CN110622398A - 用于制造异步电机的鼠笼式转子的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造异步电机(1)的鼠笼式转子(4)的方法，包括以下步骤：‑提供具有基本轴向延伸的凹槽(14)的转子叠片组(5)，‑将由第一传导材料制成的导体棒(6)置入凹槽(14)中，使得导体棒(6)从转子叠片组(5)的端面(15)伸出，‑提供由被加热超过再结晶温度的第二传导材料制成的短路环盘(7)，‑在考虑形变的温度范围和形变速度的情况下，将至少一个短路环盘(7)在轴向上挤压到从转子叠片组(5)的端面(15)伸出的导体棒(6)上，其中，局部地超出该材料的允许的剪切应力，并且其中，通过在导体棒与短路环之间的边界面上的扩散而形成材料过渡区，‑紧接着或者同时对轴向推置的短路环盘(7)进行热成形。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造异步电机的鼠笼式转子的方法，还设计异步电机本身及其在不同的应用中的使用，优选在工业应用中的使用。
背景技术
机电式旋转电机的鼠笼式转子在较低的功率范围内利用压铸技术在一次工序中制成。这种材料配合的方法成本高，因为压铸模型昂贵并且磨损比较快。此外，在生产过程中，这样生产的鼠笼式转子在质量方面还存在比较严重的漏磁。这例如表现在由于如下原因引起的坩埚中熔化物的质量变化，即，浇铸过程期间熔化物中的杂质、工具上的脱模剂或磨损，同样例如由于压铸冷却时形成缩孔或应力裂纹。
在较高功率范围中或者在机电式旋转电机的特殊应用中，各个导体棒与短路环电连接并且机械连接。这例如通过钎焊或熔焊来进行，正如可以从专利DE 34 13 519C2中获知的那样。
然而在此的缺点在于，在这些较大的电动机中存在具有环绕的钎料槽的短路环，该钎料槽在钎焊流程中要被钎料完全填充。在此，仅转子棒的伸入到钎料槽中的容积未被钎料填充。在此，因为钎料中银的比例高，尤其在转子棒与短路环之间制造钎焊连接在经济上不太有意义。
为了消除即使在低功率范围内也出现的质量下降，例如在输入保护气体的情况下实施压铸过程。同样地，为工具设置多种通风选择，或者甚至进行熔化物的再合金(nachlegieren)。这样的干预手段提高了异步笼式转子的效率，然而为了得到尤其包括高转速适用性的强度，还需要额外的措施，例如设置支撑环或者使用合金，以获得更高的强度值。
发明内容
由此出发，本发明的基本目的在于，提供一种用于制造异步电机的鼠笼式转子的方法，其中，重点不仅在于电学属性还在于制造方法的经济的实现方式。此外，应简单并高效地制造出转子棒与短路环之间性能更好的连接。
提出的目的通过一种用于制造异步电机的鼠笼式转子的方法实现，包括以下步骤：
-提供具有基本轴向延伸的凹槽的转子叠片组，
-将由第一传导材料制成的导体棒置入凹槽中，使得导体棒从转子叠片组的端面伸出，
-提供由被加热超过再结晶温度的第二传导材料制成的短路环盘，
-在考虑形变的温度范围以及形变速度的情况下，将至少一个短路环盘在轴向上挤压到从转子叠片组的端面伸出的导体棒上，
-紧接着或者同时对轴向推置的短路环盘进行热成形。
提出的目的同样还通过一种具有根据本发明的方法中任一项制成的鼠笼式转子的异步电机来实现。
提出的目的同样还通过一种设置在具有至少一个配备有根据本发明的方法制造的鼠笼的异步电机的压缩机、传送驱动器或交通工具驱动器中的异步电机实现。
根据本发明，现在代替公知的压铸法，用微焊接和热变形处理的组合方式制造鼠笼，也就是制造导体棒与短路环盘的连接。
