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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Asynchronmotors, einen Rotor für einen Asynchronmotor sowie einen Asynchronmotor, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs.
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Aus dem Stand der Technik sind diverse elektrische Maschinen bekannt, die einen Rotor und einen Stator umfassen, unter anderem Asynchronmotoren.
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Asynchronmotoren, oder auch Drehstrom-Asynchronmaschinen, sind Drehstrommaschinen, bei welchen der Rotor dem Drehfeld des Stators bei Betrieb der elektrischen Maschine als Generator vorläuft und bei Betrieb der elektrischen Maschine als Elektromotor nachläuft.
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Der Rotor wird dabei auch als passiver Läufer bezeichnet und kann entweder ständig oder fallweise kurzgeschlossen sein.
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Bei ständigem Kurzschließen ist der Rotor als sogenannter Kurzschlussläufer ausgeführt.
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Kurzschlussläufer umfassen einen Kurzschlusskäfig aus elektrisch leitfähigen Stangen und Kurzschlussringen sowie mehrere Bleche bzw. zumindest ein Blechpaket, wobei die Bleche in der Regel durch einen Stanzprozess hergestellt werden und das zumindest eine Blechpaket im Wesentlichen den Körper des Rotors ausbildet. Die Stangen sind dabei in Öffnungen in den Blechen angeordnet, wobei deren Längserstreckungsrichtung durch den Rotorkörper zumindest eine axiale Komponente aufweist. An den axialen Stirnseiten des Rotors ist jeweils ein Kurzschlussring angeordnet und mit einer jeweiligen, aus einer Öffnung eines axial endseitigen Blechs hervorstehenden Stange verbunden.
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In einer ersten Möglichkeit, derartige Kurzschlussläufer herzustellen, werden die Stangen und Kurzschlussringe als separate Bauteile produziert und die Stangen durch die Öffnungen in den Blechen hindurchgeführt. Daraufhin werden die Stangen mit einem jeweils axial stirnseitig am Rotorkörper angeordneten Kurzschlussring verlötet oder verschraubt zwecks Ausbildung des Kurzschlusskäfigs und Sicherung der Position der Stangen und der Kurzschlussringe in Bezug zu den Blechen. Dabei sind die Stangen und Kurzschlussringe meist aus dem gleichen Material ausgebildet.
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Eine weitere Herstellungsmöglichkeit sieht vor, dass die Bleche zusammengesetzt und als Blechstapel in eine Gießform eingesetzt werden. In einem nachfolgenden Gussprozess, üblicherweise einem Druckgussverfahren, wird das Material der Stangen und Kurzschlussringe als Gussmaterial eingebracht, um die Kurzschlussringe sowie die Stangen als ein gemeinsames Element zu gießen.
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Beim Gießen des Kurzschlussläufers können allerdings Lunker und/oder Poren im Material des Kurzschlussläufers entstehen. Insbesondere bei Verwendung von zumindest nahezu reinem Aluminium als Gussmaterial bei dem zweiten der beiden Verfahrensalternativen können diese Fehler im Material gehäuft auftreten.
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Derartige Fehlstellen können dabei sowohl im Kurzschlussring als auch in den Stangen auftreten. Die Lunker und/oder Poren in den Kurzschlussringen stellen Materialfehler dar, so dass bei Betrieb des Asynchronmotors, unter rotationsbedingter Einwirkung von Fliehkräften auf den Kurzschlussring, die Gefahr besteht, dass sich der Kurzschlussring in unzulässiger Weise verformt oder sogar reißt. Zudem besteht aufgrund von Lunkern und/oder Poren in den Stangen gegebenenfalls das Problem, dass sich in einer betroffenen Stange bei Stromfluss durch den Kurzschlussläufer ein großer elektrischer Widerstand aufbaut, was neben elektrischer Ineffizienz zu einer starken Temperaturerhöhung in dieser Stange führt, bis hin zu einem Schmelzen der jeweiligen betroffenen Stange.
