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TECHNISCHES GEBIET
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Die Offenbarung betrifft einen Rotor und ein Verfahren, um den Rotor auszubilden.
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HINTERGRUND
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Elektromagnetische Maschinen wie etwa Elektromotoren, Generatoren und Antriebsmotoren sind brauchbar, um Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln. Derartige elektromagnetische Maschinen enthalten oft ein Element, das um eine Achse herum drehbar ist. Das drehbare Element oder der Rotor kann koaxial zu einem statischen Element oder Stator sein und mit Hilfe einer Relativdrehung zwischen dem Rotor und dem Stator kann Energie umgewandelt werden.
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Ein Typ einer elektromagnetischen Maschine, ein Wechselstrom-Induktionsmotor, verwendet einen induzierten Stromfluss, um während eines Motorbetriebs Abschnitte des Rotors zu magnetisieren. Insbesondere kann ein induzierter Strom durch Leiterstäbe hindurchfließen, die um einen Umfang des Rotors herum parallel oder nahezu parallel zu der Achse angeordnet sind. Jeder Leiterstab kann mit jedem anderen Leiterstab durch zwei Kurzschlussringe, die an entgegengesetzten Enden des Rotors angeordnet sind, elektrisch verbunden sein. Im Rotorbetrieb sind die Kurzschlussringe und die Leiterstäbe Trägheitskräften ausgesetzt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Verfahren zum Ausbilden eines Rotors umfasst, dass ein Leiterstab in eine Nut, die durch einen Kernblechstapel definiert wird, so eingeführt wird, dass ein Spalt zwischen dem Leiterstab und dem Kernblechstapel definiert wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass nach dem Einführen der Leiterstab in der Nut aufquellen gelassen wird, um den Spalt auszufüllen und den Rotor auszubilden.
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Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass mehrere Stahlkernbleche benachbart zu und in Kontakt miteinander gestapelt werden, um den Kernblechstapel auszubilden. Der Kernblechstapel weist eine proximale Oberfläche und eine von der proximalen Oberfläche beabstandete distale Oberfläche auf und er definiert eine dort hindurch verlaufende Nut, die sich von der proximalen Oberfläche zu der distalen Oberfläche erstreckt. Das Verfahren umfasst außerdem, dass ein Leiterstab, der einen Endabschnitt aufweist, in die Nut eingeführt so wird, dass ein Spalt zwischen dem Leiterstab und dem Kernblechstapel definiert wird. Das Verfahren umfasst, dass nach dem Einführen ein Flussmaterial auf den Endabschnitt aufgebracht wird und dass das Flussmaterial nach dem Aufbringen vorgeheizt wird. Zudem umfasst das Verfahren, dass der Leiterstab nach dem Einführen in der Nut aufquellen gelassen wird, um den Spalt auszufüllen und den Rotor auszubilden.
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Ein Rotor umfasst einen Kernblechstapel mit einer proximalen Oberfläche und einer distalen Oberfläche, die von der proximalen Oberfläche beabstandet ist, und er definiert eine dort hindurch verlaufende Nut, die sich von der proximalen Oberfläche zu der distalen Oberfläche erstreckt. Der Rotor umfasst außerdem einen Leiterstab, der innerhalb der Nut benachbart zu und in direktem Kontakt mit dem Kernblechstapel angeordnet ist.
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Bei der Verwendung hierin sind die Begriffe ”ein”, ”eine”, ”eines”, ”der/die/das”, ”mindestens einer/eine/eines” und ”einer/eine/eines oder mehrere” austauschbar und zeigen an, dass von einem Gegenstand mindestens einer vorhanden ist. Es können mehrere derartige Gegenstände vorhanden sein, sofern es der Kontext nicht deutlich anderweitig anzeigt. Alle numerischen Werte von Parametern, Größen oder Bedingungen in dieser Offenbarung einschließlich der beigefügten Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff ”etwa” oder ”ungefähr” modifiziert sind, unabhängig davon, ob ”etwa” oder ”ungefähr” vor dem numerischen Wert tatsächlich erscheint oder nicht. ”Etwa” und ”ungefähr” zeigen an, dass der angegebene numerische Wert eine gewisse leichte Ungenauigkeit erlaubt (z. B. mit einer gewissen Näherung an die Exaktheit in dem Wert; vernünftig nahe bei dem Wert; nahezu; im Wesentlichen). Wenn die durch ”etwa” oder ”ungefähr” bereitgestellte Ungenauigkeit anderweitig nicht mit dieser Bedeutung verstanden wird, dann geben ”etwa” und ”ungefähr”, so wie sie hier verwendet werden, zumindest Varianten an, die aus Verfahren zum Messen und Verwenden dieser Parameter entstehen können. Ferner bezeichnet auch die Begrifflichkeit ”im Wesentlichen” eine leichte Ungenauigkeit einer Bedingung (z. B. mit einer gewissen Näherung an die Exaktheit der Bedingung; ungefähr oder vernünftig nahe bei der Bedingung; nahezu; im Wesentlichen). Zudem umfassen offenbarte numerische Bereiche die Offenbarung von allen Werten und weiter unterteilten Bereichen innerhalb des gesamten Bereichs. Jeder Wert in einem Bereich und die Endpunkte eines Bereichs sind alle als separate Ausführungsformen offenbart. Die Begriffe ”umfassend”, ”enthält”, ”enthaltend”, ”weist auf” und ”aufweisend” sind offen und geben daher das Vorhanden von angegebenen Gegenständen an, schließen aber das Vorhandensein anderer Gegenstände nicht aus. Der Begriff ”oder” umfasst, so wie er in dieser Offenbarung verwendet wird, jede und alle Kombinationen aus einem oder mehreren der aufgelisteten Gegenstände.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und der besten Arten, um die vorliegende Offenbarung auszuführen, ergeben, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung einer perspektivischen Explosionsansicht eines Rotors;
