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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren für einen Käfigläuferrotor. Die Erfindung betrifft auch einen mit dem Verfahren hergestellten Käfigläuferrotor.
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Hintergrund der Erfindung
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Für den Aufbau von gesteckten Käfigläuferrotoren für Asynchronmaschinen können elektrische Leiter in Form von Stäben durch ein Lamellenpaket gesteckt werden und anschließend mit zwei Kurzschlussringen verbunden werden. Eine herkömmliche Verbindungstechnik hierfür ist beispielsweise Hartlöten. Einer der Hauptkostentreiber für solche Rotoren kann das für die Verbindungstechnik notwendige Profilieren der Kurzschlussringe sein.
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Auch ist es möglich, dass die Kurzschlussringe in Druckgusstechnik hergestellt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, dass ein stabiler Käfigläuferrotor mit hoher Leistungsdichte bereitgestellt wird. Weiter kann mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu Druckguss 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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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren eines Käfigläuferrotors für eine elektrische Maschine, beispielsweise eines Motors oder eines Generators. Solche Käfigläuferrotoren werden in der Regel für Asynchronmaschinen verwendet. Der Käfigläuferrotor kann in einem elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs, wie etwa eines Pkws, Lkws oder Busses, eingesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren: Bereitstellen eines Lamellenpakets mit axialen Öffnungen (wie etwa Löcher oder Nuten) zur Aufnahme von Kurzschlussstäben; Einstecken von Kurzschlussstäben in die axialen Öffnungen; Aufstecken eines Profilrings auf die aus dem Lamellenpaket herausragenden Kurzschlussstäbe; Herstellen einer formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Kurzschlussstäben und dem Profilring; und anschließendes Verbinden der Kurzschlussstäbe mit einem Verbindungsring, indem der Verbindungsring relativ zu dem Profilring um eine Achse des Käfigläuferrotors rotiert wird und in Richtung des Profilrings gepresst wird.
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Wenigstens ein Kurzschlussring des Rotors umfasst somit zwei Ringe (d.h. Profilring und Verbindungsring), die miteinander verbunden wurden. Der Profilring kann dünner als der Verbindungsring sein. Beispielsweise kann auf diese Weise ein Stanzen der Öffnungen in den Profilring erleichtert werden. Der Profilring kann das gleiche Querschnittsprofil und/oder eine größere Dicke wie eine Lamelle aus dem Lamellenpaket aufweisen. Der Profilring kann eine Dicke kleiner als 6 mm aufweisen. Der axial weiter außen liegende Verbindungsring muss nicht profiliert werden.
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Der Verbindungsring wird mittels Rotationsreibschweißen mit dem Profilring und schließlich mit den Kurzschlussstäben verbunden. Während und am Schluss des Rotationsreibschweißens wird verfahrensbedingt Druck auf die Kurzschlussstäbe ausgeübt, was möglicherweise zu deren Knicken nach dem sogenannten „Euler-Knickfall“ führen könnte, wenn die entsprechenden Kräfte nicht gleichmäßig verteilt werden. Durch das Verbinden der Kurzschlussstäbe mit dem Profilring vor dem Rotationsreibschweißen werden die Kräfte zumindest teilweise auch in den Profilring eingeleitet, der sich über den gesamten Umfang auf dem Lamellenpaket abstützen kann.
