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Verweis auf parallele Anmeldung
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Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2013-194928 , eingereicht am 20. September 2013, deren gesamter Inhalt hier unter Bezugnahme eingefügt wird.
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Technisches Gebiet
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Hier beschriebene Ausführungsformen betreffen einen Induktionsmotor mit einem Käfigrotor und ein Herstellungsverfahren hiervon.
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Stand der Technik
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Ein Käfig-Dreiphaseninduktionsmotor arbeitet mit einem Dreiphasen-AC-Strom, und benötigt keinen Gleichrichter und Bürste, usw. Demnach ist im Vergleich mit Motoren anderer Art wie DC-Motoren der Aufbau einfach und die Produktlebenszeit lang. Demnach werden solche Motoren weit verbreitet als Energiequelle von Industriegeräten eingesetzt, wie einer Pumpe, einem Ventilator und einem Roboter.
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Der Rotor eines solchen Induktionsmotors umfasst einen Eisenkern in zylindrischer Gestalt, einen Käfig und eine Drehwelle. Der Käfig umfasst eine Leiterstange, die in Schlitzen eingebettet ist, die gleichmäßig am Außenumfang des Eisenkerns angeordnet sind, und Endringe, die an beiden Enden des Eisenkerns angeordnet sind und ein Kurzschließen der Leiterstange verursachen.
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Bei Rotoren eines Induktionsmotors sind die Leiterstange und die Endringe normalerweise integral miteinander durch Aluminiumdruckguss ausgebildet, um einen Leiterkäfig auszubilden. Gemäß diesem Vorgehen können allerdings, wenn Hohlräume in der Leiterstange und den Endringen ausgebildet werden, eine Verfestigung und ein Schrumpfen auftreten. Um ein solches technisches Problem anzugehen, ist ein Verfahren zum Ausbilden der Leiterstange und der Endringe bekannt, bei dem separat Aluminium und eine Aluminiumlegierung verwendet wird, und die Leiterstange und die Endringe durch Rührreibschweißen verbunden werden.
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Zusätzlich wird, wenn die Leiterstange und die Endringe des Rotors des Induktionsmotors aus verschiedenen Metallen ausgebildet werden, die Leiterstange, die aus entweder Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist, in einen Eisenkern mit einer Länge in der axialen Richtung eingeführt, die kürzer ist als die Leiterstange. Als nächstes wird ein Vorsprungsteil der Leiterstange vom Eisenkern in Aluminium oder ähnliches in einem halb-ausgehärteten Zustand eingeführt, und diese werden ausgehärtet, um Endringe auszubilden, wodurch die Leiterstange und die Endringe integral ausgebildet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Querschnittansicht, die einen Aufbau eines Induktionsmotors gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt,
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2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Aufbau eines Rotors gemäß der ersten Ausführungsform zeigt,
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3 ist eine Querschnittansicht, die einen Aufbau eines Rotors gemäß der ersten Ausführungsform zeigt,
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4 ist eine Querschnittansicht, die einen Aufbau einer Leiterstange gemäß der ersten Ausführungsform zeigt,
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5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein erstes Verbindungswerkzeug zeigt, um einen ersten Metallabschnitt und einen zweiten Metallabschnitt zu verbinden,
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6A und 6B sind Darstellungen, die ein Herstellungsverfahren der Leiterstange gemäß der ersten Ausführungsform zeigen,
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7A bis 7F sind Darstellungen, die ein Verbindungsverfahren der Leiterstange mit den Endringen gemäß der ersten Ausführungsform zeigen,
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8 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Gestalt des Rotors gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, bevor eine Drehwelle eingeführt ist,
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9 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Aufbau eines Rotors eines Induktionsmotors gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt,
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10 ist eine Querschnittansicht, die einen Aufbau des Rotors gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt, und
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11 ist eine Querschnittansicht, die einen Rotorkern und eine Leiterstange gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt, wenn die Leiterstange und die Endringe verbunden sind.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Induktionsmotor, der einen Leiterkäfig aufweist. Der Leiterkäfig umfasst eine Vielzahl von Leiterstangen, die in einem Rotorkern in einer Umfangsrichtung eingebettet und angeordnet sind, und Endringe, die mit der Vielzahl der Leiterstangen verbunden sind, um die entsprechenden beiden Enden hiervon elektrisch leitend zu machen, bei dem: Jede Leiterstange einen ersten stangenförmigen Metallabschnitt und zwei zweite Metallabschnitte aufweist, die mit beiden Enden des ersten Metallabschnitts verbunden sind, und der zweite Metallabschnitt in einer Blockgestalt ausgebildet ist.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Herstellungsverfahren eines Induktionsmotors, wobei das Verfahren aufweist: Einlegen und Anordnen einer Vielzahl von Leiterstangen in einem Rotorkern in einer Umfangsrichtung, wobei jede Leiterstange einen ersten stangenförmigen Metallabschnitt und einen zweiten Metallabschnitt aufweist, der mit einem Ende des ersten Metallabschnitts verbunden ist und in einer Blockgestalt ausgebildet ist, und Zusammenbauen eines Leiterkäfigs durch Verbinden von Endringen mit einer Vielzahl von Leiterstangen, um die entsprechenden beiden Enden hiervon elektrisch leitend zu machen.
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[Erste Ausführungsform]
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Nachfolgend wird ein Induktionsmotors und ein Herstellungsverfahrens hiervon gemäß dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf 1 bis 8 erklärt. Der gleiche Abschnitt durch die entsprechenden Figuren wird durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, um eine wiederholte Erklärung wegzulassen.
