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Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussläufer und dessen Einzelteile gemäß dem jeweiligen Oberbegriff der Ansprüche 1, 12 und 13 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
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Bei bekannten Kurzschlussläufern enthält ein mit geschlossenen Nuten versehenes Läuferblechpaket in den Nuten eingebettete Käfigstäbe aus elektrisch gut leitendem Material, deren Enden über die Stirnseiten des Läuferblechpakets vorstehen und mit kompakten Kurzschlussringen hart verlötet sind. Die Enden der Käfigstäbe ragen in eingedrehte Ringnuten in den Kurzschlussringen, die das Bett für das Hartlot bilden und mit diesem gefüllt sind, so dass sich ein relativ großer Bedarf an Hartlot ergibt. Zur Verhinderung des Aufblätterns des Läuferblechpaketes und von störenden Schwingungen werden stirnseitig gesonderte kompakte Druckringe an das Läuferblechpaket angepresst. Um ferner eine Axialverschiebung der Käfigstäbe in den Nuten des Läuferblechpakets zu verhindern, sind sie mit dem Läuferblechpaket mechanisch fest verbunden.
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Aus der Druckschrift
DE 34 21 537 A1 ist ein Kurzschlussläufer mit Käfigwicklung bekannt. Die Käfigwicklung umfasst elektrisch leitende Käfigstäbe, die in geschlossenen Nuten eines Läuferblechpaketes angeordnet sind und über dessen Stirnseiten vorragen. Die überstehenden Enden sind mit elektrisch gut leitenden Kurzschlussringen leitend verbunden. Die Kurzschlussringe sind, den Läuferblechen entsprechend, genutete Blechpakete aus elektrisch gut leitendem Werkstoff ausgebildet und als stirnseitige Druckkörper an der ganzen Fläche wärmeübertragend eng am Läuferblechpaket anliegend in ihren geschlossenen Nuten mit den Käfigstäben fest verbunden. Eine Besonderheit ist, dass die elektrisch leitenden Einzelbleche für die Kurzschlussringe eine größere Dicke als die Läuferbleche aufweisen, im übrigen jedoch die gleiche Form und Größe wie diese haben. Bei der Herstellung eines Kurzschlussläufers werden die Kurzschlussringe und die Läuferbleche gemeinsam paketiert, mit den stirnseitig eingeschobenen Käfigstäben bestückt und danach unter axialer Pressung des gesamten Paketes die Enden der Käfigstäbe mit den Kurzschlussringen hart verlötet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fügeverbindungen eines Kurzschlussläufers weiterzubilden.
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Die Erfindung wird bezüglich eines Kurzschlussläufers und dessen Einzelteile durch die Merkmale des Anspruchs 1, 12 und 13 und bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung eines Kurzschlussläufers durch die Merkmale des Anspruchs 14 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erfindung schließt einen Kurzschlussläufer ein, mit Welle, Läuferblechpaket mit im Innern angeordneten Käfigstäben und Kurzschlussringen, wobei zumindest ein Teil eines Kurzschlussringes aus einem Scheibenpaket besteht, welches lagenweise aus Scheiben mit Ausnehmungen aufgebaut ist, durch welche die Enden der Käfigstäbe aus dem Läuferblechpaket hindurchtreten, wobei die Stirnseite der Scheiben eines Kurzschlussringes über den Außenumfang zumindest eine Fase aufweist, welche sich radial zumindest bis zu den aus dem Läuferblechpaket ragenden Stabenden der Käfigstäbe erstreckt. Der Kurzschlussläufer ist insbesondere für eine Verwendung in einer Asynchronmaschine vorgesehen.