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2A ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ausbilden des Rotors von 1;
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2B ist ein schematisches Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens von 2A;
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2C ist ein schematisches Flussdiagramm einer dritten Ausführungsform des Verfahrens von 2A;
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2D ist ein schematisches Flussdiagramm einer vierten Ausführungsform des Verfahrens von 2A;
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2E ist ein schematisches Flussdiagramm einer fünften Ausführungsform des Verfahrens von 2A;
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2F ist ein schematisches Flussdiagramm einer sechsten Ausführungsform des Verfahrens von 2A;
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3 ist eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht von mehreren Leiterstäben, die in Vorbereitung des Ausbildens des Rotors von 1 in einen Kernblechstapel eingeführt sind;
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4A ist eine schematische Darstellung einer Stirnansicht von einem der mehreren Leiterstäbe von 3, der in einer Atmosphäre angeordnet ist, die Wasserstoff enthält;
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4B ist eine schematische Darstellung einer Stirnansicht von einer der mehreren Leiterstäbe von 1;
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5A ist eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht des Kernblechstapels und der Leiterstäbe von 3 entlang von Schnittlinie 5A-5A; und
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5B ist eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht des Rotors von 1 entlang von Schnittlinien 5B-5B.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug auf die Figuren, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, ist in 1 ein Rotor bei 10 gezeigt. Der Rotor 10 kann als Komponente einer (nicht gezeigten) elektromagnetische Maschine für Kraftfahrzeuganwendungen nützlich sein, beispielsweise als Komponente eines Wechselstrom-Induktionsmotors für ein Fahrzeug. Jedoch kann der Rotor 10 außerdem für nicht auf Kraftfahrzeuge bezogene Anwendungen nützlich sein, was umfasst, als Komponente eines Generators oder eines Elektromotors für Heimanwendungen und kommerzielle Anwendungen. Zur allgemeinen Erklärung und wie mit Bezug auf 1 beschrieben wird, kann der Rotor 10 um eine Rotationsachse 12 herum drehbar sein und er kann sich mit Bezug auf einen (nicht gezeigten) stationären Stator der elektromagnetischen Maschine drehen.
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Der Rotor 10 enthält einen Kernblechstapel 14, der aus mehreren Stahlkernblechen 16 ausgebildet ist. Insbesondere kann jedes der mehreren Stahlkernbleche 16 eine einzelne kreisringförmige Schicht zum Beispiel aus Siliziumstahl sein und es kann benachbart zu einem weiteren der mehreren Stahlkernbleche 16 gestapelt sein, um den Kernblechstapel 14 auszubilden.
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Wie in 3 am besten gezeigt ist, kann der Kernblechstapel 14 ferner eine proximale Oberfläche 18 und eine distale Oberfläche 20 aufweisen, die von der proximalen Oberfläche 18 beabstandet ist, und er kann eine dort hindurch verlaufende Nut 22 definieren, die sich von der proximalen Oberfläche 18 zu der distalen Oberfläche 20 erstreckt. Das heißt, dass dann, wenn die mehreren Stahlkernbleche 16 benachbart zueinander gestapelt sind, sich jedes einzelne Stahlkernblech 16 mit jedem anderen einzelnen Stahlkernblech 16 ausrichten kann, um die Nut 22 zu definieren. Der Kernblechstapel 14 kann allgemein mehrere Nuten 22 definieren, die um einen Umfang des Kernblechstapels 14 herum beabstandet sind. Die mehreren Nuten 22 können sich im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse 12 durch den Kernblechstapel 14 hindurch erstrecken und sie können jeweils ausgestaltet sein, um einen Leiterstab 24 aufzunehmen. Obwohl es nicht gezeigt ist, können die mehreren Nuten 22 auch in einer um die Rotationsachse 12 herum abgeschrägten Konfiguration angeordnet sein.
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Wieder mit Bezug auf 1 enthält der Rotor 10 daher den Leiterstab 24 mit zwei Endabschnitten 26, 126, die entgegengesetzt zueinander angeordnet sind. Der Leiterstab 24 ist innerhalb der Nut 22 benachbart zu und in direktem Kontakt mit dem Kernblechstapel 14 angeordnet. Das heißt, dass der Leiterstab 24 innerhalb der Nut 22 direkt an den Kernblechstapel 14 angrenzt und von dem Kernblechstapel 14 nicht durch beispielsweise eine Lackschicht, eine Beschichtung, ein Kunstharz und/oder ein Trennelement getrennt ist. Insbesondere kann der Leiterstab 24 mehrere externe Oberflächen 28 aufweisen (4B) und jede der mehreren externen Oberflächen 28 kann den Kernblechstapel 14 innerhalb der Nut 22 direkt kontaktieren.