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Dies kann ein Knicken von Kurzschlussstäben während der Fertigung vermindern. Weiter kann die Festigkeit zwischen den Kurzschlussstäben, dem Profilring und dem Verbindungsring erhöht werden. Druckkräfte während der Fertigung auf radial verdrängtes Material, das beim Rotationsreibschweißen entsteht, sowie eine Verformung des Kurzschlussrings können vermindert werden. Auch kann das Rotationsreibschweißen beschleunigt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Kurzschlussstäbe derart mit dem Profilring verbunden, dass eine auf die Kurzschlussstäbe wirkende axiale Kraft (die beim Rotationsreibschweißen auf den Profilring ausgeübt wird) über den Profilring auf das Lamellenpaket übertragen wird. Diese Kraft kann damit (zumindest teilweise) nicht auf den Abschnitt der Stäbe wirken, der innerhalb des Lamellenpakets liegt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Kurzschlussstäbe an einer radialen Seite und/oder an einer axialen Seite mit dem Profilring verbunden. Eine Verbindungsstelle eines Kurzschlussstabes mit dem Profilring kann die innere und/oder die äußere radiale Seite eines Stabs sein oder eine in Umfangsrichtung weisende axiale Seite. Die Stäbe können über die ganze Seite aber auch nur punktweise mit dem Profilring verbunden sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Kurzschlussstäbe zum Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Profilring verschweißt. Beispielsweise können die Kurzschlussstäbe mit dem Profilring mittels Rührreibschweißen, Laserschweißen und/oder Schutzgasschweißen verbunden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Kurzschlussstäbe mit dem Profilring mittels einer zumindest teilweise ringförmigen Schweißnaht um die Achse des Käfigläuferrotors verbunden. Insbesondere beim Rührreibschweißen oder Laserschweißen kann diese Naht über eine Stirnfläche der Stäbe (d.h. der in axiale Richtung weisenden Fläche) verlaufen. Die Schweißnaht kann an einer äußeren und/oder inneren Seite der Kurzschlussstäbe verlaufen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Kurzschlussstäbe zum Herstellen einer formschlüssigen Verbindung nach dem Aufstecken des Profilrings verformt. Beispielsweise können die Kurzschlussstäbe an ihrer Stirnseite angekörnt oder geschlitzt und aufgeweitet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Kurzschlussstäbe durch Aufwenden einer axialen Kraft zumindest an dem im Profilring steckenden Abschnitt geweitet, so dass eine formschlüssige Verbindung mit dem Profilring entsteht. Dieser Abschnitt und/oder auch ein aus dem Profilring herausstehendes Ende kann so geweitet werden, dass sich der betreffende Stab im Profilring verklemmt und eine formschlüssige Verbindung entsteht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung stehen die Kurzschlussstäbe nach dem Verbinden mit dem Profilring über den Profilring hinaus. Auf diese Weise können Toleranzen ausgeglichen werden, die beim Rotationsreibschweißen dann abgetragen werden. Das Rotationsreibschweißen muss dann allerdings solange erfolgen, bis die herausstehenden Enden der Stäbe abgetragen sind. Je nach Maximaltoleranz kann auch ein Teil der profilierten Scheibe abgetragen bzw. radial verdrängt werden.
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In der Regel werden an beiden Enden des Lamellenpakets Kurzschlussringe (aus einem Profilring und einem Verbindungsring) bereitgestellt, die gleichzeitig mit dem Lamellenpaket durch Reibschweißen verbunden werden können.
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Die Kurzschlussstäbe, der Profilring und/oder der Verbindungsring können aus verschiedenen Materialen, wie etwa Kupfer oder Aluminium, gefertigt sein. Mit Rotationsreibschweißen und/oder Rührreibschweißen sind auch Mischverbindungen, wie zum Beispiel aus Kupfer und Aluminium, realisierbar.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Käfigläuferrotor für eine elektrische Maschine, der mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt worden ist. Es ist zu verstehen, dass Merkmale des Verfahrens auch Merkmale des Käfigläuferrotors sein können und umgekehrt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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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 Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Käfigläuferrotors vor dem Rotationsreibschweißen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Axialansicht eines Käfigläuferrotors vor dem Rotationsreibschweißen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt einen schematischen Teillängsschnitt durch einen Käfigläuferrotor der Erfindung.
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4 zeigt eine schematische Axialansicht eines Käfigläuferrotors vor dem Rotationsreibschweißen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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5 zeigt eine schematische Axialansicht eines Käfigläuferrotors vor dem Rotationsreibschweißen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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6 zeigt eine schematische Axialansicht eines Käfigläuferrotors während des Rotationsreibschweißens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Käfigläuferrotor 10, der aus einem Lamellenpaket 12, Kurzschlussstäben 14 und zwei Profilringen 16 zusammengefügt ist. Wie aus der 6 hervorgeht, umfasst der Käfigläuferrotor 10 weiter zwei Verbindungsringe 18, die nach einem Verbinden der Profilringe 16 mit den Kurzschlussstäben 14 durch Rotationsreibschweißen mit dem Käfigläuferrotor 10 verbunden werden. Der Profilring 16 kann aus einer durch ein Stanz- oder Räumverfahren profilierbaren Scheibe hergestellt sein. Der Verbindungsring 18 kann dicker als der Profilring 16 sein.
