Kurzschlussläufer für eine elektrische Maschine Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussläufer für eine elektrische Maschine mit einem Läuferkern und einem um den Läuferkern angeordneten elektrisch leitenden Läuferkäfig. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Kurzschlussläufer.

Viele elektrische Maschinen, vor allem Drehstrom-Asynchronmaschinen, werden unter Verwendung eines Kurzschlussläufers betrieben. Ein solcher Kurzschlussläufer weist typischerweise eine Mehrzahl von Längsstreben auf, die auch als Läuferstäbe bezeichnet werden und an den beiden axialen Enden des Läufers mit sogenannten Kurzschlussringen elektrisch verbunden sind. Somit ist die gesamte käfigartige Struktur des Kurzschluss ^¬ läufers während des Betriebs der Maschine elektrisch kurzge ^¬ schlossen. Ein solcher Läuferkäfig wird daher auch als Kurz- schlusskäfig bezeichnet. Dieser Läufertyp unterscheidet sich vom sogenannten Schleifringläufer, bei denen die Wicklungen des Läufers nicht untereinander kurzgeschlossen sind, sondern als separate Spulenwicklungen vorliegen und jeweils über Schleifringkontakte nach außen hin kontaktiert sind.

Bei bekannten Kurzschlussläufern bestehen die Längsstreben des Läuferkäfigs aus massiven Metallstäben aus Nichteisenme ^¬ tallen wie Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen. Diese Metallstäbe werden mit endseitig angeordneten Kurzschlussrin- gen dauerhaft mechanisch und elektrisch verbunden, typischerweise über Einstecken und Einlöten in dafür vorgesehene Aussparungen in den Kurzschlussringen. Ein solcher Läuferkäfig ist in der EP 1039618A1 beschrieben. Ein Nachteil dieser bekannten Läuferkäfige oder auch Kurzschlusskäfige ist der hohe Fertigungs- und Montageaufwand beim Herstellen dieser Verbindungen. Die Läuferkäfige sind beim Betrieb der elektrischen Maschinen hohen Zentrifugal- kräften ausgesetzt. Daher müssen vor allem die Verbindungen hohen mechanischen Anforderungen genügen. Oft müssen die Verbindungen durch außen angebrachte Bandagen zusätzlich verstärkt werden, was wiederum den Fertigungsaufwand und den Platzbedarf des Rotors erhöht. Das hohe Gewicht der metalli ^¬ schen Läuferstäbe und der ebenfalls metallischen Kurzschluss ^¬ ringe wirkt sich außerdem nachteilig auf die Höhe der Zentri ^¬ fugalkräfte aus. Bei einer alternativen bekannten Ausführungsform wird der

Kurzschlusskäfig in einem Vergussverfahren hergestellt, bei ^¬ spielsweise durch Druckgießen von Aluminium. Solche gegossenen Läuferkäfige finden hauptsächlich bei Maschinen kleiner und mittlerer Leistung Anwendung, da sie nur schwer auf große Abmessungen zu skalieren sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kurzschlussläufer mit einem Läuferkäfig anzugeben, der die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll ein einfach und kostengünstig herzustellender Läuferkäfig angegeben werden, der auch für große Läuferabmessungen zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 angegebenen Kurzschlussläufer gelöst. Der erfindungsgemäße Kurzschlussläufer weist einen Läuferkern und einen um den Läuferkern angeordneten elektrisch leitenden Läuferkäfig auf, wobei der Läuferkä ^¬ fig Kohlenstoffnanoröhren umfasst. Insbesondere ist dabei der Läuferkäfig so ausgelegt, dass ein wesentlicher Teil des bei Betrieb der Maschine im Läuferkäfig fließenden elektrischen Stroms durch die Kohlenstoffnanoröhren transportiert wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kurzschlussläufers liegt in seiner einfachen Herstellbarkeit. Insbeson ^¬ dere mit den weiter unten beschriebenen Ausführungsformen mit den auf Kohlenstoffnanoröhren basierenden Fasern, Garnen,

Seilen und Matten können elektrisch leitende Käfigstrukturen für den Kurzschlussläufer auf einfache Weise realisiert werden. Dabei kann die Anpassung der Geometrie der Käfigstruktur auf verschiedene Motortypen flexibel erfolgen, da keine vor ^¬ gefertigten Stäbe, Ringe oder andere starre Teile mit der spezifischen Geometrie des Läuferkäfigs benötigt werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass ein auf Kohlenstoffna ^¬ noröhren basierender Kurzschlusskäfig eine vergleichsweise geringe Masse aufweisen kann. Beispielsweise kann die Dichte von verdichteten Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren zwischen 0.5 und 1.5 g/cm ³ liegen. Bei vergleichbarer Stromtragfähig- keit können hiermit elektrisch leitende Elemente mit niedri ^¬ gerer Masse verwendet werden als es bei einem metallischen Element möglich wäre. Somit fallen auch die Zentrifugalkräfte beim Betrieb der elektrischen Maschine geringer aus, und die mechanischen Belastungen der Bauteile sind entsprechend nied- riger. Die elektrische Maschine kann daher auch bei höheren Drehzahlen betrieben werden als bei Verwendung bekannter Kurzschlussläufer .

