DE102011101924A1

DE102011101924A1 - Verfahren, Formwerkzeug und Formwerkzeugsystem zum Formen von Rotoren

Info

Publication number: DE102011101924A1
Application number: DE102011101924A
Authority: DE
Inventors: Michael J. Walker; Anil K. Sachdev; Thomas A. Perry; Mark A. Osborne; Paul Boone
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2011-11-24
Also published as: CN102263464A; US20110284138A1; US8312914B2; CN102263464B

Abstract

Ein Formwerkzeug zum Formen einer Vielzahl von Rotoren umfasst eine Vielzahl von Blechlamellenpaketen, wobei jedes Blechlamellenpaket zumindest einen durchgehenden Hohlzaum bildet; ein Rohr mit einer mittleren Längsachse, wobei jedes Blechlamellenpaket von dem Rohr konzentrisch im Abstand angeordnet ist, um dazwischen einen Kanal zu bilden; eine Vielzahl von Scheiben, die jeweils eine Form aufweisen, die bestimmt ist durch einen ersten Durchmesser und einen zweiten Durchmesser, der größer ist als der erste Durchmesser, wobei jede Scheibe so ausgeführt ist, dass sie konzentrisch an das Rohr angrenzt und eine Zuführleitung bildet, die den Kanal verbindet; und eine Hülse, die mit jedem Blechlamellenpaket im Kontakt und von jeder Scheibe konzentrisch im Abstand angeordnet ist, um eine Vielzahl von Röhren zu bilden, wobei jede Röhre mit dem zumindest einen Hohlraum von mindestens einem Blechlamellenpaket verbunden ist. Außerdem werden ein Formwerkzeugsystem und ein Verfahren zum Formen einer Vielzahl von Rotoren beschrieben.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenlegung betrifft allgemein ein Formwerkzeug, ein Formwerkzeugsystem und ein Verfahren zum Formen einer Vielzahl von Rotoren.
HINTERGRUND
Elektromotoren wandeln durch Wechselwirkung von Magnetfeldern und stromdurchflossenen Leitern elektrische Energie in mechanische Energie um. Im Gegensatz dazu wandeln Generatoren, oft als Dynamos bezeichnet, mechanische Energie in elektrische Energie um. Des Weiteren können andere elektrische Maschinen wie Motoren/Generatoren und Fahrmotoren verschiedene Merkmale sowohl von Motoren als auch Generatoren kombinieren.
Solche elektrische Maschinen können ein Element enthalten, das um eine zentrale Achse rotierbar ist. Das rotierbare Element, z. B. ein Rotor, kann mit einem feststehenden Element, z. B. ein Statur, gleichachsig sein. Ein Rotortyp, ein Kurzschlussläufer, kann eine käfigähnliche Form aufweisen und vielfache leitfähige Läuferlängsstäbe enthalten, die zwischen zwei Läuferdruckringen angeordnet und damit verbunden sind. Solche elektrische Maschinen nutzen eine relative Rotation zwischen Rotor und Statur, um mechanische Energie oder elektrische Energie zu erzeugen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Formwerkzeug zum Formen einer Vielzahl von Rotoren umfasst eine Vielzahl von Blechlamellenpaketen, wobei jedes Blechlamellenpaket zumindest einen durchgehenden Hohlraum bildet. Das Formwerkzeug enthält außerdem ein Rohr mit einer mittleren Längsachse, wobei jedes Blechlamellenpaket konzentrisch im Abstand von dem Rohr angeordnet ist, um dazwischen einen Kanal zu bilden. Das Formwerkzeug enthält außerdem eine Vielzahl von Scheiben, jede mit einer Form, die durch einen ersten Durchmesser und einen zweiten Durchmesser, der größer ist als der erste Durchmesser, gebildet wird. Jede Scheibe ist so gestaltet, dass sie konzentrisch an das Rohr angrenzt und eine Zuführleitung bildet, die mit dem Kanal verbunden ist. Außerdem umfasst das Formwerkzeug eine Hülse, die mit jedem Blechlamellenpaket in Kontakt im Abstand von jeder Scheibe konzentrisch angeordnet ist, um eine Vielzahl von Röhren zu bilden, wobei jede Röhre mit dem zumindest einen Hohlraum von mindestens einem Blechlamellenpaket verbunden ist.
Ein Formwerkzeugsystem zum Formen einer Vielzahl von Rotoren umfasst das Formwerkzeug, das so gestaltet ist, dass ein im Innern des Formwerkzeugs fließfähiges Metall aufgenommen wird, um jeweils Hohlraum, Kanal, Zuführleitung und Röhre im Wesentlichen zu füllen, und einen ersten Brennraum, der so gestaltet ist, dass das Formwerkzeug auf eine erste Temperatur erhitzt wird. Das Formwerkzeugsystem umfasst außerdem einen zweiten Brennraum, der so gestaltet ist, dass das Metall in einen fließfähigen Zustand erhitzt wird und das Formwerkzeug mit dem Metall im fließfähigen Zustand entlang der mittleren Längsachse entgegen der Schwerkraft gefüllt wird. Ferner umfasst das Formwerkzeugsystem eine Kühlvorrichtung, die so gestaltet ist, dass das Formwerkzeug schrittweise entlang der mittleren Längsachse gekühlt wird, um dadurch das Metall entlang der mittleren Längsachse gerichtet fest werden zu lassen.
Ein Verfahren zum Formen einer Vielzahl von Rotoren umfasst das Füllen des Formwerkzeugs entgegen der Schwerkraft mit einem Metall, das ein Fließvermögen besitzt, das durch eine auf Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, um ein Werkstück zu formen; das Abschrecken des Werkstücks schrittweise entlang der mittleren Längsachse, um das Metall entlang der mittleren Längsachse gerichtet fest werden zu lassen und dadurch einen Abguss zu formen, der eine Vielzahl von im Abguss in einer Menge von etwa 0,001 Volumenanteilen bis etwa 5 Volumenanteilen vorhandenen Poren bildet, was auf 100 Volumenanteilen des Abgusses basiert; und Fertigbearbeiten des Abgusses, um dadurch die Vielzahl von Rotoren zu formen.
Formwerkzeug, Formwerkzeugsystem und Verfahren ermöglichen das Füllen des Formwerkzeugs entgegen der Schwerkraft mit dem Metall, das ein Fließvermögen besitzt, das durch eine auf Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, und eine gerichtete Erstarrung des Metalls während einer Formung der Rotoren. Daher bilden Formwerkzeug, Formwerkzeugsystem und Verfahren eine Vielzahl von Rotoren, die jeweils eine auf ein Mindestmaß reduzierte Porosität, ausgezeichnete Festigkeit, auf ein Mindestmaß reduzierte Warmrisse und Schwindungsfehler sowie eine auf Maximum eingestellte Leitfähigkeit aufweisen. Folglich bilden Formwerkzeug, Formwerkzeugsystem und Verfahren Rotoren, die in elektrischen Maschinen leicht ausgewuchtet werden und daher für Anwendungen nutzbar sind, die eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine erfordern. Ferner werden mit dem Verfahren Rotoren bei geringem Druck geformt, indem eine ökonomische Werkzeugbestückung genutzt wird und ausgezeichnete Metallausbeute bewirkt wird. Formwerkzeug, Formwerkzeugsystem und Verfahren bilden außerdem eine Vielzahl von Rotoren gleichzeitig und optimieren dadurch die Geschwindigkeit der Rotorherstellung.