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Ein Induktionsmotor dieser Ausführungsform hat mehrere Leiterstangen, die jeweils um einen Eisenkern angeordnet und darin eingelegt sind, und die aus einem ersten Metallabschnitt in einer Stangengestalt und zweiten Metallabschnitten in einer Blockgestalt ausgebildet sind, die mit beiden Enden des ersten Metallabschnitts verbunden sind. Wenn die Metalle, die die zweiten Metallabschnitte ausbilden, mit Endringen 5 verbunden sind, sind entsprechende Leiterstangen durch die Endringe zusätzlich elektrisch kurzgeschlossen.
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(1. Aufbau)
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(1-1. Gesamter Aufbau)
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1 ist eine Querschnittansicht, die einen Aufbau eines Induktionsmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Der Induktionsmotor dieser Ausführungsform hat einen Rotor 2 und einen Stator 3, der in einem Rahmen 1 gehalten wird.
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Der Rahmen 1 ist ein zylindrisches Bauteil, das zum Beispiel durch Schmieden eines Eisen-basierten Materials ausgebildet ist, und hat Öffnungen an beiden Enden, die mit Bügeln 8 in einer Scheibengestalt angebracht sind, von denen jeder eine Lagerung an der Mitte hiervon aufweist. Nicht dargestellte Kühlrippen sind um den Außenumfang des Rahmens 1 vorgesehen.
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Der Rotor 2 umfasst einen Rotorkern 4 mit magnetischen Stahlblättchen, die zusammen geschichtet sind, und mit einer Ausnehmung versehen sind, um die Drehwelle 7 an der Mitte anzuordnen, einen Leiterkäfig 2a, der im Rotorkern 4 angeordnet ist und die mehreren Leiterstangen 6 aufweist, wobei beide Enden mit den Endringen 5 verbunden sind, um hiermit elektrisch kurzgeschlossen zu sein, und die Drehwelle 7. Der Rotorkern 4 hat einen Durchmesser, der 90 mm beträgt, und hat eine Länge in der Axialrichtung, die 120 mm beträgt. Die Gestalt der Ausnehmung des Rotorkerns 4, um die Drehwelle 7 anzuordnen, kann gemäß der Drehwelle 7 frei gewählt werden, und kann eine kreisförmige Ausnehmung, eine rechtwinklige Ausnehmung und ähnliches sein.
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Die Drehwelle 7 wird durch die zwei Lagerungen 9 gehalten, die durch die entsprechenden Bügel 8 gehalten werden. Das eine Ende der Drehwelle 7 ist mit Kühllamellen 10 versehen, die Luft vom Äußeren der Abdeckung 11 ansaugen, wenn der Induktionsmotor betätigt wird, Wind zu den Kühlrippen des Rahmens 1 zuführt, um hierdurch den Induktionsmotor zu kühlen.
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Der Stator 3 ist außerhalb des Rotorkerns 4 angeordnet. Der Stator 3 umfasst einen Statoreisenkern 12 mit magnetischen Stahlblättchen, die zusammengeschichtet sind, und Spulen 13. Die Spule 13 kann um den Statoreisenkern 12 gewunden sein, oder eine separat hergestellte Spule kann am Statorkern 12 angebracht sein.
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(1-2. Aufbau des Rotors)
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2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Aufbau des Rotors 2 des Induktionsmotors zeigt, und 3 ist eine Querschnittansicht, die den Aufbau des Rotors des Induktionsmotors zeigt.
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Der Rotorkern 4 ist ein zylindrisches Bauteil mit zylindrischen magnetischen Stahlblättchen, die zusammengeschichtet sind, und das mit einer Ausnehmung versehen ist, um die Drehwelle 7 an der Mitte anzuordnen. Zusätzlich sind mehrere Schlitze 14a im Außenumfang des Rotorkerns 4 in der axialen Richtung ausgebildet. Die mehreren Schlitze 14a, z. B. 44 Schlitze 14a, sind in einem bestimmten Abstand in der Umfangsrichtung ausgebildet.
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Die Endringe 5 sind an beiden Enden des Rotorkerns 4 vorgesehen, und sind Ringbauteile, die beide Enden der Leiterstange 6 verbinden. Wenn entsprechende Enden der Leiterstangen 6 durch den Endring 5 verbunden sind, sind die mehreren Leiterstangen 6 elektrisch kurzgeschlossen. Der Endring 5 ist mit Schlitzen 14b versehen, die den entsprechenden Schlitzen 14a entsprechen, wenn an jedem der beiden Enden des Rotorkerns 4 angeordnet. Das bedeutet, wenn der Rotorkern 4 und die Endringe 5 zusammengesetzt sind, befinden sich der Schlitz 14a und der Schlitz 14b in Kommunikation miteinander, wodurch ein Schlitz ausgebildet wird.
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Es ist bevorzugt, dass das Metall, das den Endring 5 ausbildet, ein Leichtbaumetall mit einem geringen elektrischen Widerstand ist. Insbesondere ist Aluminium oder eine Aluminiumlegierung geeignet, und in dieser Ausführungsform wird Aluminium eingesetzt.
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Die Leiterstange 6 ist ein stangenförmiges Bauteil, das in den Schlitzen 14a und 14b gehalten wird, die im Rotorkern 4 und den Endringen 5 entsprechend vorgesehen sind. Die Leiterstange 6, die in den entsprechenden Schlitzen 14a und 14b gehalten wird, ist mit den Endringen 5 an beiden Enden verbunden, und somit werden die gesamten Leiterstangen 6 elektrisch kurzgeschlossen.
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Wenn die Endringe 5 und die Leiterstangen 6 durch Reibrührschweißen, das später diskutiert wird, verbunden werden, wie in 3 gezeigt, wird ein Rührreibschweißgebiet 15 außerhalb der Endringe 5 ausgebildet (die Seite, die den Rotorkern 4 nicht berührt). Ein Abschnitt, der nicht einem plastischen Fluss durch Reibrührschweißen ausgesetzt ist, verbleibt an der Seite des Rotorkerns 4.