Weiterhin sind auf Kohlenstoffnanoröhren basierende Materia- lien elektrisch gut leitfähig, mechanisch belastbar und chemisch beständig. Die mechanische Belastbarkeit und die elek ^¬ trische Leitfähigkeit einzelner Kohlenstoffnanoröhren übertreffen die Werte für Metalle und metallische Legierungen um ein Mehrfaches. Auch wenn makroskopische Bauteile mit Fasern oder Garnen aus Kohlenstoffnanoröhren nicht die Werte für die einzelnen Röhren erreichen, so konnten doch die Werte für Leitfähigkeit und Belastbarkeit durch neue Herstellungsmetho ^¬ den erheblich gesteigert werden. Beispielsweise werden von N. Behabtu et al . gesponnene Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren beschrieben, die spezifische Widerstände zwischen 22 und 33 yOhm ^' cm aufweisen (N. Behabtu el al . in Science 339

(2013), S. 182-185). Obwohl die elektrische Leitfähigkeit dieser Materialien noch nicht so hoch ist wie die von Kupfer und seinen Legierungen, so ist doch die mechanische Festig- keit der von hochleitfähigen metallischen Legierungen zum Teil schon überlegen. Für Faserdicken im Bereich zwischen 8 und 10 ym wurden Elastizitätsmodule oberhalb von 100 GPa und Zugfestigkeiten im Bereich von 1 GPa gemessen. Auch wenn diese Werte noch ihn ähnlichen Bereichen liegen wie die von kupferhaltigen Werkstoffen, so ist ein besonderer Vorteil der Kohlenstoffnanoröhren darin zu sehen, dass ihre Leitfähigkeit und ihre mechanische Belastbarkeit auch bei einem Abknicken der Fasern oder einer Verbiegung der Bauteile nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Gerade bei der Verwendung für die Käfigstruktur eines Läuferkäfigs ist aber eine solche Robust ^¬ heit bei einer gebogenen Leiterführung von besonderem Vorteil.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Kurzschlussläufers gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann der Kurzschlussläufer zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:

Der Läuferkäfig kann Fasern umfassen, die jeweils aus einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren gesponnen sind. Diese Ausführungsform ist deshalb vorteilhaft, weil einzelne Kohlen ^¬ stoffnanoröhren im Allgemeinen nicht lang genug, nicht leit- fähig genug und/oder mechanisch nicht belastbar genug für makroskopische Anwendungen sind. Durch die Anordnung vieler Kohlenstoffnanoröhren in einer gemeinsamen Faser kann ein größerer elektrischer Leiter zur Verfügung gestellt werden, der die mechanischen, elektrischen und geometrischen Anforde- rungen besser erfüllen kann als eine einzelne Röhre. Es kann in vielen Fällen vorteilhaft sein, eine Vielzahl solcher Fasern einzusetzen, um vorgegebene Werte für Stromtragfähigkei ^¬ ten, mechanische Belastbarkeit und geometrische Abmessungen in einem makroskopischen Bauteil zu erreichen.

Die Fasern können entweder durch Feststoff-Spinnen oder durch Flüssigkeits-Spinnen erhalten werden und aus einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhren aufgebaut sein. Der mittlere Durchmesser der einzelnen Fasern liegt dabei vorteilhaft zwischen 5 und 50 ym, besonders vorteilhaft zwischen 5 und 25 ym. Die Länge der den Faser zugrundeliegenden einzelnen Kohlenstoff- nanoröhren kann vorteilhaft im Mittel oberhalb von 3 ym lie ^¬ gen. Besonders vorteilhaft kann die Mittlere Röhrenlänge weit über diesem Wert liegen, beispielsweise oberhalb von 100 ym oder sogar oberhalb von 1 mm. Wie im oben zitierten Science- Artikel von Behabtu et al . beschrieben, konnten jedoch auch mit Fasern aus Röhren mit Längen zwischen 3 ym und 11 ym hohe mechanische Festigkeiten und gute Leitfähigkeiten erreicht werden .

Bei einem Läuferkäfig mit stark gebogenen Abschnitten, insbesondere mit Knoten im Bereich von Verbindungsstellen, können vorteilhaft die einzelnen Fasern ebenfalls gebogen oder sogar abgeknickt angeordnet sein. Der Vorteil einer solchen Ausfüh ^¬ rungsform ist, dass Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren auch im gebogenen und/oder abgeknickten Zustand kaum eine Beeinträchtigung der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen.

Die Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern können eine mittlere Zerreißfestigkeit von wenigstens 1 GPa aufweisen. Insbesondere durch Bündelung vieler solcher Fasern in ein oder mehrere größere Werkstücke kann ein elektrisch leitendes Element zu Verfügung gestellt werden, dass den hohen mechanischen Belastungen im Rotor einer elektrischen Maschine standhält. Somit kann die Ausfallsicherheit der Maschine verbes ^¬ sert werden, insbesondere kann eine mechanische Schädigung in einem geknickten Abschnitt und/oder an einer Verbindungsstelle zwischen verschiedenen Elementen der Käfigstruktur vorteilhaft vermieden werden.

Die Fasern können ein mittleres Elastizitätsmodul von wenigs ^¬ tens 50 GPa, besonders vorteilhaft wenigstens 100 GPa aufwei- sen, um eine hohe mechanische Belastbarkeit des Läuferkäfigs zu gewährleisten.

Der spezifische elektrische Widerstand der Kohlenstoffnano ^¬ röhren enthaltenden Fasern kann im Mittel unterhalb von

1000 yOhm ^' cm, besonders vorteilhaft unterhalb von 100 yOhm ^' cm liegen. Mit einem solchen Fasermaterial können bei vergleichbaren Leiterabmessungen Stromtragfähigkeiten erreicht werden, die zumindest ähnlich sind wie bei Verwendung metallischer Legierungen. Prinzipiell können mit Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Materialien vorteilhaft auch noch wesentlich höhere Leitfähigkeiten mit spezifischen Widerständen unterhalb von 10 yOhm ^' cm, besonders vorteilhaft unterhalb von 1 yOhm ^' cm erreicht werden.