Die oben erwähnten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenlegung erschließen sich ohne weiteres aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Methoden zur Ausführung der Offenlegung, wenn man sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische, bruchstückhafte Querschnittdarstellung eines Formwerkzeugs zum Formen einer Vielzahl von Rotoren;
2 ist eine schematische Querschnittdarstellung des Formwerkzeugs von 1 entlang der Schnittlinie 2-2;
3 ist eine schematische Querschnittdarstellung des Formwerkzeugs von 1 entlang der Schnittlinie 3-3;
4 ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines Rotors, der durch das Formwerkzeug von 1 geformt ist, wobei der Rotor einen aus einer Vielzahl von Stahllamellen gebildeten Kern enthält;
5 ist eine schematische Draufsicht eines Blechlamellenpakets des Rotors von 4;
6 ist eine schematische, perspektivische Darstellung einer Hülse des Formwerkzeugs von 1;
7 ist eine schematische, bruchstückhafte Querschnittdarstellung einer Abwandlung des Formwerkzeugs von 1.
8 ist eine schematische Querschnittdarstellung des Formwerkzeugs von 7 entlang der Schnittlinie 8-8;
9 ist eine schematische Querschnittdarstellung des Formwerkzeugs von 7 entlang der Schnittlinie 9-9;
10 ist eine schematische, bruchstückhafte Querschnittdarstellung einer weiteren Abwandlung des Formwerkzeugs von 1;
11 ist eine schematische Querschnittdarstellung des Formwerkzeugs von 10 entlang der Schnittlinie 11-11;
12 ist eine schematische Querschnittdarstellung des Formwerkzeugs von 10 entlang der Schnittlinie 12-12;
13 ist eine schematische Querschnittdarstellung eines Formwerkzeugsystems, die eine Gegen-Schwerkraft-Fülleinrichtung zum Füllen des Formwerkzeugs von 1 zeigt; und
14 ist eine schematische, bruchstückhafte Seitenansicht eines Teils eines von dem Formwerkzeugsystem von 13 geformten Abgusses mit einer aufgeschnittenen Darstellung des Abgusses, der eine Vielzahl von Poren bildet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszahlen auf gleiche Elemente verweisen, ist in 1 allgemein ein Formwerkzeug 10 dargestellt. Das Formwerkzeug 10 ist zum Formen einer Vielzahl von Rotoren 12 (4) verwendbar, die jeweils eine möglichst gering gehaltene Porosität sowie ausgezeichnete Festigkeit und Leitfähigkeit besitzen. Deshalb kann das Formwerkzeug 10 für verschiedene Anwendungen verwendbar sein, die Rotoren 12 (4) erfordern, wie zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt, elektrische Maschinen wie Elektromotoren und Generatoren. Zum Beispiel bildet das Formwerkzeug 10 eine Vielzahl von Rotoren 12 (4), die jeweils für einen Induktionsmotor für ein Fahrzeug nutzbar sind.
Als allgemeine Erläuterung und mit Bezug auf 4 beschrieben, kann jeder Rotor 12 eine Vielzahl von leitfähigen Läuferlängsstäben 14 umfassen, die jeweils an gegenüber liegenden Enden mit zwei Kurzschlussringen 16 verbunden sind. Des Weiteren kann jeder Rotor 12 einen Kern 18 enthalten, der aus Blechlamellenpaketen gebildet ist, die allgemein bei 20 in 1 dargestellt sind und nachstehend ausführlicher erläutert werden.
Mit Bezug jetzt auf 1 enthält das Formwerkzeug 10 eine Vielzahl von Blechlamellenpaketen 20. Jedes Blechlamellenpaket 20 kann eine Vielzahl von Stahllamellen enthalten, die allgemein bei 22 in 5 dargestellt sind. Die hier verwendete Terminologie „Stahllamelle” bezieht sich auf Stahl, der oft Silizium enthält und zugeschnitten ist, um gewünschte magnetische Eigenschaften zu erzeugen, z. B. eine geringe Dissipation von Energie pro Zyklus und/oder hohe Permeabilität, und der zum Transport von magnetischem Kraftfluss geeignet ist. Zum Beispiel können Stahllamellen 22 (5) zu kreisförmigen Lagen oder Lamellen mit einer Dicke von kleiner oder gleich etwa 2 mm gestanzt werden. Mit Bezug auf 1 können die kreisförmigen Lagen anschließend aneinander angrenzend aufeinander gelegt werden, um das Blechlamellenpaket 20 zu bilden. Das heilt, mit Bezug jetzt auf 4 kann das Blechlamellenpaket 20 (1) in Form von kaltgewalzten Stahllamellenstreifen sein, die aufeinander gelegt werden, um den Kern 18 des Rotors 12 zu bilden.
Mit Bezug auf 1 und 5 bildet jedes Blechlamellenpaket 20 ferner zumindest einen durchgehenden Hohlraum 24. Das heißt, wie oben erläutert ist, können einzelne Stahllamellen 22 aneinander angrenzend aufeinander gelegt werden, um mindestens einen Hohlraum 24 durch das Blechlamellenpaket 20 zu bilden. Zum Beispiel kann jedes Blechlamellenpaket 20 eine Vielzahl von Hohlräumen 24 bilden, die in einer der Form und/oder Ausführung der Läuferstäbe 14 (4) jedes Rotors 12 (4) entsprechenden Gruppierung angeordnet sind.
Mit Bezug wieder auf 1 kann das Formwerkzeug 10 eine beliebige Anzahl von Blechlamellenpaketen 20 umfassen. Im Allgemeinen kann das Formwerkzeug 10 ein Blechlamellenpaket 20 für jeden zu formenden Rotor 12 (4) umfassen. Deshalb kann das Formwerkzeug 10 eine Anzahl von Blechlamellenpaketen 20 enthalten, die einer Anzahl von gewünschten Rotoren 12 (4), die durch das Formwerkzeug 10 zu formen sind, entspricht.
Mit Bezug auf 1 umfasst das Formwerkzeug 10 außerdem ein Rohr 26 mit einer mittleren Längsachse A. Jedes Blechlamellenpaket 20 ist konzentrisch im Abstand von dem Rohr 26 angeordnet, um dazwischen einen Kanal 28 zu bilden. Die hier verwendete Terminologie „konzentrisch” bezieht sich auf gleichachsig angeordnete Elemente, d. h. Elemente, die einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen. Daher ist jedes Blechlamellenpaket 20 vom Rohr 26 im Abstand angeordnet, um einen konzentrischen Ring um das Rohr 26 herum in Bezug auf die mittlere Längsachse A zu bilden. Das Rohr 26 kann hohl und aus einem Nichtmetall, z. B. gebundener Sand oder Keramik, geformt sein. Alternativ dazu kann das Rohr 26 aus einem Metall, z. B. Stahl, geformt sein.
Mit Bezug wieder auf 1 umfasst das Formwerkzeug 10 ferner eine Vielzahl von Scheiben 30. Wie es in 2 am besten dargestellt ist, besitzt jede Scheibe 30 eine Form, die durch einen ersten Durchmesser d₁ und einen zweiten Durchmesser d₂, der größer als der erste Durchmesser d₁ ist, bestimmt wird. Zum Beispiel kann jede Scheibe 30, obwohl andere Formen möglich sind, vier Nasen 32 umfassen, die durch den ersten Durchmesser d₁ und den zweiten Durchmesser d₂ bestimmt werden. Alternativ dazu kann jede Scheibe 30 eine beliebige Anzahl von Nasen 32 umfassen, z. B. eine Nase 32, drei Nasen 32 oder mehr als vier Nasen 32. Das heißt, jede Scheibe 30 kann eine beliebige Form aufweisen, z. B. die Form eines unregelmäßigen Sterns oder einer dreieckigen Fläche.
Mit Bezug auf 1 ist jede Scheibe 30 so ausgestaltet, dass sie konzentrisch an das Rohr 26 angrenzt und eine Zuführleitung 34 bildet, die mit dem Kanal 28 in Verbindung steht. Das heißt, jede Scheibe 30 ist so gestaltet, dass sie das Rohr 26 berührt, um einen konzentrischen Ring um das Rohr 26 herum in Bezug auf die mittlere Längsachse A zu bilden.
Deshalb kann jede der Vielzahl von Scheiben 30 hohl und aus einem Nichtmetall, z. B. gebundener Sand oder Keramik, geformt sein.
