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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Elektromotoren und deren
Herstellung, und insbesondere Verfahren zum Gießen von Rotoren für elektrische
Induktionsmotoren.
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Eine
Art von elektrischen Induktionsmotoren enthält einen rotierenden Anker
(Rotor), der von einem stationären
Wickelspulenfeld (Stator) umgeben ist. Wenn ein elektrischer Strom
durch die Statorwicklungen hindurch geleitet wird, wird ein Teil
des Stators, der als der Pol bekannt ist (der aus einem magnetisch
permeablen Material, wie etwa Eisen, bestehen kann), um welchen
die Wicklungen herumgewickelt sind, magnetisch erregt, was wiederum
eine elektromotorische Kraft auf den Rotor ausübt und bewirkt, dass er sich
dreht. Bei Fahranwendungen kann eine an dem Rotor angebrachte Welle
verwendet werden, um durch das Drehen eines oder mehrerer gekoppelter
Räder eine
Antriebskraft an ein Fahrzeug bereitzustellen. Ein derartiger Motor
kann bei Fahrzeugen besonders nützlich
sein, die sich entweder vollständig
auf elektrische Leistung verlassen oder Teil eines Hybridsystems
sind, bei dem der Elektromotor und eine Brennkraftmaschine (wie
etwa eine herkömmliche
Benzin- oder Dieselmaschine) zusammenarbeiten, um die Bewegungskraft
zu erzeugen.
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Ein ”Kurzschlusskäfig”-Rotor
ist ein geläufiges
Beispiel für
einen elektrischen Induktionsmotor und leitet seinen Namen von seiner
käfigartigen
zylindrischen Gestalt ab, bei der sich zahlreiche metallische Rotorstäbe oder
Stangen der Länge
nach erstrecken und um den zylindrischen Um fang einer Rotationsmittelachse
herum beabstandet sind. Die Stäbe
werden durch metallische Endringe in einer starren Beziehung zueinander
gehalten, so dass benachbarte Stäbe
und verbundene Endringe zahlreiche spulenähnliche elektrisch ununterbrochene Schleifen
bilden. Aufgrund der Nähe
des Rotors zum Stator induzieren Veränderungen bei dem im Stator erzeugten
Magnetfeld einen Strom in den hochgradig leitfähigen Schleifen, die durch
die Stäbe
und Endringe gebildet sind. Dieser Strom verwandelt den Rotor in
einen Elektromagneten, der sich bei dem Versuch, sich mit dem im
Stator erzeugten Magnetfeld auszurichten, drehen kann. Um die magnetische
Intensität des
Rotors zu erhöhen,
ist eine Reihe von Blechplatten (die typischerweise aus einem Material
bestehen, das einen niedrigeren magnetischen Widerstandswert als
Luft aufweist (d. h. magnetisch permeabler ist), wie etwa Eisen)
an der Welle oder einer zugehörigen
Spindel derart montiert, dass sie im Wesentlichen den gesamten Raum
zwischen der Welle und dem von den Stäben und Endringen gebildeten
Käfig besetzen.
Typischerweise kann ein verriegelnder Stanzprozess oder eine lockere
Schichtung verwendet werden, um alle Platten aneinander zu befestigen.
Darüber
hinaus kann ein Material mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit
(z. B. eine Beschichtung) verwendet werden, um einen elektrischen
Kontakt zwischen diesen zu minimieren. Das Zusammenwirken des geschichteten
Plattenstapels mit dem Strom, der durch die Schleifen des Käfigs fließt, trägt zur Stärkung des
von den Schleifen des Rotors erzeugten Magnetfelds bei und führt zu höheren Drehmomentniveaus,
die in der angebrachten Welle erzeugt werden. Um das erzeugte Drehmoment
auf einem relativ konstanten Niveau zu halten, können die Stäbe, die den Käfig bilden,
abgeschrägt
sein, um ein leicht spiralförmiges
Muster statt demjenigen zu definieren, das streng längsgerichtet
ist. Bei einer Form sind die Stäbe
und die Endplatten getrennt ausgebildete Strukturen, die durch gut
bekannte Techniken zusammengefügt
sind. Wie bei der Verbindung zwischen den Platten der Schichtung
kann ein nicht leitender Klebstoff verwendet werden, um die Stäbe an den
Nuten der geschichteten Blechplatten zu befestigen.
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Bei
einer weiteren geläufigen
Form können die
längs verlaufenden
Metallstäbe
direkt in die Nuten gegossen werden, sobald die Blechplattenstruktur
zusammengebaut ist. Das Gießen
eines Kurzschlusskäfigrotors
ist im Vergleich zum Zusammenbau aus Einzelteilen vorteilhaft, da
es die Kosten und die Fertigungsabweichungen, die mit zusammengebauten
Komponenten verbunden sind, reduziert. Wie bei den vorstehend erörterten
ausgebildeten Stäben ist
es wünschenswert,
die Gussstäbe
aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit herzustellen, wie etwa
Kupfer oder Aluminium. Das Herstellen des Rotorkäfigs durch Gießen wurde
herkömmlich
durch Hochdruckformgießen
oder Pressgießen
ausgeführt. Beim
Formgießen
wird geschmolzenes Material unter hohem Druck in wieder verwendbare
Gussformen gedrückt,
die typischerweise aus einem Werkzeugstahl hergestellt sind. Dieser
Prozess ist gut bekannt und er ist relativ kostengünstig. Beim
Pressgießen wird
das geschmolzene Metall mit einer niedrigeren weniger turbulenten
Geschwindigkeit mit höheren Drücken in
eine Gussform eingespritzt, die typischerweise ebenfalls aus einem
Werkzeugstahl hergestellt ist.
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Leider
weist jede dieser Formen des Kurzschlusskäfigrotorgusses Nachteile auf.