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Der Rotor 10 kann allgemein mehrere Leiterstäbe 24 enthalten, die alle in einer jeweiligen der mehreren Nuten 22 so angeordnet sind, dass sich ein erster Endabschnitt 26 von jedem der mehreren Leiterstäbe 24 von der proximalen Oberfläche 18 des Kernblechstapels 14 aus erstreckt, und sich ein zweiter Endabschnitt 126 von jedem der mehreren Leiterstäbe 24 von der distalen Oberfläche 20 des Kernblechstapels 14 aus erstreckt. Beispielsweise kann der Rotor 10 etwa 30 bis etwa 100 Leiterstäbe 24 enthalten, die um die Rotationsachse 12 herum beabstandet sind. Jeder Leiterstab 24 kann ausgestaltet sein, um im Betrieb der (nicht gezeigten) elektromagnetischen Maschine einen elektrischen Strom zu leiten, und er kann daher aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein. Beispielsweise kann jeder Leiterstab 24 aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung, etwa einer Kupfer-Nickel-Legierung oder einer Kupfer-Bor-Legierung ausgebildet sein. Der Leiterstab 24 kann in vorteilhafter Weise aus einer elektrolytischen zäh gepolten Kupferlegierung, etwa einer C11000-Kupferlegierung, ausgebildet sein, so dass der Rotor 10 auf wirtschaftliche Weise hergestellt werden kann. Bei der Verwendung hierin bezeichnet die Begrifflichkeit ”elektrolytische zäh gepolte Kupferlegierung” eine Kupferlegierung, die Sauerstoff in einer Menge von etwa 0,02 Gewichtsanteilen bis etwa 0,04 Gewichtsanteilen bezogen auf 100 Gewichtsanteile der Kupferlegierung enthält. Alternativ kann der Leiterstab 24 aus einer sauerstofffreien Kupferlegierung ausgebildet sein, etwa einer C102-Kupferlegierung. Bei der Verwendung hierin bezeichnet die Begrifflichkeit ”sauerstofffreie Kupferlegierung” eine Kupferlegierung, die Sauerstoff mit einer Menge von etwa 0,001 Gewichtsanteilen bezogen auf 100 Gewichtsanteile der Kupferlegierung enthält.
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Wieder mit Bezug auf 1 kann jeder Leiterstab 24 ferner bei einem Endpunkt 32 des Rotors 10 enden und mit einem Kurzschlussring 30 verbunden sein. Insbesondere kann der Rotor 10 zwei Kurzschlussringe 30, 130 enthalten, beispielsweise einen Kurzschlussring 30, 130, der an jedem jeweiligen Endpunkt 32, 132 des Rotors 10 angeordnet ist. Die Kurzschlussringe 30, 130 können alle der mehreren Leiterstäbe 24 miteinander elektrisch verbinden. Daher können auch die Kurzschlussringe 30, 130 aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein, etwa ohne Einschränkung aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium und/oder aus einer Aluminiumlegierung.
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Mit Bezug nun auf 2 umfasst bei einer Ausführungsform ein Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 zum Ausbilden des Rotors 10, dass die mehreren Stahlkernbleche 16 benachbart zu und in Kontakt miteinander gestapelt werden 36, um den Kernblechstapel 14 auszubilden. Das heißt, dass das Stapeln 36, wie vorstehend offengelegt und mit Bezug auf 3 beschrieben ist, umfassen kann, dass der Kernblechstapel 14, der die proximale Oberfläche 18 und die distale Oberfläche 20 aufweist, ausgebildet wird, und dass die Nut 22 durch den Kernblechstapel 14 hindurch definiert wird, die sich von der proximalen Oberfläche 18 zu der distalen Oberfläche 20 erstreckt. Die mehreren Stahlkernbleche 16 können mit Hilfe eines beliebigen Prozesses benachbart zueinander gestapelt werden. Als Beispiel ohne Einschränkung kann jedes Stahlkernblech 16 zunächst einzeln ausgestanzt werden und dann anschließend unter Verwendung eines Aufspanndorns benachbart zu einem weiteren Stahlkernblech 16 gestapelt und gegen dieses gedrückt werden, um den Kernblechstapel 14 auszubilden.
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Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 3 umfasst das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 außerdem, dass der Leiterstab 24 in die Nut 22, die durch den Kernblechstapel 14 definiert ist, so eingeführt 38 wird, dass ein Spalt 40 (5A) zwischen dem Leiterstab 24 und dem Kernblechstapel 14 definiert wird. Das heißt, dass das Einführen 38 umfassen kann, dass der Leiterstab 24 innerhalb der Nut 22 um eine Distanz 42 (5A) von dem Kernblechstapel 14 beabstandet wird. Der Leiterstab 24 kann in die Nut 22 manuell von Hand eingeführt werden, oder der Leiterstab 24 kann in die Nut 22 durch einen automatisierten Prozess oder eine automatisierte Maschine eingeführt werden. Nach dem Einführen 38 kann sich der erste Endabschnitt 26 des Leiterstabs 24 über die proximale Oberfläche 18 hinaus erstrecken, und der zweite Endabschnitt 126 kann sich über die distale Oberfläche 20 hinaus erstrecken. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann das Verfahren 34 auch umfassen, dass die Endabschnitte 26, 126 des Leiterstabs 24 zur Vorbereitung auf den weiteren Zusammenbau oder auf die Ausbildung des Rotors 10 gereinigt wird.