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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. Auf diese Weise sind in dem Lamellenpaket 12 Öffnungen 22 gebildet, in die Kurzschlussstäbe 14 gesteckt sind.
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Wie aus der 1 hervorgeht, werden in einem ersten Schritt des Fertigungsverfahrens des Käfigläuferrotors 10 die Kurzschlussstäbe 14 in das Lamellenpaket gesteckt.
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Auf die Enden der Kurzschlussstäbe 14, die aus dem Lamellenpaket 12 herausstehen, werden anschließend an beiden Seiten des Rotors 10 jeweils ein Profilring 16 aufgesteckt. Die Kurzschlussstäbe 14 stehen dabei aus den Profilringen 16 heraus.
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Wie auch aus der 2 hervorgeht, weist jeder Profilring 16 Öffnungen 24 auf, die in Umfangsrichtung um den Profilring 16 herum angeordnet sind.
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In einem weiteren Schritt werden die Kurzschlussstäbe 14 mit dem Profilring 16 von der Stirnseite mittels eines Schweißverfahrens verbunden. Beispielsweise können mittels Rührreibschweißen, Laserschweißen und/oder Schutzgasschweißen ringförmige Schweißnähte 26 erzeugt werden, die die Kurzschlussstäbe 14 mit dem Profilring 16 verbinden. Die Verbindung kann lateral, radial oder partial erfolgen.
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Die 3 zeigt beispielsweise, dass an der radial innen und radial außen anliegenden Seite eine Schweißnaht 26 angebracht wurde, die jeweils zu einer Verbindung über die ganze Seite des jeweiligen Kurzschlussstabs 14 mit dem Profilring 16 führt. Weiter ist eine Schweißnaht 26 auf der Stirnseite eines Kurzschlussstabs 14 gezeigt, die zu einer punktweisen Verbindung des Kurzschlussstabs 14 an einer axialen Seite mit dem Profilring 16 führt.
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Die 4 und 5 zeigen eine weitere Möglichkeit, wie die Kurzschlussstäbe 14 mit dem Profilring 16 verbunden werden können. Im Gegensatz zu den 2 und 3, die das Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung zeigen, wird in den 4 und 5 eine formschlüssige Verbindung hergestellt. Es ist zu verstehen, dass beide Möglichkeiten kombiniert werden können.
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Die 4 zeigt, dass zwischen den eingesteckten Stäben 14 und dem Profilring 16 ein Spalt 26 vorhanden sein kann, der durch Stauchen der Stäbe 14 in axiale Richtung (wie durch die Pfeile angedeutet) geschlossen werden kann. Durch Aufbringen einer axialen Kraft auf die Stäbe 14 wird zumindest der in den Öffnungen 24 der Stäbe 24 befindliche Teil bzw. Abschnitt 28 der Stäbe 14 so verdickt, dass ein Formschluss zwischen den Stäben 24 und dem Profilring 14 entsteht.
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Die 6 zeigt schließlich einen weiteren Schritt, in dem die Verbindungsringe 18 mittels Rotationsreibschweißen mit den Kurzschlussstäben 14 und/oder den Profilringen 16 verbunden werden. Das Lamellenpaket 12 und/oder die Profilringe 16 werden fixiert, die Verbindungsringe 18 werden in Rotation versetzt und es wird eine Kraft auf die Verbindungsringe 18 in axiale Richtung ausgeübt, so dass der Verbund zusammengedrückt wird.
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Das überstehende Material der Stäbe 14 verformt sich bei Wirkung geringer Kräfte am Anfang des Prozesses. Schließlich kommt es zur Verbindung beider Ringe 16, 18 mit den Stäben 14.
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Einer oder beide der Profilringe 16 können auch dazu verwendet werden, das Lamellenpaket 12 und die darin eingesteckten Stäbe 14 gegenüber dem oder den rotierenden Verbindungsringen 18 zu fixieren. Beispielsweise kann der betreffende Profilring 16 eine asymmetrische Außenkontur (beispielsweise ellipsoid, oder mit wenigstens einer Ecke) aufweisen, mit der ein Formschluss zu einem Fixierwerkzeug 28 ist.
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Am Ende weist der Käfigläuferrotor zwei Kurzschlussringe 30 auf, die jeweils einen Profilring 16 und einen Verbindungsring 18 umfassen.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“ etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. 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.
