DE102012203195A1

DE102012203195A1 - Schweißvorrichtung für einen Induktionsmotor und Verfahren zum Schweißen eines Induktionsmotors

Info

Publication number: DE102012203195A1
Application number: DE102012203195A
Authority: DE
Inventors: Blair E. Carlson; Richard M. Kleber; Robert T. Szymanski; John S. Agapiou; David R. Sigler
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-09-13
Also published as: CN102672358A; CN102672358B; US20120228272A1

Abstract

Eine Schweißvorrichtung für einen Induktionsmotor enthält eine Halterung, die betrieben werden kann, um einen Rotor abzustützen und den Rotor um eine Rotationsachse des Motors zu drehen, und einen Schweißkopf, der benachbart zu der Halterung abgestützt ist und betrieben werden kann, um Leiterstäbe, die um die Oberfläche des Rotors herum angeordnet sind, mit dem ersten Kurzschlussring zu verschweißen, wenn die Halterung den Rotor abstützt. Ein Controller steuert die Halterung, um den Rotor selektiv zu drehen. Der Controller bewegt den Schweißkopf, die Halterung oder beide, sodass sich der Schweißkopf in einer Schweißposition befindet, und er veranlasst, dass der Schweißkopf die Leiterstäbe mit dem ersten Kurzschlussring verschweißt, während er in der Schweißposition bleibt, wobei sich der Rotor dreht, um eine im Wesentlichen kreisförmige Schweißstrecke entlang des ersten Kurzschlussrings zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen werden die Leiterstäbe mit beiden Kurzschlussringen gleichzeitig verschweißt. Ein Verfahren zum Schweißen eines Induktionsmotors wird ebenfalls bereitgestellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung zum Schweißen von Leiterstäben an Kurzschlussringe in einem Induktionsmotor und ein Verfahren, um diese zu verschweißen.
HINTERGRUND
Ein Wechselstrominduktionsmotor (AC-Induktionsmotor) ist ein spezieller Typ von Elektromotor, der einen induzierten Stromfluss verwendet, um zu bewirken, dass Abschnitte des Rotors des Motors während eines Betriebs des Motors magnetisiert werden. Der induzierte Strom fließt durch Leiterstäbe, die parallel zur Rotationsachse des Rotors sind und den Umfang des Rotorkerns umgeben.
Bekannte Verfahren zum Herstellen von Induktionsmotorrotoren sind zeitaufwendig und relativ kostspielig. Eine geläufige Praxis besteht im Montieren vorgefertigter Leiterstäbe und Kurzschlussringe an dem Blechpaket und im Zusammenlöten der Anordnung. Ein anderes bekanntes Verfahren besteht im Druckgießen der Kurzschlussringe und Leiterstäbe zusammen in einer Gießform um das Rotorblechpaket herum. Mit bestimmten Materialien wie etwa Kupfer ist es schwierig, das Druckgießen auszuführen, während die Integrität der gegossenen Komponenten beibehalten wird, da Kupfer dazu neigt, mit den Oberflächen der Gießform zu reagieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Es werden eine Schweißvorrichtung für einen Induktionsmotor und ein Verfahren zum Schweißen eines Induktionsmotors unter Verwendung der Schweißvorrichtung bereitgestellt. Der Induktionsmotor weist einen kreisringförmigen Rotor, der eine Rotationsachse definiert, und Leiterstäbe auf, die um eine Außenfläche des kreisringförmigen Rotors herum beabstandet sind. Erste und zweite Kurzschlussringe werden an ersten und zweiten Enden des kreisringförmigen Rotors verbunden. Die Vorrichtung enthält eine Halterung, die betrieben werden kann, um den Rotor abzustützen und den Rotor um die Rotationsachse herum zu drehen. Ein Schweißkopf ist benachbart zu der Halterung abgestützt und kann betrieben werden, um die Leiterstäbe mit dem ersten Kurzschlussring zu verschweißen, wenn die Halterung den Rotor abstützt. Darüber hinaus enthält die Vorrichtung mindestens einen Controller, der betrieben werden kann, um die Halterung so zu steuern, dass sie den Rotor selektiv dreht. Der Controller kann betrieben werden, um den Schweißkopf, die Halterung oder beide so zu bewegen, dass sich der Schweißkopf in einer Schweißposition befindet. Der Controller kann betrieben werden, um zu bewirken, dass der Schweißkopf die Leiterstäbe mit dem ersten Kurzschlussring verschweißt, während er in der Schweißposition bleibt, wobei sich der Rotor dreht, um eine im Wesentlichen kreisförmige Schweißstrecke entlang dem ersten Kurzschlussring zu erzeugen.
Bei einigen Ausführungsformen wird ein zweiter Schweißkopf benachbart zu der Halterung derart abgestützt, dass der zweite Schweißkopf vom ersten Schweißkopf axial beabstandet ist und betrieben werden kann, um die Leiterstäbe mit dem zweiten Kurzschlussring zu verschweißen, wenn die Halterung den Rotor abstützt. Der Controller kann betrieben werden, um den zweiten Schweißkopf zwischen einer jeweiligen Anfangsposition und einer jeweiligen Schweißposition zu bewegen. Der Controller bewirkt, dass der zweite Schweißkopf die Leiterstäbe mit dem zweiten Kurzschlussring verschweißt, während er in der jeweiligen Schweißposition bleibt, wobei sich der Rotor dreht, um eine zweite im Wesentlichen kreisförmige Schweißstrecke entlang des zweiten Kurzschlussrings gleichzeitig mit der ersten im Wesentlichen kreisförmigen Schweißstrecke zu erzeugen.
Es wird auch ein Verfahren zum Schweißen eines Induktionsmotors unter Verwendung der Schweißvorrichtung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst, dass der Rotor derart abgestützt wird, dass der Rotor um die Rotationsachse herum drehbar ist, dass ein Schweißkopf in einer vorbestimmten Schweißposition benachbart zu dem Abschnitt des Kurzschlussrings, in welchen sich die Leiterstäbe hinein erstrecken, positioniert wird, und dann gleichzeitig der Rotor gedreht wird und die Leiterstäbe mit dem Kurzschlussring durch den Schweißkopf verschweißt werden, welcher im Wesentlichen in der vorbestimmten Position bleibt, sodass der Schweißkopf entlang einer im Wesentlichen kreisförmigen Schweißstrecke schweißt.
Die Vorrichtung und das Verfahren verringern die Zykluszeit zur Herstellung eines Rotors für einen Induktionsmotor. Da der Schweißkopf relativ ortsfest ist, während sich der Rotor beim Schweißen dreht, wird eine genaue und präzise Schweißstrecke ohne die zeitintensive Positionierung und Neupositionierung des Schweißkopfes an jedem Ende jedes Leiterstabs geschaffen. Die Vorrichtung und das Verfahren sind nützlich bei der Verwendung einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung für die Leiterstäbe und die Kurzschlussringe, aber sie sind nicht auf derartige Materialien eingeschränkt. Die Leiterstäbe können aus einem Material wie etwa Kupfer bestehen, und die Kurzschlussringe aus einem anderen Material wie etwa Aluminium. Die Kupferlegierung weist eine höhere Leistungsdichte und eine bessere Wärmeübertragungsfähigkeit als Rotoren mit typischen Aluminiumlegierungskomponenten auf. Bei einigen Ausführungsformen können die einander entgegengesetzten Enden der Rotorstäbe gleichzeitig mit den Kurzschlussringen verschweißt werden, was die Zykluszeit signifikant verringert. Dies ermöglicht die Verwendung von Rührreibschweißen (FSW), welches ein relativ langsames Schweißverfahren ist, da die Schweißzykluszeit bei Ausführungsformen der Vorrichtung, bei denen beide Enden der Leiterstäbe gleichzeitig mit beiden Kurzschlussringen verschweißt werden, halbiert wird. Durch FSW wird eine Festkörperschweißung erreicht und die Eigenschaften der miteinander verschweißten Materialien bleiben größtenteils unverändert, da der Schweißprozess keine Temperaturen über der Schmelztemperatur des verschweißten Materials erzeugt. Somit wird der Leitfähigkeit der verschweißten Komponenten nicht beeinträchtigt.
Darüber hinaus ermöglichen die Vorrichtung und das Verfahren, dass das Schweißverfahren ein Schmelzschweißprozess ist. Das Schmelzschweißen ist ein Schweißprozess, der die Basismetalle an der Fügestelle schmelzen lässt, und umfasst Metallschutzgasschweißen (GMAW), Wolfram-Schutzgasschweißen (GTAW), Plasmalichtbogenschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen, oder eine Kombination aus Laserschweißen und GMAW, GTAW oder Plasmaschweißen. Da der Schweißkopf während des Schweißvorgangs im Wesentlichen stationär bleibt und da der sich drehende Rotor eine konsistente zylindrische Form aufweist, kann eine Abschirmung so angepasst werden, dass sie nahe bei dem sich drehenden Rotor um den Schweißkopf herum passt, um eine im Wesentlichen abgeschlossene Kammer zu erzeugen. Die Kammer und die Abschirmung ermöglichen eine Schutzgasumgebung, in der der Schmelzschweißprozess ohne Verunreinigungen auftreten kann, welche die Integrität der Schweißstelle beeinträchtigen könnten. Im Fall einer Laserstrahlschweißung (LBW) und einer Elektronenstrahlschweißung (EBW) verdeckt die Abschirmung außerdem den Strahl, um ein unbeabsichtigtes Freilegen zu verhindern und die Augen eines Bedieners zu schützen.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Schweißvorrichtung zum Schweißen eines Rotors eines Induktionsmotors;
2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Schweißen eines Rotors mit der Schweißvorrichtung von 1;
3 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Schweißvorrichtung zum Schweißen eines Rotors eines Induktionsmotors;
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Schweißen eines Rotors mit der Schweißvorrichtung von 3;
5 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Schweißvorrichtung zum Schweißen eines Rotors eines Induktionsmotors;
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Schweißen eines Rotors mit der Schweißvorrichtung von 5;
7 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Rotors für einen Induktionsmotor, der mit der Schweißvorrichtung von 1 geschweißt wurde;
8 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Rotors für einen Induktionsmotor, der mit der Schweißvorrichtung von 3 geschweißt wurde;
9 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Rotors für einen Induktionsmotor, der mit der Schweißvorrichtung von 5 geschweißt wurde;
10 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Schweißvorrichtung zum Schweißen eines Rotors eines Induktionsmotors; und
11 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer Schweißvorrichtung zum Schweißen eines Rotors eines Induktionsmotors.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den mehreren Ansichten gleiche Komponenten bezeichnen, zeigt 1 eine erste Ausführungsform einer Schweißvorrichtung 10, die zum Schweißen eines Wechselstrom-Induktionsmotors (AC-Induktionsmotors) 12 verwendet wird. Insbesondere verwendet die Schweißvorrichtung 10 erste und zweite Rührreibschweißköpfe (FSW-Köpfe) 14, 16, um Leiterstäbe 18 eines kreisringförmigen Rotors 20 des Induktionsmotors 12 mit einem ersten Kurzschlussring 22 bzw. einem zweiten Kurzschlussring 24 zu verschweißen. Die Kurzschlussringe 22, 24 sind vorzugsweise eine Kupferlegierung oder eine Aluminiumlegierung. Wie nachstehend weiter beschrieben wird, verschweißen die Schweißköpfe 14, 16 die Leiterstäbe 18 gleichzeitig mit den Kurzschlussringen 22, 24, wobei die Schweißköpfe 14, 16 relativ ortsfest bleiben und sich der Rotor 20 dreht, um entlang dualer kreisförmiger Schweißstrecken zu schweißen.
