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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Käfigläuferrotors für eine elektrische Maschine sowie den Käfigläuferrotor.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische Asynchronmaschinen (Motoren und Generatoren) weisen einen Stator mit elektrischen Wicklungen auf, in dem ein Käfigläufer bzw. Kurzschlussläufer drehbar gelagert ist. Der Käfigläufer umfasst in der Regel einen elektrisch leitfähigen Käfig (vergleichbar mit einem Hamsterrad), der in einem Lamellenpaket zum Einschluss von Magnetfeldern aufgenommen ist. Vom Stator erzeugte elektromagnetische Felder induzieren im Käfig elektrische Ströme, die wiederum auf die elektromagnetischen Felder rückwirken und dann beispielsweise im Motorbetrieb den Rotor in Drehung versetzen.
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In der Regel werden Käfigläuferrotoren durch Druckvergießen eines elektrisch leitfähigen Werkstoffes in Lamellenpaketen hergestellt. Die Ausbildung der charakteristischen Käfiggeometrie (Kurzschlussringe, die durch Stäbe im Lamellenpaket verbunden sind) erfolgt somit nach dem Gießvorgang durch Erstarren des Gießmediums. Hierbei können Aluminium oder Kupferwerkstoffe als Gießmedium zum Einsatz kommen. Beim Gießen können Lufteinschlüsse auftreten, die einen Leistungsabfall der elektrischen Maschine bewirken können.
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Des Weiteren wird insbesondere beim Kupferdruckguss ein enormer Energieaufwand in Kauf genommen, dem neben einem komplexen Temperaturmanagement im Gießprozess auch ein erhöhter Werkzeugverschleiß gegenübersteht.
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Weiter ist bekannt, Käfigläuferrotoren aus den vorgefertigten Komponenten Stäbe, Kurzschlussringe zusammenzubauen. Diese Variante wird vermehrt bei geringeren Stückzahlvolumina eingesetzt. In der Regel werden hierzu Käfigläuferrotoren mittels eines Hartlötprozesses hergestellt, um die Verbindung der Kurzschlussringe mit den Kurzschlussstäben zu realisieren. Des Weiteren gibt ein Lötverfahren oder Schweißverfahren erreichbare Anbindungsflächen und auch deren Lage vor, wodurch ein erheblicher Einfluss auf die Bauteilfunktion genommen wird. In der Regel ist es nicht möglich, die gesamte mögliche Anbindungsfläche mittels Lötens oder Schweißens zu verbinden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Mit der Erfindung kann ein mechanisch stabiler Käfigläuferrotor mit hoher Leistungsdichte bereitgestellt werden. Weiter kann mit der Erfindung im Vergleich zu Kupferdruckguss ein Käfigläuferrotor mit relativ geringem Energieaufwand hergestellt werden. Auch ist es im Vergleich mit Hartlötverfahren möglich, den Käfigläuferrotor in großen Stückzahlen herzustellen.
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Diese Vorteile können mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht werden. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Käfigläuferrotors für eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine kann beispielsweise ein elektrischer Motor oder ein Generator sein. Die elektrische Maschine kann der Antrieb eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Hybridfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, sein, insbesondere eines Pkws, Lkws oder Busses.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren: Bereitstellen eines Lamellenpakets mit axialen Nuten zur Aufnahme von Kurzschlussstäben bzw. Kurzschlussleitern; Einstecken von Kurzschlussstäben in die axialen Nuten; Bereitstellen eines Kurzschlussrings; und Verschweißen der Kurzschlussstäbe mit dem Kurzschlussring. Mit anderen Worten wird der Käfig des Käfigläuferrotors nicht gegossen, sondern aus vorgefertigten Komponenten mittels eines Fügeverfahrens zusammengebaut.
