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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf elektrisch angetriebene Motoren.
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Einige Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie und mechanische Energie in elektrische Energie um. Elektromotoren können mit einem Energiespeicher verbunden werden, um die Energieübertragung zwischen diesen zu ermöglichen. Induktionsmotoren sind eine besondere Art von Elektromotoren, die einen Stromfluss induzieren, der dazu führt, dass Teile der Motorrotoren während des Betriebs des Motors magnetisiert werden. Induktionsmotoren nutzen ein- oder mehrphasige Leistung, um ein rotierendes Magnetfeld durch eine Reihe von Statoren zum Drehen eines Rotors zu erzeugen. Das rotierende Magnetfeld induziert elektrischen Strom durch eine Vielzahl von Stromschienen im Rotor. Der elektrische Strom in den Stromschienen reagiert mit dem von den Statoren erzeugten Magnetfeld und erzeugt ein Drehmoment am Rotor zum Durchführen der Arbeiten.
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Die Leistungsdichte eines elektrischen Induktionsmotors korreliert mit der Qualität der Stromschienen. Es ist bekannt, dass Risse und Hohlräume zwischen den Stromschienen und den Kurzschlussringen während der Fertigung die Leistungsdichte des elektrischen Induktionsmotors reduzieren.
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Obwohl die heutigen Rotoren und deren Fertigung ihren Zweck erfüllen, bedarf es eines neuen und verbesserten Systems und Verfahrens zur Herstellung von Rotoren für Induktionsmotoren.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß mehreren Aspekten beinhaltet ein Rotor für einen Induktionsmotor einen ersten Kurzschlussendring, einen zweiten Kurzschlussendring und eine Vielzahl von Stromschienen. Jede Stromschiene weist ein erstes und ein zweites Ende auf und ist mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet. Das erste Ende jeder Stromschiene steht in elektrischem und mechanischem Kontakt mit dem ersten Kurzschlussendring, und das zweite Ende jeder Stromschiene steht in elektrischem und mechanischem Kontakt mit dem zweiten Kurzschlussendring.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine geringe Menge an Restflussmaterial zwischen dem leitenden Material und dem jeweiligen ersten und zweiten Kurzschlussendring angeordnet werden.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist jede Stromschiene mit der elektrisch leitfähigen Schicht über die gesamte Länge der Stromschiene oder nur an den Enden der Stromschiene beschichtet, die den ersten und den zweiten Kurzschlussendring kontaktieren.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung sind der erste und zweite Kurzschlussendring aus Aluminiumguss gefertigt.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung sind die Stromschienen aus Schmiedekupfer gefertigt.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die leitfähigen Schicht aus Nickel gefertigt.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die leitfähige Schicht aus Kobalt, Eisen, Mangan, Chrom, Vanadium oder Titan gefertigt.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die leitfähige Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung oder Plattierung auf die Stromschiene aufgebracht.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die leitfähige Schicht durch elektrolytische Beschichtung aufgebracht.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die leitfähige Schicht durch elektrolytisches Plattieren aufgebracht.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist die leitfähige Schicht eine Dicke von etwa 5 Mikrometern bis etwa 15 Mikrometern auf.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist die leitfähige Schicht eine Dicke von etwa 10 Mikrometern auf.
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Gemäß mehreren Aspekten beinhaltet ein Rotor für einen Induktionsmotor einen ersten Kurzschlussendring aus Aluminiumguss, einen zweiten Kurzschlussendring aus Aluminiumguss und eine Vielzahl von Stromschienen. Jede Stromschiene ist aus geschmiedetem Kupfer gefertigt, weist ein erstes und ein zweites Ende auf und ist mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet. Das erste Ende jeder Stromschiene steht in elektrischem und mechanischem Kontakt mit dem ersten Kurzschlussendring, und das zweite Ende jeder Stromschiene steht in elektrischem und mechanischem Kontakt mit dem zweiten Kurzschlussendring. Die leitfähige Schicht ist zwischen jeder Stromschiene und den jeweiligen Kurzschluss-Endringen angeordnet.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine geringe Menge an Flussmittel zwischen der leitfähigen Schicht und dem jeweiligen ersten und zweiten Kurzschlussendring angeordnet werden.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist jede Stromschiene mit der elektrisch leitfähigen Schicht über die gesamte Länge der Stromschiene oder nur an den Enden der Stromschiene beschichtet, die den ersten und den zweiten Kurzschlussendring kontaktieren.