Mit Bezug auf 7 ist der Rotor 20 vor dem Verschweißen der Leiterstäbe 18 mit den Kurzschlussringen 22, 24 gezeigt. Nach der Fertigstellung wird der Induktionsmotor 12 auch einen Stator umfassen, der nicht gezeigt ist. Der Rotor 20 enthält ein Blechpaket 26 aus identischen dünnen kreisringförmigen Scheiben aus einem hochmagnetischen Stahl, die axial so gestapelt sind, dass sie eine Mittelachse des Rotors 20 definieren, welche auch die Rotationsachse 28 des Rotors 20 ist. Der Fachmann versteht leicht, wie das Blechpaket 26 hergestellt und zusammengebaut wird. Die Leiterstäbe 18 werden in den Umfang des Blechpakets 26 so eingebettet, dass sie um eine Außenfläche 30 des Rotors 20 herum beabstandet sind. Das Blechpaket 26 bildet eine Reihe identischer Rillen 32 aus, die seinen Umfang mit einem periodischen Zwischenraum umgeben. Die Leiterstäbe 18 sind durch das Paket 26 in den Rillen 32 im Wesentlichen derart eingeschlossen, dass die Außenseiten der Leiterstäbe 18 an der Außenfläche 30 des Rotors 20 freiliegen.
Die Kurzschlussringe 22, 24 sind jeweils mit Rillen 34, 36 gefertigt. Die Rillen 34, 36 sind um die Außenfläche der Kurzschlussringe 22, 24 herum mit einem Zwischenraum beabstandet, der identisch zu dem Zwischenraum der Rillen 32 des Rotors 20 ist, sodass sich die Rillen 34, 32, 36 ausrichten, wenn die Kurzschlussringe 22, 24 am ersten Ende 38 bzw. am zweiten Ende 40 des Rotors 20 angebracht werden. Die Leiterstäbe 18 erstrecken sich über das Blechpaket 26 hinaus und fügen sich in die Rillen 34, 36 ein, wenn die Kurzschlussringe 22, 24 am Rotor 20 angebracht werden. Bei der Ausführungsform von 7 erstrecken sich die Rillen 34, 36 nur zum Teil durch die axiale Breite jedes der Kurzschlussringe 22, 24 hindurch. Bei anderen Ausführungsformen können die Rillen 34, 36 und die Leiterstäbe 18 so gefertigt sein, dass sich die Leiterstäbe 18 durch die gesamte Breite der Kurzschlussringe 22, 24 hindurch erstrecken.
Wieder mit Bezug auf 1 werden die Kurzschlussringe 22, 24 mit den Leiterstäben 18 verschweißt, um die Verbindung zwischen den Leiterstäben 18 und den Kurzschlussringen 22, 24 zur Verbesserung der Leitfähigkeit und der Leistung des Rotors 20 abzuschließen. Die Schweißvorrichtung 10 ist so konstruiert, dass sie ermöglicht, dass der Schweißprozess auf effiziente und präzise Weise auftritt. Die Schweißvorrichtung 10 enthält eine Halterung 44, die sich an beide Enden der Kurzschlussringe 22, 24 gleichzeitig anpasst, um die Kurzschlussringe 22, 24 und den damit zusammengebauten Rotor 20 festzuklemmen und abzustützen. Die Halterung 44 kann auch als eine Klemmdrehmaschine bezeichnet werden. Die Halterung 44 kann in Ansprechen auf Steuersignale von einem Controller 46 betrieben werden. Eine Bewegung der Halterung 44, wie sie nachstehend beschrieben wird, kann durch elektrische Stellglieder, Pneumatikdruck, Hydraulikdruck, Zahnradanordnungen oder anderweitig bewerkstelligt werden, wie sie durch Betätigungsabschnitte 50 der Halterung 44, die nur gestrichelt gezeichnet sind, bereitgestellt wird. Der Fachmann wird leicht eine Vielfalt von Weisen verstehen, um die Halterung 44 zu betätigen, ähnlich zur Betätigung einer Roboterdrehmaschine. Die Halterung 44 bewegt sich nach innen zu dem Rotor 20 und den damit zusammengebauten Kurzschlussringen 22, 24, um eine Klemmkraft aufzubringen, die durch Pfeile 48, 49 angezeigt ist. Um die Klemmkraft 48, 49 zu entfernen und den Rotor 20 und die Kurzschlussringe 22, 24 aus der Schweißvorrichtung 10 freizugeben, wird die Halterung 44 in die zu den Pfeilen 48, 49 entgegengesetzten Richtungen bewegt, d. h. von dem Rotor 20 und den damit zusammengebauten Kurzschlussringen 22, 24 weg.
Die Halterung 44 kann vom Controller 46 auch zur Drehung in die Richtung der Pfeile 56, 57 gesteuert werden. Wenn die Halterung 44 an den Rotor 20 und die Kurzschlussringe 22, 24 geklemmt ist, wie in 1 gezeigt ist, drehen sich der Rotor 20 und die Kurzschlussringe 22, 24 mit der Halterung 44.
Die Schweißköpfe 14, 16 werden von Roboterarmen 60, 62 abgestützt. Die Roboterarme 60, 62 sind in Ansprechen auf Steuersignale bewegbar, die vom Controller 46 gesendet werden, um die Schweißköpfe 14, 16 entlang von Mittelachsen 51, 52 der Schweißköpfe 14, 16 zu bewegen. Die Achsen 51, 52 können rechtwinklig zu der Rotationsachse 28 des Rotors 20 sein und können diese schneiden. In 1 sind die Schweißköpfe 14, 16 in vorbestimmten Schweißpositionen gezeigt. In den vorbestimmten Schweißpositionen befinden sich die Schweißköpfe 14, 16 benachbart zu (d. h. direkt über) einem Abschnitt der Kurzschlussringe 22, 24 in welchen sich die Leiterstäbe 18 hinein erstrecken. Nachdem die Halterung 44 den Rotor 20 mit den Kurzschlussringen 22, 24 in der in 1 gezeigten Position festgeklemmt hat, bewegen die Arme 60, 62 die Schweißköpfe 14, 16 aus Anfangspositionen, die als 54, 55 angezeigt sind, bei welchen sich das distale Ende der Schweißköpfe 14, 16 in einem Abstand über den Kurzschlussringen 22, 24 findet, in die Richtung der Pfeile 63, 64 zu den gezeigten Schweißpositionen, in denen die distalen Enden mit den Kurzschlussringen 22, 24 und den Leiterstäben 18 in Kontakt sind.
Die Schweißköpfe 14, 16 sind Rührreibschweißköpfe (FSW-Köpfe). Nachdem sie sich in den gezeigten Schweißpositionen befinden, kann der Controller 46 betrieben werden, um die Schweißköpfe 14, 16 in die Richtung der Pfeile 66, 68 zu drehen, um mit dem Verschweißen der Leiterstäbe 18 und der Kurzschlussringe 22, 24 zu beginnen. Die Rührreibschweißköpfe 14, 16 werden ein wenig in die Kurzschlussringe 22, 24 und die Leiterstäbe 18 hineingetaucht, während sich die Köpfe 14, 16 drehen, um das Material entlang der Schweißstrecke zu verrühren. Sich drehende Schweißköpfe, die in das zu verschweißende Material eintauchen, während sie sich drehen, um das Material zu verrühren, sind in der Technik des FSW bekannt. Diese Aktion der Köpfe 14, 16 kann eine im Wesentlichen nach unten gerichtete Kraft an den Kurzschlussringen 22, 24 erzeugen. Die Halterung 44 stellt eine Reaktionskraft 70 bereit, um die Kräfte der Schweißköpfe 14, 16 auszugleichen. In Abhängigkeit von der Kraftreaktionsfähigkeit der Halterung 44 kann es wünschenswert sein, den Rotor 20 und die damit zusammengebauten Kurzschlussringe 22, 24 in der Nähe der Ebene jedes der FSW-Köpfe 14, 16 abzustützen. Durch eine weitere Halterung 76 sind Rollen 71 und 72 an einer Welle 77 derart abgestützt, dass sie bei der gezeigten Ausführungsform Reaktionskräfte 78, 80 an der Halterung 44 bereitstellen, um den hohen Schweißkräften entgegenzuwirken. Die Rollen 71, 72 können sich in Ansprechen auf eine Drehung des Rotors 20 und der damit zusammengebauten Kurzschlussringe 22, 24 durch die Halterung 44 frei drehen, wie durch die Pfeile 82, 84 angezeigt ist. Ein weiterer Satz ähnlicher Rollen ist an einer ähnlichen Halterung und einer ähnlichen Welle an der entgegengesetzten Seite des Rotors 20 abgestützt. Zur Klarheit der Zeichnung ist in 1 nur eine dieser Rollen 73 gezeigt. Bei anderen Ausführungsformen können die Rollen 71, 72, 73 auf die Schweißköpfe 14, 16 axial ausgerichtet sein und können mit einem umlaufenden Kanal versehen sein, der mit den Kurzschlussringen 22, 24 an den Schweißstrecken in Kontakt steht, um irgendwelche Grate oder erhöhte Niveaus des Schweißmaterials aufzunehmen. Eine Schneideoperation kann so positioniert sein, dass sie der Schweißvorgangsabscheidung unmittelbar folgt, um irgendwelche Grate zu entfernen.
