Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussläufer für eine elektrische Asynchronmaschine. Dabei ist die Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer sowohl als Motor als auch als Generator einsetzbar.

Aus dem Stand der Technik sind Asynchronmaschinen bekannt. Wesentliche E- lemente derartiger Asynchronmaschine sind ein Stator mit Wicklungen und ein Kurzschlussläufer, dabei kann der Kurzschlussläufer sowohl innerhalb als auch außerhalb des Stators angeordnet sein. Beim Betrieb als Motor werden durch die elektrische Ansteuerung des Stators mit den Wicklungen und den entsprechend erzeugten magnetischen Feldern im Kurzschlussläufer elektrische und magnetische Ströme erzeugt, die die Antriebsrotation des Kurzschlussläufers bewirken. Der Kurzschlussläufer besteht üblicherweise aus einem Läufergrundkörper und dem Kurzschlusskäfig.

Der Grundkörper des Kurzschlussläufers kann aus magnetisch leitenden Materialien und weichmagnetisch leitenden Materialen, wie z.B. aus Blechpaketen, basierend auf einzelnen Blechen, aber auch aus einem Stück aufgebaut sein. Der Grundkörper kann auch aus Verbundmaterial gegebenenfalls mit einem mit Me- tallpulver oder mit Metallspänen angereicherten Kunststoff oder Harz oder einem weichmagnetisch leitenden Sintermaterial aufgebaut sein. Bei Verbundmaterialien wird üblicherweise bereits im Urformverfahren des Läufergrundkörpers ein Kurzschlusskäfig in der Form umgössen. Der Metallkäfig kann dabei ein tiefgezogenes Kupfer- oder Aluminiumteil sein, das in die Spritzform gelegt wird. Der Kurzschlusskäfϊg umfasst Kurzschlussläuferleiter und Kurzschlussringe, wobei die Kurzschlussringe die Enden der Kurzschlussläuferleiter kurzschließen. Die Kurzschlussläuferleiter sind beispielsweise in Nuten verlegte metallische Läuferstäbe, wobei die Nuten vorzugsweise in axialer Richtung in dem Läufergrundkör- per verlaufen. Die Nuten können offene oder geschlossene Nuten sein. Die Läuferstäbe werden beispielsweise durch Löten oder Schweißen mit einem Kurzschlussring elektrisch und mechanisch verbunden. Kurzschlussläuferleiter und/oder Kurzschlussläuferringe können auch gegossen werden. Dazu wird als Material beispielsweise Aluminium, Kupfer oder ein anderes hoch leitfähiges Ma- terial oder Legierungen verwendet. Gelegentlich werden an den Kurzschlussringen auch Lüfterflügel angegossen.

Die Läuferleitungen werden häufig entweder aus Aluminium und dessen Legierungen oder aus Kupfer und dessen Legierungen gefertigt.

Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen weisen zwar eine hohe elektrische Leitfähigkeit und aus fertigungstechnischer Sicht positive Eigenschaften, wie eine tiefe Schmelztemperatur, auf. Allerdings führen insbesondere Schwierigkeiten bei der Wärmeabfuhr zu einer eingeschränkten Nutzung der Leistungsfähigkeit der Asynchronmaschine.

Die Verwendung von Kupfer oder Kupfer legierungen bietet gegenüber Aluminium eine höhere elektrische Leitfähigkeit und eine deutliche Reduzierung der Läuferwärme und der damit verbundenen Probleme. Die Asynchronmaschine mit einem Kupferdruckgussläufer weist daher einen deutlich höheren Wirkungsgrad gegenüber einer Asynchronmaschine mit Aluminiumkäfig auf. Kupfer ist allerdings teuer und die hohe Schmelztemperatur führt zu einer hohen Beanspruchung von Werkzeugen und Maschinen beim Gießen. Die hohe Dichte von Kupfer führt außerdem zu deutlich schwereren Läufern, die in der Montage schwer handhabbar sind. Bei der Herstellung von Kurzschlussläufern führen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der Materialien des Grundkörpers und der eingebrachten Kurzschlussläuferleitungen zu in Kurzschlusskäfigen enthaltenen Wärmespannungen, insbesondere im Bereich des Übergangs der Kurzschlussläuferlei- tungen in den Nuten zum Kurzschlussring.

