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Die Erfindung betrifft einen Käfigläufer für eine Asynchronmaschine und ein Verfahren zur Herstellung solch eines Käfigläufers, dabei ist die Asynchronmaschine insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen vorgesehen.
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Der Rotor einer Asynchronmaschine (auch als Kurzschlussläufer oder Käfigläufer bezeichnet) besteht aus einem Metallblechpaket (sog. Läuferblechpaket) mit eingestanzten Nuten. Durch diese Nuten erstrecken sich Kurzschlussstäbe, die an den Stirnseiten des Metallblechpakets mit Endringen (sog. Kurzschlussringen) versehen werden. Es ist bekannt die Kurzschlussstäbe zu gießen (z.B. mittels eines Druckgussverfahrens), wobei die Kurzschlussstäbe in die eingestanzten Nuten des Metallblechpakets eingegossen werden. Ebenfalls ist bekannt, vorgefertigte Stäbe in die Nuten des Metallblechpakets einzuschieben. Die Kurzschlussstäbe werden an den Enden mit angegossenen oder vorgefertigten Kurzschlussringen versehen.
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Außerdem ist bekannt, Käfigläufer mit V-förmigen Kurzschlussstäben auszubilden (V-förmig wenn in einer Radialrichtung des Käfigläufers nach innen blickend). Diese V-förmigen Kurzschlussstäbe haben den Vorteil, dass unerwünschte Kraftkomponenten in Axialrichtung des Rotors gegenseitig kompensiert werden und damit das Geräusch- und Schwingungsverhalten von Motoren positiv beeinflusst wird. Diese V-förmigen Kurzschlussstäbe werden mittels Gießen hergestellt.
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Das Gießen der Kurzschlussstäbe hat jedoch die Nachteile, dass beim Gießen der Kurzschlussstäbe aus Aluminium der Wirkungsgrad der Motoren aufgrund des materialspezifischen Leitwerts von Aluminium nicht optimal ist. Beim Gießen der Kurzschlussstäbe aus Kupfer ist zwar der Leitwert und damit auch der Wirkungsgrad im Vergleich zu Aluminium besser, aber Kupferdruckguss ist infolge des hohen Schmelzpunktes von Kupfer schwieriger und wesentlich teurer in der technischen Umsetzung.
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V-förmige, vorgefertigte Kurzschlussstäbe sind nicht in die eingestanzten Nuten einzuschieben und daher praktisch nicht umsetzbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Käfigläufer für eine Asynchronmaschine bereitzustellen, der die vorstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise löst. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufers mit den Schritten gemäß Anspruch 1 und einem Käfigläufer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufers für eine Asynchronmaschine bereitgestellt, mit den Schritten: Bereitstellen eines Läuferblechpakets aus einer Vielzahl an gestapelten Läuferblechen, die jeweils eine Vielzahl an in Umfangsrichtung verteilten Läuferblech-Nuten aufweisen; Platzieren von stabförmigen Drahtpaketen, die jeweils aus einer Vielzahl an Drähten aufgebaut sind, in den Läuferblech-Nuten; Verdrehen der einzelnen Läuferbleche relativ zu einander, wobei die Drahtpakete verformt werden; Platzieren von Kurzschlussringen an beiden Stirnseiten des Läuferblechpakets, und Verbinden der Drahtpakete mit den Kurzschlussringen. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die als Kurzschlussstäbe fungierenden Drahtpakete eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen und verformbar sind. Somit können, auch ohne Gießen, mit einfachen Mitteln Käfigläufer mit geschränkten Kurzschlussstäben (im vorliegenden Fall Drahtpakete, die als Kurzschlussstäbe fungieren) bereitgestellt werden. Zum Beispiel ist bei solchen Käfigläufern ein schräger Verlauf der Drahtpakete denkbar, bei welchem die einzelnen Bleche um mindestens einen Schränkwinkel um die Rotorachse gegeneinander verdreht sind, so dass beispielsweise eine V-, oder W-Anordnung der Drahtpakete entsteht. Geschränkte Käfigläufer sind vorteilhaft bezüglich ihrem Geräusch- und Schwingungsverhalten. Durch den Einsatz von flexiblen Drahtpaketen als Kurzschlussstäbe, ist es möglich, die Vorteile des hohen elektrischen Leitwertes von Kupfer in den Läuferblech-Nuten mit dem technisch bekannten und einfachen sowie kostengünstigen Angießen von