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Die
Erfindung betrifft einen Kurzschlußläufer nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1, wie er beispielsweise aus der
DE 196 26 807 C1 als bekannt hervorgeht.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Kurzschlußläufers.
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Herkömmlicherweise
werden Kurzschlußläufer durch
ein Gußverfahren
hergestellt, bei dem ein mit Nuten versehenes Läuferblechpaket in ein Gießwerkzeug
eingelegt und mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff umgossen wird.
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Die
gattungsbildenden
DE
196 26 807 C1 schlägt
vor, die beiden Kurzschlußringe
mit den Kurzschlußstäben durch „Reibschweißen” oder durch „Ultraschallschweißen” zu verbinden.
Allerdings ist aus der
DE
196 26 807 C1 nicht entnehmbar, wie dies funktionieren
soll: Die Verbindungsbereiche zwischen Kurzschlußringen und Kurzschlußstäben sind nämlich in
einer solchen Weise gestaltet, daß die einander zugewandten
Oberflächen
der beiden Kurzschlußringe
Sacklöcher
aufweisen, in die die jeweiligen Enden der Kurzschlußstäbe vor dem
Verschweißen
eingeführt
werden. Eine solche Konstruktion ist nicht geeignet, mittels Reibschweißen gefügt zu werden.
Auch ist aus der
DE
196 26 807 C1 für
einen Fachmann keineswegs ersichtlich, mit Hilfe welcher Reibschweiß-Verfahrensschritte
derart in Sacklöcher eingeführte Stäbe mit den
Kurzschlußringen
elektrisch leitend und stoffschlüssig
verbunden werden können.
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Weiterhin
ist aus der
US 6 088
906 A eine Reibschweißverbindung
zwischen Kurzschlußringen und
Kurzschlußstäben bekannt,
welche durch eine rotatorische Bewegung der Kurzschlußringe erzeugt wird.
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Aus
der
JP 59-78853 U1 ist
ferner eine Verbindung zwischen Kurzschlußstäben und Kurzschlußringen
bekannt, bei welcher im Kontaktbereich des Kurzschlußrings eine
ringförmig
umlaufende Nut vorgesehen ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen reibgeschweißten Kurzschlußläufer vorzuschlagen,
der zum Einsatz in Asynchronmaschinen mit großer Leistung und hohen Umdrehungszahlen
geeignet ist und weiterhin schnell und preiswert in Großserie zu
fertigen ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Läufers vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1, 6 und 7 gelöst.
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Danach
werden die Läuferstäbe endseitig durch
(Rotations-)Reibschweißen
mit einem oder mit beiden Kurzschlußringen verbunden. Dabei wird
einer der Fügepartner
(Kurzschlußring
oder Läuferblechpaket
mit Kurzschlußstäben) gegenüber dem anderen
Fügepartner
in (makroskopische) Rotation versetzt, während der andere Fügepartner
in einer axial verschiebbaren Vorrichtung fest eingespannt ist und
gegen den rotierenden Fügepartner
gepreßt wird.
Vorteilhafterweise wird dabei das Schwungrad-Reibschweißen eingesetzt, bei dem das
feststehende Teil ohne Fremdbremsung gegen das rotierende Teil gestaucht
wird. Die gespeicherte Rotationsenergie wird zum Schweißen benutzt.
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Das
Reibschweißen
ermöglicht
eine stoffschlüssige
Verbindung und somit niedrigohmige Kontakte zwischen Läuferstäben und
Kurzschlußringen, so
daß die
Verluste im Läufer
sehr gering sind und gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit
des Läufers
gewährleistet
ist. Weiterhin erfolgt beim Reibschweißen – im Vergleich zu anderen Schweißverfahren – ein sehr
niedriger Wärmeeintrag
an der Fügestelle,
so daß lebensdauerreduzierende
Gefügeveränderungen
wirksam unterbunden werden. Schließlich ist das Reibschweißverfahren
vergleichsweise einfach und unaufwendig durchzuführen, was eine preiswerte Herstellung
der Läufer
ermöglicht.
