Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren der durch den Oberbegriff des
Anspruchs 1 definierten Gattung sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses
Verfahrens.
Wenn Hohlräume bzw. Nuten bzw. Kavernen eines bestimmten Körpers mit einem Metall
gefüllt werden sollen, wie dies z.B. bei der Herstellung eines Rotors für einen
Kurzschlußläufermotor der Fall ist, müssen die in die Hohlräume bzw. Nuten des
Körpers einzufügenden Metallelemente nach dem Ausbilden des Körpers in diesen Körper
eingefügt werden. Gegenwärtig sind hierzu verschiedene Verfahren bekannt.
Eine Möglichkeit Nuten bzw. Hohlräume eines Körpers mit einem Metallelement zu
füllen, welche im Falle eines Rotors eines Kurzschlußläufermotors in Längsrichtung bzw.
Axialrichtung eines zylindrischen Körpers verlaufen, besteht darin, Metallstäbe, wie z.B.
Kupferstäbe, in den Körper an einer Stirnseite einzuklopfen, was auch als Ausstaben
bezeichnet wird. Dieses Ausstaben ist sehr aufwendig, da eine größere Anzahl an
Kupferstäben eingeklopft werden müssen. Im Falle eines Rotors für einen
Kurzschlußläufermotor müssen zusätzlich beide Enden eines jeden Kupferstabes mit
Kurzschlußringen verbunden werden, welche jeweils einzeln mit jedem Kupferstabende
verlötet werden müssen. Dieses Anlöten der Ringe ist aufgrund der hohen Anzahl der
erforderlichen Lötstellen ebenfalls sehr aufwendig und weiterhin weist eine solche
Anordnung auch den Nachteil auf, daß an den einzelnen Lötstellen Defekte auftreten
können, die die Qualität des Rotors erheblich verschlechtern bzw. diesen Rotor insgesamt
sogar unbrauchbar machen können, da einzelne Kupferstäbe im ungünstigsten Fall nicht
mehr elektrisch mit den an den Stirnseiten des Körpers befindlichen Ringen elektrisch
verbunden sind. Somit ist ein solches Verfahren auch deshalb nachteilig, weil das
Anbringen der Kurzschlußringe an den einzelnen eingestabten Kupferstäben aufwendig
und qualitativ problematisch ist.
Das bei kleineren Rotoren mit einem Durchmesser bis maximal 300 mm übliche
Ausgießen mit Aluminium nach dem Druckguß-Verfahren ist für Kupfer nur bei sehr
kleinen Rotoren anwendbar und ist auch hier mit großen Schwierigkeiten verbunden, da
die Abdichtung des Druckkolbens bei den für Kupfer erforderlichen Temperaturen von
1250°C nicht beherrscht wird.
Alternativ wurde versucht, die Hohlräume eines Körpers mit Metall auszufüllen, indem
der Körper um eine vertikale Achse gedreht wird, wobei flüssiges Metall in die Mitte des
Körpers eingeführt wurde, welches sich durch die Fliehkraft auf die Nuten in dem Körper
verteilen sollte. Jedoch waren die Ergebnisse dieses Verfahrens nicht zufriedenstellend,
so daß hiermit z.B. keine qualitativ hochwertigen Rotoren eines Kurzschlußläufermotors
hergestellt werden konnten.
Aus der DE-OS 25 57 645 ist ein Verfahren zum Ausgießen der Nuten und Gießen der
Kurzschlußringe von Kurzschlußläufern elektrischer Wechselstrommaschinen im
Niederdruckgießverfahren bekannt, wobei ein vorgewärmtes Blechpaket zwischen mit
Ausnehmungen versehene Formteile eingelegt wird und das untere Formteil Öffnungen
zum Einfließen von flüssigem Metall aufweist, welche mit einem Steigrohr eines Tiegels
in Verbindung stehen. In die Längsbohrung des Blechpakets wird ein Dorn eingesteckt
und beide Formteile werden in eine oberhalb eines Deckels eines nach außen luftdicht
abgeschlossenen Warmhalte- und Gießofens angeordnete Preßvorrichtung eingesetzt, so
daß das Blechpaket durch die Preßvorrichtung zusammengepreßt werden kann. Mittels
eines in den Tiegel eingeleiteten Druckgases wird flüssiges Metall in die Nuten des
Blechpakets eingeleitet, wobei während dieses Gießvorganges das Blechpaket mittels
eines auf die Preßvorrichtung aufgebauten Vibrators in Schwingungen versetzt wird,
damit Luftblasen beim Gießvorgang entweichen können, um somit einen lunkerlosen und
fehlerfreien Guß zu erreichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Ausfüllen von Hohlräumen bzw. Nuten eines Körpers mit einem
flüssigen Metall, insbesondere zur Herstellung eines Rotors für elektrische Maschinen
durch Verbundguß, vorzuschlagen, welche die oben beschriebenen Nachteile der
bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen verringern bzw. vermeiden. Insbesondere soll
ein Verfahren vorgeschlagen werden, mit welchem eine Füllung von Hohlräumen bzw.
