КОРОТКОЗАМКНУТЫЙ РОТОР
SQUARE-CAGE ROTOR

Изобретение относится к короткозамкнутому ротору для асинхронного электродвигателя согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к способу изготовления короткозамкнутого ротора с признаками ограничительной части пункта 10 формулы изобретения.
Такой короткозамкнутый ротор известен из DE 4308683 А1. Этот ротор содержит листовой пакет с канавками, в которые сначала вдвигают короткозамыкаемые стержни из меди. С торцевой стороны медные стержни соединены друг с другом с помощью короткозамыкающих колец. Эти короткозамыкающие кольца изготавливают посредством литья под давлением из алюминия. При отливке короткозамыкающих колец одновременно заливают алюминием остающееся в канавках относительно вставленных медных стержней остаточное поперечное сечение, так что короткозамыкающие кольца соединяются с образованными в остаточном поперечном сечении отлитыми под давлением частями стержней.
Поскольку медь по сравнению с алюминием имеет намного большую электрическую проводимость, то тем самым можно значительно улучшать коэффициент полезного действия такого асинхронного электродвигателя по сравнению с асинхронным электродвигателем, состоящим полностью из отлитого под давлением алюминиевого материала.
При работе асинхронные электродвигатели и тем самым также короткозамкнутый ротор проходят зависящие от электрических потерь внутри двигателя термические циклы. За счет этого происходит тепловое расширение в роторе, которое на основании различных коэффициентов теплового расширения алюминия и меди является не гомогенным в таком короткозамкнутом роторе. За счет этого медные стержни могут выходить из отлитого под давлением алюминиевого материала короткозамыкающих колец, за счет чего в конечном итоге ухудшается значение переходной электрической проводимости между короткозамыкающими кольцами и стержнями ротора.
Аналогичные коэффициенты полезного действия, как в указанных выше, изготовленных с помощью способа литья под давлением алюминия короткозамкнутых роторах, можно реализовать с помощью отлитых под давлением из меди роторов. Поскольку он полностью состоит из меди, то не возникают указанные выше проблемы относительно различных коэффициентов теплового расширения. Однако процесс литья меди под давлением является очень затратным и ставит высокие требования к инструменту для литья под давлением, поскольку медь для процесса литья под давлением необходимо нагревать до температур свыше 1000°С. В противоположность этому, с алюминием можно работать при литье под давлением с намного более низкими температурами. Кроме того, выполненный полностью из меди короткозамкнутый ротор тяжелее и тем самым более инерционен относительно своих пусковых характеристик, чем известный из DE 4308683 А1 короткозамкнутый ротор, который имеет короткозамыкающие кольца из алюминия.
В основу изобретения положена задача повышения электрического коэффициента полезного действия состоящего из алюминия и меди, изготовленного с помощью процесса литья под давлением короткозамкнутого ротора.
Эта задача решена с помощью короткозамкнутого ротора для асинхронного электродвигателя, при этом короткозамкнутый ротор содержит:
- листовой пакет ротора с канавками,
- на торцевых сторонах прилитые на листовой пакет ротора короткозамыкающие кольца из первого материала и
- расположенные в канавках проводники из второго материала с более высокой удельной электрической проводимостью, чем первый материал,
при этом проводники на своей поверхности имеют покрытие из покрывного материала, которое через первый легированный слой из второго материала и покрывного материала граничит со вторым материалом проводников и через второй легированный слой из первого материала и покрывного материала граничит с отлитым первым материалом.
Кроме того, задача решена с помощью способа изготовления короткозамкнутого ротора для асинхронного электродвигателя, содержащего следующие стадии способа:
- закладывания проводников из второго материала в канавки листового пакета ротора и
- отливки на торцевых сторонах короткозамыкающих колец из первого материала с меньшей удельной электрической проводимостью, чем проводимость второго материала, на листовом пакете ротора,
при этом проводник на его поверхности снабжают покрытием из покрывного материала так, что возникает первый легированный слой из второго материала и покрывного материала между вторым материалом проводника и покрытием, при этом покрывной материал выполнен так, что в способе литья возникает второй легированный слой из первого материала и покрывного материала между покрытием и отлитым первым материалом.
В основе изобретения лежит понимание того, что за счет этого можно экстремально улучшать соединение между проводниками и короткозамыкающими кольцами, что первый и второй материал образуют в подходящих местах межкристаллическое соединение. Короткозамыкаемые стержни выступают на обоих торцевых концах из листового пакета ротора в отлитые короткозамыкающие кольца. Согласно изобретению повышение сил соединения между концами проводников и короткозамыкающими кольцами достигается за счет того, что проводники покрыты так, что возникает сплав, т.е. межкристаллическое соединение, как между покрытием и проводником, так и между покрытием и отлитым первым материалом короткозамыкающих колец.
