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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines Kurzschlusskäfigs für eine Elektromaschine, insbesondere für eine elektrische Asynchronmaschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fertigen eines Rotors einer Elektromaschine, insbesondere einer elektrischen Asynchronmaschine, sowie einen Kurzschlusskäfig für eine solche Elektromaschine.
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Stand der Technik
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Asynchronmaschinen werden insbesondere aufgrund ihrer Robustheit und Zuverlässigkeit für eine Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt. Derzeit werden insbesondere Asynchronmaschinen, die einen so genannten Kurzschlusskäfig an ihrem Rotor aufweisen, für einen Einsatz bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen weiter entwickelt, da bei solchen Asynchronmaschinen im Gegensatz zu Synchronmaschinen keine Magnete im Rotor eingesetzt werden brauchen und somit auf hierfür verwendbare, sehr teure seltene Erden-Permanentmagnete verzichtet werden kann.
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Bei einer Asynchronmaschine mit einem Kurzschlusskäfig wird auf den in einem Stator drehbar aufgenommenen Rotor dadurch ein Drehmoment ausgeübt und dieser in Rotation versetzt, dass zwischen einer Rotationsgeschwindigkeit des Rotors und einer Winkelgeschwindigkeit eines von außen angelegten rotierenden Magnetfeldes eine Differenz derart bewirkt wird, dass Ströme, insbesondere Wirbelströme, in einem elektrischen Leiter des Kurzschlusskäfigs des Rotors induziert werden. Diese Ströme bewirken in dem Rotor magnetische Felder, die mit dem vom Stator erzeugten magnetischen Feld wechselwirken, so dass das gewünschte Drehmoment erzeugt wird.
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Es ist hierbei wichtig, dass die induzierten Wirbelströme in dem Kurzschlusskäfig des Rotors mit einem möglichst geringen elektrischen Widerstand fließen können. Die Rotorströme in dem Kurzschlusskäfig können sehr hoch sein und den Rotor über Joule-Wärme bis auf kritische Temperaturen erhitzen, so dass gegebenenfalls eine Leistungsabgabe der elektrischen Maschine begrenzt werden muss. Um diese Effekte zu minimieren, sollten in dem Kurzschlusskäfig möglichst Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zum Einsatz kommen sowie Komponenten des Kurzschlusskäfigs in einer Weise miteinander verbunden werden, in der Kontaktwiderstände gering gehalten werden können.
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Ein überwiegender Anteil von Asynchronmaschinen mit Kurzschlusskäfigrotoren verwendet derzeit hochreines Aluminium, welches in Druckgussverfahren verarbeitet wird, um den Kurzschlusskäfig zu fertigen. Es wurde jedoch erkannt, dass bei elektrischen Maschinen mit derartigen Kurzschlussläufern thermische Verluste aufgrund des verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstands von Aluminium hoch sein können, vor allem im Dauerbetrieb. Die Verarbeitung anderer Materialien mit möglicherweise niedrigerem elektrischem Widerstand führte jedoch bisher, insbesondere bei der Fertigung großer elektrischer Maschinen, häufig zu technischen Problemen und/oder hohen Fertigungskosten.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen in vorteilhafter Weise eine Fertigung eines Kurzschlusskäfigs für eine Elektromaschine, bei der Anforderungen hinsichtlich geringer elektrischer Widerstände, hoher mechanischer Belastbarkeit, langer Lebensdauer und/oder geringer Fertigungskosten zumindest teilweise besser erfüllt werden können, als bei herkömmlichen Fertigungskonzepten.
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Es wird ein Verfahren zum Fertigen eines Kurzschlusskäfigs für eine Elektromaschine vorgeschlagen, das zumindest die im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte, nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge, aufweist. Zunächst wird eine Mehrzahl von Metallstäben bereitgestellt. Diese Metallstäbe können hinsichtlich ihres Querschnitts dazu ausgelegt sein, in entsprechend passend vorgesehene Ausnehmungen innerhalb eines Rotorgrundkörpers eingelegt, eingeschoben oder eingepresst zu werden. Der Rotorgrundkörper kann hierbei aus einer Mehrzahl von hintereinander gestapelten Metallblechen bestehen, die in Längsrichtung des Rotorgrundkörpers verlaufende Ausnehmungen bilden, in die die Metallstäbe eingebracht werden können. Zusätzlich zu den Metallstäben wird für den Kurzschlusskäfig zumindest ein metallischer Kurzschlussring, vorzugsweise zwei metallische Kurzschlussringe, bereitgestellt. In dem Kurzschlussring ist eine entsprechende Anzahl von Ausnehmungen ausgebildet. Nachdem die Metallstäbe beispielsweise in den Ausnehmungen des Rotorgrundkörpers angeordnet wurden, werden Enden der Metallstäbe jeweils in eine der Ausnehmungen in dem Kurzschlussring eingebracht und mit dem Kurzschlussring mechanisch und elektrisch verbunden. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Kurzschlussring als so genannter Grünling aus einem Metallpulver bereitgestellt wird und nach dem Einbringen von Enden der Metallstäbe in die Ausnehmungen an dem Kurzschlussring gesintert wird.