Wenn beide Schweißköpfe 14, 16 eintauchen und sich drehen, während sie im Wesentlichen bei den gezeigten Schweißpositionen bleiben, dreht die Halterung 44 gleichzeitig den Rotor 20 und die damit zusammengebauten Kurzschlussringe 22, 24, sodass die Schweißköpfe 14, 16 entlang dualer kreisförmiger Schweißstrecken 90, 91 schweißen, die gestrichelt angezeigt sind. Ein Abschnitt der abgeschlossenen Schweißnähte ist als 95, 97 gezeigt, da die Halterung 44 den Rotor 20 und die damit zusammengebauten Kurzschlussringe 22, 24 aus einer Position, in der sich Punkte 92, 93 direkt unter den Schweißköpfen 14, 16 befanden, in die in 1 gezeigte Position gedreht hat. Die Halterung 44 wird das Drehen des Rotors 20 und der damit zusammengebauten Kurzschlussringe 22, 24 eine vollständige Drehung lang fortsetzen, bis die Punkte 92, 93 wieder direkt unter den Schweißköpfen 14, 16 liegen, wodurch gleichzeitig die Kurzschlussringe 22, 24 und die Leiterstäbe 18 entlang der dualen kreisförmigen Schweißstrecken 90, 91 miteinander verschweißt werden. Am Ende einer Drehung mit 360 Grad oder ein wenig mehr, falls erforderlich, ist der Schweißvorgang abgeschlossen, wobei die Leiterstäbe 18 mit beiden Kurzschlussringen 22, 24 in einem einzigen Rotationszyklus verschweißt wurden.
Wenn die Kurzschlussringe 22, 24 eine Kupferlegierung sind, ist das Rührreibschweißen besonders vorteilhaft, da die Kupferlegierung der Kurzschlussringe 22, 24 bei einer relativ niedrigen Temperatur im Vergleich zu Temperaturen bleibt, die bei anderen Schweißverfahrensarten erreicht werden. Bei hohen Temperaturen kann die Kupferlegierung Oxide absorbieren, mit einer daraus resultierenden Verschlechterung ihrer Leitfähigkeit. Bei den niedrigeren Temperaturen werden Oxide von der Kupferlegierung nicht absorbiert. Das Rührreibschweißen ist auch beim Verschweißen von Kupfer mit Aluminium vorteilhaft.
Ein Verfahren 100 zum Schweißen des Induktionsmotors 12 von 1 und 7 ist im Flussdiagramm von 2 gezeigt. Das Verfahren 100 wird vom Controller 46 entsprechend einem Algorithmus, der in einem Prozessor im Controller gespeichert ist, ausgeführt. Das Verfahren 100 umfasst einen Block 102, bei dem der Rotor 20 mit daran angebrachten Kurzschlussringen 22, 24 derart abgestützt wird, dass der Rotor 20 um die Rotationsachse 28 herum drehbar ist. Bei Block 104 wird der Schweißkopf 14 in der in 1 gezeigten vorbestimmten Schweißposition benachbart zu dem Abschnitt des Kurzschlussrings 22 positioniert, in welchen sich die Leiterstäbe 18 hinein erstrecken. Die Positionierung von Block 104 umfasst einen Block 106, bei dem der Schweißkopf 14 im Wesentlichen entlang der Mittelachse 51 von der Anfangsposition, die als Position 54 bezeichnet ist, zu der gezeigten vorbestimmten Schweißposition bewegt wird. Die Bewegung in Block 106 erfolgt durch den Roboterarm 60. Bei Block 108 wird der zweite Schweißkopf 16 in einer zweiten vorbestimmten Schweißposition benachbart zu dem Abschnitt des Kurzschlussrings 24 positioniert, in welchen sich die Leiterstäbe 18 hinein strecken, wie in 1 gezeigt ist. Block 108 enthält einen Block 110, bei dem der Schweißkopf 16 im Wesentlichen entlang der Mittelachse 52 von einer Anfangsposition, die als Position 55 bezeichnet ist, in die gezeigte vorbestimmte Schweißposition bewegt wird. Das Positionieren der Schweißköpfe 14, 16 in den Blöcken 104 und 108 kann gleichzeitig ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Arme 60, 62 miteinander verbunden sein, sodass sie sich gemeinsam unter der Steuerung des Controllers 46 bewegen. Bei noch anderen Ausführungsformen können die Schweißköpfe 14, 16 an einer Kipphalterung derart angebracht sein, dass sie nach unten in die Schweißpositionen von 1 kippen. Zudem kann die Halterung 44 so ausgestaltet sein, dass sie den Rotor 20 mit daran angebrachten Kurzschlussringen 22, 24 zu den Schweißköpfen 14, 16 hin bewegt, wobei die Schweißköpfe 14, 16 in der gezeigten Schweißposition ortsfest bleiben.
Nachdem die Schweißköpfe positioniert sind, werden die Schweißköpfe 14, 16 in Block 112 so gesteuert, dass sie die Leiterstäbe 18 mit den Kurzschlussringen 22, 24 gleichzeitig verschweißen, während die Halterung 44 so gesteuert wird, dass sie den Rotor 20 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 22, 24 um die Mittelachse 28 herum dreht, wodurch gleichzeitig Schweißnähte entlang der dualen kreisförmigen Schweißstrecken 90, 91 erzeigt werden.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Schweißvorrichtung 210, die zum Schweißen eines AC-Induktionsmotors 212 verwendet wird. Insbesondere verwendet die Schweißvorrichtung 210 erste und zweite Schmelzschweißköpfe, etwa Metallschutzgasschweißköpfe (GMAW-Köpfe), Wolfram-Schutzgasschweißköpfe (GTAW-Köpfe), Plasmalichtbogenschweißköpfe, Elektronenstrahl-Schweißköpfe, Laserstrahl-Schweißköpfe, oder eine Kombination aus Laserstrahl-Schweiß- und GMAW-, GTAW- oder Plasmalichtbogen-Schweißköpfen. Bei dieser Ausführungsform sind die Schweißköpfe 214, 216 GMAW-Schweißköpfe, die Leiterstäbe 218 eines kreisringförmigen Rotors 220 des Induktionsmotors 212 mit einem ersten Kurzschlussring 222 bzw. einem zweiten Kurzschlussring 224 verschweißen, sie könnten aber auch GTAW-Schweißköpfe oder Plasmalichtbogenschweißköpfe darstellen. Die Kurzschlussringe 222, 224 sind vorzugsweise eine Kupferlegierung oder eine Aluminiumlegierung. Wie nachstehend weiter beschrieben wird, verschweißen die Schweißköpfe 214, 216 die Leiterstäbe 218 gleichzeitig mit den Kurzschlussringen 222, 224, wobei die Schweißköpfe 214, 216 relativ ortsfest bleiben und sich der Rotor 220 dreht, um entlang dualer kreisförmiger Schweißstrecken zu schweißen.
Mit Bezug auf 8 ist der Rotor 220 vor dem Verschweißen der Leiterstäbe 218 mit den Kurzschlussringen 222, 224 gezeigt. Nach der Fertigstellung wird der Induktionsmotor 212 auch einen Stator enthalten, der nicht gezeigt ist. Der Rotor 220 enthält ein Blechpaket 226 aus identischen dünnen kreisringförmigen Scheiben eines hochmagnetischen Stahls, die axial gestapelt sind, um eine Mittelachse des Rotors 220 zu definieren, welche auch die Rotationsachse 228 des Rotors 220 ist. Der Fachmann wird leicht verstehen, wie das Blechpaket 226 hergestellt und zusammengebaut wird. Die Leiterstäbe 218 sind in den Umfang des Blechpakets 226 derart eingebettet, dass sie um eine Außenfläche 230 des Rotors 220 herum beabstandet sind. Das Blechpaket 226 bildet eine Reihe identischer Rillen 232 aus, die seinen Umfang mit einem periodischen Zwischenraum umgeben. Die Leiterstäbe 218 sind durch das Paket 226 in den Rillen 232 im Wesentlichen derart eingeschlossen, dass die Außenseiten der Leiterstäbe 218 an der Außenfläche 230 des Rotors 220 freiliegen.
Die Kurzschlussringe 222, 224 sind jeweils mit Rillen 234, 236 hergestellt. Die Rillen 234, 236 sind um die Außenflächen 241, 243 der Kurzschlussringe 222, 224 mit einem Zwischenraum beabstandet, der identisch zu dem Zwischenraum der Rillen 232 des Rotors 220 ist, sodass sich die Rillen 234, 232, 236 ausrichten, wenn die Kurzschlussringe 222, 224 an dem ersten Ende 238 bzw. an dem zweiten Ende 240 des Rotors 220 angebracht werden. Die Leiterstäbe 218 erstrecken sich über das Blechpaket 226 hinaus und fügen sich in die Rillen 234, 236 ein, wenn die Kurzschlussringe 222, 224 am Rotor 220 angebracht werden. Bei der Ausführungsform von 8 erstrecken sich die Rillen 234, 236 durch die axiale Breite jedes der Kurzschlussringe 222, 224 hindurch. Die Kurzschlussringe 222, 224 sind außerdem jeweils mit umlaufenden Rillen 237, 239 auf den jeweiligen zylindrischen Außenoberflächen 241, 243 an den axialen Enden der Kurzschlussringe 222, 224 ausgebildet. Die Leiterstäbe 218 verjüngen sich an ihren Enden dort, wo die Rillen 232 die Rillen 234, 236 schneiden und sind in den Rillen 237, 239 freigelegt.