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In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die leitfähigen Schicht aus Nickel gefertigt.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die leitfähige Schicht aus Kobalt, Eisen, Mangan, Chrom, Vanadium oder Titan gefertigt.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die leitfähige Schicht durch physikalische Gasphasenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung oder Plattierung auf die Stromschiene aufgebracht.
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Gemäß mehreren Aspekten beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen Induktionsmotor das Beschichten einer Vielzahl von Stromschienen mit einer elektrisch leitfähigen Schicht, wobei jede Stromschiene aus geschmiedetem Kupfer hergestellt ist und ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist; elektrisches Verbinden der ersten Enden der Vielzahl von Stromschienen mit einem ersten Kurzschlussendring aus Aluminiumguss, wobei die leitfähige Schicht zwischen jeder Stromschiene und dem ersten Kurzschlussendring angeordnet ist; und elektrisches Verbinden der zweiten Enden der Vielzahl von Stromschienen mit einem zweiten Kurzschlussende aus Aluminiumguss, wobei die leitfähige Schicht zwischen jeder Stromschiene und dem zweiten Kurzschlussendring angeordnet ist.
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In einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die leitfähige Schicht aus Nickel, Kobalt, Eisen, Mangan, Chrom, Vanadium oder Titan gefertigt.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
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Figurenliste
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
- 1 veranschaulicht eine isometrische Ansicht einer teilmontierten Rotoranordnung für einen Induktionsmotor gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 2 veranschaulicht eine isometrische Ansicht einer Stromschiene gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 3 veranschaulicht eine Rotoranordnung für einen Induktionsmotor und eine teilweise Schnittansicht eines Kurzschlussendrings gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 4 veranschaulicht eine Rotoranordnung mit fertigen Gussteilen aus Kurzschluss-Endringen, die eine Vielzahl von eingegossenen Kühlkörpern gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung beinhaltet;
- 5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Stromschiene und eines Kurzschlussendrings gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung; und
- 6 veranschaulicht eine Nahaufnahme des in 5 dargestellten Bereichs zwischen Stromschiene und Kurzschlussende gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen zu begrenzen.
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Die Statoren eines AC-Induktionsmotors können eine Vielzahl von gepaarten Polen beinhalten, die aus einer Reihe von Wicklungen gebildet werden. Die Statoren können um einen Rotor herum verteilt werden. Beispiele für den Rotor können eine laminierte Struktur mit Stromschienen sein, die über Kurzschlussendringe verbunden sind. Ein Käfigläufer weist eine im Allgemeinen zylindrische Form auf, die eine Vielzahl von Stromschienen entlang einer Länge eines laminierten Stapels an einem äußeren Umfang beinhaltet. Bei einigen Induktionsmotoren kann die Vielzahl der Stromschienen aufgrund der thermischen und leitfähigen Eigenschaften von Kupfer aus Kupfer hergestellt werden. Andere Materialien, wie beispielsweise Aluminium, können für die Stromschienen verwendet werden. Die Stromschienen im Käfigläufer sind an deren Enden durch zwei Kurzschlussendringe verbunden.
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Die Leistungsdichte eines elektrischen Induktionsmotors korreliert mit der Qualität der Stromschienen und der Massenschüttdichte der einzelnen Stromschienen. Bei einigen Stromschienen und Kurzschlussendringen, die an Ort und Stelle eingegossen sind, können sich während der Fertigung Hohlräume und Risse zwischen den Stromschienen und den Kurzschlussenden bilden, was die Leistungsdichte einiger elektrischer Induktionsmotoren verringern kann.