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Ideen und Gedanken zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Erkenntnissen und Überlegungen beruhend angesehen werden.
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Fertigungstechnologien, wie sie herkömmlich bei der Fertigung von Kurzschlusskäfigen für Elektromaschinen eingesetzt werden, können insbesondere bei der Herstellung von großen Elektromaschinen beispielsweise zur Verwendung in Kraftfahrzeugen problembehaftet sein. Kurzschlusskäfige aus Aluminium können zwar hochdruckgegossen werden, weisen aber für die Verwendung in leistungsstarken Elektromotoren oft einen zu hohen elektrischen Widerstand auf, wodurch hohe Verluste und somit eine starke Erwärmung auftreten können, was in einer reduzierten Drehzahlfestigkeit der Maschine resultieren kann.
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Eine alternative Verwendung von Kupfer bietet im Vergleich zu Aluminium eine stark verbesserte elektrische Leitfähigkeit, bringt aber den Nachteil hoher Dichte und hoher Kosten mit sich. Außerdem wurde bei Versuchen, Kupfer mittels Hochdruckguss zu verarbeiten, zusätzliche Probleme beobachtet und es traten signifikant höhere Kosten aufgrund von Werkzeugabnutzung und anderen Prozesskosten wie zum Beispiel höheren Prozesstemperaturen im Vergleich zur Verarbeitung von Aluminium auf. Ferner wurde beobachtet, dass ein maximales Gewicht von Kupfer, welches gegossen werden kann, begrenzt zu sein scheint und daher dieser Prozess ungeeignet für größere Asynchronmaschinen ist.
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Alternativ wurde versucht, kupfer-basierte Rotoren für Asynchronmaschinen dadurch herzustellen, dass Kupferstäbe in einen Rotorgrundkörper eingeschoben werden und ihre überstehenden Enden jeweils mit Endringen beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium mechanisch und elektrisch verbunden wurden. Der Verbindungsprozess hat sich hierbei als kritisch für die Funktion der gefertigten Asynchronmaschine herausgestellt. Es wurden Verfahren wie Laserschweißen, Löten oder mechanische Verfahren wie zum Beispiel Einrasten getestet. Aufgrund der hohen Anzahl von Stäben, die mit den Endringen verbunden werden müssen, und der beträchtlichen Gesamtlänge der miteinander zu verbindende Oberflächen, haben sich die getesteten Verbindungsverfahren jedoch als technisch und wirtschaftlich schwierig erwiesen.
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Insbesondere wurde beobachtet, dass es eine schwierig zu erfüllende Anforderung sein kann, einen Kontaktwiderstand an den Verbindungsflächen zwischen den Stäben und dem Endring so gering wie möglich zu halten, um einen Fluss von Wirbelströmen so wenig wie möglich zu behindern. Dies würde im Idealfall erfordern, dass die Stäbe und die Endringe über ihre gesamte Kontaktfläche hin miteinander verbunden sind und keine Luftspalte zwischen ihnen existieren. Vorteilhaft wäre eine so genannte materialintegrierte, das heißt metallurgisch gebondete Verbindung.
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Das hierin vorgeschlagene Fertigungsverfahren ermöglicht eine verhältnismäßig einfach herzustellende mechanische Verbindung zwischen einem Kurzschlussring in Form eines Endrings und einer Vielzahl von Metallstäben eines Kurzschlusskäfigs bei gleichzeitig erreichbaren geringen elektrischen Kontaktwiderständen zwischen den Metallstäben und dem Kurzschlussring.
