Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.

Ein Rotor für eine elektrische Maschine umfasst im Wesentlichen eine Rotorwelle und ein Rotorpaket, wobei das Rotorpaket mindestens eine Kurzschlussringanordnung und einen Rotorstab umfasst, wobei die Kurzschlussringanordnung mit einer Öffnung zur Aufnahme eines Endes des Rotorstabes ausgestattet ist, wobei der Rotorstab mittels einer Schweißverbindung mit der Kurzschlussringanordnung verbunden ist.

Ein derartiger Rotor für eine elektrische Maschine, sowie diesbezügliche Herstellungsverfahren sind beispielsweise aus den Druckschriften CH 658 959 A5, EP 2 804297 A2, DE 102016 203 143 A1 und EP 3297 142 A1 bekannt geworden.

Die Kurzschlussstäbe werden hier mittels Schweißen mit den Kurzschlussringen verbunden. An die Schweißverbindungen sind aus mehreren Gründen hohe Anforderungen zu stellen.

Bei hochdrehenden Asynchronmotoren, insbesondere mit Oberflächengeschwindigkeiten von > 80 m/s, entstehen sehr große Fliehkräfte im Kurzschlusskäfig. Insofern sollte die Schweißverbindung ausreichend mechanisch stabil sein, so dass beispielsweise Unwuchten vermieden werden können.

Eine weitere Herausforderung besteht im Hinblick auf die Erzeugung einer im hohen Maße elektrisch leitenden Verbindung zwischen Rotorstäben und Kurzschlussringen, insbesondere, wenn Rotorstab-Wicklungen zum Einsatz kommen. Durch die Rotorstab-Wicklungen sind weniger Windungen je Nut möglich wie bei der Einzugswicklung, z.B. bei der Formlitzenwicklung üblicherweise 2 Windungen je Nut, beim Hair-Pin 4 bis 10 Wicklungen je Nut. Dadurch wird durch die Wickeltechnologie die Phasenwindungszahl limitiert was durch eine höhere Nutzahl je Pol und Phase kompensiert werden muss. Dadurch steigt wieder die mag. Durchflutung je Pol. Jedoch sinkt die Gesamt-Streuinduktivität, weil die doppelt verkettete Streuinduktivität durch die höheren Nutzahlen stark sinkt. Um die umrichterbedingten Zusatzverluste durch Phasenstromrippei in der ASM zu kompensieren muss die Streuinduktivität künstlich erhöht werden, was nun durch die Nutstreuinduktivität erfolgen muss. Dies kann bei gegebenem Design ohne Performanceeinbussen nur durch tiefere Rotornuten erreicht werden. Um Kosten zu sparen werden möglichst wenige Kurzschlussringe eingesetzt. Dies bedeutet jedoch, dass die Kupferstäbe über eine möglichst große Fläche an diese angebunden sein müssen.

Ferner besteht hinsichtlich der Materialauswahl eine besondere Herausforderung an die Schweißverbindung. Es kann für die Kupferstäbe in der Nut gewöhnliches Kupfer verwendet werden. Jedoch für die Cu- Ringe muss ein mechanisch hochfestes Kupfer verwendet werden. Diese zwei Materialien müssen stoffschlüssig verbunden werden, insbesondere um die elektrische Leitfähigkeit von Rotorstab zu Rotorstab (via Kurzschlussring) zu gewährleisten. Grundsätzlich sind gleiche Materialien einfacher zu Schweißen als verschiedene Materialien (wie in diesem Fall). Dies stellt eine Herausforderung an den Schweißprozess dar.

Wenngleich die im Stand der Technik beschriebenen Rotoren eine Schweißverbindung zwischen den Kurzschlussringen und den Rotorstäben vorsehen, so besteht dennoch Verbesserungsbedarf, ganz besonders im Hinblick auf die Herausforderungen schnelldrehender und/oder mit hohen Stromstärken beaufschlagter Rotoren bzw. aus unterschiedlichen Materialien bestehender Kurzschlussringe und Rotorstäbe.