Kurzschlussringen aus Aluminium zu verbinden. Außerdem besteht der Vorteil, dass durch dieses Herstellungsverfahren die Auswahl der Materialien für Drahtpakete (Kurzschlussstäbe) und Kurzschlussringe beliebig ist und separat voneinander bestimmt werden kann, so dass die Materialauswahl den jeweiligen Erfordernissen bzw. Kostenvorgaben angepasst werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel hat das Verfahren ferner den Schritt: Verpressen der Vielzahl an Drähten miteinander zum Ausbilden eines Drahtpakets. Dadurch, dass die Drähte verpresst werden, wird eine höhere Materialdichte des Drahtmaterials in den Läuferblech-Nuten und damit eine gute elektrische Leitfähigkeit erreicht.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Verfahren dergestalt, dass beim Schritt des Verdrehens der einzelnen Läuferbleche diese so verdreht werden, dass in einer Radialrichtung des Käfigläufers nach innen gesehen, die Drahtpakete geradlinig, V-förmig oder W-förmig sind. Wie bereits erwähnt, hat eine solche Schränkung Vorteile im Hinblick auf Geräusch- und Schwingungsverhalten.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Verfahren dergestalt, dass Drahtpakete jeweils aus einer Vielzahl an Drahtgeflechten aufgebaut sind, und jedes Drahtgeflecht mehrere Drähte umfasst. Dies macht die Handhabung und Herstellung einfacher, weil weniger Einzelteile pro Drahtpaket zusammenzufassen sind.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Verfahren dergestalt, dass die Läuferblech-Nuten, mit den darin befindlichen Drahtpaketen, mit einem Material befüllt werden, welches sich von dem Material der Drähte unterscheidet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Verfahren dergestalt, dass die Läuferblech-Nuten mit Kunststoffmaterial befüllt werden. Dies sorgt für eine elektrische Isolation der Drahtpakete nach außen hin und für eine Unterstützung dabei, die Drahtpakete in den Läuferblech-Nuten zu positionieren und zu halten. Zudem wird ein besserer Wärmeübergang erreicht, denn es entsteht Verlustwärme im Kurzschlusskäfig, die beispielsweise im Falle einer Rotorwellenkühlung zur Rotorachse transportiert werden muss.
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Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung einen Käfigläufer für eine Asynchronmaschine bereit, mit einem Läuferblechpaket aus einer Vielzahl an gestapelten Läuferblechen, die jeweils eine Vielzahl an in Umfangsrichtung verteilten Läuferblech-Nuten aufweisen; in die Läuferblech-Nuten eingefügte Drahtpakete, die jeweils aus einer Vielzahl an Drähten aufgebaut sind, wobei die Längsrichtungen der Drahtpakete nicht-parallel zu einer Axialrichtung des Käfigläufers sind, und an beiden Stirnseiten des Läuferblechpakets angeordnete Kurzschlussringe, die mit den Drahtpaketen verbunden sind. Dieser Käfigläufer bietet die bereits vorstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren zu seiner Herstellung beschriebenen Vorteile.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Käfigläufer so ausgebildet, dass die Vielzahl an Drähten miteinander verpresst sind, um das Drahtpaket auszubilden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Käfigläufer so ausgebildet, dass die Drahtpakete jeweils aus einer Vielzahl an Drahtgeflechten aufgebaut sind, und jedes Drahtgeflecht mehrere Drähte umfasst.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Käfigläufer so ausgebildet, dass die Läuferblech-Nuten, mit den darin befindlichen Drahtpaketen, mit einem Material befüllt sind, welches sich von dem Material der Drähte unterscheidet.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Käfigläufer so ausgebildet, dass die Läuferblech-Nuten mit Kunststoffmaterial befüllt sind.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
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1 zeigt schematisch ein Läuferblechpaket eines erfindungsgemäßen Käfigläufers;
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2 zeigt ein Drahtpaket des erfindungsgemäßen Käfigläufers;
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3 zeigt das Drahtpaket aus 2 in einem verformten Zustand, und
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4 zeigt den erfindungsgemäßen Käfigläufer.
