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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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Stand der Technik
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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, 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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Käfigläuferrotoren können durch Druckvergießen eines elektrisch leitfähigen Werkstoffes in Lamellenpaketen hergestellt werden. 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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Weiter ist bekannt, Käfigläuferrotoren aus vorgefertigten Stäben und Kurzschlussringe zusammenzubauen. Dies kann beispielsweise mittels Hartlötens oder Schweißens geschehen.
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Aus der
US 2014/0339950 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein strukturierter Kurzschlussring mittels Elektronenstrahlschweißens direkt an Stäbe eines Käfigläuferrotors angeschweißt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, einen mechanisch stabilen, kostengünstigen und einfach herzustellenden Käfigläuferrotor mit hoher Leistungsdichte bereitzustellen.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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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: Zusammenfügen eines Lamellenpakets mit axialen Nuten zur Aufnahme von Kurzschlussstäben mit den Kurzschlussstäben und mit wenigstens einem Kurzschlussring; Bereitstellen eines Konturrings, wobei der Konturring zu den Nuten im Lamellenpaket korrespondierende Nuten aufweist; Fügen des Konturrings zwischen das Lamellenpaket und den Kurzschlussring, so dass die Kurzschlussstäbe in den Konturring hineinragen; und Verschweißen der Kurzschlussstäbe mit dem Kurzschlussring, wobei der Kurzschlussring, der Konturring und die Kurzschlussstäbe mittels Elektronenstrahlschweißens miteinander verschweißt werden.
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Mit anderen Worten kann ein Lamellenpaket aus übereinandergestellten Blechlamellen bereitgestellt werden, in das dann in Nuten Kurzschlussstäbe gesteckt werden. Auf die aus dem Lamellenpaket herausragenden Kurzschlussstäbe kann dann ein Konturring gesteckt werden und auf diesem Konturring ein Kurzschlussring abgelegt werden. Anschließend kann der Konturring mit dem Kurzschlussring und dabei sowohl der Konturring als auch der Kurzschlussring mit den Kurzschlussstäben mittels Elektronenstrahlschweißens verschweißt werden.
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Der Käfigläuferrotor kann damit aus kostengünstigen Einzelteilen hergestellt werden. Die Kurzschlussstäbe können mit lediglich einem Fügeprozess mit voller Anbindung ihrer Stirnseite an den Kurzschlussring gefügt werden. Diese gesamte Anbindung führt zu einer hohen Drehzahlfestigkeit und kann eine gute elektrische Leitfähigkeit des Läuferkäfigs gewährleisten. Durch die sehr konzentrierte Energieeinbringung beim Elektronenstrahlschweißen kommt es kaum zu Wärmeverzug im Bauteil. Mit dem Elektronenstrahlschweißen können größere Stückzahlen schnell und wirtschaftlich gefertigt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Elektronenstrahl während des Elektronenstrahlschweißens seitlich, also in radialer Richtung bezüglich einer Längsachse des Rotors, auf eine Fuge zwischen dem Kurzschlussring und dem Konturring gerichtet. Die Schweißnaht kann in einem Durchgang erzeugt werden. Durch das radiale Schweißen kann größerer Programmieraufwand beim Fügewerkzeug vermieden werden. Der Käfigläuferrotor kann mit nur wenigen Arbeitsschritten vollständig zusammengefügt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung führt eine durch das Elektronenstrahlschweißen erzeugte Schweißnaht in einer radialen Richtung über einen Innenrand der Kurzschlussstäbe hinaus in den Käfigläuferrotor hinein. Die ganze Stirnseite der Kurzschlussstäbe kann mit dem Kurzschlussring verbunden werden. Durch die Anwendung des Elektronenstrahlschweißens kann radial in den Kurzschlussring sehr tief geschweißt werden, was eine vollständige Anbindung der Kurzschlussstäbe an den Kurzschlussring ermöglicht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter: Pressen des Kurzschlussrings gegen den Konturring und das Lamellenpaket während des Elektronenstrahlschweißens. Das Paket aus Lamellenpaket, Kurzschlussstäben, Konturring(en) und Kurzschlussring(en) kann in einem Fügewerkzeug an beiden Stirnseiten mit einer vordefinierten Kraft beaufschlagt werden. Auf diese Weise kann auch eine innere Verspannung des Käfigläuferrotors eingestellt werden, die den Käfigläuferrotor gegen eine Verformung schützen