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Gemäß dieser Ausführungsform beträgt die Länge des Endrings in der Axialrichtung des Rotors 15 mm. Zusätzlich beträgt ein Abschnitt (Reibrührschweißgebiet 15), wo der Endring 5 und ein Teil der Leiterstange 6 durch Reibschweißen verbunden werden, im Wesentlichen 10 mm, und ein nicht dem Reibrührschweißen ausgesetzter Abschnitt beträgt im Wesentlichen 5 mm. Das Reibrührschweißgebiet 15 ist ein Abschnitt, wo ein Verbindungswerkzeug, das später zu diskutieren ist, abgetastet wird, und somit wird, wie in 2 gezeigt, das Reibrührschweißgebiet 15 in einer Ringgestalt ausgebildet, die die Mitten der entsprechenden Enden der Leiterstangen 6 in der Radialrichtung verbindet.
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(1-3. Aufbau der Leiterstange)
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4 ist eine Querschnittansicht, die eine Struktur der Leiterstange 6 zeigt. Wie in 4 gezeigt, umfasst die Leiterstange 6 den stangenförmigen Metallabschnitt 17, der eine Hauptregion der Mitte einnimmt, und die zwei blockförmigen zweiten Metallabschnitte 18, die an beiden Enden des ersten Metallabschnitts 17 angebunden sind. Der zweite Metallabschnitt 18 ist ein fester Block, und ist in einer zylindrischen Gestalt ausgebildet. Zusätzlich ist es gemäß dieser Ausführungsform, selbst wenn wenige Luftblasen im Block verblieben sind, im Sinne des Begriffs „fest” zu verstehen. Ferner kann der zweite Metallabschnitt 18 ein poröses Material sein. Der zweite Metallabschnitt 18 ein poröses Material ist, kann der zweite Metallabschnitt 18 leicht weich gemacht werden, wenn der Endring 5 durch Druckguss ausgebildet ist. Dies verbessert den Verbindungszustand.
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Der erste Metallabschnitt 17 und der zweite Metallabschnitt 18 können durch Reibdruckverbinden oder Reibrührschweißen, usw. verbunden werden. Die zwischenmetallische Komponente 19 ist an einer Schnittstelle zwischen dem ersten Metallabschnitt 17 und dem zweiten Metallabschnitt 18 ausgebildet, die dazu dient, den ersten Metallabschnitt 17 mit dem zweiten Metallabschnitt 18 zu verbinden. Es ist gewünscht, dass die Dicke der intermetallischen Komponente 19 gleich oder kleiner als 2 μm sein sollte, und zwar in Anbetracht eines elektrischen Widerstands und einer Festigkeit am verbundenen Abschnitt.
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Das Metall, das den ersten Metallabschnitt 17 ausbildet, hat einen niedrigen elektrischen Widerstand, und hat einen höheren Schmelzpunkt als derjenige des Metalls, das den Endring 5 ausbildet. Ein Beispielmetall, das den ersten Metallabschnitt 17 ausbildet, ist Kupfer oder eine Kupferlegierung, und gemäß dieser Ausführungsform wird anoxisches Kupfer eingesetzt.
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Das Metall, das den zweiten Metallabschnitt 18 ausbildet, hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als derjenige des Metalls, das den ersten Metallabschnitt 17 ausbildet. Ein Beispielmetall, das den zweiten Metallabschnitt 18 ausbildet, ist Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, und gemäß dieser Ausführungsform wird reines Aluminium, wie A1050-Aluminium eingesetzt.
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Als Zusammensetzung der intermetallischen Komponente 19 wird, wenn das Metall, das den ersten Metallabschnitt 17 ausbildet, Kupfer ist, und das Metall, das den zweiten Metallabschnitt 18 ausbildet, Aluminium ist, die Zusammensetzung CuAl2.
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(2. Herstellungsverfahren)
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Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren des Induktionsmotors gemäß dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf 5 bis 8 erklärt. In dieser Ausführungsform wird der Induktionsmotor durch das folgende Verfahren hergestellt.
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(2-1. Herstellungsverfahren der Leiterstange)
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Beim Herstellungsverfahren der Leiterstange 6 wird zuerst ein reiner Aluminiumblock, der der zweite Metallabschnitt 18 sein soll, gegen ein Paar gegenüberliegender Seiten einer anoxischen Kupferplatte angelegt, die der erste Metallabschnitt 17 sein soll, und beide werden durch Reibrührschweißen verbunden. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein erstes Verbindungswerkzeug zeigt, um den ersten Metallabschnitt 17 und den zweiten Metallabschnitt 18 durch Reibschweißen zu verbinden, und 6A und 6B sind jeweils eine Darstellung, die ein Herstellungsverfahren der Leiterstange 6 darstellt.
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Wie in 5 gezeigt, umfasst das erste Verbindungswerkzeug 23 eine Zylinderwelle 20, die an einer Reibrührschweißvorrichtung (nicht dargestellt) anzubringen ist, eine zylindrische Schulter 21, die koaxial mit der Welle 20 ist, jedoch einen kleineren Durchmesser aufweist als die Welle 20, und einen konischen Prüfstift 22, der koaxial mit der Welle 20 und der Schulter 21 ist. In dieser Ausführungsform hat die Schulter 21 einen Durchmesser von 10 mm, der Prüfstift 22 hat einen Basisenddurchmesser von 4 mm und einen Spitzendurchmesser von 3 mm, und der Prüfstift 22 hat eine Höhe von 1,5 mm. Gewinde mit 0,7 mm Höhe sind in der Seitenfläche des Prüfstifts 22 ausgebildet.
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Beim Herstellungsverfahren der Leiterstange 6 wird, wie in 6A gezeigt, ein reiner Aluminiumblock, der der zweite Metallabschnitt 18 sein soll, neben der anoxischen Kupferplatte angeordnet, die der erste Metallabschnitt 17 sein soll, und wird hieran angelegt. Die Platte, die der erste Metallabschnitt 17 sein soll, hat eine Dicke von 2,5 mm und eine Länge von 120 mm, und der Block, der der zweite Metallabschnitt 18 sein soll, hat eine Dicke von 2,5 mm und eine Länge von 16 mm.
