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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Asynchronmaschine, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Vormoduls, nämlich eines rotationssymmetrischen Blechpaketes mit einer Mehrzahl von über seinen Umfang verteilt angeordneten, durchgehenden Axialkanälen, in welchen Leiterstäbe aus einer Kupferlegierung, die axial über das Blechpaket überstehen, angeordnet sind,
- - Umgießen, auf jeder Seite des Blechpaketes, überständiger Enden der Leiterstäbe mit einer Aluminium-Legierung zur Ausbildung je eines die Leiterstäbe elektrisch miteinander verbindenden Kurzschlussrings.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf einen Rotor für eine elektrische Asynchronmaschine, umfassend ein rotationssymmetrisches Blechpaket mit einer Mehrzahl von über dessen Umfang verteilt angeordneten, durchgehenden Axialkanälen, in welchen Leiterstäbe aus einer Kupferlegierung, die axial über das Blechpaket überstehen, angeordnet sind, wobei die überständigen Enden der Leiterstäbe auf jeder Seite des Blechpaketes mittels eines gegossenen Kurzschlussrings aus einer Aluminium-Legierung elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
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Stand der Technik
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Der Aufbau von Rotoren, auch Läufer genannt, für insbesondere leistungsstarke elektrische Asynchronmaschinen, wie sie bspw. als Traktionsmaschinen im Automobilbau benötigt werden, ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Paket aus gestapelten Einzelblechen, in die ein sogenannter Leiterkäfig eingebettet ist. Der Leiterkäfig seinerseits besteht im Wesentlichen aus über den Umfang des Blechpakets verteilten, axial erstreckten Leiterstäben, die jeweils an den Stirnseiten des Blechpakets mittels eines sogenannten Kurzschlussrings elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Einbettung des Leiterkäfigs in das Blechpaket erfolgt typischerweise so, dass letzteres axial erstreckte Kanäle enthält, in welche die Leiterstäbe beidseitig axial überstehend eingefügt werden. Die Kurzschlussringe werden in einem nachfolgenden Schritt angebracht. Die genannten Axialkanäle sind aus miteinander fluchtenden Durchgangsöffnungen der Bleche gebildet. Sie können als Nuten, gebildet aus miteinander fluchtenden Randausnehmungen der Einzelbleche, oder als geschlossene Kanäle, gebildet aus miteinander fluchtenden Löchern in den Einzelblechen, ausgestaltet sein. Die Leiterstäbe, die Kurzschlussringe sowie ihr Übergangsbereich müssen aufgrund der bei Betrieb auftretenden, hohen Ströme eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, was die Auswahl an technisch und wirtschaftlich geeigneten Materialien und Verbindungsverfahren deutlich einschränkt. Eine Materialkombination aus Kupfer für die Leiterstäbe und Aluminium für die Kurzschlussringe bringt Effizienzvorteile im Betrieb der Asynchronmaschine. Typischerweise wird ein im Wesentlichen lediglich das Blechpaket und die darin eingebetteten Kupferstäbe umfassendes Vormodul zur Verfügung gestellt, bei dem die Kupferstäbe mit ihren Enden - in der Regel beidseitig - über das Blechpaket hinausragen. Dieses Vormodul wird einem Umgießungsprozess zugeführt, bei dem die überstehenden Enden der Kupferstäbe mit Aluminium zur Ausbildung der Kurzschlussringe umgossen werden.
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Der Fachmann wird verstehen, dass die Begriffe „Kupfer“ und „Aluminium“ hier nicht auf die reinen Materialien beschränkt zu verstehen ist, sondern dass es sich um eine verkürzende Bezeichnung für Legierungen mit den genannten Materialien als Hauptbestandteile handelt.
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Bei der Lagerung von Kupfer an der Umgebungsluft bildet sich auf der Kupferoberfläche regelmäßig eine dünne Oxidschicht. So auch auf der Oberfläche der Leiterstäbe während der Lagerung vor dem Einsetzen in das Blechpaket. Die Fachwelt geht bislang davon aus, dass eine solche Oxidschicht nachteilig ist, weil sie eine elektrisch isolierende Barriere zwischen dem Kupfer der Leiterstäbe und dem Aluminium der Kurzschlussringe darstellt. Es wird daher versucht, die Bildung dieser Oxidschicht zu verhindern, bzw. sie zu entfernen. Die eingangs genannte, gattungsbildende Druckschrift schlägt hierzu eine Beschichtung der Leiterstäbe, insbesondere durch Galvanisierung vor. Als Beschichtungsmaterial wird dasselbe Material vorgeschlagen, aus dem auch die Kurzschlussringe gefertigt sind, d. h. typischerweise Aluminium.