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Mit Bezug nun auf 5A kann der Spalt 40 zwischen mindestens einem Abschnitt des Leiterstabs 24, beispielsweise zwischen einer oder mehreren externen Oberflächen 28 des Leiterstabs 24, und dem Kernblechstapel 14 definiert sein. Das heißt, dass der Leiterstab 24 nach dem Einführen 38 nur locker in den Spalt 22 passen kann und folglich den Spalt 40 definiert. Anders ausgedrückt passt der Leiterstab 24 nach dem Einführen 38 nicht festsitzend in die Nut 22 hinein und grenzt in der Nut 22 nicht direkt an den Kernblechstapel 14 an.
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Das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 kann außerdem umfassen, dass der eine oder die mehreren Kurzschlussringe 30, 130 ausgebildet 44 werden, die benachbart zu und in Kontakt mit dem Leiterstab 24 angeordnet sind, wie in 1 gezeigt ist. Zum Beispiel kann der eine oder können die mehreren Kurzschlussringe 30, 130 mehrere Hohlräume 64 darin so definieren, dass der eine oder die mehreren Kurzschlussringe 30, 130 einen jeweiligen Endabschnitt 26, 126 des Leiterstabs 24 umgeben können. Daher kann der Kernblechstapel 14 zwischen zwei Kurzschlussringe 30, 130 eingelegt sein, wobei jeder Endabschnitt 26, 126 von jedem der mehreren Leiterstäbe 24 in einem jeweiligen der mehreren Hohlräume 64 angeordnet ist.
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Der eine oder die mehreren Kurzschlussringe 30, 130 können auf eine beliebige Weise ausgebildet werden. Zum Beispiel kann der eine oder können die mehreren Kurzschlussringe 30, 130 jeweils separat ausgebildet werden und dann anschließend an die Endabschnitte 26, 126 des Leiterstabs 24 angeschweißt, hartgelötet oder angelötet werden. Alternativ kann der eine oder können die mehreren Kurzschlussringe 30, 130 an die Endabschnitte 26, 126 angegossen werden und sie können beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet werden. Bei anderen nicht einschränkenden Beispielen kann der eine oder können die mehreren Kurzschlussringe 30, 130 über die Endabschnitte 26, 126 des Leiterstabs 24 durch Druckguss, Schwerkraftguss oder Spritzguss ausgebildet werden.
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Wieder mit Bezug auf das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 wie mit Bezug auf 4A–5B beschrieben ist, umfasst das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 außerdem, dass nach dem Einführen 38 der Leiterstab 24 aufquellen 46 gelassen wird (5B) oder ausgedehnt wird, um den Spalt 40 (5A) auszufüllen oder zu schließen und den Rotor 10 auszubilden. Das heißt, dass, wie in 5B am besten gezeigt ist, das Aufquellenlassen 46 oder das Ausdehnen umfassen kann, dass der Leiterstab 24 benachbart zu und in direktem Kontakt mit dem Kernblechstapel 14 angeordnet wird, um den Spalt 40 zu schließen. Mit anderen Worten kann das Aufquellenlassen 46 umfassen, dass die Distanz 42 (5A) zwischen dem Leiterstab 24 und dem Kernblechstapel 14 innerhalb der Nut 22 minimiert und/oder beseitigt wird, so dass die externen Oberflächen 28 des Leiterstabs 24 den Kernblechstapel 14 direkt kontaktieren oder direkt an diesen angrenzen. Insbesondere darf nur der Leiterstab 24 in der Nut 22 angeordnet sein und kein weiteres Material oder keine weitere Komponente darf zwischen dem Leiterstab 24 und dem Kernblechstapel 14 eingelegt sein. Beispielsweise kann der Rotor 10 frei von sämtlichen Kunstharzen, Laminaten, Lacken, Firnissen, Beschichtungen, Schichten und dergleichen sein, die zwischen dem Leiterstab 24 und dem Kernblechstapel 14 innerhalb der Nut 22 angeordnet sind. Daher kann der Leiterstab 24 vor dem Einführen 38 ein Anfangsvolumen aufweisen (das in 4A allgemein bei 48 dargestellt ist). Das Aufquellenlassen 46 kann ein Erhitzen (allgemein bei 50 in 4A dargestellt) des Leiterstabs 24 umfassen, um das Anfangsvolumen 48 auf ein Endvolumen (in 4B allgemein bei 52 dargestellt) auszudehnen, das größer als das Anfangsvolumen 48 ist, so dass der Leiterstab 24 innerhalb der Nut 22 den Kernblechstapel 14 direkt kontaktiert. Folglich verschwindet der Spalt 40 nach dem Aufquellenlassen 46.
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Ein nicht einschränkendes Beispiel für das Aufquellenlassen 46 umfasst, dass eine Kupfernickellegierung mit einer Vielzahl (nicht gezeigter) Spaltneutronen mit einer Dosis von etwa 20 Verschiebungen je Targetatom (dpa) bis etwa 70 dpa bestrahlt wird, z. B. etwa 30 dpa, um mehrere Helium-Gasblasen in die Kupfernickellegierung zu induzieren und anschließend zu vereinigen.