Предпочтительные варианты выполнения изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Так, в частности, предпочтительным является вариант выполнения изобретения, в котором снабженные проводниками канавки заполняются с помощью способа литья под давлением первым материалом, при этом короткозамыкающие кольца изготавливаются с помощью способа литья под давлением. За счет этого короткозамыкаемые стержни отлично фиксируются в канавках. Когда короткозамыкаемые стержни расположены на направленном радиально внутрь дне канавки, то за счет затвердевающего в канавках расплава возникают пусковые стержни, которые на основании их более низкой по сравнению с короткозамыкаемыми стержнями проводимости обеспечивают улучшение пусковых характеристик асинхронного электродвигателя.
При нагревании во время работы короткозамкнутого ротора достигаются температуры примерно 150°С. За счет этого происходит большее тепловое расширение в залитых первым материалом зонах канавок, в частности, когда первый материал является алюминием. За счет этого может нарушаться переход между проводниками и короткозамыкающими кольцами, за счет чего происходит ухудшение электрической проводимости в зоне перехода между короткозамыкающими кольцами и проводниками. Сжимаемый в процессе литья под давлением для обеспечения герметичности в осевом направлении листовой пакет ротора может снова расширяться в осевом направлении, когда соединение между проводниками и отлитыми короткозамыкающими кольцами не может обеспечивать достаточную силу удерживания.
За счет покрытия проводники соединяются максимально возможными соединительными силами с отлитым под давлением материалом. Соответственно, соединение между проводниками и короткозамыкающими кольцами остается стабильным, несмотря на различные коэффициенты теплового расширения первого и второго материала, также тогда, когда короткозамкнутый ротор проходит при работе через ярко выраженные термические циклы. При больших скоростях вращения действующие на ротор центробежные силы приводят к образованию частично больших напряжений в соединении между проводником и короткозамыкающим кольцом. Кроме того, с помощью легирования достигается оптимальная переходная электрическая проводимость между первым и вторым материалом.
В особенно предпочтительном варианте выполнения изобретения покрытие и первый легированный слой создаются с помощью электромеханической гальванизации. При этом сначала электрохимическим путем на проводники осаждается слой покрывного материала. Между вторым материалом проводников и покрывным материалом возникает в этом процессе желаемое межкристаллическое соединение. Когда затем наносят первый материал, в частности, с помощью процесса литья под давлением, то покрытие на проводниках оплавляется и образует с подаваемым под давлением расплавом также межкристаллическое соединение, так что возникает второй легированный слой.
Вместо гальванизации возможны другие способы покрытия, которые также приводят к желаемым межкристаллическим соединениям между первым материалом и покрытием, а также между вторым материалом и покрытием. Так, предпочтительным является вариант выполнения изобретения, в котором покрытие и первый легированный слой создаются с помощью способа термического напыления, в частности газопламенного напыления, электродугового напыления или лазерного напыления.
Альтернативой этому является вариант выполнения изобретения, в котором покрытие и первый легированный слой создаются с помощью способа холодного напыления.
Другой альтернативой является вариант выполнения изобретения, в котором покрытие и первый легированный слой создаются с помощью газообразного напыления.
Во всех этих способах, в частности также при гальванизации, согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения, перед нанесением покрытия удаляют оксидный слой с проводников посредством химической предварительной обработки проводников. Оксидный слой имеет изолирующие электрические свойства, так что за счет удаления указанного оксидного слоя значительно уменьшается переходное сопротивление между первым и вторым материалом.
В особенно предпочтительном варианте выполнения изобретения первый материал является алюминием, а второй материал - медью. За счет этого возникает гибридный короткозамкнутый ротор, который на основании проводников из меди имеет отличный электрический коэффициент полезного действия, намного более прост в изготовлении, чем ротор из отлитой под давлением меди, и по сравнению с ним имеет также меньшую массу и тем самым меньший момент инерции, поскольку его короткозамыкающие кольца изготовлены из сравнительно легкого алюминия. В целом, такой гибридный ротор имеет лучший коэффициент полезного действия, чем ротор из отлитой под давлением меди, который изготовлен полностью из меди. Для изготовления такого короткозамкнутого ротора сначала вдвигают медные проводники в канавки листового пакета ротора. Затем предпочтительно с помощью способа литья под давлением алюминия заполняют зону канавок, которая не занята медными проводниками. Одновременно изготавливают короткозамыкающие кольца из алюминия с помощью способа литья под давлением.
