DE69308123T2

DE69308123T2 - Verfahren zum löten von läuferstäben an endringen eines läufers für einen asynchronen wechselstrommotor

Info

Publication number: DE69308123T2
Application number: DE69308123T
Authority: DE
Inventors: Paul Lloyd Fairview Pa 16415 Flynn; Anthony William Erie Pa 16505 Giammarise; James Erie Pa 16502 Kobrinetz; Shaun Paul Jr. Lydonville Vt 05851 Luther; James Allan North East Pa 16428 Meyer; James Michael Waterford Pa 16441 Nuber
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1993-06-29
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2013-06-30
Also published as: WO1994002983A1; CA2113001C; JPH07500479A; US5283941A; MX9304374A; DE69308123D1; AU668205B2; US5398404A; BR9305577A; EP0608399B1; CA2113001A1; AU4658493A; JP3308973B2; EP0608399A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Käfigwicklungs- Asynchronmotoren.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verbesserungen in dem Verfahren zum Hartlöten von Rotorstäben an Endringen, um Rotoren für Käfigwicklungsrotoren zu bilden, und auf durch das Verfahren gebildete Rotorkäfige.
Käfigwicklungsrotoren weisen in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Rotorstäbe auf, die in einem Eisenblechpaket befestigt und elektrisch und mechanisch mit Endringen verbunden sind.
In Abhängigkeit von den gewünschten mechanischen und elektrischen Eigenschaften können Rotorstäbe aus verschiedenen Kupferlegierungen hergestellt und bei unterschiedlichen Temperaturen wärmebehandelt sein. Die Temperatur, bei der die Rotorstäbe und Endringe wärmebehandelt werden, ist als die "Vergütungs- oder Alterungstemperatur" bekannt. Einige Rotorstäbe und Endringe für Käfigwicklungsrotoren sind aus einer Chrom-Kupferlegierung hergestellt worden, die bei Temperaturen in dem Bereich von 482,2ºC (900ºF) wärmebehandelt worden sind, um die gewünschten mechanischen und elekrischen Eigenschaften der Rotorstäbe und der Endringe auszubilden. Andere Rotorstäbe und Endringe sind aus Kupfer, Kupferlegierungen und anderen Materialien hergestellt worden, die kaltverfestigt sind, um die mechanischen und elekrischen Eigenschaften auszubilden. In einigen Fällen wird eine Kombination von Kaltverfestigung und Wärmebehandlung angewendet. In jedem Fall verändert eine Erwärmung der Rotorstäbe und Endringe über eine gewisse Temperatur hinaus deren Eigenschaften. Die Temperatur, bei der sich diese Eigenschaften in nachteiliger Weise verändern, unabhängig von den Verfahren, durch das sie erhalten werden (Erwärmung, Kaltverfestigung oder auf andere Weise), wird hier als die "Überalterungstemperatur" bezeichnet.
Hartlöten ist ein Verfahren, durch das Rotorstäbe mit den Endringen von den Rotor verbunden werden können. Hartlöten wird durch die American Welding Society definiert als
"Eine Gruppe von Schweißverfahren, die ein Verschmelzen von Materialien erzeugt, indem sie in Gegenwart von einem Füllmetall erwärmt werden, das einen Liquidus über 450ºC (840ºF) und unter dem Basismetall hat. Das Füllmetall wird zwischen den eng zusammenpassenden Oberflächen der Verbindung durch Kapillarwirkung verteilt."
Das Lötfüllmetall bestimmt die für das Hartlöten erforderliche Temperatur.
Die Schmelztemperaturen von üblicherweise benutzten Lötfüllmetallen, um Rotorstäbe an Endringen anzuschweißen, reichen von 621,1 ºC bis 815,6 ºC (1150 ºF bis 1500 ºF). Während des Hartlötens ist es notwendig, den zu schweißenden Teil des Endringes und der Rotorstäbe auf die Schmelztemperatur des Lötfüllstoffes zu bringen, die signifikant über der Alterungstemperatur der Rotorstäbe und Endringe ist. Das Hartlöten setzt somit die Rotorstäbe und Endringe Temperaturen aus, die ihre Alterungstemperatur überschreiten; folglich werden sie überaltert. Wenn die Rotorstäbe und Endringe derartigen Temparaturen ausgesetzt werden, verschlechtern sich ihre mechanischen Eigenschaften im Verhältnis zu der Temperatur und der Zeit, wahrend der die Rotorstäbe und Endringe der erhöhten Temperatur ausgesetzt waren. Um das Problem zu vereinigen, wirken der Rotorkern, die Rotorstäbe und Endringe als eine große Wärmesenke Somit wird Wärme oder Energie, die während des Hartlötens auf die Verbindung aufgebracht wird, nahezu so schnell abgezogen, wie sie aufgebracht wird, wenn ein Hartlöten versucht wird, wenn die Rotorstäbe und Endringe auf Raumtemperatur sind.
US-Patent 4,249,098 gibt an, daß, wenn Rotorstäbe an Endringe angelötet werden, die Rotorstäbe einen Verlust an Festigkeit durch Weichglühen erleiden würden, und die unteren Stapel des geblechten Eisenkerns und die Isolierschichten dazwischen werden einer übermäßig hohen Temperatur ausgesetzt. Dieses Patent beschreibt einen Lötvorgang, bei dem der Endring auf die Schmelztemperatur des Lötmittels erwärmt wird, wodurch das Lötmittel schmilzt und die Spalte zwischen den Endflächen der Rotorstäbe und den angrenzenden Oberflächenabschnitten der Endringe füllt.

