AT509890B1 - Kurzschlussrotor - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT509 890 B1 2011-12-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussrotor mit den Merkmalen des einleitenden Teils von Anspruch 1 (JP2000-166197 A).

[0002] Kurzschlussrotoren (Käfigrotoren), wie sie für Asynchronmaschinen verwendet werden, besitzen Kurzschlussringe. Problematisch bei den bekannten Rotoren ist es, dass es schwierig ist, Material einzusparen, wobei dieses Problem auch durch Verwenden von Kurzschlussläufern aus Aluminium, die im Druckgussverfahren hergestellt werden können, nicht gelöst ist.

[0003] Ein Kurzschlussrotor ist aus der DE 102 47 484 A1 bekannt. Bei diesem Rotor für eine umrichtergespeiste Asynchronmaschine sind die als Kupferstäbe ausgebildeten elektrischen Leiter des Rotors in Nuten des geblecht ausgeführten Rotors (Käfigläufers) eingebettet. Zwischen den Kupferstäben und dem Blechpaket des Rotors sind elektrisch isolierende Schichten vorgesehen. Über die Ausgestaltung des Kurzschlussringes des bekannten Kurzschlussrotors gibt die DE 102 47 484 A1 keine Auskunft. Die Querschnittsform der Nuten im Blechpaket, in welchen die Kupferstäbe aufgenommen sind, kann gemäß der DE 102 47 484 A1 rechteckig, trapezförmig oder tropfenförmig sein.

[0004] In der US 4,644,210 A wird ein Elektromotor mit einem Blechpaket, das auf einer Außenseite Nuten aufweist, in die Kupferstäbe eingesetzt sind, wobei die Kupferstäbe mit Stegen (narrow neck portions) bis zur Außenfläche des Blechpaketes ragen, sodass "Streusegmentstege" gebildet sind, beschrieben.

[0005] Eine exakte Aussage über die Zuordnung der Enden der Kupferstäbe zu den Kurzschlussringen ist weder aus der Beschreibung noch aus den Zeichnungen der US 4,644,210 zu entnehmen. Zwischen den Kurzschlussringen und dem Blechpaket liegt ein Abstand vor, der durch ringförmige Abstandhalter definiert wird.

[0006] Das japanische Dokument JP 2000166197 A zeigt Kurzschlussstäbe, die in Schlitze des Blechpaketes des Rotors und des Kurzschlussringes aus Kupfer eingesetzt sind. Dabei können die Stäbe mit dem Kurzschlussring durch Schweißen verbunden sein. Wie die Stäbe in den Schlitzen des Blechpaketes angeordnet sind, ist nicht geoffenbart.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kurzschlussrotor zu schaffen, der einfach herzustellen ist, indem durch Weglassen des üblichen Kurzschlussringes Material eingespart werden kann, und wobei die Energieeffizienz in Asynchronmaschinen durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Kurzschlussrotors verbessert (gesteigert) werden soll.

[0008] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Kurzschlussrotor, der die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.

[0009] Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0010] Der erfindungsgemäße Kurzschlussläufer hat im Vergleich zu Rotoren aus Aluminium eine verbesserte Leitfähigkeit. Dieser Sachverhalt erlaubt eine neue (sparsame) Dimensionierung des Kurzschlussringes.

[0011] Mit dem erfindungsgemäßen Kurzschlussrotor lassen sich in der Praxis kleinere Schlupfwerte erreichen und damit auch verringerte Verlustwerte. Das Ergebnis dieser Maßnahme ist, dass der Wirkungsgrad des Motors (Asynchronmaschine) bei gleichem Bauvolumen deutlich angehoben ist. Zusätzlich werden bei dem erfindungsgemäßen Motor parasitäre Effekte, wie "Querströme" im Rotorkäfig, klein gehalten.

[0012] Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. 1 /6 österreichisches Patentamt AT509 890 B1 2011-12-15 [0013] Es zeigt: [0014] Fig. 1 schematisch eine Einzelheit eines erfindungsgemäßen Kurzschlussrotors (Kup ferkäfigrotors) und [0015] Fig. 2 in Schrägansicht einen erfindungsgemäßen Kurzschlussrotor.

[0016] Bei dem erfindungsgemäßen Rotor 1 ist in über den Außenumfang des Blechpaketes 2 ("geblechtes Rotorpaket") gleichmäßig verteilt eine Reihe von Kupferstäben 3 als elektrische Leiter vorgesehen. Diese Kupferstäbe 3 sind in achsparallelen Nuten 4 in dem Blechpaket 2, dem Grundkörper des Rotors 1, angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Nuten 4 und die Kupferstäbe 3 einander entsprechende, jeweils im Beispiel im Wesentlichen tropfenförmige, Querschnittsformen. Andere Querschnittsformen für die Nuten 4 und die Kupferstäbe 3, wie polygonale (dreieckig, viereckig) oder kreisrunde sind ebenfalls in Betracht gezogen.