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Zur Herstellung eines Kurzschlussläufers ist folglich eine entsprechend umfangreiche bzw. genaue Prüfung und Kontrolle des Kurzschlussläufers notwendig. Gegenwärtige Verfahren zur Herstellung des Kurzschlussläufers sind somit mit einem großen verfahrenstechnischen Aufwand verbunden.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Asynchronmotors, einen Rotor für einen Asynchronmotor sowie einen mit einem Rotor ausgestatteten Asynchronmotor zur Verfügung zu stellen, die verfahrenstechnisch einfach und effizient durchführbar sind und die Herstellung eines Rotors mit langer Lebensdauer gewährleisten.
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Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Asynchronmotors nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Ergänzend wird ein Rotor für einen Asynchronmotor gemäß Anspruch 9 zur Verfügung gestellt.
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Zudem wird ein Asynchronmotor, umfassend einen gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Rotor oder ein Rotor gemäß Anspruch 9 zur Verfügung gestellt.
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Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Begriffe „axial“, „radial“ und „Umfangsrichtung“ beziehen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer auf die Rotationsachse des Rotors.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Asynchronmotors. Bei dem Verfahren werden ein Rotorkörper mit mehreren, mit zumindest einer Komponente ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung achsparallel durchgehend verlaufenden Öffnungen sowie mehrere Stangen aus elektrisch leitfähigem Material zur Verfügung gestellt. In eine jeweilige Öffnung wird jeweils wenigstens eine Stange eingesteckt, und die jeweilige eingesteckte Stange wird mit einer entlang ihrer Längs-Erstreckungsrichtung, im Wesentlichen axial verlaufenden Druckkraft beaufschlagt, sodass die Stange gestaucht wird. Als Folge davon wird die Querschnittsform der Stange geändert und/oder die Querschnittsfläche der Stange vergrößert.
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Der Rotor ist somit ein Kurzschlussläufer und die Stangen sind Bestandteil eines Kurzschlusskäfigs des Kurzschlussläufers. Der Rotorkörper ist im Wesentlichen ein Blechpaket oder auch ein aus mehreren Blechpaketen assembliertes Modul.
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Ein Blechpaket wird insbesondere aus mehreren identischen, gestanzten Blechen hergestellt, wobei ein jeweiliges Blech im Wesentlichen ringförmig ausgestaltet ist und die Bleche koaxial zueinander angeordnet sind, so dass das Blechpaket im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgestaltet ist.
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Die in den Blechen realisierten Öffnungen werden beim Positionieren der Bleche zu einem Blechpaket in Bezug auf deren jeweilige Winkelpositionen zueinander derart angeglichen, dass in axialer Richtung zumindest eine bereichsweise Überdeckung der Öffnungen zumindest unmittelbar zueinander benachbarter Bleche realisiert ist. Dadurch werden lang gestreckte Öffnungen bzw. Hohlräume oder auch Kanäle im Rotorkörper erzeugt.
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Insbesondere kann anstelle eines achsparallelen Verlaufs der Öffnungen vorgesehen sein, dass die einzelnen Bleche derart zueinander in Umfangsrichtung verdreht sind, dass der axiale Verlauf der Öffnungen durch den Rotorkörper neben einer Erstreckungskomponente in axialer Richtung auch eine Erstreckungskomponente tangential zur Umfangsrichtung aufweist. Damit ist jedoch natürlich nicht ausgeschlossen, dass auch ein im Wesentlichen achsparalleler Verlauf der Öffnungen und damit auch der Stangen durch den Rotorkörper realisiert sein kann.
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Zudem kann eine Anpassung der Winkelpositionen der Bleche zueinander dazu dienen, dass radial innen von den Blechen ausgebildete Verzahnungen zueinander passen und gemeinsam ein Innenverzahnungsprofil ausbilden, mittels welchem das hohlzylinderförmige Blechpaket auf einer Welle mit einem komplementär zum Innenverzahnungsprofil des Blechpakets ausgestalteten Außenverzahnungsprofil drehfest anordbar ist.
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Die Öffnungen verlaufen von einer axialen Stirnseite des Rotorkörpers zur gegenüberliegenden axialen Stirnseite des Rotorkörpers.
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Die Bleche sind auf ihren axialen Seiten mit gegebenenfalls Isolationslack beschichtet, der jedoch beim Einstecken der Stangen in die Öffnungen oder beim Stauchen der Stangen nicht beschädigt wird.