Wieder mit Bezug auf 3 werden die Kurzschlussringe 222, 224 mit den Leiterstäben 218 verschweißt, um die Verbindung zwischen den Leiterstäben 218 und den Kurzschlussringen 222, 224 zur Verbesserung der Leitfähigkeit und der Leistung des Rotors 220 abzuschließen. Die Schweißvorrichtung 210 ist so konstruiert, dass sie ermöglicht, dass der Schweißprozess auf effiziente und präzise Weise auftritt. Die Schweißvorrichtung 210 enthält eine Halterung 244, die sich an beide Enden der Kurzschlussringe 222, 224 gleichzeitig anpasst, um die Kurzschlussringe 222, 224 und den damit zusammengebauten Rotor 220 einzuklemmen und abzustützen. Die Halterung 244 kann auch als eine Klemmdrehmaschine bezeichnet werden. Die Halterung 244 kann in Ansprechen auf Steuersignale von einem Controller 246 betrieben werden. Eine Bewegung der Halterung 244 kann wie nachstehend beschrieben durch elektrische Stellglieder, Pneumatikdruck, Hydraulikdruck, Zahnradanordnungen oder anderweitig bewerkstelligt werden, welche durch Betätigungsabschnitte 250 der Halterung 244, die nur gestrichelt gezeigt sind, bereitgestellt wird. Der Fachmann auf dem Gebiet wird leicht eine Vielfalt von Weisen zum Betätigen der Halterung 244 ähnlich zu einer Betätigung einer Roboterdrehmaschine verstehen. Die Halterung 244 bewegt sich nach innen zu dem Rotor 220 und den damit zusammengebauten Kurzschlussringen 222, 224, um eine Klemmkraft aufzubringen, die durch Pfeile 248, 249 angezeigt ist. Um die Klemmkraft 248, 249 zu entfernen und den Rotor 220 und die Kurzschlussringe 222, 224 aus der Schweißvorrichtung 210 freizugeben, wird die Halterung 244 in die zu den Pfeilen 248, 249 entgegengesetzten Richtungen bewegt, d. h. weg vom Rotor 220 und den damit zusammengebauten Kurzschlussringen 222, 224.
Die Halterung 244 kann außerdem von dem Controller 246 so gesteuert werden, dass sie sich in die Richtung der Pfeile 256, 257 dreht. Wenn die Halterung 244 an den Rotor 220 und die Kurzschlussringe 222, 224 geklemmt ist, wie in 3 gezeigt ist, drehen sich der Rotor 220 und die Kurzschlussringe 222, 224 mit der Halterung 244.
Die Schweißköpfe 214, 216 werden von Roboterarmen 260, 262 abgestützt. Die Roboterarme können in Ansprechen auf Steuersignale bewegt werden, die vom Controller 246 gesendet werden, um die Schweißköpfe 214, 216 in einer radialen Richtung rechtwinklig zur Rotationsachse 228 zu bewegen, um die Schweißköpfe 214, 216 nahe an die Oberfläche der Kurzschlussringe 222, 224 zu bringen, und nach dem Abschließen der Schweißvorgänge dann von den Kurzschlussringen 222, 224 weg zu bewegen, um Platz zum Entfernen des Rotors 220 und zum Laden des nächsten Motors 212 zu schaffen. Alternativ kann der Rotor 220 mit daran angebrachten Kurzschlussringen 222, 224 zu den Schweißköpfen 214, 216 hin bewegt werden. Die Schweißköpfe 214, 216 können auch axial parallel zur Rotationsachse 228 bewegt werden, um sie zwischen benachbarten Schweißstrecken zu bewegen, wie nachstehend erörtert wird.
In 3 sind die Schweißköpfe 214, 216 in ersten vorbestimmten Schweißpositionen gezeigt. Bei den vorbestimmten Schweißpositionen sind die Schweißköpfe 214, 216 benachbart zu (d. h. direkt über) den Rillen 237, 239 der Kurzschlussringe 222, 224, in welche sich die Leiterstäbe 218 hinein erstrecken. Nachdem die Halterung 244 den Rotor 220 mit den Kurzschlussringen 222, 224 eingeklemmt hat, werden die GMAW-Schweißköpfe 214, 216 mit jeweiligen Schweißbrennern 277, 279 in einer vorgespannten radialen Position relativ zum Rotor 220, die zur Zufuhr von Drahtelektroden 261, 263 geeignet ist, befestigt. Die Schweißköpfe 214, 216 verfügen über die Möglichkeit zur axialen Verschiebung über die Roboterarme 260, 262 entlang der Breite der jeweiligen Rille 237, 239, wenn das Schweißmuster implementiert wird. Die Drahtelektroden 261, 263 werden von Versorgungsspulen mit einer gesteuerten Geschwindigkeit automatisch in die Schweißbrenner 277, 279 der jeweiligen Schweißköpfe 214, 216 durch Röhren 265, 267 eingespeist.
Ein Schutzgas wie etwa Argon oder Argon und Helium, die beide mit einem geringen Prozentsatz aus Stickstoff, Wasserstoff oder Kohlendioxid vermischt sein können, wird durch Gaszufuhrröhren 271, 272 in den Lichtbogenbereich des Schweißvorgangs geflutet. Das Schutzgas beschränkt oder beseitigt die Effekte von Sauerstoff oder anderen in der Atmosphäre natürlich vorkommenden Gasen auf die Schweißqualität. Das Schutzgas wird in Kammern 253, 259 verteilt, die durch Abschirmungen 273, 274 an den jeweiligen Schweißköpfen 214, 216 definiert sind, welche ermöglichen, dass die Schweißköpfe 214, 216 in einer großen Vielfalt von Positionen mit Bezug auf den Rotor 220 orientiert werden. Die Abschirmungen 273, 274 sind gestrichelt gezeigt, um einen Blick auf die Komponenten, wie etwa die Elektroden 261, 263, zu ermöglichen. Optionale Dichtungen 276, 278 können an den jeweiligen Abschirmungen 273, 274 angebracht sein, um die Außenfläche 230 des Rotors 220 und der Kurzschlussringe 222, 224 zu kontaktieren oder dieser eng anliegend zu folgen, wenn sich die Halterung 244 dreht, wodurch die Isolierung der Kammern 253, 259 von der Atmosphäre weiter verbessert wird. Bei einer Ausführungsform können die Dichtungen 276, 278 Hochtemperatur-Glasfaser-Seildichtungen mit einem Metallkern, Dichtungen mit einer verstärkten Verbundkonstruktion oder andere ähnliche Dichtungen sein.
Abgesehen von einer leichten axialen Bewegung, die nachstehend beschrieben wird, verändert sich die Orientierung der Schweißköpfe 214, 216 relativ zum Rotor 220 im Verlauf des Schweißvorgangs nicht. Die konsistente zylindrische Form des Rotors 220 und die begrenzte axiale Verschiebung der Schweißköpfe 214, 216 bieten eine Gelegenheit, den Schweißbrenner 277, 279 der Schweißköpfe 214, 216 in einer sehr effektiven Abschirmungskonfiguration einzuschließen, wobei die Abschirmungen 273, 274 eine Form aufweisen, welche die zylindrische Form der Außenoberfläche 230 des Rotors 220 und die zylindrische Form der Außenfläche der Kurzschlussringe 222, 224 und der Halterung 244 ergänzt, sodass die Kammern 253, 259 von der umgebenden Atmosphäre im Wesentlichen isoliert sind, wodurch das Risiko, dass die Schweißfläche unter den Schweißbrennern 277, 279 der atmosphärischen Verschmutzung ausgesetzt ist, signifikant verringert wird. Insbesondere weisen die offenen Enden der jeweiligen Abschirmungen 273, 274, einschließlich irgendwelcher optionaler Dichtungen 276, 278, bei einer Betrachtung von der Seite eine Form auf, die ein Segment eines Kreises ist, der im Wesentlichen die gleiche Größe wie der Rotor 220 aufweist, sodass die Abschirmungen 273, 274 einschließlich irgendwelcher optionaler Dichtungen 276, 278 zu der zylindrischen Außenfläche 230 mit nur einem kleinen Spalt dazwischen passen, der so dimensioniert ist, dass das Entweichen einer Schutzgasströmung ermöglicht wird.
Zum Starten des Fertigungszyklus wird mit Bezug auf 3 der Rotor 220 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 222, 224 in die Klemmhalterung 244 eingeführt, um die präzise radiale und axiale Position des Rotors 220 und der Kurzschlussringe 222, 224 sicherzustellen, und um einen elektrischen Massepfad zum Schweißen bereitzustellen. In dieser Position befindet sich die Außenfläche 230 des Rotors 220 ein wenig unterhalb des unteren Abschnitts der Abschirmungen 273, 274 mit den optionalen Dichtungen 276, 278 und die Rillen 237, 239 der Kurzschlussringe [engl.: shorting bar] sind auf die kontinuierlichen Drahtelektroden 261, 263, die aus den GMAW-Schweißbrennern 277, 279 hervorstehen, ausgerichtet. Nachdem sich der Rotor 220 und die Kurzschlussringe 222, 224 in dieser Position befinden, wird das Schutzgas aus einem Vorratsbehälter (nicht gezeigt) durch die Versorgungsröhren 271, 272 eingeleitet, um das Gas der Umgebungsatmosphäre aus den Kammern 253, 259 zu evakuieren und die benötigte Schutzgasumgebung bereitzustellen. Schließlich werden die Schweißvorgänge eingeleitet, wenn die Drehung des Rotors 220 und der Kurzschlussringe 222, 224 durch die Halterung 244 und die Zufuhrgeschwindigkeit der kontinuierlichen Drahtelektroden 261, 263 synchronisiert werden, um die jeweiligen Rillen 237, 239 mit geschmolzenem Metall zu füllen, das in der abgeschirmten Umgebung schnell erstarrt. Während beide Schweißköpfe 214, 216 so gesteuert werden, dass sie den Rotor 220 und die Kurzschlussringe 222, 224 im Wesentlichen in den gezeigten vorbestimmten Schweißpositionen verschweißen, dreht die Halterung 244 gleichzeitig den Rotor 220 und die damit zusammengebauten Kurzschlussringe 222, 224, sodass die Schweißköpfe 214, 216 entlang dualer kreisförmiger Schweißstrecken 290, 291, die gestrichelt gezeigt sind, schweißen. Ein Teil der abgeschlossenen Schweißnähte ist als 295, 297 gezeigt, da die Halterung 244 den Rotor 220 und die damit zusammengebauten Kurzschlussringe 222, 224 von einer Position, in der sich die Punkte 292, 293 direkt unter den Schweißköpfen 214, 216 befunden haben, in die in 3 gezeigte Position gedreht hat.
