Beschreibung

Titel

Kurzschlussrinq sowie Rotor für eine elektrische Maschine Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kurzschlussring für einen Rotor sowie einen Rotor für eine elektrische Maschine. Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden beispielsweise

Asynchronmaschinen verwendet. Diese besitzen einen Rotor, welcher als Kurzschlussläufer ausgebildet ist. Hierbei wird üblicherweise ein Rotorblechpaket verwendet, welches über Stäbe verbunden ist. An den Stirnflächen sind dabei Kurzschlussringe vorgesehen, die als ein sogenannter Käfig ausgebildet sind. Hierbei gibt es zwei Möglichkeiten der Herstellung der Kurzschlussringe. Zum einen kann der Kurzschlussring durch Gießen hergestellt werden. Alternativ kann auch ein Zusammenstecken von Stäben und Kurzschlussringen auf das

Rotorpaket mit anschließendem elektrischem Verbinden mittels Löten oder Schweißen oder dergleichen erfolgen. Hierbei werden die Ausnehmungen für die Stäbe mittels spanabhebenden Verfahren, z.B. Fräsen aus dem Vollen, hergestellt. Diese Herstellungsvarianten der Kurzschlussringe sind dabei sehr aufwändig und teuer und insbesondere auch nur mit kleinen Toleranzen behaftet, so dass bei der Herstellung hohe Kosten anfallen. Beispiele für die Herstellung von Kurzschlussringen sind in der US 2013/0069476 A1 oder der US

2007/0284953 A1 beschrieben.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kurzschlussring für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass der Kurzschlussring aus einem einstückigen Bandmaterial, z.B. einem Blech, herstellbar ist. Dadurch kann der erfindungsgemäße Kurzschlussring sehr einfach und kostengünstig gefertigt und montiert werden. Insbesondere sind aufwändige Nacharbeiten wie bei gegossenen Kurzschlussringen nicht notwendig. Der erfindungsgemäße Kurzschlussring kann mittels eines Biegeverfahrens schnell und in großer Stückzahl hergestellt werden. Der erfindungsgemäße Kurzschlussring weist einen einstückigen, mäanderförmigen Ringkörper aus dem Bandmaterial auf, wobei das Bandmaterial in der Ausgangsform eine Rechteckform aufweist, so dass in der Fertigung praktisch kein Abfall anfällt. Das rechteckige Bandmaterial wird dann in die gewünschte mäanderförmige Form des Ringkörpers mit einer Vielzahl von Mändern (Schleifen) umgeformt. Der einstückige Ringkörper ist dabei bevorzugt in Umfangsrichtung mäandrierend gebildet. Somit offenbart die vorliegende Erfindung eine vollständig neue Art zur Herstellung eines

Kurzschlussrings aus einem einstückigen Bandmaterial, welcher einfach und kostengünstig mittels Umformen des Bandmaterials herstellbar ist. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorzugsweise weist der Ringkörper eine Vielzahl von Doppelwandbereichen mit einer ersten und einer zweiten Wand auf. Die Umformung des Bandmaterials erfolgt dabei derart, dass Doppelwandbereiche am mäanderförmigen Ringkörper vorhanden sind. Hierdurch kann insbesondere die Wahl von Toleranzen größer erfolgen, so dass die Herstellung des mäanderförmigen Ringkörpers weiter verbilligt werden kann.

Bevorzugt umfasst der mäanderförmige Ringkörper eine Vielzahl von in

Radialrichtung des Ringkörpers gerichteten Mäander. Dadurch kann der mäanderförmige Ringkörper besonders einfach aus dem Bandmaterial hergestellt werden. Die Mäander sind bevorzugt abwechselnd am inneren und äußeren Umfang des Ringkörpers angeordnet. Weiter bevorzugt verlaufen die Doppelwandbereiche des Ringkörpers in

Radialrichtung des Ringkörpers. Dabei sind bevorzugt alle in Radialrichtung gerichteten Bereiche des Ringkörpers als Doppelwandbereiche ausgebildet. Hierdurch kann ein mäanderförmiger Ringkörper mit besonders großem

Toleranzausgleich bereitgestellt werden.