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Ein Bindemittel kann als Oberflächenbehandlung auf die einzelnen Stromschienen aufgetragen werden, um eine stabilere metallurgische Verbindung zwischen den Stromschienen und den Kurzschlussendringen herzustellen. In verschiedenen hierin beschriebenen Konfigurationen kann das Bindemittel ein Flussmittel sein, das auf die Stromschienen aufgebracht wird. Ohne an irgendwelche Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass das Flussmittel Oxide entfernt, die sich auf den Stromschienen und während der schnellen Abkühlung des geschmolzenen Materials bilden können, wodurch eine bessere metallurgische Verbindung zwischen den Stromschienen und den Kurzschlussendringen hergestellt wird. Zusätzlich kann das Bindemittel ein Zwischenelement sein, beispielsweise Nickel, das auf die Stromschienen aufgebracht wird. Beispiele für Zwischenelemente können hohe Schmelzpunkte und eine chemische Verträglichkeit mit den Materialien der Stromschienen und der Kurzschlussendringe aufweisen. Das Bindemittel kann auf die gesamte Stromschiene oder nur auf das erste und zweite freiliegende Ende aufgetragen werden. Durch das Auftragen eines Bindemittels auf die Stromschienen vor dem Gießen der Kurzschlussendringe kann die Leistungsdichte des Induktionsmotors beibehalten oder verbessert werden.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird nun eine isometrische Ansicht einer Induktionsrotoranordnung 10 für einen Induktionsmotor veranschaulicht. Der Induktionsmotor kann ein beliebiger Induktionsmotor sein, einschließlich eines Induktionsmotors zur Verwendung in einem Antriebsstrangsystem für ein Kraftfahrzeug. Das Rotoranordnung 10 wird mit allen geeigneten Mitteln, wie beispielsweise einer Schrumpfpassung und Schloss- und Riegel-Drehmomentpassung, fest auf einer Rotorwelle befestigt, die auf einer Drehachse 15 zentriert ist. Die Rotoranordnung 10 kann im Anschluss an die Montage des Rotors auf der Rotorwelle montiert werden. Die Rotoranordnung 10 und die Rotorwelle teilen sich die gleiche Drehachse 15.
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Die Rotorbaugruppe 10 beinhaltet ein erstes Ende 14 und ein zweites Ende 16. Die Rotorbaugruppe 10 soll in einen Stator eines Induktionsmotors eingebaut und in diesem gedreht werden.
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Beispiele für die hierin offenbarte Rotorbaugruppe 10 umfassen einen Rotorkern 20. Ein zusammengesetzter zylindrisch geformter Stahl-Laminatstapel 21 kann in den Rotorkern 20 eingesetzt werden. Weiterhin kann der Rotorkern 20 eine Vielzahl von längs ausgerichteten Stromschienen 40 beinhalten. Der Rotorkern 20 beinhaltet erste und zweite Stirnflächen 24, 26, und die Stromschienen 40 sind peripher durch den Rotorkern 20 angeordnet, wobei die ersten und zweiten freien Enden 42, 46 über die jeweiligen ersten und zweiten Stirnflächen 24, 26 des Rotorkerns 20 hinausragen. Die erste Stirnfläche 24 des Rotorkerns 20 entspricht dem ersten Ende 14 der Rotorbaugruppe 10, die zweite Stirnfläche 26 des Rotorkerns 20 entspricht dem zweiten Ende 16 der Rotorbaugruppe 10.
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Der Rotorkern 20 kann aus einer Vielzahl von dünnen laminierten Platten 21 aus Eisenwerkstoff gefertigt werden. In einem Beispiel kann die Dicke der laminierten Platten 21 im Bereich von etwa 0,25 mm (Millimeter) (0,010 Zoll) bis etwa 0,51 mm (0,020 Zoll) liegen. In einem Beispiel sind die laminierten Platten 21 etwa 0,33 mm (0,013 Zoll) dick. Es ist zu verstehen, dass die Dicke parallel zur Drehachse 15 gemessen wird. Die laminierten Platten 21 können im Feinschneidverfahren gestanzt und zum Minimieren von Wirbelströmen elektrisch isoliert werden. Jede laminierte Platte 21 ist eine flache, ringförmige Vorrichtung und beinhaltet eine Vielzahl von radial ausgerichteten Schlitzen, die in der Nähe ihres äußeren Umfangs ausgebildet sind. Bei der Montage der laminierten Platten 21 in den Rotorkern 20 werden die radial ausgerichteten Schlitze so ausgerichtet, dass sie Nuten 28 bilden, die parallel zur Drehachse 15 des Rotorkerns 20 und an einem äußeren Umfang 25 des Rotorkerns 20 liegen können. Alternativ können die Nuten 28 einen spitzen Winkel in Bezug auf die Drehachse 15 beinhalten. Die Nuten 28 und die Stromschienen 40 darin werden als längs ausgerichtet betrachtet; diese Ausrichtung wird jedoch entweder mit einer Ausrichtung parallel zur Drehachse 15 oder mit einem spitzen Winkel zu parallel zur Drehachse 15 verstanden.