Insbesondere sind die Querschnittsabmessungen der in dem Blechstapel
ausgebildeten Kanäle,
die die Nuten für die
längs verlaufenden
Stäbe definieren,
typischerweise sehr klein (z. B. in der Größenordnung von 2 mm), wodurch
ziemlich große
Drücke
nötig sind
(typischerweise zwischen 13,789 und 34,473 MPa (2000 und 5000 Pfund
pro Quadratzoll (PSIG))). Während derartige
Drücke
eine schnelle Füllzeit
(in der Größenordnung
einer Zehntelsekunde) fördern,
führen sie
auch zu einer hohen Strömungsturbulenz
des geschmolzenen Materials und zugehörigen Gaseinschlüssen in
den relativ langen aber schmalen Kanälen und in den Endringen. Ein
spezielles Problem ist die erhöhte
Porosität
der Stäbe
und Endringe, die den Käfig
des Rotors bilden, speziell an dem vom Einspritzort des geschmolzenen
Materials entfernten Ende. Da das Verhalten von. Kurzschlusskäfigrotoren
in einer engen Beziehung mit dem elektrischen Anschluss zwischen
den Stäben
und den Endringen steht, ist eine derartige Porosität ungewünscht. Gleichermaßen problematisch
ist die Auswirkung, welche die Porosität auf die mechanischen Eigenschaften des
Gussrotors hat, speziell wieder an dem Ende, das von dem direkten
Anschluss und der zugehörigen
Fluideinführung
entfernt ist. Bei einem Rotordurchmesser von bis zu etwa acht Zoll
(20,32 cm), der mit Drehzahlen zwischen 10.000 und 15.000 Umdrehungen
pro Minute (U/min) rotiert, wird ein poröser Endring wahrscheinlicher
ausfallen als ein vollständig
verdichteter.
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Wie
vorstehend erwähnt
wurde, beinhalten sowohl der Druckformguss als auch der Pressguss die
Verwendung von Stahlgussformen, während im Wesentlichen reines
Aluminium mit seiner Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit
und niedrigen Kosten relativ zu Kupfer häufig als das Gussmaterial für den Läuferkäfig des
Rotors verwendet wird. Wenn ein derartiges Aluminium in geschmolzener Form
in Kontakt mit dem Werkzeugstahl einer Druckgussform oder einem
Presswerkzeuggussformsatz kommt, greift es das Eisen in der Gussform
auf aggressive Weise an. Daher ist die Lebensdauer derartiger Gussformsätze (deren
Ersatz kostspielig ist) ziemlich begrenzt.
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Eine
modernere Alternative war die Verwendung eines halbfesten Metallgusses
(SSM). Statt ein flüssiges
Metall zu verwenden, verwendet der SSM-Gussprozess Metall, das teilweise
fest und teilweise flüssig
ist, wobei die Konsistenz des Metalls ermöglicht, dass es bei relativ
niedrigen Drü cken
in Gussformen eingespritzt wird. Obwohl SSM die Wahrscheinlichkeit
einer Porosität
im fertig gestellten Teil relativ zu den vorstehend erörterten
Verfahren verringert, beinhaltet es ein komplexes Mischen oder Rütteln, um
die thixotropischen Eigenschaften des Materials auszunutzen und
ist daher kostspielig. Außerdem
kann es sehr schwierig sein, SSM mit hochreinem Aluminium, Kupfer
oder Legierungen daraus, welche oft sehr begrenzte Verfestigungsbereiche aufweisen,
zu regeln.
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Ein
weiteres Problem bei herkömmlichen Gusstechniken
besteht darin, dass das geschmolzene Material in jedem der Kanäle die Tendenz
zur Verfestigung (d. h. zum Einfrieren) aufweist, bevor es durch
die engen Durchgänge,
die in dem Blechstapel ausgebildet sind, hindurch und in den entfernten
Endring hineingeht. Diese Tendenz wird verstärkt, wenn die Temperatur des
Blechstapels relativ niedrig ist, da dieser dahin tendiert, wie
ein Kühlkörper für das strömende geschmolzene
Metall zu wirken.
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Es
wäre folglich
wünschenswert,
ein Gussverfahren zum Ausbilden von Kurzschlusskäfigrotoren für Induktionsmotoren
bereitzustellen, das das Auftreten von Porosität und der zugehörigen Verschlechterung
der mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Rotors verringert.
Es wäre
auch wünschenswert,
die Kosten eines derartigen Gusses niedrig zu halten.
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KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Wünsche
werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, bei der ein Verfahren
und eine Einrichtung offenbart werden, welche die nachstehend erörterten
Merkmale beinhalten. Gemäß einem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Gießen eines
Kurzschlusskäfig rotors offenbart.
Das Verfahren umfasst, dass eine Gussform um einen Blechstapelabschnitt
des Elektromotors herum ausgebildet wird, dass der Blechstapel erwärmt wird,
dass ein geschmolzenes Metall in die Gussform eingebracht wird,
dass das geschmolzene Metall und der Blechstapel derart gekühlt werden, dass
sich der Kurzschlusskäfigrotor
verfestigt, und dass der im Wesentlichen verfestigte Rotor aus der Gussform
entfernt wird. Im gegenwärtigen
Kontext bezeichnet der Begriff ”im
Wesentlichen” eine
Anordnung von Elementen oder Merkmalen, die, obwohl es in der Theorie
erwartet wird, dass sie ein exaktes Entsprechen oder Verhalten zeigen,
in der Praxis etwas nicht ganz exaktes verkörpern können. Folglich bezeichnet der
Ausdruck das Ausmaß,
um welches ein quantitativer Wert, eine Messung oder eine andere zugehörige Darstellung
von einem angegebenen Referenzwert abweichen kann, wobei dennoch
die Grundfunktion des fraglichen Gegenstands bewahrt wird. Ein wichtiger
Teil des Prozesses ist seine Verwendung niedrigerer Zufuhrdrücke (weniger
als 206,8 kPa (30 PSIG) gegenüber
herkömmlichen 13,789
bis 34,473 MPa (2000 bis 5000 PSIG)), um Turbulenzen und zugehöriges eingeschlossenes
Gas und damit einhergehende Porosität zu vermeiden, sowie, dass
das Erwärmen
des Blechstapels ihm genügend
thermische Masse bereitstellt, um ein vorzeitiges Einfrieren von
Aluminium zu vermeiden, so dass das geschmolzene Metall einen im
Blechstapel definierten Raum im Wesentlichen ausfüllt, der
dem Käfigabschnitt
des Kurzschlusskäfigrotors
entspricht, wobei der erwärmte
Blechstapel genügend
thermische Masse besitzt, um das geschmolzene Metall in einem im
Wesentlichen geschmolzenen Zustand zu halten, bis der Käfig im Wesentlichen
vollständig
ausgebildet ist. Eine Gussform zum Ausbilden des Rotors enthält einen
Hohlraum, der einen proximalen Endring, einen distalen (oder entfernten)
Endring und zahlreiche Kanäle
zum Ausbilden von Rotorstäben definiert,
welche eine Fluidverbindung zwischen den Endringhohlräumen herstellen.
Die Gussform kann um einen Blechstapel aus Rotorplatten herum ausgebildet
werden.