Hier setzt die Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe, einen verbesserten Rotor vorzuschlagen, insbesondere einen Rotor vorzuschlagen, der den oben skizzierten Herausforderungen besser gewachsen ist bzw. mit dem sich die oben skizzierten Nachteile vermeiden, zumindest aber reduzieren lassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Rotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Schweißverbindung mittels Tiefschweißen erzeugt wird. Hierdurch wird es möglich, den Rotorstab und die Kurzschlussringanordnung über eine große Fläche elektrisch wie mechanisch zu verbinden. Hierdurch ist eine große Stabilität und gute elektrische Leitfähigkeit gegeben, so dass hohe Drehzahlen ohne die Gefahr von Unwuchten oder mit nur geringer Wahrscheinlichkeit an Unwuchten erreicht werden können. Ferner lassen sich durch das Tiefschweißen auch unterschiedliche Werkstoffe gut miteinander verbinden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Rotorpaket eine Anzahl von axial hintereinander angeordneten Rotorscheiben umfasst, die zwischen der ersten Kurschlussringanordnung und einer zweiten Kurzschlussringanordnung aufgenommen sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kurzschlussringanordnung mindestens einen Kurzschlussring, vorzugsweise zwei oder mehr Kurzschlussringe, vorzugsweise drei oder vier Kurzschlussringe, umfasst, die vorzugsweise in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Rotorpaket mit einer Aufnahme für den Rotorstab ausgestattet ist, wobei die Aufnahme insbesondere Aussparungen in den Rotorscheiben, sowie eine Öffnung in der ersten Kurschlussringanordnung und eine Öffnung in der zweiten Kurzschlussringanordnung umfasst. In der Aufnahme, die vorzugsweise parallel zu der Rotorwelle verläuft, sind jeweils ein Rotorstab oder mehrere Rotorstäbe aufgenommen. Das Rotorpaket ist vorzugsweise mit mehreren Aussparungen und entsprechend mit mehreren Rotorstäben ausgestattet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Rotorstab und die Kurzschlussringanordnung aus unterschiedlichen Materialien bestehen, insbesondere der Rotorstab ein Material aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und die Kurzschlussringanordnung ein Material aus einem hochfesten Kupfer oder einer hochfesten Kupferlegierung umfasst, das jedenfalls eine höhere Festigkeit aufweist als das Material, welches für den Rotorstab verwendet wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schweißverbindung über die gesamte Kontur der Stirnfläche des Rotorstabes bzw. über die gesamte radiale Ausdehnung des Rotorstabs besteht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schweißverbindung ein Verhältnis von Schweißnahtbreite an der Oberfläche zu Schweißnahttiefe von 3:10 bis 1 :12, insbesondere 2:10, 1 :10, besonders bevorzugt 1 :12, aufweist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schweißverbindung eine Schweißnahttiefe von 6 bis 25 mm, vorzugsweise 22 mm aufweist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass mehr Schweißnähte als verbleibende Fugen vorhanden sind. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schweißnähte der Schweißverbindung derart ausgestaltet sind, dass die Kurzschlussringe der Kurzschlussringanordnung stoffschlüssig verbunden sind. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kurzschlussringe der Kurzschlussringanordnung nicht stoffschlüssig verbunden sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Stahlscheibe zwischen den Kurzschlussringen vorgesehen ist. Vorteilhafterweise ergibt sich hieraus eine mechanische Verstärkung bzw. Abstützung.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kurzschlussring eine Dicke von 1 ,5 bis 1,9mm, vorzugsweise 1 ,7mm, aufweist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Rotor um einen Alu-Rotor handelt.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine verbesserte elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor oder einen elektrischen Generator, vorzuschlagen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Rotors ergeben sich die oben bereits skizzierten Vorteile.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Rotors vorzuschlagen, insbesondere ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem ein schnelldrehender und/oder mit hohen Stromstärken beaufschlagbarer Rotor bzw. aus unterschiedlichen Materialien bestehende Kurzschlussringe und Rotorstäbe vorteilhaft hergestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Dadurch, dass die Schweißverbindung zwischen Rotorstab und Kurzschlussringanordnung mittels Tiefschweißen durchgeführt wird, können die oben skizzierten Nachteile überwunden, mindestens aber gemildert und die genannten Vorteile erreicht werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Tiefschweißen mittels Laserstrahltiefschweißen oder Elektronenstrahltiefschweißen durchgeführt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schweißverbindung durch axiales Tiefschweißen oder durch radiales Tiefschweißen, insbesondere bis auf den Grund der Aussparung der Kurzschlussringanordnung, vorgenommen wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Schweißvorgang zur Erzeugung der Schweißverbindung mit einer Leistung von 0,5 bis 1 ,5 Megawatt pro Quadratzentimeter, vorzugsweise 1 Megawatt pro Quadratzentimeter, durchgeführt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kurzschlussringe als Kurzschlussringanordnung montiert werden und insbesondere durch Noppen zusammengehalten werden. Die Kurzschlussringe werden demnach vorzugsweise als Paket montiert (mit oder ohne Stahlscheiben). Das Paket wird vorzugsweise durch Noppen zusammengehalten (wie beim Stanzpaketieren).