Wie in 1 gezeigt ist, kann die Zuführleitung 34 mit mindestens einem Kanal 28 verbunden sein. In Abhängigkeit von der Lage der Scheibe 30 im Innern des Formwerkzeugs 10 kann die Zuführleitung 34 auch mit zwei Kanälen 28 in Verbindung stehen. Zum Beispiel kann die Zuführleitung 34 für eine zwischen Blechlamellenpaketen 20 eingelegte Scheibe 30 mit genau zwei Kanälen in Verbindung stehen, d. h. ein Kanal 28, der direkt oberhalb der Scheibe 30 angeordnet ist und ein Kanal 28, der direkt unterhalb der Scheibe 30 im Innern des Formwerkzeugs 10 angeordnet ist Mit Bezug jetzt auf 2 überlappt jede Scheibe 30 einen Teil (allgemein dargestellt beim Pfeil B in 2) jedes Blechlamellenpakets 20, weil der zweite Durchmesser d₂ jeder Scheibe 30 größer ist als der erste Durchmesser d₁. Entsprechend überlappt jede Scheibe 30 auch keinen anderen Teil (allgemein dargestellt beim Pfeil C in 2) jedes Blechlamellenpakets 20, weil der erste Durchmesser d₁ jeder Scheibe 30 kleiner ist als der zweite Durchmesser d₂ und bestimmt dadurch die Zuführleitung 34, die mit dem Kanal 28 (1) in Verbindung steht.
Mit Bezug auf 1 und 4 kann jede Scheibe 30 eine Dicke t besitzen (1), die einer Summe einer Dicke t_er (4) von jedem der zwei Kurzschlussringe 16 (4) plus einer zusätzlichen Dicke (nicht dargestellt) eines Bearbeitungsstapels entspricht, um für eine Trennung von benachbarten Rotoren 12 nach einer Formung zu sorgen, wie es nachstehend ausführlicher erläutert wird. Alternativ dazu kann jede Scheibe 30 eine Dicke t (1) besitzen, die nur der Summe der Dicke t_er (4) jedes der zwei Kurzschlussringe 16 (4) entspricht, ohne zulässige Abweichung für einen zusätzlichen Bearbeitungsstapel. Bei dieser Abwandlung kann das Formwerkzeug 10 zusätzliche Bauelemente umfassen, wie beispielsweise Positionshalter (nicht gezeigt), die der Scheibe 30 benachbart und in Kontakt mit dieser angeordnet sind, um einen Innendurchmesser d_e (4) des Kurzschlussrings 16 (4) zu definieren. Bei dieser Abwandlung kann das Bearbeiten Arbeitsgänge wie das Scheren oder Sägen des Kurzschlussrings 16 (4) einschließen.
Mit Bezug jetzt auf 1 und 3 umfasst das Formwerkzeug 10 außerdem eine Hülse 36, die mit jedem Blechlamellenpaket 20 im Kontakt angeordnet ist. Das heißt, die Hülse 36 kann eine Außenseite des Formwerkzeugs 10 bilden und dadurch die Vielzahl von im Innern der Hülse 36 angeordneten Blechlamellenpaketen 20 umgeben und berühren. Deshalb steht die Hülse 36 mit jedem Blechlamellenpaket 20 in Kontakt, um einen konzentrischen Ring um die Vielzahl von Blechlamellenpaketen 20 bezüglich der mittleren Langsachse A (1) zu bilden. An sich kann die Hülse 36 hohl sein oder aus einem Metall, z. B. Stahl, geformt sein. Die Hülse 36 kann auch einen Absatz 38 bilden, der entsprechend einer Höhe h (1) jedes Blechlamellenpakets 20 bemessen ist. Deshalb kann jedes Blechlamellenpaket 20 durch einen Absatz 38 der Hülse 36 unterstützt werden.
Ferner ist mit Bezug auf 1 die Hülse 36 konzentrisch im Abstand von jeder Scheibe 30 angeordnet, um eine Vielzahl von Röhren 40 zu bilden. Wie es in 1 gezeigt ist, steht jede Röhre 40 mit dem zumindest einen Hohlraum 24 mindestens eines Blechlamellenpakets 20 in Verbindung, um eine Übertragung zwischen der Röhre 40 und dem zumindest einen Hohlraum 24 zu ermöglichen. In Abhängigkeit von der Lage der Röhre 40 im Innern des Formwerkzeugs 10, kann eine Röhre 40 auch mit dem zumindest einen Hohlraum 24 von exakt zwei Blechlamellenpaketen 20 in Verbindung stehen, d. h. dem zumindest einen Hohlraum 24 eines Blechlamellenpakets 20, das direkt oberhalb der Röhre 40 angeordnet ist, und dem zumindest einen Hohlraum 24 eines Blechlamellenpakets 20, das direkt unterhalb der Röhre 40 im Innern des Formwerkzeugs 10 angeordnet ist.
Mit Bezug auf 6 kann die Hülse 36 zur leichten Montage in einen ersten Teil 42 und einen zweiten Teil 42B getrennt werden. Zum Beispiel kann die Hülse 36 in zwei Hälften trennbar sein, d. h. den ersten Teil 42 und den zweiten Teil 42B, entlang einer mittleren Längsebene, so dass der erste Teil 42 ein Spiegelbild des zweiten Teil 42B ist. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann der erste Teil 42 im Schnappeingriff, Passsitz und/oder durch ein Befestigungselement an dem zweiten Teil 42B entfernbar befestigt werden.
Bei einer Abwandlung kann das Formwerkzeug 10 des Weiteren eine Vielzahl von Distanzstücken 44 umfassen, wie es in 1 gezeigt ist. Spezieller kann jedes Distanzstück 44 an ein Blechlamellenpaket 20 angrenzen und kann von dem Rohr 26 konzentrisch im Abstand und im Innern des Kanals 28 angeordnet sein. Das heißt, bei dieser Abwandlung ist jedes Distanzstück 44 im Abstand von dem Rohr 26 im Innern jedes entsprechenden Kanals 28 angeordnet und bildet einen konzentrischen Ring um das Rohr 26 herum bezüglich der mittleren Langsachse A. Und mit Bezug auf 1 grenzt jedes Distanzstück 44 an eine Innenfläche eines Blechlamellenpakets 20 an, um das Biechlamellenpaket 20 im Innern des Kanals 28 im Abstand von dem Rohr 26 anzuordnen. Das heißt, das Formwerkzeug 10 kann für jedes Blechlamellenpaket 20 ein Distanzstück 44 enthalten. Jedes der Vielzahl von Distanzstücken 44 kann hohl sein und aus einem Nichtmetall, z. B. gebundener Sand oder Keramik, geformt sein.
Des Weiteren kann jedes Distanzstück 44, wie es am besten in 3 gezeigt ist, eine Form aufweisen, die durch einen Innendurchmesser d_c definiert ist. Zum Beispiel kann jedes Distanzstück 44, wie in 3 gezeigt ist, eine zylindrische Form aufweisen. Außerdem kann der erste Durchmesser d₁ jeder Scheibe 30, wie in 2 gezeigt ist, kleiner sein als der Innendurchmesser d_c jedes Distanzstücks 44; und der zweite Durchmesser d₂ jeder Scheibe 30 kann größer als der Innendurchmesser d_c sein.
Bei dieser Abwandlung grenzt jede Scheibe 30 ebenfalls mindestens teilweise an zumindest ein Distanzstück 44 an, so dass die Zuführleitung 34 mit dem Kanal 28 in Verbindung steht. Zum Beispiel kann jede Scheibe 30 eine obere Kante 46 (1) eines Distanzstücks 44 berühren, d. h. oberhalb des Distanzstücks 44 im Innern des Formwerkzeugs 10 bezüglich der Schnittlinie 2-2 in 1 angeordnet sein. Alternativ dazu kann eine Scheibe 30 an zwei Distanzstücke 44 angrenzen. Das heißt, eine Scheibe 30 kann zwischen zwei Distanzstücken 44 eingelegt sein.