Die Dichte der Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern kann vorteilhaft im Mittel unterhalb von 1.5 g/cm ³ liegen. Bei verdichteten Fasermaterialien liegt sie besonders vorteilhaft zwischen 0.5 und 1.5 g/cm ³ . Durch die Verdichtung auf derartige Werte kann eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit erreicht werden. Trotzdem ist die Dichte in diesem Bereich noch wesentlich geringer als die Dichte metallischer Werkstoffe, so dass durch das geringere Gewicht bei vergleichbaren Abmessungen geringere Fliehkräfte uns somit niedrigere mechanische Belastungen auftreten.

Die Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern können besonders vorteilhaft unter Anliegen einer Zugspannung hergestellt sein. Auf diese Weise hergestellte Fasern können besonders robust gegenüber weiterer mechanischer Belastung sein und können auch eine verbesserte Leitfähigkeit, insbesondere in Richtung der Zugbelastung, aufweisen. Beispielsweise kann eine Trocknung der Fasern unter Zugbelastung erfolgen. Die vor der Trocknung vorliegende Rohform der Fasern kann dabei entweder mit oder ohne Vorliegen einer Zugbelastung hergestellt sein.

Die Kohlenstoffnanoröhren des Läuferkäfigs können eine Dotie- rung mit Iod aufweisen. Durch eine solche Dotierung kann die elektrische Leitfähigkeit wesentlich erhöht werden, bei gleichzeitig sehr hoher mechanischer Belastbarkeit.

Die einzelnen Kohlenstoffnanoröhren des Läuferkäfigs können als einwandige Röhren, als mehrwandige Röhren oder als eine Mischung dieser beiden Röhrentypen vorliegen. Vorteilhaft kann die Zahl der Wände einer Röhre im Mittel zwischen 1 und 5 liegen. Der Durchmesser der einzelnen Kohlenstoffnanoröhren des Läuferkäfigs kann im Mittel vorteilhaft zwischen 1 und 6 nm lie ^¬ gen .

Der Läuferkäfig kann wenigstens ein aus Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern geflochtenes oder gewebtes Element umfas ^¬ sen. Insbesondere kann der Läuferkäfig wenigstens eine Litze, ein Seil, einen Flachleiter und/oder eine Matte aus Kohlen- stoffnanoröhren enthaltenden Fasern aufweisen. Mit anderen Worten, der Läuferkäfig kann ein aus einer Vielzahl von Fasern gebildetes textiles Element enthalten. Eine solche Aus ^¬ führungsform ist besonders vorteilhaft, da der Läuferkäfig dann auf einfache und kostengünstige Weise durch Umwickeln, Umknüpfen und/oder Umflechten des Läuferkerns mit dem texti- len Material gebildet werden kann. Besonders vorteilhaft weist das Kohlenstoffnanoröhren enthaltende textile Material eine zumindest teilweise reversible Verformbarkeit auf, so dass es mit einer Vorspannung um den Läuferkern gewickelt werden kann. Das textile Material kann dabei auch gebogene und/oder geknickte Bereiche aufweisen, beispielsweise können mehrere Abschnitte durch Knoten miteinander verbunden werden.

Der Läuferkäfig kann eine Mehrzahl von Längsstreben und we- nigstens zwei endseitige Verbindungsstrukturen umfassen, die jeweils zumindest einen Teil der Längsstreben elektrisch leitfähig miteinander verbinden. In diesem Ausführungsbeispiel entsprechen die Längsstreben den starren Läuferstäben (oder auch Kurzschlussstäben) bekannter Kurzschlussläufer. Im Unterschied hierzu müssen die Längsstreben jedoch nicht starr sein. Sie sind aus einem Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Material gebildet, besonders vorteilhaft enthalten sie aus Kohlenstoffnanoröhren enthaltende Fasern. Sie können daher als flexible oder zumindest teilflexible Leiterstränge ausge- bildet sein.

Die Längsstreben können parallel zur Richtung der Rotationsachse des Läufers ausgerichtet sein. Beispielsweise können sie alle parallel auf einer Zylinderfläche angeordnet sein, die der Außenfläche des Rotorkerns entspricht.

Alternativ können die Längsstreben auch in einem leichten Winkel zur Rotationsachse angeordnet sein. Durch eine solche leicht schräge Lage können die Anlaufbedingungen der elektrischen Maschine verbessert werden. Beispielsweise können das sogenannte Nutenpfeifen, inhomogene Drehmomente, magnetische Wirbelungen, Rüttelkräfte und/oder Bremsungen vermindert wer- den. Bei einer solchen Ausführungsform liegen die Längsstreben nicht mehr genau parallel zueinander, sondern sind in unterschiedlichen Richtungen, aber vorteilhaft um einen betragsmäßig gleichen Winkel gegen die Rotationsachse des Läu ^¬ fers geneigt. Eine solche Konfiguration wird auch als „ein- fach geschränkt" bezeichnet. Alternativ können bei einer

„doppelt geschränkten" oder auch „mehrfach geschränkten" Ausführungsform unterschiedliche axiale Bereiche der Längsstre ^¬ ben mit verschiedenen Neigungen bezüglich der Rotationsachse ausgebildet sein. Diese Schränkung wird in der Fachwelt al- ternativ auch als Schrägung oder Drall bezeichnet. Der Winkel der Längsstreben mit der Rotationsachse kann beispielsweise bis zu +/- 20 Grad betragen. Besonders vorteilhaft liegt der Winkel bei einer gegebenen Nutenzahl n der Ständerwicklung bei einem Wert von etwa 360°/n.