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Insbesondere werden die Kurzschlussstäbe und die Kurzschlussringe folgendermaßen verbunden: Verbinden der Stirnflächen der Kurzschlussstäbe und des Kurzschlussrings durch Reibschweißen, indem der Kurzschlussring relativ zum Lamellenpaket um eine gemeinsame Symmetrieachse des Kurzschlussrings und des Lamellenpakets rotiert wird und auf die Stirnflächen gepresst wird. Der Kurzschlussring wird um seine Achse relativ zum Lamellenpaket in Rotation versetzt und auf die Kurzschlussstäbe, die aus dem Lamellenpaket hervorragen können, gepresst. Durch die erzeugte Reibungswärme werden die sich berührenden Flächen des Kurzschlussrings und der Kurzschlussstäbe plastiniert (d.h. viskos gemacht). Nach dem Stoppen der relativen Rotation wird der Kurzschlussring weiter auf die Stäbe gepresst, bis sich das plastinierte Material wieder verfestigt hat.
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Insgesamt werden sowohl rotationssymmetrische Teile (wie etwa der Kurzschlussring) als auch nicht rotationssymmetrische Fügepartner (wie die Kurzschlussstäbe) mittels Rotationsreibschweißen verbunden, indem zwischen statisch gelagerten Bauteilen (beispielsweise das Lamellenpaket mit den Kurzschlussstäben) und einem in Rotation versetzten Bauteil (beispielsweise dem Kurzschlussring) durch die entstehende Relativbewegung an den Kontaktflächen unter Einwirkung einer axialen Kraft eine Verbindung in fester Phase erzeugt wird.
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Gegenüber einem gegossenen Käfigläuferrotor entstehen keine Lufteinschlüsse in den Kurschlussleitern und ein dadurch hervorgerufener Leistungsabfall der elektrischen Maschine tritt nicht auf. Die Herstellung des Käfigläuferrotors durch Rotationsreibschweißen führt außerdem dazu, dass die gesamten Stirnflächen der Kurzschlussstäbe bzw. der gesamte Stabquerschnitt mit den Kurzschlussringen verbunden werden. Die Drehzahlfestigkeit des Käfigläuferrotors wird aufgrund dieser Verbindungseigenschaften erhöht.
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Durch das Reibschweißen wird der vollständige Stabquerschnitt flächig mit dem Kurzschlussring verbunden, so dass kritische Einschweißtiefen wie zum Beispiel beim Laserschweißen nicht aufwendig realisiert werden müssen. Ein Luftspalt zwischen den Verbindungen wird vermieden und die elektrische Leitfähigkeit an der Fügestelle wird nicht beeinträchtigt.
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Mithilfe des Rotationsreibschweißens können auch unerwünschte Effekte, wie etwa ein Wärmeverzug, die bei Verwendung eines Schweißprozesses mit schmelzflüssiger Phase auftreten, umgangen werden.
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Weiter können die Prozesszeiten aufgrund der Verbindung aller Schweißstellen in einem Prozessschritt je Rotorseite enorm verkürzt und die Ausbringung signifikant erhöht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ragen die Kurzschlussstäbe vor dem Reibschweißen über eine Stirnfläche des Lamellenpakets hinaus. Insbesondere können die Kurzschlussstäbe verschieden weit aus dem Lamellenpaket herausragen. Etwaige Unterschiede im Überstand können durch das Reibschweißen ausgeglichen werden. Im Allgemeinen ist eine aufwendige Schweißnahtvorbereitung ebenso wie der Einsatz eines Schweißzusatzes nicht erforderlich.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter: Anordnen eines Nutenrings bzw. einer Matrize auf einer Stirnfläche des Lamellenpakets, wobei der Nutenring zu den Nuten im Lamellenpaket korrespondierende Nuten aufweist; und Einstecken der Kurzschlussstäbe in die Nuten des Lamellenpakets und des Nutenrings. Der Nutenring, der den gleichen Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser wie der Kurzschlussring aufweisen kann, weist genauso wie das Lamellenpaket axiale Nuten auf, die ihn in Umfangsrichtung umgeben. Der Nutenring kann den gleichen Querschnitt und/oder eine größere Dicke wie eine Lamelle aus dem Lamellenpaket aufweisen.