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Die
JP H 102 34 166 offenbart ein Entfernen der Oxidschicht beim Einsetzen der Kupferstäbe in die Axialkanäle des Blechpaketes.
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Aus der
DE 10 2015 102 420 A1 ist es bekannt, im Nachgang zu dem Umgießungsprozess eine hochfrequente Vibration zwischen den umgossenen Leiterstäben und den Kurzschlussringen anzuregen, um durch eine reibschweißähnliche Wechselwirkung eine die Oxidschicht überbrückende, innige Verbindung der Materialien zu erreichen.
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Bei allen mit derartigen Verfahren hergestellten Rotoren zeigt sich der Nachteil, dass an der Materialgrenze im Laufe der Zeit Kontaktkorrosionen auftreten, die die elektrische Verbindung und damit die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine auf Dauer deutlich reduzieren.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen gattungsgemäßen Rotor sowie ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors derart zu verbessern, dass die resultierende, elektrische Asynchronmaschine länger ihre Leistungsfähigkeit behält.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Vormodul vor dem Schritt des Umgießens in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre auf eine Zieltemperatur zwischen 200°C und 300°C, bevorzugt zwischen 200°C und 250°C, besonders bevorzugt zwischen 200°C und 220°C aufgeheizt wird.
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Dies führt zu einem Rotor mit den Merkmalen von Anspruch 7, der sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sich im Grenzbereich zwischen den Leiterstäben und den Kurzschlussringen eine Oxidschicht einer Dicke zwischen 2 und 10 µm befindet.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Entgegen dem Vorurteil der Fachwelt haben die Erfinder festgestellt, dass eine Oxidschicht auf der Oberfläche der Leiterstäbe im Hinblick auf die Leitfähigkeitsbeeinträchtigung keineswegs so nachteilig ist, wie bislang angenommen; andererseits ist es die Erkenntnis der Erfinder, dass eine sinnvoll dimensionierte Oxidschicht, insbesondere eine Kupferoxidschicht, die langfristig deutlich nachteiligere Kontaktkorrosion zwischen den unterschiedlichen Materialien zu unterbinden hilft. Die praktische Realisierung dieser Erkenntnis besteht darin, das aus Blechpaket und Leiterstäben vorgefertigte Vormodul vor dem Umgießungsprozess in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, die bspw. die normale Umgebungsluft sein kann, vorzuglühen, d. h. auf eine Temperatur zwischen 200°C und 300°C aufzuheizen. Hierbei bildet sich eine Oxidschicht auf der Oberfläche der Kupferstäbe die einerseits dicker ist, als die bei der normalen Lagerung bei Raumtemperatur entstehende Oxidschicht. Andererseits scheint sie auch stabiler zu sein und eine zuverlässige Trennung der Materialien Kupfer und Aluminium zu gewährleisten, sodass die gefürchtete Kontaktkorrosion dauerhaft unterbunden wird. Eine überraschende, weitere Erkenntnis der Erfinder liegt darin, dass eine derart ausgebildete Oxidschicht lediglich mit einer unwesentlichen Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit des Materialübergangs verbunden ist. Insbesondere überwiegt der Vorteil der gewonnenen, Kontaktkorrosionsfestigkeit den Nachteil der Leitfähigkeitsverringerung bei weitem. Dadurch gewinnen die resultierenden Asynchronmaschinen ohne wesentliche Einbußen an Gesamtleistung erheblich an Leistungsstabilität über die Zeit.
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Es ist ausreichend, das Vormodul insgesamt auf die genannte Zieltemperatur zu erwärmen. Es ist nicht erforderlich, diese Zieltemperatur über definierte, längere Zeiten beizubehalten. Nach Ausbildung einer stabilen Oxidschicht, so die Erkenntnis der Erfinder, bringt eine längere Aufrechterhaltung der Vorglühtemperatur keine weiteren Vorteile.