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kurzschlussringe verdrehtest auf der Rotorwelle gehalten sind.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen den Kurzschlussringen ein Spalt für ein Kühlfluid, insbesondere eine Öl- Kühlung vorgesehen ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Rotor für eine elektrische Maschine in einer perspektivischen Darstellung;

Fig. 2 eine Ausschnittvergrößerung des erfindungsgemäßen Rotors für eine elektrische Maschine aus Figur 1 in einer perspektivischen Darstellung; und

Fig. 3 eine Ausschnittvergrößerung des erfindungsgemäßen Rotors für eine elektrische Maschine aus den Figuren 1 und 2 in einer Querschnittsdarstellung. Folgende Bezugszeichen werden in den Abbildungen verwendet:

R Rotor

AS axialer Schweißstrahl

RS radialer Schweißstrahl

1 Rotorwelle

2 Rotorpaket

3 Tiefschweißverbindung

21 Erste Kurzschlussringanordnung

22 Zweite Kurzschlussringanordnung

23 Rotorscheibe

24 Rotorstab

25 Aufnahme (für Rotorstab)

211 erster Kurzschlussring

212 zweiter Kurzschlussring

213 dritter Kurzschlussring

214 Öffnung

221 erster Kurzschlussring

222 zweiter Kurzschlussring 223 dritter Kurzschlussring

231 Aussparung

Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden. Ist in einer Figur ein Bezugszeichen enthalten, auf das in der zugehörigen Figurenbeschreibung nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorausgehende oder nachfolgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen.

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen.

Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, bei der es sich vorzugsweise um einen Elektromotor, insbesondere aber auch um einen elektrischen Generator handeln kann, umfasst im Wesentlichen einen erfindungsgemäßen Rotor R sowie einen in Figur 1 nicht dargestellten Stator.

Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine elektrische Maschine, umfasst im Wesentlichen eine Rotorwelle 1 und ein Rotorpaket 2, wobei das Rotorpaket 2 mindestens eine erste Kurzschlussringanordnung 21 und einen Rotorstab 24 umfasst, wobei die erste Kurzschlussringanordnung 21 mit einer Öffnung 214 zur Aufnahme eines Endes des Rotorstabes 24 ausgestattet ist, wobei der Rotorstab 24 mittels einer Schweißverbindung mit der ersten Kurzschlussringanordnung 21 , insbesondere in der Öffnung 214, verbunden ist.

