CN117015924A - 用于制造具有涂层短路环的短路转子的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过以下步骤制造异步电机(1)的短路转子(5)的方法：提供具有基本沿轴向延伸的槽(14)的转子(5)的叠片组(9)；将由第一导电材料制成的导体棒(6)插入槽(14)中，使得导体棒(6)从叠片组(9)的端侧(15)突出；提供能预设的数量的由第二导电材料制成的预冲压的单独叠片(8)，所述单独叠片各自具有预定轮廓；将这些单独叠片(8)中的每一个单独叠片依次沿轴向压装(10)到从叠片组(9)的端侧(15)突出的导体棒(6)上，其中，单独叠片(8)使从端侧(15)突出的导体棒(6)短路，从而形成短路环(7)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造异步电机的具有涂层短路环的短路转子的方法，以及异步电机本身及其在不同应用、优选工业应用中的用途。
背景技术
异步电机中的转轮或转子，即特别是短路转子，主要具有带有槽的堆叠的电叠片。它包含由铝或铜制成的电导体。导体的端部在叠片组的外部通过短路环连接。
电动旋转机器的短路转子在较低功率范围内(最高约1MW)采用压铸技术一次性制造。这种材料配合工艺的成本很高，因为模具价格昂贵且磨损相对较快。而且，这样制造的短路转子在制造过程中质量分散性比较大。例如，这表现为坩埚中熔体质量的变化，这是由于铸造过程中熔体的污染、由于脱模剂或工具上的磨损以及压铸件冷却时出现空腔或应力裂纹形成而造成的。
为了弥补所发生的质量损失，即使在低功率范围内，压铸过程也是在保护气体的影响下进行的。还提供具有多种通风选项的工具，或者甚至对熔体进行重新合金化。这些干预措施使得异步短路转子的效率得以提高，但需要附加的强度措施，其中，特别包括转速适用性，例如支撑环或使用合金以获得更高的强度值。
在更高性能范围或电动旋转机器的特殊应用中，各个导体棒通过短路环进行电气和机械连接。这例如通过软焊或焊接工艺来完成，如从DE 3413 519 C2和US 9570968 B1中可见。
然而，这里的缺点是，特别是在焊接过程的情况下，这些较大的电动机器具有短路环，该短路环具有外围焊料槽，该外围焊料槽必须在焊接过程期间完全被焊料填充。在这种情况下，只有突出到焊接槽中的转子棒的体积没有被焊料填充。由于焊料中银的比例较高等原因，在转子棒和短路环之间进行焊接连接并没有特别好的经济意义。
从EP 3402 057 A1已知用高轴向力将短路环压到导体棒端部上。这需要非常高的轴向力，以便在导体棒和短路环之间获得充分的接触。如果导体棒在叠片组中以一定角度布置(由于槽斜面可减少齿槽扭矩)，则存在导体棒弯曲的风险。
发明内容
由此出发，本发明的目的是提供一种用于制造异步电机的短路转子的方法，该方法避免了上述缺点。此外，所提出的短路转子应该具有相对良好的电特性并且还能够以经济的方式和方法制造。此外，将提供一种配备有该短路转子的异步电机，该异步电机具有用于各种工业应用、特别是用于增压机和压缩机的高效率。
所提出的目的通过一种用于制造异步电机的短路转子的方法来实现，该方法通过以下步骤：
-提供转子的具有基本沿轴向延伸的槽的叠片组，
-将由第一导电材料制成的导体棒插入槽中，使得导体棒从叠片组的端侧突出，
-提供能预设的数量的由第二导电材料制成的预冲压的单独叠片，所述单独叠片各自具有预定轮廓，
-将这些单独叠片依次单独沿轴向压装到从叠片组的端侧突出的导体棒上，其中，单独叠片将从端侧突出的导体棒短路并进而形成短路环。
该目的还通过根据本发明的方法制造的短路转子来实现，其中，短路环直接安置于叠片组上或者与叠片组间隔开。
