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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren für eine Induktionsrotoranordnung und eine Induktionsrotoranordnung, die gemäß dem Verfahren hergestellt wurde.
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HINTERGRUND
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Ein Wechselstrom-Induktionsmotor (AC-Induktionsmotor) ist eine spezielle Art von Elektromotor, die das Fließen eines induzierten Stroms 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 zu der Rotationsachse des Rotors sind und den Umfang des Rotorkerns umgeben.
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Bekannte Herstellverfahren für Rotoren von Induktionsmotoren sind zeitaufwendig und relativ kostspielig. Eine geläufige Praxis besteht darin, vorgefertigte Leiterstäbe und Kurzschlussringe auf dem Blechpaket zusammenzubauen und die Anordnung zusammenzulöten. Dieses Verfahren ist zeitaufwendig. Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht im gemeinsamen Druckgießen der Kurzschlussringe und der Leiterstäbe in einer um den Rotorstapel herum angeordneten Gussform. Bei bestimmten Materialien wie etwa Kupfer ist ein Druckguss unter Beibehaltung der Integrität der Gusskomponenten schwierig auszuführen, da Kupfer dazu tendiert, mit den Oberflächen der Pressform zu reagieren. Außerdem können verschiedene Volumina der Leiterstäbe relativ zu Endringabschnitten zu Porosität führen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es werden ein Verfahren zum Herstellen einer Rotoranordnung und eine Rotoranordnung bereitgestellt, die gemäß dem Verfahren hergestellt sein kann. Das Verfahren umfasst, dass ein allgemein zylindrischer Rotorkern in einer Pressform platziert wird. Der Rotorkern weist axiale Rillen auf, die um einen Umfang des Rotorkerns herum beabstandet sind. Die Rillen können durch gestapelte beschichtete Scheiben ausgebildet sein. Material wird um den kreisringförmigen Rotorkern in der Pressform derart herum gegossen, dass das Gussmaterial Leiterstäbe, welche die Rillen ausfüllen, und erste Endringabschnitte an entgegengesetzten Enden des Rotorkerns ausbildet, welche mit den Leiterstäben verbunden sind. Jeder der ersten Endringabschnitte weist im Wesentlichen eine erste axiale Breite auf. Der Rotorkern mit gegossenen Leiterstäben und gegossenen ersten Endringabschnitten wird dann aus der Pressform entfernt. Ein jeweiliger zweiter Endringabschnitt wird an jeden der gegossenen ersten Endringabschnitte geschweißt, um Endringanordnungen zu bilden. Jeder zweite Endringabschnitt weist eine zweite axiale Breite auf, die größer als die erste axiale Breite ist.
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Die zweiten Endringabschnitte können mit den ersten Endringabschnitten durch Rotationsschweißen verschweißt werden. Rotationsschweißen ist insofern vorteilhaft, als es ermöglicht, dass verschiedene Materialien miteinander verschweißt werden. Bei dem Verfahren können auch andere Schweißprozesse verwendet werden. Schweißperlen oder ein Schweißaustrieb können durch eine maschinelle Bearbeitung entfernt werden. Es kann beispielsweise ein Rührreibschweißen, ein Schutzgasschweißen, ein Wolfram-Schutzgasschweißen, ein Plasma-Lichtbogenschweißen, ein Laserstrahlschweißen oder ein Elektronenstrahlschweißen verwendet werden. Das Gießen nur der Leiterstäbe und der sehr dünnen ersten Endringabschnitte ermöglicht ein schnelleres Einfüllen des Materials in die Rillen des Rotorkerns, was potentiell zu einer geringeren Porosität und weniger Rissen in den Leiterstäben führt. Zudem kann die Porosität der Endringanordnungen speziell an der Schnittstelle der ersten Endringabschnitte und der Leiterstäbe verringert werden. Die zweiten Endringabschnitte