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Als nächstes wird, wobei das erste Verbindungswerkzeug 23 der Reibrührschweißvorrichtung bei 2000 U/m gedreht wird, wie in 6B gezeigt, ein solches Werkzeug in einen Abschnitt nahe der Grenze zwischen dem zweiten Metallabschnitt 18 und dem ersten Metallabschnitt 17 eingeführt.
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Nachdem das Verbindungswerkzeug 23 eingeführt wurde, wird das Verbindungswerkzeug 23 in dieser Position gehalten, und der zweite Metallabschnitt 18 um den Prüfstift 22 ist ausreichend weich gemacht. In dieser Ausführungsform wird das Verbindungswerkzeug 23 für 0,5 Sekunden gehalten, um die Temperatur des zweiten Metallabschnitts 18 ausreichend zu erhöhen, um den zweiten Metallabschnitt 18 weich werden zu lassen, und der zweite Metallabschnitt 18 wird einem plastischen Strom gemäß der Drehung des Verbindungswerkzeugs 23 ausgesetzt. Nachfolgend wird das erste Verbindungswerkzeug 23 derart geprüft, dass ein Abstand zwischen dem Außenumfang des Prüfstifts 22 und der Grenze zwischen dem ersten Metallabschnitt 17 und dem zweiten Metallabschnitt 18 gleich oder kleiner als 0,5 mm wird. Zu dieser Zeit wird das erste Verbindungswerkzeug 23 zur Gegenseite der Prüfrichtung geschwenkt, um einen angehobenen Abschnitt des zweiten Metallabschnitts 18 durch die Schulter 21 zu halten. Der zweite Metallabschnitt 18 wird einem plastischen Strom unterworfen, der die Fläche des ersten Metallabschnitts 17 verarbeitet, und somit werden der ersten Metallabschnitt 17 und der zweite Metallabschnitt 18 miteinander verbunden.
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Ein solches Verbinden wird an der Vorderseite und Rückseite der Leiterstange 6 durchgeführt, die am Paar der zwei Seiten des ersten Metallabschnitts 17 insgesamt vier Mal angeordnet ist, um den ersten Metallabschnitt 17 und den zweiten Metallabschnitt 18 mit einander zu integrieren. Nachfolgend wird die Fläche des verbundenen Abschnitts verarbeitet, und der erste Metallabschnitt 17 und der zweite Metallabschnitt 18, die zusammen integriert sind, werden als ein stangenförmiges Bauteil mit einer Dicke von 2 mm, einer Breite von 10 mm und einer Länge von 150 mm derart geschnitten, dass der Mittenabschnitt durch den ersten Metallabschnitt 17 ausgebildet ist und beide Enden durch den zweiten Metallabschnitt ausgebildet sind, wodurch die Leiterstange 6 hergestellt wird. Die Länge des ersten Metallabschnitts 17 an der Mitte der Leiterstange 6 beträgt 120 mm, während die Länge des zweiten Metallabschnitts 18 an beiden Enden 15 mm beträgt.
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(2-2. Leiterstangenverbindungsverfahren)
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Bei einem Leiterstangenverbindungsverfahren werden die entsprechenden Enden der mehreren Leiterstangen 6, die umfangsmäßig angeordnet sind, mit dem Endring 5 verbunden, um einen käfigförmigen Rotor auszubilden. 7A bis 7F sind Zeichnungen, die jeweils das Verbindungsverfahren der Leiterstangen zeigen.
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Beim Leiterstangenverbindungsverfahren, wie in 7A gezeigt, werden die Leiterstangen 6 in die Schlitze 14a des Rotorkerns 4 eingeführt. Der Rotorkern 4 wird zum Beispiel durch miteinander Schichten von 240 magnetischem Stahlblättchen ausgebildet, von denen jedes eine Dicke von 0,5 mm und einen Durchmesser von 90 mm aufweist, um eine Schichtdicke von 120 mm zu erhalten. Die Schlitze 14a werden im Außenumfang des Rotorkerns 4 als einer Breite von 2,1 mm und einer Länge von 10,1 mm durchstochen, und entlang der Umfangsrichtung derart verdrillt, dass die Längsrichtungen der entsprechenden Schlitze 14a radial in einem bestimmten Abstand ausgerichtet sind (siehe 2). In diesem Fall sei erwähnt, dass die Schlitze 14a durchstochen werden, jedoch solange eine Festigkeit zum Halten der zurückgehaltenen Leiterstange 6 beibehalten wird, können einige der Schlitze 14a an der Außenumfangsseite einen Teil an der Außenumfangsseite relativ zum Rotorkern 4 geschlossen oder geöffnet haben.
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Als nächstes, wie in 73 gezeigt, wird der Endring 5 derart angeordnet, dass die Schlitze 14b hiervon so angeordnet sind, dass sie den zweiten Metallabschnitten 18 der vorstehenden Leiterstangen 6 entsprechen, und damit in Eingriff gelangen. Der Endring 5 hat eine Dicke von 15 mm und einen Durchmesser von 88 mm, und die Schlitze 14b, die jeweils eine Breite von 2,1 mm und eine Länge von 10,1 mm aufweisen, um den entsprechenden Schlitzen 14a des Eisenkerns zu entsprechen, sind im Außenumfang vorgesehen. Der Endring 5 ist aus reinem Aluminium A1050 ausgebildet.