在此，首先将各个转子片堆叠或压叠成完成的转子叠片组。在此，无论是否存在凹槽斜度，都在转子现有的凹槽中置入第一传导材料，例如置入拉制的铜棒。在此，这些导体棒从转子叠片组的端面伸出。为了将导体棒位置准确地固定在转子叠片组中，并且为了在紧接着的结合过程中与短路盘准确地固定在一起，而不在转子中产生不平衡，这些导体棒被相应的保持装置(可能是基体(Matrix)等等)保持在它们的位置上。导体棒从叠片组伸出的棒端部与短路盘电连接，该短路盘优选地由铝或铝合金制成，并且如此得到所述鼠笼式转子的短路环。
这种连接通过将短路环盘轴向地挤压到导体棒上，或者将导体棒轴向地挤压到短路环盘上，或者通过相对地轴向挤压(其中，导体棒和短路环盘朝向彼此运动)而实现。在此，导体棒在转子叠片组的相应端面上伸出。
这样的轴向挤压在考虑形变的理想温度范围以及最佳的形变速度的情况下进行。在此，塑性变形通过晶格中原子层的位错迁移而发生。温度提升有利于这样的迁移进而有利于克服原子晶格中的阻碍(例如分级位错、外来原子等等)。因此，从特定的与材料有关的温度界限开始，形变能力下降。相应材料的形变速度、温度和流变应力因此相互协调一致。
在此，在短路环盘的材料与导体棒之间形成微焊接。这种微焊接通过以下方式实现，即，导体棒与短路环紧密地相互摩擦，从而产生表面压力和额外的摩擦热。在此，局部地超出这些材料允许的剪切应力，并且通过导体棒与短路环之间的边界面上的扩散而产生材料过渡区。因此得到在微小区域内的焊接以及微焊接。
从几何上观察，短路环盘不一定实施为空心柱体。只有在导体棒范围内才设置实现导体棒在短路环中充分接触和固定的量的材料，从而形成高效的转子鼠笼。
短路环盘/短路环被加热超过其材料的再结晶温度，由此能够在作用力比较小的情况下实现热形变。
这样的形变使得晶格被预紧。材料得到加固。在高温下，在材料中发生再生及再结晶过程。然而，这个过程需要的时间随着形变速度的提高而减少。
这意味着，随着形变速度加快，提供给再生和再结晶过程的时间不断减少。于是在热形变时，会在材料中发生与速度有关的流变应力。
于是，在根据本发明的形变过程中，形变度、形变速度、温度和流变应力依据所使用的材料协调一致。然而流变应力不允许过高。
在此，对于纯铝99.7所追求的温度在350℃到400℃的温度范围内。对于所谓的铝锻造合金，由于存在合金成分，温度在400℃到500℃的范围内。通过短路环盘施加在导体棒上的轴向挤压力，导体棒便下沉到短路环盘的“面团式的”主体中。在这个接合过程中，在导体棒与短路环盘之间的接触面上发生上面提及的微焊接。同时，短路环通过热形变按照预设的保持短路环的工具轮廓而成型。在此，工具轮廓可以被加热超出预设的温度范围。
通过施加轴向的接合力，同时，堆叠的叠片组在轴向上压缩并得到加固。在上述接合过程结束以后，转子叠片组保持在拉紧的状态，因为导体棒与转子叠片组的端面上的短路环盘材料配合地连接。因此，不需要额外的形状配合连接。
一般而言，锻造合金是指具有高延展性(可塑造变形能力)、进而理想地适于热形变的材料组合，也就是说可以在不太费力的情况下实现高形变度。
优选地，使用由电导为大约58Ms/m的无氧拉制电工铜制成的铜棒作为导体棒。优选地，这些导体棒处于中等硬度到硬的状态(60HB到85HB，其中，HB代表布氏硬度)，从而避免导体棒在短路环盘的轴向接合力作用下的形变或甚至断裂。由此得出，导体棒的抗压强度必须大于接合过程期间的流变应力。该硬度范围相应于大约300N/mm2到400N/mm2的抗拉强度。
优选地，选择铝锻造合金作为短路环盘，因为它理想地适于热形变，因为在形变能力比较强的情况下，对于形变所需要的力比较小。于是，例如使用材料EN AW 6082或者ENAW 6060。这些材料EN AW 6082或者EN AW 6060尤其是处于符合标准DIN EN 515的软材料状态，例如T4。在这种状态下，能够实现最高的形变度。T4描述了一种通过固溶退火结合自然失效处理实现的相对软的状态。
