DE102011008796A1

DE102011008796A1 - Verfahren zum Herstellen von Induktionsrotoren mit Leiterstäben, die eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, und dadurch hergestellte Rotoren

Info

Publication number: DE102011008796A1
Application number: DE102011008796A
Authority: DE
Inventors: Qigui Wang; Mark A. Osborne; Eugene C. Tuohy
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2011-09-01
Also published as: CN102136783A; US20110175484A1; US8701270B2

Abstract

Kurzschlusskäfigrotoren mit Endringen aus einem auf Aluminium basierenden Material, die mit Leiterstäben aus einem hochgradig leitfähigen und haltbaren Material (wie etwa Kupfer) verbunden sind, zur Verwendung in Elektromotoren und Verfahren zur Herstellung derselben werden beschrieben. Die Verfahren umfassen, dass Leiterstäbe durch Gießen oder andere Metallformverfahren in den Nuten eines Stahlblechstapels ausgebildet werden oder die vorgeformten oder vorgefertigten festen Leiterstäbe in den Längsnuten des Stahlblechstapels positioniert werden, wobei sich Stabenden aus den Enden des Stahlblechstapels heraus erstrecken, dass der überstehende Teil der Leiter (Stäbe) mit einer latent exothermen Beschichtung, die Al und ein oder mehrere chemische Elemente der Leiterstäbe enthält, optional beschichtet wird, dass der Stahlblechstapel mit Leitern (Stäben) in einer Gussform positioniert wird, die den Hohlraum von beiden Endringen des Rotors bildet, dass die Endringhohlräume mit Aluminiumschmelze gefüllt werden und dass ein Verfestigen der Endringe unter Druck ermöglicht wird. Alternativ können die Leiterstäbe und die Endringe separat hergestellt werden und mechanisch miteinander verbunden werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Induktionsrotoren für elektrische Maschinen und insbesondere Methodiken und Technologien zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und der Haltbarkeit von Rotoren, indem unterschiedliche leitfähige Materialien und Herstellungsprozesse zwischen Leiterstäben und Endringen verwendet werden, und Rotoren, die Leiterstäbe aufweisen, die aus hochgradig leitfähigen Materialien hergestellt sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zunehmende Anforderungen nach Kraftstoffeffizienz haben Hybridsysteme in der Kraftfahrzeugindustrie attraktiver gemacht. Zusätzlich zu einem herkömmlichen Verbrennungsmotor ist ein Elektromotor ein wichtiger Teil des Hybridsystems. Zur Verringerung der Herstellkosten des Hybridsystems sind viele der in den Hybridsystemen verwendeten Elektromotoren Induktionsmotoren mit Kurzschlusskäfigrotoren aus Aluminium- oder Kupferguss. Eine Betriebseigenschaft dieser Induktionsmotoren, die als ”Schlupf” bekannt ist, ist für gewöhnlich proportional zum elektrischen Widerstand im Rotor, speziell in den Leiterstäben. Ein Rotor mit geringerem Widerstand erzeugt einen geringeren Schlupf und einen größeren Wirkungsgrad bei lastführenden Arbeitspunkten. Die elektrischen Widerstandswerte von reinem Kupfer und reinem Aluminium ohne Defekte (wie etwa Leerstellen, Risse oder Oxideinschlüsse usw.) betragen 17,1 nΩm bzw. 26,4 nΩm. Bei gleichen Anforderungen für elektrischen Strom kann folglich das Verwenden eines Kupferrotors im Vergleich mit einem Aluminiumrotor zu einer Reduktion bei Widerstandsverlusten von 35,5% führen ((26,5 – 17,1)/(26,5 = 35,5%)).
Aufgrund seiner hohen Dichte und seines hohen Schmelzpunkts weist Kupfer jedoch Beschränkungen und/oder besondere Probleme bei Rotoranwendungen speziell für Hybridsysteme auf. Bei Hybridanwendungen wird aufgrund von Raumbeschränkungen bei Kraftfahrzeugen gewöhnlich ein Elektromotor mit hohen Drehzahlen (z. B. mehr als 10.000 U/min) benötigt. Kupfer mit hoher Dichte kann bei hoher Drehzahl eine sehr große Zentrifugalkraft und Massenträgheit erzeugen und kann die Haltbarkeit des Elektromotors wesentlich verringern. In der Praxis erlebt man oft eine vorzeitige Beschädigung der Rotorlager. Zudem werden Kupferrotoren für gewöhnlich im Druckguss (HPDC von high pressure die casting) hergestellt. Der hohe Schmelzpunkt von Kupfer (1083°C) verringert die Lebensdauer der Gussform erheblich und erhöht die Herstellkosten von Kupferrotoren.