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Es wird vorgeschlagen, den Kurzschlussring für den Kurzschlusskäfig nicht als massives und insbesondere bereits fertig hergestelltes Bauteil bereitzustellen, sondern ihn lediglich als Grünling aus einem Metallpulver bereitzustellen bzw. insbesondere als solchen Grünling vorzufertigen. Der Grünling wird manchmal auch als Grünkörper oder ungesinterter Presskörper bezeichnet. Unter einem Grünling wird hierbei ein Rohling verstanden, der durch Verpressen von Metallpulver unter hohen Drücken in eine Form gebracht wird und eine verhältnismäßig geringe mechanische Festigkeit aufweist, der jedoch noch nicht gesintert und dadurch verdichtet und verfestigt sein kann. Der Grünling kann vorgefertigt werden oder direkt durch Verpressen an dem Rotorgrundkörper gebildet werden.
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In einem vorzufertigenden Grünling sind bereits passende Ausnehmungen ausgebildet, die beispielsweise entweder komplett durch die gesamte Höhe des Kurzschlussringes gehen oder nur teilweise in ihn hineinragen können und deren Querschnitt den Querschnitten der Metallstäbe angepasst ist, so dass die Enden der Metallstäbe beispielsweise unter Presspassung oder Spielpassung in diese Ausnehmungen eingebracht werden können.
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Anschließend wird der Kurzschlussring mitsamt den in die Ausnehmungen eingebrachten Metallstäben einem Sintervorgang unterzogen. Dabei werden die Baukomponenten auf hohe Temperaturen von beispielsweise mehr als 700°C, vorzugsweise mehr als 800°C und weiter bevorzugt auf mehr als 150°C unterhalb einer Schmelztemperatur der Materialien der zu verbindenden Baukomponenten erhitzt und dort für eine gewisse Zeitdauer, beispielsweise mehr als zehn Minuten, vorzugsweise mehr als ein Stunde, gehalten.
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Während dieses Sintervorgangs verdichtet sich das zuvor poröse Material des Grünlings. Gleichzeitig kommt es zu Schrumpfungen innerhalb des Grünlings. Der Grad der Schrumpfung kann von Prozessparametern beeinflusst werden, wie beispielsweise Pressparameter, Materialauswahl und Sintervorgang. Aufgrund solcher Schrumpfungen kann der ursprünglich lediglich unter leichter Presspassung oder Spielpassung auf die Metallstäbe aufgeschobene Kurzschlussring den Querschnitt seiner Ausnehmungen verringern, so dass sich ein Anpressdruck zwischen den Metallstäben und den Oberflächen der sie umgebenden Ausnehmungen des Kurzschlussrings stark erhöhen kann und es somit unter anderem auch zu einer vergrößerten Anpressfläche zwischen den beiden Baukomponenten kommen kann. Durch das Sintern des als Grünling bereitgestellten Kurzschlussrings kann somit eine mechanisch stabile und elektrisch sehr gut leitfähige Verbindung zwischen dem Kurzschlussring und den in diesen eingebrachten Metallstäben erzeugt werden.
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Der Grünling des Kurzschlussrings kann beispielsweise mittels axialer Kompaktierungstechniken oder mittels Pulvermetallspritzguss gefertigt werden. Insbesondere diese Fertigungstechniken ermöglichen eine Herstellung des Grünlings für den Kurzschlussring unter hauptsächlicher Verwendung von elektrisch sehr gut leitfähigem Kupfer oder Kupferlegierungen, es können jedoch auch andere Metalle wie zum Beispiel Aluminium oder Aluminiumlegierungen verarbeitet werden.
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Hierbei erlaubt eine axiale Kompaktierung einen verhältnismäßig kostengünstigen Prozess mit einer geringen geometrischen Designfreiheit. Toleranzen transversal zu einer Pressrichtung sollten bei einem derart hergestellten Grünling ausreichend gut sein. Mit Spritzguss wären komplexere Geometrien herstellbar, es wird typischerweise jedoch eine deutlich geringere Grunddichte mit schlechteren Toleranzen erreicht, so dass ein Schrumpfen durch Sintern stärker ausfallen kann. Mit den axialen Kompressionsverfahren liegt die Grunddichte oft sehr nah an der Zieldichte nach dem Sintern, vor allem bei gut pressbaren Materialien wie reinem Kupfer.
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Dem Metallpulver des Grünlings oder dem Material der Metallstäbe können Stoffe zugesetzt sein, die während des Sinterns verstärkt in das Material der Metallstäbe bzw. des Grünlings eindringen und mit diesem eine Legierung bilden und die deshalb hierin als Legierungsstoffe bezeichnet werden, und die dabei eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kurzschlussring und den Metallstäben bewirken.