在此，所述短路环盘从一个挤出拉制的柱体获得。在此，这些盘的轴向宽度是可调节的，这通过确定圆筒上的分离位置实现。
为了运行安全地接合，能够根据待相互耦合的材料(例如铜、铝或者其他的材料)设定以下参数，如温度以及接合速度进而还有形变速度。这意味着，根据选择的材料组合，上述的值是不同的。如果例如使用铝合金盘，即由铝锻造合金制成的短路环盘，那么温度处于500℃的范围内。在使用铜合金的情况下，所述温度大约在800℃。还有形变速度进而压置短路环盘的速度，在材料不同的情况下也都是不同的。
在此，短路环盘的铝合金标准值包括大约400℃到500℃的温度范围、0.5范围内的形变或形变度还有1l/s到4l/s的形变速度。
为了提高制造的鼠笼式转子的效率和转速适用性，可以同时和/或后续进行热处理。通过这种后续热处理，即所谓的退火，可以增加材料机械和电学性能，如拉伸强度和导电性。由于通过退火形成了精细分布的析出物，因此强度升高。这样的时效处理优选地在大约140到190℃的中等温度下进行，这也被称为热时效。
由此，例如能够对单个组件的、还有鼠笼式转子的整个保持架的抗拉强度和导电能力产生有利的影响。
于是，在使用符合标准EN AW 6060的材料时，通过在185℃的温度下进行连续10小时的退火，使得屈伸强度从80N/mm2提升到大约200N/mm2。还可以使短路环的导电能力从28MS/m升到34MS/m，因为在热处理期间，晶格中的应力减小。
所述热处理例如通过固溶退火连同后续的淬火来完成。因此，晶格中的应力降低并“冻结”。晶格的应力越小，导电能力越好。
因此获得的短路环的屈服强度比用压铸法制成的、含有铝99.6的短路环的屈伸强度高10倍。由此，例如无需在短路环上设置额外的箍的情况下，实现了ASM转子的更高转速。
如果延展性材料的负荷在屈服强度以下(也称为Rp-0.2-屈服强度),那么在去载荷后，其再次回复到其原始状态。在负荷更大的情况中，将引起塑性变形。在将高转速施加到转子上时，离心力作用在短路环上。屈服强度越高，相对于短路环的塑性变形的安全性就越高。
通过针对性地进行热处理，比纯铝更高的屈服强度值还可以再次提高。
于是，例如铝99.6的屈服强度为大约20N/mm2，而AlMgSi(EN AW6060)的屈服强度在热处理以后为大约200N/mm2。
在本发明的另一个设计方案中，短路环盘例如配备有闭合的外部径向轮廓，其由钢或另一种抗拉强度或屈服强度高的材料制成，从而使ASM实现更高的转速。
有利地，短路环盘具有用于导体棒的、预制的留空部，其在挤出技术中容易制成。在此，预设的留空部的几何横截面略微小于导体棒的棒体几何横截面，从而实现导体棒与短路环盘之间的过盈配合进而实现微焊接。
通过这个措施可以降低形变度和接合力，因为减少了材料置换。
有利地，铜棒在端部是倒角的，从而获得更好的定心效果并减小接合力。
通过径向平面内的倒角部的不同角度，在短路盘接合期间能够实现，理想地以均匀的方式将棒压到转子的叠片组的凹槽底部上。在此，外侧角度应选择地比内侧更大或更陡。
一个或者多个额外的平衡盘可以随处理过程形状配合地集成一体。同样可行的是，在短路环上成型有几乎任意地构造的叶片，其用于电机内部的空气循环。
这种制造方法的优点在于，避免了导体棒和短路环中的杂质。可能在铸造过程中因工艺自身而出现的缩孔，不会出现。此外，由于整个表面实现微焊接，在导体棒和短路环之间产生电安全的连接。
由铝制成的短路环由于相比铜制短路环具有更小的重量而具有较小的转动惯量，进而具有更高的转速适用性。
附图说明
借助在原理上示出的实施例来更详尽地阐述本发明以及本发明的有利设计方案。其中示出：
图1是异步电机的原理性的纵向剖面图，
图2至7示出了制造方法的原理性的表示方式，
图8以透视图示出了具有配置在一侧上的短路环的鼠笼式转子，