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Allerdings hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Schritt des Umgießens unverzüglich nach Erreichen der Zieltemperatur einzuleiten. Dies bedeutet, dass der Umgießprozess an einem auf Zieltemperatur (oder - bedingt durch evtl. Transportwege zwischen verschiedenen Bearbeitungsstationen - geringfügig darunter) befindlichen Vormodul durchgeführt wird. Dies beeinflusst den Umgießungsprozess vorteilhaft, da die Aluminiumschmelze weniger schnell erstarrt und tiefer in die Montagespalte zwischen den Leiterstäben und dem Blechpaket eindringen kann. Zudem wird die Ausbildung von Lunkern, d. h. erstarrungsbedingt auftretenden Hohlräumen, im vergossenen Material verhindert bzw. deutlich reduziert. Speziell solche Lunker sind bevorzugte Angriffsziele der o. g. Kontaktkorrosion.
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Der Gießprozess wird deutlich vereinfacht, wenn die Leiterstäbe, wie bevorzugt vorgesehen, in dem Blechpaket axialgesichert sind, d. h. wenn das Vormodul eine in sich stabile und daher leicht handhabbare Einheit bildet. Dies kann durch Klemmen, also kraftschlüssig, durch Verlöten, Verschweißen oder Verkleben, also materialschlüssig, oder - bevorzugt - formschlüssig erfolgen.
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Zur formschlüssigen Axialsicherung kann vorgesehen sein, dass wenigstens einige der Leiterstäbe Formschlusselemente aufweisen, die mit korrespondierenden Formschlusselementen der beiden axial äußersten Bleche des Blechpaketes zur Bildung eines axial sichernden Formschlusses wechselwirken. Bspw. können die Leiterstäbe Quernuten aufweisen, in die korrespondierende Federlaschen der jeweils äußersten Bleche einrasten. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Verprägung der Leiterstäbe mit den äußersten Blechen, bspw. durch axiale Stauchung der Leiterstäbe, vorgesehen sein.
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Denkbar ist jedoch auch, dass wenigstens einige der Leiterstäbe Formschlusselemente aufweisen, die mit korrespondierenden Formschlusselementen eines oder mehrerer sich gegen die beiden axial äußersten Bleche des Blechpaketes abstützender Sicherungselemente zur Bildung eines axial sichernden Formschlusses wechselwirken. Bspw. können auch hier die Leiterstäbe mit Quernuten versehen sein, in die nach radial innen gerichtete Laschen eines offenen Federrings eingeschoben werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Blechs zum Aufbau eines Asynchronmaschi nen- Rotors,
- 2 eine schematische Darstellung eines Stapelverfahrens zum Aufbau eines Blechpaketes,
- 3 eine erste Ausführungsform einer Axialsicherung zwischen Leiterstab und Blechpaket,
- 4 eine zweite Ausführungsform einer Axialsicherung zwischen Leiterstab und Blechpaket,
- 5 eine dritte Ausführungsform einer Axialsicherung zwischen Leiterstab und Blechpaket,
- 6 eine vierte Ausführungsform einer Axialsicherung zwischen Leiterstab und Blechpaket,
- 7 eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Ausführungsformen von 5 und 6,
- 8 eine schematische Darstellung eines Vorglühschrittes,
- 9 eine schematische Darstellung eines Umgießungsprozesses,
- 10 eine Draufsicht auf einen Asynchronmaschinen-Rotor sowie
- 11 eine Schnittdarstellung des Rotors von 10 entlang der Schnittlinie XI-XI.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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Die 10 und 11 zeigen eine Drauf- bzw. eine Schnittansicht eines Rotors 10 für eine im Übrigen nicht dargestellte elektrische Asynchronmaschine. Die Darstellungen der 10 und 11 sind nicht detailgetreu genug, um Besonderheiten der vorliegenden Erfindung erkennbar zu machen. Sie dienen lediglich der Orientierung zum besseren Verständnis der nachfolgenden, speziellen Beschreibung. Der Rotor 10 umfasst ein Blechpaket 12, welches aus gestapelten Einzelblechen 14, 15 aufgebaut ist. Mit dem Bezugszeichen 15 sind die beiden axial äußersten, hier auch als Außenbleche bezeichneten Bleche und mit dem Bezugszeichen 14 alle übrigen Bleche versehen. Die Bleche 14, 15 weisen über ihren Umfang verteilt eine Mehrzahl von als Langlöchern ausgebildeten Durchgangsausnehmungen 16 auf, die miteinander fluchten und so über die Länge des Blechpaketes 12 erstreckte Axialkanäle 18 bilden. In den Axialkanälen 18 sind Leiterstäbe 20 passig angeordnet. Die Leiterstäbe 20 bestehen vorzugsweise aus Kupfer. Sie stehen axial über das Blechpaket 12 über. Im überständigen Bereich sind sie mittels eines gegossenen Kurzschlussrings 22, vorzugsweise aus Aluminium, elektrisch leitend miteinander verbunden. In ihrem Zentralbereich weisen die Bleche 14, 15 eine kreisförmige Zentralausnehmung 24 auf, die über die Länge des Blechpaketes 14 einen hohlzylindrischen Zentralkanal bildet.