Die Halterung 244 wird mit dem Drehen des Rotors 220 und der damit zusammengebauten Kurzschlussringe 222, 224 eine vollständige Drehung lang fortfahren, bis die Punkte 292, 293 wieder direkt unter den Schweißköpfen 214, 216 liegen, wodurch die Kurzschlussringe 222, 224 und die Leiterstäbe 218 entlang der dualen kreisförmigen Schweißstrecken 290, 291 gleichzeitig miteinander verschweißt werden. Wenn die Rillen 237, 239 am Ende einer 360-Grad-Drehung breiter als die Schweißnaht entlang der Schweißstrecken 290, 291 sind, wird der Controller 246 veranlassen, dass sich die Schweißköpfe 214, 216 axial bewegen, wie durch die Pfeile 245, 247 angezeigt ist, sodass sich die Schweißspitzen 261, 263 bei zusätzlichen Schweißpositionen 296, 298 befinden. Bei dieser Ausführungsform werden sich beide Schweißspitzen 261, 263 in den Rillen 237, 239 vom Rotor 220 weiter weg bewegen, um bei dieser Ausführungsform zweite Schweißstrecken zu beginnen. Die Halterung 244 wird mit dem Drehen des Rotors 220 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 222, 224 fortfahren, um zweite im Wesentlichen kreisförmige Schweißnähte entlang zweiter im Wesentlichen kreisförmiger Schweißstrecken 287, 289 axial benachbart zu den jeweiligen Schweißstrecken 290, 291 zu erzeugen, sodass es zwei nebeneinander liegende Schweißnähte in jeder der Rillen 237, 239 gibt. Alternativ können die Roboterarme 260, 262 einen festen Abstand voneinander beabstandet sein, sodass die Roboterarme 260, 262 die Schweißköpfe 214, 216 übereinstimmend in die gleiche Richtung entlang der Rotationsachse 228 in Positionen bewegen, die auf jeweilige zweite Schweißstrecken ausgerichtet sind.
Es können so viele zusätzliche Iterationen mit leichter axialer Bewegung der Schweißköpfe 214, 216 und Drehung der Halterung 244 ausgeführt werden, bis die Rillen 237, 239 angemessen mit Schweißmaterial gefüllt sind. Der Schweißvorgang kann dann abgeschlossen sein, wobei beide Kurzschlussringe 222, 224 gleichzeitig mit den Leiterstäben 218 verschweißt wurden. Bei der Beendigung des Schweißmusters wird der Rotor 220 mit den Kurzschlussringen 222, 224 aus der Halterung 244 entfernt. Wenn die Schweißköpfe 214, 216 während des Schweißvorgangs axial bewegt wurden, dann werden sie wieder axial bewegt, um sie in ihre ursprünglichen Schweißpositionen, die in 3 gezeigt sind, zurückzustellen. Ein weiterer Rotor mit Kurzschlussringen kann dann in der Halterung 244 für den Start des nächsten Schweißzyklus platziert werden.
Ein Verfahren 300 zum Schweißen des Induktionsmotors 212 von 3 und 8 ist im Flussdiagramm von 4 gezeigt. Das Verfahren 300 wird von dem Controller 246 gemäß einem Algorithmus ausgeführt, der in einem Prozessor im Controller 246 gespeichert ist. Das Verfahren 300 enthält einen Block 302, bei dem der Rotor 220 mit daran angebrachten Kurzschlussringen 222, 224 derart abgestützt wird, dass der Rotor 220 um die Rotationsachse 228 drehbar ist. Das Verfahren 300 enthält ferner einen Block 304, bei dem eine Abschirmung 273 am Schweißkopf 214 angebracht wird, wobei die Abschirmung 273 an einem distalen Ende eine Form aufweist, die so ausgestaltet ist, dass sie im Wesentlichen komplementär zu der zylindrischen Außenfläche 230 des Rotors 220 ist. Auf ähnliche Weise weist bei Block 306 eine Abschirmung 274 eine Form an einem distalen Ende auf, die so ausgestaltet ist, dass sie im Wesentlichen komplementär zu der zylindrischen Außenfläche 230 des Rotors 220 ist. Die Abschirmungen 273, 274 können während der anfänglichen Montage der Schweißvorrichtung 210 vor dem Schweißen des Rotors 220 angebracht werden.
Bei Block 308 wird der Schweißkopf 214 in der in 3 gezeigten vorbestimmten Schweißposition benachbart zu der Rille 237 des Kurzschlussrings 222, in welchen sich die Leiterstäbe 218 hinein erstrecken, positioniert. Bei Block 310 wird der Schweißkopf 216 in der in 3 gezeigten vorbestimmten Schweißposition benachbart zu der Rille 239 des Kurzschlussrings 224, in welchen sich die Leiterstäbe 218 hinein erstrecken, positioniert. Bei einer Ausführungsform können die Roboterarme 260, 262 an einer gemeinsamen Drehachse angebracht sein, um die Schweißköpfe 214, 216 unter der Steuerung des Controllers 246 gemeinsam nach unten in die in 3 gezeigten Positionen zu bewegen. Alternativ kann der Rotor 220 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 222, 224 zu den Schweißköpfen 214, 216 hin bewegt werden.
Wenn sich die Schweißköpfe 214, 216 in den vorbestimmten Schweißpositionen befinden und der Rotor 220 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 222, 224 durch die Halterung 244 abgestützt wird, werden dann bei Block 312 die Schweißköpfe 214, 216 so gesteuert, dass sie die Leiterstäbe 218 gleichzeitig mit den Kurzschlussringen 222, 224 verschweißen, während die Halterung 244 den Rotor 220 dreht, wodurch duale kreisförmige Schweißstrecken 290, 291 erzeugt werden.
In Abhängigkeit von der Breite der Rillen 237, 239 kann mehr als eine im Wesentlichen kreisförmige Schweißnaht in jeder der Rillen 237, 239 gewünscht sein. Bei einigen Ausführungsformen kann ein zusätzlicher Schweißvorgang wünschenswert sein und das Verfahren 300 kann einen Block 314 enthalten, bei dem die Schweißköpfe 214, 216 axial mit Bezug auf den Rotor 220 innerhalb der Rillen 237, 239 bewegt werden. Die Bewegung bei Block 314 erfolgt durch die Roboterarme 260, 262 und verläuft in die axiale Richtung, die durch die doppelseitigen Pfeile 245 und 247 angezeigt ist. Bei der gezeigten Ausführungsform bewegen sich die Schweißköpfe 214 und 216 vom Rotor 220 innerhalb der jeweiligen Rillen 237, 239 weg. Bei anderen Ausführungsformen können sich die Schweißköpfe 214, 216 in die gleiche axiale Richtung bewegen. Bei Block 216 werden die Schweißköpfe 214, 216 so gesteuert, dass sie schweißen, während die Halterung 244 den Rotor 220 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 222, 224 dreht, wodurch entlang im Wesentlich kreisförmiger Schweißstrecken 287, 289 geschweißt wird und nebeneinander liegende Schweißnähte in jeder der Rillen 237, 239 erzeugt werden. Nachdem der Schweißvorgang abgeschlossen ist, gibt die Halterung 244 den Rotor 220 und die Kurzschlussringe 222, 224 frei.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Schweißvorrichtung 410, die zum Schweißen eines AC-Induktionsmotors 412 verwendet wird. Insbesondere verwendet die Schweißvorrichtung 410 einen Metallschmelzschweißkopf, etwa einen Metallschutzgasschweißkopf (GMAW-Kopf), einen Wolfram-Schutzgasschweißkopf (GTAW-Kopf), einen Plasmalichtbogenschweißkopf, einen Elektronenstrahlschweißkopf, einen Laserstrahlschweißkopf, oder eine Kombination aus einem Laserstrahlschweiß- und einem GMAW-, GTAW- oder Plasmalichtbogenschweißkopf. Bei dieser Ausführungsform ist der Schweißkopf 414 ein GMAW-Schweißkopf 414, auch als ein Schweißbrenner bezeichnet, um Leiterstäbe 418 eines kreisringförmigen Rotors 420 des Induktionsmotors 412 mit einem ersten Kurzschlussring 422 bzw. einem zweiten Kurzschlussring 424 zu verschweißen. Die Kurzschlussringe 422, 424 sind vorzugsweise eine Kupferlegierung oder eine Aluminiumlegierung. Wie nachstehend weiter beschrieben wird, verschweißt der Schweißkopf 414 die Leiterstäbe 418 mit dem Kurzschlussring 422, wobei der Schweißkopf 414 relativ ortsfest bleibt. Die Halterung 444 dreht den Rotor 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 derart, dass der Schweißkopf 414 entlang einer im Wesentlichen kreisförmigen Schweißstrecke 490 schweißt, die in 9 gezeigt ist. Der Rotor 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 wird dann in der Halterung 444 so neu positioniert, dass der zweite Kurzschlussring 424 auf die gleiche Weise mit den Leiterstäben 418 verschweißt werden kann.
Mit Bezug auf 9 ist der Rotor 420 vor dem Verschweißen der Leiterstäbe 418 mit den Kurzschlussringen 422, 424 gezeigt. Nach der Fertigstellung wird der Induktionsmotor 412 auch einen Stator umfassen, der nicht gezeigt ist. Der Rotor 420 enthält ein Blechpaket 426 aus identischen, dünnen, kreisringförmigen Scheiben aus hochmagnetischem Stahl, die axial gestapelt sind, um eine Mittelachse des Rotors zu definieren, die auch die Rotationsachse 428 des Rotors ist. Der Fachmann auf dem Gebiet versteht leicht, wie das Blechpaket 426 hergestellt und montiert wird. Die Leiterstäbe 418 sind im Umfang des Blechpakets 426 so eingebettet, dass sie um eine Außenfläche 430 des Rotors 420 herum beabstandet sind. Das Blechpaket 426 bildet eine Reihe identischer Rillen 432 aus, die seinen Umfang mit einem periodischen Zwischenraum umgeben. Die Leiterstäbe 418 sind durch das Paket 426 in den Rillen 432 derart im Wesentlichen eingeschlossen, dass die Außenseiten der Leiterstäbe 418 an der Außenfläche 430 des Rotors 420 freiliegen. Eine im Wesentlichen kreisförmige Rille 437 ist in der Stirnseite 431 des Kurzschlussrings 422 ausgebildet. Eine im Wesentlichen gleiche kreisförmige Rille 439 ist in der Stirnseite 433 des Kurzschlussrings 424 ausgebildet und ist in 9 verdeckt. Die ringförmigen Rillen 437, 439 sind in den Stirnseiten 431, 433 der Kurzschlussringe 422, 424 maschinell bearbeitet oder anderweitig bereitgestellt, um beim Zusammenfügen der Komponenten eine Schweißnahtfüllung zu ermöglichen.