Schließlich ist das Einbringen der Kurzschlussläuferleitungen in die Nuten des Grundkörpers ein aufwendiges und materialintensives Verfahren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die oben genannten Nachteile bei Kurzschlussläufern von Asynchronmaschinen zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch einen Kurzschlussläufer gemäß der Erfindung wie in Anspruch 1 definiert, gelöst. Gemäß diesem sind die Nuten mit elektrisch leiten- den Materialen, wie Kupfer-, Kupferlegierungen oder ähnlichen geeigneten Metallen oder Legierungen beschichtet. Dieses eingetragene Material ersetzt die Funktion der üblicherweise in den Nuten gelegenen Kurzschlussläuferleitern des Kurzschlusskäfigs und erlaubt eine wesentliche Einsparung an Material gegenüber dem Stand der Technik.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Nut des Kurzschlussläufers einen Drall auf. Eine Asynchronmaschine mit einem auf diese Weise ausgestalteten Kurzschlussläufer kann beispielsweise als Pumpe verwendet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Beschichtung der Nut des Läufergrundkörpers eine Galvanik- oder einer Pulverbeschichtungsschicht. Mithilfe dieser Beschichtungsverfahren kann ein Kurzschlussläufer auf einfachere Art als im Stand der Technik bekannt hergestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Kurzschlussläufer in voneinander elektrisch isolierte Teilläufer unterteilt und an den Stirnflächen der Teil- - A -

läufer sind Kurzschlussringe angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich der gesamte Drall der Nuten des Kurzschlussläufers gegenüber einem nicht unterteilten Kurzschlussläufer vergrößern.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht der Läufergrundkörper des Kurzschlussläufer aus einem Blechpaket und die einzelnen Bleche des Blechpakets weisen eine Beschichtung aus elektrisch leitendem Material auf, die damit als Teilläufer ausgebildet sind. Ein auf diese Weise hergestellter Kurzschlussläufer kann einen besonders hohen Drall aufweisen.

Die folgenden Figuren beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen in denen sich gleiche Bezugszeichen auf ähnliche Teile beziehen. Darin zeigen

Fig. Ia bis Id Schnittansichten in Längs- und Querrichtung einer Asynchronma- schine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2a und 2b ein Läuferblech mit verengten Nuten und eine Vergrößerung davon gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 3 eine Ansicht eines Kurzschlussläufers dessen Nuten mit Drall versehen sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Wesentliche Elemente einer Asynchronmaschine gemäß einer bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform sind, wie in Figur Ia bis Id dargestellt, ein Stator 2 mit Wicklungen und ein Kurzschlussläufer 3, der innerhalb des Stators angeordnet ist. Der Kurzschlussläufer besteht üblicherweise aus einem Läufergrundkörper und dem Kurzschlusskäfϊg. An den Stirnseiten des Gehäuses 10, das die Asynchronmaschine umschließt, wird die Welle 4 über ihr Lager 8 mit Querstangen 12 mit dem Gehäuse 10 verbunden. In der bevorzugten und vorteilhaften Ausfuhrungsform gemäß Fig. Ia bis Id besteht der Läufer aus einem Blechpaket, das einzelne Läuferbleche 5 umfasst. Diese Läuferbleche 5 werden auf der Welle 4 der Asynchronmaschine 1 befestigt. Die Läuferbleche weisen Nuten 11 auf. Die innere Oberfläche der Nuten 11 ist voll- ständig oder teilweise mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet, das den Kurzschlussläuferleiter 13 bildet. In bevorzugten Ausführungsformen handelt es sich bei diesem Material um Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen oder andere Legierungen. Die Beschichtung der Nuten mit dem elektrisch leitenden Material kann in bevorzugten Verfahren durch Galvanisierverfah- ren, Pulverbeschichtungsverfahren oder ähnlichen geeigneten Verfahren erfolgen. In einer besonderen Ausführungsform kann das aufgeschichtete elektrisch leitende Material aus einem vorgefertigten, z.B. tiefgezogenem, Blech aus elektrisch leitendem Material bestehen.