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Die Legierungsstoffe können auf unterschiedliche Arten in das Metallpulver des Grünlings eingebracht sein. Beispielsweise kann als Metallpulver bereits ein Pulver aus legiertem, d.h. nicht-reinem, Metall, z.B. aus einer Kupferlegierung, verwendet werden. Alternativ kann als Metallpulver eine Mischung aus einem Pulver aus reinem Metall und einem ergänzenden Pulver aus einem anderen Metall oder einer Legierung verwendet werden. Als weitere Alternative können die Ausnehmungen des Endrings und/oder die Metallstäbe mit Legierungsstoffen beschichtet sein. Prinzipiell denkbar ist auch, statt oder ergänzend zu dem Metall des Grünlings das Metall der Metallstäbe mit Legierungsstoffen zu versehen.
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Unter einem „verstärkten Eindringen“ soll hierbei verstanden werden, dass die Legierungsstoffe bei den beim Sintern herrschenden hohen Temperaturen leichter und somit tiefer in das Material der Metallstäbe eindringen können, als dies beispielsweise für Materialien wie Kupfer, die den Hauptbestandteil des Metallpulvers für den Grünling ausmachen, der Fall ist. Beispielsweise können dem Grünling als Legierungsstoffe Nickel (Ni), Zink (Zn), Zinn (Sn), Aluminium (Al), Silizium (Si) oder Phosphor (P) zugesetzt werden. Die Legierungsstoffe können dabei z.B. in das Material der Metallstäbe eindiffundieren, z.B. durch Festkörperdiffusion, oder es kann sich während des Sinterns lokal eine flüssige Phase aus Legierungsstoffen und Metall bilden.
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Durch das Eindringen der Legierungsstoffe, d.h. durch z.B. das Eindiffundieren der Legierungsstoffe von dem Grünling hin zu den Metallstäben während des Sinterns kann erreicht werden, dass die Metallstäbe und der Kurzschlussring nicht nur kraftschlüssig und evtl. formschlüssig miteinander verbunden sind, sondern es auch zu einer stoffschlüssigen Verbindung kommt. Eine solche stoffschlüssige Verbindung verbessert einerseits die mechanische Belastbarkeit und verringert andererseits elektrische Kontaktwiderstände.
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Um einen Rotor für eine Asynchronmaschine zu fertigen, können die zuvor beschriebenen Schritte zum Fertigen des Kurzschlusskäfigs eines solchen Rotors durchgeführt werden, nachdem die Metallstäbe des Kurzschlusskäfigs in Ausnehmungen eines aus gestapelten Metallblechen zusammengesetzten Rotorgrundkörpers eingebracht wurden. Zum Sintern des Grünlings des Kurzschlussrings kann die gesamte Einheit, bestehend aus dem Rotorgrundkörper, den Metallstäben und dem Kurzschlussring auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Um jedoch zu verhindern, dass elektrische Ströme zwischen den benachbarten Metallblechen des Rotorgrundkörpers fließen können und somit thermische Verluste auftreten, sind die Metallbleche eines Rotorgrundkörpers im Allgemeinen mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung beschichtet. Während bei herkömmlichen Verfahren zum Fertigen eines Rotors für eine Elektromaschine außer den elektrischen Isolationseigenschaften im Allgemeinen keine weiteren hohen Anforderungen an eine solche Beschichtung der Metallbleche des Rotorgrundkörpers gestellt werden, sollte bei einer Durchführung des hierin vorgeschlagenen Fertigungsverfahrens darauf geachtet werden, dass die Metallbleche des Rotorgrundkörpers mit einer isolierenden Beschichtung beschichtet sind, die den beim Sintern des Grünlings eingesetzten Temperaturen standhält. Insbesondere kann eine Beschichtung aus anorganischen Verbindungen eingesetzt werden. Zum Beispiel können die in der Deutschen Industrienorm EN 10342:2005 genannter Materialien EC-5-N, EC-0 und EC-1 oder z.B. EC-5-G eingesetzt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Fertigungsverfahrens können die Metallbleche des Rotorgrundkörpers als Stahlbleche bereitgestellt werden, die zuvor in eine für den Rotor geeignete Form gestanzt wurden. Stahlbleche, welche zur Rotorfertigung eingesetzt werden, werden in der Regel vom Hersteller im ungestanzten Zustand geliefert und meist bereits vom Hersteller wärmebehandelt, was auch als Schlussglühen bezeichnet wird, wodurch sowohl ihre mechanischen als auch magnetischen Eigenschaften verbessert werden sollen. Solche vom Hersteller der Bleche schlussgeglühten Stahlbleche werden dann häufig vor dem Zusammenbau z.B. in eine für den Rotorgrundkörper geeignete Form gestanzt. Da sie hierbei zumindest lokal stark mechanisch beansprucht werden, können sich insbesondere ihre magnetischen Eigenschaften signifikant verschlechtern. Eine nachfolgende Wärmebehandlung kann dazu beitragen, die magnetischen Eigenschaften wieder zu verbessern. Eine solche Wärmebehandlung, oft als Rekristallisationsglühen oder Spannungsarmglühen bezeichnet, kann eine Rekristallisation, ein Kornwachstum und / oder den Abbau innerer Spannungen unterstützen und dadurch die Permeabilität erhöhen und Hysteresisverluste reduzieren.