Zusammenfassung der Erfindung

Um die Rotorstäbe an den Endringen anzulöten, ist es wünschenswert, die Zeit zu minimieren, während der Abschnitte der Rotorstäbe und Endringe Temperaturen über ihren Alterungstemperaturen ausgesetzt sind. Es ist auch wünschenswert, einen vorhersagbaren Spalt zwischen den Rotorstäben und den Endringen zu schaffen, nachdem sie zusammengelötet sind, um die Festigkeit der gelöteten Verbindungen zu maximieren. Die vorliegende Erfindung ist auf beide vorgenannten Aufgaben gerichtet.
Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren zum Hartlöten von Rotorstäben an Endringen zu schaffen, das in vorhersagbarer Weise feste gelötete Verbindungen erzeugt, ohne daß die Rotorstäbe und Endringe übermäßig geschwächt werden.
Die Erfindung kann auch Rotorkäfige mit verbesserter Festigkeit zur Folge haben.
FR-A-1 565 773 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden der Rotorstäbe mit Endringen in einem Käfigwicklungsrotor,das die Aufbringung von axialem Druck auf die Anordnung und eine gleichzeitige Induktionserwärmung der Rotorenden enthält.
FR-A-2 251 939 beschreibt eine Rotorkomponente von einem elekrischen Asynchronmotor des Käfigwicklungstyp, der eine zylindrische Anordnung von auf dem Unfang im Abstand angeordneten kurzgeschlossenen Leiterstäben enthält, deren gegenüberliegende Endabschnitte in entsprechenden kreisförmigen Aussparungen sitzen, die in den Oberflächen von ringförmigen leitenden Endringen vorgesehen sind. Die Enden der Leiterstäbe sind an angrenzenden Oberflächen- abschnitten der Aussparungen angelötet, indem Lötmittel in den Spalten zwischen den Stabenden und Aussparungsflächen angeordnet wird und nur die Endringe direkt erwärmt werden, um sie so auf die Arbeitstemperatur zu bringen zum Herbeiführen des Lötvorganges. Die Endringe werden in Umfangsrichtung abschnittsweise erwärmt, so daß das Anlöten der Leiterstabenden an den Endringen abschnittsweise erfolgt.
Gemäß der Erfindung werden ein Verfahren zum Hartlöten von mehreren Rotorstäben an Endringen von einem Rotor für einen Asynchronmotor, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist, und eine Einrichtung zum Ausführen des Verfahrens gemäß Anspruch 3 geschaffen.
Bei der Ausführung der Erfindung werden die Teile des Rotors in einer Hartlöthalterung bei Raumtemperatur zusammengesetzt, um eine Rotoranordnung zu bilden. Dabei werden die Rotorstäbe in Nuten des Rotorkerns angeordnet, die Endringe werden gegenüber den Enden der Rotorstäbe angeordnet, Hartlöt-Zwischenschichten werden zwischen den Enden der Rotorstäbe und den Endringen angeordnet.