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Bei einem weiteren nicht einschränkenden Beispiel umfasst das Aufquellenlassen 46 das Vergrößern eines Volumens oder einer Größe von jedem einer Vielzahl von Partikeln aus einem Kupferpulver oder einem Kupferlegierungspulver. Beispielsweise kann das Aufquellenlassen 46 umfassen, dass das Kupferpulver oder das Kupferlegierungspulver in einer Atmosphäre, die Wasserstoff in einer Menge von etwa 2 Volumenanteilen bis etwa 100 Volumenanteilen enthält, auf eine Temperatur von etwa 300°C bis etwa 500°C erhitzt 50 wird.
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Bei einem weiteren nicht einschränkenden Beispiel, das mit Bezug auf 4A beschrieben ist, kann das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 umfassen, dass Wasserstoffgas 56 in Vorbereitung für das Aufquellenlassen 46 des Leiterstabs 24 in den Leiterstab 24 hinein diffundieren gelassen wird 54. Insbesondere kann das Diffundieren lassen 54 umfassen, dass der Leiterstab 24 auf eine Temperatur von etwa 100°C bis etwa 800°C für eine Zeitdauer von etwa 1 Stunde bis etwa 20 Tagen in einer Atmosphäre erhitzt wird 50, die Wasserstoff in einer Menge von etwa 2 Volumenanteilen bis etwa 100 Volumenanteilen mit Bezug auf 100 Volumenanteile der Atmosphäre umfasst. Zum Beispiel kann das Diffundieren lassen 54 umfassen, dass der Leiterstab 24 bei einer Temperatur von etwa 300°C bis etwa 600°C für eine Zeitdauer von etwa 5 Stunden bis etwa 10 Tagen in einer Atmosphäre erhitzt 50 wird, die Wasserstoff mit einem Betrag von etwa 20 Volumenanteilen bis etwa 80 Volumenanteilen mit Bezug auf 100 Volumenanteile der Atmosphäre umfasst. Bei einem weiteren nichteinschränkenden Beispiel kann das Diffundieren lassen 54 umfassen, dass der Leiterstab 24 auf eine Temperatur von etwa 450°C für eine Zeitdauer von etwa 7 Tagen bis etwa 15 Tagen in einer Atmosphäre erhitzt 50 wird, die Wasserstoff mit einer Menge von etwa 50 Volumenanteilen bis etwa 70 Volumenanteilen mit Bezug auf 100 Volumenanteile der Atmosphäre umfasst. Die Temperatur und die Dauer des Erhitzens 50 kann in Übereinstimmung mit dem Typ der Kupferlegierung, einer in der Kupferlegierung vorhandenen Sauerstoffmenge und/oder einer Korngröße der Kupferlegierung gewählt werden. Zum Beispiel kann es vorteilhaft sein, eine Kupferlegierung zu wählen, etwa eine C11000-Kupferlegierung oder eine C10200-Kupferlegierung aufweist, die eine im Vergleich mit anderen Kupferlegierungen zur Ausbildung des Leiterstabs 24 vergleichsweise hohe Menge an Korngrenzen und/oder Kernbildungsorten aufweist. Wenn analog eine Kupferlegierung gewählt wird, die eine vergleichsweise kleine Korngröße aufweist, z. B. etwa 60 Mikron, wobei 1 Mikron gleich 1 × 10–6 m ist, kann das Diffundieren lassen 54 bei einer vergleichsweise hohen Temperatur stattfinden, z. B. etwa 500°C, und die Zeitdauer des Erhitzens 50 kann verkürzt werden.
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Ohne Einschränkung durch die Theorie kann das Diffundieren lassen 54 von Wasserstoffgas 56 in den Leiterstab 24 hinein das Wachstum einer Vielzahl von (nicht gezeigten) Dampfblasen innerhalb des Leiterstabs 24 einleiten und es kann das durch Gas induzierte Aufquellenlassen 46 des Leiterstabs 24 einleiten. Insbesondere kann das Diffundieren lassen 54 das Ausbilden von Bläschen oder das Einleiten des Ausbildens einer Vielzahl von Dampfbläschen an einer oder mehreren der Korngrenzen der Kupferlegierung einleiten. Beispielsweise kann ein beliebiges Oxid-Dispersionsmittel, etwa Kupferoxid, das in der Kupferlegierung vorhanden ist, mit dem Wasserstoffgas 56 reagieren, um Dampfblasen in der Kupferlegierung entlang der Korngrenzen auszubilden. Diese Dampfblasen können allgemein eine Oberfläche aufweisen, die eine Dimension aufweisen, die in Mikron gemessen wird. Wenn der Leiterstab 24 während dem oder im Anschluss an das Diffundieren lassen 54 erhitzt wird, kann sich jede einzelne Dampfblase mit anderen Dampfblasen zusammenschließen oder kombinieren, um vergleichsweise größere Dampfblasen auszubilden, die jeweils ein vergleichsweise größeres Volumen aufweisen, um dadurch den Leiterstab 24 aufquellen zu lassen.