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Optional
besteht das geschmolzene Metall vorzugsweise aus hochreinem Aluminium,
hochreinem Kupfer oder Legierungen daraus. Zudem ist die Gussform
um den Stapel herum aus einer Sandkernanordnung hergestellt. Das
Sandkernbindemittel kann aus einem organischen Harz oder einem anorganischen
Bindemittel bestehen. Bei einer spezielleren Form kann eine auf
Sand basierende Mischung bis zu etwa 2 Gewichtsprozente des Bindemittelmaterials
umfassen. Das Sand/Bindemittel-Material wird in eine Kernkiste eingebracht
und dann in Abhängigkeit
von dem Bindemittel mit Hilfe eines Katalysators oder Wärme ausgehärtet. Die
ausgehärtete Sand/Bindemittel-Mischung
wird dann aus der Kernkiste entfernt, was zu einem Sandkern führt. Der Kernkistenhohlraum,
in den die Sand/Bindemittel-Mischung eingebracht wird, schafft die
für den
Sandkern benötigte
Geometrie. Die Sandkerne mit der korrekten Geometrie werden dann
zusammengebaut, um die Gussform zu schaffen. Die Gussformgeometrie
wird durch die Geometrie der Sandkerne gebildet, die verwendet werden,
um die Gussform zu bilden. Bei einer anderen Variation besteht die
Gussform, die um den Blechstapel herum ausgebildet wird, aus einem
beschichteten Stahlwerkzeug, wobei die Beschichtung das Stahlwerkzeug
vor einem direkten Kontakt mit dem eingegossenen geschmolzenen Metall
schützen
kann. Eine derartige Version wird als ein semipermanentes Werkzeug
betrachtet. Wie bei der Sandgusskonfiguration kann der innere Sandkern
des semipermanenten Werkzeugs verwendet werden, um eine Induktionserwärmung zu
ermöglichen.
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Bei
zusätzlichen
Optionen ist die Zeit zwischen dem Erwärmen des Blechstapels und dem Einbringen
eines geschmolzenen Metalls in die Gussform relativ kurz und beträgt in Abhängigkeit von
der Größe des Rotors,
der ausgebildet wird, vorzugsweise weniger als 2 Minuten (für größere Rotoren
ein klein wenig länger).
Darüber
hinaus kann das Heizungssystem wäh rend
des Einfüllprozesses
aktiv gehalten werden. Das Heizen bildet insofern einen wichtigen
Schritt, als es bei Situationen, in denen das geschmolzene Metall
im Wesentlichen aus reinem Aluminium besteht (oder einem Aluminium
mit ähnlichen
mechanischen und elektrischen Eigenschaften), bevorzugt ist, dass
der Blechstapel, in dem das geschmolzene Metall die Stäbe und die
zwei Endringe ausbilden wird, auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird,
um sicherzustellen, dass das geschmolzene Metall, das durch die
langen dünnen
in dem Blechstapel ausgebildeten Kanäle strömen gelassen wird, in einem
geschmolzenen Zustand verbleibt, da andernfalls ein Verstopfen des
Kanals auftreten kann. Das Einbringen des geschmolzenen Metalls
in die Gussform dauert vorzugsweise zwischen etwa 1 und 3 Sekunden,
obwohl festzustellen ist, dass die Zeit bei größeren Käfigen ein wenig langer sein
kann. Dies ist länger
als herkömmliche
Zeiten, welche typischerweise in Bruchteilen einer Sekunde gemessen werden
(wie etwa eine Zehntelsekunde), und ermöglicht eine weniger turbulente
Strömung.
Bei einer Form wird die Temperatur des Blechstapels zur Vorbereitung
für die
Aufnahme des geschmolzenen Metalls auf zwischen 426 und 649°C (800 und
1200 Grad Fahrenheit) erwärmt.
Darüber
hinaus kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung mit einer segmentierten
induktiven Heizstange unterschiedliche Temperaturen auf verschiedene
Teile des Blechstapels entlang seiner Länge aufbringen. Zum Beispiel kann
der Abschnitt, an dem die Endringe ausgebildet werden, auf eine
andere Temperatur erwärmt
werden als derjenige der Nuten. Gleichermaßen kann die Temperatur entlang
der Länge
der Nuten variiert werden.
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Zur
Definition des Käfigs
in der Gussform ausgebildete Hohlräume umfassen ein Paar von Endringen,
die relativ zueinander axial angeordnet sind, und zahlreiche im
Wesentlichen in Längsrichtung
verlaufende Stäbe,
die sich von einem ersten des Paars von Endringen zu einem zweiten
des Paars von Endringen derart erstrecken, dass die Stäbe und die
Endringe eine Vielzahl ununterbrochener Stromschleifen definieren.
Wie vorstehend angegeben, können
die Stäbe
relativ zu der axialen Dimension des Käfigs leicht abgeschrägt sein,
um eine glattere Verteilung des erzeugten Drehmoments zu fördern. Der
Blechstapel weist zahlreiche sich im Wesentlichen axial erstreckende
Nuten auf, die um den Stapelumfang herum verteilt sind. Wenn das
geschmolzene Metall in die Gussform eingebracht wird, strömt das Metall
in die Nuten, um die Stäbe
zu bilden, die, wenn sie verfestigt sind (wie etwa durch Abkühlen), eine
zylindrische käfigartige
Struktur bilden, die mit dem Stapel zusammenarbeitet. Wie vorstehend
angegeben, trägt
ein Erwärmen
des Stapels dazu bei, sicherzustellen, dass das durch die dünnen länglichen
Kanäle
der Nuten strömende
geschmolzene Metall nicht vorzeitig einfriert. Eine Art zur Erwärmung des
Blechstapels umfasst eine Induktionsheizung. Insbesondere kann eine
derartige Induktionsheizung erreicht werden, indem ein Heizelement,
wie etwa eine Induktionsspule, in einer axialen Mittelbohrung platziert
wird, die entlang des axialen Mittelpunkts des Stapels definiert
ist. Obwohl das Erwärmen
vor dem Platzieren des Stapels in der Gussform stattfinden kann,
findet eine derartige Erwärmung
bei einer bevorzugten Form statt, sobald der Blechstapel innerhalb
der Gussform platziert ist.
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Bei
einer spezielleren Form umfasst das Einbringen des geschmolzenen
Metalls in die Gussform die Verwendung einer Niederdruckquelle.