Die Längsstreben können zumindest in den axialen Endbereichen des Läufers mit ringförmigen Strukturen elektrisch verbunden sein, so dass aus den Streben eine insgesamt kurzgeschlossene Käfigstruktur entsteht. Die Verbindungsstrukturen entsprechen dann den Kurzschlussringen in herkömmlichen Kurzschlusskäfigen. Zusätzlich können auch auf axial weiter innenliegenden Abschnitten weitere Verbindungsstrukturen vorgesehen sein.

In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, dass durch die Verbindungsstrukturen nicht alle Längsstreben ringförmig miteinander verbunden sind. Es kann beispielsweise durch jede der wenigstens zwei Verbindungsstrukturen nur eine Teilmenge der Längsstreben elektrisch leitfähig miteinander verknüpft werden, so dass komplexere Käfigstrukturen bei ^¬ spielsweise mit mehreren Teilkäfigen und/oder seriellen elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Längsstreben gebildet werden können.

Der Läuferkäfig kann einen oder mehrere aus Kohlenstoffnano- röhren gebildete Seilstränge umfassen. Besonders vorteilhaft sind dann zumindest die Längsstreben des Läuferkäfigs im We ^¬ sentlichen aus solchen Seilsträngen gebildet. Dabei kann jede Längsstrebe entweder nur einen oder auch mehrere Seilstränge umfassen. Zusätzlich können auch die ringförmigen Verbindungsstrukturen vorteilhaft aus Seilsträngen mit Kohlenstoff- nanorohren gebildet sein. Besonders vorteilhaft kann sich dann zumindest ein Teil der Seilstränge sowohl über einen Teil der Längsstreben als auch über wenigstens eine Verbindungsstruktur erstrecken. Mit anderen Worten, Längsstreben und Verbindungsstrukturen können zumindest zum Teil aus den gleichen durchgehenden Strängen gebildet sein und dadurch ineinander übergehen. Die Bildung einer zusätzlichen elektrischen Verbindung zwischen separaten Leiterteilen wie beispielsweise durch einen Lötprozess kann dadurch vorteilhaft vermieden werden. Die übergeordnete Struktur des Läuferkäfigs kann besonders vorteilhaft im Wesentlichen durch miteinander verbundene Kohlenstoffnanoröhren enthaltende Seilstränge gebildet werden. Dies ist besonders vorteilhaft für die mechanische Robustheit und die elektrische Leitfähigkeit, weil dann an den Über- gangssteilen zwischen Längsstreben und Verbindungsringen keine nachträglichen leitfähigen Verbindungen geschaffen werden müssen. Der Läuferkäfig kann also als übergeordnete Struktur aus einem oder mehreren Seilsträngen geknüpft werden, wobei diese Struktur einfach herzustellen und mechanisch sehr stabil ist. Insbesondere können unterschiedliche Geometrien des Läuferkäfigs für unterschiedliche Läuferabmessungen aus gleichartigen Seilsträngen geknüpft werden, ohne dass wie bei herkömmlichen Läuferkäfigen speziell konfigurierte Stäbe, Ringe und andere angepasste vorgefertigte Bauteile benötigt werden .

Die Bereiche der Längsstreben und Verbindungsstrukturen des Läuferkäfigs können vorteilhaft durch Knoten in den Seil ^¬ strängen miteinander verknüpft sein. Die Verbindungsstruktu ^¬ ren haben die Form von Kurzschlussringen, die jeweils mit den Enden aller Längsstreben verbunden sind. An jeder Verbindungsstelle zwischen Längsstrebe und Kurzschlussring besteht somit eine Drei-Wege-Verbindung, die leicht über einen Knoten hergestellt werden kann. Alternativ können die Seilstränge an den Verbindungsstellen auch umeinander gewunden werden, ohne dass ein Knoten im eigentlichen Sinne gebildet wird. In bei ^¬ den Fällen werden die Seilstränge stark geknickt oder zumin- dest gebogen. Dies führt jedoch bei auf Kohlenstoffnanoröhren basierenden Fasern höchstens zu einer sehr geringfügigen Änderung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften.

Der Läuferkern kann im Wesentlichen aus einem weichmagneti- sehen Material, insbesondere aus einem Eisen enthaltenden Ma ^¬ terial zur Führung des magnetischen Flusses gebildet sein. Wie bei herkömmlichen Kurzschlussläufern kann der Läuferkern aus einer Vielzahl von in axialer Richtung gestapelten Blechen aufgebaut sein. Er kann jedoch alternativ auch aus einem weichmagnetischen Massivkörper gebildet sein.

Der Läuferkern kann eine Mehrzahl von Nuten aufweisen, die eine Mehrzahl von Längsstreben des Läuferkäfigs aufnehmen. Besonders vorteilhaft können dann die Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Seilstränge des Läuferkäfigs in diese Nuten ein ^¬ gewickelt oder eingeknüpft werden. Alternativ oder zusätzlich können in den axialen Endbereichen auch Nuten für die Verbindungsstrukturen, insbesondere ringförmige Verbindungsstruktu ^¬ ren vorgesehen sein. Sowohl bei einem massiven Läuferkern als auch bei einem geblechten Läuferkern können Nuten zur Halterung und Führung der verschiedenen Segmente des Läuferkäfigs vorgesehen sein. Insbesondere bei der Ausführungsform mit Nuten im Läuferkern ist es vorteilhaft, wenn der Läuferkäfig wenigstens einen aus Kohlenstoffnanoröhren gebildeten Seilstrang umfasst, der unter Vorspannung in die Nuten des Läuferkerns eingewickelt ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Vorspannung so gewählt werden, dass der Läuferkäfig und der Läuferkern zusammen eine mechanisch selbst tragende Struktur bilden. Dann werden keine zusätzlichen Bandagen benötigt, um den Läuferkäfig mechanisch stabil auf dem Körper des Läuferkerns zu hal- ten. Die Vorspannung kann so gewählt werden, dass der Läuferkäfig auch bei hohen Drehzahlen beim Betrieb der elektrischen Maschine eigenstabil auf dem Läuferkern bleibt. Auch bei einer Ausführungsform mit einem Blechpaket als Läuferkern kann die Spannung der den Läuferkäfig bildenden Seilstränge so groß gewählt sein, dass die Bleche durch den Läuferkäfig zusammengehalten werden. Mit anderen Worten kann der Läuferkäfig dann auch die Funktion einer aus dem Stand der Technik bekannten Läuferdruckscheibe übernehmen, mit der das Blechpa ^¬ ket üblicherweise fixiert wird.