Besonders bevorzugt sind die erste und zweite Wand der Doppelwandbereiche in radial nach außen gerichteter Richtung des Ringkörpers mittels eines bogenförmigen äußeren Verbindungsbereichs miteinander verbunden, welcher Mäander bildet. Hierdurch kann ein sehr kompakter Kurzschlussring bereitgestellt werden. Bevorzugt ist zwischen der ersten und zweiten Wand des Doppelwandbereichs ein Spalt vorhanden, welcher in radial nach innen gerichteter Richtung des Ringkörpers offen ist. Vorzugsweise wird dieser Spalt nach einer Montage auf eine Rotorstirnseite anschließend mit einem Lot oder anderen leitfähigen Material gefüllt.

Weiter bevorzugt umfasst der Kurzschlussring ferner bogenförmige, innere Verbindungsbereiche, welche benachbarte Doppelwandbereiche miteinander verbinden. Die inneren Verbindungsbereiche weisen bevorzugt einen kleinen Radius auf, der an den Radius von Kurzschlussstäben angepasst ist.

Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der mäanderförmige Ringkörper eine Vielzahl von in Axialrichtung des Ringkörpers gerichteten Mäandern. Dabei sind bogenförmige Verbindungsbereiche im

Vergleich zum mäanderförmigen Ringkörper mit in Radialrichtung verlaufenden Mäandern um 90° gedreht angeordnet. Weiterhin bevorzugt verlaufen

Doppelwandbereiche des Ringkörpers dabei in Axialrichtung.

Weiter bevorzugt umfasst der Kurzschlussring wenigstens eine

Luftzirkulationsschaufel, vorzugsweise eine Vielzahl von

Luftzirkulationsschaufeln, welche vom Ringkörper vorstehen. Die

Luftzirkulationsschaufeln stehen dabei bevorzugt in Axialrichtung des

Ringkörpers vor und verbessern eine Kühlung des Kurzschlussrings.

Die Luftzirkulationsschaufeln sind vorzugsweise an wenigstens einer der Wände der Doppelwandbereiche angeordnet. Dadurch können schon z.B. während des

Stanzvorgangs des Bandmaterials die Luftzirkulationsschaufeln am Bandmaterial vorgesehen werden. Während des Umformvorgangs des Bandmaterials zum mäanderförmigen Ringkörper werden die Luftzirkulationsschaufeln dann automatisch an die entsprechende, vorher ausgewählte Position, am

Kurzschlussring angeordnet. Für eine besonders einfache Montage, insbesondere an einer Stirnseite des Kurzschlussrings, weist der Ringkörper an Kantenbereichen eine Fase auf. Die Fase kann auch im Fertigungsprozess (Biegen) angeprägt werden.

Weiter bevorzugt ist der mäanderförmige Ringkörper derart gebildet, dass zwischen benachbarten Doppelwandbereichen Aufnahmeabschnitte zur

Aufnahme von Stabenden von Kurzschlussstäben eines Rotors vorhanden sind. Besonders bevorzugt sind die Aufnahmeabschnitte zwischen den

Doppelwandbereichen dabei sich verjüngend ausgebildet, insbesondere sich konisch verjüngend.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Rotor für eine elektrische Maschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Kurzschlussring.

Der erfindungsgemäße Rotor umfasst ferner bevorzugt Kurzschlussstäbe, welche in Aufnahmeschnitte des Kurzschlussringes vorstehen. Besonders bevorzugt sind die Kurzschlussstäbe dabei derart ausgebildet, dass wenigstens einer der Kurzschlussstäbe über den Kurzschlussring vorsteht, um im Betrieb eine Luftzirkulation zu bewirken. Dadurch übernimmt ein Kurzschlussstab, oder mehrere Kurzschlussstäbe, die Luftzirkulation und somit eine verbesserte Kühlung des Rotors.

Die Kurzschlussstäbe des Rotors weisen weiter bevorzugt einen sich

verjüngenden Querschnitt auf. Besonders bevorzugt weisen die

Kurzschlussstäbe im Querschnitt eine Tropfenform auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zwischen den Kurzschlussstäben des Rotors und dem Kurzschlussring eine formschlüssige Verbindung oder eine kraftschlüssige Verbindung vorgesehen. Alternativ ist zwischen den Kurzschlussstäben und dem Kurzschlussring eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung vorgesehen. Lötmaterial oder Schweißmaterial wird dabei bevorzugt bei Doppelwandbereichen am

Kurzschlussring auch derart vorgesehen, dass dieses in den Spalt zwischen den Doppelwandbereichen gelangen kann.

Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine mit einem

erfindungsgemäßen Kurzschlussring bzw. einem erfindungsgemäßen Rotor. Die elektrische Maschine wird dabei besonders bevorzugt in Fahrzeugen, insbesondere als elektrischer Antrieb eines Fahrzeugs, verwendet.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussrings. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines streifenförmigen, einstückigen Bandmaterials und des Umformens, insbesondere Umbiegens des Bandmaterials zu einem mäanderförmigen, einstückigen Ringkörper. Bevorzugt wird das Bandmaterial dabei derart umgeformt, dass der Ringkörper mit einer nicht geschlossenen Stoßkante ausgebildet ist. Weiter bevorzugt werden die Umformschritte derart ausgeführt, dass abwechselnd

Mäander an einem Innenumfang und einem Außenumfang des Ringkörpers ausgebildet werden. Weiter bevorzugt weisen die Mäander am Innenumfang einen unterschiedlichen Radius als die Mäander am Außenumfang auf, bevorzugt einen größeren Radius am Innenumfang.

Als Material für den Kurzschlussring wird vorzugsweise Aluminium oder Kupfer oder ein Kupfer enthaltendes Material, z.B. eine Kupfer-Beryllium-Legierung, verwendet. Zeichnung

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind dabei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Rotors

gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 2 eine schematische Darstellung eines Montageschritts des

Rotors von Figur 1 ,

Figur 3 eine schematische Darstellung des Kurzschlussrings von Figur

1 ,

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Kurzschlussrings gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 5 eine schematische Teilansicht eines Kurzschlussrings gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figuren 6 und 7 schematische Darstellungen eines Kurzschlussrings und eines

Rotors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der

Erfindung,

Figur 8 eine schematische Darstellung eines Rotors und

Kurzschlussrings gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der

Erfindung, und

Figur 9 eine schematische Darstellung eines Kurzschlussrings und

Rotors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 ein Kurzschlussring 1 für einen Rotor 2 einer elektrischen Maschine im Detail beschrieben.

Der Rotor 2 umfasst ein Blechpaket aus einer Vielzahl von Blechen 3, welche mittels einer Vielzahl von Kurschlussstäben 4 in Axialrichtung X-X miteinander verbunden sind. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, weisen die Kurzschlussstäbe 4 eine sich verjüngende, tropfenförmige Querschnittsform auf. Die

Kurzschlussstäbe 4 stehen dabei etwas vom letzten Blech 3 des Rotors vor.

Die Figuren 2 und 3 zeigen im Detail den erfindungsgemäßen Kurzschlussring 1 . Der Kurzschlussring 1 ist einstückig aus einem Bandmaterial gefertigt. Der Kurzschlussring 1 umfasst einen mäanderförmigen Ringkörper 7. Das

Bandmaterial ist dabei in Umfangsrichtung mäandrierend umgebogen, so dass eine Vielzahl von hin- und hergehenden Mäandern gebildet ist.

Der Ringkörper 7 des Kurzschlussrings 1 umfasst dabei Doppelwandbereiche 10 mit einer ersten Wand 1 1 und einer zweiten Wand 12. Die beiden Wände 1 1 und

12 eines Doppelwandbereichs sind dabei jeweils mittels eines bogenförmigen, äußeren Verbindungsbereichs 13 mit kleinem Radius verbunden. Zueinander benachbarte Doppelwandbereiche sind mittels eines bogenförmigen inneren Verbindungsbereichs 14 verbunden, welcher einen Mäander bildet. Die Mäander sind in Radialrichtung R gerichtet. Die Mäander sind dabei abwechselnd am inneren und äußeren Umfang des Ringkörpers vorgesehen. Bevorzugt sind alle Mäander mit großem Radius am inneren Umfang des Ringkörpers vorgesehen und alle Mäander mit kleinem Radius am äußeren Umfang des Ringkörpers vorgesehen.