Die Kurzschlussringe 422, 424 weisen auch Rillen 434, 436 auf, die um die Außenfläche der Kurzschlussringe 422, 424 mit einem Zwischenraum beabstandet sind, der identisch zu dem Zwischenraum der Rillen 432 des Rotors 420 sind, sodass sich die Rillen 434, 436 der Kurzschlussringe 422, 424 mit den Rillen 432 des Rotors 420 ausrichten, wenn die Kurzschlussringe 422, 424 am ersten Ende 438 bzw. am zweiten Ende 440 des Rotors 420 angebracht werden. Die Leiterstäbe 418 erstrecken sich über das Blechpaket 426 hinaus und fügen sich in die Rillen 434, 436 ein, wenn die Kurzschlussringe 422, 424 am Rotor 420 angebracht werden. Die Leiterstäbe 418 stehen nahezu bündig zu den freiliegenden Stirnseiten 431, 433 der Kurzschlussringe 422, 424 heraus. Bei der Ausführungsform von 9 erstrecken sich die Rillen 434, 436 durch die axiale Breite jedes der Kurzschlussringe 422, 424 hindurch. Die Kurzschlussringe 422, 424 sind außerdem jeweils mit den umlaufenden Rillen 437, 439 an den jeweiligen äußeren Stirnseiten 431, 433 an den axialen Enden der Kurzschlussringe 422, 424 ausgebildet. Die Leiterstäbe 418 liegen in den Rillen 437, 439 an ihren Enden dort frei, wo die Rillen 434, 436 jeweils die Rillen 437, 439 schneiden.
Die Rillen 437, 439 sind nicht in allen Ausführungsformen notwendig. Die Notwendigkeit hängt von der Dichte der Rillen 432 am Umfang, dem Durchmesser des Rotors 420 und dem Spiel zwischen den Rillen 432 und den Leiterstäben 418 ab. Beispielsweise werden die Rillen 437, 439 die Leiterstäbe 418 freilegen. Die Rillen 437, 439 sind bei Leiterstäben 418 mit hoher Dichte und/oder bei einem Rotor 420 mit kleinem Durchmesser vorteilhaft, bei denen der Zwischenraum zwischen Leiterstäben 418 klein ist. In Fällen mit einem Rotor 420 mit einem großen Durchmesser und/oder mit Leiterstäben 418 mit niedriger Dichte sind die Rillen 437, 439 nicht notwendig. Darüber hinaus bestehen die Kurzschlussringe 422, 424 in Abhängigkeit von der Schweißanwendung und den Fertigungskosten jeweils aus einem einzigen Stück oder einer Anordnung aus mehreren kreisringförmigen Scheiben mit verschiedenen Dicken. Wenn die Kurzschlussringe 422, 424 hergestellt werden, indem Kupferbleche aneinander gestapelt werden, sind die Rillen 437, 439 nicht vorhanden. In diesem Fall bestehen die Kurzschlussringe 422, 424 aus Blechpaketen aus dünnen, kreisringförmigen Scheiben aus Kupfer- oder Aluminiummaterial, die axial gestapelt sind. Die kreisringförmigen Scheiben aus Kupfer oder Aluminium sind so dünn, wie es notwendig ist, damit sie durch das einfachste Verfahren erzeugt werden können, etwa Stanzen. Daher sind die kreisringförmigen Scheiben, die für die Kurzschlussringe hergestellt werden, für gewöhnlich dicker als die kreisringförmigen Stahlscheiben, die für den Rotor 420 verwendet werden.
Wieder mit Bezug auf 5 werden die Kurzschlussringe 422, 424 mit den Leiterstäben 418 verschweißt, um die Verbindung zwischen den Leiterstäben 418 und den Kurzschlussringen 422, 424 zur Verbesserung der Leitfähigkeit und der Leistung des Rotors 420 abzuschließen. Die Schweißvorrichtung 410 ist so konstruiert, dass sie ermöglicht, dass der Schweißprozess auf eine effiziente und präzise Weise auftritt. Die Schweißvorrichtung 410 enthält eine Halterung 444, die an beide Enden der Kurzschlussringe 422, 424 passt, um die Kurzschlussringe 422, 424 und den damit zusammengebauten Rotor 420 einzuklemmen und abzustützen. Anders als die vorstehend beschriebenen Halterungen 10 und 210 passt sich die Halterung 410 zu einem Zeitpunkt nur an einen Kurzschlussring 422 oder 424 an. Die Halterung 444 kann auch als eine Klemmdrehmaschine bezeichnet werden. Die Halterung 444 kann in Ansprechen auf Steuersignale von einem Controller 446 betrieben werden.
5 zeigt eine Seitenansicht der Komponenten, die am Festhalten und Verschweißen der Rotoranordnung beteiligt sind, mit einer weggebrochenen Sektion im Bereich der Schweißung. Der Rotor 420 mit daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 wird auf der Halterung 444 sicher platziert, welche zum Anheben des Rotors 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 zu einem Schweißkopf 414 hin, wie durch Pfeil 448 angezeigt ist, und zum Bewirken einer gesteuerten Drehung des Rotors 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 um eine Rotationsachse 428, wie durch Pfeil 456 angezeigt ist, in der Lage ist. Eine Bewegung der Halterung 444, wie sie nachstehend beschrieben wird, kann durch elektrische Stellglieder, Pneumatikdruck, Hydraulikdruck, Zahnradanordnungen oder anderweitig bewerkstelligt werden, welche durch Betätigungsabschnitte 450 der Halterung 444, die nur gestrichelt gezeigt sind, bereitgestellt wird. Der Fachmann auf dem Gebiet wird leicht eine Vielfalt von Weisen verstehen, um die Halterung 444 zu betätigen, ähnlich einer Betätigung einer Roboterdrehmaschine. Die Halterung 444 kann in die zu Pfeil 448 entgegengesetzte Richtung bewegt werden, d. h. weg vom Schweißkopf 414, wenn die im Wesentlichen kreisförmige Schweißnaht in der Rille 437 abgeschlossen ist.
Der Schweißkopf 414 wird durch einen Roboterarm 460 abgestützt. Der Roboterarm 460 ist in Ansprechen auf Steuersignale bewegbar, die vom Controller 446 gesendet werden, um den Schweißkopf 414 mit Bezug auf die Rotationsachse 428 radial zu bewegen. Eine Gummischutzmanschette 457 umgibt den Roboterarm 460 dort, wo der Roboterarm 460 durch eine Abschirmung 473 hindurch verläuft, die nachstehend weiter erörtert wird. In 5 ist der Schweißkopf 414 in einer ersten vorbestimmten Schweißposition gezeigt. In der ersten vorbestimmten Schweißposition befindet sich der Schweißkopf 414 benachbart zu (d. h. direkt über) der Rille 437 des Kurzschlussrings 422, in welchen sich die Leiterstäbe 418 hinein erstrecken. Der Schweißkopf 414 mit einem Schweißbrenner 477 ist relativ zum Rotor 420 ortsfest in einer vorgespannten radialen Position. Der GMAW-Schweißprozess verwendet eine kontinuierliche Drahtelektrode 461, die von einer Zufuhrspule (nicht gezeigt) mit einer gesteuerten Geschwindigkeit dem Schweißbrenner 477 automatisch zugeführt wird.
Ein Schutzgas wie etwa Argon oder Argon und Helium, welche beide mit einem geringen Prozentsatz aus Stickstoff, Wasserstoff oder Kohlendioxid vermischt sein können, wird in den Lichtbogenbereich des Schweißvorgangs geflutet, um die Effekte von Sauerstoff oder anderen in der Atmosphäre natürlich vorkommenden Gasen auf die Schweißqualität zu begrenzen oder zu beseitigen. Bei der offenbarten Erfindung wird das Schutzgas durch eine Gaszufuhrleitung 471 verteilt und ist in der zylindrischen Behälterabschirmung 473 enthalten. Bei anderen Ausführungsformen kann die Abschirmung andere Formen aufweisen. Beispielsweise kann die Abschirmung sowohl die äußere Umfangslänge des Kurzschlussrings 422 und eine innere Umfangslänge des Kurzschlussrings 422 umfangen und auf beiden Seiten der Schweißspitze 461 über die Oberfläche der Rille 437 passen. Die konsistente zylindrische Form der Kurzschlussringe 422, 424 und die begrenzte radiale Verschiebung des Schweißkopfs 414 bieten eine Möglichkeit, den Schweißkopf 414 in einer sehr effektiven Ausgestaltung der Abschirmung einzuschließen, wodurch die Zugänglichkeit der Schweißnaht für eine atmosphärische Verschmutzung signifikant verringert wird.