Другой предпочтительный вариант выполнения изобретения характеризуется тем, что покрывной материал является первым материалом. Например, при этом в гибридном роторе с медными стержнями и алюминиевыми короткозамыкающими кольцами на поверхность медных проводников наносят тонкий слой алюминия. Это осуществляется с помощью гальванизации. В этом процессе нанесения покрытия возникает сплав между алюминиевым покрытием и медными проводниками. Затем подаваемую под давлением алюминиевую массу впрыскивают в канавки, при этом одновременно отливают короткозамыкающие кольца. При этом алюминиевое покрытие на поверхности проводников оплавляется и образует с алюминиевым расплавом межкристаллическое соединение. При этом в конечном итоге образуется второй легированный слой. В частности, в зоне концов медных стержней, которые выступают из листового пакета ротора в короткозамыкающие кольца, возникает чрезвычайно стабильное соединение между обоими материалами, так что прочность относительно термических циклов и возникающих при работе центробежных сил повышается. При этом возникает почти идеальное электрическое и механическое соединение между короткозамыкающими кольцами из алюминия и медными стержнями.
В процессе литья могут происходить значительные химические реакции между снабженными покрытием проводниками и расплавом. Для предотвращения слишком большого сноса проводников за счет находящегося в соприкосновении с проводниками расплава первого материала в предпочтительном варианте выполнения изобретения покрытие и легированные слои могут быть расположены исключительно на выступающих из листового пакета ротора и входящих в короткозамыкающие кольца концевых зонах проводников. Указанные концевые зоны представляют критичное место соединения между проводниками и короткозамыкающими кольцами. Соответственно, здесь особенно важно сильное кристаллическое соединение. Прежде всего, в этой концевой зоне каждого проводника переходная электрическая проводимость имеет особое значение, поскольку здесь ток переходит от проводников в короткозамыкающее кольцо. В противоположность этому, в изготовленном посредством литья под давлением роторе сильное кристаллическое соединение проводников в зонах внутри канавки необходимо меньше, поскольку здесь не следует ожидать прохождения тока с первого во второй материал, соответственно, наоборот.
Однако более простым в выполнении, в частности, при нанесении покрытия посредством гальванизации, является вариант выполнения изобретения, в котором покрытие и легированные слои полностью окружают проводники.
Однако возможен и предпочтителен также вариант выполнения изобретения, в котором поверхность проводников, которая внутри канавок обращена к отлитому под давлением первому материалу, не имеет покрытия. При этом предотвращается снос материала на обращенной к расплаву поверхности проводников. Вместо отсутствующего покрытия на указанной поверхности может быть предусмотрен стойкий к расплаву слой. Так, например, можно сначала полностью гальванизировать проводники и тем самым покрывать покрывным материалом, который приводит к образованию желаемых легированных слоев. Затем можно исключительно указанную поверхность проводников, которая внутри канавок обращена к отлитому под давлением первому материалу, снабжать соответствующим стойким к расплаву пассивирующим слоем.
Соединение между проводниками и короткозамыкающими кольцами можно в другом предпочтительном варианте выполнения изобретения дополнительно усиливать тем, что проводники на обоих концах выступающей из листового пакета ротора и входящей в короткозамыкающие кольца концевой зоны снабжены средствами для создания геометрического замыкания между проводниками и отлитыми короткозамыкающими кольцами. За счет этих средств геометрического замыкания в концевых зонах проводников дополнительно усиливается соединение между проводниками и короткозамыкающими кольцами. Выступающие на концах проводники стянуты в осевом направлении с помощью средств геометрического замыкания с короткозамыкающими кольцами. Таким образом, проводники в зависимости от температуры и коэффициентов теплового расширения проводников и короткозамыкающих колец нагружаются на растяжение или сжатие. При этом необходимо выполнять короткозамкнутые роторы так, что нагрузка всегда остается в упругом диапазоне. За счет применяемых средств геометрического замыкания предотвращается сдвиг проводников внутри короткозамыкающих колец или вытягивание проводников из короткозамыкающих колец, за счет чего предотвращается разрыв места соединения между обоими материалами. В качестве средств геометрического замыкания можно использовать, например, сквозные отверстия в концевых зонах проводников, которые заполняются расплавом во время процесса литья. Вместо сквозного отверстия можно использовать также выемки в концевых зонах, сужения проводников внутри концевых зон, засечки, накатки концевых зон, винтообразность проводников в концевых зонах или расщепление проводников в концевых зонах.