图9以透视图示出了贯穿具有配置在一侧上的短路环的鼠笼式转子的纵向剖面图，
图10是鼠笼式转子的另一种的实施方式，
图11是挤出型材。
具体实施方式
图1示出了具有定子2的异步电机1的原理性的纵向剖面图，定子2在其端面处形成绕组系统3，该绕组系统在那里构成绕组头。绕组系统3在此例如可以由不同或相同线圈宽度的弦形线圈、成型线圈、齿线圈构成。
转子18经由异步电机1的空隙17与定子2间隔开地布置。还具有转子叠片组5的转子18在转子叠片组5的端面15的区域内相应地具有至少一个短路环，尤其具有短路环盘7。短路环、尤其是短路环盘7连接并接触导体棒6，这些导体棒布置在转子叠片组5的未详尽示出的凹槽14内。
在此如图1所示，短路环、尤其是短路环盘7与轴19接触，从而完成短路环的热连接并进而在异步电机1运行时实现对短路环的冷却。
然而，同样也可以将短路环、尤其是短路环盘7与轴19间隔开。
因此，可以使短路环、尤其是短路环盘7与转子叠片组5的端面15和/或轴19间隔开。同样可以想到的是，短路环、尤其是短路环盘7与转子叠片组5的端面15和轴19接触，也就是与其分别贴靠。
通过在通电的定子2和由导体棒6及短路环盘7构成的转子18的鼠笼之间的电磁反应，使得轴19旋转。
图2以原理性的细节图示出了转子叠片组5，示例性地示出从该转子叠片组中有导体棒6伸出，并且通过轴向的接合力8将短路环盘7压置在该转子叠片组上。优选地，针对所有从转子叠片组5的端面15伸出的导体棒6同时进行这种轴向接合8。
图3示出，如何将短路环盘7压置在从转子叠片组5伸出的导体棒6上，然后在那里借助于微焊接实现电接触和固定。短路环盘7在此直接贴靠在转子叠片组5上。
图4示出了本发明的另一个设计方案，短路环盘7具有凹部11，其具有相对于导体棒6的几何横截面更小的尺寸，从而能够在导体棒6与短路环盘7之间实现充分的微焊接。此外，在此还至关重要的是，局部地超过短路环盘7和导体棒6的材料所允许的剪切应力，并且因此，通过在导体棒6与短路环盘7之间的边界面上的扩散而实现材料过渡区。
为了简化接合过程，根据图5，导体棒6的从转子叠片组15伸出的导体棒端部锥形地成型或者是尖的，为了使接合过程更容易，这样的处理在任何制造方式中都是有利的。
图6示出了根据图2和3的接合过程的原理，其中，通过接合过程能够在短路环盘7上发生材料过量21，因为通过导体棒端部的材料置换，材料被挤压到由工具提供的空余空间内。
正如在图7中示例性示出的那样，在此有利的是，能够通过这种材料过量21，能够在背离转子叠片组5的一侧上同时构造或者成型有平衡元件9抑或通风机叶片12。这是通过将材料过量21压入工具或装置的相应的预定的基体中而实现的。
同样可行的是，通过材料过量21将由另一种材料制成的附加的元件(如风扇扇叶12或平衡元件9)布置在短路环盘7的背离转子叠片组6的端面上。
图8以透视图示出了转子叠片组5，在其一侧上已经成型有短路环盘7。在转子叠片组5的另一侧上，导体棒6的倒角端部从转子叠片组5伸出，短路环盘7压制在该转子叠片组5上。同样也可以看到轴孔20，之后轴19热压配到该轴孔中，或者借助滑键连接与转子叠片组5抗扭地连接。
然而，轴19也可以在导体棒6与短路环盘7轴向接合过程8之前就与转子叠片组5抗扭地连接。
图9以纵向剖面图示出了转子叠片组5，在其中一侧上已经有短路环盘7轴向地推置到导体棒6的端部上，其中，除了将导体棒6构造为锥形以外，在短路环盘7中还产生材料置换21，其在短路环盘7的端面上构成类似风扇的叶片12。
类似风扇的叶片12也可以由独立的元件构成，其通过材料置换21被固定在短路环盘7的端面上。
同样地，这些类似风扇的叶片12也可以通过将导体棒6轴向地插过短路环盘7而构成。