Das Schutzgas wird in einer Kammer 453 verteilt, die durch die Abschirmung 473 definiert ist. Die Abschirmung 473 ist in einer Querschnittsansicht gezeigt, um einen Blick auf die Komponenten zu ermöglichen, die in der Kammer 453 untergebracht sind, etwa die Elektrode 461. Die Abschirmung 473 ist zylindrisch mit einem offenen Ende, das zu der Außenfläche des Kurzschlussrings 422 und der Außenfläche des Kurzschlussrings 424 passt oder an dieser sehr eng ansitzt, wenn der Rotor mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 umgedreht wird. Die Abschirmung 473 ist so ausgestaltet, dass sie relativ eng an der Oberfläche des Kurzschlussrings 422 anliegt aber mit ausreichend Flexibilität, sodass die Halterung 444 in der Lage ist, den Rotor 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 zu drehen. Eine optionale kreisringförmige Dichtung 476 kann an der Abschirmung 473 angebracht sein, um die Außenfläche des Kurzschlussrings 422 zu kontaktieren, wenn sich die Halterung 444 dreht, wodurch die Isolierung der Kammer 453 von der Atmosphäre weiter verbessert wird. Bei einer Ausführungsform kann die Dichtung 476 eine Dichtung vom Hochtemperatur-Glasfaser-Seiltyp mit einem Metallkern, eine Dichtung mit einer verstärkten Verbundkonstruktion oder eine andere ähnliche Dichtung sein. Abgesehen von einer nachstehend beschriebenen leichten radialen Bewegung verändert sich die Orientierung des Schweißkopfs 414 relativ zum Rotor 420 im Verlauf des Schweißvorgangs nicht.
Um den Herstellungszyklus zu starten, wird mit Bezug auf 5 der Rotor 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 an der Halterung 444 befestigt, die die präzise radiale und axiale Position des Rotors 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 sicherstellt und einen elektrischen Massepfad für den Schweißvorgang bereitstellt. Die Halterung 444 hebt den Rotor 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 in die gezeigte Position an. In dieser Position kontaktiert der Kurzschlussring 422 den unteren Abschnitt der Abschirmung 473 oder befindet sich unmittelbar benachbart zu dieser und richtet die Rille 437 auf die kontinuierliche Drahtelektrode 461 aus, die aus dem GMAW-Schweißbrenner 477 hervorsteht. Nachdem der Rotor 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 in der Position von 5 ist, wird das Schutzgas aus dem Vorratsbehälter (nicht gezeigt) durch die Versorgungsröhre 471 eingeleitet, um das atmosphärische Umgebungsgas aus der Kammer 453 zu evakuieren und die benötigte Schutzgasumgebung bereitzustellen. Schließlich wird der Schweißvorgang eingeleitet, wenn die Drehung des Rotors 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 und die Zufuhrgeschwindigkeit der kontinuierlichen Drahtelektrode 461 synchronisiert werden, um die Rille 437 mit geschmolzenem Metall 481 zu füllen, das in der abgeschirmten Umgebung schnell erstarrt. Der Schweißkopf 414 wird so gesteuert, dass er den Rotor 420 und den Kurzschlussring 422 verschweißt, im Wesentlichen in der gezeigten vorbestimmten Schweißposition, während die Halterung 444 gleichzeitig den Rotor 420 und die daran montierten Kurzschlussringe 422, 424 dreht, sodass der Schweißkopf 414 entlang einer kreisförmigen Schweißstrecke 490 schweißt, die in 9 gestrichelt angezeigt ist.
Das Schweißmuster kann mehr als eine Drehung des Rotors 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 erfordern, was eine kleine radiale Verschiebung des GMAW-Schweißkopfes 414 und des Schweißbrenners 477 in eine zweite vorbestimmte Schweißposition notwendig macht, welche in 5 durch Punkt 483 angegeben ist. Die Halterung 444 wird mit dem Drehen des Rotors 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 fortfahren, um eine zweite im Wesentlichen kreisförmige Schweißnaht entlang einer zweiten im Wesentlichen kreisförmigen Schweißstrecke 487 (in 9 gezeigt) radial benachbart zu der jeweiligen Schweißstrecke 490 zu erzeugen, sodass es in der Rille 437 zwei nebeneinander liegende Schweißnähte gibt. Soweit es notwendig ist, können zusätzliche Iterationen der leichten radialen Bewegung des Schweißkopfs 414 und der Drehung der Halterung 444 ausgeführt werden, bis die Rille 437 angemessen mit Schweißmaterial ausgefüllt ist.
Nach dem Abschluss des Schweißmusters wird der Rotor 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 aus der Halterung 444 entfernt, und der Schweißkopf 414 wird in die vorbestimmte Schweißposition von 5 zurückgestellt. Der Rotor 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 wird neu so orientiert, dass der Kurzschlussring 424 mit den Leiterstäben 418 in der Rille 439 unter Verwendung der gleichen Halterung 444 und des gleichen Schweißkopfs 414 verschweißt werden kann. Die nächste Rotoranordnung (Rotor mit daran angebrachten Kurzschlussringen) wird dann in der Halterung 444 für den Start des nächsten Zyklus platziert. Alternativ können die Leiterstäbe 418 und der Kurzschlussring 424 in der Rille 439 unter Verwendung einer anderen Halterung und eines anderen Schweißkopfs verschweißt werden. Irgendwelches überschüssiges Schweißmaterial, das aus den Stirnseiten 431, 433 der Kurzschlussringe 422, 424 hervorsteht, kann maschinell auf ein gewünschtes Profil bearbeitet werden.
Ein Verfahren 500 zum Schweißen des Induktionsmotors 412 von 5 und 9 ist im Flussdiagramm von 6 gezeigt. Das Verfahren 500 wird von dem Controller 446 gemäß einem Algorithmus ausgeführt, der in einem Prozessor des Controllers 446 gespeichert ist. Das Verfahren 500 enthält einen Block 502, bei dem der Rotor 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 derart abgestützt wird, dass der Rotor 420 um die Rotationsachse 428 herum drehbar ist. Der Rotor 420 wird auf diese Weise abgestützt, indem die Halterung 444 den Kurzschlussring 424 einklemmt oder sich anderweitig daran befestigt, wie in 5 gezeigt ist. Das Verfahren 500 umfasst ferner einen Block 504, bei dem eine Abschirmung 473 an dem Schweißkopf 414 oder um diesen herum angebracht wird, wobei die Abschirmung 473 eine Form an einem distalen Ende aufweist, die so ausgestaltet ist, dass sie im Wesentlichen komplementär zu der zylindrischen Außenfläche der Kurzschlussringe 422, 424 ist. Die Abschirmung 473 kann während der anfänglichen Montage der Schweißvorrichtung 410 vor dem Schweißen des Rotors 420 angebracht werden.
Bei Block 506 wird der Schweißkopf 414 in der vorbestimmten, in 5 gezeigten Schweißposition benachbart zu der Rille 437 des Kurzschlussrings 422, in welchen sich die Leiterstäbe 418 hinein erstrecken, positioniert. In der vorbestimmten Schweißposition passt die Abschirmung 473 im Wesentlichen zu der Außenfläche des Kurzschlussrings 422, sodass die Abschirmung 473 die im Wesentlichen abgeschlossene Kammer 453 definiert. Es kann einen kleinen Spalt zwischen der Abschirmung 473 und dem Kurzschlussring 422 geben, um zu ermöglichen, dass die Schutzgasströmung entweicht. Der Block 506 enthält einen Block 508, bei dem der Rotor 420 über die Halterung 444 zu dem Schweißkopf 414 und der Abschirmung 473 hin bewegt wird. Alternativ können der Schweißkopf 414 und die Abschirmung 473 zu dem Rotor 420 und der Halterung 444 hin bewegt werden.
Nachdem der Schweißkopf 414 in der vorbestimmten Schweißposition ist und der Rotor 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 durch die Halterung 444 abgestützt wird, wird bei Block 510 der Schweißkopf 414 dann gesteuert, um die Leiterstäbe 418 mit dem Kurzschlussring 422 gleichzeitig zu verschweißen, während die Halterung 444 den Rotor 420 dreht, wodurch die kreisförmige Schweißstrecke 490 in der Rille 347 geschaffen wird, wie in 9 angezeigt ist. In Abhängigkeit von der Breite der Rille 437 kann mehr als eine im Wesentlichen kreisförmige Schweißnaht in der Rille 437 wünschenswert sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 500 einen Block 512 enthalten, bei dem der Schweißkopf 414 radial mit Bezug auf den Motor 420 in der Rille 437 bewegt wird. Die Bewegung in Block 512 erfolgt durch den Roboterarm 460 und geht in eine radiale Richtung (d. h. rechtwinklig zu der Rotationsachse 428). Bei der gezeigten Ausführungsform bewegt sich der Schweißkopf 414 radial nach innen, näher zu der Rotationsachse 428 innerhalb der Rille 437 hin zu dem in 5 gezeigten Punkt 483. Bei Block 514 wird der Schweißkopf 414 dann so gesteuert, dass er die Leiterstäbe 418 mit dem Kurzschlussring 424 verschweißt, während die Halterung 444 den Rotor 420 mit den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424 dreht, wodurch entlang der im Wesentlichen kreisförmigen Schweißstrecke 487 von 9 geschweißt wird, was nebeneinander verlaufende Schweißnähte in der Rille 437 erzeugt.
Nachdem der Schweißvorgang in der Rille 437 abgeschlossen ist, bewegt sich die Halterung 444 bei Block 514 vom Schweißkopf 414 weg in eine Richtung, die entgegengesetzt zu Pfeil 448 ist, und gibt bei Block 516 den Rotor 420 und die Kurzschlussringe 422, 424 frei. Optional kann der Rotor 420 bei Block 518 erneut auf der Halterung 444 positioniert werden, sodass sich der Kurzschlussring 424 benachbart zum Schweißkopf 414 befindet. Die Leiterstäbe 418 können dann mit dem Kurzschlussring 424 auf der gleichen Halterung 444 verschweißt werden, indem die Blöcke 506 bis 516 mit dem Rotor 420 und den daran angebrachten Kurzschlussringen 422, 424, die auf diese Weise auf der Halterung 444 neu positioniert sind, wiederholt werden.