kann, wenn dieser rotiert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter: Rotieren einer Baugruppe aus Lamellenpaket, Kurzschlussstäben, Kurzschlussring und Konturring um eine Längsachse während des Elektronenstrahlschweißens. In dem Fügewerkzeug kann dann das Paket um eine Längsachse (orthogonal zu einer radialen Richtung) einmal um 360° rotiert werden, um eine durchgehende Schweißnaht um den Käfigläuferrotor herum zu erzeugen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Konturring auf die aus dem Lamellenpaket herausragenden Kurzschlussstäbe gesetzt bzw. gesteckt und/oder wird der Kurzschlussring auf den Konturring aufgesetzt. Der Konturring kann Nuten aufweisen, die den gleichen Querschnitt wie die Nuten des Lamellenpakets aufweisen. Die Kurzschlussstäbe können bündig mit einer Außenseite des Konturrings sein, auf die der Kurzschlussring aufgesetzt wird. Der Kurzschlussring kann mit einer Innenseite eine Stirnseite der Kurzschlussstäbe berühren.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Kurzschlussring ein unstrukturierter Ring bzw. weist der Kurzschlussring keine Nuten zur Aufnahme von Kurzschlussstäben auf. Unstrukturiert kann dabei bedeuten, dass der Kurzschlussring keine Vertiefungen, Löcher, Rillen, Nuten oder Bohrungen aufweist. Der Kurzschlussring kann einstückig aus Metall hergestellt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Kurzschlussring eine Höhe zwischen 10 mm und 40 mm auf, vorzugsweise zwischen 20 und 30 mm, beispielsweise 25 mm. Damit kann der Kurzschlussring eine gute elektrische Leitfähigkeit des Läuferkäfigs gewährleisten.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Konturring eine Höhe zwischen 2 bis 8 mm auf, vorzugsweise zwischen 3 bis 8 mm. Auf diese Weise kann der Konturring ausgestanzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden an beiden Enden bzw. Stirnseiten des Lamellenpakets Kurzschlussringe und Konturringe bereitgestellt, die mit den Kurzschlussstäben verschweißt werden. Insbesondere kann das Elektronenstrahlschweißen an beiden Enden gleichzeitig erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kurzschlussstäbe, der Konturring und der Kurzschlussring aus Kupfer gefertigt oder sind die Kurzschlussstäbe, der Konturring und der Kurzschlussring aus Aluminium gefertigt. Ebenfalls sind Mischverbindungen denkbar, bei denen beispielsweise wenigstens ein Bauteil aus den Kurzschlussstäben, dem Konturring und dem Kurzschlussring aus Kupfer und wenigstens ein anderes Bauteil aus den Kurzschlussstäben, dem Konturring und dem Kurzschlussring aus Aluminium gefertigt ist.
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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, Kurzschlussstäben in den Nuten des Lamellenpakets, wenigstens einen Konturring an wenigstens einer Stirnseite des Lamellenpakets, in den die Kurzschlussstäbe hineinragen, und wenigstens einen Kurzschlussring über dem wenigstens einen Konturring. Dabei sind die Kurzschlussstäbe, der Konturring und der Kurzschlussring miteinander mittels Elektronenstrahlschweißens verbunden. Dies kann beispielsweise aufgrund der Breite der Schweißnaht bereits von außen erkannt werden. Die Schweißnaht kann weiter in eine radiale Richtung des Käfigläuferrotors verlaufen und/oder kann en Käfigläuferrotor in Umfangsrichtung umrunden.
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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 Explosionsdarstellung eines Käfigläuferrotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt schematisch einen Käfigläuferrotor während eines Fügeverfahrens 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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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 in Explosionsdarstellung, der aus einem Lamellenpaket 12, Kurzschlussstäben 14, zwei Kurzschlussringen 16 und zwei Konturringen 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 20 sind die Nuten 22 des Lamellenpakets 12 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 Konturring 18 aufgesteckt ist. Die Stirnseiten der Kurzschlussstäbe 14 sind dabei bündig mit einer Außenfläche des jeweiligen Konturrings 18.
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Die Konturringe 18 können den gleichen Querschnitt wie die Lamellen 20 aufweisen, sind in der Regel aber dicker als eine Lamelle 20. Beispielsweise können die Konturringe 18 eine Dicke bzw. Höhe (in axialer Richtung) von etwa 3 bis 5 mm aufweisen. Auf diese Weise können die Konturringe 18 auch aus einem Blech ausgestanzt werden. Jeder Konturring 18 kann eine kreisförmige Außenkontur, eine kreisförmige Innenkontur und radiale Nuten 24 aufweisen, die in Umfangsrichtung um den Konturring 18 herum angeordnet sind.