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Der Nutenring kann zum Abstützen der Stäbe in Rotationsrichtung und/oder zum Bereitstellen einer weiteren Fügefläche dienen. Auch kann ein direkter Zugang zur Fügestelle nach dem Fügen verhindert werden, wodurch die Fügestelle weder sichtbar noch zugänglich für korrosive Medien ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ragen die Kurzschlussstäbe vor dem Reibschweißen über den Nutenring hinaus. Auch mit einem Nutenring können eventuelle Toleranzen durch Reibschweißen gegenüber der Oberfläche des Nutenrings ausgeglichen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter: Einebnen der Kurzschlussstäbe beim Reibschweißen bis zu einer Oberfläche des Nutenrings, wobei der Nutenring mit dem Kurzschlussring verbunden wird. Insgesamt kann eine größere Fügestelle dadurch erreicht werden, dass auch die Oberfläche des Nutenrings mit dem Kurzschlussring verbunden wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter: Fixieren des Nutenrings gegenüber dem Kurzschlussring, wobei der Nutenring eine Außenkontur aufweist, die durch Formschluss mit einer Spannvorrichtung fixierbar ist. Der Nutenring kann auch dazu verwendet werden, das Lamellenpaket und die darin eingesteckten Stäbe gegenüber dem rotierenden Kurzschlussring zu fixieren. Der Nutenring kann eine asymmetrische Außenkontur (beispielsweise mit einer Ecke) aufweisen, mit der ein Formschluss möglich ist. Beispielsweise weist der Nutenring eine (sechs)eckige Außenkontur oder eine ovale Außenkontur auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden an beiden Enden des Lamellenpakets Kurzschlussringe bereitgestellt, die gleichzeitig mit dem Lamellenpaket durch Reibschweißen verbunden werden. Es ist auch möglich, an beiden Seiten bzw. Enden des Kurzschlussläufers gleichzeitig mittels Reibschweißens jeweils einen Kurzschlussring anzubringen. Auch können an beiden Seiten Nutenringe verwendet werden.
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Die Kurzschlussstäbe, der Kurzschlussring und/oder der Nutenring können aus verschiedenen Materialen gefertigt sein. Mit dem Reibschweißen sind auch Mischverbindungen wie zum Beispiel aus Kupfer (Kurzschlussstäbe) und Aluminium (Kurzschlussring) realisierbar. Probleme, die beim Schmelzschweißen durch den Phasenübergang verursacht werden, wie etwa eine Heißrissproblematik und Porenbildung, treten beim Rotationsreibschweißen infolge der Absenz einer flüssigen oder dampfförmigen Phase in der Regel nicht auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kurzschlussstäbe und der Kurzschlussring aus Kupfer gefertigt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kurzschlussstäbe aus Kupfer gefertigt und ist der Kurzschlussring aus Aluminium gefertigt. In beiden Fällen kann der Nutenring aus Kupfer oder Aluminium gefertigt sein.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Käfigläuferrotor für eine elektrische Maschine, der insbesondere mit dem obenstehend und untenstehend beschriebenen Verfahren hergestellt sein kann. Es ist zu verstehen, dass Merkmale des Verfahrens, so wie obenstehend und untenstehend beschrieben, auch Merkmale des Käfigläuferrotors sein können und umgekehrt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Käfigläuferrotor ein Lamellenpaket mit axialen Nuten, Kurzschlussstäbe in den Nuten des Lamellenpakets und einen Kurzschlussring, der mit den Kurzschlussstäben verbunden ist. Die Kurzschlussstäbe sind dabei stirnseitig mit dem Kurzschlussring mittels Reibschweißens verbunden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Käfigläuferrotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt schematisch ein Fügeverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Fügeverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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4A zeigt einen Querschnitt durch einen Käfigläuferrotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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4B zeigt einen Querschnitt durch einen Käfigläuferrotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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5 zeigt einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines Käfigläuferrotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 und 2 zeigen einen Käfigläuferrotor 10 in Explosionsdarstellung, der aus einem Lamellenpaket 12, Kurzschlussstäben 14, zwei Kurzschlussringen 16 und zwei Nutenringen 18 zusammengefügt ist.