Исходя из одного из указанных выше вариантов выполнения короткозамкнутого ротора согласно изобретению, можно с помощью соответствующего статора простым образом реализовать асинхронный электродвигатель, который также при высоких термических нагрузках и при высоких скоростях вращения всегда имеет хороший электрический коэффициент полезного действия и является чрезвычайно стабильным.
Ниже приводится более подробное описание и пояснение изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - гибридное выполнение короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя;
фиг.2 - разрез короткозамкнутого ротора;
фиг.3 - разрез по поверхности раздела между снабженным покрытием проводником и отлитым под давлением первым материалом;
фиг.4 - разрез другого варианта выполнения короткозамкнутого ротора гибридной конструкции с снабженными средствами геометрического замыкания проводниками в зоне короткозамыкающих колец;
фиг.5 - разрез канавок с проводниками, которые имеют свободную от покрытия поверхность; и
фиг.6 - асинхронный электродвигатель, содержащий один из вариантов выполнения короткозамкнутого ротора.
На фиг.1 показано выполнение короткозамкнутого ротора гибридной конструкции асинхронного электродвигателя. Показан листовой пакет 1 ротора асинхронного электродвигателя, который насажен в горячем состоянии на вал 11. При изготовлении короткозамкнутого ротора сначала вдвигают проводники 4, которые предпочтительно выполнены из меди, в канавки 3 листового пакета 1 ротора. Можно видеть, что поперечное сечение проводников 4 меньше площади поперечного сечения канавок 3. Таким образом, после укладки выполненных в виде медных стержней проводников 4 остается еще свободным остаточное поперечное сечение канавки 3.
Для изготовления короткозамкнутого ротора в следующей стадии применяют способ литья под давлением. В этом способе изготавливают короткозамыкающие кольца, которые на торцевых сторонах находятся в контакте с медными стержнями, и одновременно заполняют расплавом еще свободное пространство канавок 3. После затвердевания алюминиевого расплава внутри канавок возникают в остающемся остаточном поперечном сечении части 6 алюминиевых стержней, которые фиксируют медные стержни в их положении и непосредственно примыкают к ним. Эти части 6 алюминиевых стержней можно предпочтительно применять также в качестве пусковых стержней асинхронного электродвигателя, поскольку они имеют меньшую электрическую проводимость по сравнению с медными проводниками. В частности, когда части 6 алюминиевых стержней расположены, в отличие от показанного на фиг.1, в радиально наружу направленной зоне канавки, они оказывают положительное влияние на ход изменения крутящего момента асинхронного электродвигателя.
За счет гибридной конструкции, т.е. за счет применения проводников 4 из меди и короткозамыкающих колец из алюминия, можно изготавливать короткозамкнутый ротор с особенно хорошим электрическим коэффициентом полезного действия. Это обуславливается, с одной стороны, хорошей проводимостью меди и, с другой стороны, сравнительно небольшой массой изготовленных из алюминия короткозамыкающих колец, что приводит, соответственно, к относительно небольшой массе инерции.
На фиг.2 показан в разрезе короткозамкнутый ротор, в котором можно видеть, наряду с листовым пакетом 1 ротора, окруженные алюминиевым расплавом и уложенные в канавки 3 проводники 4. На своих торцевых концах эти проводники 4 погружены в изготовленные из отлитого под давлением алюминия короткозамыкающие кольца 5. За счет колебаний температуры, которые испытывает короткозамкнутый ротор при работе двигателя, может происходить, в частности, в концевых зонах отделение проводников 4 от короткозамыкающих колец 5. Это объясняется, в частности, различными коэффициентами теплового расширения применяемых материалов меди и алюминия. Поэтому в таком гибридном роторе особенно важно обеспечивать стабильное соединение между обоими материалами - медью и алюминием, в частности, в зоне короткозамыкающих колец 5.
На фиг.3 показан разрез по поверхности раздела между снабженным покрытием проводником 4 и отлитым под давлением первым материалом частей 6 алюминиевых стержней. Такая пограничная поверхность возникает за счет выполнения покрытия, согласно изобретению, проводника 4 перед процессом литья под давлением. В этом случае также первый материал является алюминием, а второй материал, из которого изготовлен проводник 4, медью. Медные проводники снабжены, например, с помощью процесса гальванизации покрытием 8. Перед этим проводники 4 обрабатываются химически с целью удаления слоя окиси меди с их поверхности, который вызывает ухудшение электрической проводимости. Затем проводники 4 погружают в гальваническую ванну, где наносится подходящий покрывной материал. При этом это может быть, например, первый материал, т.е. алюминий. За счет этого способа нанесения покрытия между покрытием 8 и медью проводника 4 возникает переходная зона, которая в последующем называется первым легированным слоем 2. Внутри первого легированного слоя 2 существует межкристаллическая структура, за счет которой обеспечивается экстремально сильное соединение покрытия 8 с медью проводников 4.