该目的还能够通过具有根据本发明的短路转子的异步电机来实现。
该目的还通过一种特别是用于增压机、压缩机、输送设施或车辆驱动器的驱动系统来实现，该驱动系统具有至少一个根据本发明的异步电机。
根据本发明的方法提供了一种以简单方式和方法显著降低高性能短路转子的制造成本的方法。将单独叠片沿轴向压装到导体棒上需要相对较小的力。根据需要，能够无需大的耗费而改变短路环的轴向高度。此外，热处理仅作为一种选择提供，因此在制造过程中不必提供加热阶段和冷却时间。因此，在导体棒和单独叠片之间形成具有相对高的电导率的接触连接，这也减少了短路环中的热损失。
该方法因此也能够以简单的方式和方法自动化。
因此，导体棒和单独叠片之间的这些接触连接配备有低电阻，该电阻在异步电机的使用寿命期间也保持不变。
在根据本发明的方法中，尤其是冲压的单独叠片(单独叠片总体上形成短路环)在冷状态下，即在室温或环境温度下，以尺寸过大的方式沿轴向压装到导体棒上。与压装整个短路环相比，通过沿轴向压装单独叠片，轴向接合力被分散并因此显著减小。例如，轴高为100的转子的接合力小于50kN。因此用于容纳在单独叠片中的导体棒的过盈能够设置得更高，这首先带来导体棒与单独叠片之间的接触的持久改进。
为了进一步减少热损失，导体棒(优选为铜棒)在被轴向地插入槽中之后通过单独叠片的沿轴向的压装而被压缩，并且因此至少在局部抵靠在槽的侧壁上。
替代地，导体棒不仅能够被轴向压缩，而且(如果存在的话)还能够经由槽中的槽开口被填缝。
例如由铝(Al)或铜(Cu)制成的单独叠片能够使用冲压工艺生产，并因此具有冲压技术中常见的μm范围内的高精度。以此方式，能够精确地设置导体棒与单独叠片的容纳部之间的过盈。
在一个实施例中，单独叠片中的容纳部在圆周方向上封闭，这附加地改进了接触。这在挤压的短路盘中是不可行的。
显而易见地，单独叠片的容纳部也能够设置有径向向外的狭槽。
在另一实施例中，导体棒、至少导体棒从转子的叠片组的后续突出部涂覆有由Al、锡或可焊接合金制成的电镀层。
该涂层具有多种功能：
它能够防止导体棒的表面氧化，特别是当导体棒由铜制成时。这种氧化将增加从导体棒到短路环的单独叠片的过渡处的电阻，这将导致短路环中不必要的热损失。
此外，当单独叠片被轴向推到导体棒的突出部上时，该涂层充当润滑层。测试表明，由于单独叠片的串联接合，该涂层在此几乎不会磨损，因此即使是“最后”被推上的单独叠片，突出端上也有足够的润滑剂层。因此，即使当外部最后的单独叠片轴向接合时，在导体棒的突出部上也存在足够的涂层。
可选地，待连接表面上的剩余层(单独叠片的容纳部的内部和导体棒的突出部的相应外部)能够用于扩散工艺。为此，在冷的或环境温度下压制的单独叠片通过外部感应线圈短暂加热。
在此，由单独叠片制成的短路环被加热到高于涂层熔点的温度。在锡涂层的情况下，则温度范围为300℃。
该层短暂液化并再次凝固。该工艺使单独叠片的容纳部中的在μm范围内观察到的不平坦冲压表面变得平整。因此，每个单独叠片的容纳部与导体棒的突出部的抵靠表面在短路环区域中是整个表面。此外，在导体棒的涂层和短路环的单独叠片之间发生扩散过程，扩散过程引起导体棒和单独叠片之间的电连接的改进。
在单独叠片的制造中，特别是通过冲压工具的制造中，能够根据需要而无需大量耗费地设定叠片厚度和/或直径以及容纳部的数量和/或轮廓。
这些单独叠片的内径优选等于或大于转子的叠片组的轴直径和/或小于或等于转子的叠片组的外径。
当异步电机运行时，单独叠片(即短路环)与轴之间的直接接触可能导致热量通过轴散发到外部。