Wie aus Figur 2 und 3 ersichtlich ist, verlaufen alle Doppelwandbereiche 10 in einer Radialrichtung R des Kurzschlussrings 1 . Der mäandrierende

Kurzschlussring 1 ist dabei derart gebildet, dass zwischen den

Doppelwandbereichen 10 jeweils Aufnahmeabschnitte 5 zur Aufnahme der Endbereiche der Kurzschlussstäbe 4 vorgesehen sind.

Die Aufnahmeabschnitte 5 sind dabei sich konisch verjüngend ausgebildet, entsprechend dem konisch sich verjüngenden Querschnitt der Kurzschlussstäbe 4.

Im Unterschied zu den bisher im Stand der Technik aus einem Vollmaterial hergestellten Kurzschlussringen weist der erfindungsgemäße Kurzschlussring den Vorteil auf, dass er aus einem einstückigen Bandmaterial ausschließlich mittels Umbiegen herstellbar ist. Durch die mäandrierende Form des

Kurzschlussrings kann ferner verhindert werden, dass dieser sich beispielweise aufgrund von hohen Fliehkräften vom Rotor löst.

Figur 2 zeigt den Montagevorgang des erfindungsgemäßen Kurzschlussrings 1 auf den Rotor 2. Dieser muss, wie durch den Pfeil A angedeutet, lediglich in Axialrichtung X-X des Rotors über die Endbereiche der Kurzschlussstäbe 4 aufgebracht werden. Da die Aufnahmeabschnitte 5 und die Querschnitte der Kurzschlussstäbe 4 eine gleiche geometrische Form aufweisen, kann dies einfach erfolgen, so dass eine formschlüssige Verbindung vorhanden ist (vergleiche Figur 1 ).

Der Kurzschlussring wird dabei aus einem rechteckigen Bandmaterialstreifen gebogen, wobei ein Anfang 18 des Bandmaterials und ein Ende 19 des

Bandmaterials in einer Wand der Doppelwandbereiche 10 einen Stoß 17 bilden. Falls der Formschluss zwischen dem Kurzschlussring 1 und den Endbereichen der Kurzschlussstäbe 4 nicht als ausreichende Fixierung angesehen wird, kann zusätzlich der Kurzschlussring 1 noch mittels Löten oder Schweißen,

insbesondere Laserschweißen, an den Kurzschlussstäben 4 befestigt werden. Besonders bevorzugt wird dabei auch Lötmaterial oder Schweißmaterial in einem

Spalt 15, welcher zwischen den Wänden 1 1 , 12 der Doppelwandbereiche 10 jeweils vorhanden ist, eingefügt. Hierdurch wird eine besonders sichere Fixierung des Kurzschlussrings am Rotor 2 bei gleichzeitiger elektrischer Kontaktierung erreicht.

Da der Kurzschlussring 1 ein einstückiges Bauteil ist, können sich keine Teile lösen. Dadurch bildet der erfindungsgemäße einstückige Kurzschlussring eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber dem aus dem Stand der Technik schon vorgeschlagenen Kurzschlussring aus einer Vielzahl von Einzelteilen. Weiterhin wird durch die Geometrie des mäanderförmigen Ringkörpers des

Kurzschlussrings 1 und den Querschnitt der Kurzschlussstäbe 4 der

Kurzschlussring 1 auch selbstverstärkend gehalten.

Der Spalt 15 ist in radial nach innen gerichteter Richtung offen. Der

mäanderförmige Ringkörper 7 wird durch eine Vielzahl von Mäandern, welche in

Radialrichtung des Ringkörpers entlang der Umfangsrichtung hin- und hergehend gebogen wurden, bereitgestellt.