Vorzugsweise umfasst der erfindungsgemäße Rotor R die Rotorwelle 1 und das Rotorpaket 2, wobei das Rotorpaket 2, wie aus Figur 3 ersichtlich, im Wesentlichen eine Anzahl von axial hintereinander angeordneten Rotorscheiben 23 umfasst, die zwischen der ersten Kurschlussringanordnung 21 und einer zweiten Kurzschlussringanordnung 22 aufgenommen sind. Das Rotorpaket 2 ist drehfest auf der Rotorwelle 1 aufgenommen. Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Rotorpaket 2 zwischen einer ersten Druckscheibe und einer zweiten Druckscheibe eingespannt ist, wobei die Druckscheiben oder mindestens eine der Druckscheiben wiederum drehfest mit der Rotorwelle 1 verbunden sind. Es sind aber auch alternative drehfeste Verbindungen des Rotorpaketes 2 mit der Rotorwelle 1 denkbar. Wie in Figur 3 dargestellt, ist das Rotorpaket 2 mit einer Aufnahme 25 für den Rotorstab 24 ausgestattet. Vorzugsweise ist der Rotor R bzw. das Rotorpaket 2 mit mehreren Rotorstäben 24 ausgestattet, so dass das Rotorpaket 2 mit einer entsprechenden Anzahl von Aufnahmen 25 ausgestattet ist. Jede Aufnahme 25 kann vorzugsweise sowohl einen, als auch mehrere Rotorstäbe 24 gleichzeitig aufnehmen. Die Aufnahme 25 bzw. der Rotorstab 24 verläuft vorzugsweise parallel zur Rotorwelle 1. Weitere Rotorstäbe, Aufnahmen, Aussparungen, etc. sind in der Schnittdarstellung aus Fig. 3 mit dem Index ' dargestellt. In den Figuren 1 und 2 ist zu erkennen, dass bei dem konkret dargestellten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Rotorstäben vorgesehen ist, die gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind.

Die Aufnahme 25 umfasst vorzugsweise in den Rotorscheiben 23 vorgesehene Aussparungen 231 und Öffnungen 214 in den Kurzschlussringanordnungen 21 bzw. 22. Die Aussparungen 231 sind entsprechend in den Rotorscheiben 23 vorgesehen und bilden insgesamt eine Nute aus. Die Öffnungen 214 korrespondieren vorzugsweise mit dem Querschnitt des bzw. der Rotorstäbe. Der Rotorstab 24 ist jeweils endseitig in der Öffnung 214 der jeweiligen Kurzschlussringanordnung 21 bzw. 22 aufgenommen.

Bei den Rotorstäben 24, die auch als Kurzschlussstäbe bezeichnet werden können, kann es sich um Rotorstab-Wicklungssysteme handeln. Grundsätzlich kommen aber auch massive Stäbe in Frage. Als elektrisch leitendes Material kommt vorzugsweise Kupfer bzw. eine Kupferlegierung in Frage.

Die Kurzschlussringanordnung 21 bzw. 22 kann mehrere einzelne Kurzschlussringe 211, 212, 213 bzw. 221 , 222, 223 umfassen, die vorzugsweise in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Die Kurzschlussringanordnung ist bzw. die Kurzschlussringe sind vorzugsweise aus einem hochfesten Kupfer bzw. einer hochfesten Kupferlegierung gefertigt. Grundsätzlich unterscheidet sich der Rotorstab und die Kurzschlussringanordnung hinsichtlich ihres Materials.

Zwischen dem Rotorstab und der Kurzschlussringanordnung bzw. zwischen jedem Rotorstab und den Kurzschlussringanordnungen ist eine Schweißverbindung 3 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass es sich hierbei um eine Tiefschweißverbindung 3 handelt.

Tiefschweißen ist ein Sonderprozess bei dem die Nahttiefe bis zu 10x grösser ist als die Nahtbreite und bei dem bis zu 25 mm tief geschweißt werden kann. Dazu ist eine Leistung von ca. 1 Megawatt pro Quadratzentimeter nötig da der Strahl nicht nur das Material aufschmilzt, sondern auch verdampfen muss. Der Strahl, insbesondere Laser- oder Elektronenstrahl, bildet ein tiefes schmales Loch im Werkstück, auch Keyhole genannt. Dazu verdampft der Strahl Material und eine Dampfkapillare bildet sich. Die Dampfkapillare ist von geschmolzenen Material umgeben. Der Dampf strömt ab und übt Druck auf die Schmelze aus. Dadurch wird mehr Wärmeeintrag im Material generiert und mehr Material schmilzt auf. Wenn der Strahl über die Fügestelle bewegt wird, bewegt sich die Dampfkapillare mit. Das Material umfließt die Dampfkapillare und erstarrt an der Rückseite. Mit diesem Prozess kann eine sehr schmale, aber tiefe Schweißnaht mit einem gleichmäßigen Gefüge erstellt werden. Beim normalen Schweißprozess wird das Material nur aufgeschmolzen und nicht verdampft. Es bildet sich keine Dampfkapillare. Die Schweißtiefe ist begrenzt über den Wärmeeintrag, da sonst zu viel Material aufgeschmolzen wird und das Bauteil dadurch beschädigt bzw. in der Funktion beeinträchtigt wird.