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Als nächstes wird die Baugruppe, umfassend den Rotorkern 4, die Leiterstangen 6 und die Endringe 5 an einer Aufspannvorrichtung (nicht gezeigt) der Reibrührschweißvorrichtung befestigt. Hinsichtlich des Befestigens an der Reibrührschweißvorrichtung wird die Baugruppe des Rotorkerns 4, der Leiterstangen 6 und der Endringe 5 in der Vertikalrichtung ausgerichtet, und ein Druck nach unten von 20 kN wird am Außenumfang des oberen Endrings 5 aufgebracht, um die Baugruppe an der Aufspannvorrichtung festzulegen.
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Nachdem die Baugruppe an der Reibrührschweißvorrichtung befestigt ist, wird ein zweites Verbindungswerkzeug 24 bei 1000 U/m gedreht, und, wie in 7C gezeigt, ein Druck von 10 kN wird am Endring 5 aufgebracht. Die Gestalt des zweiten Verbindungswerkzeugs 24 ist ähnlich zu derjenigen des ersten Verbindungswerkzeugs 23, eine Schulter 21 des zweiten Verbindungswerkzeugs 24 hat einen Durchmesser von 16 mm, ein Prüfstift 22 hiervon hat einen Durchmesser von 8 mm, und die Höhe des Prüfstifts 22 beträgt 8 mm.
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Wenn das sich drehende zweite Verbindungswerkzeug 24 auf den Endring 5 gedrückt wird, wird eine Reibwärme zwischen dem zweiten Verbindungswerkzeug 24 und dem Endring 5 erzeugt. Diese Reibwärme lässt den Endring 5 weich werden, und, wie in 7D gezeigt, wird der Prüfstift 22 des zweiten Verbindungswerkzeugs 24 in den Endring 5 bei einer Geschwindigkeit von 30 mm/min eingeführt.
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Nachfolgend, wie in 7E und 7F gezeigt, wird das zweite Verbindungswerkzeug 24 bei eingeführtem Prüfstift in der horizontalen Richtung mit einer Geschwindigkeit von 1000 mm/min für jede Minute bewegt, um den Endring 5 mit der Leiterstange 6 zu verbinden. Eine Verbindungstrajektorie wird in einer Ringgestalt ausgebildet, hat eine Länge von 260 mm. Zusätzlich kann das Verbinden an einer Seite innerhalb von insgesamt im Wesentlichen 30 Sekunden abgeschlossen werden, inklusive einer Zeit zum Einführen des zweiten Verbindungswerkzeugs 24 in den Endring 5 und einer Zeit zum Zurückziehen des Werkzeugs, wenn das Verbinden abgeschlossen ist.
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Schließlich wird der Grat des Verbindungsabschnitts durch Schneiden entfernt, wodurch ein käfigförmiger Rotor vervollständigt wird. 8 zeigt eine Gestalt des Rotors, bevor die Drehwelle eingeführt ist. Ausgebildet an der gegenüberliegenden Fläche zu der Fläche, die den Eisenkern 4 des Endrings 5 berührt, ist eine ringförmige Reibrührschweißspur 16, die durch das zweite Verbindungswerkzeug 24 ausgebildet wird.
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Gemäß dem käfigartigen Rotor, der auf diese Weise hergestellt wurde, wird der zweite Metallabschnitt 18, der auf die gleiche Weise aus dem Metall ausgebildet ist, wie der Endring 5 ausgebildet ist, am Verbindungsabschnitt der Leiterstange 6 und dem Endring 5 vorgesehen. Demnach, wenn ein Reibrührschweißen eingesetzt wird, kann die Leiterstange 6 sicher mit dem Endring 5 verbunden werden.
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Zusätzlich ist gemäß dem käfigartigen Rotor die Länge des ersten Metallabschnitts 17 (120 mm) in der Axialrichtung des Rotors gleich oder länger als die Länge des Schlitzes 14a (120 mm) in der Axialrichtung des Rotors. Demnach können die meisten Abschnitte der Leiterstange 6, wo es gewünscht ist, den elektrischen Widerstand zu verringern, aus dem ersten Metallabschnitt 17 ausgebildet werden, der aus einem Metall mit exzellentem elektrischen Widerstand ausgebildet ist.
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Darüber hinaus kann gemäß dem käfigartigen Rotor das Metall, das den zweiten Metallabschnitt 18 ausbildet, eher eine plastische Verformung bei einer niedrigeren Temperatur durchführen als das Metall, das den ersten Metallabschnitt 17 ausbildet. Demnach wird die erforderliche Temperatur, wenn der Endring und die Leiterstange durch Reibrührschweißen miteinander verbunden werden, verglichen mit einem Fall nicht hoch, bei dem die Metalle, die den ersten Metallabschnitt ausbilden, einem Reibrührschweißen unterworfen werden.
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(3. Vorteilhafte Wirkungen)
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- (1) Gemäß dem Induktionsmotor dieser Ausführungsform, der durch das zuvor beschriebene Herstellungsverfahren hergestellt wurde, kann die Mitte der Leiterstange 6 aus einem Metall mit einem niedrigen elektrischen Widerstand ausgebildet werden, während der Endring 5 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet werden kann. Das bedeutet, ein Metall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als demjenigen des Metalls, der die Mitte der Leiterstange 6 ausbildet, wird für den Endring 5 einsetzbar. Deshalb wird es möglich, einen Induktionsmotor bereitzustellen, der hinsichtlich der elektrischen Leistung, des Leichtgewichts und der Kosten exzellent ist.
- (2) Zusätzlich sind der Endring 5 und die Leiterstange 6 aus einer Legierung ausgebildet, welche die ähnliche Art oder die gleiche Art des Metalls als eine Hauptkomponente enthält.
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Demnach kann beim Reibrührschweißen sowohl ein Endring 5 als auch eine Leiterstange 6 im Wesentlichen simultan weichgemacht, gerieben und miteinander integriert werden. Demnach kann ein Verbinden durchgeführt werden, das eine hohe Festigkeit und Zuverlässigkeit realisiert.
