DE10014643C2 - Verfahren zur Herstellung eines Läuferkäfigs für einen Asynchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Läuferkäfigs für einen Asynchronmotor, welcher Läuferkäfig aus mehreren parallelen leitfähigen Stäben und zwei die Stäbe an ihren jeweiligen Enden verbindenden leitfähigen Kurz­ schlussringen besteht.

Asynchronmotoren bilden unter den Elektromotoren eine wichti­ ge Motorengruppe. Der meistgebrauchte Motor ist der Käfigläu­ fermotor, bei welchem am Läuferblechpaket ein Läuferkäfig be­ stehend aus mehreren parallelen Stäben, die in entsprechende axiale Ausnehmungen des Läuferblechpakets eingelegt sind, und zwei leitfähigen Kurzschlussringen, welche die einzelnen Stabenden miteinander verbinden, angeordnet ist. Solche Kä­ figläufermotoren kommen beispielsweise bei Traktionsantrieben im Bahnbereich zum Einsatz. Die Forderung nach steigenden Be­ triebsdrehzahlen von Asynchronmotoren stellt neben einer sehr guten elektrischen Leitfähigkeit auch besondere Anforderungen an die mechanische Festigkeit der Befestigungsverbindung zwi­ schen den einzelnen Läuferkäfigstäben und den Kurzschlussrin­ gen, insbesondere im Hinblick auf eine dynamische Beanspru­ chung. Hier ergeben sich jedoch Probleme, die aus den verwen­ deten Läuferkäfigmaterialien sowie den Herstellungsverfahren für den Läuferkäfig resultieren.

Die in das Läuferblechpaket eingelegten leitfähigen Stäbe be­ stehen in der Regel aus E-Kupfer, das eine gute Leitfähigkeit besitzt. Für die Kupferringe kann aufgrund der höheren Fes­ tigkeit eine CuCrZr-Legierung verwendet werden. Die Verbin­ dung der Stäbe mit den Kurzschlussringen erfolgt in der Regel durch Löten bei einer Temperatur zwischen 650°-750°C, wobei die Käfigteile der Temperatur für eine Dauer von ca. 10 min ausgesetzt sind. Bei Verwendung des genannten Kurzschlussringmaterials tritt jedoch ein Überalterungseffekt der Teil­ chen auf, egal ob es sich um eine lösungsgeglühte oder aus­ scheidungsgehärtete CuCrZr-Legierung handelt. Diese Überal­ terung führt zu einem extremen Festigkeitsverlust im Verbin­ dungsbereich, was der aufgrund der zu erzielenden immer höhe­ ren Betriebszahlen erforderlichen Festigkeit in diesem Be­ reich zuwiderläuft.

Ein anderes bekanntes Material, aus dem die Kurzschlussringe bestehen können, sind CuNi-Legierungen. Die Kurzschlussringe sind zur Erzielung einer hohen Festigkeit ausscheidungsgehär­ tet. Auch hier ergibt sich aber beim Zusammenlöten der Stäbe und der Ringe ein eklatanter Festigkeitsverlust, da durch das Erwärmen während des Lötens die Ausscheidungen im ausschei­ dungsgehärteten Legierungsmaterial in Lösung gehen. Die Fes­ tigkeitswerte können dabei um mehr als die Hälfte abnehmen.

Um die Festigkeitsprobleme zu kompensieren werden bei Läufer­ käfigen sogenannte Kappenringe aufgesetzt, die die Kurz­ schlussringe übergreifen und bei hohen Drehzahlen stabilisie­ ren. Hieraus resultiert aber ein erhöhter Montage- und Kos­ tenaufwand.

Für Rotoren mit hoher Zentrifugal- und Temperaturbelastung werden gemäß der WO 80/01169 ausscheidungshärtbare Kupferle­ gierungen verwendet, die zur Aushärtung einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Nachteilig dabei ist, dass sich keine op­ timalen Legierungseigenschaften einstellen.

Aus der JP 01293981 A ist es bekannt, beim Löten von aus­ scheidungshärtbaren Kupferlegierung die Lötumgebung zu küh­ len, um ein Erweichen der Kupferlegierung auf einen möglichst geringen Raum zu beschränken. Nachteilig dabei ist u. a., dass damit keine optimalen Ausscheidungsverteilungen und damit keine hinreichend hohe Festigkeit erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Läuferkäfigen mit hinreichender Festig­ keit im Verbindungsbereich zwischen den Stäben und den Kurz­ schlussringen anzugeben.

