheibe bzw. Platte, die sich an den Basiskörper als erster Zusatz körper anschließt.

Der axiale Materialabtrag darf nicht vorher enden, da dieser sonst ggf. im Teilblechpaket geendet, was zu unterschiedlich stark angedrehten Blechen oder gar zu ausgerissenen Blechseg menten führt.

Die radialen Enden der Leiter 7 werden somit in den weiteren Zusatzkörpern 28 axial freigelegt und im ersten Zusatzkörper 11 nur teilweise axial freigelegt.

FIG 5 zeigt in einem Teillängsschnitt den Kurzschlussläufer nach FIG 1 nach der Bearbeitung. Dabei sind axial ausgehend vom Kurzschlussring 8 die Zahnkopfverbindungen im Bereich der Nuten 10 des letzten Zusatzkörpers 28 und zum Teil des ersten Zusatzkörpers 11 abgedreht worden.

Dies gestattet nunmehr erfindungsgemäß dem Kurzschlussring 8 auch bei thermischer Beanspruchung ein radiales Ausweichen, ohne dass an der Verbindungsstelle zu den Leitern 7 Schub spannungen generiert werden.

Durch die Gestaltung der Nutformen in den Zusatzkörpern 28, 11 gemäß FIG 6 ist der Leiter 7 radial beweglich.

Derartige Maschinen nach FIG 7 oder FIG 8 weisen axial durch gehenden magnetische leitfähige Körper von Rotor 5 und Stator 2 auf oder sie sind aus Teilbasisblechpaketen 26 gebildet, um so auch eine radiale Kühlung zu erhalten.

Dabei werden Luftströme 23 durch die dynamoelektrische Ma schine 1 gelenkt oder es ist ein abgeschlossener Innenkühl kreislauf vorhanden. Die Luftströme 23 werden durch einen Wellenlüfter 22 und/oder Fremdlüfter bereitgestellt.

Diese Teilbasisblechpakete 26 bilden auch den Basiskörper 12, d.h. es findet die oben beschriebene Materialabtragung dort nicht statt.

Die Erfindung kann auch für Staffelläufer verwendet werden.