können durch mehrere andere Verfahren (Gießen, maschinelles Bearbeiten usw.) hergestellt werden, um ein porositätsfreies Donut-förmiges Teil bereitzustellen. Die zweiten Endringabschnitte können an dem gegossenen Blechpaket unter Verwendung einer sehr einfachen Halterung angebracht werden, da die Leiterstäbe bereits mit dem Blechpaket verbunden sind, statt lose zu sein, so dass keine spezielle Halterung benötigt wird, um eine Kraft zum Halten der losen zweiten Endringabschnitte im Rotorkern bereitzustellen. Die Porosität der gegossenen Abschnitte der Rotoranordnung ist im Vergleich mit einer Rotoranordnung mit dickeren Endabschnitten, die an die Leiterstäbe gegossen sind, verringert. Vibrationsprobleme und Energieverluste aufgrund des zulässigen Spiels zwischen den Nuten im Rotorkern und den Leiterstäben werden beseitigt. Die Pressformlebensdauer des Gussprozesses kann sich verbessern, da die axiale Breite von Endringen, die an Leiterstäbe gegossen werden, verringert ist. Der Gussprozess der Stäbe im Blechpaket vereinfacht auch den trägen Schweißprozess, weil eine relativ einfache Halterung verwendet werden kann, die den Rotorkern mit gegossenen Leiterstäben und ersten Endringabschnitten an einer Außenoberfläche festhält, ohne einen Druck zum Halten des Blechpakets bereitzustellen, so dass beide Endringe verschweißt werden, während ein spezifizierter Druck auf die Bleche beibehalten wird. Dies sorgt für eine schnellere Zykluszeit als andere Montageverfahren unter Verwendung eingeführter Leiterstäbe. Der Gussprozess beseitigt die Extrusionskosten der Leiterstäbe, ihre Begradigung und ihr Zurechtschneiden und die Kosten, um sie in die Nuten einzuführen.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht einer Rotoranordnung;
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2 ist eine schematische perspektivische Darstellung von beschichteten Scheiben, die gestapelt sind, um den Rotorkern von 1 auszubilden;
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3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Pressform, in welcher Leiterstäbe und erste Endringabschnitte an dem Rotorkern gegossen werden;
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4 ist eine schematische perspektivische Darstellung der vollständigen Rotoranordnung;
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5 ist eine fragmentarische schematische Querschnittsdarstellung der Rotoranordnung von 4 entlang der Linien 5-5 vor der maschinellen Bearbeitung einer Schweißperle; und
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6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen der Rotoranordnung von 4.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten in den mehreren Ansichten bezeichnen, zeigt 1 eine Induktionsrotoranordnung 10 in einer Explosionsansicht. Die Rotoranordnung 10 umfasst einen allgemein zylindrischen Rotorkern 12. Der Rotorkern 12 ist ein Blechpaket aus identischen dünnen Platten 14, die hier auch als Scheiben bezeichnet werden, aus einem hochgradig magnetischen Stahl, wie in 2 gezeigt ist, bei der einige der dünnen Platten 14 des Rotorkerns 12 gestapelt so gezeigt sind, dass sie den in 1 gezeigten Rotorkern 12 teilweise bilden. Jede Platte 14 weist Kerben 16 auf, die um ihren Umfang 17 herum beabstandet sind. Wenn die Platten 14 zusammengestapelt sind, sind die Kerben 16 jeder Platte 14 auf die Kerben 16 der benachbarten Platten 14 ausgerichtet, um axiale Rillen 18 zu definieren, die um einen Umfang 20 der Außenoberfläche 22 des Rotorkerns 12 herum beabstandet sind und parallel zu einer Mittelachse sind, welche auch eine Rotationsachse 24 der in 1 gezeigten Rotoranordnung 10 ist. Der Fachmann versteht, wie ein Rotorkern aus gestapelten dünnen Platten herzustellen ist.