Im Unterschied zum Ultraschallschweißen werden beim Hybrid-Reibschweißen alle
Läuferstabenden
gleichzeitig mit dem ihnen gegenüberliegenden
Kurzschlußring
verschweißt;
dadurch läßt sich
eine erhebliche Zeitersparnis erreichen.
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Um
mittels (Rotations-)Reibschweißen
prozeßsicher
eine feste Verbindung aller Läuferstabenden
mit dem Kurzschlußring
zu erreichen, muß der Verbindungsbereich
auf besondere Weise gestaltet sein: Erfindungsgemäß weist
das Läuferblechpaket im
Bereiche der Läuferstabenden
eine ringförmige Kontaktschicht
auf, in die die Enden der Läuferstäbe hineinragen.
Die Kontaktschicht ist dabei vorzugsweise in einer solchen Weise
ausgelegt, daß die Stirnseiten
der Läuferstäbe näherungsweise
bündig mit
der Stirnseite der Kontaktschicht abschließen. Die Enden der Läuferstäbe bilden
dann zusammen mit der Kontaktschicht einen geschlossenen Ringquerschnitt,
welcher während
des Reibschweißens an
der gegenüberliegenden
Fläche
des Kurzschlußrings
reibt. Durch diese Ausgestaltung der Schweißfläche als durchgehende Ringfläche entsteht
beim Reiben der beiden Fügepartner
eine homogene Wärmeverteilung,
was eine gleichmäßige Erwärmung der Fügepartner
zur Folge hat und wodurch – aufgrund der
gleichmäßig aufeinanderreibenden
Flächen – eine Oxidbildung
verhindert wird. Weiterhin entstehen geringere Kerben als ohne Kontaktschicht,
was die Lebensdauer positiv beeinflusst.
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Für die Läuferstäbe des Läufers wird
ein Strangmaterial mit vorgegebenem Querschnitt verwendet; dadurch
wird eine gleichmäßige Stromleitung
zwischen den Kurzschlußringen
durch alle Läuferstäbe hindurch
gewährleistet.
Weiterhin können – im Gegensatz
zu gegossenen Läuferkäfigen – keine Unwuchten
in den Läuferstäben auftreten,
was zu einem verbesserten Gleichlauf des erfindungsgemäßen Läufers führt. Der
Kurzschlußläufer eignet
sich somit hervorragend zum Einsatz in Asynchronmaschinen mit großer Leistung
und hohen Umdrehungszahlen.
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Zur
Herstellung eines Läuferkäfigs werden die
Läuferstäbe vor dem
Reibschweißen
in die Nuten des Blechpakets eingepreßt und sind somit während des
Reibschweißens
durch das Blechpaket fixiert. Dann wird endseitig die Kontaktschicht
aufgepreßt, die
mit Aussparungen für
die Enden der Läuferstäbe versehen
ist. Die Kontaktschicht kann durch eine kreisförmige oder ringförmi ge Scheibe
gebildet sein. Das Blechpaket wird während des Reibschweißens vorteilhafterweise
mitsamt den eingelegten Läuferstäben und
den endseitig aufgepreßten
Kontaktschichten drehfest in einem axial verschiebbaren Spannwerkzeug
gehalten. Der mit den Läuferstäben zu verschweißende Kurzschlußring wird
in Rotation versetzt und an den Enden der Läuferstäbe und der Kontaktschicht gerieben,
um eine Erhitzung der gegenüberliegenden
Bereiche und somit eine Verschweißung der Läuferstäbe und der Kontaktschicht mit
dem Kurzschlußring
zu bewirken. Beim Erreichen einer vorgegebenen Temperatur und Plastizität wird der
rotierende Kurzschlußring
gegen die im Blechpaket fixierten Läuferstäbe gedrückt, so daß eine Verschweißung dieser
Teile erreicht wird. Die Schweißparameter
(Drehzahl, Reibkraft, Brems- und
Stauchzeitpunkt etc.) hängen
dabei von der Werkstoffkombination und der Geometrie der Fügepartner
im Schweißbereich
ab.