[0017] Mit jedem der Kupferstäbe 3 einstückig ausgebildet ist ein Streusegmentteil 5 ("Streusteg"), der in das offene Ende der Nut 4 im Blechpaket 2 ragt. Die äußere Endfläche 6 des Streusegmentteils 5 fluchtet mit der (zylindrischen) Außenfläche 7 des Blechpakets 2.

[0018] Zur sicheren Führung der Kupferstäbe 3 in den Nuten 4 des Blechpaketes 2 sind an den Kupferstäben 3 drei längslaufende Rippen 8 vorgesehen, die an der Innenfläche 9 der Nuten 4 anliegen und so als Führung für die Kupferstäbe 3 ("3 Punkt'-Führung) dienen. Statt der Rippen 8 können an der Außenfläche der Kupferstäbe 3, z.B. kegelförmige, Vorsprünge, die an der Innenfläche 9 der Nut 4 anliegen, vorgesehen sein.

[0019] Um die Kupferstäbe 3 gegenüber dem Blechpaket 2 zu isolieren, können entweder klassische Isoliermaterialien eingelegt sein oder aber es wird - bevorzugt - die elektrische Isolierung durch Oxidschichten auf der Innenfläche 9 der Nuten 4 und/oder der Außenseite der Kupferstäbe 3 erzeugt.

[0020] In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Isolierung durch Oxidschichten wie folgt hergestellt werden.

[0021] Zunächst wird das Blechpaket 2 des Rotors 1 thermisch behandelt (Bläuen), sodass auf diesem eine Oxidschicht, insbesondere an der Innenseite 9 der Nuten 4, erreicht wird.

[0022] Die Isolierung des gebläuten Blechpaketes 2 wird durch Tränken des Blechpaketes 2 in einem Harzbad, das eine Tränkisolation 10 ergibt, verstärkt.

[0023] Die Kupferstäbe 3, die in die Nuten 4 des geblechten Rotorpaketes 2 einzusetzen sind, werden unabhängig von den beiden zuvor genannten Maßnahmen vor dem Verarbeitungsvorgang (Einsetzen der Kupferstäbe 3 in die Nuten 4) ebenfalls oxidiert, sodass auch auf den Kupferstäben 3 eine zuverlässige elektrische Isolation verwirklicht wird.

[0024] Hinzuweisen ist noch darauf, dass die in die Nuten 4 des Rotorpaketes 2 eingesetzten Kupferstäbe 3 beispielsweise eine Tropfenform aufweisen. Unabhängig von der Form der Kupferstäbe 3 und der entsprechenden Form der Nuten 4 können erfindungsgemäß folgende Maßnahmen verwirklicht werden: [0025] - Der Streusteg 5 kann durch eine spezielle Formgebung der Kupferstäbe 3 verwirklicht werden, wie dies insbesondere und beispielhaft aus Fig. 1 ersichtlich ist.

[0026] - Durch die längslaufenden Rippen 8 (oder Vorsprünge) an den Kupferstäben 3 ergibt sich eine vorteilhafte "3 Punkt'-Führung, sodass es durch die oben geschilderten Maßnahmen (Bläuen und Tränken im Harzbad) möglich ist, die Stäbe 3 in das Rotorpaket 3 einzuschieben, wobei nur an drei Punkten oder Linien ein Kontakt Kupferstab-Rotorblechpaket auftritt. Dies hat eine vorteilhafte Reduktion der parasitären Querströme zur Folge. Zwischen den Führungsvorsprüngen (diese können durchgehende Rippen 8 oder einzelne bzw. knopfartige (kegelförmige) Vorsprünge sein) befindet sich eine genau definierte Isolierschicht 10 aus Gießharzmaterial durch die Tränkharzisolierung. 2/6

Claims (13)