Zur Lösung dieses Problems ist ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art vorgesehen, bei dem als Material zumindest für die Kurzschlussringe eine ausscheidungshärtbare Metalllegie­ rung verwendet wird, wobei die Kurzschlussringe in einem thermischen Verbindungsprozess mit den Stäben verbunden wer­ den, wonach zur ggf. erneuten Bildung von Ausscheidungen in den Kurzschlussringen eine Wärmebehandlung erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht mit besonderem Vorteil eine dem eigentlichen thermischen Verbindungsprozess nachfol­ gende zweite Wärmebehandlung vor, die gezielt zur Ausschei­ dungsbildung und damit zur Einstellung der Festigkeit dient. Da im Rahmen der nachgeschalteten Wärmebehandlung wie be­ schrieben die eigentlichen, für die Festigkeit verantwortli­ chen Ausscheidungen gebildet werden, können vorteilhaft so­ wohl lösungsgeglühte, teilausgehärtete sowie vollausgehärtete Legierungen als Ausgangsmaterialien für die Kurzschlussringe verwendet werden, d. h., das Verfahren und die sich einstel­ lende Festigkeit im Verbindungsbereich ist nicht an den Aus­ gangszustand der verwendeten Legierung gebunden. Ausscheidun­ gen bilden sich also im Rahmen der zweiten Wärmebehandlung entweder erstmals im Falle lösungsgeglühter Legierungen, oder aber erneut im Falle teil- oder vollausgehärteter Legierun­ gen, deren Ausscheidungen im Rahmen des thermischen Verbin­ dungsprozesses in Lösung gegangen sind. Es werden sehr gute Festigkeitswerte erreicht, so dass in Abhängigkeit von der mechanischen Belastung auf Kappenringe verzichtet werden kann.

Die Wärmebehandlung erfolgt zweckmäßigerweise bei einer Tem­ peratur zwischen 300° und 600°C, insbesondere zwischen 400° und 500°C, auf jeden Fall bei einer Temperatur, die unterhalb der Löttemperatur, die wie beschrieben zwischen ca. 650°-­ 750°C liegt, ist. Die Dauer der Wärmebehandlung sollte we­ nigstens 15 min. vorzugsweise wenigstens 30 min, insbesondere wenigstens eine Stunde betragen, um sicherzustellen, dass die Ausscheidungsbildung in einem hinreichenden Maß erfolgt ist.

Die Verbindung der Kurzschlussringe und der Stäbe kann in ei­ ner Induktivlötvorrichtung durch Induktiv-Hartlöten erfolgen, wobei die Wärmebehandlung zweckmäßigerweise ebenfalls in der Induktiv-Lötvorrichtung erfolgt, so dass der Läuferkäfig der Lötvorrichtung nicht entnommen werden muss. Vor Durchführung der der Ausscheidungsbildung dienenden Wärmebehandlung sollte der Läuferkäfig jedoch weitgehend abkühlen. Alternativ zur Durchführung der Wärmebehandlung in der Induktiv- Lötvorrichtung kann diese auch mittels einer externen Wärme­ quelle wie bspw. einem Widerstandsheizring, der um den Kurz­ schlussring gelegt wird, erfolgen.

Neben den genannten Legierungen können generell solche Legie­ rungen verwendet werden, deren Ausscheidungen sich während des thermischen Verbindungsprozesses in Lösung befinden oder (teilweise) in Lösung gehen, und die während der Wärmebehand­ lung zur (erneuten) Ausscheidungsbildung neigen. Denkbar sind z. B. modifizierte CuCrZr-Legierungen mit reduziertem Cr- Anteil.

Als Metalllegierung wird zweckmäßigerweise eine CuNi- Legierung verwendet. Besonders gute Ergebnisse werden er­ zielt, wenn CuNiSi-Legierungen, insbesondere eine CuNi2Si- Legierung als Kurzschlussringmaterial verwendet wird.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ferner einen Läuferkäfig für einen Asynchronmotor, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, sowie einen Asynchronmotor, welcher einen derartigen Läuferkäfig auf­ weist.

Nachfolgend wird in Verbindung mit der Figur ein Ausführungs­ beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.

Die Figur zeigt als Teilschnittansicht eine Prinzipskizze ei­ nes Läufers 1 eines Asynchronmotors. Der Läufer besteht aus einem Läuferblechpaket 2 bestehend aus einer Vielzahl einzel­ ner, hintereinander geschichteter Läuferbleche, die eine mit­ tige Ausnehmung besitzen, durch die eine Welle 3 hindurch­ greift. Bei den Blechen handelt es sich um gewöhnliche Elek­ trobleche.

Am Umfang des Läuferblechpakets 2 sind mehrere axiale nutar­ tige Ausnehmungen 4 vorgesehen, in die jeweils ein Leiterstab 5 eines Läuferkäfigs 6 eingelegt ist. Die jeweiligen Enden der um den Umfang des Läuferblechpakets verteilt angeordneten Leiterstäbe 5 sind mittels jeweils eines Kurzschlussringes 7 verbunden. Der Kurzschlussring 7 besitzt an der den Stabenden zugewandten Seite eine Ringnut 8 (Lotwanne), in die die Stab­ enden eingreifen. Die Verbindung des Kurzschlussrings 7 mit den Stabenden erfolgt mittels eines Lotes 9.

