Kurzschlussring zur Verbindung mit Käfigstäben

Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussring für einen Kurz schlusskäfig einer elektrischen Maschine, wobei der Kurz schlussring wenigstens eine Aussparung, vorzugsweise mehrere Aussparungen, zur Aufnahme von wenigstens einem Käfigstab, vorzugsweise mehreren Käfigstäben, aufweist, wobei der Kurz schlussring dazu ausgebildet ist, ein Ende des Käfigstabs aufzunehmen .

Zur Bildung eines Kurzschlusskäfigs für einen Käfigläufer wird mindestens ein Kurzschlussring mit Käfigstäben verbun den, vorzugsweise werden die Käfigstäbe sowohl an einem vor deren axialen Ende als auch an einem hinteren axialen Ende mit jeweils einem Kurzschlussring verbunden. Diese Verbindung muss elektrisch leitend ausgeführt sein.

Die Patentschrift DE 3834466 CI offenbart hierzu einen Kurz schlussläufer für eine elektrische Maschine, bei dem die an den beiden Stirnseiten des Läuferblechpaketes aus den Nuten vorstehenden Enden der Läuferstäbe in eine stirnseitige, durch einen Innen- und einen Außenrand begrenzte Ringvertie fung des Kurzschlussringes ragen und durch in die Ringvertie fung eingebrachtes , in der Ringvertiefung durch gleichzeitige Erwärmung des vollständigen Kurzschlussringes zum Schmelzen gebrachtes und danach erstarrtes Hartlot elektrisch und me chanisch mit dem Kurzschlussring verbunden sind.

Bei einer Verbindung mittels Hartlötverfahren müssen jedoch Lötspalte eingehalten werden die sich nur schwer prozesssi cher hersteilen lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung zwischen Kurzschlussring und Käfigstäben zu verbessern. Die Lösung der Aufgabe gelingt durch einen Kurzschlussring gemäß Anspruch 1, d.h. einen Kurzschlussring für einen Kurz schlusskäfig einer elektrischen Maschine, wobei der Kurz schlussring wenigstens eine Aussparung, vorzugsweise mehrere Aussparungen, zur Aufnahme von wenigstens einem Käfigstab, vorzugsweise mehreren Käfigstäben aufweist, wobei der Kurz schlussring dazu ausgebildet ist, ein Ende des Käfigstabes aufzunehmen, wobei an wenigstens eine Aussparung angrenzend eine Vertiefung mit einer Vertiefungskontur an einem vorderen axialen Ende des Kurzschlussrings ausgebildet ist.

Ferner gelingt die Lösung der Aufgabe durch ein Verfahren ge mäß Anspruch 10, d.h. ein Verfahren zur Fertigung eines der artigen Kurzschlussrings.

Zudem gelingt die Lösung der Aufgabe durch ein Verfahren ge mäß Anspruch 11, d.h. ein Verfahren zum Verbinden eines der artigen Kurzschlussrings mit wenigstens einem Käfigstab, vor zugsweise mehreren Käfigstäben, zur Fertigung eines Kurz schlusskäfigs .

Ferner gelingt die Lösung der Aufgabe durch einen Kurz schlusskäfig nach Anspruch 14, d.h. ein Kurzschlusskäfig für eine elektrische Maschine gefertigt nach einem derartigen Verfahren, sowie durch eine elektrische Maschine gemäß An spruch 15.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der Kurz schlussring dazu ausgebildet, ein Ende des Käfigstabes von einem hinteren axialen Ende des Kurzschlussrings bis zu einer Grenzfläche aufzunehmen.

Dies hat den Vorteil, dass der Kurzschlussring mit einem oder mehreren Käfigstäben mechanisch verbunden ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Vertiefung vom vorderen axialen Ende des Kurzschluss- rings bis zur Grenzfläche ausgebildet. Vorteilhaft grenzen das Ende des Käfigstabs und die Vertiefung aneinander an.

Dies hat den Vorteil, dass der Kurzschlussring einfacher ge fertigt werden kann.

Der Kurzschlussring ist vorteilhaft einstückig gefertigt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung entspricht die Vertiefungskontur einer Aussparungskontur. Vorteilhaft entspricht die Aussparungskontur einer Kontur des Käfigstabes .

Dies hat den Vorteil, dass der Kurzschlussring einfacher ge fertigt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Vertiefungskontur kreisförmig.