Obwohl Aluminiumgussrotoren (Leiterstäbe und Endringe gemeinsam) die Nachteile der hohen Rotationsmassenträgheit und der geringen Gussformlebensdauer überwinden, die mit Kupfermaterial einhergehen, stellen die schlechten mechanischen Eigenschaften, insbesondere die geringe elektrische (reines Aluminium: IACS 62%, IACS = International Annealed Copper Standard) und thermische Leitfähigkeit von Aluminiumlegierungen eine große Herausforderung für ihre erfolgreiche Anwendung bei Elektromotoren dar, speziell wenn die Aluminiumguss-Leiterstäbe Gussdefekte aufweisen, die Heißriss-Sprünge, Porosität und Oxideinschlüsse usw. umfassen. Zudem bestehen die Aluminiumlegierungen, die zum Gießen von Kurzschlusskäfigrotoren verwendet werden, für gewöhnlich aus hochreinem Aluminium, hochreinen Aluminiumgusslegierungen oder elektrisch vergüteten Knetlegierungen, die alle aufgrund ihres geringen Fließvermögens, ihrer hohen Schwindungsrate (Dichtigkeitsänderung von flüssig zu fest), ihrer hohen Schmelztemperatur und ihres großen Erstarrungsbereichs (Temperaturdifferenz zwischen Liquidus und Solidus) usw. schwer zu gießen sind. Diese Eigenschaften der Aluminiumlegierungen mit höherer Reinheit erhöhen die Porosität und die Tendenz zum Heißriss, speziell an den Stellen, an denen sich die Leiterstäbe mit den Endringen verbinden, was zu einem Bruch zwischen den Leiterstäben und den Endringen führt. Darüber hinaus werden viele Kurzschlusskäfigrotoren aus Aluminiumguss durch einen Druckgussprozess hergestellt, um die dünnen und langen Leiterstäbe (Käfignuten) im Blechstapel zur Vermeidung von Spannungsrissen schnell zu füllen. Die während des Druckgussprozesses erzeugte eingeschlossene Luft und reichlich vorhandene Aluminiumoxide, die aufgrund der sehr hohen Fließgeschwindigkeit (etwa 60 m/s) beim Formfüllen vorhanden sind, können nicht nur die Qualität und Haltbarkeit des Rotors verringern, sondern auch die thermische und elektrische Leitfähigkeit des Rotors, speziell der Leiterstäbe, erheblich verringern. In der Praxis sieht man oft, dass die elektrische Leitfähigkeit des Aluminiumgussrotors (gegossene Leiterstäbe und gegossene Endringe) nur etwa 40–45% IACS beträgt. Aufgrund der in den Aluminiumgussleiterstäben vorhandenen Gussdefekte können die Leiterstäbe während eines Motorbetriebs brechen. Die gebrochenen Leiterstäbe werden die Leitfähigkeit des Rotors und die Motorleistung weiter verringern.
Es besteht daher ein Bedarf für einen verbesserten Rotor für eine elektrische Maschine und für Verfahren zur Herstellung verbesserter Rotoren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Induktionsrotoren für elektrische Maschinen und insbesondere Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und Haltbarkeit von Rotoren durch die Verwendung von Leiterstäben mit hoher Leitfähigkeit und hoher Haltbarkeit, wie etwa Kupferleiterstäben, zusammen mit leichten Aluminiumendringen. Die Erfindung kann auf Wechselstrom-Induktionsmotoren (AC-Induktionsmotoren) sowie andere Typen von elektrischen Maschinen angewendet werden, welche Gleichstrommotoren (DC-Motoren) umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Verbinden der Leiterstäbe aus Materialien mit hoher Leitfähigkeit und hoher Haltbarkeit, wie etwa Kupferleiterstäbe, mit Aluminiumendringen. Wenn die Leiterstäbe am Einbauort mit Endringen gegossen werden, werden sie zuerst in jeweilige Käfignuten des Blechstapels positioniert, wobei beide Leiterstabenden aus entgegengesetzten Enden des Blechstapels hervorstehen. Der hervorstehende Teil der Leiterstäbe kann nach Wunsch umgebogen oder verschweißt werden, um den Blechstapel zusammenzuhalten und zusammenzudrücken. Der herausragende oder hervorstehende Teil der Leiterstäbe kann auf Wunsch mit Aluminium, Aluminiumlegierungen (z. B. Al-12,6% Si) oder einer latent exothermen Beschichtung, die Al und chemische Elemente des Leiterstabs enthält, wie etwa Cu für die Kupferleiterstäbe, beschichtet werden, um die metallurgische Verbindung zwischen den Leiterstäben und den Endringen zu verbessern. Vor dem Guss der Endringe wird der Blechstapel mit den Leiterstäben in einer Gussform positioniert, die Hohlräume für beide Endringe aufweist. Das Endringmaterial kann beispielsweise aus reinem Aluminium, Knetlegierungen aus Leitaluminium, Aluminiumgusslegierungen oder deren Bestandteilen bestehen. Die Endringe können mit verschiedenen Gussprozessen gegossen werden, die Druckguss, Sandguss, Niederdruckguss, Pressgießen und dergleichen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Das Pressgießen ist zur Erzeugung von Endringen mit hoher Qualität mit minimaler Porosität und Oxiden besonders bevorzugt.
Die Leiterstäbe können auf Wunsch vorgeformt werden. Sie können durch einen beliebigen Metallformprozess hergestellt werden, was Extrusion, Schmieden, Gießen, Pulvermetallurgie usw. umfasst, aber nicht darauf begrenzt ist. Die Leiterstäbe können aus Kupfer, Silber, deren Legierungen, einer Extrusion mit reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, hochgradig leitfähigen Metallmatrix-Verbundwerkstoffen usw. hergestellt werden. Alternativ können sie in den Käfignuten des Blechstapels durch einen beliebigen geeigneten Prozess ausgebildet werden, der Gießen oder Pulvermetallurgie umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform können sowohl die Leiterstäbe als auch die Endringe separat mit verschiedenen Metallformprozessen hergestellt werden und dann unter Verwendung eines mechanischen Ansatzes zusammengefügt werden, wie etwa Schweißen, Verschrauben und andere Mittel.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines Kurzschlusskäfigrotors.
2 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines Stapels aus Stahlblechen.
3 ist eine Darstellung einer Ausführungsform der Leiterstäbe und der Endringe.