利用工艺将单独叠片“冷”压到导体棒的端部，以形成异步电机的短路转子的涂层短路环，也能够用于制造倾斜的转子叠片组。通过与接合整个短路环相比降低的结合力能够防止以倾斜的方式从芯突出的导体棒在连接过程中扭转或弯曲。在此，在转子叠片组的轴向长度上的倾斜为转子的槽距(即两个相邻槽之间的周向距离)的0.3至3倍。
通过根据本发明的方法还能够制造与叠片组轴向间隔开的短路环。这能够通过具有止动件的突出部或通过可调节的轴向接合力和可调节的轴向结合路径将单独叠片轴向精确地定位在导体棒的突出部上来实现。
原则上，对于所提到的每种设计方案，单独叠片和导体棒之间都具有良好的导电连接。不寻求短路环的相应单独叠片之间的轴向导电接触，并且即使有的话也只会在相对较小的程度上发生，但这对于异步电机的运行来说是次要的。
以这种方式制造的短路转子能够使异步电机具有相对较高的效率，从而为大量工业应用(例如增压机和压缩机)提供高效的驱动。
附图说明
基于原理上示出的实施例更详细地解释了本发明和本发明的进一步的有利设计方案；图中示出：
图1示出了具有短路转子的异步电机的基本纵截面图，
图2示出了基本制造过程，
图3示出了制造过程的立体图，
图4示出了具有轴向倾斜延伸的槽的基本制造过程，
图5示出了轴上的短路转子，
图6、图7示出了导体棒上的叠片的过大尺寸。
具体实施方式
图1示出了具有定子2的异步电机1的原理图，在定子的端侧上有绕组系统3的绕组头，该绕组头布置在定子2的基本上轴向延伸的槽中。设计为短路转子的转轮5或转子5径向地与定子2间隔开地布置并且与气隙16分隔开。
在此，导体棒6布置在转子5的叠片组9的基本上轴向延伸的槽14中并且从转子5的端侧15轴向突出。在此，基本上轴向延伸的槽14被理解为是指在其轴向走向中没有斜面的槽14，即平行于轴线延伸或者在其轴向走向中具有直至3倍槽距的槽14的斜面。
短路环7定位在这些突出部4上，短路环使一端侧15上的各个导体棒6短路。如在这种情况下，短路环7附加地与轴12接触，以便能够经由轴12散热。
然而，短路环7不连接到轴12的设计方案也是可行的。
在上述实施例中，短路环7基本上由单独叠片8构成，单独叠片被推到端侧15的导体棒6的轴向突出部4上，这将在下面更详细地描述。
通过定子2的载流绕组系统3与转子5的电磁相互作用，使得与轴12抗扭连接的转子5绕轴线13旋转。因此能够驱动增压机、传送带或压缩机等工作机器。
图2示出了短路环7的制造过程原则上如何进行的基本图示。在从转子5的叠片组9的端侧15突出的导体棒6的突出部4上，单独叠片8以相对较小的轴向接合力轴向地布置。在此，导体棒6相对于单独叠片8的相应开口具有过大尺寸17，例如这也能够在图6和图7中看出。
有利地，在此，导体棒6甚至能够在转子5的叠片组9内倾斜地延伸，而导体棒6不会由于轴向接合过程10而弯曲。
在此，从转子5的叠片组9的轴向长度上观察，导体棒6的倾斜能够直至3个槽距。从圆周方向看，在此，槽距是转子5的两个相邻槽14之间的距离。
因此，从轴向看，短路环7由多个单独叠片8组成，单独叠片分别与导体棒6良好地导电接触。端侧15上的单独叠片8之间的轴向良好导电接触不是必需的，因此不必通过附加的焊接工艺或锡焊工艺来支持，这显著简化了短路转子的构造。通过相应的单独叠片8对导体棒6的接触本身就足以为异步电机1提供具有相对较高效率的功能性短路转子。
因此，短路环7由多个单独叠片8组成。因此，短路环的制造过程中接合力被分散并且能够使用相对较小的设备(例如压力机等)来实现，因为所需的接合力相对较低。因此，现在也能够以简单的方式和方法制造倾斜的转子叠片，即具有槽14的倾斜的叠片组9，而没有导体棒6在突出部4的区域中弯曲的风险。