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Mit Bezug auf 1 wird die Rotoranordnung 10 hergestellt, indem Material um den Rotorkern 12 herum gegossen wird, um die Rillen 18 auszufüllen, wodurch Leiterstäbe 26 ausgebildet werden. Das gleiche Material bildet auch erste Endringabschnitte 28, 29 aus, die an einander entgegengesetzten Enden 30, 32 der Leiterstäbe 26 gleichzeitig mit den Leiterstäben 26 gegossen werden und damit einheitlich sind. Folglich verbinden die ersten Endringabschnitte 28, 29 die Leiterstäbe 26 auf elektrische Weise miteinander. Die Leiterstäbe 26 sind durch die Platten 14 in den Rillen 18 im Wesentlichen eingeschlossen, wobei die Außenseiten der Leiterstäbe 26 frei liegen. 3 zeigt, dass der Rotorkern 12 in einer Pressform 27 platziert ist, die eine erste Pressformhälfte 31 und eine zweite Pressformhälfte 33 aufweist. Durch Pfeile 35 dargestelltes geschmolzenes Material wird durch Einlässe 37 in die Pressform 27 eingebracht. Das Material kann eine Kupferlegierung sein. Nach dem Ausfüllen der Rillen 18 füllt das Material auf schnelle Weise die relativ kleinen Hohlräume 39 zwischen dem Rotorkern 12 und den Pressformhälften 31, 33. Das Material in den Hohlräumen 39 bildet die ersten Endringabschnitte 28, 29, und das Material in den Rillen 18 bildet die Leiterstäbe 26 von 1. In diesem Fall befinden sich die Zugänge in der Pressform 27 näher bei den Rillen 18, was zu einer direkten Druckanwendung und einem direkten Ausfüllen der Rillen 18 mit flüssigem Metall führt. Dies kann eine Verringerung der Breite der Nuten 16 ermöglichen und die Anzahl von Nuten 16 um den Rotorkern 12 herum erhöhen. Weil die Hohlräume 39 relativ klein sind, füllen sie sich relativ schnell mit Material und verringern eine vorzeitige Erstarrung in den Rillen 18, die bei großen Hohlräumen auftreten kann, die zum Gießen dickerer Endringe notwendig sind. Folglich erstarrt das Material, das in die Rillen 18 und die Hohlräume 39 eingegossen ist, einheitlicher, was eine Porosität und eine mögliche Rissbildung der Leiterstäbe 26 verringern kann, wodurch die Integrität der einheitlich gegossenen Leiterstäbe 26 und der ersten Endringabschnitte 28, 29 erhöht wird. Außerdem wird die Porosität an der Schnittstelle der Leiterstäbe 26 und der ersten Endringabschnitte 28, 29 im Vergleich mit der Porosität an diesen Schnittstellen, wenn dickere Endringabschnitte mit den Leiterstäben 26 gegossen werden, verringert. Eine verringerte Porosität verbessert die elektrische Leitfähigkeit und vereinfacht das Ausgleichen des Rotors, was das elektrische und mechanische Verhalten wesentlich verbessern kann. Die kleineren Hohlräume 39 können außerdem die Lebensdauer der Pressform 27 im Vergleich mit dem Füllen größerer Hohlräume erhöhen, da das geschmolzene Material in den Gussformhohlräumen 39 schneller als bei größeren Hohlräumen erstarren wird. Die relativ kleinen Hohlräume 39 ermöglichen, dass das geschmolzene Material schneller abkühlt, wodurch ermöglicht wird, dass ein stationäres Fertigungssystem mit einer geringeren Temperatur betrieben wird. Zudem hat das geschmolzene Material weniger Zeit, um nachteilig mit dem Oberflächenmaterial der Pressform 27 bei den Gusshohlräumen 39 zu reagieren oder dieses zu erodieren.
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Da die Leiterstäbe 26 und die ersten Endringabschnitte 28, 29 einfach durch den Gussprozess einstückig hergestellt werden, wird das Anbringen der zweiten Endringabschnitte 40, 42 unter Verwendung einer sehr einfachen Halterung bewerkstelligt. Da die Leiterstäbe 26 durch das Gießen bereits mit dem Kern 12 verbunden sind, gibt es keinen Bedarf, Enden der Leiterstäbe 26 auf irgendwelche Nuten im zweiten Endringabschnitt auszurichten, wie er bei losen Leiterstäben in einem herkömmlichen Rotoranordnungsfertigungsprozess besteht. Da die Leiterstäbe 26 an den Rotorkern 12 gegossen werden, wird darüber hinaus jedes Spiel zwischen den Stäben 26 und den Rillen 18 beseitigt und das Potential für Vibrationen und resultierende Geräusche und Energieverluste wird auf gleiche Weise beseitigt.