Im vorliegenden Kontext umfasst der Begriff ”Niederdruck” diejenigen
Werte, die notwendig sind, um eine vollständige Strömung des geschmolzenen Metalls
an alle Teile der längs
verlaufenden Stäbe
und die Endringe, die zwischen der Gussform und dem Blechstapel
gebildet sind, sicherzustellen, aber nicht so groß ist, dass
es einen anderen Porositätsgrad
aufweist als das geschmolzene Metall, wenn es sich in einem Ruhezustand
befindet. Wie vorstehend erörtert
wurde, ist ein Einleitungsdruck für geschmol zenes Metall in der
Größenordnung
von 13,789 MPa (2000 PSIG) oder mehr weit höher als derjenige, der im vorliegenden
Kontext als ein ”Niederdruck” angesehen
wird. Anders ausgedrückt
bedeutet das Einbringen des geschmolzenen Metalls durch die Niederdruckquelle, dass
sich das geschmolzene Metall in einem weniger turbulenten Zustand
befindet; auf diese Weise ist das Metall beim Abkühlen und
sich verfestigen im Wesentlichen frei von Porosität. Obwohl
die Erfinder entdeckt haben, dass Druckwerte von etwa 68,95 kPa (10
PSIG) im Allgemeinen ausreichen würden, um die gewünschte Strömung des
geschmolzenen Metalls zu erreichen, erkennen sie in der Tat, dass
Werte bis zu etwa 206,85 kPa (30 PSIG) verwendet und immer noch
als ”Niederdruck” betrachtet
werden können.
Bei einer Form kann die Niederdruckquelle ein Niederdruckofen, eine
Pumpe, eine Schwerkraftzufuhr oder eine Kombination daraus sein.
Wenn die Quelle beispielsweise eine Pumpe ist, kann sie eine herkömmliche
elektromechanische, pneumatische oder hydraulische Einrichtung sein.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Gießen eines
Rotors für
einen Elektromotor offenbart. Das Verfahren umfasst, dass eine Gussform
um einen Blechstapel herum ausgebildet wird, dass der Blechstapel
auf einen Betrag aufgeheizt wird, der ausreicht, um ein dorthin eingebrachtes
geschmolzenes Metall in einem im Wesentlichen geschmolzenen Zustand
zumindest solange zu halten, bis ein Kg, der mit dem Blechstapel
zusammenarbeitet, im Wesentlichen vollständig ausgebildet ist, dass
das geschmolzene Metall auf einen Betrag unter Druck gesetzt wird,
der ausreicht, um zu bewirken, dass das Metall durch einen Hohlraum
mit einer Gestalt, die im Wesentlichen einem ersten Endring entspricht,
der an einem Ende des Blechstapels ausgebildet werden soll, eine
Vielzahl von Kanälen,
die in dem Blechstapel ausgebildet sind, und einen Hohlraum mit
einer Gestalt strömt, die
im Wesentlichen einem zweiten Endring an einem entgegengesetzten
Ende des Blechstapels entspricht, so dass das geschmolzene Metall
die Hohlräume
und die Vielzahl von Kanälen
im Wesentlichen ausfüllt,
um nach einer Verfestigung des geschmolzenen Metalls den Rotor aus
dem Käfig
und dem Blechstapel einstückig
auszubilden, dass das geschmolzene Metall und der Blechstapel abgekühlt werden,
und dass der Rotor aus der Gussform entfernt wird.
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Optional
umfasst das Unterdrucksetzen, dass das geschmolzene Metall mit nicht
mehr als etwa 206,85 kPa (30 PSIG) unter Druck gesetzt wird, wobei
bei einer spezielleren Option der Betrag der Druckbeaufschlagung
weniger als etwa 68,95 kPa (10 PSIG) sein kann. Wie vorstehend angegeben, kann
ein derartiges Unterdrucksetzen aktiv durchgeführt werden, wie etwa mit einer
Pumpe, oder es kann auf passive Weise erreicht werden, wie etwa durch
eine Schwerkraftzufuhr, die eine ausreichende Haltedruckhöhe (NPSH)
bereitstellen kann. Bei einer anderen Option umfasst das geschmolzene
Metall entweder eine aluminiumbasierte Legierung oder im Wesentlichen
reines Aluminium. Darüber
hinaus umfasst das Erwärmen
des Blechstapels auf einen Betrag, der ausreicht, um ein dorthin
eingebrachtes geschmolzenes Metall in einem im Wesentlichen geschmolzenen
Zustand zu halten, ferner, dass der Blechstapel auf einer Temperatur
zwischen etwa 149 und 426°C
(300 und 800 Grad Fahrenheit) für
einen Gussvorgang mittlerer Qualität und zwischen etwa 426 und
649°C (800
und 1200 Grad Fahrenheit) für Gussvorgänge mit
hoher Integrität
gehalten wird, während
das geschmolzene Metall durch die Vielzahl von Kanälen strömen gelassen
wird. Im vorliegenden Kontext wäre
ein Hochqualitätsguss
nahezu vollständig
frei von Porosität,
während
ein Guss mittlerer Qualität
erwartungsgemäß eine gewisse
kleinere Porosität
in den Mittelringen oder zugehörigen
dicken Abschnitten der Gussteile aufweisen würde.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Gießen von
geschmolzenem Aluminium in zahlreiche Kanäle, die in einem Blechstapel
für einen
Rotor eines Elektromotors ausgebildet sind, offenbart. Das Verfahren
umfasst, dass eine Gussform um den Blechstapel herum ausgebildet
wird, dass der Blechstapel erwärmt
wird, dass zumindest ein Abschnitt des Blechstapels benachbart zu
der Vielzahl von Kanälen
auf einer Temperatur gehalten wird, die ausreicht, um das geschmolzene
Aluminium zumindest lange genug in dem geschmolzenen Zustand zu
halten, dass das geschmolzene Aluminium durch die Vielzahl von Kanälen hindurchlaufen
kann, dass ein ausreichender Druck auf das geschmolzene Aluminium
aufgebracht wird, um es durch die Vielzahl von Kanälen zu drücken, dass
das geschmolzene Aluminium durch die Vielzahl von Kanälen hindurch
strömengelassen wird,
dass das geschmolzene Aluminium und der Blechstapel derart abgekühlt werden,
dass sie zusammenarbeiten, um den Rotor als einen integrierten Rotor
zu definieren, und dass der Rotor aus der Gussform entfernt wird.
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Optional
kann das Erwärmen
des Blechstapels entweder mit einer einheitlichen Temperatur entlang
des Stapels ausgeführt
werden, oder es kann mit einem Temperaturgradienten entlang der
Stapellänge
ausgeführt
werden. In beiden Fällen
kann eine induktive Heizeinrichtung (wie etwa eine induktive Heizstange)
verwendet werden, um Hitze auf den Blechstapel aufzubringen. Bei
einer anderen Option wird die Temperatur für Hochqualitätsgussstücke bei mindestens
etwa 426°C
(800 Grad Fahrenheit) gehalten. Darüber hinaus beträgt der Druckbetrag,
der für
ausreichend erachtet wird, mindestens etwa 68,95 kPa (zehn PSIG).