Deshalb überlappt bei dieser Abwandlung, wie mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben, jede Scheibe 30 einen Teil (allgemein beim Pfeil B in 2 dargestellt) jedes Distanzstücks 44, um eine Übertragung zwischen der Zuführleitung 34 und dem Kanal 28 (1) zu blockieren, weil der zweite Durchmesser d₂ jeder Scheibe 30 größer als der Innendurchmesser d_c jedes Distanzstücks 44 ist. Ebenso überlappt jede Scheibe 30 auch keinen anderen Teil (allgemein beim Pfeil C in 2 dargestellt) jedes Distanzstücks 44, weil der erste Durchmesser d₁ jeder Scheibe 30 kleiner ist als der Innendurchmesser d_c jedes Distanzstücks 44, und bestimmt dadurch die Zuführleitung 34, die mit dem Kanal 28 (1) in Verbindung steht.
Wie in 1 gezeigt ist, kann die Zuführleitung 34 bei dieser Abwandlung mit mindestens einem Kanal 28 verbunden sein. Jedoch kann die Zuführleitung 34 in Abhängigkeit von der Lage der Scheibe 30 und der Distanzstücke 44 im Innern des Formwerkzeugs 10 auch zwei Kanäle 28 in Verbindung bringen. Zum Beispiel kann die Zuführleitung 34 für eine zwischen zwei Distanzstücken 44 eingelegte Scheibe 30 genau zwei Kanäle 28 miteinander verbinden, d. h. einen direkt oberhalb der Scheibe 30 angeordneten Kanal 28 und einen direkt unterhalb der Scheibe 30 im Innern des Formwerkzeugs 10 angeordneten Kanal 28.
Mit Bezug jetzt auf 7 bis 9 kann das Formwerkzeug 10 bei einer anderen Abwandlung ferner eine Vielzahl von Distanzstücken 44 umfassen, von denen jedes eine durch den Innendurchmesser de (9) und einen dritten Durchmesser d₃ (9) bestimmte Form aufweist. Spezieller kann der dritte Durchmesser d₃, wie es in 9 am besten dargestellt ist, kleiner als der Innendurchmesser d_c des Distanzstücks 44 und kleiner oder gleich dem ersten Durchmesser d₁ (8) jeder Scheibe 30 sein. Das heißt, das Distanzstück 44 kann eine ähnliche Form wie die Scheibe 30 besitzen, kann aber von kleinerer Größe als die Scheibe 30 sein. Zum Beispiel kann das Distanzstück 44, wie es in 8 und 9 am besten dargestellt ist, die gleiche Anzahl von Nasen 32B (8) wie die Scheibe 30 besitzen, wobei die Nasen 32B des Distanzstücks 44 mit den Nasen 32 der Scheibe 30 fluchten können. Bei dieser Abwandlung kann jedes Distanzstück 44 an ein Blechlamellenpaket 20 und das Rohr 26 angrenzen und kann im Innern des Kanals 28 angeordnet sein. Deshalb grenzt bei dieser Abwandlung, wie es in 9 am besten dargestellt ist, jedes Distanzstück 44 an das jeweilige Blechlamellenpaket 20, wird durch jede Scheibe 30 unterstützt und ist im Innern des Kanals 28 (7) angeordnet, um die Zuführleitung 34 mit dem Kanal 28 (7) zu verbinden und ein freies Volumen des Kanals 28 zu verringern.
In einer noch weiteren Abwandlung kann das Formwerkzeug 10, wie es in 10 bis 12 gezeigt ist, des Weiteren ein Element 48 (12) mit einer Form umfassen, die durch einen vierten Durchmesser d₄ (12) bestimmt ist, der kleiner ist als der Innendurchmesser d_c jedes Distanzstücks 44. Zum Beispiel kann in dieser Abwandlung das Formwerkzeug 10 das Element 48 enthalten, das eine jeder Scheibe 30 ähnliche Form aufweist, jedoch kleiner als jede Scheibe 30 bemessen ist. In dieser Abwandlung kann das Formwerkzeug 10 sowohl das Distanzstück 44 in der oben erwähnten zylindrischen Form als auch das Element 48 aufweisen. Mit Bezug auf 12 kann das Element 48 innerhalb des Distanzstücks 44 in zylindrischer Form sitzen, um durch jede Scheibe 30 unterstützt zu werden, im Innern des Kanals 28 (10) angeordnet sein, die Zuführleitung 34 mit dem Kanal 28 (10) verbinden und ein freies Volumen des Kanals 28 (10) verringern, weil der vierte Durchmesser d₄ des Elements 48 kleiner ist als der Innendurchmesser d_c jedes Distanzstücks 44.
Daher soll deutlich werden, dass jedes der Vielzahl von Distanzstücken 44 eine beliebige andere Form haben kann, solange jedes Distanzstück 44 an ein entsprechendes Blechlamellenpaket 20 und das Rohr 26 im Innern jedes entsprechenden Kanals 28 konzentrisch angrenzt.
Wie es in 13 am besten gezeigt ist, kann das Formwerkzeug 10 ferner ein Ventil 50 umfassen, das zur Abdichtung des Formwerkzeugs 10 ausgeführt ist. Das Ventil 50 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, die betätigt wird, um zwischen einer abgedichteten Stellung (bei 52 in 13 dargestellt) und einer offenen Stellung (bei 54 in 13 dargestellt) zu wechseln. Das heißt, als nicht einschränkendes Beispiel kann das Ventil 50 eine Platte sein, die entlang eines offenen distalen Endes 56 des Formwerkzeugs 10 angeordnet ist, die mit der Hülse 36 abgedichtet in Verbindung steht, um das distale Ende 56 des Formwerkzeugs 10 abzuschließen. In anderen Beispielen (nicht dargestellt) kann das Ventil 50 ein Stellkeil, ein Schieber und/oder ein durch das Formwerkzeug 10 bestimmter Schlitz sein, der so gestaltet ist, um das Formwerkzeug 10 abzudichten. In einem weiteren Beispiel kann das Ventil 50 so gestaltet sein, dass es das Formwerkzeug 10 abdichtet, wenn sich ein Material, z. B. Sand oder festes Metall, über das distale Ende 56 des Formwerkzeugs 10 bewegt. Obwohl nicht gezeigt, kann das Formwerkzeug 10 in einem anderen Beispiel zu einem verringerten Durchmesser spitz zulaufen, um ein innen liegendes Ventil 50, z. B. einen Schieber, zu bilden. Bei dieser Abwandlung kann der Schieber an dem verringerten Durchmesser gekühlt werden, um bei Arbeitsvorgängen den Schieber einschließlich des Formwerkzeugs 10 einzufrieren und abzudichten.
Mit fortgesetztem Bezug auf 1 und 13 kann das Formwerkzeug 10 auch eine Stange 58 aufweisen, die im Innern des Rohrs 26 entlang der mittleren Längsachse A angeordnet und so gestaltet ist, um das Ventil 50 (13) zu betätigen. Das heißt, die Stange 58 kann mit dem Ventil (13), z. B. die oben erwähnte Platte, und bewegbar entlang der mittleren Längsachse A verbunden werden, um das Ventil 50 (13) zu betätigen und zwischen der abgedichteten Stellung (bei 52 in 13 dargestellt) und der offenen Stellung (bei 54 in 13 dargestellt) zu wechseln.