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Alternativ
zum Rotieren des zu verschweißenden
Kurzschlußrings
gegenüber
dem stationär gehaltenen
Zusammenbau aus Blechpaket, Läuferstäben und
Kontaktschicht kann auch der Kurzschlußring stationär gehalten
werden, während
der Zusammenbau in Rotation versetzt wird.
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Vorteilhafterweise
sind die Kurzschlußringe im
Schweißbereich
mit einer ringförmig
umlaufenden Nut versehen. Diese Nut nimmt die beim Reibschweißen entstehenden
Schweißwulste
auf und gewährleistet,
daß die
Blechpakete im geschweißten
Zustand flächig
auf dem Kurzschlußring
aufliegen.
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Alternativ
können
die Kurzschlußringe
im Schweißbereich
mit einem ringförmig
umlaufenden Steg versehen sein. Die Schweißwulste werden in diesem Fall
beidseitig des Steges aus dem Schweißbereich hinausgedrängt, so
daß die
Stirnseiten des Blechpakets im Zusammenbauzustand des Läufers flächig auf
dem Steg aufliegen.
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Besondere
Vorteile lassen sich erzielen, wenn die Läuferstäbe, die Kontaktschicht und
Kurzschlußringe
aus Kupfer gefertigt werden, da Kupfer eine besonders hohe elektrische
Leitfähigkeit
besitzt und der Asynchronmotor bei Verwendung eines Läuferkäfigs aus
Kupfer daher besonders verlustarm betrieben werden kann. Alternativ
können
auch die Werkstoffkombinationen Cu/Al und Al/Al verwendet werden.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, die
Läuferstäbe (gemeinsam
mit Läuferblechpaket
und Kontaktschicht) im Vorfeld des Reibschweißens zu erwärmen. Dabei dehnen sich die
Läuferstäbe aus,
so daß sie
in einem gegenüber
der Raumtemperatur verlängerten
Zustand geschweißt
werden. Dies hat zur Folge, daß die
Kurzschlußringe
die Einzelbleche axial fixieren und die Läuferstäbe auch im betriebswarmen Zustand
unter Zugspannung stehen, wodurch ein besonders guter Wärmekontakt
zwischen den Blechpaketen, der Kontaktschicht und den Kurzschlußringen bewirkt
wird. Insbesondere bei gut wärmeleitenden Werkstoffen
wird dadurch auch die Schweißbarkeit erhöht. In einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird der erste Kurzschlußrings ohne
Vorwärmung
der Läuferstäbe angeschweißt; anschließend wird
beim Anschweißen
des zweiten Kurzschlußrings die
zur Längung
der Stäbe
erforderliche Wärme über den
bereits angeschweißten
(ersten) Kurzschlussring eingebracht.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert; dabei
zeigen:
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1 einen
Kurzschlußläufer in
einer schematischen Schnittdarstellung in Axialrichtung;
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2 einen
Radialschnitt durch den Kurzschlußläufer der 1 gemäß der Schnittlinie
II-II in 1;
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3 Schematische Darstellung der Einzelschritte
beim Reibschweißen
des Läuferkäfigs:
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3a Einspannen
des Blechpakets mit Läuferstäben;
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3b Reiben
des Kurzschlußrings
an den Enden der Läuferstäbe;
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3c Stauchen
und Reibverschweißen
der erhitzten Läuferstabenden;
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4 eine Detaildarstellung eines Läuferstab-Endes
und eines Kurzschlußrings
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4a vor
der Reibschweißung
(Ausschnitt IVa in 3a) und
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4b nach
erfolgter Reibschweißung (Ausschnitt
IVb in 3c);
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5 eine Detaildarstellung des Läuferstab-Endes
und des Kurzschlußrings
der 4a und 4b in
einer alternativen Ausgestaltung,
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5a vor
der Reibschweißung
und
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5b nach
erfolgter Reibschweißung.