Die Nuten 11 gemäß der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. Ia bis Id öffnen sich zum Außenmantel des Kurzschlussläufers hin. Diese sogenannten offenen Nuten können für die Galvanisierung oder andere für diesen Zweck geeignete Beschichtungsverfahren erforderlich sein, insbesondere wenn die Läuferbleche 5 nicht einzeln beschichtet werden.

In der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 2 schließen sich die Nuten 11 des Läuferblechs 5 zum Außenmantel des Kurzschlussläufers hin. Diese Nuten 11 verengen sich und können in einer besonderen Ausführungsform sogar ganz geschlossen sein.

Um diese Nuten 11 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Fig. 2 zu beschichten kann es erforderlich sein, die Beschichtung für einzelne Läuferbleche 5 des Kurzschlussläufers durchzuführen. Die einzeln beschichteten Läuferbleche 5 werden dann nach der Beschichtung zu einem Kurzschlussläufer zusammenge- fügt. Bei Verwendung von einzeln beschichteten Läuferblechen kann in einer vorteilhaften Ausführungsform - der Dicke der Beschichtung entsprechend - eine geringere Anzahl von Läufer- als Statorblechen verwendet werden. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform hingegen werden bei Verwendung von einzeln beschichteten Läuferblechen die Statorbleche untereinander in der Weise beabstandet, wie etwa durch das Einfügen von Isolierschieben, dass der Abstand zwischen Läufer- und Statorblechen in etwa gleich ist und die gleiche Anzahl von Läufer- wie Statorblechen verwendet wird.

Das aufgeschichtete Material übernimmt die Funktion der im Stand der Technik bekannten massiven Kurzschlussläuferstäbe oder massiven gegossenen Kurz- schlussläuferleitungen. Aufgrund des Skin-Effektes ist dabei die von den induzierten elektrischen Strömen effektiv durchflossene Fläche vergleichbar mit der effektiv durchflossenen Fläche von massiven Kurzschlussleitungen bzw. Kurzschlussstäben oder sogar größer. Somit entstehen im Betrieb ähnliche oder sogar kleinere Wärmeverluste durch den elektrischen Widerstand des Kurzschlusskäfigs, als bei bekannten Kurzschlusskäfigen.

An den Stirnseiten des Läufers können in einer vorteilhaften Ausführungsform Endbleche aus Kupfer legierung (z.B. Messing) den Kurzschlussring bilden und dem Blechpaket Stabilität verleihen, um eine Auffederung der Nutstege zu ver- hindern.

In vorteilhaften Ausführungsformen kann das aufgeschichtete Material nicht nur in den Nuten aufgebracht sein sondern auch auf Teilen des Läufergrundkörpers oder dem ganzen Läufergrundkörper. Insbesondere können in diesen Ausfüh- rungsformen die Kurzschlussringe durch geeignetes Beschichten der Stirnseiten des Kurzschlussläufers gebildet werden, dabei kann die Beschichtung der Stirnflächen aus einem hochfesten elektrisch leitenden Material bestehen.

Nachdem die Nuten größtenteils frei, d.h. nicht ausgefüllt bleiben, können sie zur verbesserten Kühlung der Maschine beitragen. Beispielsweise entstehen in den

Nuten und insbesondere in zur Mantelfläche hin offenen Nuten zwangsweise Luftverwirbelungen, die zur Kühlung beitragen. Auch kann Flüssigkeit in die Nuten gefüllt werden oder die Nuten können von Flüssigkeit durchflössen werden um die Kühlung zu steigern. Die Kühlung kann auch durch weiteres mechanisches Einbringen von Luft oder Flüssigkeit vergrößert werden.