Die Hartlöthalterung hält die Teile der Rotoranordnung während des Lötens in ihrer Lage. Die Hartlöthalterung hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizenten, der kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizent der Rotorstäbe ist. Der Begriff "Lötanordnung" wird nachfolgend benutzt, um die Kombination der Hartlöthalterung und der Rotoranordnung zu beschreiben.
Vor dem Hartlöten wird die Lötanordnung auf eine Vorlöttemperatur vorgewärmt. Die Vorlöttemperatur sollte genügend unter der Alterungstemperatur der Rotorstäbe und Endringe liegen, so daß die Temperatur der gesamten Rotoranordnung während des Hartlötens nicht iber die Alterungstemperatur steigt. Nachdem die Lötanordnung auf die Vorlöttemperatur erwärmt worden ist, übt die Differenz in der thermischen Ausdehnung der Rotorstäbe und Lötanordnung einen vorbestimmten Druck auf die Hartlötverbindung aus, so daß, nachdem die Verbindung gelötet und abgekühlt ist, ein 5,08x10&supmin;³ cm bis 15,24x10&supmin;³ cm (0,002 bis 0,006 Zoll) dicker Lötfüllstoff den Rotorstab mit dem Endring verbindet.
Nachdem die Lötanordnung vorgewärmt worden ist und während sie sich auf der Vorlöttemperatur befindet, werden die Lötverbindungen durch ein Flammlötverfahren bei einer ausreichenden Temperatur gelötet, um den Lötfüllstoff zu schmelzen und eine Verbindung zwischen dem Rotorstab, dem Lötfüllstoff und dem Endring hervorzurufen. Obwohl die Hartlöttemperatur höher als die Alterungstemperatur des Rotorstabes ist, werden die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Rotorstabes nicht in signifikanter Weise gefährdet, weil die Wärme während des Hartlötens für eine sehr kurze Dauer in der Größenordnung von 30 Sekunden aufgebracht wird und infolgedessen sehr lokalisiert ist. Die Wärme wird schnell auf die kälteren Abschnitte der Lötanordnung abgeführt.
Der Rotorkäfig, der gemäß diesem Verfahren hartgelötet wird, hat Verbindungen, die aus Rotorstäben bestehen, die mit Endringen mit einem Lötfüllstoff verbunden sind, der eine vorbestimmte Dicke hat.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht von einer vorgelöteten Rotoranordnung und stellt die Anordnung der Lötzwischenschicht zwischen den Rotorstäben und den Endringen dar.
Figur 2 ist eine vergrößerte schematische Teilansicht von dem umkreisten Abschnitt in Figur 1, der die Anordnung der Lötzwischenschicht zwischen dem Rotorstab und den Endringen darstellt.
Figur 3 ist eine schematische Querschnittsansicht von der vorgelöteten Rotoranordnung in einer Hartlöthalterung.
Figur 4 ist ein Bild, das die relativen Größen der Hartlötzwischenschicht und des Rotorstabes zeigt.
Figur 5 ist eine Ansicht von oben auf die Anordnung gemäß Figur 4.
Figuren 6, 7 und 8 sind Bilder, die die Hartlöthalterung und Rotoranordnung in verschiedenen Stufen des Lötvorganges zeigen.