Mit Bezug auf 10 ist eine vierte Ausführungsform einer Schweißvorrichtung 610 gezeigt. Die Schweißvorrichtung 610 weist viele gleiche Komponenten auf wie die Schweißvorrichtung 210 von 3 und derartige identische Komponenten werden unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Anstelle von GMAW-Schweißköpfen 214, 216 verwendet die Vorrichtung 610 Laserstrahl- oder Elektronenstrahl-Schweißköpfe 614, 616. Die Laserstrahl- oder Elektronenstrahl-Schweißköpfe 614, 616 mit jeweiligen Schweißbrennern 277, 279 sind in einer vorgespannten radialen Position relativ zum Rotor 220 ortsfest angebracht, die für die Lieferung jeweiliger Laser- oder Elektronenstrahlen 661, 663 geeignet sind, mit der Fähigkeit zur axialen Verschiebung entlang der Breite der jeweiligen Rille 237, 239, wenn das Schweißmuster implementiert wird. Die Strahlen 661, 663 werden durch jeweilige flexible Glasfaserkabel 671, 672 bereitgestellt, welche die Fähigkeit zur Lieferung der benötigten Schweißleistung aufweisen. Die Abschirmungen 273, 274 sind nützlich, um zu verhindern, dass die Strahlen 661, 663 während eines aktiven Schweißvorgangs unabsichtlich betrachtet werden. Optional können die Kurzschlussringe 222, 224 ohne Rillen ausgebildet sein, ähnlich wie die Kurzschlussringe 22, 24 von 7, da Laser- oder Elektronenstrahlschweißen kein Schweißmaterial ablagert. In diesem Fall kann das Material der Kurzschlussringe entlang der Schweißstrecken maschinell zu einer glatten Oberfläche bearbeitet werden.
Die Schweißvorrichtung 610 kann gemäß dem Verfahren 300 von 4 betrieben werden, um die Kurzschlussringe 222, 224 gleichzeitig mit den Leiterstäben 218 unter Verwendung einer Laserstrahl- oder Elektronenstrahlschweißung entlang dualer kreisförmiger Schweißstrecken 290, 291 zu verschweißen, und sich optional axial bewegen, um entlang zweiter dualer kreisförmiger Schweißstrecken 287, 289 zu schweißen.
Mit Bezug auf 11 ist eine fünfte Ausführungsform einer Schweißvorrichtung 710 gezeigt. Die Schweißvorrichtung 710 weist viele gleiche Komponenten wie die Schweißvorrichtung 410 von 5 auf und derartige identische Komponenten werden unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Anstelle eines GMAW-Schweißkopfs 414 verwendet die Vorrichtung 710 einen Laserstrahl- oder Elektronenstrahl-Schweißkopf 714. Der Laser- oder Elektronenstrahl-Schweißkopf 714 ist in einer vorgespannten radialen Position relativ zum Rotor 420 ortsfest angebracht, die zur Lieferung eines Laser- oder Elektronenstrahls 761 geeignet ist, mit der Fähigkeit zur radialen Verschiebung entlang der Breite der Rille 437, wenn das Schweißmuster implementiert wird. Im Fall eines Laserstrahls 761 wird der Lichtstrahl durch ein flexibles Glasfaserkabel 771 bereitgestellt, das die Fähigkeit zur Lieferung der benötigten Schweißleistung aufweist. Die Abschirmung 473 ist nützlich, um zu verhindern, dass die Laser- oder Elektronenstrahlen 761 während eines aktiven Schweißvorgangs unbeabsichtigt erblickt werden. Optional können die Kurzschlussringe 422, 424 ohne Rillen ausgebildet sein, ähnlich wie die Kurzschlussringe 22, 24 von 7, da das Laser- oder Elektronenstrahlschweißen kein Schweißmaterial ablagert. In diesem Fall kann das Material der Kurzschlussringe entlang der Schweißstrecken maschinell zu einer glatten Oberfläche bearbeitet werden.
Die Schweißvorrichtung 710 kann gemäß dem Verfahren 500 von 6 betrieben werden, um gleichzeitig die Kurzschlussringe 422, 424 mit den Leiterstäben 418 unter Verwendung eines Laser- oder Elektronenstrahlschweißens entlang dualer kreisförmiger Schweißstrecken 490, 491, die in 9 gezeigt sind, zu verschweißen, und um sich optional radial zu bewegen, um entlang einer zweiten dualen kreisförmigen Schweißstrecke, wie etwa der dualen Schweißstrecke 487, zu schweißen.
Folglich ermöglichen die verschiedenen Ausführungsformen von Schweißvorrichtungen und Verfahren zum Schweißen, die mit Bezug auf 1–11 gezeigt und beschrieben sind, die effiziente Herstellung von Induktionsmotoren durch ein präzises Verschweißen von Leiterstäben mit Kurzschlussringen mit verringerten Fertigungszykluszeiten unter Verwendung von Schweißtypen (z. B. Rührreibschweißen oder Schmelzschweißen, wie etwa GMAW-Schweißen, GTAW-Schweißen, Elektronenstrahlschweißen, Laserstrahlschweißen oder einer Kombination von Schmelzschweißen mit Laserstrahlschweißen), die bisher bei diesen Typen von Motoren nicht verwendet wurden.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Schweißvorrichtung für einen Induktionsmotor, wobei der Induktionsmotor einen kreisringförmigen Rotor, der eine Rotationsachse definiert, Leiterstäbe, die um eine Außenfläche des kreisringförmigen Rotors herum beabstandet sind, und erste und zweite Kurzschlussringe aufweist, die an ersten und zweiten Enden des kreisringförmigen Rotors verbunden sind, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Halterung, die betrieben werden kann, um den Rotor abzustützen und den Rotor um die Rotationsachse zu drehen; einen Schweißkopf, der benachbart zu der Halterung abgestützt ist und betrieben werden kann, um die Leiterstäbe mit dem ersten Kurzschlussring zu verschweißen, wenn die Halterung den Rotor abstützt; mindestens einen Controller, der betrieben werden kann, um die Halterung so zu steuern, dass sie den Rotor selektiv dreht, wobei der mindestens eine Controller betrieben werden kann, um den Schweißkopf und/oder die Halterung so zu bewegen, dass sich der Schweißkopf in einer Schweißposition befindet, und um zu veranlassen, dass der Schweißkopf die Leiterstäbe mit dem ersten Kurzschlussring verschweißt, während er in der Schweißposition bleibt, wobei sich der Rotor dreht, um eine im Wesentlichen kreisförmige Schweißstrecke entlang des ersten Kurzschlussrings zu erzeugen.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schweißkopf ein erster Schweißkopf ist und die im Wesentlichen kreisförmige Schweißstrecke eine erste im Wesentlichen kreisförmige Schweißstrecke ist; und ferner umfassend: einen zweiten Schweißkopf, der benachbart zu der Halterung so gelagert ist, dass der zweite Schweißkopf vom ersten Schweißkopf axial beabstandet ist, und der betrieben werden kann, um die Leiterstäbe mit dem zweiten Kurzschlussring zu verschweißen, wenn die Halterung den Rotor abstützt; wobei der mindestens eine Controller betrieben werden kann, um den zweiten Schweißkopf zwischen einer jeweiligen Anfangsposition und einer jeweiligen Schweißposition zu bewegen und um zu veranlassen, dass der zweite Schweißkopf die Leiterstäbe mit dem zweiten Kurzschlussring verschweißt, während er in der jeweiligen Schweißposition bleibt, wobei sich der Rotor dreht, um eine zweite im Wesentlichen kreisförmige Schweißstrecke entlang des zweiten Kurzschlussrings gleichzeitig mit der ersten im Wesentlichen kreisförmigen Schweißstrecke zu erzeugen.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Kurzschlussring mit einer im Wesentlichen kreisförmigen Rille an einer zylindrischen Außenfläche des ersten Kurzschlussrings ausgebildet ist; wobei die Leiterstäbe in der Rille freigelegt sind; und wobei sich die im Wesentlichen kreisförmige Schweißstrecke in der Rille befindet.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Controller betrieben werden kann, um den Schweißkopf axial mit Bezug auf den Rotor in der Rille von der Schweißposition in eine zusätzliche Schweißposition zu bewegen, um eine weitere im Wesentlichen kreisförmige Schweißstrecke in der Rille zu erzeugen, wenn sich der Rotor dreht und sich der Schweißkopf in der zusätzlichen Schweißposition befindet, wodurch nebeneinander verlaufende Schweißnähte in der Rille ermöglicht werden.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 4, wobei sich der Schweißkopf radial mit Bezug auf den Rotor von einer Anfangsposition in die Schweißposition bewegt.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Kurzschlussring eine im Wesentlichen kreisförmige Rille an einer Außenfläche des ersten Kurzschlussrings aufweist; wobei die Leiterstäbe in der Rille freigelegt sind; und wobei sich die Schweißstrecke in der Rille befindet.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Außenfläche des ersten Kurzschlussrings, welche die im Wesentlichen kreisförmige Rille aufweist, im Wesentlichen rechtwinklig zu der Rotationsachse des Rotors ist; wobei der Controller betrieben werden kann, um den Schweißkopf radial mit Bezug auf den Rotor in der Rille von der Schweißposition zu einer zusätzlichen Schweißposition zu bewegen, um eine weitere im Wesentlichen kreisförmige Schweißstrecke in der Rille zu erzeugen, wenn sich der Rotor dreht und der Schweißkopf in der zusätzlichen Schweißposition ist, wodurch nebeneinander verlaufende Schweißnähte in der Rille ermöglicht werden.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: mindestens eine Rolle, die positioniert ist, um die Halterung oder den Rotor zu kontaktieren, um eine Reaktionskraft bereitzustellen, um einer Kraft des Schweißkopfs auf den Rotor entgegenzuwirken.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schweißkopf ein Metallschutzgas-Schweißkopf (GMAW-Schweißkopf), ein Wolfram-Schutzgas-Schweißkopf (GTAW-Schweißkopf), ein Plasmalichtbogen-Schweißkopf, ein Laserstrahlschweißkopf oder ein Elektronenstrahlschweißkopf ist und ferner umfassend: eine Abschirmung, die am Schweißkopf angebracht ist und eine Form aufweist, die ausgestaltet ist, um zu der Außenfläche des rotierenden Rotors im Wesentlichen zu passen oder sich nahe bei dieser zu befinden, wenn der Rotor durch die Halterung abgestützt ist und sich der Schweißkopf in der Schweißposition befindet, um dadurch eine im Wesentlichen abgeschlossene Kammer um den Schweißkopf herum zu definieren.
Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schweißkopf ein Rührreibschweißkopf, ein Metallschutzgas-Schweißkopf (GMAW-Schweißkopf), ein Wolfram-Schutzgas-Schweißkopf (GTAW-Schweißkopf), ein Plasmalichtbogen-Schweißkopf, ein Laserstrahlschweißkopf oder ein Elektronenstrahlschweißkopf ist.