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Die Bleche bzw. das Blechpaket sind vorzugsweise zumindest teilweise aus Stahl hergestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung des Rotors des Asynchronmotors bei maximaler Qualitätssicherung aufgrund dessen, dass die wesentlichen Komponenten des Rotors als Einzelteile hergestellt werden können und entsprechend bei ihrer Produktion bzw. danach überwacht und kontrolliert werden können. Erst im Rotorkörper erfolgt eine finale Positionierung und Befestigung der einzelnen Komponenten aneinander. Bei dieser finalen Positionierung lässt sich erfindungsgemäß den Stangen ein derartiges Profil geben, dass sie optimal die Öffnungen im Rotorkörper ausfüllen und zur Optimierung der elektrischen Eigenschaften und einer langen Lebensdauer des Rotors beitragen.
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Die Querschnittsform einer jeweiligen Stange ist dabei vorzugsweise bereits der Querschnittsform einer jeweiligen Öffnung weitestgehend angepasst, sodass die Stangen auch schon vor dem Stauchen im Querschnitt eine leichte V-Form bzw. ein spitzwinkliges, im Wesentlichen gleichschenkliges Dreieck ausbilden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens ragt eine jeweilige zu stauchende Stange vor der Stauchung axial zumindest einseitig, insbesondere beidseitig, über den Rotorkörper hinaus.
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Dies dient insbesondere dazu, in einfacher Weise Druckwerkzeuge ansetzen zu können, um eine für die Stauchung notwendige axial verlaufende Druckkraft in die Stange einzuleiten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ragt eine jeweilige Stange nach der Stauchung axial zumindest einseitig, insbesondere beidseitig, über den Rotorkörper hinaus.
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Dabei ragt eine jeweilige Stange nach der Stauchung entsprechend weniger weit aus dem Rotorkörper heraus als vor der Stauchung. Es ist jedoch zwecks mechanischer Verbindung mit stirnseitig anzuordnenden Kurzschlussringen des Kurzschlusskäfigs vorteilhaft, wenn auch nach der Stauchung eine jeweilige Stange aus dem Rotorkörper mit einem kurzen Abschnitt herausragt. Insbesondere kann dieser kurze Abschnitt eine axiale Erstreckung von weniger als einem Millimeter aufweisen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Stangen vor der Stauchung zwecks Minderung zumindest einer Festigkeitseigenschaft erwärmt.
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Diese Ausgestaltung des Verfahrens ermöglicht eine Stauchung und Formänderung bzw. Querschnittsflächenvergrößerung der Stangen mit geringerem Energieeinsatz, da geringere Kräfte notwendig sind, um diese Änderungen zu bewirken. Stangenmaterial mit einer geminderten Festigkeitseigenschaft kann bei Stauchung zudem leichter auch engere Bereiche der Öffnungen erreichen, wie zum Beispiel spitz zulaufende Ecken von im Querschnitt dreiecksförmig ausgestalteten Öffnungen. Vorzugsweise werden die Stangen dabei auf eine Temperatur erhitzt, die unterhalb einer Temperatur liegt, welche den Rotorkörper einer nachteiligen Wärmebelastung aussetzt.
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Insbesondere erfolgt die Erwärmung der Stangen mittels elektrischer Widerstandserwärmung, wenn diese in den Öffnungen des Rotorkörpers positioniert sind.
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Derart lässt sich sehr schnell im Anschluss an die Erwärmung die Stauchung vornehmen und entsprechend eine zeitbedingte Abkühlung der Stangen im Wesentlichen vermeiden.
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Dabei ist die Erfindung jedoch nicht darauf eingeschränkt, die Erwärmung der in den Öffnungen des Rotorkörpers positionierten Stangen zwingend mittels elektrischer Widerstandserwärmung zu realisieren. Ebenso ist es nicht zwingend notwendig, dass die Stangen bei Erwärmung mittels elektrischer Widerstandserwärmung bereits in den Öffnungen des Rotorkörpers positioniert sind.
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In einer ergänzenden Ausführungsform werden die Stangen auf eine derartige Temperatur erwärmt, dass Poren und/oder Lunker im Stangenmaterial bei der Stauchung reduziert und/oder verkleinert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden axiale Enden der in den Öffnungen angeordneten Stangen mit einem Kurzschlussring mechanisch und elektrisch leitfähig verbunden.