Detailierte Beschreibung der Erfindung

Das Hartlötverfahren gemäß dieser Erfindung enthält drei Hauptschritte: Anordnen des Hartlötfüllstoffes, Vorwärmen der Lötanordnung und Hartloten, wie beispielsweise durch Flammlöten.
Es ist bekannt, daß die Festigkeit der Lötverbindung von dem Abstand zwischen dem Rotorstab und dem Endring ("Spalt"), der den Lötfüllstoff enthält, nachdem der Lötvorgang stattgefunden hat, dem Füllmaterial und den Zusammensetzungen des Endringes und der Rotorstäbe abhängt. Wenn beispielsweise die Rotorstäbe und die Endringe aus einer Ohron-Kupfer-Legierung ähnlich CDA18200 hergestellt sind, die dem Fachmann bekannt ist, und der Lötfüllstoff BAg 1 ist, hat die Lötverbindung eine optimale Festigkeit, wenn der Spalt eine Dicke in dem Bereich von etwa 5,08x10&supmin;³ cm (0,002 Zoll) bis etwa 15,24x10&supmin;³ cm (0,006 Zoll) hat.
Figur 1 stellt schematisch einen Querschnitt von der Rotoranordnung 10 für einen Käfigwicklungsrotor dar, der die Anordung des Lötfüllstoffes zeigt. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Chrom-Kupfer-Legierungs- Rotorstäbe 12, die bei 482,2 ºC (900 ºF) wärmebehandelt sind, in einem Eisenblechkern 14 angeordnert. Eine 0,0254 cm (0,010 Zoll) Zwischenschicht aus Lötfüllstoff 16 ist zwischen den Enden (oder Stirnflächen) 18 von jedem Rotorstab und den Endringen 20 angeordnet, wie es in Figur 2 gezeigt ist.
Während der Montage werden die Enden der Rotorstäbe und die Unterseite des Endringes mit einem Lötfließmittel des Types 3A oder anderen geeigneten Lötfließmitteln bestrichen, die dem Fachmann bekannt sind, die die Oberfläche der Rotorstäbe und der Endringe reinigen helfen und einen Oxidationsaufbau während des Vorlötschrittes (oder Vorwärmschrittes) verhindern helfen, wie es nachfolgend erläutert wird.
Die Hartlöt-Zwischenschicht ist weiter in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Die Hartlöt-Zwischenschicht 16 ist breiter als die Stirnfläche 18 des Rotorstabes 12. Der Extralötfüllstoff der breiten Hartlöt-Zwischenschicht sorgt für Auskehlungen auf den Lötverbindungen.
Der Vorwärmschritt der Hartlötanordnung ist erforderlich, um einen schnellen Lötprozess zu erleichtern. Der Rotorkern 14, die Rotorstäbe 12, Endringe 20 und die Hartlöthalterung wirken als eine große Wärmesenke Wenn die Rotorstäbe an den Endringen angelötet wurden, bevor die Rotoranordnung vorgewärmt worden ist, würde die Wärme oder Energie, die in dem Hartlötprozess aufgebracht wird, fast so schnell von der Verbindung abgezogen werden, wie sie aufgebracht wurde.
Ein schnelles Hartlötverfahren ist notwendig, um die Eigenschaftsverschlechterung der Chrom-Kupferstäbe und Endringe zu minimieren. Die Chrom-Kupferstäbe und Endringe sind gegen Überalterung empfindlich. Die Chrom-Kupferlegierung, die in den Rotorstäben gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet ist, ist bei 482,2ºC (900ºF) wärmebehandelt worden. Wenn diese Temperatur überschritten wird, verschlechtern sich die mechanischen Eigenschaften im Verhältnis zu der Temperatur oberhalb der Alterungstemperatur und der Zeit, während der diese Temperatur bestand.
Bevor sie vorgewärmt wird, wird die mit Flußmittel versehene Rotorkernanordnung (Kern, Stäbe, Endring und Hartlöt- Zwischenschichten) in die Hartlöthalterung 22 geladen, wie es in Figur 3 gezeigt ist, um die "Hartlötanordnung" 23 zu bilden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Hartlöthalterung 22 eine Basisplatte 24 mit einer Spindel 26 auf, die auf der Basis gedreht werden kann zur Bequemlichkeit beim Hartlöten der Verbindungen des Rotors. Ein Stab 28 ragt von der Mitte der Spindel 26 vor und hat die Funktion, den unteren Schlitten 30 auf der Spindel zu zentrieren.