В дальнейшем ходе способа покрытые так проводники 4, которые вдвинуты в канавки 3 листового пакета 1 ротора, подвергают процессу литья под давлением алюминия. Как только расплав попадает на проводники 4, за счет тепла оплавляется часть зоны 8 покрытия на поверхности. Образуется второй легированный слой 9, в котором возникает межкристаллическая фаза из покрывного материала и подаваемого под давлением расплава алюминия. Это приводит в конечном итоге к тому, что части 6 алюминиевых стержней экстремально сильно сцепляются с зоной 8 покрытия. Таким образом, предотвращается отделение подаваемой под давлением расплавленной массы алюминия от проводников 4 при прохождении термических циклов короткозамкнутого ротора или при экстремально высоких скоростях вращения.
На фиг.4 показано в разрезе другое выполнение короткозамкнутого ротора гибридной конструкции с проводниками 4 со средствами 7 геометрического замыкания в зоне короткозамыкающих колец 5. Средства 7 геометрического замыкания проводников 4 выполнены в виде сквозных отверстий. При подвергании снабженного проводниками 4 листового пакета способу литья под давлением алюминия средства 7 геометрического замыкания заполняются расплавом алюминия. Это приводит к тому, что соединение с геометрическим замыканием дополнительно обеспечивает, что проводники 4 во время термических циклов остаются в соединении в зоне короткозамыкающих колец 5. Таким образом, показанные средства 7 геометрического замыкания поддерживают еще действие покрытия, согласно изобретению, тем, что предотвращается вырывание торцевых концов проводников из отлитых под давлением короткозамыкающих колец 5.
На фиг.5 показан разрез канавок 3 с проводниками 4, которые имеют свободную от покрытия поверхность 12. Показанный здесь короткозамкнутый ротор является гибридным ротором с частями 6 алюминиевых стержней, которые выполняют функцию пусковых стержней. Сначала в канавки 3 вкладывают проводники 4, которые непосредственно прилегают к направленному радиально внутрь дну канавки. В процессе литья под давлением алюминия заполняется расплавом алюминия остающееся свободным остаточное поперечное сечение, при этом остаточное поперечное сечение находится в направленной радиально наружу зоне. Таким образом, с одной стороны, обеспечивается, что лишь поверхность проводников 4 находится в соприкосновении с подаваемым под давлением алюминиевым материалом. С другой стороны, части 6 алюминиевых стержней лежат радиально снаружи, что приводит в выполненном с медными стержнями в качестве проводников короткозамкнутом роторе на основании меньшей проводимости алюминия к улучшенным пусковым характеристикам. Кроме того, лежащие снаружи пусковые стержни прижимают проводники 4 ко дну канавки так, что проводники 4 очень хорошо фиксируются в листовом пакете ротора.
В зависимости от покрывного материала во время процесса литья под давлением может происходить значительный снос материала со снабженных покрытием проводников 4. Для предотвращения этого обращенная к части 6 алюминиевых стержней сторона проводников 4 выполнена без покрытия. Поэтому проводники 4 в уложенной в канавки 3 зоне не подвергаются указанному сносу материала. Лишь выступающие из листового пакета ротора концевые зоны проводников 4 полностью покрыты с целью создания здесь желаемого сильного соединения с короткозамыкающими кольцами. В противоположность этому, межкристаллическое соединение между проводником 4 и частями 6 алюминиевых стержней в зоне канавок не требуется.
На фиг.6 показан асинхронный электродвигатель 10 с короткозамкнутым ротором в соответствии с одним из указанных выше вариантов выполнения. Такой асинхронный электродвигатель характеризуется высоким электрическим коэффициентом полезного действия и намного более прост в изготовлении и имеет меньшую стоимость по сравнению с асинхронным электродвигателем с отлитым под давлением из меди ротором. Кроме того, показанный асинхронный электродвигатель 10 имеет по сравнению с асинхронным электродвигателем с отлитым под давлением из меди ротором улучшенные динамические характеристики, поскольку гибридный ротор показанного асинхронного электродвигателя имеет намного меньший момент инерции.