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1 zeigt ein einzelnes derartiges Blech 14, 15.
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2 zeigt das bevorzugte Stapelverfahren zum Aufbau des Blechpaketes 12. Hierzu werden wenigstens einige der Leiterstäbe 20 entsprechend ihrer finalen Relativposition in einer Hilfsvorrichtung 26 fixiert. Im Anschluss werden die Bleche 14, 15 entsprechend dem Bewegungspfeil 28 mit ihren Durchgangsausnehmungen 16 auf die freien Enden der Leiterstäbe 20 aufgefädelt und soweit wie möglich aufgeschoben. Hierdurch wird jedes einzelne Blech 14, 15 in seine korrekte Winkelausrichtung gezwungen. Eventuelle Verwerfungen der Bleche 14, 15 können bei diesem Vorgehen durch vergleichsweise geringfügig erhöhten Kraftaufwand gerichtet werden.
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Die äußersten Bleche 15 sind formschlüssig mit wenigstens einigen der Leiterstäbe 20 verbunden. Die 3 bis 7 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen eines derartigen Formschlusses.
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Bei der Ausführungsform von 3 weist das Außenblech 15 im Bereich seiner Durchgangsausnehmung 16 eine nach innen ragende Federlasche 30 auf, die in eine Quernut 32 des Leiterstabes 20 hineinragt. Beim Aufschieben des Außenbleches 15 wird die Federlasche 30 ausgelenkt und schleift beim Aufsetzen an der Außenwand des Leiterstabs 20. In der Finalposition des Außenblechs 15 hat die Federlasche 30 die Quernut 32 erreicht und schnappt in diese ein. Hierdurch wird eine Axialsicherung zwischen dem Leiterstab 20 und dem Außenblech 15 geschaffen. Eine weitere Axialsicherung des gleichen Leiterstabes 20 mit dem Außenblech 15 am anderen, nicht dargestellten Ende des Blechpaketes 12, führt insgesamt zu einer Relativfixierung der Bleche 14, 15 zueinander. Es ergibt sich ein leicht handhabbares und transportierbares Vormodul, welches insbesondere einer Umgießungsstation zur Ausbildung der Kurzschlussringe 22 zugeführt werden kann.
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2 zeigt eine andere Form einer Axialsicherung zwischen dem Leiterstab 20 und dem Außenblech 15. Hier unterscheidet sich das Außenblech 15 in seiner Form nicht von den übrigen Blechen 14. Vielmehr weist der Leiterstab 20 eine Verdickung 34, allgemeiner einen Lateralvorsprung, auf, die den Rand der Durchgangsausnehmung 16 hintergreift. Eine derartige Verdickung 34 kann bspw. als Verprägung, z. B. durch axiale Stauchung des Leiterstabes 20 erzeugt werden.
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Die Ausführungsformen der 3 und 4 repräsentieren jeweils einen unmittelbaren Formschluss zwischen dem Leiterstab 20 und dem Außenblech 15.
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Die 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsformen eines mittelbaren Formschlusses zwischen dem Leiterstab 20 und dem Außenblech 15. Auch bei dieser Ausführungsform weisen die Leiterstäbe 32 eine Quernut 32 auf, wobei die Darstellungen der 5 und 6 jeweils eine Schnittdarstellung auf Höhe dieser Quernuten 32 repräsentieren.
