DE4019112C2 - Verfahren zur herstellung eines rotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen Asynchronmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Rotoren für derartige Asynchronmotoren kleiner Leistung werden heutzutage jährlich in Millionenstückzahlen hergestellt. Aufgrund der hohen Stückzahlen können schon durch geringe Verbesserungen des Herstellungsverfahrens erhebliche Einsparungen erzielt werden, weshalb die bekannten Herstellungsverfahren weitgehend optimiert sind.

Aus US-PS 1,599,415 ist es bekannt, die Kurzschlußstäbe an ihren Enden unter Einschluß des Rotorblechpakets und der Kurzschlußringe zu Nietköpfen zu verformen und dadurch eine formschlüssige Verbindung der vorgenannten Bauteile zu erreichen. Dieses seit langem bekannte Verfahren zur Herstellung eines Rotors ist häufig mängelbehaftet. Der Verbund des Rotorblechpaketes ist häufig nicht der gewünschte, insbesondere kann es aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungen bei der Erwärmung oder auch bei der Unterkühlung des Rotors zu einem Sichlockern des Rotorblechpaketes kommen, was unerwünscht ist. Durch diese Lockerungen wird auch die elektrische Verbindung zwischen den Kurzschlußringen und den Nietköpfen der Kurzschlußstäbe beeinträchtigt, was bekanntermaßen von Nachteil ist.

Es ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Rotorblechpaket mit einer Aluminiumlegierung derart aus- bzw. umgossen wird, daß die Kurzschlußstäbe und die Kurzschlußringe durch die Vergußmasse entstehen. Dieses Verfahren hat jedoch erhebliche Nachteile bezüglich der Korrosionsfestigkeit und damit der Maßhaltigkeit des Rotors im Betrieb.

Rotoren hochwertiger Motoren werden daher heutzutage in der Regel nach dem eingangs beschriebenen Verfahren hergestellt. Hierbei wird ein Rotorblechpaket aus vorgestanzten Blechen gebildet, in welches dann Kupferbolzen als Kurzschlußstäbe in ringförmig angeordnete Ausnehmungen eingesetzt werden. Sodann wird das Blechpaket gepreßt und, sofern dies erforderlich, in bekannter Weise verdreht, so daß die Kurzschlußstäbe jeweils Teil einer schraubenlinienförmig um die Rotorachse laufenden Bahn bilden. Schließlich werden die Enden der Kurzschlußstäbe mit den das Rotorblechpaket endseitig abschließenden Kurzschlußringen unter Schutzgas verschweißt und somit sowohl mechanisch als auch elektrisch mit diesen verbunden. Hierdurch wird zugleich der mechanische Verbund des Rotorblechpakets gewährleistet.

Dann wird der soweit fertiggestellte Rotor gepreßt und kalibriert und über seine Länge spanabhebend, in der Regel durch Drehen nachbearbeitet, bevor die Rotorwelle in die zentrische Bohrung des Rotorblechpaktes eingepreßt wird. Um ein radiales Ausdehnen des Rotors durch Oxidieren der Rotorbleche, wie dies bei Naßlaufmotoren aufgrund der in den Rotor gelangenden Flüssigkeit erfolgen kann, weitgehend zu vermeiden und somit den Spalt zwischen Rotor und Stator bzw. Stator und Spaltrohrtopf konstant zu halten, wird sodann der gesamte Rotor mit einem Schutzmantel, in der Regel aus Chromnickelstahl, versehen, der aus einem umfangseitigen Mantelteil und ggf. aus zwei stirnseitigen Kopfabschnitten besteht, die sich zwischen Mantelteil und Welle erstrecken. Mantelteil und Kopfabschnitte werden mechanisch aneinander angeformt und auf diese Weise miteinander verbunden. Um die Maßhaltigkeit des Rotors zu gewährleisten, wird vor dem Aufziehen des Mantels das Rotorblechpaket umfangseitig auf Maß geschliffen.

Ausgehend von diesem bekannten Verfahren zur Herstellung eines Rotors liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zu schaffen, das eine kostengünstigere Fertigung der in Rede stehenden Rotoren ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Anstelle des bisher bekannten Verschweißens der Endseiten der Kurzschlußstäbe mit den Kurzschlußringen sieht die Erfindung hier eine Stauchverbindung dergestalt vor, daß die Kurzschlußstäbe, ggf. nach dem Verdrehen der Bleche, so gestaucht werden, daß das Rotorblechpaket mit seinen Kurzschlußringen durch die Kurzschlußstäbe fest verbunden ist. Diese feste Verbindung kann durch das übliche Stauchen, wie es bereits früher praktiziert worden ist (US-PS 1,599,415), bekanntlich nicht erreicht werden. Die Erfindung sieht daher vor, daß die Kurzschlußstäbe in einem ersten Schritt zunächst unter Teillast gestaucht werden, wonach dann in einem zweiten Schritt die Kurzschlußstäbe durch Widerstandserwärmung aufgrund elektrischen Stromdurchflusses erwärmt werden. Während dieser Erwärmung bleibt die Stauchteillast aufrechterhalten und wird dann nach Abschluß der Erwärmung, also nach Erreichen der gewünschten Temperatur, auf die Stauchvollast erhöht. Hierdurch wird quasi ein Warmnieteffekt erzielt, d. h., daß nach dem Erkalten der Bauteile Zugspannungen innerhalb der Kurzschlußstäbe, und zwar zwischen den Schließköpfen entstehen, die das Rotorblechpaket mit den Kurzschlußringen sicher und fest verspannen.