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Das Diffundieren lassen 54 kann vor dem Einführen 38 des Leiterstabs 24 in die Nut 22 oder nach dem Einführen 38 des Leiterstabs 24 in die Nut 22 stattfinden. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform, die mit Bezug auf 2B beschrieben ist, das Einführen 38 im Anschluss an das Diffundieren lassen 54 erfolgen. Anders ausgedrückt kann der Leiterstab 24 in der Atmosphäre, die den Wasserstoff enthält, angeordnet werden, bevor der Leiterstab 24 in die Nut 22 eingeführt 38 wird. Bei dieser Ausführungsform jedoch umfasst das Diffundieren lassen 54 nicht das gleichzeitige Erhitzen 50 des Leiterstabs 24. Stattdessen umfasst das Diffundieren lassen 54 nur das Ausbilden von Blasen oder das Implantieren der Vielzahl von Dampfblasen entlang der Vielzahl von Korngrenzen innerhalb der Kupferlegierung ohne ein gleichzeitiges Erhitzen 50 der Kupferlegierung, um die Vielzahl der Dampfblasen zu vereinigen oder zu kombinieren. Insbesondere kann das Diffundieren lassen 54 umfassen, dass der Leiterstab 24 einer Atmosphäre ausgesetzt wird, die Wasserstoff in einer Menge von etwa 2 Volumenanteilen bis etwa 100 Volumenanteilen enthält, z. B. etwa 10 Volumenanteile oder etwa 15 Volumenanteile oder etwa 20 Volumenanteile mit Bezug auf 100 Volumenanteile der Atmosphäre.
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Bei einer anderen Ausführungsform, die mit Bezug auf 2A, 2C und 2D beschrieben ist, kann das Diffundieren lassen 54 das gleichzeitige Erhitzen 50 des Leiterstabs 24 umfassen. Bei dieser Ausführungsform erfolgt das Diffundieren lassen 54 gleichzeitig mit dem Aufquellenlassen 46. Das heißt, dass das Erhitzen 50 während des Aufquellenlassens 46 die Vielzahl der Dampfblasen vereinigen oder kombinieren kann, um vergleichsweise größere Dampfblasen (nicht gezeigt) auszubilden und dadurch den Leiterstab 24 von dem Anfangsvolumen 48 (4A) auf das Endvolumen 52 (4B) aufquellen zu lassen. Insbesondere kann das Diffundieren lassen 54 das Erhitzen 50 des Leiterstabs 24 auf eine Temperatur von etwa 250°C bis etwa 750°C umfassen, beispielsweise auf etwa 300°C oder etwa 350°C oder etwa 400°C oder etwa 450°C oder etwa 475°C oder etwa 500°C oder etwa 525°C oder etwa 550°C oder etwa 575°C oder etwa 600°C oder etwa 650°C oder etwa 700°C. Bei einem nicht einschränkenden Beispiel kann das Diffundieren lassen 54 das Erhitzen 50 des Leiterstabs 24 auf eine Temperatur von etwa 400°C bis etwa 500°C für eine Zeitdauer von etwa 1,5 Stunden bis etwa 200 Stunden umfassen, beispielsweise etwa 2 Stunden oder etwa 10 Stunden oder etwa 20 Stunden oder etwa 48 Stunden oder etwa 100 Stunden, in einer Atmosphäre, die Wasserstoff mit einer Menge von etwa 10 Volumenanteilen mit Bezug auf 100 Volumenanteile der Atmosphäre enthält. Die Atmosphäre kann außerdem ein Edelgas enthalten, z. B. Argon, in einer Menge von etwa 10 Volumenanteilen bis etwa 98 Volumenanteilen oder von etwa 90 Volumenanteilen mit Bezug auf 100 Volumenanteile der Atmosphäre.
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Wieder mit Bezug auf das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 kann das Aufquellenlassen 46 außerdem vor oder nach dem Ausbilden 44 des Kurzschlussrings 30 stattfinden. Mit Bezug auf die 2D–2F bedeutet dies, dass das Aufquellenlassen 46 vor dem Ausbilden 44 des Kurzschlussrings 30 an dem Endabschnitt 26 des Leiterstabs 24 stattfinden kann. Das Aufquellenlassen 46 vor dem Ausbilden 44 des Kurzschlussrings 30 präsentiert den Leiterstab 24 und den Endabschnitt 26 in der endgültigen aufgequollenen Form, so dass der Leiterstab 24 das Endvolumen 52 (4B) aufweist. Der Kurzschlussring 30 kann dann wie vorstehend offengelegt ausgebildet werden, z. B. durch Überformen oder Druckguss, um den aufgequollenen Endabschnitt 26 des Leiterstabs 24 zu umgeben. Alternativ kann das Aufquellenlassen 46 mit Bezug auf 2A–2C nach dem Ausbilden 44 des Kurzschlussrings 30 an dem Endabschnitt 26 des Leiterstabs 24 stattfinden. Das Aufquellenlassen 46 nach dem Ausbilden 44 des Kurzschlussrings 30 kann jede Lücke (nicht gezeigt) beseitigen, die zwischen dem Kurzschlussring 30 und dem Endabschnitt 26 des Leiterstabs 24 übrigbleibt und es kann eine exzellente mechanische und/oder chemische Verriegelung zwischen dem Endabschnitt 26 und dem Kurzschlussring 30 ermöglichen.