导体棒6、尤其铜棒的涂层确保避免氧化层，并且对于导体棒6与短路环7的相应的单独叠片8的接合工艺和连接表面而言是有利的。
通过导体棒6和单独叠片8中的容纳部20之间的至少在局部进行的压配合，即使在异步电机的热负载循环下也确保了连接的耐久性。
如果导体棒6能够突出超过短路环7，则它们在异步电机的运行期间用作风扇叶片。在此，短路环7(即堆叠的单独叠片8)的轴向厚度小于突出部4。在此，热损失从转子5的热区直接轴向排出。
图3示出了转子5的立体图，该转子具有叠片组9和位于叠片组9的端侧15上的导体棒6的突出部4。为了获得短路环7，现在在这些突出部4上将单独叠片8轴向地压装到突出部4上。每个单独叠片8被单独地压装，以便减小对于实心短路盘来说必要的轴向接合力。
转子5的叠片组9的槽14朝向气隙16封闭，但槽14同样能够至少部分地朝向气隙16敞开。在此，导体棒6，特别是铜，轴向插入到槽14中。
单独叠片8的容纳部20的横截面形状19相对于导体棒6的横截面形状18至少在局部具有过小尺寸，使得用于导体棒6和单独叠片8的接触的压制过程是必要的。
图4示出了导体棒6或导体棒的突出部4上的单独叠片8的组装过程的基本图示，其中，导体棒6在叠片组9中倾斜地布置在转子5的预定槽斜面上。由于单独叠片8，用于轴向推动10的力相对较小，从而避免了导体棒6在其突出部4的区域中的弯曲。
图5示出了带有叠片组9的转子5的局部立体图，其中，已经通过单独叠片8施加了短路环7。导体棒6从短路环7轴向突出，其保证异步电机1运行期间的空气紊流，从而产生冷却效果。在该实施例中，转子5的叠片组9与轴12抗扭地连接、尤其是热压配合。
图6示出了导体棒6和单独叠片8的容纳部20的横截面。在此示出了导体棒6的过大尺寸17，其导致了与相应的单独叠片8的压制和微焊接。
在此，在该实施例中选择过大尺寸17，使得导体棒6的横截面形状和单独叠片8的容纳部20的横截面形状相同。在此，单独叠片8的横截面形状的尺寸被设计得稍大，以保持过大尺寸，从而获得压配合。
如图7所示，在导体棒6的横截面形状18类似的情况下，单独叠片8的容纳部20被设计成，使得仅在某些部段处出现过大尺寸。因此，从单独叠片8上的导体棒6到相邻的导体棒6的后续电流流动也仅在这些部段处可行。
在此，容纳部20和导体棒6的横截面形状不必相同和/或在整个圆周上具有过大尺寸，而是也能够仅部段式地在导体棒6上存在过大尺寸的区域。
根据本发明的具有短路转子的这种转子5用在被设置为驱动系统的异步电机1中，特别是用于增压机、压缩机、输送设备或车辆驱动器的驱动系统。由于这种驱动系统的高运行时间，在此，通过节省能源成本和/或车辆中的电池系统实现更高的行驶里程，驱动系统的高效率对客户来说是有利的。
Claims (15)
1.一种用于制造短路转子(5)的方法，所述转子属于异步电机(1)，所述方法使用以下步骤：
-提供所述转子(5)的具有基本沿轴向延伸的槽(14)的叠片组(9)，
-将由第一导电材料制成的导体棒(6)插入所述槽(14)中，使得所述导体棒(6)从所述叠片组(9)的端侧(15)突出，其中，所述叠片组(9)是倾斜的，以使在所述叠片组的轴向长度上的轴向倾斜是所述转子的槽距的0.3至3倍，
-提供能预设的数量的由第二导电材料制成的预冲压的单独叠片(8)，所述单独叠片各自具有预定轮廓，
-将所述单独叠片(8)依次单独沿轴向压装(10)到从所述叠片组(9)的所述端侧(15)突出的所述导体棒(6)上，其中，所述单独叠片(8)将从所述端侧(15)突出的所述导体棒(6)短路进而形成短路环(7)。
2.根据权利要求1所述的用于制造短路转子(5)的方法，其特征在于，通过沿轴向压装所述单独叠片(8)或者单独的填缝工艺将所述导体棒(6)固定到所述槽(14)中，所述槽(14)中的所述导体棒(6)至少在局部抵靠相应的所述槽(14)的侧壁。