4 ist eine Darstellung einer Ausführungsform einer Leiterstabstruktur in einem Kurzschlusskäfigrotor.
5A–H sind Darstellungen verschiedener Ausführungsformen von Leiterstab-Querschnittsformen.
6 ist eine Darstellung, die eine Ausführungsform von Leiterstäben zeigt, die aus den Enden eines Blechstapels hervorstehen.
7 ist eine Darstellung von vier Rotoren, die in einem einzigen HPDC-Prozess hergestellt wurden.
8 ist eine Darstellung einer Ersatzschaltung eines dreiphasigen Induktionsmotors.
9 ist eine Darstellung einer näherungsweisen Ersatzschaltung für Bedingungen mit einem verriegelten Rotor.
10 ist eine Darstellung eines näherungsweisen Ersatzschaltbilds für Bedingungen ohne Last.
11 ist eine graphische Darstellung, die den geschätzten Rotorwiderstand und das Widerstandsverhältnis in einem Elektromotor zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Kurzschlusskäfigrotor ist ein Zylinder, der auf einer Welle montiert ist, die in einem Induktionsmotor rotiert. Er enthält längs verlaufende Leiterstäbe, die in Käfignuten eingesetzt sind und an beiden Enden durch Kurzschlussringe miteinander verbunden sind, wodurch eine käfigähnliche Form gebildet wird. 1 zeigt eine Darstellung einer Ausführungsform eines Kurschlusskäfigrotors. Der Kern des Rotors ist aus Stapeln elektrischer Stahlbleche aufgebaut. 2 zeigt eine Darstellung einer Ausführungsform eines Stapels aus Stahlblech.
Die Feldwicklungen im Stator eines Induktionsmotors bauen ein rotierendes Magnetfeld um den Rotor herum auf. Die Relativbewegung zwischen diesem Feld und der Drehung des Rotors induziert einen elektrischen Strom in den Leiterstäben. Diese Ströme, die in den Leitern der Länge nach fließen, reagieren wiederum mit dem Magnetfeld des Motors, um eine Kraft zu erzeugen, die an einer Tangente auf den Rotor einwirkt, was zu einem Drehmoment führt, um die Welle und den Rotor zu drehen. Als Folge wird der Rotor mit dem Magnetfeld herumgedreht, aber mit einer etwas langsameren Rotationsrate. Der Drehzahlunterschied wird Schlupf genannt und er steigt mit der Last an.
Die Leiterstäbe sind entlang der Länge des Rotors oft ein wenig geschrägt, wie in 3 gezeigt ist (d. h. die Leiterstäbe sind nicht rechtwinklig zu der Ebene des Endrings, wo der Endring an den Leiterstäben angebracht ist), um Geräusche zu verringern und um Drehmomentschwankungen zu glätten, die aufgrund von Interaktionen mit den Polstücken des Stators zu einigen Drehzahlvariationen führen können. Die Anzahl der Stäbe am Kurzschlusskäfig bestimmt, in welchem Ausmaß die induzierten Ströme an die Statorspulen zurückgekoppelt werden und somit den Strom durch diese hindurch. Die Konstruktionen, welche die geringste Rückkopplung bieten, verwenden Primzahlen von Stäben.
Der Eisenkern (Blechstapel) dient zur Führung des Magnetfelds über den Motor hinweg. Die Struktur und die Materialien für den Eisenkern sind speziell entworfen, um Magnetverluste zu minimieren. Die dünnen Schichten (Stahlbleche), die durch eine Lackisolierung getrennt sind, verringern zirkulierende Streuströme, die zu Wirbelstromverlusten führen. Das Material für die Kernbleche ist ein Stahl mit geringem Anteil an Kohlenstoff und einem hohen Anteil an Silizium mit einem elektrischen Widerstandswert, der ein Mehrfaches von reinem Eisen ist, wodurch Wirbelstromverluste weiter verringert werden. Durch den geringen Kohlenstoffgehalt ist er ein weichmagnetisches Material mit geringem Hystereseverlust.
Die gleiche Grundkonstruktion wird über einen großen Bereich von Größen sowohl für einphasige als auch dreiphasige Motoren verwendet. Rotoren für dreiphasige Motoren werden bei der Tiefe und der Gestalt von Stäben Variationen aufweisen, um der Entwurfsklassifizierung zu genügen.
4 zeigt ein Beispiel der Stabstruktur in einem Kurzschlusskäfigrotor. Der Querschnitt der Stäbe ist in der Längsrichtung gewöhnlich einheitlich, aber die Form und die Größe variiert mit den Stabmaterialien und insbesondere mit der speziellen Motorkonstruktion. 5 stellt Beispiele verschiedener Stabformen dar.
Die Käfige der Kurzschlusskäfigrotoren können hergestellt werden, indem Leiterstäbe, die aus einem hochgradig leitfähigen und hochgradig haltbaren Material hergestellt sind, mit kostengünstigen und leichten Endringen aus Aluminium, Aluminiumlegierungen oder Aluminiumverbundstoffen mechanisch oder durch Gießen am Einbauort zusammengefügt werden. Die Leiterstäbe sind allgemein aus einem von den Endringen verschiedenen Material hergestellt (beide Endringe werden typischerweise aus dem gleichen Material hergestellt). Bei der Verwendung hierin ist Aluminium ein von Aluminiumlegierungen und/oder Aluminiumverbundstoffen verschiedenes Material.