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Bei der Ausführungsform von 5 umgreift ein Sicherungselement 36 den breitesten Bereich des Querschnitts des Leiterstabes 20. Es weist nach innen ragende Laschen 38 auf, die in die Quernut 32 hineinragen. Mit seinem Grundkörper 40 stützt sich das Sicherungselement 36 am Außenblech 15 ab und bietet so eine einseitige Axialsicherung.
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Bei der Ausführungsform von 6 ist ein Sicherungselement 42 vorgesehen, welches einen ebenfalls offen ringförmigen Grundkörper 44 aufweist, der bei dieser Ausführungsform allerdings sämtliche Leiterstäbe 20 umgreift. Jeder der Leiterstäbe 20 weist an seinem radial äußeren Ende eine Quernut auf, in die eine Lasche 46 des Sicherungselementes 42 hineinragt und auf diese Weise eine einseitige Axialsicherung gewährleistet. Denkbar sind auch Ausführungsformen, bei den das Sicherungselement 42 radial innerhalb der Leiterstäbe 20 angeordnet ist und nach radial außen in entsprechende Quernuten 32 ragende Laschen 46 aufweist.
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Alle im Kontext der 5 und 6 genannten Sicherungselemente 36, 42 können in besonders vorteilhafter Weise gemäß 7 gestaltet sein. Ihr Grundkörper 40, 44 ist zu seinem äußeren Rand hin von der Anlagefläche zum Außenblech 15 abgebogen. Hierdurch ergibt sich eine Lücke zwischen diesem Bereich des Grundkörpers 40, 44 und dem Außenblech 15. Beim Umgießungsprozess zur Herstellung des Kurzschlussringes 22 läuft flüssiges Kurzschlussringmaterial, insbesondere Aluminium, in diese Lücke und bildet einen axial sichernden Formschluss zwischen dem Kurzschlussring 22 und dem Sicherungselement 36, 42, mithin zwischen dem Kurzschlussring 22 und dem Leiterstab 20. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Leiterstäbe Ausnehmungen, z.B. Nuten oder Durchgangsbohrungen aufweisen, in die Kurzschlussringmaterial fließen und einen unmittelbaren Formschluss zwischen den Leiterstäben und dem Kurzschlussring ausbilden kann.
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8 zeigt ein Vormodul, umfassend das Blechpaket 12 mit den darin axial fixierten Leiterstäben 20. Vorteilhafterweise wird dieses Vormodul in seiner Gesamtheit auf eine Zieltemperatur zwischen 200°C und 300°C erhitzt. In 8 ist repräsentativ eine Zieltemperatur von 220°C gezeigt. Durch dieses Vorglühen bildet sich eine mehrere Mikrometer dicke Oxidschicht auf den Leiterstäben 20. Beim nachfolgenden, in 9 skizzierten Umgießungsprozess zur Ausbildung der Kurzschlussringe 22, bei dem eine Gießform 48 auf die überstehenden Enden der Leiterstäbe 20 aufgesetzt und mit verflüssigtem Kurzschlussringmaterial, insbesondere Aluminium 50, gefüllt wird, führt die erhöhte Temperatur des Vormoduls zu einem tieferen Eindringen der Schmelze, in Spalte zwischen den Leiterstäben 20 und den Blechen 14, 15, wobei die Entstehung von Lunkern vermieden wird. Zudem sorgt die vorgenannte Oxidschicht für die Ausbildung einer Barriere, die Kontaktkorrosion an der Grenzfläche zwischen dem Kupfer der Leiterstäbe und dem Aluminium der Leiterstäbe 22 verhindert.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rotor
- 12
- Blechpaket
- 14
- Blech
- 15
- Außenblech
- 16
- Durchgangsausnehmung
- 18
- Axialkanal
- 20
- Leiterstab
- 22
- Kurzschlussring
- 24
- Zentralausnehmung
- 26
- Montagehilfsvorrichtung
- 28
- Bewegungspfeil
- 30
- Federlasche
- 32
- Quernut
- 34
- Lateralvorsprung / Verdickung
- 36
- Sicherungselement
- 38
- Lasche
- 40
- Grundkörper
- 42
- Sicherungselement
- 44
- Grundkörper
- 46
- Lasche
- 48
- Gussform
- 50
- Kurzschlussringmaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009034647 A1 [0003]
- JP H10234166 [0007]
- DE 102015102420 A1 [0008]