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Die Nuten 28 können jede geeignete Querschnittsform aufweisen. In einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung weisen die Nuten 28 einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt auf. Die längs ausgerichteten Nuten 28 sind im Wesentlichen periodisch um den Umfang 25 beabstandet, d. h. gleichmäßig oder ungleichmäßig. Die Stromschienen 40 werden jeweils in einer der Nuten 28 aufgenommen. Die laminierten Platten 22 können auf die Drehachse 15 mit jedem geeigneten Herstellungsverfahren aufgebracht und laminiert werden.
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Die Stromschienen 40 können aus Materialien auf Kupferbasis hergestellt werden, wie beispielsweise Schmiedekupfer, und in jede der Nuten 28 durch ein geeignetes Verfahren eingeführt werden, beispielsweise durch Einsetzen einer Vollstange oder durch Gießen. Alternativ können die Stromschienen 40 aus Aluminium oder ähnlichen elektrisch leitfähigen Materialien gefertigt werden. Beispiele für die hierin offenbarten Stromschienen 40 beinhalten Merkmale an jeweils einem ersten freien Ende 42 und einem zweiten freien Ende 46 der Stromschienen 40. Es ist zu berücksichtigen, dass die Stromschienen 40 nur die auf dem ersten freiliegenden Ende 42 beschriebenen Merkmale beinhalten können, mit unterschiedlichen Merkmalen gemäß eines anderen Verfahrens, das auf das zweite freiliegende Ende 46 angewendet wird. Jede Stromschiene 40 beinhaltet das erste freiliegende Ende 42, einen Mittelteil 44 und das zweite freiliegende Ende 46 und weist jeweils eine Umfangskante 45 auf. Das erste freiliegende Ende 42 ragt über die erste Stirnfläche 24 des Rotorkerns 20 hinaus und kann eine erste Öffnung 48 beinhalten, die im ersten freiliegenden Ende 42 definiert ist. Das zweite freiliegende Ende 46 ragt über die zweite Stirnfläche 26 des Rotorkerns 20 hinaus und kann eine zweite Öffnung 50 beinhalten, die im zweiten freiliegenden Ende 46 definiert ist. Jede der Öffnungen 48, 50 kann eine kreisförmige Öffnung in verschiedenen Konfigurationen sein, obwohl auch andere Formen, beispielsweise rechteckig oder sternförmig, verwendet werden können. Der Mittelteil 44 ist in den im Rotorkern 20 ausgebildeten Nuten 28 zu befestigen. Die Umfangskante 45 jeder Stromschiene 40 ragt durch die Nuten 28 am Umfang 25 entlang des Mittelteils 44 und darüber hinaus entlang der ersten und zweiten freien Enden 42 und 46 vor. Die Stromschienen 40 können eine parallele Bezugnahme zur Drehachse der Rotorwelle aufweisen oder einen spitzen Winkel zur Drehachse 15 der Rotorwelle bilden.
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2 verdeutlicht eine einzelne Stromschiene 40. Die Stromschiene 40 ist mit einer leitfähigen Schicht 41 beschichtet, die im Folgenden ausführlich beschrieben wird. Die leitfähige Schicht 41 kann über die gesamte Länge der Stromschiene 40 oder nur an den ersten und zweiten freien Enden 42 und 46 aufgebracht werden. Das erste freiliegende Ende 42 der Stromschiene 40 ist mit einer optionalen Beschichtung aus einem Flussmittel 32 über der leitfähigen Schicht 41 auf eine beschichtete Länge etwas größer als eine Länge des ersten freiliegenden Endes 42 der Stromschiene 40 nach dem Einsetzen der Stromschiene in den Rotor 20 abgebildet. Das zweite freiliegende Ende 46 der Stromschiene 40 wird ebenfalls mit dem Flussmittel 32 auf die leitfähige Schicht 41 beschichtet. Bei Verwendung wird das Flussmittel 32 nach dem Einsetzen in eine entsprechende Nut 28 im Laminatstapel 22 auf jede Stromschiene 40 aufgebracht (1). Die Unterbaugruppe der Stromschienen 40 und des Laminatstapels 22 kann durch Eintauchen der Unterbaugruppe in einen Behälter des Flussmittels 32 in flüssiger oder geladener Pulverform oder durch eine Sprüh- oder andere Oberflächenbeschichtung beschichtet werden.
