Bezeichnung der Erfindung / Title of the invention

Rotor eines Käfigläufer-Motors und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betri f ft einen Rotor eines Käfigläufer-Motors sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung .

Bei Asynchronmaschinen wird meist in einem Rotor, der relativ zu einem Stator drehbar gelagert ist , ein sogenannter Kurzschlusskäfig vorgesehen . Der Rotor der Asynchronmaschine wird daher auch als Käfigläufer oder Kurzschlussläufer bezeichnet . Der Kurzschlusskäfig weist Kurzschlussstäbe auf , die im Allgemeinen parallel oder leicht schräg zu der Rotationsachse des Käfigläufers , d . h . in Axialrichtung verlaufend angeordnet sind .

Die Kurzschlussstäbe sind in den Rotorgrundkörper eingefügt , der meist als Lamellenpaket aus einer Viel zahl von axial nebeneinander gestapelten Blechlamellen gebildet wird .

Die Kurzschlussstäbe sind in Ausnehmungen oder Nuten in das Lamellenpaket eingelegt . An ihren Enden sind die Kurzschlussstäbe durch Kurzschlussringe , welche an beiden stirnseitigen Enden des Rotorgrundkörpers angeordnet sind, elektrisch miteinander verbunden .

Ein Beispiel eines Kurzschlussläufers einer Asynchronmaschine wird in DE 195 42 962 CI beschrieben .

Während des Betriebs der elektrischen Maschine werden in dem Kurzschlusskäfig aufgrund variierender Magnetfelder starke Ströme induziert . Um dabei die Widerstandsverluste gering zu halten, besteht der Kurzschlusskäfig im Allgemeinen aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit wie beispiels- weise aus Kupfer, Aluminium oder einer Legierung mit diesen Stof fen .

Allerdings weisen die genannten Materialien eine verhältnismäßig geringe mechanische Festigkeit auf .

Wenn der Rotor auf hohe Drehzahlen beschleunigt wird, neigen daher die Komponenten des Kurzschlusskäfigs , insbesondere die freiliegenden Kurzschlussringe dazu, sich aufgrund von Fliehkräften zu verformen . Eine Verringerung der Festigkeit der Komponenten, wie sie bei den im Betrieb häufig vorkommenden hohen Temperaturen auftreten kann, verstärkt die Deformationstendenzen zusätzlich .

In der DE 102014220267 Al wird daher vorgeschlagen, die mechanisch wenig stabilen Kurzschlussringe des Kurzschlusskäfigs gegen radiale Deformation beispielsweise aufgrund bei hohen Drehzahlen auftretender starker Fliehkräfte mittels Stützscheiben zu schützen, welche ähnlich wie eine Decklamelle an einer Stirnfläche des Lamellenpakets angeordnet werden können und welche mit einem axial weg von dem Lamellenpaket umgebogenen randnahen Bereich den Kurzschlussring stabilisieren können .

Aus der EP 3 823 142 Al ist ein Kurzschlussläufer bekannt , bei dem zur Aufnahme der Fliehkräfte radial innerhalb der Kurzschlussringe , ein Stützelement aus hochfestem Material befindet , das mit dem Kurzschlussring zumindest abschnittsweise stof f schlüssig verbunden ist .

Um Deformationen der Kurzschlussringe zu vermeiden, werden diese herkömmlich auch durch von außen umgrei fende Bandagen gestützt .

Die genannten Maßnahmen erhöhen Kosten und Komplexität der Asynchronmaschine . Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , einen Rotor eines Käfigläufer-Motors anzugeben, der für hohe Drehzahlen geeignet und einfach herzustellen ist .

Erfindungsgemäß geschieht dies mit einem Rotor gemäß Anspruch

1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 7 .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert . Es zeigen beispielhaft :

Fig . 1 , 2 , 3 und 4 unterschiedliche Aus führungs formen eines erfindungsgemäßen Rotors ,

Fig . 5 , 6 und 7 weitere Aus führungs formen mit einem Rotor mit laminarem Aufbau .

Fig . 1 zeigt 4 Ansichten eines erfindungsgemäßen Rotors in unterschiedlichen Phasen des Herstellungsprozesses , Fig . 1 a zeigt den zylindrischen Läuferkörper 1 vor der Bestückung mit den Kurzschlussstäben 2 mit den zur Aufnahme der Läuferstäbe

2 vorgesehenen, noch of fenen Bohrungen in einem - beim Ausführungsbeispiel konisch verlaufenden - Abschnitt der Stirnfläche , diese Stirnfläche kann j edoch ohne Einschränkung der Erfindung auch einen anderen Verlauf aufweisen .

Fig . 1 b zeigt den Rotor mit bereits eingefügten Kurzschlussstäben, Fig . 1c den Rotor mit bearbeiteten Läuferstäben, sodass sie einen bündigen Abschluss mit dem konisch verlaufenden äußeren Abschnitt der Rotorstirnseite bilden .