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass das Läuferblechpaket mit der Welle und den Kurzschlussringen nach dem Fügevorgang ein kompaktes Kurzschlussläuferbauteil ergibt. Im Läuferblechpaket und den Kurzschlussringen sind Käfigstäbe hindurchgeführt, die mit dem Material der Kurzschlussringe elektrisch leitend verbunden sind. Hierzu haben die Käfigstäbe im Bezug auf das Läuferblechpaket eine Überlänge, so dass diese in Ausnehmungen in die Kurzschlussringe hineinragen. Die Kurzschlussringe werden an beiden Seiten des Läuferblechpakets auf der Welle positioniert. Jeder Kurzschlussring besteht selbst aus einem Scheibenpaket, das aus mehreren einzelnen Scheiben mit gleichem Durchmesser aufgebaut ist. Die Scheiben selbst weisen auf der Scheibenfläche so viele Ausnehmungen auf, wie Käfigstäbe zum Aufbau eines Kurzschlussläufers benötigt werden. Diese zunächst lose zueinander angeordneten Einzelbauteile müssen zu einem kompakten Kurzschlussläufer verbunden werden. Zur Herstellung einer Fügeverbindung ist die Stirnseite der Scheiben jedes Kurzschlussrings mit einer Fase ausgestattet. Dies hat zur Folge, dass zu einem Scheibenpaket angeordnete benachbarte Scheiben durch die Fase einen kleinen Spalt als Nut aufweisen, entlang dem eine Fügeverbindung hergestellt werden kann. Eine Nut zwischen den Scheiben erstreckt sich um den Umfang jedes Scheibenpakets. Die Fasen sind an einer Scheibe so ausgebildet, dass sie sich radial ungefähr bis zu den Ausnehmungen für die Käfigstäbe erstrecken. Auf diese Weise wird eine Nut gebildet, die radial bis in das Niveau der Käfigstäbe hineinreicht. Um die einzelnen Scheiben im Scheibenpaket mit dem Käfigstab zu verbinden, wird entlang dieser Nut eine Fügeverbindung hergestellt, die sowohl die Einzelteile mechanisch wie auch elektrisch miteinander verbindet.
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Mit anderen Worten: In Radialrichtung erstreckt sich folglich eine frei zugängliche Öffnung zwischen benachbarten Scheiben bis auf das Niveau der Käfigstäbe, um die Einzelteile sowohl elektrisch wie auch mechanisch miteinander fügen zu können. Auf diese Weise wird ein ausreichender elektrischer Kontakt zur Stromleitung zum Betrieb einer Asynchronmaschine hergestellt. Die in jeder Scheibe eingebrachten Ausnehmungen sind in Form und Größe an die Käfigstäbe angepasst, so dass diese mit geringem Spiel positioniert werden können. Die Scheiben der Kurzschlussringe können dabei entweder aus Bandmaterial flächig geschlossene Einzelbauteile darstellen oder auch als offene Scheibe, einem Sprengring gleich, gefertigt sein. Die Ausnehmungen in jeder Scheibe können beispielsweise erodiert, gebohrt oder gestanzt sein. Denkbar ist auch, dass jede einzelne Scheibe auf der Berührungsfläche mit der benachbarten Scheibe eine Struktur aufweist, die einen geringen, jedoch für eine Fügeverbindung vorteilhaften Spalt, verursacht. Auf diese Weise kann auch über den Bereich der Fase hinaus radial in die Tiefe eine weitere Zone für eine Fügeverbindung hergestellt werden.