Sowohl die endseitigen Verbindungsstrukturen als auch die Längsstreben können unter Spannung um den Läuferkern angeordnet werden. Diese Spannung kann auch dazu verwendet werden, eine vorbestimmte Leitfähigkeit der Seilstränge zu erzielen, da bei Fasern auf der Grundlage von Kohlenstoffnanoröhren die Leitfähigkeit in Längsrichtung von einer angelegten Zugspannung abhängt .

Der wenigstens eine Seilstrang des Läuferkäfigs kann in meh- reren Lagen in die Nuten des Läuferkäfigs eingewickelt sein. Mit anderen Worten kann jede Längsstrebe dann aus einer Mehrzahl von Windungen des Seilstranges oder der Seilstränge ge ^¬ bildet sein. Bei dieser Ausführungsform können auf besonders einfache Weise auch komplexere Querschnittsformen der Längs- streben durch geeignete Formgebung des Querschnitts der Nuten erreicht werden. Neben einfachen kreisförmigen, halbkreisförmigen oder U-förmigen Querschnitten können so auch rechteckige Querschnitte oder aus mehreren Rechtecken gestuft zusam- mengesetzte Querschnitte der Längsstreben erzielt werden. Weiterhin können die Nuten und somit die darin angeordneten Längsstreben beispielsweise eine sich radial nach außen ko ^¬ nisch vergrößernde Querschnittsform aufweisen. Sie können sich zur Außenwand des Läuferkerns hin öffnen, oder die Öff ^¬ nung kann sich alternativ zur Außenwand hin verengen. Durch die Form der Nuten können auch aufwendigere Querschnitts ^¬ formen wie beispielsweise zusammengesetzte Formen mit mehre ^¬ ren, unter Umständen durch Streustege verbundenen Längsstre- ben für jede Winkelposition gebildet werden.

Bei einem einlagig gewickelten Läuferkäfig dagegen entspricht der Querschnitt einer Längsstrebe dem Querschnitt eines Seil ^¬ strangs, also im einfachsten Fall dem Querschnitt eines im Wesentlichen symmetrischen Litzenbündels und/oder einem annähernd kreisförmigen Querschnitt. Anstelle eines annähernd ro ^¬ tationssymmetrischen Seiles kann aber generell auch ein auf Kohlenstoffnanoröhren basierendes Flachband oder ein Stapel solcher Flachbänder zum Einsatz kommen. Dann weisen die

Längsstreben einen näherungsweise den Querschnitt eines fla ^¬ chen Rechtecks auf.

Der Läuferkäfig kann besonders vorteilhaft ein Netz mit Seil ^¬ strängen aus Kohlenstoffnanoröhren umfassen, wobei dieses Netz um den Läuferkern gewickelt ist. Insbesondere kann es sich dabei um ein vorgefertigtes, geknüpftes Netz handeln, welches dann um die Rotationsachse herum auf den Läuferkern gewickelt wird. Bei nur einer Umwicklung können auf diese Weise Längsstreben mit jeweils einem Seilstrang gebildet wer- den, oder es können durch mehrlagiges Wickeln Strukturen mit mehreren Seilsträngen in jeder Nut gebildet werden. Nach dem Umwickeln können die verschiedenen Lagen der netzartigen Wicklung beispielsweise durch Verknoten miteinander verbunden werden .

Im einfachsten Fall kann ein solches vorgefertigtes Netz eine einfache Reihe von Längsstreben zwischen zwei seitlichen Verbindungsseilen aufweisen. Mit anderen Worten kann dieses Netz nach der Art einer einfachen Strickleiter aufgebaut sein, bei der auch die Sprossen aus Seilsträngen geknüpft sind. Wenn die Abstände dieser Sprossen oder Längsstreben auf die Abstände der Nuten angepasst sind, kann ein solches vorgeknüpf- tes Netz insbesondere mit einer vorbestimmten Spannung auf den Läuferkern aufgewickelt werden, und es entsteht die ge ^¬ wünschte Käfigstruktur aus Kohlenstoffnanoröhren-Seil .

Um komplexere Käfigstrukturen zu erzeugen, können auch auf- wändigere Netze aus solchen Seilsträngen geknüpft werden.

Beispielsweise können die Längsstreben zusätzlich über weitere, innenliegende Verbindungsstränge verbunden sein, die nach dem Aufwickeln des Netzes innenliegende Verbindungsringe bil ^¬ den. Auch für solche innenliegenden Verbindungsringe sind dann zweckmäßig auf dem Läuferkern entsprechende Nuten ange ^¬ bracht. In dieser Ausführungsform ähnelt das vorgeknüpfte Netz dann einem Fischernetz mit einer Mehrzahl von nebeneinander liegenden Maschen. Mit dem beschriebenen Verfahren können auch komplexere, beispielsweise einfach oder mehrfach geschränkte Käfigstrukturen erzeugt werden, bei denen die Längsstreben in einem vorgegebenen Winkel zur Rotationsachse des Läufers angeordnet sind. Diese Winkel können dann durch einen entsprechenden Winkel der Nuten des Läuferkerns und/oder durch Winkel in dem vorge ^¬ fertigten aufzuwickelnden Netz vorgegeben sein.