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Herkömmlich werden solche Stahlbleche nach dem Zusammenbau zu einem Rotorgrundkörper meist nicht weiter wärmebehandelt, d.h. spannungsarm-geglüht, da dies einen zusätzlichen teuren Verfahrensschritt erfordern würde. Außerdem kann typischerweise auftretender Verzug von Blechen, wie er durch solche Prozesse oft verursacht wird, zu schlechter Maßhaltigkeit bzw. zu geringen erreichbaren Toleranzen führen. Da die durch das Rekristallisationsglühen oder Spannungsarmglühen erreichbaren vorteilhaften Effekte häufig bereits bei einer Erhitzung auf Temperaturen von 750–800°C erzielt werden können, kann die bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren durchzuführende Erhitzung des Grünlings beim Sintern derart durchgeführt werden, dass gleichzeitig auch ein Rekristallisationsglühen oder Spannungsarmglühen der Metallbleche des Rotorgrundkörpers auftritt. Hierbei kann insbesondere wichtig sein, dass ein nach dem Sintern durchzuführender Abkühlvorgang ausreichend langsam, d.h. mit geringen Abkühlraten, durchgeführt wird, um durch den Glühprozess tatsächlich die erwünschte Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der Metallbleche erreichen zu können.
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Ein mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellter Kurzschlusskäfig kann unter anderem daran erkannt werden, dass das Material des Kurzschlussrings nicht vollständig massiv ist sondern mikroskopische Einschlüsse und somit zumindest eine geringfügige Porosität aufweist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf ein Verfahren zum Fertigen eines Kurzschlusskäfigs für eine Elektromaschine, teilweise mit Bezug auf ein Verfahren zum Fertigen eines Rotors einer Elektromaschine und teilweise mit Bezug auf den Kurzschlusskäfig selbst beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die beschriebenen Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert beziehungsweise ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen und gegebenenfalls Synergieeffekten gelangen zu können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung beschränkend auszulegen sind.
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1(a)–(c) veranschaulichen ein Verfahren zum Fertigen eines Kurzschlusskäfigs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine Draufsicht auf einen typischen Kurzschlussring einer hochpoligen Asynchronmaschine.
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3 zeigt eine Schnittansicht durch den Kurzschlussring aus 2 entlang der Linie A-A.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen eines Kurzschlusskäfig 3 für einen Rotor 1 einer Elektromaschine beschrieben, bei dem als Verbindungsprozess zwischen Bauteilen des Kurzschlusskäfigs ein pulver-metallurgisches Verfahren eingesetzt wird.
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Eine material-integrierte Verbindung von Metallstäben 5 mit Endringen oder Kurzschlussringen 7 des Kurzschlusskäfig 3 eines Rotors 1 einer Asynchronmaschine wird durch eine Sinter-Bond-Technik ermöglicht. Die Technik bietet Vorteile gegenüber alternativen Techniken sowohl im Hinblick auf eine Funktionalität, aufgrund von zum Beispiel geringeren Kontaktwiderständen an der Verbindungsstelle, als auch im Hinblick auf entstehende Kosten, da alle Metallstäbe 5 mit den Kurzschlussringen 7 simultan in einem einzigen Prozess verbunden werden können. Mithilfe dieses Prozesses können optimierte, zum Beispiel kupfer-basierte Kurzschlusskäfig 3 für Rotoren 1 mit höherer kontinuierlicher Betriebsleistung realisiert werden.