Außerdem
kann ein derartiger Druck erreicht werden, indem eine Schwerkraftzufuhr,
eine Pumpe und/oder ein Ofen verwendet werden. Wie bei den vorstehenden
Aspekten vermeidet das vorliegende Verfahren, dass der Druck so hoch
sein muss, dass Gaseinschlüsse
und andere Indizien der Bildung von Porosität vermieden werden. Wie bei
den vorherigen Aspekten kann die Gussform aus einem sandbasierten
Material hergestellt werden, um ihr eine sandbasierte Struktur zu
geben. Zudem können
Bindemittel verwendet werden, um ihr eine permanentere selbsttragendere
Struktur zu geben.
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KURZBESCHREIBUNG DER MEHREREN
ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die
folgende genaue Beschreibung der vorliegenden Erfindung kann am
besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen
gelesen wird, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind und in welchen:
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1 eine
perspektivische Schnittansicht eines Motors zeigt, die im Speziellen
die Beziehung zwischen einem Stator und einem Kurzschlusskäfigrotor
zeigt, wobei letzterer gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt sein kann;
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2 den
Rotor des Motors von 1 zeigt, wobei die Verbindung
der Endringe und der längs verlaufenden
Stäbe sowie
die Platzierung des Blechstapels innerhalb des Käfigs betont sind;
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3 eine
rudimentäre
Form eines Käfigs zeigt,
bei dem die meisten Platten, die den Blechstapel bilden, entfernt
sind, um Spulenschleifen zu betonen, die durch die Stäbe und Endringe
gebildet sind;
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4A eine
Anordnung von Werkzeugen zeigt, die verwendet werden, um den Gussrotor
von 1 zu erzeugen;
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4B die
Draufsicht auf den Anschnitts- oder Zulaufkern entlang der Linien
B-B von 4A zeigt;
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5 ein
Fahrzeug zeigt, das einen Elektromotor verwendet, der einen gegossenen
Kurzschlusskäfigrotor
der vorliegenden Erfindung einsetzt, um zumindest einen Teil der
Fahrzeugantriebsbedürfnisse
bereitzustellen; und
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6 eine
elektrisch variable Kraftfahrzeuggetriebearchitektur zeigt, die
den gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Elektromotor enthalten und im Fahrzeug von 5 verwendet
werden kann.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit
Bezug zunächst
auf 1 ist ein Elektromotor 1 gezeigt, wobei
sich ein Rotor 10 in Ansprechen auf Veränderungen bei einem Magnetfeld
von einem Stator 30 dreht. Der Rotor 10 ist an
einer Welle oder einer Spindel 20 montiert, so dass die
Drehbewegung des Rotors 10 in Nutzarbeit umgewandelt werden
kann. Beispielsweise können
im Ende der Welle 20 ausgebildete Zähne 24 zur Interaktion
mit einer komplementären
Oberfläche
verwendet werden, um ein Rad, eine Riemenscheibe, einen Ventilator
oder dergleichen zu drehen. Bei der gezeigten Konfiguration, bei
der der Rotor 10 und der Stator 30 miteinander
nicht in Kontakt stehen, wird der Motor 1 als ein Induktionsmotor
bezeichnet, wobei die Prinzipien der reziproken Induktion von elektrischem
Strom und magnetischem Fluss bei angemessen ausgestalteten Strukturen
wohlbekannt ist. Ein Gehäuse 40 wird
verwendet, um den Rotor 10 und den Stator 30 zu
enthalten, wobei die Drehwelle 20 an dem Gehäuse 40 über ein
oder mehrere Lager 22 befestigt sein kann, die mit einer
Endplatte 42 interagieren können, die mit dem Gehäuse 40 ausgebildet
oder anderweitig daran befestigt ist. Wie zu sehen ist, umfasst
der Stator 30 einen magnetisch permeablen Pol 32,
der von zahlreichen Feldspulen 34 umgeben ist. Der Pol 32 kann
als eine Schichtung einzelner Platten zusammengesetzt sein (nachstehend
in Verbindung mit dem Rotor 10 genauer erörtert),
der wie ein Elektromagnet wirkt, wenn elektrischer Strom durch die Wicklungen
der Feldspulen 34 geleitet wird. Eine anfängliche
Verbindung mit den Spulen 34 kann von einer externen elektrischen
Quelle, wie etwa einer Netzleistung, einem Generator, Batterien
oder anderen herkömmlichen
Quellen stammen.
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Als
Nächstes
mit Bezug auf 2 und 3 wird der
Rotor 10 oft als ein Käfigrotor
bezeichnet und umfasst einen ersten Endring 11, einen zweiten Endring 12,
der relativ zu dem Endring 11 axial beabstandet ist, um
eine allgemein zylindrische Gestalt zu definieren, und eine Vielzahl
von Rotorstäben 13,
die sich im Wesentlichen der Länge
nach zwischen den Endringen 11 und 12 um den Umfang
der zylindrischen Gestalt herum erstrecken. In elektrischer Hinsicht
besteht jeder der Stäbe 13 und
die Endringe 11 und 12 aus einem leitfähigen Material,
so dass die Verbindung der Rotorstäbe 13 mit den Endringen 11 und 12 zahlreiche
allgemein rechteckförmige
Stromschleifen 14 erzeugt. Ein magnetisch permeables Material
(z. B. Eisen) ist innerhalb des Rotors 10 in dem Raum zwischen
den Stäben 13 und
den Endringen 11 und 12 derart platziert, dass
ein Strom, der durch die Schleifen 14 hindurch läuft, einen
stärkeren Magnetfluss
im Rotor 10 induziert. Vorzugsweise besteht das Material,
das zwischen den Stäben 13 und den
Endringen 11 und 12 platziert ist, aus zahlreichen gestapelten
Blechplatten, die entweder durch eine Verriegelung oder durch das
Gussteil zusammengehalten und an der Welle 20 montiert
sind. Eine derartige Konfiguration wird als ein Blechstapel 15,
eine Blechanordnung oder eine Variante davon bezeichnet. Da die
elektrische Leitfähigkeit
der Stäbe 13 und der
Endringe 11 und 12 wesentlich größer als
diejenige des Blechstapels 15 ist, wird der weitaus größte Teil
des elektrischen Stroms durch die ununterbrochenen Schleifen 14 geleitet,
die durch die Stäbe 13 und
die Endringe 11 und 12 gebildet sind. Auf die
zyklischen Veränderungen
des Magnetfelds von den benachbarten (aber nicht berührenden)
Elektromagneten, die im Stator 30 aufgebaut sind, bewirkt
somit der Rückwärts- und
Vorwärtsdurchgang
von Strom in den Schleifen 14, dass der Blechstapel 15 wie
ein Elektromagnet funktioniert, der den Rotor 10 zur Drehung
zwingt, um jeden Abschnitt 16 zu einem entsprechenden benachbarten
Pol 32 an dem Stator 30 hin oder davon weg zu
bringen, in Abhängigkeit
davon, ob sie die gleiche oder entgegengesetzte Polarität aufweisen.