Das Stauchen hat im Vergleich zu der bekannten Schweißverbindung zunächst einmal den Vorteil, daß das Verfahren fertigungstechnisch weniger aufwendig, insbesondere weniger wartungsintensiv ist. Des weiteren kann eine solche durch Stauchen hervorgerufene Verbindung wesentlich schneller hergestellt werden als eine vergleichbare Schweißverbindung. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt jedoch in der besseren Maßhaltigkeit der Bauteile nach dem Stauchen, wodurch der Nachbearbeitungsaufwand ganz erheblich reduziert wird. Da die durch das Schweißen im Randbereich entstehende Verzunderung beim Stauchen gar nicht erst entsteht, kann das bisher übliche Abdrehen des Rotors vollständig entfallen. Durch die hohe Maßhaltigkeit nach dem Stauchen kann die nachfolgende spanabhebende Bearbeitung auf ein abschließendes Schleifen reduziert werden, wonach der umfangseitige Mantel endseitig bündig an die Kupferringe angebördelt werden kann. Ein solches Anbördeln ist bei der bisherigen Schweißverbindung zwar theoretisch auch möglich, doch ist hierzu der Schweißvorgang so weit zu optimieren und zu kontrollieren, daß es in der Regel wirtschaftlicher ist, eine spanende Nachbearbeitung vorzusehen. Im übrigen kann eine Anbördelung an die Schweißnaht selbstverständlich nicht so dicht sein wie eine Anbördelung an eine Planfläche, wie sie gemäß der Erfindung erfolgt. Das Aufbringen der Stauchvollast erst nach Erwärmung der Kurzschlußstäbe erleichtert das Stauchen des Materials - in der Regel Kupfer - was hinsichtlich der Maßhaltigkeit des späteren Rotors von Vorteil ist. Zudem sind die aufzuwendenden Kräfte geringer als beim reinen Kaltstauchen. Da als Werkstoff für die Kurzschlußstäbe und die Kurzschlußringe Kupfer, also ein hochwärmeleitender Werkstoff verwendet wird, werden beim Erwärmen im wesentlichen nur die Kupferteile erwärmt, so daß ein Wärmeeinfluß auf das Rotorblechpaket praktisch nicht gegeben ist. Ein wesentlicher Vorteil dieser weiteren Stauchung nach der Erwärmung der Kurzschlußstäbe liegt eben darin, daß beim Abkühlen in den Kurzschlußstäben Zugspannungen erzeugt werden, welche die Rotorbleche fest aneinander pressen. Hierdurch wird der Verbund des gesamten Rotors erhöht.

Unter Teillast und Vollast im Sinne der Erfindung ist nur eine unterschiedliche Stauchlast zu verstehen, d. h., daß der nach dem Erwärmen vorgesehene abschließende Stauchvorgang mit höherer Stauchkraft als das vorherige Teillaststauchen erfolgt. Ob die Maschine hierbei in der Tat unter Vollast arbeitet, spielt keine Rolle. Welche Kräfte bzw. Stauchdrücke erforderlich sind, hängt vom Material selbst und vom Materialquerschnitt ab, was jedoch bekannt ist oder zumindest empirisch ermittelt werden kann.

Unter Warmnieten im Sinne der Erfindung ist grundsätzlich ein Stauchvorgang mit Einleitung von Wärme in das zu stauchende Gut gemeint, die zumindest so groß ist, daß das Fließverhalten des eingesetzten Werkstoffs merklich verändert wird. Dabei kann die Erwärmung der Kurzschlußstäbe im Extremfall soweit erfolgen, daß partielle Verschweißungen zwischen den Kurzschlußstäben und den Kurzschlußringen auftreten. Derartige Verschweißungen sind gemäß der Erfindung nicht erforderlich, jedoch eher von Vorteil als von Nachteil. Je größer jedoch der Anteil der durch Schweißen verbundenen Flächen zwischen den Kurzschlußstäben und den Kurzschlußringen im Bereich der Ausnehmungen ist, desto größer ist auch die Gefahr, daß das Material durch Überhitzung seitlich wegfließt, was es zu vermeiden gilt.

Verfahrenstechnisch erfolgt die Erwärmung der Kurzschlußstäbe durch Widerstandserwärmung beim elektrischen Stromdurchgang. Hierdurch wird die vorbeschriebene und gewünschte, nahezu ausschließliche Erwärmung der Kupferstäbe erreicht. Zweckmäßigerweise können hierbei die Nietwerkzeuge als Elektroden ausgebildet sein, so daß gleichzeitig mit dem Stauchvorgang eine Spannung angelegt wird und somit die Widerstandserwärmung erfolgt.