1. österreichisches Patentamt AT509 890 B1 2011-12-15 [0027] Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Kurzschlussring bei dem erfindungsgemäßen Kupferkäfigrotor 1 als Kupferring 20 ausgeführt. Dabei ist vorgesehen, dass die Enden der beispielsweise eine tropfenförmige Querschnittsform aufweisenden Kupferstäbe 3 in entsprechende Aussparungen im Kurzschlussring 20 eingreifen und mit dem Ring 20 verschweißt werden. Die Aussparungen im Kurzschlussring 20 können durch Ausstanzen hergestellt werden. Das Verschweißen kann durch Laser oder nach der WIG-Technik erfolgen. [0028] Vor dem elektrisch leitenden Verbinden der Kupferstäbe 3 mit dem Kupferring 20 können die in Aussparungen im Kupferring 20 eingreifenden Enden der Kupferstäbe 3 mechanisch und/oder chemisch blank gemacht werden. [0029] Mit Vorteil kann im Rahmen der Erfindung in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der als Kurzschlussring dienende Kupferring 20 vom Blechpaket 2 (geblechten Rotorpaket) einen Abstand (Spalt 21) hat, sodass eine vorteilhafte Entkopplung erreicht wird. Auf Grund der Entkopplung des mit den Kupferstäben 3 verschweißten Kurzschlussringes 20 von dem Blechpaket 2 bezüglich der Kühlung des Kurzschlussringes 20 Vorteile mit sich bringt. Dies gilt sowohl für den Betrieb durch Luftverwirbelung einerseits als auch für das Herstellen des erfindungsgemäßen Rotors 1, wenn die Kupferstäbe 3 mit dem Kurzschlussring 20 verschweißt werden, andererseits. [0030] Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt beschrieben werden: [0031] Ein Kurzschlussrotor 1 besitzt ein Blechpaket 2, in dem achsparallele Nuten 4, in die Kupferstäbe eingesetzt sind, vorgesehen sind. An die Kupferstäbe 3 sind Streusegmentstege 5 angeformt, die zur Außenfläche 7 des Blechpaketes 2 ragen. Die Kupferstäbe 3 sind gegenüber den Innenflächen 9 der Nuten 4 isoliert und an diesen über achsparallele Rippen 8 abgestützt. Die über die seitlichen Stirnflächen 12 des Blechpaketes 2 vorstehenden Enden der Kupferstäbe 3 sind auf wenigstens einer Seite des Blechpaketes 2 mit einem Kupferring 20 elektrisch leitend verbunden. Zwischen der Stirnfläche 12 des Blechpaketes 2 und dem Kupferring 20 liegt ein Spalt 21 vor. Patentansprüche 1. Kurzschlussrotor (1) für eine Asynchronmaschine, bestehend aus einem Blechpaket (2), das nach außen zur Umfangsfläche (7) hin offene Nuten (4) aufweist, wobei in den Nuten (4) elektrische Leiter in Form von Kupferstäben (3) aufgenommen sind, die mit ihren Enden in Aussparungen des als Kupferring (20) ausgebildeten Kurzschlussrings eingesetzt und mit dem Kupferring (20) elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferstäbe (3) durch an ihrer Außenfläche vorgesehene Vorsprünge (8) an der Innenseite (9) der Nuten (4) abgestützt sind und dass die Außenflächen der Kupferstäbe (3) und/oder die Innenflächen (9) der Nuten (4) mit einer Isolationsschicht versehen sind.
2. 2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Seitenflächen (12) des Blechpaketes (2) des Rotors (1) vorstehenden Enden der Kupferstäbe (3) mit dem Kupferring (20) verschweißt sind.
3. 3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Kupferstäbe (3) in mit ihrer Außenform kongruent geformten Aussparungen im Kupferring (20) aufgenommen sind.
4. 4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferstäbe (3) eine tropfenförmige Querschnittsform aufweisen.
5. 5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kupferstäben (3) in das offene Ende der Nuten (4) ragende Streusegmentstege (5) vorgesehen sind.
6. 6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen (6) der Streusegmentstege (5) mit der Außenfläche (7) des Blechpaketes (2) fluchten. 3/6 österreichisches Patentamt AT509 890B1 2011-12-15
7. 7. Rotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Streusegmentstege (5) bis in den Kupferring (20) ragen.
8. 8. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupferring (20) vom Blechpaket (2) Abstand (Spalt 21) aufweist.
9. 9. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge kegelstumpfförmige Vorsprünge sind.
10. 10. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge längslaufende Rippen (8) sind.
11. 11. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht eine Oxidschicht ist.
12. 12. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen den Vorsprüngen (8) des Kupferstabes (3), zwischen der Außenfläche des Kupferstabes (3) und der Innenseite (9) der Nut (4) eine Isolierschicht (10) aus Gießharzmaterial vorgesehen ist.
13. 13. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Kupferstäbe (3) vor dem elektrisch leitenden Verbinden mit dem Kupferring (20) mechanisch und/oder chemisch blank gemacht sind. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6