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Der besondere Vorteil besteht darin, dass durch einen eng begrenzten jedoch ausreichenden Fügebereich im Bereich der Nuten, eine ausreichende mechanische Festigkeit des gesamten Bauteils vorhanden ist. Ebenso stellt sich auch ein zufriedenstellender elektrischer Kontakt der Käfigstäbe mit den Kurzschlussringen ein. Auch bei höherer Temperatur ablaufender Fügeverfahren entsteht eine lokale Erhitzung nur im Fügespalt zwischen zwei Scheiben, ohne das übrige Bauteil und insbesondere das Läuferblechpaket thermisch in Mitleidenschaft zu ziehen. Die für Kurzschlussringe verwendeten Legierungen haben meist durch ihre gute elektrische Leitfähigkeit auch eine ausreichende thermische Leitfähigkeit, wodurch die beim Fügen eingebrachte thermische Energie schnell durch Wärmespreizung abgeführt wird. Auf diese Weise werden die einzelnen Scheiben im Bereich des Außenumfangs gefügt und fest miteinander verbunden. Je nach Fügeverfahren wird besondere Sorgfalt auf die Gestalt und Ausbildung der Fase, die letztendlich den Fügespalt bestimmt, gelegt. Die Fase selbst kann an jeder Scheibe beispielsweise eine ebene Fläche darstellen, die im gefügten Zustand mit einer benachbarten Scheibe eine V-förmige Nut ausbildet. Auf der anderen Seite ist auch denkbar, dass die Fase einen parabelartigen Verlauf aufweist, so dass im gefügten Zustand eine U-förmige Nut entsteht. Je nach Fügeverfahren können auf diese Weise geometrisch günstige Fügeverbindung geschaffen werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Stabenden mit dem Scheibenpaket eines Kurzschlussringes elektrisch leitend gefügt sein. Üblicherweise wird ein bloßes Zusammenfügen der Stabenden in Kurzschlussringen zu einer nicht ausreichenden elektrischen Verbindung führen. Die gewünschte elektrisch leitende Verbindung kann entweder dadurch bewerkstelligt werden, dass das Material der einzelnen Scheiben kurzzeitig lokal angeschmolzen wird und sich benachbarte Scheiben entlang dem Fügespalt mit dem Material der Stabenden verbinden. Auf der anderen Seite ist es auch denkbar, dass eine elektrisch leitende Verbindung durch zusätzliches Material, wie beispielsweise Hartlot, hergestellt wird, das in den nutförmigen Bereich eingebracht ist. Bei derartigen Fügeverbindungen reicht üblicherweise die durch die Fasen gebildete Nut etwas tiefer, so dass beim Fügen das Lotmaterial auch die Oberfläche der Käfigstäbe erreicht. In diesem Fall reicht dann die durch die Fase gebildete Nut radial soweit in die Tiefe, dass der gesamte Umfang eines Käfigstabes vom Lot umströmt werden kann. Gegebenenfalls sind dann die Ausnehmungen für die Kurzschlussstäbe etwas größer als der Durchmesser der Stäbe selbst ausgeführt, so dass Lot auch axial durch einen verbleibenden Spalt eindringen kann. So wird eine besonders gute elektrische Verbindung zwischen den Käfigstäben und dem Kurzschlussring hergestellt.
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Vorteilhafterweise können die Fügeverbindungen umfänglich verlaufen. Hierdurch wird sowohl eine mechanische wie auch elektrisch leitende Verbindung im ausreichenden Maße hergestellt. Eine umfänglich, d. h. entlang einer Nut, durchgängig verlaufende Fügeverbindung ist auch im Verfahrensablauf einiger Fügeverfahren vorteilhaft.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Fügeverbindungen Schweißverbindungen oder Lötverbindungen sein. Besonders für um den gesamten Umfang verlaufenden Fügeverbindungen sind derartige Schweiß- oder Lötverbindungen besonders geeignet. Die dabei entstehende Schweißraupe entsteht im Inneren der zwischen den Scheiben vorhandenen Nut und kann diese gegebenenfalls bis zur Scheibenstirnfläche vollständig ausfüllen. Insbesondere bei einem Einbringen von zusätzlichem Lotmaterial kann die Nut durch eine Lötverbindung vollständig aufgefüllt sein. Beide Fügeverbindungsarten bewirken eine gute elektrische Leitfähigkeit in Verbindung mit einer mechanischen Festigkeit.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Scheiben eine Dicke von 2 mm bis 10 mm, bevorzugt 3 bis 6 mm, aufweisen. Mit dieser vorgegebenen Scheibendicke kann mit ungefähr drei bis fünf Scheiben bereits ein kompletter Kurzschlussring aufgebaut werden. Die Anzahl der Fügeverbindungen ist hierdurch entsprechend gering, so dass eine wirtschaftliche Herstellung der Kurzschlussläufer ermöglicht wird. Die Scheibendicke selbst ist so gewählt, dass entweder durch Stanzen oder durch anderweitige Trennverfahren, beispielsweise aus einem Bandmaterial, ein Einzelbauteil herausgearbeitet werden kann. Insbesondere bei bevorzugten Dicken zwischen 3 und 6 mm ist eine wirtschaftliche Herstellung, ausgehend von Bandmaterial, sichergestellt. Auf der anderen Seite sollte die Scheibendicke möglichst groß gewählt werden, um mit wenigen Scheiben einen kompletten Kurzschlussring aufbauen zu können.