Der untere Schlitten 30 weist eine Basisplatte 31 mit einer Stange 32 in seiner Mitte auf. Die Mitte der Basisplatte 31 und die mittlere Stange 32 haben eine so angepasste hohle Öffnung 34, daß sie über die Zentrierungsstange 28 und eine Gewindeöffnung 44 paßt, die einen Bolzen 46 aufnehmen kann. An der Basisplatte sind vier Halterungsstäbe 36 befestigt, die radial nach außen und in Winkelabständen von etwa 90º zueinander verlaufen. Zapfen 38 strecken sich im allgemeinen senkrecht zu und von den Halterungsstäben 36 nach oben und sind radial außen von der Mitte der Basisplatte angeordnet, um den Endring 20 zu haltern. Positionnierungszapfen 42 erstrecken sich im allgemeinen senkrecht zu und von den Halterungsstäben 36 nach oben und sind in axialer Richtung von der Mitte der Basisplatte angeordnet, um den Endring 20 auf der Hartlöthalterung zu zentriere. Somit sind Kopfabschnitte 43 der Positionnierungszapfen 42 so angeordnet, daß sie an dem inneren Radius 21 des Endringes 20 anliegend oder daran angrenzend sind.
Ein oberer Schlitten 50 weist eine Basisplatte 51 mit einem Mittelzapfen 52 in seiner Mitte auf. Der Mittelabschnitt der Basisplatte 51 und der Mittelzapfen 52 bilden eine so angepasste hohle Öffnung 54, daß sie größer als der Kopf des Bolzens 46 und eine kleinere Öffnung 55 ohne Gewinde ist, die den Bolzen 46 aufnehmen und anordnen kann und eine Drehung des Bolzens 46 gestattet. Vier Halterungsstäbe 56 sind auf der Basisplatte 51 befestigt und erstrecken sich radial nach außen und in Winkelabständen von etwa 90º zueinander. Zapfen 58 erstrecken sich im allgemeinen senkrecht zu und von den Halterungsstäben 56 nach unten und sind radial außen von der Mitte der Basisplatte angeordnet, um auf den Endring 20 Druck auszuüben, wenn die Hartlötanordnung 30 erwärmt wird. Positionnierungszapfen 62 erstrekken sich im allgemeinen senkrecht zu und von den Halterungsstäben 56 nach unten und sind von der Mitte der Basisplatte angeordnet, um den Endring 20 auf der Hartlöthalterung zu zentrieren. Kopfabschitte 63 der Positionnierungszapfen 62 sind so angeordnet, daß sie an dem inneren Radius 22 des Endringes 20 anliegend oder daran angrenzend sind.
Die Zapfen 38 und 58 sind vorzugsweise aus INCONEL (Handelsname) hergestellt, eine im Handel erhältliche Nickelbasis Legierung, die dem Fachmann bekannt ist. Sie ist sehr stabil bei wiederholten Anwendungen großer Hitze, wie beispielsweise der Hitze, der die Zapfen ausgesetzt sind, wenn die Verbindungen hartgelötet werden.
Die Hartlöthalterung 22 besteht im wesentlichen aus zwei getrennten Teilen, dem oberen Schlitten und dem unteren Schlitten, die durch den Bolzen 46 miteinander verbunden sind. Die verbundene Anordnung ruht auf der Spindel und kann gedreht werden, was es einfacher macht, jede Rotorstab/Endring-Verbindung hartzulöten. Die Hartlöthalterung ist vorzugsweise aus Stahl oder irgendeinem anderen Material hergestellt, das eine kleinere thermische Ausdehnungsgeschwindigkeit als die Rotorstäbe hat. Wenn also die Hartrial hergestellt, das eine kleinere thermische Ausdehnungsgeschwindigkeit als die Rotorstäbe hat. Wenn also die Hartlötanordnung in dem Vorwärmzyklus erwärmt wird, übt die Hartlöthalterung passiv die Druckkraft aus, indem die un terschiedlichen thermischen Ausdehnungsgeschwindigkeiten zwischen den Rotorstäben und der Hartlöthalterung aus Stahl ausgenutzt werden. Wenn die Kernanordnung in der Hartlöthalterung vorgewärmt wird, dehnt sich das Kupfer stärker aus als der Stahl und drückt gegen die Halterung. Die Hartlöthalterung ist so aufgebaut, daß sie die gewünschte Vorbelastung bei der Vorwärmtemperatur ausübt, um eine ausreichende Druckbelastung auszuüben, die sicherstellt, daß die Rotorstäbe auf einen Spaltabstand von etwa 5,08 x 10&supmin;³cm (0,002 Zoll) bis etwa 15,24 X 10&supmin;³ cm (0,006 Zoll) absinken, nachdem die Hatlöt-Zwischenschicht 16 während des Hartlötens geschmolzen ist. Die Hartlöttemperatur ist höher als die Vorwärmtemperatur, aber dies belastet nicht die Verbindung, da die Wärme sehr lokalisiert ist.