Wie in 1 und 2 zu sehen ist, definiert die äußere Oberfläche der
Abschnitte 16 ein allgemein glattes Profil, das zur Definition
der allgemein zylindrischen Gestalt des Rotors 10 beiträgt, weil
es entlang des gleichen radialen Pfads mit den Stäben 13 und
den Endringen 11 und 12 liegt.
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Speziell
mit Bezug auf 3 sind die Komponenten gezeigt,
die zur Definition des Käfigs
des Kurzschlusskäfigrotors 10 verwendet
werden, wobei aus Klarheitsgründen
die meisten Platten, die den Blechstapel 15 bilden, entfernt
sind. Tatsächlich
sind nur drei der Platten 15A, 15B und 15C gezeigt,
jede mit Nuten 17, die am äußeren Umfang der Platte ausgebildet
sind und relativ zueinander um eine Distanz beabstandet sind, um
zu ermöglichen,
dass sie die längs
verlaufenden Stäbe 13 aufnehmen,
die darin ausgebildet werden. Wie vorstehend angegeben ist, werden
die Endringe 11, 12 und die Rotorstäbe 13 hergestellt,
indem sie in die Nuten 17 gegossen werden, die in den Platten
des Blechstapels 15 ausgebildet sind. Wie sowohl in 2 als
auch in 3 (sowie in 1)
gezeigt ist, sind die längs
verlaufenden Stäbe 13 relativ
zu der Längsachse
(welche mit der Welle 20 allgemein zusammenfällt) des
Rotors 10 ein wenig abgeschrägt, um eine gleichmäßigere Verteilung
des Drehmoments bereitzustellen, das auf den Blechstapel 15 und
die Welle 20 ausgeübt
wird. Eine der Schleifen 14 ist hervorgehoben, um einen
angenommenen Pfad zu zeigen (durch Pfeile gezeigt), den der elektrische
Strom während
eines Abschnitts eines wechselnden elektromagnetischen Zyklus nehmen
kann.
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Mit
Bezug als Nächstes
auf 4A und 4B in
Verbindung mit 3 ist die Werkzeuganordnung
einschließlich
einer Gussform 100 zum vertikalen Gießen des Kurzschlusskäfigrotors 10 gezeigt.
Wie auf dem Gebiet des Sandgusses wohlbekannt ist, definieren ein
Unterkasten, der einem Angusskanal/Absperrkern 160 entspricht,
und ein Gewölbe,
das einem Blechstapelkern 150 entspricht, untere und obere
Teile eines Hohlraums innerhalb der Gussform 100 (auch
Gusspaket genannt), bei dem ein Rahmen oder eine zugehörige Umhüllung die
jeweilige Blechstapelkernhälfte 150 und
Zulaufkernhälfte 140 definiert,
die den Gusssand enthalten und stützen, wenn das geschmolzene
Metall in die Gussform 100 gegossen wird. Ein Angusskanal/Absperrkern 160 ist
vertikal unter dem Zulaufkern 140 und dem Blechstapelkern 150 gelegen
und wird verwendet, um das geschmolzene Metall in die Gussform 100 einzubringen.
Die Hohlräume
sind in den Kernen 140 und 150 direkt über und
unter dem Blechstapel 15 ausgebildet, während die Sandkerne unter Verwendung
einer separaten Kernkiste (nicht gezeigt) hergestellt werden. Eine
Mischung aus Sand und Harz wird in die Kernkiste eingeblasen, während ein
Katalysator hinzugefügt
wird, um die Mischung auszuhärten.
Diese ausgehärtete
Harz-Sand-Mischung wird aus der Kernkiste entfernt und kann nun als
ein Sandkern mit anderen Sandkernen verwendet werden, um die Gussform 100 für den Guss
zu bilden. Bei einer bevorzugten Form sind der Blechstapelkern 150 und
der Zulaufkern 140 Sandgussformen, sie können aber
auch aus Werkzeugstahl hergestellt sein. Der Blechstapel 15 bildet
einen Teil der Vorlage, die innerhalb der Gussform 100 platziert wird
und von Sand umgeben ist. Anders als bei einigen Gusstechniken (z.
B. Hüllguss,
Feinguss und andere Sandgussarten) bei denen die Vorlage verloren geht,
wird der Blechstapel 15 Teil des fertig gestellten Produkts.
Wie vorstehend beispielhaft dargestellt ist, werden der Angusskanal/Absperrkern 160 und
der Zulaufkern 140 (sowie der Blechstapelkern 150) durch
herkömmliche
Kernherstellprozesse erzeugt, wobei der Angusskanal/Absperrkern 160 und
der Zulaufkern 140 zusammengebaut werden. Ein (nicht gezeigter)
Ausrichtungsstift kann verwendet werden und in dem Blechstapelsitz 170 platziert
sein, um die Platzierung des Blechstapels auf dem Zulaufkern 140 zu
unterstützen.
Nachdem der Blechstapel 15 auf dem Zulaufkern 140 platziert
wurde, wird der Blechstapelkern 150 über dem Blechstapel 15 platziert
und der Ausrichtungsstift (falls benötigt) wird entfernt. Wie vorstehend
angegeben ist, sind Sandkerne starr und werden vor der Gussformanordnung ausgebildet,
so dass die Blechstapel 15 in der ausgehärteten Gussform
platziert werden können.
Durchgänge
für ein
Steigleitungsrohr 110, einen Angusskanal 120 und
eine Absperrplatte 135, die in einer Nut 130 platziert
ist, die Teil des Angusskanal/Absperrkerns 160 ist, sind
in den Sandkernen ausgebildet, um zu ermöglichen, dass Metall in die
Gussform 100 strömt.