- (3) In dieser Ausführungsform wurde das spezifische Beispiel erklärt, jedoch sind die folgenden Modifikationen einsetzbar.
(a) Der zweite Metallabschnitt 18 und der Endring 5 werden durch Reibrührschweißen verbunden, jedoch kann eine Reibwärme zwischen dem zweiten Metallabschnitt 18 und dem Endring 5 hergestellt werden, und andere Verbindungsschemata, die eine solche Reibwärme einsetzen, können angewendet werden. Zum Beispiel kann der zweite Metallabschnitt 18 und der Endring 5 gegeneinander bei einer hohen Geschwindigkeit gerieben werden, diese können durch die auf diese Weise hergestellte Reibwärme weich gemacht werden, und Druck kann gleichzeitig angewandt werden, um Reibschweißen an diesen Bauteilen durchzuführen. Zusätzlich kann ein Metallzapfen gegen den Endring 5 bei einer hohen Geschwindigkeit gedreht werden, und der Endring 5, die Leiterstange 6 und der Metallzapfen können hier durch Reibzapfenverbinden verbunden werden, welches Reibwärme einsetzt, die zu dieser Zeit erzeugt wird.
(b) Der erste Metallabschnitt 17 ist aus einem anoxischen Kupfer ausgebildet, jedoch können andere Metalle, wie Gold und Silber, mit einer hohen Leitfähigkeit eingesetzt werden.
(c) Der zweite Metallabschnitt 18 ist aus reinem Aluminium ausgebildet, jedoch können andere Metalle mit einem ausreichend geringen elektrischen Widerstand eingesetzt werden. In diesem Fall sollte das Metall, das den Endring 5 ausbildet, ein Metall sein, das ein Reibrührschweißen mit dem zweiten Metallabschnitt 18 gestattet. Ein spezifisches Beispiel ist eine Legierung mit einer Hauptkomponente, welche die ähnliche Art oder die gleiche Art des Metalls ist.
(d) Der Rotorkern 4 ist aus kreisförmigen magnetischen Stahlblättchen, die zusammengeschichtet sind, ausgebildet, jedoch kann eine integrale Gusskomponente, wie ein Pulverpresskörperkern eingesetzt werden.
(e) Die Länge des ersten Metallabschnitts 17 der Leiterstange 6 ist gleich der Länge des Schlitzes des Rotorkerns 4 festgelegt. Allerdings, solange ein Abschnitt der Leiterstange 6, wo es gewünscht ist, den elektrischen widerstand zu verringern, aus dem ersten Metallabschnitt 17 mit dem exzellenten elektrischen widerstand ausgebildet ist, kann die Länge des ersten Metallabschnitts 17 mit der Länge des Schlitzes des Rotorkerns 4 inkonsistent sein. Das bedeutet, die Länge des ersten Metallabschnitts 17 ist etwas länger oder kürzer als die Länge des Schlitzes des Rotorkerns 4.
(f) Beim Leiterstangenverbindungsverfahren werden der erste Metallabschnitt 17 und der zweite Metallabschnitt 18 durch Reibrührschweißen verbunden, jedoch können beide durch Reibschweißen verbunden werden. Zum Beispiel kann der gleiche Vorteil erhalten werden gemäß einem Schema zum Durchführen des Reibschweißens, welches ein Kupferstangenbauteil und ein Aluminiumstangenbauteil mit Druck beaufschlagt und diese miteinander verbindet, während Reibwärme hergestellt wird, um ein verbundenes Bauteil aus Kupfer und Aluminium herzustellen, und zum Ausschneiden des verbundenen Bauteils, um die Gestalt der Leiterstange 6 zu erhalten.
(g) Zusätzlich ist die Gestalt des zweiten Metallabschnitts 18 in dieser Ausführungsform eine zylindrische Gestalt; jedoch solange die Gestalt ein Reibrührschweißen mit dem Endring 5 gestattet, kann eine solche Gestalt wie notwendig verändert werden. Zum Beispiel kann die Gestalt des zweiten Metallabschnitts 18 eine kreisförmige konische Gestalt mit einer Seite sein, die mit dem ersten Metallabschnitt 17 als einem Unterteil zu verbinden ist, und die Gestalt des Schlitzes 14b des Endring 5 kann eine Gestalt sein, die mit dem kreisförmigen, konischen, ersten Metallabschnitt 17 in Eingriff bringbar ist.
(h) Darüber hinaus wird gemäß dieser Ausführungsform ein Schema zum Einführen der Leiterstange 6 in den Schlitz 14 des Rotorkerns 4 einzeln eingesetzt werden, doch können, wenn der erste Endring 5 und die entsprechenden Enden der mehreren Leiterstangen 6 miteinander verbunden sind, nachdem die Leiterstangen 6 in die entsprechenden Schlitze eingeführt sind, die entsprechenden Außenenden der Leiterstangen 6 mit dem anderen Endring 5 verbunden werden.
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[Zweite Ausführungsform]
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Als nächstes wird eine zweiten Ausführungsform erklärt. Diese Ausführungsform ist eine Modifikation eines Aufbaus des Rotors der ersten Ausführungsform. Gemäß einer solchen Modifikation wird das Leiterstangenverbindungsverfahren beim Herstellverfahren anders.
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(1. Aufbau des Rotors)
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9 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Aufbau eines Rotors eines Induktionsmotors gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt, während 10 eine Querschnittansicht ist, die den Aufbau des Rotors des Induktionsmotors zeigt.
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Die Endringe 5 sind durch Druckguss ausgebildet, so dass sie entsprechend mit beiden Enden der Leiterstange 6 verbunden werden.
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(2. Herstellverfahren)
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Das Herstellverfahrens des Induktionsmotors dieser Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 11 erklärt. In dieser Ausführungsform wird der Induktionsmotor durch das folgende Verfahren hergestellt.