Um die optimale Größe an Vorbelastung oder Druck auf die Lötverbindung bei Vorwärmtemperaturen auszuüben, ist der Bolzen 46 gemäß der folgenden Formel bemessen:
VORBELASTUNG = (AUSDEHNUNG KUPFER VON ROTORSTÄBEN) - (AUSDEHNUNG VON LÖTHALTERUNG)
VORBELASTUNG [(LÄNGE KUPFERSTÄBE x αKUPFER) + 2x (LÄNGE ZAPFEN x αZAPFEN)-(BOLZENLÄNGE x αBOLZEN) - (LÄNGE Schlitten(1) x αSCHLITTEN(1)-(LÄNGE SCHLITTEN (2) x αSCHLITTEN(2))] ΔTEMP.
Das Symbol α in der vorstehenden Gleichung ist der thermische Ausdehnungskoeffizient. Der Term ΔTEMP ist die Temperaturänderung von Raumtemperatur auf die Vorwämtemperatur.
Figuren 6, 7 und 8 stellen dar, wie das thermische Wachstum des Endringes während des Vorwärm- und Hartlötverfahrens eine gewisse Drehung in den Endringen und Rotorstäben erzeugt. Der Endring ist in einem vergrößerten Zustand, wenn sich der Ring abkühlt. Wenn ein nicht eutektischer Füllstoff (ein Füllstoff mit einem großem zweiphasigen Bereich oder Schlammbereich) verwendet würde, würde der Umfang der Bewegung in dem Ring während des Abkühlens Warmrisse in der Verbindung erzeugen.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Rotorstäbe etwa 27,69 cm (10,9 Zoll) lang und haben eine Fußbreite von etwa 2,27 cm (0,9 Zoll). Die kalte Anordnung, die in Figur 6 gezeigt ist, verwendet die äußere Lippe 72 des Endringes 20, um den Endring auf den Rotorstäben 12 zu zentrieren. Es gibt einen Anfangsspielraum zwischen der inneren Lippe 71 des Endringes und dem Fuß 73 des Rotorstabes 12 von etwa 0,15 cm (0,06 Zoll). Das Hartlötverfahren erfordert, daß beide Teile auf der Hartlöttemperatur sind, damit der Hartlötfüllstoff fließt und richtig benetzt, aber nur die Spitzen der Rotorstäbe und ein kleiner Teil des Endringes müssen auf der Hartlöttemperatur sein. Figur 7 zeigt den Ring während des Hartlötens. Der Endring 20 ist so dimensioniert, daß er einen kleinen Spielraum in dem Bereich von etwa 0,0254 cm (0,010 Zoll) bis etwa 0,076 cm (0,030 Zoll) zwischen der inneren Lippe 71 des Endringes 20 und dem Fuß 73 des Rotorstabes 12 zu der Zeit hat, zu der die Verbindung gelötet wird. Ein kleiner Spielraum gestattet, daß der Hartlötfüllstoff zwischen dem Fuß 73 des Stabes 12 und der inneren Lippe 71 auf dem Endring 20 dochtartig hochgezogen wird. Dies liefert eine etwas größere Lötoberfläche und bildet eine Ausrundung, die einen Bruch hemmen hilft. Die innere Lippenabmessung auf dem Endring wird durch die folgende Gleichung ermittelt:
Durmess innen = Durchm Kern (1 + α Kern µT Vorwäm)/(1 + α Kupfer ΔT Lötmittelwert)
In der vorstehenden Formel ist a der thermische Ausdehnungskoeffizient, der Term "ΔT Vorwärm" ist die Differenz zwischen Raumtemperatur und der Vorwärmtemperatur und der Term "ΔT Lötrnittelwert" ist die Differenz zwischen Raumtemperatur und der Durchschnittstemperatur des Endringes während des Hartlötens.
Wenn sich die Rotoranordnung 10 abkühlt, versuchen der Endring 20 und der Kern 14 zu ihrem ursprünglichen Abmessungen zurückzukehren. Der Endring 20 kann nicht zu seiner ursprünglichen Form zurückkehren, weil er durch die Rotorstäbe 12 festgehalten ist, mit denen er verbunden ist. Die Endringe 20 krümmen sich somit wegen des Einschlusses der Stäbe nach innen, und die Stäbe werden wie ein Kragbalken mit einer Endbelastung und einem Endmoment ausgelenkt. Figur 8 zeigt und überzeichnet die Form des Endringes 20 und der Rotorstäbe 12 nach dem Abkühlen.