Je nach verwendetem Material kann es zweckmäßig sein, die Widerstandsaufheizung der Kurzschlußstäbe bereits vor dem Stauchvorgang zu beginnen oder auch erst beim Stauchvorgang einzusetzen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen Rotor mit Welle.

Der in der Figur dargestellte Rotor eines Naßlaufasynchron­ motors weist ein Rotorblechpaket 1 auf, das aus zahlreichen aufeinandergelegten Rotorblechen 2 gebildet ist, welche eine Mittelausnehmung 3 sowie konzentrisch zur Längsachse 4 angeordnete Ausnehmungen 5 kleineren Durchmessers aufweisen. Die Aus­ nehmungen 3 und 5 der einzelnen Rotorbleche 2 sind fluchtend zueinander angeordnet und setzen sich in den das Rotorblechpaket 1 endseitig abdeckenden Kurzschlußringen 6 fort.

Die Mittelausnehmung 3 der Rotorbleche 2 sowie der Kurzschluß­ ringe 6 wird von einer Hülse 7 durchsetzt, über die das Rotorblechpaket 1 fest mit einer Welle 8 verbunden ist, welche die Motorwelle bildet.

Die ringförmig nahe dem Außenumfang des Rotors angeordneten Ausnehmungen 5 sind von Kurzschlußstäben 9 durchsetzt, die durch Stauchen fest mit dem Rotorblechpaket 1 und den Kurz­ schlußringen 6 sowie elektrisch leitend mit den Kurzschluß­ ringen 6 verbunden sind. Die Kurzschlußstäbe 9 überragen mit ihren Enden die Kurzschlußringe 6 und sind dort zu Schließ­ köpfen 10 verformt, deren lichte Weite größer als der Durch­ messer der Ausnehmungen 5 ist.

Die Herstellung des vorbeschriebenen Rotors erfolgt wie nach­ stehend aufgeführt:
Zunächst werden die aus Transformatorblech vorgestanzten Rotorbleche 2 aufeinandergelegt und an der Ober- bzw. Unter­ seite durch die Kurzschlußringe abgedeckt, sodann werden die Kurzschlußstäbe 9 in die Ausnehmungen 5 eingeführt, wonach diese durch Warmnieten fest und leitend mit dem Rotorblech­ paket 1 und den Kurzschlußringen 6 verbunden werden.

Das Einsetzen der Welle 8 bzw. der Hülse 7 erfolgt dann in bekannter Weise, ebenso das teilweise oder völlige Einbetten in einen Edelstahlmantel. Sofern ein Verdrehen der Rotorbleche 2 zu­ einander gewünscht ist, erfolgt dies vor dem Warmnieten.

Beim Warmnieten werden Nietwerkzeuge an den stirnseitig über das Rotorblechpaket 1 überstehenden Enden der Kurzschlußstäbe 9 angebracht, über die eine Stauchteillast aufgebracht wird.

Nachdem diese Teillast eine gewisse Zeit eingewirkt hat, wird über die Stauchwerkzeuge, die auch als Elektroden dienen, eine Spannung an die Endseiten der Kurzschlußstäbe angelegt, so daß eine Widerstandserwärmung beim Stromdurchfluß der Kurzschlußstäbe 9 erfolgt. Nach der Erwärmung wird der Stauchdruck auf den vollen Stauchdruck erhöht, so daß nach einer gewissen Haltezeit der Warmnietvorgang abge­ schlossen ist und nach dem Entfernen der Werkzeuge der Rotor so weit fertiggestellt ist.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen Asynchronmotor, insbesondere für einen Naßlaufmotor, bei dem ein aus aufeinandergelegten Blechen gebildetes Blechpaket, das an seiner Ober- und Unterseite jeweils durch einen Kurzschlußring abgedeckt wird, mit Kurzschlußstäben versehen wird, die in ringförmig innerhalb des Blechpaketes angeordnete Ausnehmungen gesetzt werden, wonach die Kurzschlußstäbe von den Endseiten her unter Bildung von Schließköpfen gestaucht werden, wodurch die Kurzschlußstäbe leitend und fest mit den Kurzschlußringen unter Einschluß des dazwischen angeordneten Rotorblechpakets verbunden werden, dadurch gekennzeichnet,

   • a. daß in einem ersten Schritt die Kurzschlußstäbe (9) unter Teillast gestaucht werden,
   • b. daß in einem zweiten Schritt die Kurzschlußstäbe (9) durch Widerstandserwärmung aufgrund elektrischen Stromdurchflusses erwärmt werden, wobei die Stauchteillast aufrechterhalten wird und
   • c. daß in einem dritten Schritt die Erwärmung abgebrochen und die Kurzschlußstäbe (9) unter Vollast gestaucht werden.