Geeignete hochgradig leitfähige und hochgradig haltbare Materialien für Leiterstäbe umfassen Kupfer, Silber oder deren Legierungen, Extrusion aus reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, hochgradig leitfähige Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, die leitfähige Partikel, Fasern oder Röhrchen enthalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Bei der Verwendung hierin enthalten die Metallmatrix-Verbundwerkstoffe mehr als etwa 50 Vol.-% eines Metalls und weniger als etwa 50 Vol.-% der leitfähigen Partikel, Fasern oder Röhrchen. Ein hochgradig leitfähiges und haltbares Material, das für die Leiterstäbe verwendet wird, sollte eine Leitfähigkeit, die größer als diejenige von gegossenem reinem Aluminium ist, und mechanische Eigenschaften aufweisen, die besser als diejenigen von wärmebehandelten Aluminiumgusslegierungen sind. Zum Beispiel weisen Leiterstäbe aus extrudiertem reinem Aluminium aufgrund der unvermeidbaren Gussdefekte in den Gussstäben eine höhere Leitfähigkeit als gegossene Stäbe aus reinem Aluminium auf.
Die Leiterstäbe können auf Wunsch in den Längsnuten des Blechstapels ausgebildet werden. Geeignete Herstellprozesse umfassen Gießen und Pulvermetallurgie (PM), sind aber nicht darauf beschrankt. Wenn ein Gussprozess verwendet wird und die Nuten im Blechstapel offen sind, wie in 2 gezeigt ist, kann flüssiges Metall oder ein halbfester Gießschlicker oder ein nicht mehr flüssiger Gießschlicker des Leiterstabmaterials von den Längsöffnungen der Stäbe aus unter Verwendung eines Pressgussverfahrens eingebracht werden, wobei eine Gussform einen Einguss aufweist, der der Geometrie einer Stabnutöffnung ähnelt. Die Stäbe können nacheinander hergestellt werden und der Blechstapel im Inneren der Gussform kann dann gedreht werden, um den nächsten herzustellen. Wenn die Nuten im Blechstapel geschlossen sind, kann das flüssige Metall des Leiterstabmaterials von den Enden der Nuten aus eingebracht werden. Alle Stäbe können gleichzeitig ausgefüllt werden, wobei jeder Stab einem Einguss zugeordnet ist, oder alle Stäbe können mit einem gemeinsamen kleinen Endring-Einguss verbunden sein. Die Breite des Eingussrings (in der radialen Richtung) ist vorzugsweise mindestens gleich der maximalen Dimension des Leiterstabquerschnitts.
Bei der PM-Technik oder dem PM-Prozess werden die Nuten mit Pulvern der Leiterstabmaterialien gefüllt, welche Kupfer, Silber, oder andere Materialien, reines Aluminium, eine Aluminiumlegierung, hochgradig leitfähige Metallmatrix-Verbundwerkstoffe usw. umfassen, aber nicht darauf begrenzt sind, und dann gepresst, um Leerstellen zu verringern. Nach dem Sintern können die Stäbe durch heißes isostatisches Pressen (HIPing) weiter gepresst werden, um die Porosität zu verringern und auch die Verbindung zwischen den Stäben und dem Blechstapel aufzubrechen. Der Prozess des heißen isostatischen Pressens trägt zur Sicherstellung dessen bei, dass die Leiterstäbe frei von Defekten sind.
Eine Herausforderung, die mit dem Herstellen der Stäbe in den Blechnuten verbunden ist, besteht darin, dass die Länge der herzustellenden Stäbe auf die Länge (Höhe) des Blechstapels begrenzt sein wird. Hinsichtlich der Gussform/Pressform-Konstruktion und der Komplexität des Herstellprozesses kann es schwierig und kostspielig sein, zu erreichen, dass sich beide Stabenden aus dem Blechstapel heraus erstrecken. Eine mögliche Lösung besteht darin, leitfähige und haltbare Drähte in jeder Nut zu platzieren und die Nuten dann mit flüssigem Metall oder Pulvern zu füllen. Die Drähte werden dann Teil der Leiterstäbe und werden sich zu den Endringen erstrecken.
Alternativ können die Leiterstäbe ohne Verwendung des Blechstapels vorgeformt werden. Die vorgeformten Leiterstäbe können durch verschiedene Herstellprozesse geschaffen werden, die Schmieden, Extrusion, Gießen, Pulvermetallurgie usw. umfassen, aber nicht darauf begrenzt sind. Ein bevorzugtes Verfahren ist die Extrusion. Das flüssige Stabmaterial wird in Ingots bzw. Gussblöcke oder große Stäbe mit verschiedenen möglichen Formen und Abmessungen gegossen. Die Ingots/Stäbe werden dann in einer oder mehreren Stufen extrudiert, um die endgültige Form und Abmessung auszubilden, wobei der Querschnitt ein klein wenig kleiner (etwa 10 bis etwa 50 μm) als der Querschnitt der Nuten im Blechstapel ist. Ein weiteres bevorzugtes Verfahren ist Gießen, speziell das Stranggießen. Das flüssige Metall wird unter Verwendung eines Stranggussprozesses direkt zu Stäben gegossen, die die gleiche Form und die gleichen Abmessungen wie der Nutquerschnitt im Blechstapel aufweisen. Die langen Gussstäbe werden vorzugsweise einem heißen isostatischen Pressprozess unterzogen, um jede mögliche Gussporosität zu beseitigen, bevor sie in die geeignete Leiterstablänge geschnitten werden.
Die Verwendung vorgeformter Leiterstäbe ermöglicht nicht nur die Verwendung eines hochgradig leitfähigen und haltbaren Materials, sondern auch die Möglichkeit, defektfreie Stäbe herzustellen. Im Allgemeinen können Schmiede- und Extrusionsverfahren jegliche Porosität in den Leiterstäben leicht entfernen.