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Vorteilhafterweise können die Scheiben aus einer Stahllegierung oder einer Kupferlegierung, insbesondere aus einer Cu-Cr-Zr-, Cu-Ag- oder Al-Legierung, bestehen. Die jeweilige Legierungsauswahl beruht auf einem ausgewogenem Verhältnis einer möglichst guten elektrischen Leitfähigkeit verbunden mit einer ausreichenden Zugfestigkeit. Die zwei in der bevorzugen Auswahl genannten Legierungen erfüllen diese Erfordernisse. Ein weiterer Aspekt in der Auswahl der Legierungstypen ist auch eine möglichst geringe Anfälligkeit gegen Korrosionsangriffe.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Scheiben am Außenumfang zwei symmetrisch zueinander liegende Fasen aufweisen. Symmetrisch zueinander liegende Fasen bewirken im zusammengefügten Zustand mehrerer Scheiben ebenfalls eine symmetrisch ausgebildete Nut für den Fügeprozess. Die Nutform und Nutgröße wird letztendlich durch die Ausgestaltung der Fasen an den Scheiben bestimmt. Hierdurch wird im Fügeprozess eine gleichmäßige Anbindung beider sich berührender Scheiben realisiert.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Käfigstäbe radial zum Zentrum hin vorgespannt sein. Im Betrieb werden durch eine schnelle Rotation der Kurzschlussläufer radial Fliehkräfte erzeugt, die das Material außerordentlich belasten. Diesen Fliehkräften wirken die radial zum Zentrum hin vorgespannten Käfigstäbe entgegen, so dass die Materialbelastung, insbesondere im Bereich der Kurzschlussringe, deutlich sinkt. Auf diese Weise können auch Materialien zur Ausgestaltung der Kurzschlussringe verwendet werden, die in erster Linie auf eine gute elektrische Leitfähigkeit optimiert sind.
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Vorteilhafterweise kann ein Kurzschlussring zumindest teilweise von einem Gehäuse umschlossen sein. Bei der Verwendung von einem Gehäuse an den jeweiligen Kurzschlussringen ist es erforderlich, die Dimensionierung der Kurzschlussringe entsprechend anzupassen. Üblicherweise wird das Gehäuse volumenfüllend vom Kurzschlussring ausgefüllt. Die Außenkontur eines Gehäuses ist dann üblicherweise auch bündig mit der Außenkontur eines Blechpakets. insbesondere dienen Gehäuse auch dazu, einen korrosiven Angriff auf die Kurzschlussringlegierung zu vermeiden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann um den Umfang eines Kurzschlussringes als Gehäuse ein Spannring angeordnet sein. Hierdurch wird zum bloßen Korrosionsschutz eine zusätzliche Eigenschaft eingesetzt. Spannringe, die um den Umfang eines Kurzschlussrings greifen, sollen radiale Kräfte kompensieren, die beim Einsatz eines Kurzschlussläufers auftreten. Neben den mechanisch vorteilhaften Eigenschaften eines Spannrings kann dieser auch noch so ausgebildet sein, dass er einen Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit eines Kurzschlussrings liefert. Eine geeignete Werkstoffauswahl in diesem Sinne ist, den Spannring zuerst bezüglich Zugfestigkeit zu optimieren und in zweiter Linie eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise können auch Scheiben und Spannringe aus ganz unterschiedlichen Legierungen einzeln ausgeführt sein, die im Sinne der Zugfestigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit optimiert sind.