Dies hat den Vorteil, dass wirkende Kräfte, die beispielswei se während eines Betriebs der elektrischen Maschine auftreten und somit auf den Kurzschlusskäfig (also bei bestehender Ver bindung von Kurzschlussring und Käfigstäben) wirken, gleich mäßig verteilt werden, insbesondere bei Käfigstäben mit einem kreisförmigen Querschnitt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung entspricht die Vertiefungskontur einer vergrößerten oder ver kleinerten Form der Aussparungskontur.

Dies hat den Vorteil, dass bei einer Aufnahme des Käfigstabs durch den Kurzschlussring der Kurzschlussring und der Käfig stab besonders gut per Formschluss und Kraftschluss verbunden sind .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umgibt die Vertiefungskontur wenigstens zwei Aussparungskon turen . Dies hat den Vorteil, dass die Fertigung des Kurzschlussrings sich mittels additiver oder subtraktiver Fertigungsverfahren leichter gestaltet.

Bei einer subtraktiven, z. B. einer spanenden, Bearbeitung des Kurzschlussrings, insbesondere zur Ausbildung der Vertie fung, muss z. B. ein Fräser nicht an jeder Aussparung angren zend eine Vertiefung ausbilden, sondern kann an zwei oder mehr Aussparungen angrenzend eine Vertiefung ausbilden.

Dadurch geht die Fertigung schneller vonstatten.

Auch die additive Fertigung geht bei dieser Ausführungsform schneller vonstatten.

Beim Verfahren zum Verbinden eines derartigen Kurzschluss rings mit wenigstens einem Käfigstab, vorzugsweise mehreren Käfigstäben, zur Fertigung eines Kurzschlusskäfigs ist diese Ausführungsform ebenso vorteilhaft. Beim Verbinden, insbeson dere mittels eines additiven Verfahrens, muss hierbei nicht Vertiefung für Vertiefung mit einem Material zur Schaffung der Verbindung befüllt werden, sondern das Verbinden kann für zwei oder mehrere Aussparungen zusammen erledigt werden. Dies spart Zeit und somit Kosten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung entspricht eine Länge in Radialrichtung des Kurzschlussrings der Vertiefungskontur im Wesentlichen einer Länge in Radial richtung des Kurzschlussrings der Aussparung und die Vertie fung grenzt wenigstens an zwei Aussparungen an.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung entspricht eine Anzahl der Vertiefungen einer Anzahl der Aus sparungen .

Dies hat den Vorteil, dass jeder Käfigstab optimal mit dem Kurzschlussring verbunden werden kann, wodurch eine hohe Sta bilität erreicht wird. Vorzugsweise sind die Käfigstäbe in Nuten eines Läuferpakets, insbesondere Läuferblechpakets, angeordnet. Vorzugsweise ra gen Enden der Käfigstäbe aus dem Läuferpaket heraus. Vorzugs weise ragen die Enden der Käfigstäbe an einem vorderen axia len Ende des Läuferpakets und an einem hinteren axialen Ende des Läuferpakets aus dem Läuferpaket heraus.

Vorzugsweise ist am vorderen und hinteren axialen Ende des Läuferpakets ein Kurzschlussring ausgeführt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Kurzschlussring, vorzugsweise beide Kurz schlussringe, als axial beabstandeter Kurzschlussring ausge führt .

Durch die Beabstandung eines oder beider Kurzschlussringe ist zwischen dem Kurzschlussring und dem axialen Ende des Läufer pakets ein Spalt ausgeführt, der eine gute Kühlung des Kurz schlussrings ermöglicht.

Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zu Fertigung eines derartigen Kurzschlussrings mittels eines additiven Ferti gungsverfahrens .

Der Kurzschlussring wird vorteilhaft einstückig gefertigt.

Hierfür bieten sich verschiedene additive Fertigungsverfahren an. Vorteilhaft wird als additives Fertigungsverfahren jedoch das 3D-Metal-Print-Verfahren (3DMP) angewendet, da dies den Vorteil einer sauberen und schnellen Fertigung hat.

Jedoch sind auch andere additive Fertigungsverfahren zur Fer tigung eines derartigen Kurzschlussrings möglich.

Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Verbinden ei nes derartigen Kurzschlussrings mit wenigstens einem Käfig stab, vorzugsweise mit mehreren Käfigstäben, zur Fertigung eines Kurzschlusskäfigs mit folgenden Schritten: Zusammenfü gen des Kurzschlussrings und der Käfigstäbe. Einbringen we nigstens eines Materials in wenigstens eine Vertiefung, vor zugsweise in alle Vertiefungen, mittels eines additiven Ver fahrens .

Vorteilhaft werden der Kurzschlussring und die Käfigstäbe, insbesondere bei einem beabstandeten Kurzschlussring, passge nau zusammengefügt.

Ferner können auch andere Mittel eingesetzt werden, um bei der Verbindung von Kurzschlussring und Käfigstäben ein Aus treten von Material zu verhindern.

Vorteilhaft werden der Kurzschlussring und die Käfigstäbe zu sammengefügt und während und/oder nach dem Zusammenfügen wird ein Dichtungsmittel zur Abdichtung von Spalten zwischen Kurz schlussring und Käfigstab eingesetzt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das additive Verfahren ein additives Lichtbogen-Schweiß-Verfahren oder ein Metall-Pulver-Auftrags-Verfahren (MPA) oder ein 3D- Metal-Print-Verfahren (3DMP) .

Jedoch eignen sich auch andere additive Fertigungsverfahren.

Das additive Verfahren bietet den Vorteil, dass eine stoff schlüssige Verbindung bei gleichzeitigem Materialauftrag er reicht wird. Diese Stoffschlüssige Verbindung ist hinsicht lich ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften opti mal .

Das additive Verfahren bietet zudem den Vorteil, dass dieses dazu ausgebildet ist, voll automatisiert abzulaufen. Dies er möglicht ein prozesssicheres Verfahren. Zudem bietet das ad ditive Verfahren den Vorteil, dass insbesondere Kleinserien und/oder Prototypen flexibel und schnell gefertigt werden können, auch unter Berücksichtigung geänderter Geometrien. Vorteilhaft wird das additive Verfahren in den Fertigungspro zess zur Herstellung der elektrischen Maschine integriert.

Als additives Lichtbogen-Schweiß-Verfahren wird Schweißen be zeichnet, wenn durch einen Schweißzusatzwerkstoff, z. B.

Draht oder Pulver, unter Anwendung von Wärme ein Volumenauf bau stattfindet. Hierbei wird Schicht für Schicht der

Schweißzusatzwerkstoff aufgetragen, durch Schmelzen stoff schlüssig mit einem zu verbindenden Bauteil oder der darun terliegenden Schicht verbunden und somit der Volumenaufbau bewerkstelligt .

Verfahren, die auf einem ähnlichen Prinzip beruhen und sich daher ebenso eignen, sind z. B. die Folgenden: Laser-Auftrag- Schweiß-Verfahren oder Plasma-Pulver-Auftrag-Schweiß- Verfahren, DMD-Verfahren (Direct Metal Deposition) , LMD- Verfahren (Laser Metal Deposition) und 3DMP-Verfahren (3D Me tal Print) .

Beim MPA-Verfahren wird ein Hauptgas, vorzugsweise Wasser dampf, in einer Lavaldüse beschleunigt. Kurz vor dem Laval- punkt werden Pulverpartikel injiziert. Die Pulverpartikel werden auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und treffen so auf einem Substrat oder einem Bauteil auf. Die hohe magne tische Energie des Pulverpartikels wird beim Aufprall in Wär me umgewandelt, wodurch der Partikel anhaftet. Da die Pulver partikel nicht aufgeschmolzen werden, findet nur ein geringer Energie-eintrag in das Bauteil statt. Beim MPA-Verfahren kön nen mehrere Düsen gleichzeitig verschiedene Pulverpartikel auftragen. Somit kann auch ein Bauteil geschaffen werden, das wenigstens zwei unterschiedliche Materialien aufweist.

Das 3DMP-Verfahren basiert auf dem Lichtbogen-Schweiß- Verfahren und verwendet als Ausgangsmaterial Draht. Schweiß raupe für Schweißraupe wird hiermit ein Werkstück gedruckt. Das 3DMP-Verfahren bietet den Vorteil, dass viele Materialien bereits als Draht erhältlich sind, nicht jedoch als Pulver. Zudem ist Draht als Werkstoff günstiger als Werkstoff in Pul verform. Das 3DMP-Verfahren bietet ferner eine hohe Aufbaura te .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Material Aluminium oder Kupfer oder deren Legierun gen. Die beiden Materialien Aluminium und Kupfer stellen in Bezug auf Preis und Leitfähigkeit die bestmögliche Option zur Bildung einer elektrisch leitfähigen Verbindung dar.