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1 zeigt ein Läuferblechpaket 1, welches aus einer Vielzahl an aufeinandergestapelten bzw. laminierten Läuferblechen 2 aufgebaut ist. Jedes der Läuferbleche 2 hat einen kreisrunden Außenumfang und einen runden Innenumfang, innerhalb dem eine Welle des montierten Käfigläufers 9 (siehe 4) angeordnet ist. Die einzelnen Läuferbleche 2 sind gegeneinander isoliert und bestehen im Wesentlichen aus Eisen oder einer Eisen-Legierung. Ferner sind Läuferblech-Nuten 3 in regelmäßigen Abständen zueinander entlang einer Umfangsrichtung des Läuferblechs 2 verteilt. Ausgehend von einem radial inneren Ende der Läuferblech-Nuten 3 weiten sich die Läuferblech-Nuten 3 senkrecht zur Radialrichtung (und innerhalb der Läuferblechebene) auf. Das radial äußere Ende der Läuferblech-Nuten 3 ist entweder offen, wie in 1 dargestellt oder geschlossen. In ersterem Fall ist nur das radial äußere Ende der Läuferblech-Nuten 3 offen. In beiden Variationen kann am radial äußeren Ende der Läuferblech-Nuten 3 ein Abschnitt vorgesehen sein, an dem sich die Läuferblech-Nuten 3 senkrecht zur Radialrichtung radial nach außen hin verjüngen. Eine Vielzahl solcher Läuferbleche 2 wird konzentrisch aufeinandergestapelt, wobei sich die benachbarten Läuferbleche 2 berühren, so dass sie ein Läuferblechpaket 1 ausbilden.
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2 zeigt ein Drahtpaket 4 welches eine Vielzahl an Drähten 5 umfasst. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Käfigläufers wird ein derartiges Drahtpaket 4 in jede der Läuferblech-Nuten 3 eingelegt. Die Drähte 5 sind einzelne Drähte 5, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder einer Legierung aufweisend Kupfer und/oder Aluminium, insbesondere gleicher Länge. Wahlweise kann das Drahtpaket auch aus Drahtgeflechten (sog. Litzen) hergestellt sein, wobei in diesem Fall mehrere der Drähte 5 zu einem länglichen Drahtgeflecht zusammengruppiert sind. Falls die Drahtpakete 4 aus Drahtgeflechten hergestellt sind, würde jedes Drahtpaket 4 eines oder eine Vielzahl an Drahtgeflechten aufweisen. Zur Herstellung eines Drahtpakets 4 werden die Drähte 5 oder die Drahtgeflechte in geradlinigem Zustand mit zueinander bündigen Enden zusammengefasst und komprimiert bzw. verpresst bzw. verdichtet. Vorzugsweise werden die Drahtpakete 4 dabei so geformt, so dass nach dem Verpressen ein Querschnitt der Drahtpakete 4 einer Form der Läuferblech-Nuten 3 entspricht. Wie bereits erwähnt, ist die Verwendung von Drahtgeflechten optional und jedes Drahtpaket 4 kann auch ausschließlich aus separaten, und zwar bis zum Zeitpunkt des Verpressens separaten, Drähten 5 hergestellt werden. Die verpressten und immer noch geradlinigen Drahtpakete 4 werden dann in jede der Läuferblech-Nuten 3 eingelegt, wobei die Läuferblech-Nuten 3 in diesem Zustand entlang einer Axialrichtung des Läuferblechpakets 1 fluchtend zueinander ausgerichtet sind.