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Das Lamellenpaket 12 ist aus einer Mehrzahl von gleichartigen Blechlamellen 20 aufgebaut, die alle den gleichen Querschnitt aufweisen. Jede Lamelle 20 weist eine kreisförmige Außenkontur, eine kreisförmige Innenkontur und radiale Nuten auf, die in Umfangsrichtung um die Lamelle 20 herum angeordnet sind. Aus den Nuten der Lamellen sind die Nuten 22 des Lamellenpakets zusammengefügt.
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In den Nuten 22 sind die Kurzschlussstäbe 14 angeordnet, auf denen an den beiden Enden des Lamellenpakets 12 jeweils ein Nutenring 18 aufgesteckt ist. Vor dem Reibschweißen, wie weiter unten beschrieben, können die Kurzschlussstäbe 14 aus den Nutenringen 18 herausstehen.
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Die Nutenringe 18 können den gleichen Querschnitt wie die Lamellen 20 aufweisen, sind in der Regel aber dicker als eine Lamelle 20. Jeder Nutenring 18 kann damit eine kreisförmige Außenkontur, eine kreisförmige Innenkontur und radiale Nuten 22 aufweisen, die in Umfangsrichtung um den Nutenring 18 herum angeordnet sind.
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Auf den Nutenringen 18 wird durch Reibschweißen jeweils ein Kurzschlussring 16 befestigt. Auch jeder Kurzschlussring 16 kann eine kreisförmige Außenkontur und eine kreisförmige Innenkontur aufweisen. Die Kurzschlussringe 16 können dicker als die Nutenringe 18 sein.
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2 zeigt ein Ende des Käfigläuferrotors 10 und illustriert, wie der Kurzschlussring 16 relativ zum Lamellenpaket und dem Nutenring 18 in Rotation versetzt wird und gegen die Kurzschlussstäbe 14 gepresst wird.
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3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Fügeverfahren zum Herstellen des Käfigläuferrotors 10 mittels Reibschweißens.
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Im Schritt S10 werden das Lamellenpaket 12, die Kurzschlussstäbe 14, ein Nutenring 18 und ein Kurzschlussring 16 bereitgestellt. Die Kurzschlussstäbe 14 werden in die Nuten 22 des Lamellenpakets 12 gesteckt. Die Nuten 22 im Lamellenpaket 12 entsprechen dem Stabquerschnitt der Kurzschlussstäbe 14 und geben die Position der Stäbe 14 vor, so dass diese kreisförmig um die Rotationsachse des rotationssymmetrischen Lamellenpakets 12 liegen. Die Enden der Kurzschlussstäbe 14 ragen hierbei über die Stirnfläche des Lamellenpaketes hinaus.
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Anschließend wird ein zusätzliches Bauteil in Form des ebenfalls mit Nuten 22 versehenen Nutenrings 18 auf das Lamellenpaket 12 aufgelegt. Die Kurzschlussstäbe 14 werden dabei durch die Nuten 22 des Nutenrings 18 gesteckt. Die Enden der Kurzschlussstäbe 14 ragen auch hier geringfügig über die Stirnfläche des Nutenrings 18 hinaus.