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Nach dem Gießen wird der Kern 12 mit den gegossenen Leiterstäben 26 und den ersten Endringabschnitten 28, 29 aus der Pressform 27 entfernt. Mit Bezug auf 5 weist jeder der Leiterstäbe 26 eine erste Dicke 34 auf, die gleich der Dicke jeder der axialen Rillen 18 ist, wie in 2 angezeigt ist. Die ersten Endringabschnitte 28, 29 sind relativ dünn, wobei sie eine erste axiale Breite 36 aufweisen, die in 5 angezeigt ist. Auch der erste Endringabschnitt 29 weist im Wesentlichen die erste axiale Breite 36 auf. Die erste axiale Breite 36 ist im Wesentlichen gleich der ersten Dicke 34 der Leiterstäbe 26. Das Beibehalten der relativ dünnen ersten axialen Breite 36 der ersten Endringabschnitte 28, 29 ermöglicht, dass die Leiterstäbe 26 und die ersten Endringabschnitte 28, 29 gleichzeitig um den Rotorkern 12 herum gegossen werden, wie nachstehend weiter beschrieben wird.
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Die erste axiale Breite 36 der ersten Endringabschnitte 28, 29 reicht nicht aus, um den gesamten elektrischen Stromfluss zu leiten und auch nicht für eine ausreichende Wärmeübertragung, die für den Betrieb der Rotoranordnung 10 notwendig ist. Folglich werden zweite Endringabschnitte 40, 42 an die zueinander entgegengesetzten ersten Endringabschnitte 28, 29 geschweißt, nachdem das Gießen der ersten Endringabschnitte 28, 29 und der Leiterstäbe 26 abgeschlossen ist. Die zweiten Endringabschnitte 40, 42 können gegossen, geschmiedet oder aus Stabmaterial maschinell gefertigt sein. Die zweiten Endringabschnitte 40, 42 können aus dem gleichen Material wie die ersten Endringabschnitte 28, 29 oder aus anderen Materialien bestehen. Die Materialwahl kann von dem verwendeten Schweißprozess abhängen, wie nachstehend erörtert wird.
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Die zweiten Endringabschnitte 40, 42 weisen jeweils eine zweite axiale Breite 43 auf, die mindestens doppelt so groß wie die Breite 36 ist, wie in 5 mit Bezug auf den zweiten Endringabschnitt 40 angezeigt ist. Mit Bezug auf 1 werden die zweiten Endringabschnitte 40, 42 an Oberflächen 44, 46 der ersten Endringabschnitte 28, 29 durch eine Halterung (nicht gezeigt) platziert. Die zweiten Endringabschnitte 40, 42 werden durch einen beliebigen bekannten Schweißprozess dann mit den ersten Endringabschnitten 28, 29 verschweißt. Die mit den ersten Endringabschnitten 28, 29 verschweißten zweiten Endringabschnitte 40, 42 werden als Endringanordnungen 52, 54 bezeichnet, von denen jede eine axiale Breite 56 aufweist, die mindestens das Dreifache der ersten axialen Breite 36 der ersten Endringabschnitte 28, 29 ist, wie in 5 angezeigt ist. Der Gussprozess der ersten Endringabschnitte 28, 29 einstückig mit den Leiterstäben 26 ermöglicht, dass der Kern 12 mit einer relativ simplen Halterung abgestützt wird, die den Kern 12 mit den gegossenen Leiterstäben 26 und Endringabschnitten 28, 29 an einer Außenoberfläche 57 hält, die in 1 angezeigt ist. Es gibt keinen Bedarf für eine komplexere Halterung, die typischerweise verwendet wird, um einen Druck zum Zusammenhalten der gestapelten Platten 14 bereitzustellen, da die Platten 14 bereits als eine Einheit durch die gegossenen Leiterstäbe 26 und die Endringe 28, 29 als Folge des Gießens zusammengehalten werden. Dies sorgt für eine im Vergleich mit anderen Rotoranordnungsverfahren schnellere Schweißzykluszeit, bei welchen Stäbe einfach in Rillen im Rotorkern eingeführt werden.