3.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造短路转子(5)的方法，其特征在于，所述单独叠片(8)具有与所述槽(14)的数量相对应的能预设的数量的容纳部(20)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造短路转子(5)的方法，其特征在于，所述导体棒(6)与容纳部(20)相比至少在局部是尺寸过大的，使得在轴向接合过程(10)中，所述导体棒(6)的第一导电材料和所述单独叠片(8)的第二导电材料的允许剪切应力在局部被超过，并且在此由所述导体棒(6)与所述单独叠片(8)之间的界面处的扩散引起材料转移，所述材料转移导致所述导体棒(6)和相应的所述单独叠片(8)的微焊接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造短路转子(5)的方法，其特征在于，第一材料优选是铜或铜合金，并且第二材料优选是铝、铜或铝合金或铜合金。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造短路转子(5)的方法，其特征在于，所述导体棒(6)尤其在突出部(4)的区域中是斜切的，即所述导体棒的尺寸减小。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造短路转子(5)的方法，其特征在于，所述单独叠片(8)在所述导体棒(6)的区域中具有容纳部(20)，所述容纳部的横截面形状基本对应于所述导体棒(6)的横截面形状，其中，所述导体棒(6)的横截面形状至少在局部大于所述容纳部(20)的横截面形状，即所述导体棒是尺寸过大的，以便获得所述导体棒(6)与相应的所述单独叠片(8)之间的微焊接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造短路转子(5)的方法，其特征在于，设有至少一个由拉制电解铜制成的、电导率至少为58MS/m的导体棒(6)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造短路转子(5)的方法，其特征在于，由所述短路转子(5)的同时的和/或随后的热处理提高所述单独叠片(8)的屈服点和/或增大所述导体棒(6)与所述单独叠片(8)之间的电导率。
10.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造短路转子(5)的方法，其特征在于，对所述单独叠片(8)进行冲压。
11.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造短路转子(5)的方法，其特征在于，所述单独叠片(8)的容纳部(20)具有闭合的轮廓或开槽的轮廓。
12.根据前述权利要求中任一项制造的短路转子(5)，其中，所述短路环(7)直接抵靠所述叠片组(9)或者与所述叠片组间隔开。
13.根据权利要求12所述的短路转子(5)，其中，所述短路环(7)的所述单独叠片(8)仅经由相应的所述导体棒(6)彼此电接触。
14.一种异步电机(1)，具有根据权利要求12或13所述的短路转子(5)。
15.一种驱动系统，尤其用于增压机、压缩机、输送设施或车辆驱动器，所述驱动系统具有至少一个根据权利要求14所述的异步电机(1)。
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