Da der erfindungsgemäße Kurzschlussring aus einem einfachen, einstückigen Bandmaterial herstellbar ist, können auch für verschiedene Hersteller von elektrischen Maschinen unterschiedliche Kurzschlussringe unterschiedlicher Breiten (Abmessung der Kurzschlussringe in Axialrichtung X-X des Rotors) bereitgestellt werden. Figur 4 zeigt einen Kurzschlussring 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist der Kurzschlussring des zweiten Ausführungsbeispiels keinen Stoß 1 7 auf. Ein Anfang 18 und ein Ende 19 des Bandmaterials sind dabei jeweils an einem Doppelwandbereich 1 0 vorgesehen, wobei der Anfang 18 und das Ende 19 des Bandmaterials jeweils einen in radial nach innen gerichteter Richtung bildenden

Abschluss bilden. Ansonsten entspricht der Kurzschlussring 1 des zweiten Ausführungsbeispiels dem des ersten Ausführungsbeispiels, so dass auf diese Beschreibung verwiesen werden kann.

Figur 5 zeigt einen Teil eines Kurzschlussrings 1 gemäß einem dritten

Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Kurzschlussring 1 des dritten

Ausführungsbeispiels weist an Kantenbereichen des Bandmaterials zusätzlich, vorzugsweise einseitig, noch eine Fase 6 auf. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist die Fase 6 an den Kanten der Wände 1 1 , 12 der Doppelwandbereiche 10 sowie am inneren Verbindungsbereich 14 ausgebildet. Hierdurch wird insbesondere eine Montage des Kurzschlussrings auf den Endbereichen der Kurzschlussstäbe

4 erleichtert. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den

vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene

Beschreibung verwiesen werden kann. Die Figuren 6 und 7 zeigen einen Kurzschlussring 1 gemäß einem vierten

Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Kurzschlussring 1 des vierten

Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem des ersten

Ausführungsbeispiels, wobei zusätzlich noch Luftzirkulationsschaufeln 16 vorgesehen sind. Die Luftzirkulationsschaufeln 16 sind dabei derart angeordnet, dass diese vom Ringkörper 7 des Kurzschlussrings 1 in axialer Richtung X-X vorstehen. Die Luftzirkulationsschaufeln 16 sind dabei schon im einstückigen Bandmaterial, z.B. durch Stanzen, bereitgestellt und werden durch den

Biegevorgang dann an die entsprechend gewünschte Position im fertiggestellten Kurzschlussring positioniert. In diesem Ausführungsbeispiel sind dabei eine Vielzahl von Luftzirkulationsschaufeln 1 6 vorgesehen. Durch die Verwendung der

Luftzirkulationsschaufeln 1 6 kann insbesondere eine Kühlung der elektrischen Maschine verbessert werden.

Figur 8 zeigt einen Kurzschlussring 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine zusätzliche

Luftzirkulation durch in Axialrichtung X-X verlängerte Endbereiche 40 der Kurzschlussstäbe 4 erreicht. Wie aus Figur 8 ersichtlich ist, stehen die

Kurzschlussstäbe 4 etwas über den Kurzschlussring 1 vor. Dadurch kann bei Rotation eine verstärkte Konvektion und somit eine verbesserte Wärmeabfuhr erreicht werden. Hierbei ist es möglich, dass die Kurzschlussstäbe 4 derart vorgesehen werden, dass benachbarte Kurzschlussstäbe unterschiedliche vorstehende Längen aufweisen. Es sei angemerkt, dass es auch möglich ist, dass die Länge des vorstehenden Bereichs der Endbereiche der

Kurzschlussstäbe 4 über dem Kurzschlussring gleich ist.

Figur 9 zeigt einen Kurzschlussring 1 gemäß einem sechsten

Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist der Kurzschlussring 1 zwar auch in Umfangsrichtung mäandrierend ausgebildet, jedoch sind die Schleifen der Mäander in

Axialrichtung X-X ausgebildet. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel sind wiederum Doppelwandbereiche 10 ausgebildet, welche zwischen benachbarten Kurzschlussstäben 4 angeordnet sind. Die äußeren Verbindungsbereiche 13 bilden dabei den axialen Abschluss des Rotors 2 (vergleiche Figur 9). Die äußeren Verbindungsbereiche 13 haben dabei einen größeren Radius als die inneren Verbindungsbereiche 14. Der Kurzschlussring 1 dieses

Ausführungsbeispiels wird dabei in Axialrichtung X-X auf die Stirnseite des Rotors 2 aufgesteckt und kann zusätzlich gelötet oder verschweißt werden.