Fig . 1 d zeigt dann den fertigen Rotor mit dem Kurzschlussring, der mit einem additiven Fertigungsverfahren ( 3D -Druck) wie vorzugsweise der Methode des „wire feed electron beam additive manufacturing" auf den Rotorkörper aufgebracht wurde . Alternativ wäre aber auch beispielsweise das „cold spray additive manufacturing" , die Methode des „Wire/powder feed Laser metal deposition" , das „Friction deposition additive manufacturing" , das „Rotary friction welding" oder das „Ultrasonic additive manufacturing" für den Aufbringungsvorgang anwendbar .

Durch die genannten Verfahren wird eine stabile Bindung zwischen dem Kurzschlussring, der beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder geeigneten Legierungen bestehen kann, und dem Rotorkörper z . B . aus Stahl erzielt . Durch diese stabile Bindung wird die Widerstandskraft des Kurzschlussring gegenüber Fliehkräften deutlich erhöht und der Einsatz des Rotors für höhere Drehzahlen bei nur geringem Material- und Fertigungsaufwand ermöglicht .

Die genannte additive Methoden sind mit weiteren Fertigungsverfahren kombinierbar, wie beispielsweise „Galvanisierung" , „Tampongalvanisierung" , „Elektronstrahlschweißen" , „Läser- strahlaschweißen" , „Lötprozesse" oder „Sprengplatierung" , um eine dauerhaftige Verbindung zwischen verschiedenen Werkstoffe herzustellen .

Fig . 2 zeigt die unterschiedlichen Phasen der Herstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Rotors wobei wie in Fig . 2a dargestellt in einem ersten Schritt auf die Stirnseite des Rotors mit einem additiven Fertigungsverfahren, oder auch mittels galvanischer Beschichtung, oder Sprengplatierung eine dünne Kupferschicht oder eine gewünschte Materialkombination aufgebracht wird, danach die Bohrungen für die Läuferstäbe Fig . 2b, die Einfügung der Läuferstäbe Fig . 2c, der bündige Abschluss 2d und die Aufbringung des Kurschlussrings 7 Fig . 2e erfolgt .

Fig . 3 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel , bei dem die Läuferstäbe 2 stabförmig ausgeführt und in Nuten 5 des Rotors 1 eingefügt sind . Auch bei diesem Aus führungsbeispiel wird in einem ersten Schritt eine dünne Kupferschicht oder eine ge- wünschte Materialkombination auf die Stirnseite des Rotors 1 aufgebracht Fig . 3a, dies allerdings nur dann, wenn das additive Fertigungsverfahren für einen direkten Aufbringungsvorgang auf die Welle/Läuf erstab nicht geeignet ist , danach werden die Nuten 5 zur Aufnahme der Läuferstäbe 2 gefräst Fig . 3b, die Läuferstäbe 2 eingefügt Fig . 3c und bündig gekürzt Fig . 3d und der eigentliche Kurzschlussring 7 aufgebracht .

Fig . 4 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel , bei dem im Unterschied zu den vorangehenden Beispielen der Kurzschlussring 7 nicht direkt auf die Stirnseite des Rotors aufgebracht wird, sondern etwas von der Stirnseite beabstandet in einer umlaufenden Nut 6 des Rotors eingefügt ist . Die Vorgehensweise bei der Herstellung des Rotors 1 entspricht j edoch weitgehend der Vorgehensweise bei den anderen Beispielen .

Fig . 5 , 6 und 7 zeigen j eweils Aus führungsbeispiele mit einem Läuferkörper 1 , der als Lamellenpaket aus einer Viel zahl von axial nebeneinander gestapelten Blechlamellen 9 aufgebaut ist . An den Stirnseiten wird das Lamellenpaket von Stahlringen 8 abgeschlossen, auf welche die Kurzschlussringe 7 aufgebracht werden . Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung in gleicher Weise auch bei einem massiven Läuferkörper aus Stahl angewendet werden kann .

Beim Aus führungsbeispiel nach Fig . 5 weisen die Stahlringe 8 einen beispielsweise konisch verlaufenden Abschnitt der Stirnfläche auf , die Kurzschlussringe sind dermaßen gestaltet , dass sie zusammen mit dem Läufergrundkörper einen Zylinder mit einer einheitlich normal zur Drehachse verlaufenden Stirnseite bilden .

Bei den Aus führungsbeispielen nach Fig . 6 und 7 weisen die Stahlringe 8 einen geringeren Umfang als der Läuferkörper auf , die Kurzschlussringe 7 werden auf dem Umfang der Stahlringe 8 in der Art und Weise aufgebracht , dass nach dem Auf- bringen mit dem Läufergrundkörper ein Zylinder mit einer einheitlichen Mantel fläche gebildet wird .

Bezugs zeichenliste

Läuferkörper 1

Läuferstäbe 2

Bohrungen 3

Stirnseite des Läuferkörpers 4

Nuten 5

Umlaufende Nut 6

Kurzschlussring 7

Stahlring 8

Blechlamellen 9

Rotorschaft 10