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Wieder mit auf 2D–2F umfasst das Verfahren 34 bei einer anderen Ausführungsform, dass nach dem Einführen 38 des Leiterstabs 24 in die Nut 22, die durch den Kernblechstapel 14 definiert ist, ein Flussmaterial (das in 3 bei 60 allgemein gezeigt ist), auf den Endabschnitt 26 aufgebracht wird 58. Das Aufbringen 58 kann umfassen, dass das Flussmaterial 60 auf den Endabschnitt 26 des Leiterstabs 24 deponiert wird, bevor der Kurzschlussring 30 ausgebildet 44 wird. Das Flussmaterial 60 kann beispielsweise in flüssiger Form, in Pastenform oder in Pulverform (in 3 allgemein dargestellt) bereitgestellt werden, es kann in der Form eines kreisringförmigen Rings oder Drahts (nicht gezeigt) bereitgestellt werden oder es kann in einer Blatt- oder Scheibenform (nicht gezeigt) bereitgestellt werden. Daher kann das Flussmaterial 60 auf den Endabschnitt 26 des Leiterstabs 24 aufgebürstet, getröpfelt oder gesprüht werden, es kann in einem kontinuierlichen Ring entlang des Endabschnitts 26 von jedem der mehreren Leiterstäbe 24 angeordnet werden oder es kann an der Spitze jedes Endabschnitts 26 jedes Leiterstabs 24 platziert werden.
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Nicht einschränkende Beispiele für geeignete Flussmaterialien 60 umfassen Cäsiumtetrafluoraluminat, Cäsiumfluoraluminat-Komplex, Pottasche-Fluoraluminate, Pottasche-Tetrafluoraluminat, Pottasche-Penta-Fluoraluminat-Hydrat, hydratfreies Pottasche-Penta-Fluoraluminat und Kombinationen daraus.
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Bei dieser Ausführungsform umfasst das Verfahren 334, 434, 534 ferner, dass nach dem Aufbringen 58 des Flussmaterials 60 das Flussmaterials 60 vorgeheizt 62 wird. Das Vorheizen 62 kann beispielsweise das Erwärmen des Flussmaterials 60 in einem Industrieofen oder einer Induktionsheizvorrichtung umfassen. Dieses Vorheizen 62 kann die Integrität zwischen einer mechanischen oder chemischen Verriegelung fördern, die zwischen dem Endabschnitt 26 und dem Kurzschlussring 30 ausgebildet wird. In Abhängigkeit von einer Auswahl des Flussmaterials 60 kann das Vorheizen 62 umfassen, dass eine Temperatur des Flussmaterials 60 beispielsweise auf etwa 150°C bis etwa 250°C für eine Zeitdauer von etwa 0,5 Stunden bis etwa 1 Stunde erhöht wird.
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Bei einigen Ausführungsformen des Verfahrens 334, 434, 534, die mit Bezug auf 2D und 2E beschrieben sind, kann das Diffundieren lassen 54 gleichzeitig mit dem Vorheizen 62 stattfinden. Das heißt, dass das Diffundieren lassen 54 sowohl umfassen kann, dass der Leiterstab 24 der Atmosphäre ausgesetzt wird, die Wasserstoff enthält, als auch eine Temperatur des Leiterstabs 24 als Resultat des Vorheizens 62 des Flussmaterials 60 erhöht wird. Das Diffundieren lassen 54 und das Vorheizen 62 können gleichzeitig stattfinden, so dass der Temperaturanstieg, der für das Vorheizen 62 des Flussmaterials 60 benötigt wird, sowohl Blasen erzeugt oder die Vielzahl von Dampfblasen entlang der Vielzahl von Korngrenzen in der Kupferlegierung implantiert als auch die Vielzahl der Dampfblasen erhitzt, um die Vielzahl der Dampfblasen zu vereinigen oder zu kombinieren. Insbesondere kann das Diffundieren lassen 54 sowohl das Erhitzen 50 des Leiterstabs 24 als auch das Aussetzen des Leiterstabs 24 einer Atmosphäre, die Wasserstoff in einer Menge von etwa 2 Volumenanteilen bis etwa 100 Volumenanteilen umfasst, umfassen, beispielsweise etwa 10 Volumenanteile oder etwa 15 Volumenanteile oder etwa 20 Volumenanteile oder etwa 25 Volumenanteile oder etwa 30 Volumenanteile oder etwa 35 Volumenanteile oder etwa 40 Volumenanteile oder etwa 45 Volumenanteile oder etwa 50 Volumenanteile oder etwa 55 Volumenanteile oder etwa 60 Volumenanteile oder etwa 65 Volumenanteile oder etwa 70 Volumenanteile oder etwa 75 Volumenanteile oder etwa 80 Volumenanteile oder etwa 85 Volumenanteile oder etwa 90 Volumenanteile oder etwa 95 Volumenanteile mit Bezug auf 100 Volumenanteile der Atmosphäre.
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Alternativ können mit Bezug auf 2 das Diffundieren lassen 54 und das Vorheizen 62 vor dem Aufquellenlassen 46 stattfinden. Daher kann das Vorheizen 62 die Vielzahl der Dampfblasen entlang der Korngrenzen nur einleiten oder die Bläschenbildung fördern, aber es kann die Vielzahl der Dampfblasen nicht anwachsen lassen oder vereinigen. Wie mit Bezug auf 4A und 4B beschrieben ist, kann nur ein anschließendes Erhitzen 50 während des Aufquellenlassens 46 dann die Vielzahl der Dampfblasen vereinigen oder kombinieren, um vergleichsweise größere Dampfblasen (nicht gezeigt) auszubilden und dadurch den Leiterstab 24 von dem Anfangsvolumen 48 auf das Endvolumen 52 aufquellen zu lassen. Beispielsweise kann das anschließende Aufquellenlassen 46 das Erhitzen 50 des Leiterstabs 24 auf eine Temperatur von etwa 100°C bis etwa 800°C für eine Zeitdauer von etwa 1 Stunde bis etwa 20 Tage in einer Atmosphäre umfassen, die Wasserstoff in einer Menge von etwa 2 Volumenanteilen bis etwa 100 Volumenanteilen mit Bezug auf 100 Volumenanteile der Atmosphäre enthält.