Wenn das Formwerkzeug 10 zusammengebaut wird, werden die oben erwähnten einzelnen Bauteile, wie mit Bezug auf 1 beschrieben, in angrenzenden Ringen zwischen Rohr 26 und Hülse 36 konzentrisch mit der mittleren Längsachse A aufeinander gelegt. Zum Beispiel werden bei der Vorbereitung zur Formung von genau zwei Rotoren 12 (4) zwei Blechlamellenpakete 20 zwischen insgesamt drei Scheiben 30 eingelegt. Jedes der zwei Blechlamellenpakete 20 grenzt an die Hülse 36 an, und jede der drei Scheiben 30 grenzt an das Rohr 26 an. Desgleichen grenzen bei der Abwandlung, die Distanzstücke 44 umfasst, in Vorbereitung zur Formung von genau zwei Rotoren 12 (4) zwei Distanzstücke 44 an zwei Blechlamellenpakete 20 an und werden insgesamt drei Scheiben 30 zwischen gelegt. In gleicher Weise kann die oben genannte Reihenfolge von Scheiben 30, Blechlamellenpaketen 20 und/oder Distanzstücken 44 und Elementen 48 wiederholt werden, um mehr als zwei Rotoren 12 (4) zu formen, d. h. die Vielzahl von Rotoren 12 (4).
Mit Bezug jetzt auf 13 umfasst ein Formwerkzeugsystem 60 zum Formen der Vielzahl von Rotoren 12 (4) das Formwerkzeug 10, wobei das Formwerkzeug 10 so gestaltet ist, dass es ein Metall aufnimmt (durch eine schraffierte Fläche M gekennzeichnet), das im Innern des Formwerkzeugs 10 fließfähig ist, um im Wesentlichen jeden Hohlraum 24 (1 und 3), Kanal 28 (1), Zuführleitung 34 (1) und Röhre 40 (1) zu füllen. Das heißt, das Metall M (13) kann, wie es in 1 am besten dargestellt ist, von dem distalen Ende 56 des Formwerkzeugs 10 zu einem proximalen Ende 62 des Formwerkzeugs 10 fließen, um im Wesentlichen jeweils Hohlraum 24, Kanal 28, Zuführleitung 34 und Röhre 40 zu füllen, weil jeder der Hohlräume 24 (mindestens einer) jedes Blechlamellenpakets 20 durch eine Röhre 40 verbunden ist und weil jeder der Kanäle 28 mit einer Zuführleitung 34 verbunden ist.
Mit Bezug auf 13 kann das Metall M elektrisch leitfähig sein und zum Formen der Vielzahl von Rotoren 12 (4) geeignet sein. Zum Beispiel kann das Metall M Aluminium, Kupfer und Kombinationen sowie Legierungen davon sein. Insbesondere kann das Metall M als nicht einschränkende Beispiele aus der Gruppe einer Aluminiumlegierung 6101, Aluminiumlegierung A170 und Kombinationen davon ausgewählt werden.
Das Metall M kann umwandelbar sein zwischen einem flüssigen Zustand mit einer verhältnismäßig geringen Viskosität, einem halbfesten Zustand mit einem Zweiphasengemisch aus einer festen Fraktion und einer flüssigen Fraktion sowie einem festen Zustand mit einer verhältnismäßig hohen Viskosität. Das heißt, Metall M im flüssigen Zustand besitzt allgemein eine Viskosität, die geringer als Metall M jeweils im halbfesten und festen Zustand ist. Deshalb erfordert Metall M im flüssigen Zustand bedeutend weniger Kraft um zu fließen im Vergleich zu Metall M im festen Zustand. Außerdem weist Metall M im halbfesten Zustand einschließlich der festen Fraktion eine verhältnismäßig höhere Viskosität auf als Metall M im flüssigen Zustand und erfordert deshalb verhältnismäßig mehr Kraft um zu fließen. Das heißt, wenn die Fraktion von Feststoffen im Metall M beim halbfesten Zustand zunimmt, erhöht sich auch die Viskosität und das Metall M erfordert zunehmend mehr Kraft um zu fließen.
Des Weiteren kann das Metall M eine Liquidustemperatur T_liq und eine Solidustemperatur T_S besitzen. Die hier verwendete Terminologie „Liquidustemperatur” bezieht sich auf eine maximale Temperatur, bei der Kristalle mit geschmolzenem Metall M im thermodynamischen Gleichgewicht nebeneinander bestehen können. Anders ausgedrückt, oberhalb der Liquidustemperatur T_liq ist das Metall M homogen und fließfähig, und es gibt keine feste Fraktion. Außerdem bezieht sich die hier verwendete Terminologie „Solidustemperatur” auf eine Temperatur, bei der das Metall M zu schmelzen beginnt, d. h. eine Änderung vom festen in den flüssigen Zustand. Zwischen der Solidustemperatur T_S und der Liquidustemperatur T_liq kann das Metall M im halbfesten Zustand vorhanden sein. Außerdem kann Metall M im halbfesten Zustand bei Temperaturen in der Nähe, jedoch oberhalb der Solidustemperatur T_S die flüssige Fraktion enthalten. Entsprechend kann Metall im halbfesten Zustand bei Temperaturen in der Nähe, jedoch unterhalb der Liquidustemperatur T_liq die feste Fraktion enthalten.
Wie oben angegeben, ist das Metall M im Innern des Formwerkzeugs 10 fließfähig, wobei das Fließvermögen frei von übermäßiger Durchwirbelung sein kann wie es nachstehend ausführlicher erläutert wird. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann das Metall M eine im Wesentlichen laminare Bewegung aufweisen. Die hier verwendete Terminologie „laminare Bewegung” bezieht sich auf das Fließvermögen des Metalls M, das durch nicht turbulente, stromlinienförmige, parallele Schichten gekennzeichnet ist. Anders ausgedrückt, das Metall M kann ein Fließvermögen zeigen, das durch eine auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung jeweils in dem Bereich von Hohlraum 24 (1 und 3), Kanal 28 (1), Zuführleitung 34 (1) und Röhre 40 (1) gekennzeichnet ist, bevor es vollständig in den festen Zustand im Formwerkzeug 10 übergeht. Deshalb ist das Metall M, wie nachstehend ausführlicher erläutert, jeweils im flüssigen Zustand, halbfesten Zustand und festen Zustand im Wesentlichen frei von Lufteinschlüssen und Porosität, die durch übermäßige Durchwirbelung wie beim Druckguss verursacht werden.
Mit Bezug wieder auf 13 umfasst das Formwerkzeugsystem 60 außerdem einen ersten Brennraum 64, der gestaltet ist, um das Formwerkzeug 10 auf eine erste Temperatur T₁ zu erhitzen. Im Allgemeinen wird die erste Temperatur T₁ ausgewählt, damit das Metall M im Innern des Formwerkzeugs 10 fließen kann. Deshalb kann der erste Brennraum 64 zum Vorwärmen des Formwerkzeugs 10 vor zusätzlichen Bearbeitungsvorgängen verwendbar sein, wie es nachstehend ausführlicher erläutert wird. Der erste Brennraum 64 kann so gestaltet sein, dass das Formwerkzeug 10 aufgenommen und umgeben wird, um es auf die erste Temperatur T₁ von etwa 500°C auf etwa 1300°C zu erhitzen. Das heißt, für Anwendungen mit Aluminium oder Aluminiumlegierungen kann die erste Temperatur T₁ von etwa 500°C bis etwa 800°C, z. B. etwa 660°C, betragen. Außerdem kann die erste Temperatur T₁ für Anwendungen mit Kupfer oder Kupferlegierungen von etwa 900°C bis etwa 1300°C, z. B. etwa 1150°C, betragen. Der erste Brennraum 64 kann durch einen beliebigen geeigneten Brennstoff beheizt werden und kann das Formwerkzeug 10 durch Konvektionsheizung, Wärmeleitung, induktive Erwärmung und/oder Strahlungsheizung erhitzen.