Die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Kurzschlussring und Käfigstäben wird vorteilhaft mit einem Material reali siert, welches bereits in den Käfigstäben enthalten ist bzw. aus welchem die Käfigstäbe bestehen, vorzugsweise Kupfer.

Dies hat den Vorteil, dass nur geringe Adhäsionskräfte vor liegen und dadurch die Verbindung beständig gegenüber mecha nischen Belastungen ausgebildet werden kann.

Ein Kurzschlusskäfig wird vorteilhaft mittels des beschriebe nen Verfahrens gefertigt. Er weist daher gute Eigenschaften bezüglich Beständigkeit gegenüber mechanischen Belastungen und Leitfähigkeit auf.

Eine elektrische Maschine mit einem Käfigläufer weist vor teilhaft den beschriebenen Kurzschlusskäfig auf. Die elektri sche Maschine ist robust und weist optimale Eigenschaften be züglich ihrer Leitfähigkeit im Läufer auf.

Die elektrische Maschine ist vorzugsweise als dynamoelektri sche rotatorische Maschine ausgeführt.

Die elektrische Maschine wird vorzugsweise als Motor betrie ben .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen: FIG 1 einen Käfigläufer einer elektrischen Maschine,

FIG 2 einen Ausschnitt einer Vertiefung Typ 3 aus FIG 1,

FIG 3 eine Vorderansicht des Kurzschlussrings,

FIG 4 eine Seitenansicht des Käfigläufers,

FIG 5 ein Verfahren zum Verbinden eines beschriebenen

Kurzschlussrings mit wenigstens einem Käfigstab, vorzugsweise mehreren Käfigstäben, zur Fertigung eines Kurzschlusskäfigs.

FIG 1 zeigt einen Käfigläufer 10 einer elektrischen Maschine. Der Käfigläufer 10 weist einen Kurzschlussring 1 sowie Kä figstäbe 3 auf. Die Käfigstäbe sind in Nuten eines Blechpa kets 2 angeordnet. Der Kurzschlussring 1 weist ein vorderes axiales Ende 12 und ein hinteres axiales Ende 13 auf. Zudem zeigt FIG 1 eine Grenzfläche 11. Der Kurzschlussring 1 ist dazu ausgebildet, ein Ende des Käfigstabes 2 von einem hinte ren axialen Ende 13 des Kurzschlussrings bis zu einer Grenz fläche 11 aufzunehmen. Der Kurzschlussring weist hierzu Aus sparungen auf. Die Figur zeigt verschiedene Möglichkeiten von Vertiefungen die am vorderen axialen Ende 12 des Kurzschluss rings 1 ausgebildet sind.

Die Vertiefung Typ 1 ist eine Vertiefung, bei welcher eine Vertiefungskontur 4 einer Aussparungskontur 18 entspricht.

Bei der Vertiefung Typ 2 ist die Vertiefungskontur 5 größer als die Aussparungskontur 18. Die Figur zeigt, dass die Ver tiefung Typ 2 von der Vertiefungskontur 5 am vorderen axialen Ende 12 des Kurzschlussrings 1 in Axialrichtung schräg zur Aussparungskontur 18 an der Grenzfläche 11 abfällt. Der ab fallende Bereich ist mit 51 gekennzeichnet.

Die Vertiefung Typ 3 weist ebenso eine Vertiefungskontur 6 auf, die größer ist als die Aussparungskontur 18. Die Figur zeigt jedoch, dass die Vertiefung Typ 3 von der Vertiefungskontur 6 am vorderen axialen Ende 12 des Kurz schlussrings 1 in Axialrichtung gerade zur Aussparungskontur 18 an der Grenzfläche 11 abfällt. Dadurch ergibt sich eine angefaste Vertiefung. Die Anfasung ist mit 61 gekennzeichnet.

Die Vertiefung Typ 4 weist eine kreisförmige Vertiefungskon tur 7 auf, welche die Aussparungskontur 18 der Aussparung umgibt. Die Vertiefungskontur 7 weist einen Durchmesser 71 auf .