Alternativ zu einem geknüpften Netz kann der Läuferkäfig auch aus einer textilen Matte mit Fasern aus Kohlenstoffnanoröhren gefertigt sein. Hierzu kann die Matte mit Ausnehmungen verse ^¬ hen sein, wobei wiederum eine gitterartige Struktur mit einer Mehrzahl von Längsstegen und wenigstens zwei endseitigen Querstegen verbleibt. Auch diese gitterartige Matte kann dann wiederum um die Rotationsachse auf den Läuferkern gewickelt werden, wobei die Längsstege dann zweckmäßig wiederum in Nu ^¬ ten des Läuferkerns zu liegen kommen. Die Ausnehmungen können beispielsweise durch Ausstanzen gebildet werden. Die Vorteile der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen des Kurzschlussläufers. Die elektrische Maschine kann dabei entweder ein Motor oder ein Generator sein. Besonders vorteilhaft kann es sich um eine Asynchronmaschine handeln.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier bevorzugter Aus ^¬ führungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeich ^¬ nungen beschrieben, von denen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Kurz ^¬ schlussläufers nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines massi ^¬ ven Läuferkerns nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 3 eine schematische Aufsicht einer für die Umwicklung des in Fig. 2 gezeigten Läuferkerns geeigneten Matte zeigt,

Fig. 4 einen Querschnitt zweier Nuten im Läuferkern nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 5 einen Querschnitt zweier Nuten im Läuferkern nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 6 einen Querschnitt zweier Nuten im Läuferkern nach ei- nem fünften Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der elektrischen Verbindung der Längsstreben nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt und

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer alternativen

elektrischen Verbindung nach einem siebten Ausführungsbeispiel zeigt. Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Kurzschlussläufers 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Läuferkern 3 mit im Wesentli- chen kreiszylindrischer Grundform, wobei die zentrale Achse des Zylinders der Rotationsachse 16 des Läufers 1 bei seinem Betrieb in einer elektrischen Maschine entspricht. Der Läu ^¬ ferkern 3 ist, wie im Mittelbereich schematisch angedeutet, auf seiner ganzen axialen Länge aus einem Stapel von Eisen- blechen 4 gebildet. Die Eisenbleche 4 haben im Wesentlichen die Grundform von Kreisscheiben und sind in ihren Randbereichen mit Einkerbungen versehen. Die Einkerbungen sind so zueinander ausgerichtet, dass sich über den gesamten Läuferkern 3 erstreckende Nuten 15 ausbilden, die in diesem Beispiel im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse 16 ausgerichtet sind .

Der so aufgebaute Läuferkern 3 ist mit einem Netz von zusammengeknüpften Seilsträngen 11 umspannt, so dass dieses Netz einen den Läuferkern 3 umschließenden Läuferkäfig 5 bildet.

Der Läuferkäfig 5 weist eine Mehrzahl von Längsstreben 7 auf, die in die länglichen Nuten 15 eingelegt sind. Außerdem weist der Läuferkäfig 5 an seinen axialen Endseiten zwei ringförmige Verbindungsstrukturen 9 auf, die die Endbereiche der

Längsstreben 7 auf jeder der beiden Seiten miteinander verbinden .

Die den Läuferkäfig 5 bildenden Seilstränge 11 sind aus Koh ^¬ lenstoffnanoröhren enthaltenden Fasern gebildet. Daher weisen die Seilstränge 11 eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, und der Läuferkäfig 5 ist über seine gesamte Struktur hinweg elektrisch kurzgeschlossen. Anstelle der in Fig. 1 schematisch angedeuteten relativ groben Seilstruktur mit wenigen Litzen können hierbei auch andere, wesentlich komplexere und/oder feinere Seil- oder Garntypen verwendet werden. Jeder Seilstrang 11 kann dabei eine Vielzahl von Teilsträngen umfassen. Dabei kann durch die Formgebung der Nuten 15 auch eine komplexere Querschnittsform erreicht werden, die von der annähernd rotationssymmetrischen Form eines einfachen Seilstrangs abweicht.

Die Längsstreben 7 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel je- weils an ihren beiden Enden durch Knoten 13 mit den ringförmigen Verbindungsstrukturen 9 verbunden. Dabei können entweder mehrere unterschiedliche Seilstränge 11 aneinanderge- knüpft sein, oder es kann das gesamte Netzwerk des Läuferkä ^¬ figs 5 aus einem einzigen zusammenhängenden Seilstrang 11 ge- knüpft sein. Das dem Läuferkäfig 5 zugrundeliegende Netz kann bei der Herstellung des Kurzschlussläufers 1 als vorgefertig ^¬ tes Netz in der Art einer komplett aus Seilmaterial bestehen ^¬ den Strickleiter vorliegen und dann in dieser Form um den Läuferkern 3 gewickelt werden. Hierbei können auch mehrere Windungen des Netzes um den Läuferkern gebildet werden, so dass in jeder Nut 15 mehrere Längsstreben 7 zu liegen kommen. Hierfür kann für die weiter außen liegenden Windungen der Abstand der eingeknüpften Längsstreben erhöht werden. Alternativ kann das Netz aber auch symmetrisch geknüpft sein, und der bei radial weiter außenliegenden Lagen benötigte höhere Abstand kann durch die Dehnbarkeit der die Verbindungsstruktur 9 bildenden Seilstränge 11 erreicht werden.