Die Verwendung vorgeformter Leiterstäbe, die aus einem hochgradig leitfähigen und haltbaren Material hergestellt sind, zusammen mit leichten und kostengünstigen Aluminiumendringen kann nicht nur die Motorleistung verbessern, sondern auch Herstellungskosten verringern. Um die gleiche Motorleistung wie ein Kupferrotor zu erreichen, würde ein Aluminiumendring aufgrund seiner niedrigeren Leitfähigkeit (etwa 62% IACS) eine um mindestens 55% größere Querschnittsfläche als einer aus Kupfer benötigen. Da jedoch die Dichte von Kupfer das 3,29-fache der Dichte von Aluminium beträgt, würde das Gewicht des größeren Aluminiumendrings nur 47% des Gewichts eines Kupferrings betragen. Im Allgemeinen ist der Preis von Kupfer mindestens 20% höher als der von Aluminium. Folglich wird ein Aluminiumendring schätzungsweise etwa 60% weniger als sein Äquivalent aus Kupfer kosten.
Der verlängerte Teil der Leiterstäbe kann gerade sein (wie in 6 gezeigt), oder vor dem Eingießen am Einbauort mit den Endringen gebogen oder sogar zusammengeschweißt werden. Ein Biegen oder Verschweißen der Stabenden kann verwendet werden, um den Blechstapel zu verriegeln. Um den Luftspalt und den Eisenverlust zwischen den dünnen geschichteten Stahlblechen (etwa 0,3 mm dick) zu verringern, ist es gewünscht, den Blechstapel so eng wie möglich zu halten. In der Praxis wird der Blechstapel für gewöhnlich unter Verwendung von Punktschweißen oder einer Verriegelungsvorrichtung zusammengehalten. In beiden Fällen kann der Eisenverlust aufgrund der lokalen Stromverbindung zwischen den elektrisch isolierten geschichteten Stahlblechen erhöht sein.
Eine metallurgische Verbindung ist gewünscht, um den elektrischen Widerstand zwischen den Leiterstäben und den Aluminiumgussendringen zu verringern. Dies kann erreicht werden, indem die Stabenden, die aus dem Blechstapel hervorstehen, mit Aluminium oder Aluminiumlegierungen, wie etwa Al-12,6% Si, beschichtet werden. Die bevorzugte Wahl ist eine latent exotherme Beschichtung, die Al und chemische Elemente des Leiterstabs enthält, wie etwa Cu, Al oder andere. Die latent exotherme Beschichtung enthält vorzugsweise mindestens eines der chemischen Elemente, die in den Leiterstäben enthalten sind. Die latente exotherme Beschichtung ist im US-Patent Nr. 5,429,173 durch Wang et al. beschrieben, welches durch Bezugsnahme hier aufgenommen ist.
Wenn die Leiterstäbe vordem Eingießen am Einbauort mit den Endringen vorgeformt sind, wird es viel leichter, die Endringe, die eine einfache Form aufweisen, so zu gießen, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit eine gute Qualität in den Endringen erreicht wird. Daher kann das Gießen der zwei Endringe mit den vorgeformten Stäben durch eine Vielfalt von Gussprozessen ausgeführt werden, die Druckgießen, Sandgießen, Niederdruckgießen, Schleuderguss, Vollformgießen, Pressgießen, Thixoformen bzw. Semi-Solid-Casting, Feingießen usw. umfassen, aber nicht darauf beschrankt sind. Von diesen Prozessen ist das Pressgießen von halbfestem Gießschlicker besonders bevorzugt, um Endringe mit hoher Qualität mit minimaler Porosität und minimalen Oxiden zu erzeugen.
Aufgrund der relativ einfachen Form der Endringe kann das zu gießende Aluminiummaterial jede Art von Aluminiumlegierung sein, einschließlich Aluminiumknetlegierungen aus Leitaluminium, Aluminiumgusslegierungen, aluminiumbasierter Verbundstoffe oder sogar reines Aluminium, ohne Bedenken wegen Heißrissen und Schrumpfung, da die dünnen und langen Leitstäbe bereits vorgefertigt wurden.
7 ist eine Darstellung von Aluminiumgussrotoren, die in einem vertikalen Druckguss hergestellt wurden. Bei dem Beispiel können mehrere Rotoren in einer einzigen Gussform und einem HPDC-Schuss gegossen werden. Im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussrotorkäfigs je Gussform kann dies nicht nur die Produktivität erhöhen, sondern auch die Gussqualität wesentlich verbessern.

Tabelle 1 zeigt die Qualitätsverbesserung bei einer Ausführungsform der in dieser Erfindung offenbarten Verfahren. Durch die vorgeformten Leiterstäbe werden die Defekte beseitigt, die mit dem Gussprozess und Aluminiumlegierungen in den Leiterstäben verbunden sind, und auch die Defekte bei den Gussendringen werden mit dem Druckgussprozess (HPDC-Prozess) dramatisch verringert und mit dem Pressgussprozess mit halbfestem Aluminiumgießschlicker vollständig beseitigt. Tabelle 1. Ein Vergleich der Gussqualität von Induktionsrotoren, die mit verschiedenen Herstellverfahren gefertigt wurden.