Zusätzlich umfasst das Formwerkzeugsystem 60 einen zweiten Brennraum, der allgemein bei 66 in 13 dargestellt ist. Der zweite Brennraum 66 ist so gestaltet, um das Metall M in einen fließfähigen Zustand zu erhitzen. Für Anwendungen mit Aluminium oder Aluminiumlegierungen kann der zweite Brennraum 66 so gestaltet sein, dass das Metall M auf eine Temperatur von etwa 550°C bis etwa 800°C, z. B, etwa 680°C, erhitzt wird. Außerdem kann der zweite Brennraum 66 für Anwendungen mit Kupfer oder Kupferlegierungen so gestaltet sein, dass das Metall M auf eine Temperatur von etwa 1000°C bis etwa 1300°C erhitzt wird, z. B. etwa 1200°C. Deshalb kann der zweite Brennraum 66 zum Erhitzen des Metalls M verwendbar sein, nachdem das Formwerkzeug 10 durch den ersten Brennraum 64 auf die erste Temperatur T₁ erhitzt wurde, wie es nachstehend ausführlicher erläutert wird. Der zweite Brennraum 66 kann ebenfalls durch einen beliebigen geeigneten Brennstoff beheizt werden und kann das Metall M durch Konvektionsheizung, Wärmeleitung, induktive Erwärmung und/oder Strahlungsheizung erhitzen.
Der zweite Brennraum 66 ist so gestaltet, um das Formwerkzeug 10 entgegen der Schwerkraft entlang der mittleren Längsachse A mit dem Metall M in fließfähigem Zustand zu füllen. Die hier verwendete Terminologie „Füllen entgegen der Schwerkraft” bezieht sich auf umgekehrtes Füllen des Formwerkzeugs 10. Das heißt, der zweite Brennraum 66 kann so gestaltet sein, dass das Formwerkzeug 10 aufgenommen und umgeben wird, um das distale Ende 56 des Formwerkzeugs 10 mit dem Metall M vor dem proximalen Ende 62 des Formwerkzeugs 10 zu füllen. Deshalb kann der zweite Brennraum 66 ebenfalls unter Druck gesetzt werden und so ausgeführt sein, um das Metall M aufzunehmen. Der zweite Brennraum 66 kann ferner ein mechanisches oder elektromagnetisches Pumpsystem (nicht dargestellt) umfassen, das zum Füllen des Formwerkzeugs 10 entgegen der Schwerkraft ausgeführt ist.
Mit Bezug wieder auf 13 umfasst das Formwerkzeugsystem 60 auch eine Kühlvorrichtung 68, die so gestaltet ist, dass das Formwerkzeug 10 fortschreitend entlang der mittleren Längsachse A gekühlt wird, um dadurch das Metall M entlang der mittleren Längsachse A gerichtet fest werden zu lassen. Zum Beispiel kann die Kühlvorrichtung 68 das Metall M auf unterhalb der Solidustemperatur T_S des Metalls M kühlen, so dass sich das Metall M in einer Richtung entlang der mittleren Längsachse A abkühlt. Das heißt, die Kühlvorrichtung 68 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung zur Senkung der Temperatur des Formwerkzeugs 10 sein, um dadurch das Metall M in einen nicht fließfähigen Zustand unterhalb der Solidustemperatur T_S des Metalls M abzukühlen, um dadurch eine gerichtete Erstarrung des Metalls M in einer Richtung längs der mittleren Längsachse A zu unterstützen. Zum Beispiel kann die Temperatur des Formwerkzeugs 10 auf unter etwa 350°C für Anwendungen mit Aluminium oder Aluminiumlegierungen und auf unter etwa 325°C für Anwendungen mit Kupfer oder Kupferlegierungen gesenkt werden. In einem Beispiel kann die Kühlvorrichtung 68 ein Abschreckbehälter sein, der so gestaltet ist, dass das Formwerkzeug 10 aufgenommen und abgeschreckt wird. Die Kühlvorrichtung 68 kann ein geeignetes Kühlfluid W, z. B. Wasser, enthalten. Alternativ dazu kann die Kühlvorrichtung 68 in einer weiteren Abwandlung eine Reihe von Sprühdüsen (nicht gezeigt) sein, die ausgeführt sind, um das Formwerkzeug 10 mit dem geeigneten Kühlfluid W, z. B. Wasser oder Luft, zu löschen.
Wie oben erläutert wird, ist die Kühlvorrichtung 68 so ausgeführt, um das Formwerkzeug 10 fortschreitend entlang der mittleren Längsachse A zu kühlen. Das heißt, die Kühlvorrichtung 68 kann das distale Ende 56 des Formwerkzeugs 10 vor dem proximalen Ende 62 des Formwerkzeugs 10 kühlen. Anders ausgedrückt, die Kühlvorrichtung 68 kann so gestaltet sein, dass zuerst das distale Ende 56 des Formwerkzeugs 10 gekühlt wird und anschließend das Formwerkzeug 10 entlang der mittleren Längsachse A in einer Richtung zum proximalen Ende 62 des Formwerkzeugs 10 hin fortschreitend gekühlt wird. Alternativ dazu, kann die Kühlvorrichtung 68 das proximale Ende 62 des Formwerkzeugs 10 vor dem Kühlen des distalen Endes 56 des Formwerkzeugs 10 kühlen.
Wie es nachstehend ausführlicher erläutert wird, können der erste Brennraum 64, der zweite Brennraum 66 und die Kühlvorrichtung 68 gemeinsam angeordnet werden, um einen leichten Transport des Formwerkzeugs 10 zwischen jeder Vorrichtung zu ermöglichen. Außerdem kann der erste Brennraum 64 zwischen dem zweiten Brennraum 66 und der Kühlvorrichtung 68 bewegbar sein, um das Formwerkzeug 10 und den ersten Brennraum 64 zwischen jeder Vorrichtung zu transportieren. Zum Beispiel kann ein lineares Antriebselement, allgemein bei 70 in 13 dargestellt, den ersten Brennraum 64 alternativ über den zweiten Brennraum 66 oder der Kühlvorrichtung 68 positionieren. Alternativ dazu können der zweite Brennraum 64 und/oder die Kühlvorrichtung 68 bezüglich des ersten Brennraum 64 und/oder des Formwerkzeugs 10 bewegbar sein.
Mit Bezug auf 13 wird ein Verfahren zum Formen der Vielzahl von Rotoren 12 (4) beschrieben. Das Verfahren umfasst das Füllen des Formwerkzeugs 10 entgegen der Schwerkraft mit dem Metall M, das ein Fließvermögen besitzt, das durch eine auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, zum Farmen eines Werkstücks 72, d. h. einen Einarbeitungsvorgang. Das heißt, die hier verwendete Terminologie ”Werkstück” bezieht sich auf einen Vorläufer der Vielzahl Rotoren 12 (4), der das Metall M im Innern des Formwerkzeugs 10 in einem nicht abgeschlossenen Zustand einschließt, so dass weitere Bearbeitungsgänge erforderlich sind.
Insbesondere kann das Füllen entgegen der Schwerkraft das Metall M mit einem Fließvermögen, das durch auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, in das Formwerkzeug 10 entlang der mittleren Langsachse A fortschreitend von dem distalen Ende 56 zu dem proximalen Ende 62 des Formwerkzeugs 10 einführen. Zum Beispiel kann das Füllen entgegen der Schwerkraft das Metall M in das Formwerkzeug 10 unter Druck einführen. Das heißt, als nicht einschränkendes Beispiel, kann das Ventil 50 des Formwerkzeugs 10 zuerst durch die Stange 58 in die offene Stellung (bei 54 in 13 dargestellt) betätigt werden. Dann kann das Formwerkzeug 10 in den mit Druck beaufschlagten, das Metall M enthaltenden zweiten Brennraum 66 eingeführt werden, so dass das Metall M in die offenen Räume des Formwerkzeugs 10, d. h. die miteinander verbundenen Röhren 40 und Hohlräume 24 sowie die miteinander verbundenen Zuführleitungen 34 und Kanäle 28 unter Druck bei einem Fließvermögen, das durch auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, eingeführt werden kann.