Je schneller das Verfahren und je niedriger die Schmelztemperatur des Hartlötfüllstoffes sind, desto mehr Festigkeit der Chrom-Kupfer-Rotorstäbe bleibt nach dem Löten zurück. In einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Hartlötzwischenschicht aus BAg 1 Füllstoff hergestellt. BAg 1 Hartlötfüllstoff ist nahezu eutektisch ( der Schmelzpunkt und der Liquiduspunkt sind gleich) und er hat eine relativ niedrige Liquidus-Temperatur im Vergleich mit anderen Lötfüllstoffmaterialen.
Die Schmelztemperatur von dem BAg 1 Füllstoff beträgt 621 ºC (1150ºF). Er hat eine Zusammensetzung, die von etwa 45 % Silber, 24 % Cadmium und etwa 31 % Kupfer gebildet ist. Andere Hartlötfüllstoffe mit ähnlichen Eigenschaften können ebenfalls verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Rotorstäbe etwa 25 bis 27,5 cm (10 bis 11 Zoll) lang und sind aus einer Chrom-Nickel-Legierung ähnlich CDA18200 hergestellt. Der Raum in dem Endring zwischen der inneren Lippe 71 und der äußeren Lippe 72 beträgt etwa 2,54 cm (1 Zoll). Der Endring ist etwa 1,32 cm (0,52 Zoll) dick an seiner Mitte und etwa 1,83 cm (0,72) dick an der inneren Lippe 71 und der äußeren Lippe 72. Der Kern ist aus Stahl hergestellt und ist 18,8 cm (7,4 Zoll) groß und hat einen Durchmesser von 27,69 cm (10,9 Zoll). Der Endring ist aus der gleichen Chrom-Kupfer-Legierung wie die Rotorstäbe hergestellt. Die Hartlötanordnung 30 wird von etwa 315,6 ºC (600ºF) bis 371,1ºC (700ºF) und vorzugsweise auf 343,3ºC (650ºF) vorgewärmt. Die Temperatur, auf die der Rotorkern vorgewärmt wird, ist eine Funkion der Alterungstemperatur der Rotorbasis und Endringe und der thermischen Masse der Rotorkernanordnung und Hartlöthalterung. Die Rotoranordnung und die Hartlöthalterung wirken als eine große Wärmesenke Wenn die Teile nicht vorgewärmt sind, wird die auf die Verbindung aufgebrachte Wärme oder Energie nahezu augenblicklich abgezogen. Da Rotorkernanordnungen unterschiedliche Abmessungen haben und/oder aus verschiedenen Materialen hergestellt sind und weil Hartlöthalterungen unterschiedliche Abmessungen haben, kann die optimale Temperartur, auf die die Hartlötanordnung vorgewärmt wird, experimentell ermittelt werden.
Wenn die Hartlötanordnung auf die gewünschte Temperatur vorgewärmt ist, konnen die Verbindungen (gebildet aus den Enden der Rotorstäbe, den Hartlötzwischenschichten und dem Endring) durch Beaufschlagung mit ausreichend Wärme hartgelötet werden, um den Hartlötfüllstoff zu schmelzen, beispielsweise durch einen von Hand gehaltenen Brenner. Es braucht etwa 30 Sekunden, um jede Verbindung hartzulöten, wobei nach dem Vorwärmprozess ein von Hand gehaltener Brenner benutzt wird.
Nachdem die erste Verbindung hartgelötet ist, bleibt das Ende des Rotorstabes und die nähere Umgebung des Endringes nahe der ersten Verbindung für etwa 30 Sekunden nahe der Schmelztemperatur des Hartlötfüllstoffes. Wenn die nachfolgenden Verbindungen weiter entfernt von der ersten Lötverbindung hart gelötet werden, fällt die Temperatur des Stabes und des Endringes an der ersten Stelle unter die Alterungstemperatur des Chrom-Kupfers und es tritt keine weitere Eigenschaftsverschlechterung ein. Nachdem die gesamte Rotoranordnung in dem oben gegebenen Beispiel hart- gelötet worden ist, steigt die Temperatur des Eisenkerns, der Rotorstäbe und Endringe graduell von der Vorwärmtemperatur von 343,3ºC (650ºF) auf etwa 426,7ºC (800ºF) an. Diese Temperatur hat keine nachteiligen Wirkungen auf die Chrom- Kupfer-Legierung der Rotorstäbe, weil sie unterhalb der Alterungstemperatur von 482,2ºC (900ºF) ist.