Die Absperrplatte 135 kann in die Nut 130 eingeführt werden,
um eine Strömung
aus geschmolzenem Metall selektiv abzusperren, sobald die Gussform 100 gefüllt ist.
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Wie
gezeigt ist, ist das Steigleitungsrohr 110 Teil eines Niederdruckofens
oder Pumpensystems 180, das den geschmolzenen Vorrat aus
einer Versorgung 190 entnimmt. Ein Ofen oder eine zugehörige Wärmezufuhr 195 kann
verwendet werden, um die Temperatur des Metallvorrats auf einen
Betrag zu erhöhen,
der ausreicht, um das Metall in einen geschmolzenen Zustand zu versetzen
oder es andernfalls darin zu halten. Der Angusskanal/Absperrkern 160 stellt
eine fluidtechnische Verbindung der Versorgung 190 mit
den Zuläufen 165 her,
die gewöhnlich mit
einer speziellen Anordnung und Größe entworfen sind und an dem
Teil angebracht sind. Sobald die Gussform 100 bereit ist,
wird geschmolzenes Metall von der Versorgung 190 durch
ein Steigleitungsrohr 110 an dem Angusskanal 120 und
an den Zuläufen 165 vorbei,
die im Zulaufkern 140 positioniert sind, an sie zugeführt. Bei
einer Form befinden sich der Blechstapel 15 sowie die Hohlräume, die
zum Ausbilden der Endringe 11, 12 und der Stäbe 13 verwendet werden,
zwischen dem Zulaufkern 140 und dem Blechstapelkern 150.
Zum Beispiel kann er auf halbem Weg positioniert sein; eine derartige
Platzierung ist jedoch kein notwendiger Teil der Erfindung, da die Gussform 100 an
anderen geeigneten Stellen aufgeteilt sein könnte. Wenn geschmolzenes Metall
durch die Absperrplatte 135, die in der Nut 130 platziert
ist, eingespritzt wird, wird es zuerst durch den unteren (d. h.
ersten) Endringhohlraum 11 geleitet und dann, sobald der
Hohlraum gefüllt
ist, beginnt das geschmolzene Metall mit dem Füllen der Rotornuten 17 nach oben,
um die Rotorstäbe 13 auszubilden.
Weil die Nuten 17 gleichzeitig gefüllt werden, steigt das geschmolzene
Metall gleichzeitig und tritt gleichzeitig in den oberen (d. h.
zweiten) Endringhohlraum 12 ein. Nachdem der Hohlraum gefüllt ist,
wird eine Absperrplatte (entweder aus Sand oder aus Metall) 135 in
die Absperrnut 130 eingeführt. Dies ermöglicht das
Entfernen der Gussform 100 vom Ofensteigleitungsrohr 110.
Im Fall eines Pumpensystems wäre
das Ofensteigleitungsrohr 110 durch ein elektrisch beheiztes Abstichrinnenrohr
ersetzt.
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Sobald
das eingegossene Metall genügend abgekühlt ist,
um sich zu verfestigen, kann die Gussform 100 entlang des
Zulaufkerns 140, des Blech stapelkerns 150 und
des Angusskanals/Absperrkerns 160 getrennt werden und der
Sand entfernt werden, um das Gussteil freizulegen, das von dem Angusskanal 120 durch
herkömmliche
Trenntechniken, wie etwa Sägen
oder Brechen an einer relativ dünnen Stelle
getrennt werden kann. Wie vorstehend angegeben, werden Fachleute
feststellen, dass andere alternative Entwürfe des Kurzschlusskäfigrotors 10 durch
die vorliegende Erfindung ausgebildet werden können, etwa Rotoren mit Stäben, die
entlang der Achse der Welle 20 vollständig ausgerichtet sind, sowie
andere Gestalten, die nicht speziell veranschaulicht oder beschrieben
sind. Obwohl das gezeigte und beschriebene Verfahren im Kontext
eines Vertikalgusses ausgeführt
ist, wird auch in Betracht gezogen, dass das geschmolzene Metall
in anderen Orientierungen in die Gussform 100 eingespritzt
werden kann, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise können
herkömmliche Entlüftungen
(nicht gezeigt) in der Form kleiner Löcher oberhalb der Oberseite
des zweiten Endringhohlraums 12 hinzugefügt werden.
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Ein
kleiner Druckbetrag (fiktiv so gezeigt, dass er von einer Pumpe 180 bereitgestellt
ist) wird verwendet, um das Füllen
des geschmolzenen Metalls in die Gussform zu. fördern, obwohl er weitaus kleiner
als derjenige ist, der beim herkömmlichen Druckguss
verwendet wird. Dadurch, dass der Druck niedrig gehalten wird, wird
das geschmolzene Metall sorgfältig
eingespritzt, wobei eine allgemein turbulenzfreie, im Wesentlichen
ruhige Strömung
des geschmolzenen Metalls beibehalten wird. Derart niedrigere Drücke können die
Einfüllzeiten
von einem kleinen Bruchteil einer Sekunde (z. B. etwa eine Zehntelsekunde)
auf nicht mehr als zwei oder drei Sekunden verändern. Sobald das Metall abgekühlt ist,
ist ein Kurzschlusskäfigrotor 10,
wie etwa der in 1 gezeigte, ausgebildet. Er
kann aus der Gussform 100 entfernt werden. Wie vorstehend
angegeben, können verschiedene
zu opfernde Strömungspfade
für geschmolzenes
Metall, wie etwa der Zulauf 165 und der Angusskanal 120,
mechanisch zerbrochen werden, wenn die Gussform 100 geöffnet wird
und der gegossene Rotor 10 entfernt wird, oder sie können durch Sägen oder
andere Mittel entfernt werden. Bei einer anderen Version kann der
notwendige niedrige Druck durch eine geeignet ausgestaltete Bodenfüllung bereitgestellt
werden. Wenn beispielsweise durch den Angusskanal 120 und
zugehörige
Zufuhrleitungen eine hinreichende Förderhöhe für geschmolzenes Metall geschaffen
wird, kann es sein, dass ergänzende
Druckbereitstellungseinrichtungen, wie etwa die Pumpe 180,
nicht benötigt
werden.
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Wie
vorstehend erörtert,
wird der Blechstapel 15 in die Gussform 100 eingebaut.