Herstellverfahren	Gussdefekte
	Oxide (cm²)		Eingeschlossenes Luftvolumen (cm³)		Äquivalenter Kreisdurchmesser (ECD) der größten eingeschlossenen Luftblase (μm)
	Stäbe	Endringe	Stäbe	Endringe	Stäbe	Endringe
HPDC des gesamten Kurzschlusskäfigs einschließlich der Stäbe und Endringe	251	1199	3,65	16,8	208	685
HPDC der Endringe mit den vorgeformten Stäben	0	111	0	2,3	0	48
Pressguss von Endringen unter Verwendung eines halbfesten Aluminiumgießschlickers	0	0	0	0	0	0

Die reduzierten Defekte in den vorgeformten Leiterstäben können nicht nur die Haltbarkeit der Leiterstäbe, sondern auch des gesamten Kurzschlusskäfigrotors verbessern, speziell an den Stellen, an denen sich die Leiterstäbe mit den Endringen verbinden. Das Verlängern eines Teils der Stabenden in die Endringe hinein verbessert ferner den Scherwiderstand der Materialien an der Stelle, an der sich die Stäbe mit den Endringen verbinden und an denen die Scherbelastung während des Betriebs des Elektromotors auch am höchsten ist.
Zusätzlich zu dem vorstehend erwähnten Eingießen der vorgeformten Leiterstäbe in die Endringe am Einbauort besteht ein anderer Fertigungsansatz darin, die Leiterstäbe und die Endringe separat herzustellen, und sie dann mechanisch zusammenzufügen oder aneinander zu befestigen. Das mechanische Zusammenfügen oder Befestigen kann durch Ansätze erledigt werden, die Schweißen, Hartlöten und Weichlöten, Kleben, Bolzenverbindung, Schrauben, Nieten usw. umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. In diesem Prozess können die gleichen Materialien wie bei dem Verfahren mit Eingießen am Einbauort verwendet werden. Wenn mechanische Füge- oder Befestigungsverfahren verwendet werden, brauchen die Enden der Leiterstäbe nicht beschichtet zu werden und es wird keine Spezialbehandlung benötigt.
Beispiele geeigneter Verfahren zum Zusammenfügen der Leiterstäbe und der Endringe umfassen die folgenden, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Leiterstabenden können aus dem Blechstapel in beide Richtungen um ein paar Millimeter hervorstehen und können mit den festen Endringen unter Verwendung von Reibschweißen verschweißt werden. Beim Reibschweißen sind die Leiterstäbe und der Blechstapel stationär, aber die Endringe drehen sich mit hoher Geschwindigkeit und werden gegen die Enden der Leiterstäbe gedrückt. Die Reibung zwischen den Enden der Leiterstäbe und den Endringen erzeugt Hitze, um die Leiterstäbe und die Endringe lokal aufzuschmelzen und sie zusammenzufügen. Der Reibschweißprozess ist gut bekannt und die Parameter des Reibschweißprozesses variieren mit den Materialien, Größen und Geometrien der Leiterstäbe und der Endringe. Ein weiteres Beispiel besteht darin, die Enden der Leiterstäbe durch Löcher in den Endringen hindurch zu verlängern und sie mit den Endringen unter Verwendung von Laserschweißen, Lichtbogenschweißen, Rührschweißen oder ähnlicher Prozesse zu verschweißen. Die Länge der Verlängerung der Leiterstabenden liegt nahe bei der Dicke des Endrings. Beim Rührschweißen kann der Verbindungsabschnitt zwischen den Endringen und den Leiterstäben unter Verwendung eines rotierenden Teils lokal aufgeschmolzen werden. Noch ein anderes Beispiel besteht darin, die Leiterstabenden durch die Endringe hindurch und aus diesen heraus zu verlängern und die Leiterstäbe an beiden Enden der Endringe umzubiegen. Der umgebogene Abschnitt der Leiterstabenden kann an die Endringe einzeln oder unter Verwendung von Beilagscheiben angeschraubt werden, die den gleichen Innendurchmesser (ID) und Außendurchmesser (OD) wie die Endringe aufweisen. Die Bolzen/Schrauben- und Beilagscheibenmaterialien sind vorzugsweise reines Al oder Cu.
Die Ersatzschaltung eines Induktionsmotors ähnelt einem Transformator, wobei der Stator die Primärseite und der Rotor die Sekundärseite ist, wie in 8 gezeigt ist. Der Rotorwiderstand kann bewertet werden, indem ein DC-Test, ein Test mit verriegeltem Rotor und ein Test mit offenem Rotorkäfig (Test ohne Last) durchgeführt werden.
Der DC-Test kann verwendet werden, um den elektrischen Statorwiderstand (R₁) zu bestimmen. Der DC-Widerstand des Stators kann gemessen werden, indem ein DC-Strom an die Anschlüsse der Wicklung jeder Phase angelegt wird und der Messwert der Spannung und des Stroms aufgenommen wird (oder ein Ohmmeter verwendet wird) und der DC-Widerstandswert wie folgt bestimmt wird:
wobei i die Nummer der Wicklung darstellt (i = 1, 2, 3).