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Bei einer Ausführungsform werden die zweiten Endringabschnitte 40, 42 durch Rotationsschweißen mit den ersten Endringabschnitten 28, 29 verschweißt. Ein Vorteil des Rotationsschweißens besteht darin, dass die zweiten Endringabschnitte 40, 42 aus einem anderen Material als die ersten Endringabschnitte 28, 29 bestehen können, was für eine Flexibilität bei der Konstruktion und den Eigenschaften der Rotoranordnung 10 sorgt. Beim Rotationsschweißen werden die zweiten Endringabschnitte 40, 42 zum Verschweißen mit dem starren (d. h. stationären) Kern 12 mit den Leiterstäben 26 und den ersten Endringabschnitten 28, 29 gedreht (der Endring dreht sich, während die Rotoranordnung stationär ist). 4 und 5 zeigen, dass das Rotationsschweißen zu einer Schweißregion 50 über die gesamte Oberfläche 44 des ersten Endringabschnitts 28 hinweg führt. Eine Schweißperle 60, die auch als Schweißaustrieb bezeichnet wird, an einer Außenfläche 62 der Endringanordnung 52 wird durch ein maschinelles Bearbeiten der Außenfläche 62 durch ein beliebiges bekanntes Verfahren entfernt. Außerdem kann eine Schweißperle 64 oder ein Schweißaustrieb an einer Innenfläche 66 der Endringanordnung 52 durch ein maschinelles Bearbeiten der Innenoberfläche 66 entfernt werden. Alternativ kann die Schweißperle 64 intakt gelassen werden, um die strukturelle Integrität der Endringanordnung 52 potentiell zu erhöhen.
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Das Schweißen der zweiten Endringabschnitte 40, 42 an die ersten Endringabschnitte 28, 29 kann außerdem durch andere bekannte Schweißprozesse bewerkstelligt werden. Beispielsweise kann ein Rührreibschweißen, ein Schutzgasschweißen, ein Wolfram-Schutzgasschweißen, ein Plasmalichtbogenschweißen, ein Laserstrahlschweißen oder ein Elektronenstrahlschweißen verwendet werden. In diesen Fällen würde das Schweißen auf die äußere Oberfläche 62 und optional die innere Oberfläche 66 fokussiert. Es kann sein, dass die Schweißregion eher auf einen Bereich an den Oberflächen 62, 66 begrenzt ist und sich nicht wie beim Rotationsschweißen über die gesamte Oberfläche 44 hinweg erstreckt. Wie beim Rotationsschweißen kann das Entfernen einer oder beider Schweißperlen 60, 62 durch ein maschinelles Bearbeiten der Oberflächen 62, 66 bewerkstelligt werden.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines Herstellverfahrens 100 der Rotoranordnung 10 von 4. Das Verfahren 100 umfasst einen Block 102, bei dem beschichtete Scheiben 14 zum Ausbilden eines Rotorkerns 12 gestapelt werden. Bei Block 104 wird der Rotorkern 112 in einer Pressform 27 platziert. Dann werden bei Block 106 Leiterstäbe 26 und erste Endringabschnitte 28, 29 um den kreisringförmigen Rotorkern herum gegossen, indem Material wie etwa eine Kupferlegierung in die Pressform 27 eingebracht wird. Die Leiterstäbe 26 füllen die Rillen 18 des Rotorkerns 12 aus und sind einheitlich mit den ersten Endringabschnitten 28, 29. Bei Block 108 wird dann der Kern 12 mit den gegossenen Endringabschnitten 28, 29 aus der Pressform 27 entfernt. Bei Block 110 werden dann zweite Endringabschnitte 40, 42 mit den gegossenen ersten Endringabschnitten 28, 29 verschweißt, um Endringanordnungen 52, 54 auszubilden. Die zweiten Endringabschnitte 40, 42 sind mindestens doppelt so dick wie die ersten Endringabschnitte 28, 29 und können um ein Vielfaches dicker sein. Ein Schweißaustrieb oder Schweißperlen werden dann bei Block 112 von äußeren Oberflächen 62 der Endringanordnungen 52, 54 maschinell entfernt. Optional kann der Schweißaustrieb oder die Schweißperlen von einer inneren Oberfläche 66 der Endringanordnungen 52, 54 im Block 114 maschinell entfernt werden, wie vorstehend erörtert ist.
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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 im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.