Für die hier vorgesehene Tiefschweißverbindung ist vorzugsweise ein Verhältnis von Schweißnahtbreite an der Oberfläche zu Schweißnahttiefe von 3:10 oder kleiner, insbesondere 2:10, 1 :10, vorgesehen. Besonders bevorzugt liegt das Verhältnis von Schweißnahtbreite an der Oberfläche zu Schweißnahttiefe bei 1:12.

Für das Einbringen der Schweißverbindung bzw. für die Erreichung einer großen Verbindungsfläche bestehen grundsätzlich zwei Schweißvarianten im Hinblick auf die Strahlrichtung zur Verfügung. Bezogen auf das Werkstück kann zwischen einem radialen Schweißen mit einem entsprechend radial auftreffenden Schweißstrahl RS und einem axialen Schweißen mit einem entsprechend axial auftreffenden Schweißstrahl AS unterschieden werden, jeweils bezogen auf die Rotorwelle 1.

Beim radialen Schweißen trifft der Schweißstrahl an der Außenkontur des Rotorpaketes bzw. insbesondere auf die Außenkontur der Kurzschlussringanordnung auf.

Mit anderen Worten, der Schweißstrahl RS ist senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Rotorwelle 1 ausgerichtet. Das Tiefschweißen erfolgt bei radialem Schweißen, bei mindestens zwei Kurzschlussringen 211 , 212, 213 bzw. 221, 222, 223 pro Kurzschlussringanordnung 21 bzw. 22, bevorzugt zwischen den Kurzschlussringen. Der Schweißstrahl RS dringt entsprechend radial in die Kurzschlussringnanordnung ein, insbesondere bis auf den Grund der jeweiligen Öffnung 214. Vorzugsweise dreht sich beim radialen Schweißen der Rotor, während der Schweißstrahl bevorzugt stillsteht. Als Schweißtiefe ist bei einem radialen Tiefschweißen eine Schweißnahttiefe von 6 bis 25mm, vorzugsweise 22mm vorteilhaft.

Beim axialen Schweißen trifft der Schweißstrahl AS in axialer Richtung auf die flache Kreis- Fläche der Kurzschlussringanordnung 21 bzw. 22 auf. Mit anderen Worten, der Schweißstrahl ist parallel oder im Wesentlichen parallel zur Rotorwelle ausgerichtet. Das Tiefschweißen erfolgt bei axialem Schweißen bevorzugt auf der Kurzschlussscheibenanordnung 21 bzw. 22. Der Strahl dringt entsprechend axial in die Kurzschlussscheibenanordnung ein.

Dabei wird mit dem Schweißstrahl beispielsweise die Kontur des Rotorstabquerschnitts abgefahren, oder es wird in einer zylindrischen oder schneckenförmigen Form über alle Rotorstäbe geschweißt. Als Schweißtiefe ist bei einem axialen Tiefschweißen ebenfalls eine Schweißnahttiefe von 6 bis 25mm, vorzugsweise 22mm vorteilhaft.

Wie bereits oben erwähnt, kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass die Kurzschlussringanordnung 21 bzw. 22 einen oder mehrere Kurzschlussringe 211 , 212, 213 bzw. 221 , 222, 223 umfasst. Insbesondere beim axialen Tiefschweißen stellt es eine Herausforderung dar, wenn mehrere Kurzschlussringe eingesetzt werden, sprich die Kurzschlussringanordnung mehrere Kurzschlussringe umfasst.

Bevorzugt werden für die Serienproduktion 4 Kurzschlussringe eingesetzt.