Danach kann der Mittelwert der Messwerte berechnet werden zu:
Dann ist der AC-Widerstand gegeben durch: R₁ = 1.15R_DC (3)
Wenn der Rotor verriegelt ist (d. h. am Laufen gehindert), gibt es keinen Rotationsschlupf, und s ist gleich 1. Die sekundäre Impedanz (Rotorimpedanz) wird viel kleiner als der Magnetisierungszweig und die entsprechende Ersatzschaltung kann zu der von 9 vereinfacht werden. Die Messwerte, die aus diesem Test beschafft werden sollen, sind:

a) Dreiphasenleistung P_{3ϕ_BL}
b) Leitungsspannung V_{L_BL}
c) Leitungsstrom I_BL

Aus diesen Messwerten können die Werte je Phase der Leistung P_BL und der Phasenspannung V_BL wie folgt erhalten werden:
Dann können R₂', Z_eq und X_eq unter Verwendung der folgenden Gleichungen erhalten werden:
R₂' = Z_eqcos(Ø_BL) – R₁ (9) X_eq = Z_eqsin(Ø_BL) (10) X₁ = X₂' = 1 / 2X_eq (11)
Wenn der Induktionsmotor ohne Last läuft, nähert sich die Rotordrehzahl der Synchrondrehzahl an. In diesem Fall wird der Schlupf sehr klein. Entsprechend wird die Sekundärimpedanz im Vergleich mit dem Magnetisierungszweig hoch. Die Ersatzschaltung kann durch diejenige von 10 angenähert werden. Die aus diesem Test zu beschaffenden Messwerte sind:

a) Dreiphasige Leistung P_{3ϕ_NL}
b) Leitungsspannung V_{L_NL}
c) Leitungsstrom I_NL

Aus diesen Messwerten können die Werte je Phase der Leistung P_BL und der Phasenspannung V_BL wie folgt erhalten werden:
Dann können R_w und X_m unter Verwendung der folgenden Gleichungen erhalten werden:
I_w = I_NLcos(Ø_NL) (16) I_m = I_NLsin(Ø_NL) (17)
11 zeigt einen Vergleich des geschätzten Rotorwiderstands zwischen dem Rotor mit Kupferstäben/Aluminiumringen und dem Aluminiumgussrotor, zusammen mit den Widerstandsverhältnissen des Rotors mit Kupferstäben/Aluminiumringen gegenüber demjenigen aus Aluminiumguss. 11 beruht auf den folgenden Annahmen: die Motorkonstruktion (Stabdimension und Endringgeometrie) ist für sowohl den Rotor aus Aluminiumguss als auch den Rotor mit Kupferstäben/Aluminiumringen identisch; die bei beiden Rotoren verwendete Aluminiumlegierung ist 6101-T61 (59% IACS-elektrische Leitfähigkeit); der Rotor mit Kupferstäben weist einen Stab-Füllfaktor von etwa 95% auf; und der Elektromotor weist einen Statorwiderstand (R1) von etwa 13 Ohm auf, und der Rotorwiderstand wird bei jeder Spannungserhöhung bei dem Aluminiumgussrotor um 3% bzw. beim Kupferrotor um 2% erhöht. Wie erwartet ist der Widerstand des Rotors mit Kupferstäben/Aluminiumringen niedriger als derjenige des Aluminiumgussrotors. Das mittlere Rotorwiderstandsverhältnis liegt bei etwa 0,63, was nahe bei dem erwarteten 59%/95% = 0,62 liegt.
Es können leichte und hochgradig leitfähige Aluminiumgussrotoren erzeugt werden. Die in den Aluminiumrotor am Einbauort eingegossenen Kupferleiterstäbe stellen eine viel bessere elektrische und thermische Leitfähigkeitsleistung als die Aluminiumgussstäbe bereit. Zudem sind Kupferstäbe allgemein fester als Aluminiumstäbe. Es ist wichtig, dass das bei einem ganz aus Aluminium gegossenen Rotor oder einem Kupferrotor an den Schnittstellen der Leiter (Stäbe) und der Endringe vorhandene Heißrissproblem beseitigt wird und die Haltbarkeit des Elektromotors somit deutlich erhöht wird.
Der geringe lineare thermische Expansionskoeffizient der Kupferstäbe bei den am Einbauort gegossenen Rotoren kann eine Spaltbildung im gestapelten Schichtstahl bei erhöhten Temperaturen erheblich verringern und somit den Wirkungsgrad der Elektromotoren verbessern.
Die am Einbauort eingegossenen Kupferstäbe können bei einer Verfestigung der Endringe als Kühlelemente dienen und zur Reduktion der Porosität in den Endringen beitragen. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der thermischen und elektrischen Leistung und der Haltbarkeit der Elektromotoren.
Die Verwendung vorgeformter oder vorgefertigter Leiterstäbe kann auch den potentiellen Stromkurzschluss zwischen den geschichteten Stahlblechen, der typischerweise bei gegossenen Leiterstäben beobachtet wird, beseitigen. Wenn Leiterstäbe in den Nuten des Blechstapels gegossen werden, kann das flüssige Metall in die Spalten zwischen geschichteten Stahlblechen gedrückt werden, was zu einem Stromkurzschluss zwischen den geschichteten Stahlblechen und einer Reduktion der elektromagnetischen Leistung des Rotors führt.
Ferner wird angemerkt, dass hier Beschreibungen einer Komponente oder einer Ausführungsform, die auf eine spezielle Weise ”ausgestaltet” ist oder um eine spezielle Eigenschaft oder Funktion auf eine spezielle Weise zu verkörpern, strukturelle Beschreibungen sind im Gegensatz zu Beschreibung der beabsichtigten Verwendung. Insbesondere beschreiben die Bezüge hierin auf die Weise, in der eine Komponente ”ausgestaltet” ist, eine existierende physikalische Bedingung der Komponente und müssen folglich als eine definierte Beschreibung der strukturellen Faktoren der Komponente aufgefasst werden.