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(2-1. Leiterstangenverbindungsverfahren)
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Beim Leiterstangenverbindungsverfahren der zweiten Ausführungsform wird die Leiterstange 6 mit den zweiten Metallabschnitten 18, die mit beiden Enden des ersten Metallabschnitts 17 verbunden sind, der durch das gleiche Verfahren hergestellt ist wie dasjenige der ersten Ausführungsform, eingesetzt. Bezüglich der Leiterstange 6 dieser Ausführungsform hat der mittlere erste Metallabschnitt 17 eine Länge von 115 mm und die zweiten Metallabschnitte 18 der beiden Enden haben jeweils 20 mm.
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Gemäß dieser Ausführungsform hat das Metall, das den zweiten Metallabschnitt 18 ausbildet, eine niedrigere Liquiduslinien-Temperatur als diejenige des Metalls, das den Endring 5 ausbildet, und in dieser Ausführungsform wird ein A5000-Baureihen-Aluminium eingesetzt. Ein 5000-Baureihen-Aluminium hat einen niedrigeren Schmelzpunktbereich als reines Aluminium, das als ein Metall eingesetzt wurde, das den Endring 5 in dieser Ausführungsform ausbildet. Das bedeutet, unter dem A5000-Baureihen-Aluminium, hat A5005 einen Schmelzpunktbereich von 630 bis 650°C, welcher geringer ist als der Schmelzpunkt des reinen Aluminiums, der 660,6°C beträgt.
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(2-2. Leiterstangenverbindungsverfahren)
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Beim Verbindungsverfahren der Leiterstange 6 gemäß dieser Ausführungsform wird der Endring 5, der die Leiterstangen 6 elektrisch kurzschließen lässt, durch Druckgießen ausgebildet, wodurch ein Leiterkäfig 2a zusammengesetzt wird. 11 ist eine Querschnittansicht, die den Rotorkern 4 und die Leiterstange 6 im Leiterstangenverbindungsverfahren zeigt.
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Im Leiterstangenverbindungsverfahren wird, wie in 11 gezeigt, die Leiterstange in den Schlitz 14a des Rotorkerns 4 eingeführt, und der zweite Metallabschnitt 18 wird zum Äußeren des Rotorkerns 4 vorstehen gelassen. Die Länge des Rotorkerns 4 beträgt in der Axialrichtung 120 mm, und, wie in 11 gezeigt, wird ein Teil des zweiten Metallabschnitts 18 der Leiterstange 6 im Schlitz 14a des Rotorkerns 4 zurückgehalten.
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Als nächstes wird der Rotorkern 4 mit den darin eingeführten Leiterstangen 6 in eine fixierte Form in einer nicht gezeigten Druckgussausbildungsform fixiert. Die fixierte Form hat Fehlstellen an beiden Enden des Rotorkerns 4.
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Die bewegbare Form wird bewegt, um die Formen zu klemmen, und ein geschmolzenes Metall, das den Endring 5 bilden soll und durch einen Stößel mit Druck beaufschlagt wird, wird in die Hohlräume eingebracht, wodurch die Endringe 5 ausgebildet werden. Zu dieser Zeit berührt das geschmolzene Metall, das den Endring 5 ausbilden soll, den zweiten Metallabschnitt 18, und somit wird die Metallfläche des zweiten Metallabschnitts 18 geschmolzen. Somit werden der Endring 5, der zweite Metallabschnitt 18 und ferner die Leiterstange 6 miteinander integriert.
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Nachfolgend wird, nachdem das die Endringe 5 auszubildende Metall erhärtet ist, das ausgeformte Stück aus den Formen herausgenommen. Hiernach wird die Drehwelle in die Mittenausnehmung des Rotorkerns 4 eingeführt, und somit wird der Rotor fertiggestellt.
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Gemäß dem käfigartigen Rotor, der auf diese Weise hergestellt wurde, ist der zweite Metallabschnitt 18, der aus einem Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt ausgebildet ist als demjenigen des Metalls, das den Endring 5 ausbildet, am verbundenen Abschnitt der Leiterstange 6 mit dem Endring 5 vorgesehen. Demnach ist die Fläche des Metallblocks, der der zweite Metallabschnitt 18 sein soll, sicher durch Wärme vom geschmolzenen Metall, das der Endring 5 sein soll, geschmolzen und in den Hohlraum eingebracht. Deshalb können, wenn die Endringe 5 integral durch Druckgießen ausgebildet sind, die Endringe 5 und die Leiterstange 6 sicher aneinander integriert werden.
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Zusätzlich ist gemäß dem käfigartigen Rotor die Länge des ersten Metallabschnitts 17 in der Axialrichtung des Rotors auf 110 mm festgelegt, während die Länge des Schlitzes 14a in der Axialrichtung des Rotors auf 120 mm festgelegt ist. Somit wird die Länge des ersten Metallabschnitts 17 in der Axialrichtung des Rotors kürzer gemacht als die Länge des Schlitzes 14a des Rotorkerns 4 in der Axialrichtung des Rotors. Demnach tritt der verbundene Abschnitt zwischen dem Endring 5 und dem zweiten Metallabschnitt 18 in das Innere des Rotorkerns 4 ein. Somit können Schubspannungen, die am verbundenen Abschnitt zwischen dem Endring 5 und dem zweiten Metallabschnitt 18 aufgebracht werden, wenn sich der käfigartige Rotor dreht, reduziert werden, was ein Brechen des verbundenen Abschnitts verringert.
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(3. Vorteilhafte Wirkungen)
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Gemäß dem Induktionsmotor dieser Ausführungsform, der auf diese Weise hergestellt ist, kann wie die erste Ausführungsform die Mitte der Leiterstange 6 ein Metall mit einem niedrigen elektrischen Widerstand sein, während der Endring 5 Aluminium oder eine Aluminiumlegierung sein kann. Zusätzlich werden der Endring 5 und die Leiterstange 6 durch Reibrührschweißen der ähnlichen Art von Metallen verbunden, was zu einer Verbindung mit einer hohen Zuverlässigkeit führt.