Spezieller kann das Metall M (13), wie es mit Bezug auf 1 beschrieben ist, gleichzeitig in eine Röhre 40 und einen Zuführkanal 28 eintreten. Weil die Röhre 40 mit dem zumindest einen Hohlraum 24 eines Blechlamellenpakets 20 verbunden ist, kann das Metall M Fließvermögen zeigen, das durch eine auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung von der Röhre 40 in den zumindest einen Hohlraum 24 definiert ist, und kann dadurch die Rotorstäbe 14 (4) der Vielzahl von Rotoren 12 (4) vorformen. Danach kann sich das Metall M von dem zumindest einen Hohlraum 24 zu der nächsten angrenzenden Röhre 40 in einer Richtung parallel zur mittleren Längsachse A bewegen, so dass durch das Füllen jeder Röhre 40 mit Metall M zwei Kurzschlussringe 16 (4) vorgeformt werden, die an den Kern 18 des Rotors 12 (4) angrenzen.
Mit fortgesetztem Bezug auf 1 kann das Metall M (13) ebenso ein Fließvermögen zeigen, das durch eine auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung von der Zuführleitung 34 zu dem Kanal 28 definiert ist, weil der Kanal 28 mit der Zuführleitung 34 verbunden ist, und dadurch einen Innenraum 74 (4) des Rotors 12 vorformen, der auf Wunsch weiter fertig bearbeitetet oder maschinell bearbeitet wird.
In einer weiteren Abwandlung kann das Füllen entgegen der Schwerkraft, wie es mit Bezug auf 13 beschrieben wird, das Metall M mit einem Fließvermögen, das durch eine auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, in das Formwerkzeug 10 unter Vakuum fortschreitend entlang der mittleren Langsachse A vom distalen Ende 56 zum proximalen Ende 62 des Formwerkzeugs 10 entnehmen. Das heißt, als ein nicht einschränkendes Beispiel, das Ventil 50 des Formwerkzeugs 10 kann durch die Stange 58 in die offene Stellung (bei 54 in 13 dargestellt) betätigt und das Formwerkzeug 10 in den zweiten Brennraum 66 eingesetzt werden, um das Metall M in die offenen Räume des Formwerkzeugs 10, d. h. die miteinander verbundenen Röhren 40 (1) und Hohlräume 24 (1) sowie die miteinander verbundenen Zuführleitungen 34 (1) und Kanäle 28 (1) unter Vakuum bei einem Fließvermögen, das durch eine auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, entnehmen. Danach kann das Ventil 50 des Formwerkzeugs 10 durch die Stange 58 in die abgedichtete Stellung (bei 52 in 13 dargestellt) betätigt und das Werkstück 72 aus dem zweiten Brennraum 66 entnommen werden.
Mit Bezug auf 13 kann das Verfahren ferner das Vorwärmen des Formwerkzeugs 10 auf die erste Temperutur T₁ von etwa 500°C bis etwa 1300°C, z. B. etwa 660°C für Anwendungen mit Aluminium oder Aluminiumlegierungen und etwa 1150°C für Anwendungen mit Kupfer oder Kupferlegierungen vor dem Füllen entgegen der Schwerkraft umfassen. Zum Beispiel kann das Formwerkzeug 10 durch den ersten Brennraum 64 auf die erste Temperatur T₁ vorgewärmt werden. Deshalb kann der erste Brennraum 64 mit dem zweiten Brennraum 66 gemeinsam angeordnet werden, so dass zwischen Vorwärmen und Füllen entgegen der Schwerkraft eine minimale Zeit verstreicht.
Mit Bezug auf 13 und 14 umfasst das Verfahren außerdem das Abschrecken des Werkstücks 72 fortschreitend entlang der mittleren Längsachse A, um das Metall M entlang der mittleren Längsachse A gerichtet fest werden zu lassen und dadurch einen Abguss 76 (14) zu formen. Die hier verwendete Terminologie ”Abguss” bezieht sich auf einen unmittelbaren Vorläufer zur Vielzahl von Rotoren 12 (4). Das heißt, mit Bezug auf 1 und 13, dass die Kühlvorrichtung 68 das Werkstück 72 fortschreitend entlang der mittleren Längsachse A in einer Richtung vom distalen Ende 56 des Formwerkzeugs 10 zum proximalen Ende 62 des Formwerkzeugs 10 abschrecken kann, nachdem das Formwerkzeug 10 entgegen der Schwerkraft gefüllt ist, so dass das Metall M jeweils im Bereich von Hohlraum 24, Kanal 28, Zuführleitung 34 und Röhre 40 angeordnet ist, um das Metall M in den festen Zustand überzuleiten und dadurch den im Innern des Formwerkzeugs 10 angeordneten Abguss 76 (14) zu formen.
Deshalb kann das Werkstück 72, als ein nicht einschränkendes Beispiel, wobei das Ventil 50 noch in der abgedichteten Stellung (bei 52 in 13 dargestellt) betätigt wird, aus dem zweiten Brennraum 66 entnommen und zum Abschrecken in die Kühlvorrichtung 68 eingesetzt werden. Insbesondere kann das Werkstück 72 aus dem zweiten Brennraum 66 entnommen werden ohne es wieder in den ersten Brennraum 64 einzusetzen, über der Kühlvorrichtung 68 durch das lineare Antriebselement 70 bewegt und zum Abschrecken in die Kühlvorrichtung 68 eingesetzt werden. Alternativ dazu kann in einem weiteren nicht einschränkenden Beispiel (nicht dargestellt) das Werkstück 72 in einer festgelegten horizontalen Position verbleiben, während sich der zweite Brennraum 66 und/oder die Kühlvorrichtung 68 waagerecht über z. B. das lineare Antriebselement 70 geradlinig bewegen. Anders ausgedrückt, das Werkstück 72, der erste Brennraum 64, der zweite Brennraum 66 und/oder die Kühlvorrichtung 68 können sich jeweils bewegen, z. B. horizontal und/oder vertikal in Bezug zueinander geradlinig bewegen. Daher können der zweite Brennraum 66 und die Kühlvorrichtung 68 gemeinsam angeordnet werden, so dass zwischen Füllen entgegen der Schwerkraft und Abschrecken eine minimale Zeit verstreicht.
Das Verfahren kann ferner Kühlen des Werkstücks 72 nach dem Abschrecken umfassen. Zum Beispiel kann das Werkstück 72, nachdem das Formwerkzeug 10 mit der Kühlvorrichtung 68 abgeschreckt ist, aus der Kühlvorrichtung 68 entnommen und in einem umgebenden Umfeld gekühlt werden. Das heißt, nachdem das Formwerkzeug 10 mit der Kühlvorrichtung 68 abgeschreckt ist, kann das Werkstück 72 aus der Kühlvorrichtung 68 entnommen werden und kann nicht wieder in den ersten Brennraum 64 eintreten.
Mit Bezug auf 14 kann der sich ergebende Abguss 76 nach dem Abschrecken die Form einer Vielzahl von Rotoren 12 (4) aufweisen, die aufeinander gelegt und Kurzschlussring 16 an Kurzschlussring 16 (4) verbunden sind. Folglich kann der Abguss 76 eine Länge besitzen, die ungefähr einer Länge des Formwerkzeugs 10 (13) entspricht.
Mit fortgesetztem Bezug auf 14 bildet der Abguss 76 eine Vielzahl von Poren 78, weil das Verfahren das fortschreitende Füllen des Formwerkzeugs 10 entgegen der Schwerkraft mit dem Metall M, das ein Fließvermögen besitzt, das durch eine auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, entlang der mittleren Langsachse A des Formwerkzeugs 10 umfasst. Insbesondere ist die Vielzahl von Poren 78 in dem Abguss 76 in einer Menge von etwa 0,001 Volumenteilen bis etwa 5 Volumenteilen basierend auf 100 Volumenteilen des Abgusses 76 vorhanden. Deshalb weist der Abguss 76 eine auf ein Mindestmaß reduzierte Porosität auf. Ohne dass es beabsichtigt ist, durch die Theorie eingeschränkt zu werden, trägt Füllen des Formwerkzeugs 10 entgegen der Schwerkraft mit dem Metall M, das ein Fließvermögen besitzt, das durch auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, und fortschreitendes Erstarren des Metalls M entlang der mittleren Langsachse A zur möglichst gering gehaltenen Porosität des Abgusses 76 bei.