In der bevorzugten Ausführungsform gemäß der Fig. Ia bis Id umfasst die Asynchronmaschine einen nichtmagnetischen Abdichtzylinder 14. Der Abdichtzylinder 14 kann den Stator gegenüber in den Nuten befindlichen Stoffen, insbesondere Flüssigkeiten, abdichten, um elektrischen Kurzschluss, Korrosion, Beschädigun- gen und Wirbelverluste zu vermeiden. In vorteilhaften Ausführungsformen kann dieser beispielsweise aus Nickellegierungen oder Kunststoff bestehen und auf dem Statorinnendurchmesser angebracht sein oder idealerweise durch das Ausspritzen des Statorinneren mit Kunststoff realisiert sein. In vorteilhaften Ausführungsformen ist der Abdichtzylinder mit einem Dichtring zum Gehäuse oder Sta- tor hin abgedichtet. In anderen vorteilhaften Ausführungsformen umfasst die A- synchronmaschine keinen Abdichtzylinder, insbesondere, wenn der Kurzschlussläufer nicht von schädigenden Substanzen umgeben ist.

In der vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig. 3 weisen die Nuten des Kurz- schlussläufers einen Drall auf, d.h. der Winkel ihrer radialen Position auf dem Läufer verändert sich kontinuierlich und die Nuten drehen sich somit ein, gegebenenfalls kleines, Stück um den Läufer.

Der Drall muss vorzugsweise im zulässigen Rahmen gehalten werden. Dabei ist der Weg, um den sich die Nuten eines einteiligen Kurzschlussläufers infolge des

Dralls maximal verdrehen können, begrenzt auf die ungefähre Nutenbreite, da ansonsten eine korrekte Funktion des Kurzschlussläufers nicht mehr gewährleistet ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Drall dadurch gesteigert, dass der Kurzschlussläufer in auf einer gemeinsamen Achse befestigte Teilkurzschluss- läufer unterteilt wird, die elektrisch voneinander isoliert sind und je einen Kurz- schlusskäfig aufweisen, d.h. in sich kurzgeschlossen sind. Diese einzelnen Teil- kurzschlussläufer können dann einen Drall von ungefähr der Nutbreite aufweisen. Ein auf diese Weise ausgestalteter Kurzschlussläufer kann einen gesamten Drall aufweisen, der größer ist als die ungefähre Nutenbreite. Um einen besonders großen Drall zu erreichen können sogar einzelne Läuferbleche eines aus einem Blechpaket bestehenden Kurzschlussläufers als Teilkurzschlussläufer ausgebildet sein.

Die Beschichtung kann in vorteilhaften Ausfuhrungsformen auf die Teilkurzschlussläufer oder einzelne Läuferbleche erfolgen und auch unter Aussparung der Nutstirnen vorgenommen werden.

Die Isolierung zwischen den Teilkurzschlussläufern kann in vorteilhaften Ausfuhrungsformen durch das Aufbringen von Lack gewährleistet werden. Weiter können in vorteilhaften Ausführungsformen genauso wie für einteilige Kurzschluss- läufer an den Stirnseiten von Teilläufern Druckscheiben aus einer Kupferlegierung, zum Beispiel Messing, oder einer Aluminiumlegierung angeordnet sein, die auch die Kurzschlussringe bilden können. Ebenso wie bei Kurzschlussläufern aus einem Stück können auch bei Teilkurzschlussläufern und einzeln beschichteten Läuferblechen in vorteilhaften Ausführungsformen die Kurzschlussringe durch geeignetes Beschichten der jeweiligen Stirnflächen gebildet werden, dabei kann die Beschichtung der Stirnflächen aus hochfestem elektrisch leitendem Material bestehen.