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3 veranschaulicht eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Rotorbaugruppe 10 für einen Induktionsmotor mit einem Rohguss und einer Teilschnittansicht des Kurzschlussendrings 30 am ersten Ende 14 und einem fertig bearbeiteten Gussteil des Kurzschlussendrings 30' am zweiten Ende 16. Jeder der ringförmigen Kurzschlussendringe 30, 30' kann aus einem aluminiumbasierten Material gegossen werden. Alternativ können die Kurzschlussendringe 30, 30' aus Kupferbasis oder anderen elektrisch leitfähigen Materialien gegossen werden. Jeder Kurzschlussendring 30, 30' wird an einem Ende des Laminatstapels 22 eingegossen, indem die Unterbaugruppe der Stromschienen 40 und des Laminatstapels 22 in eine Matrize oder Form eingelegt und ein Teil des geschmolzenen Materials durch einen beliebigen Gießprozess an den ersten und zweiten Enden 14, 16 eingebracht wird. Sowohl das erste als auch das zweite Ende 14, 16 können der gleichen Art von Übergießverfahren unterzogen werden. Es ist zu verstehen, dass der hierin beschriebene Prozess in Bezug auf das erste Ende 14 auf das zweite Ende 16 angewendet werden kann.
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In einer bestimmten Konfiguration wird ein erster Abschnitt des leitfähigen Materials, der sich beim Einbringen in die Form/Druckgussform im geschmolzenen Zustand befinden kann, über die Vielzahl der ersten freiliegenden Enden 42 gegossen, um einen ersten Kurzschlussendring 30 zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Vielzahl der Stromschienen 40 zu bilden. Ein zweiter Abschnitt des leitfähigen Materials, der sich auch beim Einbringen in die Form/Druckgussform im geschmolzenen Zustand befindet, kann über die Vielzahl der zweiten freiliegenden Enden 46 gegossen, um einen zweiten Kurzschlussendring 30' zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Vielzahl der Stromschienen 40 zu bilden.
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In verschiedenen Konfigurationen umschließt der Abschnitt des geschmolzenen Materials, der sich schließlich zu einem Kurzschlussendring verfestigt, die jeweilige leitfähige Schicht 41 (und das Flussmittel 32, falls verwendet) an den ersten und zweiten freien Enden 42, 46 der Kupfer-Stromschienen 40 und durchströmt die Öffnungen 48, 50. Der Ausschnitt 100 aus 3 stellt das erste freiliegende Ende 42 einer bestimmten Stromschiene 40 und die im ersten freiliegenden Ende 42 definierte Öffnung 48 dar. 3 stellt das Eindringen der Schmelze durch die Öffnung 48 dar. Wenn der Abschnitt der Schmelze erstarrt, bildet er den Kurzschlussendring 30 mit der Stromschiene 40 in der erstarrten Struktur des Kurzschlussendringes 30. Der Durchfluss und das Erstarren greifen den Kurzschlussendring 30 und die Stromschienen 40 zu einer einzelnen Baugruppe zusammen. Wenn das zweite Ende 16 der Rotorbaugruppe 10 ein ähnliches Gießverfahren durchläuft und einen Kurzschlussendring 30' bildet, wird auch der laminierte Stapel 22 mit den Kurzschlussendringen 30, 30' und den Stromschienen 40 verriegelt. 3 stellt den Kurzschlussendring 30' dar, nachdem er in einen Endzustand mit fertigem Außendurchmesser 50 und Endfläche 51 gebracht wurde. 3 verdeutlicht den Kurzschlussendring 30 im „gegossenen“ Zustand.