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1 und 2 zeigen
einen Kurzschlußläufer 1 einer
Asynchronmaschine in einer Schnittansicht in Axialrichtung (1)
und in Radialrichtung (2). Der Kurzschlußläufer 1 ist
fest mit einer ihn durchdringenden Läuferwelle 2 befestigt.
Der Kurzschlußläufer 1 umfaßt ein Läuferblechpaket 3 aus Einzelblechen 4,
welche mit Nuten 5 zur Durchführung von Läuferstäben 6 versehen sind.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind die Nuten 5 auf den Läuferblechen 4 als
trapezförmige
Durchbrüche
ausgestaltet, welche zu den Rändern 7 der
Einzelbleche 4 hin offen sind; dementsprechend haben die
Läuferstäbe 6 einen
trapezförmigen
Querschnitt. Im allgemeinen sind rechteckige, ellipsoide oder beliebige weitere
Nutenquerschnitte – und
entsprechende Querschnitte der Läuferstäbe 6 – möglich. Die
Läuferbleche 4 sind
mit einer isolierenden Beschichtung versehen, welche eine Stromfluß zwischen
benachbarten Läuferblechen 4 verhindert.
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Die
Läuferstäbe 6 sind
endseitig über
Reibschweißverbindungen
mit Kurzschlußringen 8 verbunden,
so daß die
Läuferstäbe 6 einen
elektrischen Kontakt zwischen den beiden Kurzschlußringen 8 darstellen.
Läuferstäbe 6 und
Kurzschlußringe 8 gemeinsam
bilden den sogenannten Läuferkäfig 9.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
bestehen sowohl die Läuferstäbe 6 als
auch die Kurzschlußringe 8 aus Kupfer,
wodurch ein besonders verlustarmer Stromfluß durch den Läuferkäfig 9 während des
Betriebs des Asynchronmotors gewährleistet
ist. Generell sind unterschiedliche reibschweißgeeignete Werkstoffpaarungen
von Kurzschlußringen 8 und
Läuferstäben 6 möglich, wobei
es sich als günstig
herausgestellt hat, wenn die Läuferstäbe 6 eine
höhere
Härte aufweisen
als die Kurzschlußringe 8.
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Zur
Herstellung des Kurzschlußläufers 1 werden
zunächst
die Läuferstäbe 6 in
die Nuten 5 des Blechpakets 3 eingepreßt; die
Läuferstäbe 6 sind dabei
so dimensioniert, daß sie
endseitig einen vorgegebenen Abstand 10 aus den Stirnseiten 11 des Blechpakets 3 hinausragen
(siehe 4a). Weiterhin wird endseitig
auf die Läuferstäbe 6 eine
Kontaktschicht 21 aufgebracht. Im Ausführungsbeispiel der 4a wird
diese Kontaktschicht 21 durch eine ringförmige Blechplatte 21' gebildet, in
die Ausnehmungen 22 für
die Läuferstäbe 6 eingebracht
sind. Die Dicke der Kontaktschicht 21 ist so dimensioniert,
daß die
Stirnseite 23 der Kontaktschicht 21 näherungsweise
bündig
mit den Stirnseiten 24 der Läuferstäbe 6 endet. Die Enden 16 der
Läuferstäbe 6 sind
somit in die Kontaktschicht 21 eingebettet, so daß die Kontaktschicht 21 und
die Läuferstäbe 6 eine
gemeinsame Stirnfläche 23, 24 bilden,
die näherungsweise
parallel zu der gegenüberliegenden
Stirnfläche 18 des Kurzschlußrings 8 ausgerichtet
ist. Die Läuferstäbe 6 können dabei
mit fertigungsbedingten Längentoleranzen
behaftet sein und aus der Kontaktschicht 21 herausragen,
da der möglicherweise
unterschiedliche Überstand
der Läuferstäbe 6 beim
Reibschweißen
abgerieben wird. Die Läuferstäbe 6 sollten
jedoch – insbesondere
bei Verwendung von Kupfer, der eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit
besitzt – nicht
in der Kontaktschicht 21 bzw. im Blechpaket 3 versenkt
sein, da bei derartigen hochleitfähigen Werkstoffen die Einschweißtiefe sehr
gering ist.