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Alternativ kann bei noch einer anderen Ausführungsform, die mit Bezug auf 2F beschrieben ist, das Diffundieren lassen 54 vor dem Einführen 38 stattfinden. Das heißt, dass das Diffundieren lassen 54 von Wasserstoffgas 56 (4A) in den Leiterstab 24 hinein vor dem Einführen 38 des Leiterstabs 24 in die Nut 22 stattfinden kann, und es beispielsweise vor dem Erhöhen einer Temperatur des Leiterstabs 24 während des Vorheizens 62 oder während des Aufquellenlassens 46 stattfinden kann. Das heißt, dass das Diffundieren lassen 54 nur das Bläschenbilden oder das Einleiten des Ausbildens der Vielzahl von Dampfblasen umfassen kann, ohne die Vielzahl der Dampfblasen zu vereinigen oder anwachsen zu lassen. Insbesondere kann das Diffundieren lassen 54 bei dieser Ausführungsform umfassen, dass der Leiterstab 24 einer Atmosphäre ausgesetzt wird, die Wasserstoff in einer Menge von etwa 2 Volumenanteilen bis etwa 100 Volumenanteilen umfasst, ohne den Leiterstab 24 zu erhitzen 50 oder vorzuheizen 62. Das anschließende Aufquellenlassen 46 kann das Heizen 50 des Leiterstabs 24 umfassen.
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Bei Ausführungsformen, die das Aufbringen 58 des Flussmaterials 60 umfassen, umfasst das Verfahren 334, 434, 534 nach dem Aufquellenlassen 46 außerdem, dass der Kurzschlussring 30 ausgebildet 44 wird, der in Kontakt mit dem Flussmaterial 60 angeordnet wird. Der Kurzschlussring 30 kann separat ausgebildet werden und dann anschließend an den Endabschnitt 26 des Leiterstabs 24 geschweißt, hartgelötet oder angelötet werden, um ihn chemisch und/oder mechanisch mit dem Flussmaterial 60 und dem Kernblechstapel 14 zu verbinden. Alternativ kann der Kurzschlussring 30 auf das Flussmaterial 60 aufgeformt werden, das an dem Endabschnitt 26 angeordnet ist, und er kann beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet sein. Bei anderen nicht einschränkenden Beispielen kann der Kurzschlussring 30 über das Flussmaterial 60, das an dem Endabschnitt 26 des Leiterstabs 24 angeordnet ist, druckgegossen, durch Schwerkraft gegossen oder spritzgegossen werden.
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Ferner kann das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 auch umfassen, dass Parameter optimiert werden, etwa die Anzahl der Blasenbildungsorte, die in dem Leiterstab 24 vorhanden sind, die Größe der Vielzahl der Dampfblasen, die Zeitdauer des Erhitzens 50, die Temperatur und/oder die Korngrenzengröße des Kupfers oder der Kupferlegierung. Zum Beispiel kann das Verfahren 34 umfassen, dass eine Beziehung zwischen der Korngrenzengröße, der Zeitdauer des Heizens 50 und der Temperatur ermittelt wird.
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Daher liefert das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 Rotoren 10 mit einer exzellenten strukturellen Integrität und Balance bei der Rotation. Im Speziellen sind Rotoren 10, die durch das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 ausgebildet werden, im Wesentlichen frei von Vibrationen, Rattern und/oder Belastungen während der Rotation, welche andernfalls durch einen nicht geschlossenen Spalt 40 (5A) zwischen dem Leiterstab 24 und dem Kernblechstapel 14 verursacht werden können. Stattdessen grenzt der Leiterstab 24 nach dem Aufquellenlassen 46 an den Kernblechstapel 14 an und kontaktiert diesen direkt, so dass der Spalt 40 im Wesentlichen beseitigt ist. Das heißt, dass die ausgebildeten Rotoren 10 keinen Spalt 40 zwischen dem Kernblechstapel 14 und dem Leiterstab 24 definieren. Zudem können die Rotoren 10 wirtschaftlich hergestellt und betrieben werden, da das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 kein Kaltverformen, Lackieren oder Beschichten der Leiterstäbe 24 umfasst.
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Zudem zeigen Rotoren 10, die durch das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 ausgebildet wurden, eine exzellente elektrische Leitfähigkeit und Effizienz im Betrieb, was auf den direkten Kontakt zwischen dem Endabschnitt 26 jedes Leiterstabs 24 und den Kurzschlussring 30 zurückgeführt werden kann. Im Speziellen bildet das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 eine feste Verbindung zwischen den mehreren Leiterstäben 24 und dem Kurzschlussring 30, die Trägheitskräften im Rotorbetrieb in angemessener Weise widerstehen kann. Daher sind Rotoren 10, die durch das Verfahren 34, 134, 234, 334, 434, 534 ausgebildet werden, für Anwendungen brauchbar, die elektromagnetische Vorrichtungen (nicht gezeigt) benötigen, die eine exzellente Leistungsdichte aufweisen.
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Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Offenbarung im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann auf dem Gebiet, das diese Offenbarung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Offenbarung im Umfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.