Aufgrund des Dralls der Nuten kann die Asynchronmaschine als Pumpe einge- setzt werden. Dabei fliest das zu befördernde Gut, insbesondere die zu befördernde Flüssigkeit oder das zu fördernde Gas, durch die Freiräume der Nuten. Dies ist im Gegensatz zu Kurzschlussläufern des Standes der Technik möglich, da die Nuten nicht durch gegossene Kurzschlussläuferleiter oder entsprechende Kurzschlussstäbe ausgefüllt sind. Durch die Drehbewegung des Läufers und seiner Nuten kann die Asynchronmaschine wie eine Schnecke und als Axialpumpe wirken. Das Fördern von Flüssigkeit durch die Nuten kann zur Kühlung der Asyn- chronmaschine beitragen. Eine besonders gute Pumpenwirkung wird dabei mit offenen Nuten, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt sind, erzeugt, da in diesem Fall der Druckaufbau in der Pumpe durch Reibungskräfte des zu fördernden Gutes mit feststehenden Statorteilen unterstützt wird. In vorteilhaften Ausfüh- rungsformen ist der Stator der Asynchronmaschine, wie in Fig. Ia bis Id gezeigt, mit einem Abdichtzylinder 14 versehen, der ihn gegen das zu befördernde Gut abdichtet. Weiter ist in bevorzugten Ausführungsformen der Kurzschlussläufer gegenüber dem zu fördernden Gut korrosionsresistent.

Das zu fördernde Gut tritt in der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. Ia bis Id auf einer Seite der Asynchronmaschine über die Einlassöffnungen 7 in das Gehäuse 10 an den Querstangen 12 vorbei in die Einlasskammer 6 ein. Der Kurzschlussläufer 3 kann an den Stirnseiten des Läufergrundkörpers stromlinienförmig ausgebildete Ansatzstücke 9 aufweisen, die in axialer Richtung angeordnet sind und eine bessere Strömung des zu fördernden Gutes ermöglichen. Die Kurzschlussläuferwelle 4 ist an beiden Seiten gelagert und vom beförderten Medium abhängig zu wählen, z. B. passende Gleitlager bei Flüssigkeiten. Die Lagerhalte- rung ist so ausgebildet, dass sie dem befördertem Medium einen geringen Widerstand verursacht. In dem Fall weist die so ausgelegte Pumpe einen deutlich höhe- ren Wirkungsgrad als traditionelle Axialpumpen aus, da Reibungsverluste minimiert werden.

In einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers wird beispielsweise zunächst ein Läufergrundkörper, wie ein Blechpaket, auf übliche Weise hergestellt. Dessen Nuten werden dann in einem Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise durch Galvanisieren oder Pulverbeschichtung, mit einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, versehen. Beim Beschichten durch Galvanisieren können auch badfreie Galvanisierungsverfahren angewandt werden. Bei Läufergrundkörpern aus Einzelblechen können die Einzelbleche ge- geneinander und damit auch die Nuten der einzelnen Bleche durch eine dünne Schicht isoliert sein. In diesem Fall kann es erforderlich sein vor der Galvanisie- rung die Nuten untereinander elektrisch zu verbinden. Nach dem Beschichten kann der Kurzschlussläufer auf bekannte Weise fertig gestellt werden. Es ist möglich den Herstellungsschritt des Beschichtens in Einzel- oder Serienfertigung auszuführen.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer Asynchronmaschine kann beispielsweise das Herstellen eines Stators mit bekannten Verfahren umfassen und das Herstellen des Kurzschlussläufers nach dem eben beschriebenen bevorzugten Verfahren. Der Zusammenbau und die Montage beider Elemente sowie die Fer- tigstellung der Asynchronmaschine kann beispielsweise nach allgemein verwendeten Arbeitsabläufen durchgeführt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird gegebenenfalls ein Abdichtzylinder eingegossen oder eingefügt.

Die Merkmale der dargestellten Ausführungsformen können in weiteren Ausfüh- rungsformen gemäß der Erfindung untereinander kombiniert sein.