图10以另一透视图示出了转子叠片组5上的短路环盘7，其中，短路环盘7的背离转子叠片组5的端面实施为平面，尤其是与转子叠片组5的端面平行。导体棒6的端部的端面与短路环盘7的端面齐平地终截。
图11示出了由短路环的材料制成的、优选地由铝锻造合金制成的挤压型材，其也具有相应的凹部11，并且根据异步电机1(ASM)的应用领域和性能，可以在轴向上切取另外的短路环盘7。
在转子叠片组5的每个端面15上还能够布置有多个相互绝缘布置的短路环或短路环盘7。转子18中相互电绝缘的鼠笼降低了异步电机的空隙17中的谐波，尤其是当定子2具有带有齿线圈的绕组系统3时，在此，定子2的每个齿都被齿线圈所包围。
这类机器有广泛的应用领域，不仅用于压缩机、风扇和泵领域中的标准应用场合，还用于它们的高转速应用场合，并且用在汽车技术中，从而能够安全、高效并且简单地制成。同样地，其他的驱动任务也是可以的。
Claims (11)
1.一种用于制造异步电机(1)的鼠笼式转子(4)的方法，包括以下步骤：
-提供具有基本轴向延伸的凹槽(14)的转子叠片组(5)，
-将由第一传导材料制成的导体棒(6)置入所述凹槽(14)中，使得所述导体棒(6)从所述转子叠片组(5)的端面(15)伸出，
-提供由被加热超过再结晶温度的第二传导材料制成的短路环盘(7)，
-在考虑温度范围、形变和形变速度的情况下，将至少一个所述短路环盘(7)在轴向上挤压到从所述转子叠片组(5)的所述端面(15)伸出的所述导体棒(6)上，其中，局部地超出这些材料的允许剪切应力，并且其中，通过在所述导体棒与短路环之间的边界面上的扩散而形成材料过渡区，
-紧接着或者同时对轴向推置的所述短路环盘(7)进行热成形。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述短路环盘(7)的温度范围在400℃到500℃，形变在0.5的范围内，形变速度在1至4(1/s)的范围内。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，第二材料优选是铝、铜或者铝合金或铜合金。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述导体棒(6)是倒角(10)的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述短路环盘(7)在所述导体棒(6)的区域内具有留空部(16)，所述留空部的横截面对应于所述导体棒(6)的横截面，并且至少在部分部段实施为小于所述导体棒的横截面，以确保在所述导体棒(6)与所述短路环盘(7)之间的微焊接。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，设置有由电导为至少58MS/m的拉制电工铜制成的至少一个所述导体棒(6)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，第一材料的抗压强度大于第二材料在接合过程期间出现的流变应力。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过同时的和/或后续的热处理提升所述鼠笼式转子(4)的短路环盘(7)的屈服强度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述短路环盘(7)是从挤出件(13)分离的盘。
10.一种异步电机(1)，具有根据前述权利要求中任一项所述的鼠笼式转子(4)。
11.一种驱动系统，尤其是压缩机、传送驱动器、或者交通工具驱动器，所述驱动系统具有至少一个根据权利要求10所述的异步电机。
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