Wenn zwei Vertiefungen mit der Vertiefungskontur 7 und Durch messer 71 nebeneinander auf dem Kurzschlussring 1 liegen, können - wie in der Figur gezeigt - aufgrund einer Größe des Durchmessers 71 die beiden Vertiefungen ineinander greifen.

Die Vertiefung Typ 5 mit der Vertiefungskontur 8 umgibt meh rere Aussparungen, wenigstens zwei Aussparungen, und somit mehrere Aussparungskonturen 18. Eine Länge 82 in Radialrich tung 100 des Kurzschlussrings 1 der Vertiefungskontur 8 ent spricht in der Figur im Wesentlichen einer Länge 81 in Radi alrichtung 100 des Kurzschlussrings 1 der Aussparungskontur 18.

Die Vertiefung Typ 5 grenzt an wenigstens zwei Aussparungen an, in der Figur an vier Aussparungen.

Die Vertiefung Typ 6 mit der Vertiefungskontur 9 umgibt in der Figur zwei Aussparungen mit der Aussparungskontur 18. Ei ne Länge 91 in Radialrichtung 100 des Kurzschlussrings 1 der Aussparungen ist hierbei kleiner als eine Länge 92 in Radial richtung 100 des Kurzschlussrings 1 der Vertiefung.

Die Vertiefung Typ 6 ist in der Figur oval ausgebildet. Je doch sind für die in der Figur gezeigten Vertiefungen Typ 1 bis Typ 6 auch andere Konturen - in Form von z. B. Kreisen, Dreiecken, Vierecken oder Vielecken - möglich. In der Figur reichen die Käfigstäbe 3 bis zu einer Grenzflä che 11. Jedoch ist es auch möglich, dass die Käfigstäbe 3 nicht ganz bis zur Grenzfläche 11 reichen bzw. weiter in Richtung des vorderen axialen Endes 12 des Kurzschlussrings 1 in den Kurzschlussring 1 hineinragen.

Die Figur zeigt verschiedene mögliche Vertiefungen. Vorteil haft ist bei einem Kurzschlussring nur ein Typ ausgebildet.

FIG 2 zeigt einen Ausschnitt einer Vertiefung Typ 3 aus FIG 1. In der FIG 2 sieht man einen abgesetzten Bereich, der da her rührt, dass die Vertiefungskontur 6 größer als die Aus sparungskontur 18 ist.

FIG 3 zeigt eine Vorderansicht des Kurzschlussrings 1 mit den Merkmalen aus FIG 1.

FIG 4 zeigt eine Seitenansicht des Käfigläufers 10. In der Figur wird deutlich die Grenzfläche 11 gezeigt. Die Grenzflä che 11 ist vorteilhaft bezüglich einer axialen Länge des Kurzschlussrings 1, der vom vorderen axialen Ende 12 zum hin teren axialen Ende 13 reicht, nach 10 % bis 90% der axialen Länge des Kurzschlussrings 1 vom vorderen axialen Ende 12 aus gesehen, angeordnet.

FIG 5 zeigt ein Verfahren zum Verbinden eines beschriebenen Kurzschlussrings mit wenigstens einem Käfigstab, vorzugsweise mehreren Käfigstäben, zur Fertigung eines Kurzschlusskäfigs.

In Verfahrensschritt S1 werden der Kurzschlussring und die Käfigstäbe zusammen gefügt. In Verfahrensschritt S2 erfolgt ein Einbringen wenigstens eines Materials in wenigstens eine Vertiefung mittels eines additiven Verfahrens. Als additives Verfahren wird vorzugsweise ein additives Lichtbogen-Schweiß- Verfahren angewendet. Mit F? ist die Frage gekennzeichnet, ob schon in alle zu fül lenden Vertiefungen Material eingebracht wurde. Ist dies nicht der Fall- mit n gekennzeichnet - wird im Verfahrens schritt S2 die nächste Vertiefung mittels des additiven Ver- fahrens gefüllt. Dies wird solange wiederholt bis alle zu füllenden Vertiefungen mit Material versehen sind - mit j ge kennzeichnet. In Verfahrensschritt S3 ist der Kurzschlussring mit den Käfigstäben elektrisch leitfähig und mechanisch stra pazierfähig verbunden.