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Das bedeutet, dass die Stangenenden an einer ersten axialen Seite des Rotorkörpers mit einem ersten Kurzschlussring mechanisch verbunden werden, und die Stangenenden an einer zweiten axialen Seite des Rotorkörpers mit einem zweiten Kurzschlussring mechanisch verbunden werden.
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Gemäß einer ergänzenden Ausführungsform wird der Kurzschlussring mittels Reibschweißen mit Enden der in den Öffnungen angeordneten Stangen verbunden. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Rotorkörper mit den darin angeordneten Stangen drehfest angeordnet wird und der Kurzschlussring in Bezug zum Rotorkörper rotiert.
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Es wird somit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Stangen und dem jeweiligen Kurzschlussring realisiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Asynchronmotors weist den Vorteil auf, dass auf verfahrenstechnisch einfache und effiziente Art und Weise ein Rotor herstellbar ist, der eine lange Lebensdauer aufweist.
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Dadurch, dass die Kurzschlussscheiben und Stangen des Kurzschlusskäfigs des Rotors erst bei der Herstellung des gesamten Rotors zusammengesetzt werden, können diese einzelnen Bestandteile unabhängig voneinander hergestellt werden. Entsprechend kann eine Kontrolle bzw. Prüfung und Überwachung der Kurzschlussscheiben und Stangen noch vor deren Montage erfolgen, was es ermöglicht, auf eine Vielzahl an zuverlässigen und/oder wenig aufwändigen Prüfverfahren zurückgreifen zu können. Zudem kann sichergestellt werden, dass Lunker und Poren in den Bestandteilen des Kurzschlusskäfigs zuverlässig erkannt werden.
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Außerdem ist es durch die separate Herstellung der Kurzschlussscheiben und Stangen möglich, schon bei der Wahl des Herstellungsverfahrens sowie der Durchführung derselben das Risiko der Lunker- und Porenbildung zu minimieren. Weiterhin ist es damit möglich, für die Kurzschlussscheiben und die Stangen unterschiedliche Materialien zu verwenden.
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Prüf- und Herstellungsverfahren der Kurzschlussscheiben und Stangen können zudem freier gewählt werden und z.B. auf die zur Verfügung stehenden Prüf- oder Herstellungsanlangen an einem jeweiligen Fertigungsstandort angepasst werden.
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Des Weiteren wird erfindungsgemäß ein Rotor für einen Asynchronmotor zur Verfügung gestellt, der einen Rotorkörper mit mehreren, mit zumindest einer Komponente ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung achsparallel durchgehend verlaufenden Öffnungen sowie darin angeordneten axial gestauchten Stangen aus elektrisch leitfähigem Material aufweist. Die Stangen sind an beiden Enden mit jeweils einem Kurzschlussring mechanisch und elektrisch leitfähig verbunden.
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Der Rotorkörper ist dabei im Wesentlichen aus einem Blechpaket oder auch mehreren Blechpaketen hergestellt, durch die die Öffnungen verlaufen.
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Zudem wird erfindungsgemäß ein Asynchronmotor, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rotor oder einen erfindungsgemäßen Rotor zur Verfügung gestellt.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
- 1: ein erfindungsgemäßer Rotor in einem ersten Verfahrensschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Rotors und
- 2: der erfindungsgemäße Rotor in einem zweiten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Rotors.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Rotor 1 in einem ersten Verfahrensschritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Rotors 1 dargestellt.
Bei dem hier gezeigten Rotor 1 handelt es sich um einen Kurzschlussläufer, wobei die Darstellung des Rotors 1 lediglich schematischer Art ist.
Der Rotor 1 umfasst in diesem Verfahrensschritt einen Rotorkörper 10 sowie Stangen 20 eines Kurzschlusskäfigs. Der Rotorkörper 10 ist aus mehreren zu einem Blechpaket zusammengesetzten Blechen ausgebildet und weist im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders auf, wobei der Rotorkörper 10 dazu eingerichtet ist, mit seiner radialen Innenseite 13 auf einer radialen Außenseite einer Welle (hier nicht dargestellt) angeordnet zu werden, zwecks Realisierung eines mit dem Rotor 1 ausgestatteten Abtriebs eines Asynchronmotors. Eine hier aufgrund der schematischen Art der Darstellung nicht erkennbare Innenprofilverzahnung auf der radialen Innenseite 13 des Rotorkörpers 10 steht dazu mit einer komplementär ausgeführten Außenprofilverzahnung auf der radialen Außenseite der Welle in Eingriff. Der Rotorkörper 10 umfasst mehrere Öffnungen 11, welche sich im Wesentlichen in axialer Richtung durch den gesamten Rotorkörper 10 erstrecken, wobei in einer jeweiligen Öffnung 11 eine Stange 20 angeordnet ist.