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Weiterhin bevorzugt kann als Gehäuse stirnseitig ein Abschlussdeckel angeordnet sein. Ein Gehäusedeckel kann auch so ausgeführt sein, dass mit ihm eine axiale Vorspannung des auf der Welle angeordneten Blechpakets und den jeweiligen Scheiben eingestellt wird. Die Vorspannung dient dazu, beim Fügeprozess der einzelnen Scheiben eine kompakte Struktur zu erhalten. Außerdem können Abschlussdeckel wiederum einen gewissen Korrosionsschutz darstellen. Ein Abschlussdeckel kann aber auch eine endständige Scheibe darstellen, bei der die Ausnehmungen nur bis in eine gewisse Tiefe in die Scheibe hineinreichen und keinen Durchbruch aufweisen. So ist eine Scheibenseite geeignet, die äußersten Enden der Käfigstäbe in sich aufzunehmen. Wohingegen die andere Scheibenseite einen ebene Fläche ist, die den Kurzschlussring stirnseitig abschließt. Derartige Abschlussdeckel können auch an den jeweiligen Stirnflächen Kühlrippen aufweisen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt eine Scheibe für einen Kurzschlussring eines erfindungsgemäßen Kurzschlussläufers ein, bei der die Stirnseite über den Außenumfang zumindest eine Fase aufweist, welche sich radial zumindest bis zu Ausnehmungen erstreckt, in denen die Stabenden von Käfigstäben anordenbar sind. Des Weiteren schließt die Erfindung einen Kurzschlussring eines Kurzschlussläufers ein, aufgebaut aus mehreren erfindungsgemäßen Scheiben. Hierbei können die Scheiben lagenweise zu einem Scheibenpaket zusammengesteckt und mechanisch oder stoffschlüssig vorab verbunden werden. Eine Verbindung kann beispielsweise durch Stanzpaketieren oder Laserschweißen erfolgen. Auf diese Weise erhält man einen kompakten Kurzschlussring, das als gesondertes Einzelbauteil dienen und besonders gut in das Gesamtsystem eingebunden werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kurzschlussläufers ein, wobei:
- – das Läuferblechpaket auf der Welle angeordnet wird,
- – auf der Welle Kurzschlussringe angeordnet werden, die aus um den Außenumfang angefasten Scheiben mit Ausnehmungen lagenweise zu einem Scheibenpaket zusammengesteckt werden, wobei die Enden der Käfigstäbe aus dem Läuferblechpaket durch die Ausnehmungen hindurchtreten können,
- – im Innern des Läuferblechpakets und in den Ausnehmungen der Scheiben Käfigstäbe angeordnet werden,
- – um den Außenumfang im Bereich der Fase eine Fügeverbindung hergestellt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können vor dem Herstellen der Fügeverbindung das Scheibenpaket und das Läuferblechpaket in sich verwunden werden. Durch das Verwinden des gesamten Pakets werden die Käfigstäbe aus der üblichen Position parallel zur Welle um einen gewissen Winkel herausgedreht. Hierzu ist es üblicherweise notwendig, etwas größere Ausnehmungen im Blechpaket und Scheibenpaket auszugestalten, um ein Verdrehen zu ermöglichen. Durch die anschließende Fügeverbindung wird die gesamte Struktur stabilisiert. Auch ist angedacht, die Ausnehmungen im Blechpaket und Scheibenpaket nicht senkrecht zur jeweiligen Scheibenhauptfläche, sondern bereits unter einem Verdrehwinkel auszubilden. Auf diese Weise werden die Durchbrüche auf den Verdrehwinkel angepasst, wodurch ein leichteres Verwinden des Pakets möglich oder vorgegeben ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 schematisch eine Seitenansicht eines Kurzschlussläufers,