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Im Schritt S12 wird der Nutenring 18 fixiert. Wie in den 4A und 4B gezeigt ist, kann aufgrund der geringen Mantelfläche des Nutenrings 18 aus spanntechnischem Hintergrund die Außenkontur des Nutenrings 18 mit einer Sechskantgeometrie (4A) oder einer ovalen Kontur (4B) versehen werden, um einen zusätzlichen Formschluss zur Kraft- und Momentaufnahme durch eine Spannvorrichtung 24 zu realisieren. Das Lamellenpaket 12 mit dem Nutenring 18 bildet den statischen Fügepartnerteil.
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Der Kurzschlussring 16 wird am Ende auf dem Nutenring 18 angeordnet. Dem statischen Fügepartnerteil gegenüber wird der rotationsymmetrische Kurzschlussring 16 so positioniert, dass die Rotationsachsen beider Fügepartner koinzident liegen und sich die Stirnflächen planparallel gegenüberstehen.
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Im Schritt S12 wird der Kurzschlussring 16 einer definierten Drehzahl in Rotation versetzt. Es ist zu verstehen, dass auch der Nutenring 18 zusammen mit dem Lamellenpaket 12 in Rotation versetzt werden kann. Lediglich eine relative Rotationsbewegung ist notwendig.
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Durch eine Vorschubbewegung des rotierenden Kurzschlussrings 16 wird ein Kontakt zunächst an den Fügeflächen zwischen Kurzschlussring 16 und den Stirnflächen der Kurzschlussstäbe 14 hergestellt. Unter Einwirkung einer Axialkraft und der Relativbewegung an den Kontaktflächen entsteht durch Reibung Wärme. Die überstehenden Enden der Kurzschlussstäbe 14 werden erwärmt, plastifiziert und eingeebnet, bis ein vollflächiger Kontakt zwischen Kurzschlussring 16, Enden bzw. Stirnflächen der Kurzschlussstäbe 14 und dem Nutenring 18 erreicht wird.
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Im Schritt S14 wird der Kurzschlussring 16 angehalten und noch solange gegen den Nutenring 18 gepresst, bis eine Verbindung zwischen dem Kurzschlussring 16, dem Nutenring 18 und den Kurzschlussstäben 14 hergestellt ist.
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Nach ausreichendem Wärmeeintrag durch Reibung in der Kontaktebene (Außenfläche des Nutenrings 18 inklusive Stirnflächen der Kurzschlussstäbe 14 und Innenfläche des Kurschlussrings 16) unter entsprechender Längenverkürzung durch Materialverdrängung aus der Verbindungszone wird der rotierende Kurzschlussring 16 schlagartig abgebremst und mit einer erhöhten definierten Axialkraft nachgestaucht, um die Verbindung herzustellen.
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Wie auch aus der 1 hervorgeht, können die beiden Kurzschlussringe 16 zusammen mit den Nutenringen 18 gleichzeitig mit den Kurzschlussstäben 14 gemäß den Schritten S12 bis S14 mittels Reibschweißens verbunden werden.
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Die 5 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ende des Käfigläuferrotors 10 in gefügtem Zustand. Die Kurzschlussstäbe 14, der Nutenring 18 und der Kurzschlussring 16 können aus einem leitfähigen Material, wie etwa Kupfer, gefertigt sein. Alternativ können die Komponenten 14, 16 und 18 aus Aluminium gefertigt sein.
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Mittels Reibschweißens ist es möglich, verschiedene Materialen miteinander zu verbinden, beispielsweise können der Kurzschlussring 16 und die Kurzschlussstäbe 14 jeweils aus Kupfer und Aluminium gefertigt sein. Der Nutenring 18 kann in beiden Fällen jeweils aus Aluminium oder Kupfer gefertigt sein.
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Beispielsweise können die Kurzschlussstäbe 14 aus Kupfer, der Nutenring 18 aus Kupfer und der Kurzschlussring 16 aus Aluminium gefertigt sein.
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Auch ist es möglich, dass die Kurzschlussstäbe 14 aus Kupfer, der Nutenring 18 aus Aluminium und der Kurzschlussring 16 aus Aluminium gefertigt sind.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