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Die
Kontaktschicht 21 besteht vorzugsweise aus demselben Werkstoff
wie die Läuferstäbe 6 und die
Kurzschlußringe 8,
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
also aus Kupfer. Prinzipiell können
Läuferstäbe 6,
Kontaktschicht 21 und Kurzschlußringe 8 auch aus
anderen reibschweißgeeigneten
Werkstoffkombinationen bestehen.
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Neben
der Ausgestaltung der Kontaktschicht 21 als ebene Blechplatte 21', die auf die
Enden 16 der Läuferstäbe 6 aufgepreßt wird,
kann die Kontaktschicht 21 auch endseitig auf das Läuferblechpaket 3 aufgespritzt
werden oder durch ein sonstiges Auftragsverfahren aufgebracht werden.
Weiterhin kann die Kontaktschicht 21 eine beliebige – den Schweißpartnern 6, 8 angepaßte – Oberflächenbeschaffenheit
haben; sie kann insbesondere aufgerauht und/oder mit einem Prägemuster
versehen sein.
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Nach
dem oben beschriebenen Zusammensetzen des Zusammenbaus 12 aus
Läuferstäben 6, Blechpaket 3 und
Kontaktschichten 21 wird dieser Zusammenbau 12 in
eine axial verschiebbare Spannvorrichtung 13 eingesetzt,
in dem der Zusammenbau 12 in dieser voreingestellten Relativanordnung
drehsicher fixiert wird (siehe 3a). Nun
wird der Kurzschlußring 8 in
einem kollinear zur Spannvorrichtung 13 ausgerichteten
Drehfutter 14 eingespannt, in Rotation um seine Symmetrieachse 15 versetzt
und an den Stirnflächen 23, 24 der
Kontaktschicht 21 und der Läuferstäbe 6 gerieben, bis
die Kontaktschicht 21 und die Enden 16 der Läuferstäbe 6 eine
teigige Konsistenz aufweisen (siehe 3b). Beim
Erreichen einer vorgegebenen Temperatur und Plastizität wird der
rotierende Kurzschlußring 8 gegen
die aus dem Blechpaket 3 herausragenden Läuferstäbe 6 und
die Kontaktschicht 21 gepreßt (Pfeil 17), wodurch
die Kontaktschicht 21 und die Enden 16 der Läuferstäbe 6 mit
dem Kurzschlußring 8 verschweißt werden
(siehe 3c). 4b zeigt
eine Detaildarstellung des dabei erzeugten Verbindungsbereiches
zwischen den miteinander verschweißten Läuferstabenden 16,
Kontaktschicht 21 und Kurzschlußring 8.
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Analog
wird anschließend
(oder gleichzeitig) der zweite Kurzschlußring 8 mit den ihm
gegenüberliegenden
Enden 16 der Läuferstäbe 6 und
der auf die Läuferstab-Enden 16 aufgepreßten Kontaktschicht 21 verschweißt. Beim
Schweißen
müssen das
Blechpaket 3 und die Läuferstäbe 6 von
der Rückseite
abgestützt
werden.
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Um
den beim Reibschweißen
entstehenden Schweißwulst 19 aufzunehmen,
empfiehlt es sich, die Stirnfläche 18 des
Kurzschlußrings 8 mit
einer ringförmig
umlaufenden Nut 20 zu versehen. Um zu verhindern, daß während des
Reibschweißens
die Einreibtiefe und damit die Qualität der Schweißung negativ
beeinflußt
wird, sollte die Nut 20 flach sein, so daß das Läuferpaket 3 nicht
auf der Stirnseite 18' des Kurzschlußrings 8 aufliegt.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, im
Schweißbereich
die Stirnfläche 18 des
Kurzschlußrings 8 mit
einer Oberflächenkontur 25 zu
versehen, die den Effekt hat, die während des Reibschweißens auftretenden Drehmomentspitzen
zu reduzieren. Im Ausführungsbeispiel
der 4a ist die Stirnfläche 18 als Beispiel einer
solchen Oberflächenkonturierung
mit einer Schar konzentrischer Rillen 26 versehen. Die
Flanken 27 dieser Rillen können – wie in 4a gezeigt – parallel
zueinander zu verlaufen oder aber schräg zueinander angeordnet sein;
weiterhin brauchen die Rillen nicht konzentrisch zur Symmetrieachse 15 des Kurzschlußrings 8 angeordnet
sein, sondern können ein
beliebiges Muster bilden.