Im Rahmen von Versuchen wurde ein aus einer CuNi2Si-Legierung mit einer Ausgangshärte von 160 HBS 10/1000 (Brinell-Härte 160) bestehender Kurzschlussring mit den aus E-Cu bestehenden Läuferstäben mit einem Hartlot L-Ag 44 in einer Induktiv- Lötanlage der Firma G. H. Induction verlötet. Das Kurzschluss­ ringmaterial war im Ausgangszustand ausscheidungsgehärtet. Die Temperatur des Lötbades betrug ca. 650°, der eigentliche Lötvorgang nach dem Aufheizen des Kurzschlussrings (Aufheiz­ zeit für den Kurzschlussring ca. 2-3 min) bei der Arbeits­ temperatur des Lotes dauerte ca. 5 min. Nach erfolgter Ver­ bindung des Kurzschlussrings mit den Leiterstäben wurde der Kurzschlussring auf Raumtemperatur abgekühlt und einer Härte­ prüfung unterzogen. Hierbei wurde eine deutliche Härteabnahme festgestellt, die Härte betrug lediglich 73 HBS 10/1000.

Anschließend wurde der Kurzschlussring induktiv in der Induk­ tiv-Lötanlage auf 475°C erwärmt und auf dieser Temperatur ca. 1,5 h gehalten. Nach der Abkühlung auf Raumtemperatur wurde erneut die Härte am Kurzschlussring gemessen. Die mittlere Härte betrug ca. 142 HBS 10/1000 und lag damit nur unwesent­ lich unter der Ausgangshärte.

Während des Zusammenlötens gingen die Ausscheidungen des aus­ scheidungsgehärteten Kurzschlussringmaterials ganz oder teil­ weise in Lösung, was zur Festigkeitsabnahme führte. Infolge der der eigentlichen Verbindungsbehandlung nachgeschalteten Wärmebehandlung bildeten sich im Kurzschlussringmaterial er­ neut Ausscheidungen, was wiederum zur Festigkeitszunahme führte. Mittels des erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmebehandlungsschritts kann wie gezeigt eine erneute Festigkeitserhö­ hung bis annähernd auf den Ausgangswert erreicht werden, so dass auf den Einsatz von Kappenringen zur Stabilisierung der Kurzschlussringe verzichtet werden kann, da eine hinreichende Festigkeit im Verbindungsbereich gegeben ist.

Für den Fall, dass eine lösungsgeglühte Legierung mit gerin­ gerer Ausgangshärte als bei einer ausscheidungsgehärteten Le­ gierung verwendet wird, kann mittels des nachgeschalteten Wärmebehandlungsschrittes ebenfalls eine hinreichende Festig­ keit erreicht werden.

Die Brinell-Härtemessungen wurden an einem kalibrierten, sta­ tionären Härteprüfer der Firma Wolpert, Typ Dia-Testor durch­ geführt. Parallel dazu wurde ein kalibrierter, mobiler Härte­ tester der Firma Krautkrämer-Branson vom Typ MIC10DL einge­ setzt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines Läuferkäfigs für einen Asynchronmotor, welcher Läuferkäfig aus mehreren parallelen leitfähigen Stäben und zwei die Stäbe an ihren jeweiligen En­ den verbindenden leitfähigen Kurzschlussringen besteht, bei welchem Verfahren als Material zumindest für die Kurzschluss­ ringe eine ausscheidungshärtbare Metalllegierung verwendet wird, wobei die Kurzschlussringe in einem thermischen Verbin­ dungsprozess mit den Stäben verbunden werden, wonach zur ge­ gebenenfalls erneuten Bildung von Ausscheidungen in den Kurz­ schlussringen eine Wärmebehandlung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei ei­ ner Temperatur zwischen 300°C und 600°C, insbesondere zwi­ schen 400°C und 500°C durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Wärmebe­ handlung wenigstens 15 min, vorzugsweise wenigstens 30 min, insbesondere wenigstens 1 h beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Kurzschlussringe und der Stäbe in einer Induk­ tivlötvorrichtung durch Induktiv-Hartlöten erfolgt, und dass die Wärmebehandlung ebenfalls in der Induktivlötvorrichtung oder mittels einer externen Wärmequelle erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalllegierung eine CuNi-Legierung verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass eine CuNiSi-Legierung, insbesondere eine CuNi2Si-Legierung verwendet wird.

7. Läuferkäfig für einen Asynchronmotor, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Asynchronmotor, umfassend einen Läuferkäfig nach An­ spruch 7.