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Wie in 1(a) dargestellt, werden zum Fertigen eines Rotors 1 mit einem Kurzschlusskäfig 3 zunächst ein Rotorgrundkörper 9 und eine Mehrzahl von Metallstäben 5 bereitgestellt. Der Rotorgrundkörper 9 besteht aus einer Vielzahl übereinander gestapelter Bleche. Die Bleche können in einfacher Weise beispielsweise in die geeignete Form gestanzt werden, wobei aus jedem Blech Ausnehmungen geeigneter Geometrie ausgestanzt werden, so dass bei den hintereinander gestapelten Metallblechen verteilt entlang des Umfangs mehrere längliche Ausnehmungen gebildet werden, in die die Metallstäbe 5 in axialer Richtung eingeschoben oder in radialer Richtung eingelegt werden können. Die Metallstäbe können hierbei vorzugsweise aus massivem Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Enden 11 der Metallstäbe 5 ragen axial über den Rotorgrundkörper 9 an beiden Stirnflächen ab.
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Um die Mehrzahl von Metallstäben 5 elektrisch miteinander zu verbinden und dadurch ein Fließen von Wirbelströmen zu ermöglichen, werden die Enden 11 der Metallstäbe 5 mit einer elektrisch gut leitfähigen Platte, die hierin als Kurzschlussring 7 bezeichnet wird, untereinander verbunden. Der Kurzschlussring 7 wird aus einem Pulvermaterial aus Metallpartikeln mittels axialer Kompaktierungstechniken oder mittels Pulvermetallspritzguss, teilweise auch als MIM-Spritzgießen ((powder) metal injection molding) bezeichnet, hergestellt, beispielsweise unter Verwendung eines Metallpulvers aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
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Der Kurzschlussring wird hierbei zunächst als nicht fertig prozessierter, insbesondere nicht-annealter Grünling bereitgestellt. Bereits bei der Herstellung dieses Grünlings kann der Kurzschlussring 7 so geformt werden, dass Ausnehmungen 13 in Form von Sacklöchern, wie in 1 dargestellt, oder alternativ in Form von Durchgangslöchern gebildet werden, deren Querschnitt im Wesentlichen dem Querschnitt der Enden 11 der Metallstäbe 5 entspricht. Wie in 1(b) gezeigt, kann somit der Grünling des Kurzschlussrings 7 mit seinen Ausnehmungen 13 auf die überstehenden Enden 11 der Metallstäbe 5 in leichter Presspassung oder Spielpassung geschoben werden.
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Der gesamte Rotor einschließlich des aus Metallblechen laminierten Rotorgrundkörpers 9, den massiven Metallstäben 5 und den Kurzschlussringen 7 wird dann in einen Batch-Ofen oder einen Durchlaufofen gestellt, um die Kurzschlussringe 7 zu sintern. Bei Verwendung von Kurzschlussringen 7, die hauptsächlich aus Kupfer-Partikeln bestehen, kann der Sintervorgang dabei bei etwa 900°C bis 1030°C durchgeführt werden. Während dieses Prozesses nimmt die Dichte der Kurzschlussringe 7 zu und sie schrumpfen auf die Metallstäbe 5 des Kurzschlusskäfig 3 auf und schließen dabei beispielsweise die Lücken 15 einer Spielpassung beziehungsweise erhöhen den Druck einer Presspassung. Eine Art und ein Ausmaß der Schrumpfung hängen dabei unter anderem von den Sinterbedingungen und der Dichte des Grünlings ab.
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Durch das Sintern und das damit verbundene Aufschrumpfen entsteht eine stabile mechanische Verbindung wie auch eine gut leitfähige elektrische Verbindung zwischen den Metallstäben 5 und dem Kurzschlussring 7, wie in 1(c) dargestellt.
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Dem Metallpulver des Grünlings für den Kurzschlussring 7 können geeignete Legierungsstoffe zugesetzt sein, so dass es während des Sinterprozesses idealerweise zu einer Diffusion von Atomen aus dem Kurzschlussring 7 hin zu den Metallstäben 5, oder umgekehrt, kommt, um eine erwünschte material-integrierte Verbindung zu generieren.