Der Läuferkäfig 5 kann unter Spannung um den Läuferkern 3 ge- wickelt oder geknüpft werden, so dass der Läuferkern 3 zusammen mit dem ihn umschließenden Läuferkäfig 5 eine mechanisch eigenstabile Struktur ausbilden kann. Mit anderen Worten, der um den Läuferkern 3 geknüpfte Käfig kann den Blechstapel me ^¬ chanisch fest aufeinander halten. Die Spannung auf den Seil- strängen 11 kann ausreichend hoch gewählt sein, um den mechanischen Belastungen durch die Fliehkräfte bei hohen Drehzahlen einer elektrischen Maschine standzuhalten.

In Fig. 1 ist der Übersichtlichkeit halber nur ein Teil der vorderen ringförmigen Verbindungstruktur 9 gezeigt, und nur ein Teil der Nuten 15 ist mit den Längsstreben 7 gefüllt. Dies dient nur dazu, die Nuten 15 des Läuferkerns 3 besser zu zeigen. Bei einem fertig aufgebauten Läufer 1 sollen alle Nu- ten 15 mit Längsstreben 7 ausgefüllt sein, und die Verbindungsstrukturen 9 sollen auf beiden Seiten ringförmige geschlossene Leiter bilden. In Fig. 1 ist schematisch ein Läuferkäfig 5 mit nur sechs Längsstreben 7 angedeutet. Diese An- zahl soll beispielhaft auch für eine wesentlich höhere Anzahl an Längsleitern stehen. In realen elektrischen Maschinen können Läuferkäfige mit beispielsweise zwischen 10 und 50 Längs ^¬ leitern zum Einsatz kommen. Weiterhin können die Längsleiter 7 auch in einem Winkel zur Rotationsachse angeordnet sein, beispielsweise in einer einfach geschränkten oder doppelt geschränkten Konfiguration.

Fig. 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Läuferkerns 3, der für einen Kurzschlussläufer 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen ist. In diesem Beispiel ist der Läuferkern 3 nicht aus Blechen aufge ^¬ baut, sondern er ist ein Massivkörper aus weichmagnetischem Eisen. In dem kreiszylindrischen Grundkörper sind Nuten vorgesehen, in die die Struktur eines passenden Läuferkäfigs 5 eingelegt werden kann. Die Struktur einer zu diesem Läuferkern 3 passenden gitterförmigen Matte 31 ist als Ausschnitt in Fig. 3 gezeigt.

Der in Fig. 2 gezeigte Läuferkern 3 weist sowohl Nuten 15 für die Längsstreben 7 des Läuferkäfigs als auch zwei ringförmige endseitige Nuten 21 für die ringförmigen Verbindungsstruktu ^¬ ren 9 des Läuferkäfigs und zusätzlich eine ringförmige mitt ^¬ lere Nut 23 für einen Mittelsteg 35 der einzuwickelnden gitterartigen Matte 31. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Nuten 15 für die Längsstreben 7 nicht exakt parallel zu der Rotationsachse ausgerichtet, sondern sie sind in einem leichten Winkel in einer doppelt geschränkten Konfiguration angeordnet: In einem ersten radialen Bereich 27 sind die Nuten 15 in einer Richtung gegen die Rotationsachse 16 umlau- fend angewinkelt, und in einem zweiten radialen Bereich 29 sind sie in einer umgekehrten Richtung gegen die Rotationsachse 16 umlaufend angewinkelt. Hierdurch ergibt sich ein verbessertes Anlauf erhalten des Kurzschlussläufers 1 bei seinem Betrieb in einer elektrischen Maschine.

Die in Fig. 3 gezeigte Matte 31 ist aus Fasern gebildet, die wiederum Kohlenstoffnanoröhren enthalten. Beispielsweise können die der Matte zugrundeliegenden Fasern hauptsächlich aus Kohlenstoffnanoröhren aufgebaut sein. Hierdurch ist die gesamte Gitterstruktur der Matte 31 elektrisch leitfähig. Beim Einwickeln der gezeigten Matte 31 in die Nuten 15, 21 und 23 des Läuferkerns 3 entsteht daher eine elektrisch leitende und in sich kurzgeschlossene Käfigstruktur. Dazu können die End ^¬ bereiche der Matte zusätzlich elektrisch leitfähig miteinander verbunden werden, so dass ein elektrisch geschlossener Zylinderkäfig entsteht.

Passend zur gewinkelten Struktur der Nuten 15 in Fig. 2 weist die Matte 31 eine grätenartige Struktur aus zwei Sätzen von umgekehrt angeschrägten Längsstegen 37 auf. Zwischen diesen beiden Sätzen von Längsstegen 37 befindet sich ein Mittelsteg 35, der in die mittlere Nut 23 des Läuferkerns 3 eingelegt wird. An den Seiten der Gitterstruktur befinden sich zwei Seitenstege 36, die in die ringförmigen endseitigen Nuten 21 eingelegt werden. Die gitterartige Matte kann ähnlich wie das Seilnetz aus dem ersten Ausführungsbeispiel entweder in einer Lage oder auch in mehreren Lagen um den Läuferkern 3 herumgewickelt werden. Dabei entsteht dann ein Läuferkäfig 5 mit entweder einlagigen oder mehrlagigen Längsstreben 7.

In Fig. 3 ist nur ein Ausschnitt aus einer wesentlich länge- ren Bahn der gitterartigen Matte 31 gezeigt. Solche Matten 31 können beispielsweise auf einer Vorratsrolle zur Verfügung gestellt werden und bei der Herstellung des Kurzschlussläu ^¬ fers 1 unter einer Zugspannung um den Läuferkern 3 herum gewickelt werden. Die Breite der Mattenbahn 39 entspricht dabei der axialen Länge des zu bildenden Läuferkäfigs.