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Beim Herstellen des Induktionsmotors unter Verwendung von Kupfer mit einem niedrigeren elektrischen Widerstand als demjenigen von Aluminium für das Material der Leiterstange existieren die folgenden Möglichkeiten.
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Wenn die kupferhergestellte Leiterstange und die Endringe einem Reibrührschweißen ausgesetzt werden, wird die Temperatur des verbundenen Kupferabschnitts beim Reibrührschweißen im Wesentlichen 700°C, was deutlich höher ist als der Schmelzpunkt von Aluminium, der 660,4°C beträgt. Demnach wird es zwangsweise notwendig, die Endringe unter Verwendung von Kupfer auszubilden, und wenn im Vergleich mit einem Fall, bei dem sowohl die Leiterstange als auch die Endringe aus Aluminium ausgebildet sind, steigen die Kosten deutlich an. Zusätzlich beträgt die Scan-Geschwindigkeit eines Verbindungswerkzeugs 1000 mm/min in dem Fall von Aluminium mit einer Dicke von 5 mm, wird jedoch 200 mm/min in dem Fall einer anoxischen Kupferplatte mit einer Dicke von 5 mm. Demnach nimmt die Produktivität ab.
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Im Gegensatz hierzu, wenn die Leiterstange aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist, wird ein Ende der Leiterstange in Aluminium oder ähnlichem in einem halb-ausgehärteten Zustand eingeführt, und ein solches Aluminium wird gekühlt, um die Endringe zu integrieren, wobei die Temperatur des Aluminiums zur Zeit der Halb-Aushärtung geringer ist als der Schmelzpunkt von Kupfer. Demnach ist das Verbinden der Aluminium-hergestellten Endringe mit der Kupferhergestellten Leiterstange instabil.
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Die vorliegende Offenbarung stellt einen Induktionsmotor bereit, der einen Leiterkäfig aufweist. Der Leiterkäfig umfasst eine Vielzahl von Leiterstangen, die in einem Rotorkern in einer Umfangsrichtung eingebettet und angeordnet sind, und Endringe, die mit der Vielzahl der Leiterstangen verbunden sind, um die entsprechenden beiden Enden hiervon elektrisch leitend zu machen, wobei: Jede Leiterstange einen ersten stangenförmigen Metallabschnitt aufweist, und zwei zweite Metallabschnitte, die mit beiden Enden des ersten Metallabschnitts verbunden sind, und der zweite Metallabschnitt in einer Blockgestalt ausgebildet ist.
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Die vorliegende Offenbarung stellt ebenso ein Herstellungsverfahren eines Induktionsmotors bereit, wobei das Verfahren aufweist: Entgraten und Anordnen einer Vielzahl von Leiterstangen in einem Rotorkern in einer Umfangsrichtung, wobei jede Leiterstange einen ersten stangenförmigen Metallabschnitt und einen zweiten Metallabschnitt aufweist, der mit einem Ende des ersten Metallabschnitts verbunden ist und in einer Blockgestalt ausgebildet ist, und Zusammenfügen eines Leiterkäfigs durch Verbinden von Endringen mit der Vielzahl der Leiterstangen, um die entsprechenden beiden Enden hiervon elektrisch leitend zu machen.
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[Weitere Ausführungsformen]
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Während bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurden, wurden diese Ausführungsformen lediglich beispielhaft dargestellt, und sollen den Bereich der Offenbarung nicht beschränken. In der Tat können die neuen Verfahren und Vorrichtungen, die hier beschrieben sind, in einer Vielzahl von anderen Ausgestaltungen ausgeführt sein; darüber hinaus können verschiedene Weglassungen, Ersetzungen und Veränderungen in der Gestalt der Ausführungsformen, die hier beschrieben wurden, durchgeführt werden, ohne vom Gedanken der Offenbarung abzuweichen. Die begleitenden Ansprüche und ihre Äquivalenten sollen solche Formen oder Modifikationen abdecken, die in den Bereich und den Gedanken der Offenbarung fallen würden.
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Zum Beispiel ist in der ersten Ausführungsform die Länge des ersten Metallabschnitts 17 der Leiterstange 6 im Wesentlichen gleich oder länger als die Länge des Schlitzes des Rotorkerns 4. Zusätzlich ist in der zweiten Ausführungsform die Länge des ersten Metallabschnitts 17 der Leiterstange 6 kürzer hergestellt als die Länge des Schlitzes des Rotorkerns 4. Zusätzlich zu solchen Strukturen kann die Länge des ersten Metallabschnitts 17 der Leiterstange 6 länger hergestellt sein als die Länge des Schlitzes des Rotorkerns 4. Dies gestattet es dem verbundenen Abschnitt zwischen dem ersten Metallabschnitt 17 und dem zweiten Metallabschnitt 18, dass er im Endring 5 angeordnet ist. Demnach können Schubspannungen reduziert werden, die am verbundenen Abschnitt zwischen dem ersten Metallabschnitt 17 und dem zweiten Metallabschnitt 18 aufgebracht werden, wenn sich der Leiterkäfig 2a dreht, wodurch ein Brechen des verbundenen Abschnitts verhindert wird.
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Bestimmte Beispiele wurden unter Bezugnahme auf die erste und zweite Ausführungsform erklärt, jedoch sind die Dimensionen jeder Komponente und der Zustand nicht auf die numerischen Werte beschränkt, die in dieser Beschreibung offenbart sind. Zusätzlich können die gleichen Vorteile erhalten werden, selbst wenn das Material des Endrings 5 und dasjenige der Leiterstange 6 verändert werden, ohne von der Offenbarung abzuweichen, wie in der zuvor beschriebenen detaillierten Beschreibung wiedergegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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