Das Verfahren umfasst zusätzlich Fertigbearbeiten des Abgusses 76 (14), um die Vielzahl von Rotoren 12 (4) zu formen. Das Fertigbearbeiten kann des Weiteren als Trennen des Abgusses 76 (14) und des Formwerkzeugs 10 (1) definiert werden. Zum Beispiel kann mit Bezug auf 6 der erste Teil 42 der Hülse 36 von dem zweiten Teil 42B der Hülse 36 entfernt werden, um an den Abguss 76 (14) zu gelangen, wobei der Abguss 76 (14) von dem ersten Teil 42 (6) der Hülse 36 entfernt werden kann, um dadurch die Vielzahl von Rotoren 12 (4) zu formen.
In einer weiteren Abwandlung kann das Fertigbearbeiten ferner definiert werden als maschinelles Bearbeiten des Abgusses 76 (14), um die Vielzahl von Rotoren 12 (4) zu formen. Das heißt, jeder der Rotoren 12 (4) kann maschinell so bearbeitet werden, dass der Rotor 12 (4) von dem Abguss 76 (14) entfernt wird, um die Vielzahl von Rotoren 12 (4) zu formen.
Das Formwerkzeug 10, Formwerkzeugsystem 60 und Verfahren lassen das Füllen des Formwerkzeugs 10 entgegen der Schwerkraft mit dem Metall M, das ein Fließvermögen besitzt, das durch eine auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, und eine gerichtete Erstarrung des Metalls M während einer Formung der Rotoren 12 zu. Daher gestalten das Formwerkzeug 10, Formwerkzeugsystem 60 und Verfahren eine Vielzahl von Rotoren 12, die jeweils eine möglichst gering gehaltene Porosität, ausgezeichnete Festigkeit, auf ein Mindestmaß reduzierte Warmrisse und Schwindungsfehler sowie eine maximierte Leitfähigkeit aufweisen. Folglich formen das Formwerkzeug 10, Formwerkzeugsystem 60 und Verfahren Rotoren 12, die in elektrischen Maschinen leicht ausgewuchtet werden und deshalb für Anwendungen verwendbar sind, die eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine erfordern. Des Weiteren werden mit dem Verfahren Rotoren 12 bei niedrigem Druck unter Verwendung einer ökonomischen Werkzeugbestückung geformt und eine ausgezeichnete Metallausbeute bewirkt. Mit dem Formwerkzeug 10, Formwerkzeugsystem 60 und Verfahren wird außerdem eine Vielzahl von Rotoren 12 gleichzeitig geformt und dadurch die Produktionsgeschwindigkeit von Rotoren optimiert.
Während die besten Methoden zur Ausführung der Offenlegung ausführlich beschrieben wurden, wird der, der mit dem Fachgebiet, auf das sich diese Offenlegung bezieht, vertraut ist, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Offenlegung innerhalb des Umfangs der angefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Formwerkzeug zum Formen einer Vielzahl von Rotoren, wobei das Formwerkzeug umfasst: eine Vielzahl von Blechlamellenpaketen, wobei jedes Blechlamellenpaket zumindest einen durchgehenden Hohlraum bildet; ein Rohr mit einer mittleren Längsachse, wobei jedes Blechlamellenpaket von dem Rohr konzentrisch im Abstand angeordnet ist, um dazwischen einen Kanal zu bilden; eine Vielzahl von Scheiben, die jeweils eine Form besitzen, die bestimmt ist durch einen ersten Durchmesser und einen zweiten Durchmesser, der größer ist als der erste Durchmesser, wobei jede Scheibe so gestaltet ist, dass sie konzentrisch an das Rohr angrenzt und eine Zuführleitung bildet, die sie mit dem Kanal verbindet; und eine Hülse, die mit jedem Blechlamellenpaket im Kontakt und konzentrisch im Abstand von jeder Scheibe angeordnet ist, um eine Vielzahl von Röhren zu bilden, wobei jede Röhre mit dem zumindest einen Hohlraum des zumindest einen Blechlamellenpakets verbunden ist.
Formwerkzeug nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Vielzahl von Distanzstücken, wobei jedes eine Form besitzt, die durch einen Innendurchmesser bestimmt ist, wobei jedes Distanzstück an ein Blechlamellenpaket angrenzt und konzentrisch im Abstand von dem Rohr und im Innern des Kanals angeordnet ist.
Formwerkzeug nach Anspruch 2, bei dem der erste Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser und der zweite Durchmesser größer ist als der Innendurchmesser.
Formwerkzeug nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Vielzahl von Distanzstücken, wobei jedes eine Form besitzt, die bestimmt ist durch einen Innendurchmesser und einen dritten Durchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser und kleiner als der oder gleich dem ersten Durchmesser ist, wobei jedes Distanzstück an ein Blechlamellenpaket und das Rohr angrenzt und im Innern des Kanals angeordnet ist.
Formwerkzeug nach Anspruch 2, des Weiteren umfassend ein Element mit einer Form, die durch einen vierten Durchmesser, der kleiner ist als der Innendurchmesser, bestimmt ist.
Formwerkzeug nach Anspruch 1, umfassend zumindest eine Zuführleitung, die genau zwei Kanäle miteinander verbindet.
Formwerkzeug nach Anspruch 1, bei dem eine Röhre mit dem zumindest einen Hohlraum von genau zwei Blechlamellenpaketen verbunden ist.
Verfahren zum Formen einer Vielzahl von Rotoren, wobei das Verfahren umfasst: Füllen eines Formwerkzeugs entgegen der Schwerkraft mit einem Metall, das ein Fließvermögen besitzt, das durch eine auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, zum Formen eines Werkstücks, wobei das Formwerkzeug umfasst: eine Vielzahl von Blechlamellenpaketen, wobei jedes Blechlamellenpaket mindestens einen durchgehenden Hohlraum bildet; ein Rohr mit einer mittleren Längsachse, wobei jedes Blechlamellenpaket konzentrisch im Abstand von dem Rohr angeordnet ist, um dazwischen einen Kanal zu bilden; eine Vielzahl von Scheiben, wobei jede eine Form besitzt, die bestimmt ist durch einen ersten Durchmesser und einen zweiten Durchmesser, der größer ist als der erste Durchmesser, wobei jede Scheibe so ausgeführt ist, dass sie konzentrisch an das Rohr angrenzt und eine Zuführleitung bildet, die den Kanal damit verbindet; und eine Hülse, die mit jedem Blechlamellenpaket im Kontakt und konzentrisch im Abstand von jeder Scheibe angeordnet ist, um eine Vielzahl von Röhren zu bilden, wobei jede Röhre mit dem zumindest einen Hohlraum von mindestens einem Blechlamellenpaket verbunden ist; Abschrecken des Werkstücks fortschreitend entlang der mittleren Längsachse, um das Metall entlang der mittleren Längsachse gerichtet fest werden zu lassen und dadurch einen Abguss zu formen, der eine Vielzahl von Poren bildet, die in dem Abguss in einer Menge von etwa 0,001 Volumenteilen bis etwa 5 Volumenteilen basierend auf 100 Volumenteilen des Abgusses vorhanden sind; und Fertigbearbeiten des Abgusses, um dadurch die Vielzahl von Rotoren zu formen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Füllen entgegen der Schwerkraft das Metall mit einem Fließvermögen, das durch eine auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, fortschreitend entlang der mittleren Längsachse in das Formwerkzeug einführt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Füllen entgegen der Schwerkraft das Metall mit einem Fließvermögen, das durch eine auf ein Mindestmaß reduzierte Durchwirbelung definiert ist, unter Vakuum fortschreitend entlang der mittleren Langsachse in das Formwerkzeug zieht.