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Während die Lamellen 20 aus Eisen (d.h. Eisenblech) gefertigt sind, sind die Konturringe 18 aus einem Metall mit höherer elektrischer Leitfähigkeit wie etwa Kupfer oder Aluminium gefertigt. Auch die Kurzschlussstäbe 14 können aus dem gleichen Metall gefertigt sein.
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Auf den Konturringen 18 ist jeweils ein Kurzschlussring 16 befestigt, der mittels Elektronenstrahlschweißens mit dem jeweiligen Konturring 18 und den jeweiligen Stirnflächen der Kurzschlussstäbe 14 verbunden ist.
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Ein Kurzschlussring 18 kann ein unstrukturierter Ring sein, der in axialer Richtung eine ebene Außenfläche und eine ebene Innenfläche aufweist. Der Kurzschlussring 16 kann eine kreisförmige Außenkontur und eine kreisförmige Innenkontur aufweisen.
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Die Kurzschlussringe 16 können dicker als die Konturringe 18 sein. Beispielsweise kann ein Kurzschlussring 20 bis 30 mm dick bzw. hoch sein.
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Die Kurzschlussringe 16 können aus dem gleichen Material wie die Konturringe 18, d.h. aus Kupfer oder Aluminium, gefertigt sein.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Käfigläuferrotor 10 aus der 1. Im rechten Teil der 2 ist gezeigt, dass die durch das Elektronenstrahlschweißen entstandene Schweißnaht 26 von einer Umfangsfläche bzw. radialen Außenfläche des Konturrings 18 bzw. des Kurzschlussrings 16 in einer radialen Richtung in den Käfigläuferrotor 10 hinein verläuft. Dabei ist die Schweißnaht so tief, dass sie über einen Innenradius 28 der Kurzschlussstäbe 14 hinaus verläuft. Auf diese Weise kann die ganze Stirnfläche der Kurzschlussstäbe 14 mit dem Kurzschlussring 16 verbunden werden.
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Im linken Teil der 2 ist der Schweißprozess mit einem Elektronenstrahl 30 gezeigt, der in einer radialen Richtung auf den Käfigläuferrotor 10 gerichtet ist.
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3 zeigt ein Flussdiagramm, mit dem das Herstellverfahren des Käfigläuferrotors 10 aus den 1 und 2 beschrieben wird.
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In einem Schritt S10 werden das Lamellenpaket 12, die Kurzschlussstäbe 14, die beiden Kurzschlussringe 16 und die beiden Konturringe 18 bereitgestellt.
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Beispielsweise können einzelne, dünne, runde Elektroblechlamellen 20 (Stanzteile aus Stahl) zu dem Lamellenpaket 12 paketiert werden (beispielsweise 100 Elektroblechlamellen 20 stirnseitig aneinandergereiht). Diese enthalten bereits Nuten 22 in Form der Kurzschlussstäbe 14.
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Die Kurzschlussstäbe 14 werden in die Nuten 22 des Lamellenpakets 12 gesteckt, so dass ihre Enden an beiden Stirnseiten des Lamellenpakets 12 herausstehen, so wie es in 1 gezeigt ist.
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In einem Schritt S12 werden die Konturringe 18 mit ihren Nuten 24 auf die herausragenden Enden der Kurzschlussstäbe gesteckt. Darüber werden die Kurzschlussringe angeordnet. Das entstehende Paket aus dem Lamellenpaket 12, den Kurzschlussstäben 14, den beiden Kurzschlussringen 16 und den beiden Konturringen 18 wird, wie in der 2 angedeutet, an seinen Stirnseiten mit einer Anpresskraft F beaufschlagt und zusammengepresst, beispielsweise indem es in eine Form eingespannt wird.
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Im Schritt S14 wird das Paket nun in Drehung um die Längsachse A versetzt und an zumindest einem Ende des Käfigläuferrotors 10 der Kurzschlussring 16 mit dem Konturring 18 und den Kurzschlussstäben 24 verschweißt.
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Dazu wird bei einer Drehung um 360° der Elektronenstrahl auf eine Fuge 32 zwischen dem Kurzschlussring 16 und dem Konturring 18 gerichtet, so dass in einem Arbeitsgang eine kontinuierliche Schweißnaht 26 um den Käfigläuferrotor 10 entsteht. Der Käfigläuferrotor 10 dreht sich dabei um die eigene Längsachse A, während der Elektronenstrahl 30 Energie in die Fuge 32 zwischen Konturring 18 und Kurzschlussring 16 einbringt. Dabei entsteht die Schweißnaht 26, die die Leiterstäbe, den Konturring und den Kurzschlussring fest miteinander verbindet.
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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. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0339950 A1 [0005]