Jeder Kurzschlussring 211, 212, 213 bzw. 221 , 222, 223 sollte mit mindestens einer Schweißnaht versehen sein.

Je mehr Kurzschlussringe 211, 212, 213 bzw. 221 , 222, 223 verwendet werden, desto mehr Schweißnähte sind nötig. Es besteht hier jedoch ein Optimum in der Dicke der Kurzschlussringe 211 , 212, 213 bzw. 221 , 222, 223. Die diesbezüglichen Zusammenhänge werden nachfolgend erläutert werden.

Beim Stanzen, insbesondere von Kurzschlussringen 211, 212, 213 bzw. 221 , 222, 223, ergibt sich die Stanzkraft aus dem Umfang und der Blechdicke. Jeder Stempel des Stanztools bekommt diese Kräfte zu spüren. Die Fläche des Stempels definiert die maximal erlaubten Druckspannungen. Bei einem gegebenen Design ergibt sich somit die maximale stanzbare Blechdicke. Für die hier verwendeten Kurzschlussringe kommen vorzugsweise Blechdicken von 1 ,5 bis 1 ,9 mm, besonders bevorzug von 1 ,7 mm zum Einsatz.

Beim Tiefschweißprozess sollte eine Distanz des Schweißstrahls bzw. des resultierenden Einbrands zu der jeweils äußeren Rotorscheibe gehalten werden. Der Einbrand sollte mind. 1 ,4 mm von der jeweils äußeren Rotorscheibe entfernt sein. Wird berücksichtigt, dass ein für das Tiefschweißen verwendeter Strahl eine Dicke von 0,5 mm aufweist, ergibt sich eine minimale Blechdicke von 1 ,9 mm, allenfalls 1,5 mm wenn näher geschweißt werden kann. Jeder Kurzschlussring der Kurzschlussringanordnung sollte mindestens einmal verschweißt sein, wodurch sich ein positiver Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit der Kurzschlussringe untereinander ergibt.

Durch das Tiefschweißen, insbesondere das bessere Verhältnis der Schweißnahtbreite an der Oberfläche zur Schweissnahttiefe, 3:10 oder kleiner, können eine größere Anzahl von Kurzschlussringen, die auch dünner ausgeführt sein können, verwendet werden.

Im Gegensatz dazu steht das Standard-Strahlenschweissverfahren. Beim Standard- Strahlenschweissen kann eine grössere Schweisstiefe nur durch eine grössere Schweissnahtbreite an der Oberfläche erzeugt werden, und deshalb müssten dann dickere Kurzschlussringe verwendet werden.

Zudem muss für eine konstante Schweissfläche beim Standard-Schweissverfahren öfters geschweisst werden, oder es müssen zusätzliche Kurzschlussringe verwendet werden, was beides in höheren Kosten (Material und Fertigung) resultiert.

Die Tiefschweißverbindung zwischen dem Rotorstab und der Kurzschlussringanordnung bzw. zwischen den Rotorstäben und den Kurzschlussringanordnungen führt insbesondere zu folgenden vorteilhaften Effekten.

An einem Beispiel soll die Berechnung der Verbindungsfläche je Rotorstab aus einem Kupferwerkstoff aus mechanischer Sicht dargestellt werden.

Der Kurzschlussring ist zum Teil hohen Fliehkräften ausgesetzt, die zu einer dauerhaften Verformung des Kurzschlussringes führen kann. Da die Verformung nicht radial gleichförmig sein kann, führt sie zum Verlust der Rotorbalance. Hohe Unwuchtkräfte reduzierten die Lebensdauer des Motors. Daher ist das Ziel, eine sehr geringe plastische Verformung des Kurzschlussrings während des Betriebs zu erreichen. Mehrere Normen, beispielsweise die IEC 60034-1 , API, empfehlen, Tests durchzuführen, um zu zeigen, dass der Rotor auch nachdem er 120% der höchsten sicheren Betriebsdrehzahl erreicht hat, ohne Einschränkungen arbeiten kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Rotor lässt sich die Verformung des Kurzschlussrings reduzieren und damit dem Entstehen von Unwuchten entgegenwirken. Dies konnte durch eine Gegenüberstellung eines konventionellen bzw. konventionell hergestellten Rotors und eines erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß hergestellten Rotors nachgewiesen werden.