Es wird angemerkt, dass Ausdrücke wie ”allgemein”, ”gewöhnlich” und ”typischerweise”, wenn sie hier verwendet werden, nicht dazu benutzt werden, um den Umfang der beanspruchten Ausführungsformen zu begrenzen oder um zu implizieren, dass einige Merkmale kritisch, essentiell oder auch nur wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Ausführungsformen sind. Stattdessen sind diese Ausdrücke nur zur Identifizierung spezieller Aspekte einer Ausführungsform oder zur Betonung alternativer oder zusätzlicher Merkmale gedacht, die in einer speziellen Ausführungsform verwendet werden können oder auch nicht.
Zum Zweck der Beschreibung und Definition von Ausführungsformen hierin wird angemerkt, dass die Begriffe ”im Wesentlichen”, ”erheblich” und ”in etwa” hier verwendet werden, um den naturgegebenen Grad an Unsicherheit darzustellen, der jedem/jeder quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderer Darstellung zugeschrieben werden kann. Die Begriffe ”im Wesentlichen”, ”erheblich” und ”in etwa” werden hier auch verwendet, um den Grad darzustellen, um welchen eine quantitative Darstellung von einem angegebenen Bezug variieren kann, ohne zu einer Veränderung bei der Grundfunktion des fraglichen Gegenstands zu führen.
Nachdem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail und durch Bezug auf spezifische Ausführungsformen derselben beschrieben wurden, ist es ersichtlich, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den Schutzumfang der Ausführungsformen zu verlassen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Obwohl einige Aspekte von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, wird insbesondere in Betracht gezogen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte begrenzt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5429173 [0036]

Claims

Rotor, der umfasst: ein Endringpaar, das aus Aluminium, Aluminiumlegierungen, Aluminium-Matrixbestandteilen oder Kombinationen daraus hergestellt ist; einen zylindrischen Stahlblechstapel, der zwischen dem Endringpaar positioniert ist, wobei der Stahlblechstapel eine Vielzahl von Längsnuten darin aufweist; eine Vielzahl von Leiterstäben in den Längsnuten des Stahlblechstapels, wobei die Vielzahl von Leiterstäben erste und zweite Enden aufweist, wobei die ersten und zweiten Enden an dem Endringpaar befestigt sind, wobei die Vielzahl von Leiterstäben aus einem hochgradig leitfähigen Material hergestellt ist, und wobei die Vielzahl von Leiterstäben und die Endringe aus verschiedenen Materialien hergestellt sind.
Rotor nach Anspruch 1, wobei das hochgradig leitfähige Material aus Kupfer, Silber oder Legierungen daraus; aus vorgeformtem extrudiertem reinem Aluminium oder Aluminiumlegierungen; oder aus Kupfer-, Silber- oder Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen, die hochgradig leitfähige Partikel, Fasern oder Röhrchen enthalten; oder Kombinationen daraus besteht.
Rotor nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Leiterstäben nicht rechtwinklig zu einer Ebene des Endrings, dort wo die Vielzahl von Leiterstäben befestigt ist, verläuft.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors, das umfasst, dass: ein Stahlblechstapel mit einer Vielzahl von Längsnuten bereitgestellt wird; eine Vielzahl von Leiterstäben bereitgestellt wird, die aus einem hochgradig leitfähigen Material hergestellt sind, wobei sich die ersten und zweiten Enden der Vielzahl von Leiterstäben aus den Längsnuten des Stahlblechstapels heraus erstrecken; der Stahlblechstapel mit der Vielzahl von Leiterstäben in den Längsnuten in einer Gussform platziert wird, die Hohlräume für ein Endringpaar an entgegengesetzten Enden des Stahlblechstapels aufweist, wobei sich die ersten und zweiten Enden der Vielzahl von Leiterstäben in die Hohlräume hinein erstrecken; und die Hohlräume mit Aluminium, Aluminiumlegierungen, Aluminiumverbundstoffen oder Kombinationen daraus gefüllt werden; wobei die Vielzahl von Leiterstäben und die Endringe aus verschiedenen Materialien hergestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Hohlräume unter Verwendung eines Gussverfahrens gefüllt werden, das aus Druckguss, Niederdruckguss, Sandguss, Pressguss, Schleuderguss, Vollformguss, Feinguss oder Kombinationen daraus gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst, dass die ersten Enden oder die zweiten Enden oder beide der Vielzahl von Leiterstäben umgebogen werden, bevor die Hohlräume gefüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst, dass die ersten Enden oder die zweiten Enden oder beide der Vielzahl von Leiterstäben miteinander verschweißt werden, bevor die Hohlräume gefüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Vielzahl von Leiterstäben [Engl: conductive bar] vorgeformt wird und wobei die vorgeformte Vielzahl von Leiterstäben in den Längsnuten platziert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Vielzahl von Leiterstäben in den Längsnuten des Stahlblechstapels ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors, das umfasst, dass: ein Stahlblechstapel mit einer Vielzahl von Längsnuten bereitgestellt wird; eine Vielzahl von vorgeformten Leiterstäben, die aus einem hochgradig leitfähigen Material hergestellt ist, in den Längsnuten platziert wird, wobei sich erste und zweite Enden der Vielzahl von Leiterstäben [Engl: conductive bars] aus den Längsnuten heraus erstrecken; ein Endringpaar bereitgestellt wird, das aus Aluminium, Aluminiumlegierungen, Aluminiumverbundstoffen oder Kombinationen daraus hergestellt ist; und die ersten und zweiten Enden der Vielzahl von vorgeformten Leiterstäben mit dem Endringpaar mechanisch verbunden werden; wobei die Vielzahl von Leiterstäben und die Endringe aus verschiedenen Materialien hergestellt sind.