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In einer bestimmten Konfiguration können Komponenten der Rotorbaugruppe 10 vor dem Gießen vorgewärmt werden, beispielsweise in einem Industrieofen oder mit einer Induktionserwärmungsvorrichtung. Das Vorwärmen der Komponenten kann die Integrität des Gussteils fördern, indem das Abschrecken der Schmelze erheblich reduziert wird, da die Schmelze die freiliegenden Enden 42, 46 und den laminierten Stapel 22 kontaktiert. Die Schmelze schafft eine metallurgische Verbindung mit den Stromschienen 40 und kühlt sich zum Kurzschlussendring 30, 30' als monolithischer Guss ab. Der Kurzschlussendring 30, 30' beinhaltet einen Abschnitt, der sich durch jede der Stromschienen 40 an den Öffnungen 48, 49 erstreckt, um eine mechanische Verriegelung 52 an der Öffnung 48, 49 zu schaffen. Während des Gießverfahrens wird die zuvor aufgebrachte Flussmittelschicht 32 weitgehend von der Grenzfläche zwischen der Stromschiene 40 und den Kurzschlussendringen 30, 30 verdrängt, wobei jedoch eine geringe Restmenge verbleiben kann. Der Querschnitt der mechanischen Verriegelung 52 kann auf die Scherfestigkeit in Abhängigkeit von der Größe der Öffnung 48, 49 eingestellt werden, d. h. die Scherfestigkeit der mechanischen Verriegelung 52 kann durch Erhöhen der Materialmenge in der Öffnung 48, 49 erhöht werden.
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Die mechanische Verriegelung 52 kann auch für die Richtungsfestigkeit entsprechend der Richtung der hohen Beanspruchung ausgelegt werden, d. h. die Öffnung 48, 49 kann unter Betriebsbedingungen in die Richtung mit der höchsten Beanspruchung verlängert werden. Zusätzlich kann die Öffnung 48, 49 für die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Stromschienen 40 und dem Kurzschlussendring 30, 30' optimiert werden, d. h. die Öffnung 48, 49 kann eine Form aufweisen, beispielsweise ein Sternmuster, das den Flächenkontakt zwischen der Stromschiene 40 und dem Kurzschlussendring 30, 30' vergrößert. Obwohl die Öffnung 48, 49 als auf jeder der Stromschienen 40 vorhanden behandelt wird, kann in bestimmten Konfigurationen ein Bruchteil von der Vielzahl der Stromschienen 40 die Öffnung 48, 49 beinhalten, beispielsweise kann eine Hälfte und ein Drittel der Stromschienen 40 die Öffnung 48, 49 aufweisen.
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Weiterhin kann in verschiedenen Konfigurationen eine Öffnung 48 oder 49 in mindestens einem der ersten freiliegenden Enden 42 oder 46 definiert werden. In einem Beispiel kann das erste freiliegende Ende 42 die Öffnung 48 und das zweite freiliegende Ende 46 keine Öffnung definieren. In einer weiteren Konfiguration kann das erste freiliegende Ende 42 keine Öffnung haben, und das zweite freiliegende Ende 46 kann eine Öffnung 49 definieren. In noch einem weiteren Beispiel kann eine Öffnung 48 am ersten freiliegenden Ende 42 und eine Öffnung 49 am zweiten freiliegenden Ende 46 definiert werden.
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In verschiedenen Konfigurationen kann die Rotorbaugruppe 10 aus der Matrize entnommen und bearbeitet werden, um überschüssiges Material zu entfernen, das durch das Gießverfahren auftreten kann. Der Kurzschlussendring 30' kann das übergossene Material entfernen und die Umfangskante 45 der Stromschienen 40 freilegen, die durch den Kurzschlussendring 30' in 3 dargestellt ist. Es kann auch ein Netto-Null-Druckgussverfahren verwendet werden, d. h. ein Verfahren, das nach dem Gießen nicht bearbeitet werden muss. Die Kurzschlussendringe 30 und 30' beinhalten daher eine Drehachse 15, die mit der Rotorbaugruppe 10, der Rotorwelle und dem Rotorkern 20 übereinstimmt (1).