Vor dem Einbringen des geschmolzenen Metalls von der Versorgung 190 in
die Gussform kann eine induktive Heizstange 55 mit einer
Induktorhaltevorrichtung 50 in den zentralen Leerraum eingeführt werden,
der in den Platten des Blechstapels 15 ausgebildet ist,
wo die Welle 20 schließlich
befestigt wird. Durch Aufheizen des Blechstapels 15 wird
eine genügende
Menge an thermischer Masse vorhanden sein, um die Wahrscheinlichkeit
eines vorzeitigen Einfrierens des geschmolzenen Metalls in den Kanälen, die
nach dem Füllen
mit dem Metall den Käfigteil
des Rotors 10 bilden werden, zu minimieren. Die Induktorstange 55 kann
in Sektionen 55A, 55B und 55C unterteilt
sein, um variierende Wärmemengen
axial entlang des Blechstapels bereitzustellen. Mit einer derart
segmentierten Heizung und dem Temperaturgradienten, den separat
steuerbare Sektionen 55A, 55B und 55C erzeugen
können,
ist es möglich,
die thermische Behandlung anzupassen, was durchgeführt werden kann,
um eine gerichtete Verfestigung des Gussteils für eine verbesserte Robustheit
zu unterstützen.
Außerdem
kann die induktive Heizstange 55 so betrieben werden, dass
sie während
des Einfüllens
des geschmolzenen Metalls in die Gussform 100 eingeschaltet
bleibt. Fachleute werden feststellen, dass, obwohl drei getrennte
induktive Heizungssektionen 55A, 55B und 55C fiktiv
gezeigt sind, in Abhängigkeit von
den Heizungsbedürfnissen
mehr oder weniger derartige Sektionen umfasst sein können.
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Anstelle
der in 4A gezeigten sandbasierenden
Gussform 100 kann eine semipermanente Werkzeugstahlgussform
verwendet werden. In diesem Fall kann für die Gussform eine beschichtete Werkzeugstahlform
eingesetzt werden, bei der die Beschichtung (die zahlreiche Wiederholungen
des Rotorformens überstehen
kann) verwendet wird, um den Werkzeugstahl von einem direkten Kontakt
mit dem geschmolzenen Metall zu isolieren. Wenn das geschmolzene
Metall im Wesentlichen aus reinem Aluminium besteht, wie vorstehend
erörtert
ist, wird es den Abschnitt des Stahlwerkzeugs, das in Kontakt damit
kommt, heftig angreifen. Für
komplexe Gussteilgeometrien und Zulauf/Angusskanalgeometrien kann
ein Sandkern in die Werkzeugstahlgussform eingebracht werden, um
die Gussformanordnung zu vervollständigen.
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Mit
Bezug schließlich
auf 5 und 6 sind ein Beispiel einer Fahrzeuganwendung
und einer variablen Getriebearchitektur für den Elektromotor 1,
der gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist, gezeigt. Ein Kraftfahrzeug 200 kann
entweder eine hybride oder eine zugehörige die Reichweite erweiternde
Antriebsquelle verwenden, wobei entweder der Elektromotor 1 oder
eine herkömmliche Brennkraftmaschine 250 verwendet
werden kann. Bei einer Form kann die Brennkraftmaschine 250, statt
dass sie mit den Rädern
mechanisch verbunden ist (wie es bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen üblich ist)
als Backupsystem dienen, um die Reichweite des Elektromotors 1 zu
erweitern, wodurch sie als eine reichweitenerweiternde (statt eine
echte hybride) Leistungsquelle funktioniert. Wenn in einem solchen Fall
die Elektrizität
von der primären
Leistungsquelle (z. B. eine Bank fahrzeugeigener Lithiumionenbatterien 210,
die auch ein Batteriestapel genannt wird) beginnt, zur Neige zu
gehen, kann die Brenn kraftmaschine 250 verwendet werden,
um elektrische Leistung durch einen (nicht gezeigten) Generator
zu erzeugen, um die Batterien 210 wieder aufzuladen oder den
Elektromotor 1 direkt zu betreiben in Abhängigkeit
von dem Bedarf der Batterien 210 und der Leistungsanforderung
an den Rädern.
Ein Wiederaufladen der Lithiumionenbatterien 210 kann auch
stattfinden, wenn das Kraftfahrzeug 210 steht, indem der Batteriestapel
an eine herkömmliche
elektrische Steckdose zuhause oder an einer kommerziell verfügbaren Stelle
angesteckt wird.
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Bei
einer anderen Form kann ein hybrides Antriebssystem mit zwei Modi
verwendet werden. In einem derartigen Fall kann der Elektromotor 1 mit
der Brennkraftmaschine 250 zusammenarbeiten, so dass der
Elektromotor 1 für
einen Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit (z. B. bis etwa 16 Km/h
(10 Meilen pro Stunde)) und für
ein regeneratives Bremsen verwendet wird, während die Brennkraftmaschine 250 für einen
Hochgeschwindigkeitsbetrieb verwendet werden kann. Wie in 6 gezeigt
ist, kann ein elektrisch verstellbares Getriebe 300 mit
dem Elektromotor 1 ausgestattet sein, der durch die vorliegende
Erfindung hergestellt ist. Einer der primären Vorteile des elektrisch
verstellbaren Getriebes 300 besteht darin, dass es die
Drehzahl der Maschine des Fahrzeugs kontinuierlich variieren kann,
wodurch die Gesamtbetriebseffizienz durch Einstellen eines Punkts
mit optimaler Drehzahl und Last verbessert wird. Das Getriebe 300 ist
auch für
ein kontinuierliches regeneratives Bremsen, das ein weiterer wirkungsgraderweiternder
Entwurf ist, gut geeignet. Durch die Verwendung kontinuierlich variabler
elektrisch variabler Getriebebereiche mit Eingangsverzweigung und
Verbundverzweigung und mehreren festen Getriebeübersetzungen (z. B. vier) sowie
einer parallelen Elektromotorverstärkung und einem regenerativen
Bremsen kann das elektrisch verstellbare Getriebe 300 von
der maximierten Nutzbarkeit profitieren. Wie bei dem Motor 1 von 1 umfasst
das Getriebe 300 einen Rotor 310, der an einer
Welle 320 montiert ist und relativ zu dem stationären Stator 330 rotiert.
Wie zu sehen ist, umfasst das Getriebe 300 zwei Motoren 301A und 301B.
Die Welle 320 kann mit einer (nicht gezeigten) Antriebswelle
des Kraftfahrzeugs 200 funktional gekoppelt sein, zusammen mit
oder getrennt von der Antriebswelle, die mit der Brennkraftmaschine 250 gekoppelt
ist.
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Obwohl
einige beispielhafte Ausführungsformen
und Details zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt
wurden, werden Fachleute feststellen, dass verschiedene Änderungen
durchgeführt
werden können,
ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.