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Anschließend werden die einzelnen Läuferbleche 2 geschränkt bzw. verdreht, insbesondere zum jeweils benachbarten Läuferblech 2 verdreht. Mit der Verdrehung der einzelnen Läuferbleche 2 zueinander werden auch die in den Läuferblech-Nuten 3 eingelegten Drahtpakete 4 mitverformt. Diese Verdrehung kann realisiert werden, indem beispielsweise ein Schränkmesser 6, von denen eines in 1 schematisch angedeutet ist, in die Läuferblech-Nuten 3 des Läuferblechpakets 1 einfährt und um eine Hochachse 7, die einer Radialrichtung des Läuferblechpakets 1 entspricht, verdreht werden. Um beispielsweise eine symmetrische V-förmige Schränkung zu realisieren, wie in 3 dargestellt, fahren Schränkmesser 6 in eine Hälfte der Längsausdehnung der Läuferblech-Nuten 3 und andere Schränkmesser 6 in die andere Hälfte der Läuferblech-Nuten 3 und werden dann mit entgegengesetzten Drehrichtungen verdreht. Die Realisierung der Schränkung ist hier jedoch nur exemplarisch und vereinfacht dargestellt.
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Nach der Verdrehung der Läuferbleche 2 haben die Drahtpakete 4 vorzugsweise eine V-Form, wie in 3 dargestellt. Auch eine W-Form oder andere Formen sind realisierbar und denkbar. Bei der V-Form liegen die Längsenden eines Drahtpakets 4 auf derselben Achsparallelen (des Käfigläufers), die Spitze der V-Form, ist dazu seitlich versetzt. Alternativ zur V-Form könnten sich auch andere Geometrien, wie beispielsweise eine W-Form, als vorteilhaft hinsichtlich Geräusch- und Schwingungsverhalten des Motors, in den der Käfigläufer eingebaut wird, erweisen. Außerdem können die Drahtpakete 4 nach der Verdrehung auch geradlinig sein und die Verdrehung so ausgeführt werden, dass die Drahtpakete 4 um eine Radiallinie des Läuferblechpakets 1 verdreht werden, so dass die Drahtpakete 4 nicht mehr parallel zur Axialrichtung des Läuferblechpakets 1 bzw. des Käfigläufers sind.
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Nach der Verdrehung bzw. Schränkung der Läuferbleche 2, werden an die Stirnseiten des Läuferblechpakets 1 Kurzschlussringe 8 angebracht. Die Kurzschlussringe 8 sind vorzugsweise gestanzt, geschmiedet, ausgefräst oder wasserstrahlgeschnitten, usw. Die Längsenden der Drahtpakete 4 werden mit den Kurzschlussringen 8 verbunden, insbesondere verschweißt oder verlötet. Alternativ dazu ist es auch möglich, Kurzschlussringe 8 zu gießen, beispielsweise aus Aluminium, wobei die Kurzschlussringe bereits auf die Längsenden der Drahtpakete 4 gegossen werden, so dass Formgebung und Befestigung der Kurzschlussringe in einem Arbeitsschritt erledigt werden.
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Um eine gute elektrische Verbindung zwischen den Drahtpaketen 4 und den Kurzschlussringen 8 herzustellen, muss einerseits die Verbindungstechnik (z.B. Schweißen, Löten) eine elektrische Leitfähigkeit sicherstellen und andererseits ist es vorteilhaft, wenn beim Komprimieren und Ausformen der Drahtpakete 4, die Längsenden der Drahtpakete 4 so komprimiert werden, dass eine spätere Herstellung der elektrischen Verbindung mit den Kurzschlussringen 8 durch Angießen der Kurzschlussringe, durch Anschweißen oder Anlöten sichergestellt ist.
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Optional können die Läuferblech-Nuten 3 mit den darin befindlichen Drahtpaketen 4 mit einem Kunststoff befüllt werden, vorzugsweise einem hochwärmeleitfähigen Kunststoff, der die Läuferblech-Nuten 3 nach außen hin verschließt und dabei unterstützt, die Drahtpakete 4 im Betrieb in den Läuferblech-Nuten 3 zu halten. Diese Befüllung kann beispielsweise mittels eines Spritz- oder Druckgussverfahrens realisiert werden.
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Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Läuferblechpaket
- 2
- Läuferblech
- 3
- Läuferblech-Nut
- 4
- Drahtpaket
- 5
- Draht
- 6
- Schränkmesser
- 7
- Hochachse des Schränkmessers
- 8
- Kurzschlussring
- 9
- Käfigläufer