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Die Öffnungen 11 weisen hier im Querschnitt im Wesentlichen die Form eines gleichschenkligen Dreiecks auf und sind in regelmäßigen Winkelabständen am Umfang des Rotorkörpers 10 in Bezug zu einer Rotationsachse 2 des Rotors 1 angeordnet.
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In dem ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Rotors 1 werden die in den Öffnungen 11 angeordneten Stangen 20 entlang ihrer Längs-Erstreckungsrichtungen mit jeweils einer im Wesentlichen axial verlaufenden Druckkraft beaufschlagt, sodass eine jeweilige Stange 20 gestaucht wird und als Folge davon die Querschnittsform der Stange 20 geändert und/oder die Querschnittsfläche der Stange 20 vergrößert wird. Die Querschnittsform bzw. -größe einer jeweiligen Stange 20 passt sich dabei der Querschnittsform bzw. -größe einer jeweiligen Öffnung 11 an, in welcher sie angeordnet ist. Dieses Einpressen der Stangen 20 in die Öffnungen 11 realisiert somit eine formschlüssige und vorzugsweise feste Verbindung zwischen den Stangen 20 und dem Rotorkörper 10.
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In 1 ist der Rotor 1 in einem Zustand dieses ersten Verfahrensschritts dargestellt, in welchem die Stangen 20 sich bereits vollständig der Querschnittsform der Öffnungen 11 angepasst haben. Dabei ragen die Stangen 20 an einer Stirnseite 12 des Rotorkörpers 10 sowie an der anderen, hier nicht ersichtlichen Stirnseite des Rotorkörpers 10 mit ihren axialen Enden 21 aus den Öffnungen 11 hervor. Diese hervorstehenden axialen Enden 21 der Stangen 20 dienen in einem zweiten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Rotors 1 dem Anschluss von Kurzschlussringen.
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Dieser zweite Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Rotors 1 ist in 2 gezeigt.
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Wie auch 1, ist die Darstellung in 2 lediglich schematischer Art.
Auf einer jeweiligen Stirnseite 12 des Rotorkörpers 10 wird ein Kurzschlussring 22 angeordnet. Die radiale Erstreckung des Kurzschlussrings 22 ist größer als die radiale Erstreckung der hier vom Kurzschlussring 22 verdeckten Stangen, so dass eine jeweilige Stange mit ihrer gesamten stirnseitigen Fläche an der dem Rotorkörper 10 zugewandten axialen Seite des Kurzschlussrings 22 anliegt. Der Kurzschlussring 22 wird koaxial zum Rotor 1 auf die hervorstehenden, axialen Enden der Stangen aufgesetzt und in Richtung des Rotorkörpers 10 mit einer Druckkraft beaufschlagt. Der Rotorkörper 10 mit den darin fest angeordneten Stangen wird drehfest gehalten und der Kurzschlussring 22 relativ zum Rotorköper 10 in Rotation versetzt. Die Relativdrehung ist anhand von Pfeilen verdeutlicht. Durch das damit realisierte Reibschweißen wird folglich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Stangen und dem Kurzschlussring 22 realisiert, wodurch der Kurzschlusskäfig des Rotors 1 ausgebildet wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Asynchronmotors sowie dem erfindungsgemäßen Rotor für einen Asynchronmotor und dem erfindungsgemäßen Asynchronmotor lässt sich verfahrenstechnisch einfach und effizient ein Rotor mit langer Lebensdauer herstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Rotationsachse
- 10
- Rotorkörper
- 11
- Öffnung
- 12
- Stirnseite des Rotorkörpers
- 13
- radiale Innenseite des Rotorkörpers
- 20
- Stange
- 21
- axiales Ende der Stange
- 22
- Kurzschlussring