Die gitterartige Matte 31 kann beispielsweise aus einer groß ^¬ flächigen textilen Bahn durch Ausstanzen oder Ausschneiden der benötigten Ausnehmungen 33 gebildet werden. Für ein solches Verfahren ist eine filzartige flächige Matte besonders geeignet. Alternativ kann die Matte 31 auch gleich mit der benötigten Gitterstruktur gewebt, geflochten, gestrickt oder auf andere Weise aus Fasern auf der Grundlage von Kohlen ^¬ stoffnanoröhren hergestellt werden.

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt zweier Nuten 15a in einem Läuferkern 3a nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfin- dung. Gezeigt ist ein schematischer Querschnitt, aus dem das Profil der Nuten 15a und somit die Querschnittsform der durch in den Nuten 15a einliegende Seilstränge 11 gebildeten Längs ^¬ streben 7 ersichtlich ist. Hierbei ist exemplarisch die linke der beiden gezeigten Nuten 15a bereits mit Seilsträngen 11 aufgefüllt dargestellt, und die rechte der beiden Nuten 15a ist noch leer dargestellt. In diesem Beispiel öffnen sich die Nuten 15a nach radial außen zur Oberfläche des Läuferkerns 3a hin, so dass außen ein größerer Leiterquerschnitt der aus den Seilsträngen 11 gebildeten Längsstrebe 7 entsteht.

Ein hierzu alternatives viertes Ausführungsbeispiel ist sche ^¬ matisch in Fig. 5 gezeigt. Auch hier sind zwei Nuten 15b in einem Läuferkern 3b gezeigt, wobei wiederum die linke der beiden Nuten 15b exemplarisch mit Seilsträngen 11 gefüllt dargestellt ist. Auch hier öffnen sich die Nuten 15b zunächst konisch nach außen hin, sodass der Querschnitt der Leiterstränge nach außen hin vergrößert ist. Nahe der Oberfläche des Läuferkerns 3b ist die Öffnung der Nuten 15b jedoch ver ^¬ engt .

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Nuten 15c des Läuferkerns 3c jeweils aus zwei größe ^¬ ren Teilöffnungen gebildet sind, die untereinander mit einem schmalen Steg verbunden sind. Durch Einlegen von Seilsträngen 11 in diese komplex geformten Nuten wird in jeder Nut eine

Längsstrebe 7 gebildet, die wiederum eine Oberstrebe 41, eine Unterstrebe 43 und einen diese beiden Teilstreben verbindenden Streusteg 45 umfasst. In Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der elektrischen Verbindung der Längsstreben 47a und 47b eines Kurzschlussläu ^¬ fers 1 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Längsstreben 47a und 47b an den beiden Endseiten nicht alle ringförmig miteinander verbunden, sondern die Verbindungsstrukturen sind so ausgestaltet, dass sich zwei ineinander geschachtelte Teilkäfige 49a und 49b ausbilden. Hierzu sind an jedem axia- len Ende des Kurzschlussläufers 1 zwei Verbindungsstrukturen vorgesehen, die in der Fig. 7 durch die beiden oben und unten verlaufenden elektrischen Verbindungen wiedergegeben sind. Jede dieser Verbindungsleitungen verknüpft jede zweite der Längsstreben so miteinander, dass aus zwei elektrisch ge- trennten Sätzen von Längsstreben 47a und 47b jeweils zwei elektrisch unabhängige Teilkäfige 49a und 49b des Kurz ^¬ schlussläufers gebildet werden. Ein Vorteil einer solchen Konfiguration kann unter anderem darin liegen, dass für jeden der Teilkäfige 49a und 49b eine höhere Schrägung der Längs- streben 47a und 47b ausgebildet werden kann.

Ein alternatives Beispiel für eine elektrische Verbindung der Längsstreben 47a und 47b ist in Fig. 8 dargestellt. Auch hier bilden die Längsstreben zwei elektrisch voneinander unabhän- gige Teilmengen 47a und 47b, die jeweils untereinander zu zwei Teilkäfigen 49a und 49b verbunden sind. Im Unterschied zum vorherigen Beispiel sind die Längsstreben 47a, 47b in den Teilkäfigen 49a, 49b jedoch nicht parallel sondern seriell miteinander verbunden. Die beiden Paare von endseitigen Ver- bindungsstrukturen sind dazu nicht als ringförmig geschlosse ^¬ ne Verbindungen ausgebildet, sondern es besteht innerhalb ei ^¬ nes Teilkäfigs 49a oder 49b auf jeder der beiden Endseiten abwechselnd eine Verbindung zwischen den zusammengehörigen Längsstreben 47a oder 47b eines Teilkäfigs 49a oder 49b.

In ähnlicher Weise können auch seriell verbundene Käfigstrukturen mit nur einem übergeordneten Käfig anstatt mit zwei oder auch mehreren Teilkäfigen gebildet werden. Es ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen denkbar, da erstens die Zahl der Teilkäfige variiert werden kann und zweitens auch Kombinationen von seriell und parallel verbundenen Längsstreben innerhalb jedes Teilkäfigs vorliegen kön- nen. Die Kurzschlussläufer nach der vorliegenden Erfindung eigenen sich in jedem Fall besonders gut zur Ausbildung solcher komplexerer Strukturen, da sich gerade durch die Verknüpfung von textilen Strukturen, beispielsweise durch das Verknoten von Seilsträngen, besonders leicht solche ver- schachtelten Käfigstrukturen bilden lassen. Besonders vorteilhaft können Kurzschlussläufer mit wenigstens teilweise seriell verknüpften Längsstreben in elektrischen Maschinen mit Zahnspulenwicklungen im Ständer zum Einsatz kommen.