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2 einen Detailausschnitt aus 1 im Bereich A der Kurzschlussringe, und
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3 eine weitere Detailansicht der Kurzschlussringe.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Kurzschlussläufers 1. In diesem Zustand ist das Läuferblechpaket 3 auf der Welle 2 positioniert, kombiniert mit zwei Kurzschlussringen 5, die das Läuferblechpaket 3 stirnseitig abschließen. Im Inneren des Blechpakets 3 und der Kurzschlussringe 5 sind mehrere Käfigstäbe 4 angeordnet. Die Stabenden 41 der Käfigstäbe 4 ragen in Ausnehmungen 51 der Kurzschlussringe 5 hinein und schließen bündig mit der letzten Scheibe 6 des Scheibenpakets 7 ab. Ein Scheibenpaket 7 besteht in diesem Fall aus drei Scheiben 6, welche an ihren Stirnseiten 61 Fasen 62, 63 aufweisen. Die zwischen den beiden Fasen 62, 63 zweier benachbarter Scheiben 6 gebildete Nuten dienen als Fügespalt der Kurzschlussringe 5. In diesem Fall ist die erste Fase 62 und die benachbarte zweite Fase 63 eben und symmetrisch ausgestaltet, so dass eine V-förmige Nut zwischen zwei Scheiben 6 entsteht. Die V-förmige Nut reicht radial gesehen bis zur Ausnehmung 51, in die die Käfigstäbe 4 eingebracht sind.
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2 zeigt einen Detailausschnitt aus 1 im Bereich A der Kurzschlussringe. In diesem Fall ist eine Nut ausgestaltet, die durch parabelartige Fasen 62 und 63 ausgebildet ist. Auch in diesem Fall reicht die Nut bis in die Tiefe der Ausnehmung 51 für einen Käfigstab 4. Das Blechpaket 3 schließt bündig mit der Stirnseite 61 der jeweiligen Scheiben 6 ab. Insbesondere beim Laserfügen sind derartige Nutformen von besonderem Vorteil. Die Nutform unterstützt letztendlich das Führen eines Laserstrahls bis in die Tiefe im Bereich des Käfigstabes 4 in der letztendlich die Fügeverbindung hergestellt werden soll. Die in 1 und 2 dargestellten Nuttiefen auf der Basis der jeweiligen angefasten Scheiben 6 eignen sich folglich in erster Linie für ein Laserstrahlfügen. Zudem ist die endständige Scheibe 6 als Abschlussdeckel 81 ausgeführt, indem eine nicht durchgehende Ausnehmung das äußerste Ende 41 eines Käfigstabes 4 aufnimmt.
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3 zeigt eine weitere Detailansicht A der Kurzschlussringe, die insbesondere mit Hartlöten als Fügeverfahren verbunden werden. In diesem Fall treten die Stäbe 4 aus dem Blechpaket 3 so aus, dass sie im Bereich der durch die erste Fase 62 und zweite Fase 63 gebildete Nut zum Teil noch freiliegen. Die Ausnehmungen 51 sind folglich noch im Bereich der angefasten Scheiben positioniert. Die freiliegenden Stabbereiche in einer Nut werden beim Fügen durch das Hartlot umströmt und mit den Scheiben 6 elektrisch leitend verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurzschlussläufer
- 2
- Welle
- 3
- Läuferblechpaket
- 4
- Käfigstab
- 41
- Stabende
- 5
- Kurzschlussring
- 51
- Ausnehmung
- 6
- Scheibe
- 61
- Stirnseite
- 62
- erste Fase
- 63
- zweite Fase
- 7
- Scheibenpaket
- 8
- Gehäuse
- 81
- Abschlussdeckel
- A
- Ausschnitt Detailbild
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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