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Während des Betriebs kann im Induktionsmotor Wärme erzeugt werden. Die Wärme kann gemäß einer Reihe von Verfahren vom Induktionsmotor weggeleitet werden. Zur Kühlung des Motors kann ein flüssiges Kühlmittel verwendet werden. In einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung kann Luft zur Kühlung des Motors verwendet werden. 4 veranschaulicht eine Rotorbaugruppe 10 mit fertigen Gussteilen aus Kurzschlussendringen 30, 30', die eine Vielzahl von eingegossenen Kühlkörpern 56 beinhaltet. Die Kühlkörper 56 können in luftgekühlten Motoren eingesetzt werden und können Verlängerungen der Endringe 30, 30' sein, die gleichmäßig über den Umfang der Stirnfläche 51, 51' der Kurzschlussendringe 30, 30' wiederholt werden. Die Kühlkörper 56 übertragen die von einer Spinnrotorbaugruppe 10 erzeugte Wärme von den Kurzschlussendringen 30, 30' auf jeden der Vielzahl von Kühlkörpern 56. Die Kühlkörper 56 bieten eine zusätzliche Oberfläche, um die absorbierte Wärme an die durchströmende Luft zu übertragen, wenn sich die Rotorbaugruppe 10 dreht. Somit können die Kühlkörper sowohl Lamellen als auch Laufräder sein, die eine Bewegung der Kühlluft bewirken. Die Kühlkörper 56 können auf einem oder beiden der Kurzschlussendringe 30, 30' angebracht werden. Die Kühlkörper 56 können bei Verwendung eines Netto-Null-Druckgussverfahrens direkt eingegossen werden. Die Kühlkörper 56 können beim Übergießen des Materials bearbeitet werden.
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Ein unbeabsichtigtes Lösen der Kurzschlussendringe 30, 30' von den Stromschienen 40 wird sowohl durch die mechanische Verriegelung 52 als auch durch die metallurgische Verbindung zwischen den Kurzschlussendringen 30, 30' und den Stromschienen 40 weitestgehend verhindert. Durch die Kombination der mechanischen Verriegelung 52 und der metallurgischen Bindung wird ein Gesamtverbund hergestellt. Die Festigkeit des Gesamtverbundes ist vorgegeben, um ein Lösen der Kurzschlussendringe 30, 30' von den Stromschienen 40 zu vermeiden, da die Trägheitskräfte bei hohen Motordrehzahlen zunehmen.
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Das offenbarte Verfahren kann an einem oder beiden Enden des Rotors 20 angewendet werden, um einen Kurzschlussendring 30, 30' auf einen Rotor 20 zu gießen.
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In verschiedenen Konfigurationen kann das Flussmittel 32 zum Übergießen von Aluminium über Kupfer CsAlF4 (Cäsiumtetrafluoraluminat), CsAlF-Komplex, K1-3AlF4-6 (Kaliumfluoraluminate) oder andere Flussmittel beinhalten. Das Flussmittel 32 kann in Pulver- oder Pastenform vorliegen. Das Pulver wird oft in Wasser oder Alkohol gemischt, um das Flussmittel leicht auf die Enden 42 und 46 der Stromschiene 40 aufzutragen. Das Flussmittel kann durch Eintauchen in einen Behälter mit dem Flussmittel 32, mit einer Spritzpistole, einem Pinsel oder einem anderen Verfahren aufgetragen werden.
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Wird die Stromschiene 40 mit der leitfähigen Schicht 41, mit oder ohne Flussmittel 32 beschichtet, entsteht eine durchgehende und rissfreie metallurgische Verbindung zwischen der Stromschiene 40 und den Kurzschlussendringen 30, 30' aus Aluminiumguss. Wenn die Stromschiene 40 aus Kupfer besteht, schützt die leitfähige Schicht 41 das Kupfer vor der Reaktion und Auflösung in geschmolzenem Aluminium, um schädliche intermetallische Verbindungen zwischen den Stromschienen 40 und den Kurzschlussendringen 30, 30' während des Gießverfahrens zu bilden. Weiterhin verändert die leitfähige Schicht 41 den elektrischen Wirkwiderstand der Stromschiene 40 nicht.