Claims

1. Verfahren zum Hartlöten von mehreren Rotorstäben (12) an Endringen (20) von einem Rotor für einen Asynchron- Motor, enthaltend:

a. Bilden einer Rotoranordnung (10) durch

1) Anordnen von mehreren Rotorstäben in den Nuten von einen Rotorkern (14),

2) Anordnen jedes Endringes gegenüber Endflächen (18) von den Rotorstäben, und

3) Anordnen einer Hartlöt-Zwischenschicht (16) zwischenjeder Endfläche von jedem Rotorstab und dem Endring gegenüber dieser Endfläche, um eine Vorhartlötverbindung mit einer Dicke zu bilden, die größer als die Dicke einer Nachhartlötverbindung ist,

b. Ausbilden einer Hartlötanordnung (23, 30) durch Positionieren der Rotoranordnung in einer Hartlöthalterung (22), die einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als die Rotorstäbe,

c. Vorwärmen der Hartlötanordnung auf eine vorbestimmte Temperatur, die

1) genügend unterhalb der Alterungstemperatur der Rotorstäbe und Endringe ist, so daß die Temperatur der gesamten Rotoranordnung nicht über die Alterungstemperatur der Rotorstäbe und Endringe während des Hartlötens ansteigt, und

2) ausreichend hoch ist, so daß die Differenz in der thermischen Ausdehnung der Rotorstäbe und der Hartlöthalterung einen vorbestimmten Druck auf die Hartlötverbindung ausübt, so daß, nachdem die Verbindung hartgelötet und abgekühlt ist, ein Hartlöt-Füllstoff mit einer vorbestimmten Dicke die Rotorstab-Endflächen mit dem Endring verbindet,

d. Hartlöten jeder Vorhartlötverbindung, um die Rotorstab-Endflächen mit wenigstens einem der Endringe zu verbinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der Endringe eine innere Lippe (71) und eine äußere Lippe (72) bildet und der Rotorstab zunächst in dem Endring in einem vorbestimmten Abstand von der inneren Lippe (71) angeordnet wird, so daß, wenn die Rotoranordnung erwärmt wird, die innere Lippe nicht den Rotorstab von der Mitte der Rotoranordnung nach außen drückt.

3. Einrichtung zum Aufrechterhalten eines vorbestimmten Druckes auf eine Käfigwicklung-Rotoranordnung (30) während des Verfahrens des Hartltens von Rotorstäben (12) an Endringen (20), um eine Hartlötverbindung zu bilden, wobei die Rotoranordnung (30) Rotorstäbe (12) aufweist, die in einem Rotorkern (14) angeordnet sind und deren Enden (18) auf Hartlöt-Zwischenschichten (16) von Hartlötfüllstoffen angeordnet sind, die sich zwischen den Rotorstäben und den Endringen befinden, enthaltend eine Positioniereinrichtung (42, 62) zum Positionieren der Rotoranordnung in der Einrichtung und

eine Druckeinrichtung (58, 22) zum Ausüben eines vorbestimmten Druckes auf die Endringe (29), die Rotorstäbe (12) und die Hartlöt-Zwischenschichten (16) der Rotoranordnung (30), so daß, wenn die Enden der Rotorstäbe, Hartlöt-Zwischenschichten und Endringe gelötet werden, um eine Verbindung zu bilden, die entstehende Hartlötverbindung eine vorbestimmte Dicke hat, wobei die Druckeinrichtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der kleiner als der thermische Ausdehnugnskoeffizient der Rotorstäbe ist, so daß, wenn die Rotoranordnung in der Einrichtung in einer Umgebung positioniert ist, wo die Temperatur erhöht ist, die Druckeinrichtung weniger expandiert als die Rotorstäbe, wodurch ein vorbestimmter Druck auf die Hartlöt-Zwischenschichten ausgeübt wird, um eine hartgelötete Verbindung zu erzeugen, in der der Hartlötfüllstoff eine vorbestimmte Dicke hat.