Numerisch ließen sich aus den durchgeführten Versuchen insbesondere folgende Erkenntnisse ableiten.

Die maximale radiale Verformung war im Falls des konventionellen bzw. konventionell hergestellten Rotors 90,3/37,8 = 2,4 mal größer als bei einem erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß hergestellten Rotors.

Die Von-Mises-Spannung am Innendurchmesser (Stelle mit maximaler Spannung unter Fliehkraft Belastung) eines Kurzschlussringes eines konventionellen bzw. konventionell hergestellten Rotors war 377,3/177,1= 2,1 mal höher als bei einem erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß hergestellten Rotor.

Die maximale Von-Mises-Spannung am Innendurchmesser (Stelle mit maximaler Spannung unter Fliehkraft Belastung) eines Kurzschlussringes eines konventionellen bzw. konventionell hergestellten Rotors war 847,6/236,8= 3,6 mal höher als bei einem erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß hergestellten Rotor.

Aus den durchgeführten Versuchen lassen sich insbesondere folgende Vorteile des erfindungsgemäßen bzw. erfindungsgemäß hergestellten Rotors gegenüber einem konventionellen bzw. konventionell hergestellten Rotor ableiten.

Eine Reduzierung der maximalen radialen Verformung um den Faktor 2,4 ist grundsätzlich möglich.

Durch das erfindungsgemäße Tiefschweißen kann das Ziel, eine geringe plastische Verformung zu haben, erreicht werden.

Eine Reduzierung der Von-Mises-Spannung am Innendurchmesser eines Kurzschlussringes um den Faktor 2,1 ist grundsätzlich möglich. Dies führt zu geringeren mechanischen Anforderungen an den Kurzschlussring, wodurch weniger Material eingesetzt werden kann, wodurch wiederum geringere Kosten zu erwarten sind.

Eine Reduktion der maximalen Von-Mises-Spannung um den Faktor 3,6 führt grundsätzlich zu weniger mechanischen Anforderungen an den Kurzschlussring, wodurch weniger Material eingesetzt werden kann, wodurch wiederum geringere Kosten zu erwarten sind. Abhängig vom tatsächlichen Anwendungsfall kann beispielsweise ein äußerer Stahlklemmring (Spannring) überflüssig werden.

Auch hinsichtlich des Stromflusses können Vorteile durch die vorgeschlagenen Erfindungen erzielt werden.

Die Stromverteilung über die verschiedenen Stäbe ist sinusförmig, die höchste Stromdichte eines größten Stabes entspricht der höchsten Stromdichte im Kurzschlussring. Da sich durch Kapillareffekte Öl an unverschweissten Stoßstellen ansammelt, kann der Strom nur durch den komplett verschweißten Bereich fliessen.

An einem Beispiel soll verdeutlicht werden, inwieweit eine tatsächliche Querschnittsfläche eines Rotorstabes von der erforderlichen Querschnittfläche abweicht.

Ein Rotorstab weist eine Querschnittfläche von 34,75 mm ² auf. Die Integration ergibt in Summe einen Querschnitt von 8(Stäbe) * 34,75 / Wurzel(2) = 197 mm ² . Aufgrund des tieferen Leitwertes des Kupferringes verursacht durch die Legierungsbestandteile, welche den Ring hochfest machen, ist eine weitere Zunahme des Querschnittes um 1/0.88 (lACS-Wert der Legierung = 88%, Rotorstab = 100%) nötig. So beträgt die erforderliche Querschnittfläche 223 mm ² , was einer Gesamt-Höhe der axial gestapelten Kurzschlussringe von (gerundet) 30,7 * 7,5 mm ergibt. In der Praxis wird dieser Wert nicht erreicht, weil der Ring eben nicht komplett verschweißt werden kann. Trotzdem ist darauf zu achten, dass der komplett verschweißbare Bereich möglichst dem Ringquerschnitt entspricht.

Es gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Außerdem kann ein ggf. beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.