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In bestimmten Konfigurationen besteht die leitfähige Schicht 41 aus Ni (Nickel). Nickel weist eine wesentlich höhere Schmelztemperatur auf (ca. 1455 °C) als Kupfer, um das Kupfer vor dem Auflösen durch das geschmolzene Aluminium zu schützen. Nickel weist im Kontakt mit geschmolzenem Aluminium eine wesentlich langsamere Reaktionskinetik auf als Kupfer. Die Nickelbarriere verhindert somit das sonst schnelle Anbringen der Kupferschiene 40 durch beispielsweise geschmolzenes Aluminium. Darüber hinaus weist Nickel einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf wie Kupfer, was die Gefahr der Delamination des Films während des Gießverfahrens oder durch thermische Zyklen unter hoher Belastung verringert. In weiteren Konfigurationen besteht die leitfähige Schicht 41 aus Co (Kobalt), Fe (Eisen), Mn (Mangan), Cr (Chrom), V (Vanadium) oder Ti (Titan).
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Wie in 5 dargestellt, bildet sich in einer bestimmten Konfiguration eine Al3Ni/Al eutektische Schicht 52 zwischen der Kupferschiene 40 und den Aluminiumkurzschlussringen 30, 30', wenn die leitfähige Schicht 41 aus Nickel hergestellt ist. In dem in 5 dargestellten Beispiel ist die eutektische Schicht 52 etwa 160 Mikrometer dick.
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6 stellt eine Nahaufnahme der Schnittstelle zwischen der Kupferschiene 40 und der eutektischen Schicht 52 dar. Konkret wird zwischen der nickelleitenden Schicht 41 und der eutektischen Schicht 52 eine intermetallische Schicht 50 gebildet. In diesem speziellen Beispiel weist die nickelleitende Schicht 41 eine Dicke von etwa 5 Mikrometern bis etwa 15 Mikrometern bei einer Nenndicke von etwa 10 Mikrometern auf. Die intermetallische Schicht 50 weist eine ähnliche Dicke auf.
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Die leitfähige Schicht 41 kann durch physikalische Gasphasenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung oder Plattierung auf die Stromschiene 40 aufgebracht. Beim Plattieren auf die Stromschiene 40 kann die Beschichtung elektrolytisch oder stromlos erfolgen.
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Es ist zu verstehen, dass die Verwendung der Wörter „ein“ und „eine“ und andere singuläre Verweise auch Plural beinhalten können, sowohl in der Spezifikation als auch in den Ansprüchen, es sei denn, der Kontext weist eindeutig auf etwas anderes hin.
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Des Weiteren sind die Begriffe „verbinden/verbunden/Verbindung“ und/oder ähnliche hierin breit gefasst und beziehen eine Vielzahl verschiedener verbundener Anordnungen und Montagetechniken ein. Zu diesen Anordnungen und Montagetechniken zählen u. a. (1) die direkte Kommunikation zwischen einem Bauteil mit einem anderen Bauteil ohne dazwischenliegende Bauteile; und (2) die Kommunikation von einem Bauteil mit einem anderen Bauteil mit einem oder mehreren dazwischenliegenden Bauteilen, sofern eines der Bauteile, das „angeschlossen“ ist, mit dem anderen Bauteil in irgendeiner Weise betriebsfähig verbunden ist (unabhängig vom Vorhandensein von einem oder mehreren dazwischenliegenden Bauteilen).
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Weiterhin ist zu verstehen, dass die hierin bereitgestellten Bereiche den angegebenen Bereich und einen beliebigen Wert oder Teilbereich innerhalb des angegebenen Bereichs beinhalten. So sollte beispielsweise ein Bereich von etwa 0,25 mm bis etwa 0,51 mm dahingehend interpretiert werden, dass er nicht nur die explizit angegebenen Grenzen von etwa 0,25 mm bis etwa 0,51 mm, sondern auch Einzelwerte beinhaltetet, wie etwa 0,25 mm, 0,30 mm, 0,33 mm usw., sowie Teilbereiche, wie von etwa 0,28 mm bis etwa 0,45 mm; von etwa 0,30 mm bis etwa 0,40 mm, usw.
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Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist nur als Beispiel zu verstehen und Variationen, die sich nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung entfernen, werden als im Rahmen der vorliegenden Offenbarung befindlich vorausgesetzt. Solche Varianten sollen nicht als eine Abweichung vom Sinn und Umfang der Erfindung betrachtet werden.