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Zusätzlich oder alternativ können Legierungsstoffe zugesetzt sein, die mit dem Material des Grünlings des Kurzschlussrings 7 oder der Metallstäbe 5 gemischt werden können oder auf dieses beispielsweise aufgetragen werden können oder als ein zusätzliches Legierungselement auf den Kurzschlussring 7 aufgebracht werden können, um einen atomaren Austausch während des Sintervorgangs zu unterstützen.
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Der Sintervorgang bewirkt idealerweise eine material-integrierte Verbindung mit geringem elektrischem Widerstand über die gesamte Kontaktoberfläche zwischen den Enden 11 der Metallstäbe 5 und einer Innenoberfläche der Ausnehmungen 13 in den Kurzschlussringen 7.
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Nach dem Sintern sind die Kurzschlussringe 7 nicht hundertprozentig verdichtet, sondern es verbleibt eine restliche Porosität, die abhängig ist von den Sinterbedingungen. Sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die mechanische Festigkeit der meisten Materialien wie zum Beispiel Kupfer nimmt mit zunehmender Porosität ab. Wenn die End-Porosität des Kurzschlussrings bekannt ist, kann die geometrische Form des Kurzschlussrings angepasst werden, zum Beispiel in der Größe vergrößert werden, um diesen Effekt zu kompensieren.
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Da während des Sintervorgangs hohe Temperaturen von typischerweise 900°C bis 1030°C erforderlich sind, muss eine elektrische Isolationsbeschichtung der den Rotorgrundkörper 9 bildenden Metallbleche mit Bedacht gewählt werden. Gemischte organisch-anorganische Beschichtungen wie zum Beispiel EC-5-N, die üblicherweise für die Metallbleche eingesetzt werden, haben meist eine hohe Temperaturstabilität, sind aber mit einer maximalen Betriebstemperatur von ca. 850°C angegeben. Es kann dementsprechend bevorzugt sein, anorganischen Beschichtungen zu verwenden.
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Eine Leitfähigkeit korreliert direkt mit der Porosität eines Bauteils; je größer der Anteil an Hohlräumen, desto geringer die Leitfähigkeit. Eine elektrische Leitfähigkeit von lediglich gepressten („as-pressed“) und gesinterten reinen Kupferteilen variiert von etwa 80 bis 90% IACS. Eigenschaften voller Dichte werden zumindest annähernd erreicht durch Kompaktieren bei moderaten Drücken von bis zu 250MPa, Sintern bei Temperaturen von 50 bis 150°C unterhalb der Schmelztemperatur von Kupfer (1083°C), gefolgt durch erneutes Pressen, Prägen oder Schmieden.
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In einem alternativen modifizierten Ansatz kann das Pulvermaterial für die Kurzschlussringe direkt auf die Enden des laminierten Stapels aus Metallblechen des Rotorgrundkörpers und die zuvor eingesetzten Kupfer-Metallstäbe kompaktiert werden. Dies würde einen komplizierteren Kompaktierungsaufbau erfordern, hätte aber den Vorteil, dass der Grünling für den Kurzschlussring nicht vorab gefertigt und dann zur Produktion transportiert werden bräuchte, sondern direkt auf den anderen Komponenten des Rotors durch Kompaktieren aufgebaut werden könnte. Dies könnte potenzielle Probleme hinsichtlich Toleranzen bei der Kompaktierung des Grünlings und dem Gießen oder Umformen / Prägen der Metallstäbe vermeiden.
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Der Kurzschlussring 7 kann, wie in der Draufsicht aus 2 und der Schnittansicht aus 3 dargestellt, eine ähnliche Geometrie aufweisen wie diejenige des laminierten Kerns des Rotorgrundkörpers 9, um die Metallstäbe 5 aufnehmen zu können. Eine solche Geometrie ist verhältnismäßig komplex. Bei einer axialen Kompaktierung von Metallpulver können die erforderlichen Kompaktierungskräfte in Höhe von beispielsweise ca. 250MPa für reines Kupfer sowie das Höhenverhältnis des Bauteils, die minimale Wanddicke des Bauteils, die axiale Tiefe des Bauteils, etc. kritisch sein. Da der Kurzschlussring 7 in einem grünen Zustand, das heißt nicht fertig prozessiert, auf die Metallstäbe 5 aufgeschoben wird, dürfen fertigbare Toleranzen hoch sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19919899 C1 [0006]
- DE 19927279 B4 [0006]
- DE 19542962 C1 [0006]
- DE 19858138 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Deutschen Industrienorm EN 10342:2005 [0025]