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Vorteilhafterweise
wird der Zusammenbau 12 aus Blechpaket 3, Läuferstäben 6 und
Kontaktschicht 21 vor dem Verschweißen auf eine Temperatur oberhalb
der Betriebstemperatur des Asynchronmotors erwärmt. Dabei erfahren die aus
Kupfer bestehenden Läuferstäbe 6 – aufgrund
des hohen thermischen Expansionskoeffizienten von Kupfer – eine stärkere thermische
Ausdehnung als die aus einem Stahlblech bestehenden Läuferbleche 4 und
ragen daher etwas aus der Kontaktschicht 21 heraus. Da die
Enden 16 der Läuferstäbe 8 beim
Reibschweißen gemeinsam
mit der Kontakt schicht 21 gestaucht werden, bis die in 4b gezeigte
Fügezustand
erreicht ist, unterliegen die in einem angewärmten Zustand reibgeschweißten Läuferstäbe 6 nach
dem Abkühlen des
Kurzschlußläufers 1 einer
gewissen Zugspannung. Auf diese Weise läßt sich ein ähnlicher
Vorspannungszustand erreichen wie beim Schrumpfen des Gusses im
Fall der Läuferherstellung
durch Eingießen.
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Alternativ
zu der in 4a angedeuteten ringförmigen Nut 20 in
der Stirnfläche 18 des
Kurzschlußrings 8 kann
der Kurzschlußring 8 im
Kontaktbereich der Läuferstäbe 6 und
der Kontaktschicht 21 auch vollkommen eben gestaltet sein
oder – wie
in 5a gezeigt – mit
einem ringförmigen
Steg 28 versehen sein. In dem Fall der 5a sind
die Kontaktschicht 21 und die Läuferstab-Enden 16 nach
dem Reibschweißen
mit dem Steg 28 verbunden (siehe 5b), während die
Schweißwulste 19 in
die zurückgesetzten
Nachbarbereiche 29 des Steges 28 gedrängt werden.
Je nach Querschnittsprofil der Läuferstäbe 6 kann
es vorteilhaft sein, den Steg 28 mit (in 5a gestrichelt
angedeuteten) umlaufenden Anschrägungen 32 zu
versehen. Das hat den Vorteil, daß kein Schweißen „auf Anschlag” erfolgt.
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Zur
gezielten Beeinflussung der Erwärmung während des
Reibschweißens
können
die Enden 16 der Läuferstäbe 6 – neben
der in 4a gezeigten flächigen Ausgestaltung – mit einer
Fase 30 oder einer Verrundung 31 versehen werden
(gestrichelte Konturen 5a). Die geeignete Gestaltung
der Enden 16 der Läuferstäbe 6 richtet
sich nach dem Werkstoff der Läuferstäbe 6,
der Kontaktschicht 21 und der Kurzschlußringe 8, der Querschnittsgeometrie der
Läuferstäbe 6 sowie
den Prozeßparametern während des
Reibschweißens.
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Weiterhin
kann es zweckmäßig sein,
die Kurzschlußringe 8 so
zu gestalten und zu dimensionieren, daß sie eine für das Reibschweißen günstige Form
und Ausgestaltung haben; nach Abschluß des Reibschweißvorgangs
können
die Kurzschlußringe dann
spanend nachgearbeitet werden, um beispielsweise Schweißwulste
zu entfernen oder die Masse der Kurzschlußringe zu reduzieren.