Nuten eines Körpers, wie z.B. eines ringförmigen Blechpakets, mit einem flüssigen
Metall qualitativ hochwertig vorgenommen werden kann, sowie eine Vorrichtung, welche
zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
Das Verfahrenserzeugnis kann z.B. als Rotor für einen Kurzschlußläufermotor verwendet
werden, wobei sich das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße
Vorrichtung nicht nur darauf beschränken, sondern eine Vielzahl anderer
Verwendungsmöglichkeiten bieten. Das erfindungsgemäße Verfahren kann, wie auch die
Vorrichtung, überall dort angewandt werden, wo Nuten bzw. Hohlräume oder auch
Kavernen eines bestimmten Körpers mit einem Metall auszufüllen sind, ohne daß es sich
hierbei um einen Rotor eines Elektromotors handeln muß.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch das Verfahren von Anspruch 1 sowie eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Zweckmäßige und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den in
den Unteransprüchen definierten Merkmalen.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile beruhen auf folgender
Funktionsweise:
Die Hohlräume bzw. Nuten bzw. Kavernen des Körpers, z.B. eines Blechpakets, welche
mit einem Metall gefüllt werden sollen um so z.B. einen Rotor herzustellen, werden
evakuiert bzw. in einen Unterdruckzustand versetzt, so daß durch diesen verringerten
Druck eine geringere oder sogar keine Gasmenge in diesen Hohlräumen ist, welche von
dem einzufüllenden Metall bei einem Füllvorgang erst verdrängt werden muß. Weiterhin
entsteht durch dieses Evakuieren ein Unterdruckzustand, welcher bewirkt, daß flüssiges
Metall in diese Hohlräume eingesogen wird bzw. durch eine äußere Kraft, wie z.B.
Umgebungsluftdruck oder Zentrifugalkraft, in diese Hohlräume gedrückt wird. Somit
können diese Hohlräume bzw. Nuten fast vollständig luft- bzw. gasfrei mit flüssigem
Metall wie z.B. Aluminium oder Kupfer gefüllt werden, so daß durch diese erhebliche
geringere Gasdichte in den Hohlräumen auch weniger oder sogar gar keine Turbulenzen
entstehen, wie es bei einem Füllvorgang der Fall wäre, wenn die Hohlräume mit Luft
gefüllt wären. Dieses turbulenzfreie Ausfüllen der Hohlräume des Körpers mit einem
flüssigen Metall, bevorzugt einer gasfreien Schmelze, sorgt für eine gleichmäßige
Verteilung des Metalls innerhalb der Hohlräume. Da wenig bzw. gar kein Gas in diesen
Hohlräumen vorhanden ist, werden auch die Oxidationsprobleme eines herkömmlichen
Gießverfahrens vermieden. Ein herkömmlicher Gießstrahl bildet nämlich unmittelbar bei
dem Kontakt zu einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre eine Oxidschicht aus, welche die
Eigenschaften des erhaltenen Produkts nachteilig beeinflußt. Somit kann erfindungsgemäß
auf ein Desoxidationsmittel verzichtet werden.
Der Körper bzw. das Blechpaket sind dabei bevorzugt in einem evakuierten und
verschlossenen Gehäuse angeordnet, welches in eine Schmelze aus flüssigem Metall
eingetaucht und geöffnet wird, so daß durch außen anliegenden Atmosphärendruck das
flüssige Metall in das Gehäuse gedrückt wird.
Bevorzugt wird das flüssige Metall von unten in das Gehäuse gepreßt, so daß der außen
anliegende Atmosphärendruck ein Ansteigen des Metalles in dem evakuierten und
geöffneten Gehäuse bewirkt. Jedoch ist es auch möglich, daß durch eine weitere externe
auf die Schmelze wirkende Kraft, wie z.B. eine Zentrifugalkraft, das flüssige Metall in
einer schrägen Richtung oder sogar waagerecht in das Gehäuse eintritt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, einen Verbund- oder
Integralguß auszubilden, d.h. daß eine Vielzahl von Hohlräumen bzw. Nuten oder auch
Kavernen gleichzeitig und in einem Stück gefüllt bzw. ausgegossen werden können, so
daß in dem als Endprodukt erhaltenen Körper das dann erstarrte flüssige Metall als ein
Stück vorhanden ist, so daß z.B. im Fall eines Rotors für einen Kurzschlußläufermotor
auch keine nachfolgenden Verarbeitungs- bzw. Verbindungsschritte, wie z.B.
Zusammenlöten oder Zusammenschweißen, durchgeführt werden müssen. Hierbei wird
das flüssige Metall auch an die stirnseitigen Flächen des Körpers bzw. Blechpakets
geführt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß anders als z.B.
beim Einklopfen bzw. Ausstaben eines Körpers auch Hohlräume bzw. Kavernen
vollständig mit Metall gefüllt werden können, welche eine solche Geometrie aufweisen,
daß ein herkömmliches Ausstaben nicht möglich ist. Dies kann z.B. bei einer Kaverne
oder einem Hohlraum der Fall sein, welcher sich mit veränderndem Querschnitt und/oder
mit mehreren Krümmungen in den Körper bzw. entlang des Körpers erstreckt. In eine
solche Kaverne könnte kein Stab von außen eingeführt werden, da dieser beim Einführen
mehrfach gebogen werden müßte, was ein vollständiges Einführen im ungünstigsten Fall
unmöglich macht.
Dieser Vorteil des Verfahrens hinsichtlich der Unabhängigkeit der Anordnung bzw.
Geometrie der Hohlräume in dem Körper ermöglicht es, auch Hohlräume mit einem
völlig neuartigen Querschnitt und einem neuartigen Verlauf sicher und zuverlässig auf
eine qualitativ hochwertige Art mit Metall auszufüllen, so daß z. B. bei einem Rotor eines
Kurzschlußläufermotors auch gekrümmte bzw. geschlängelte Stäbe mit z.B.
trapezförmigem Querschnitt ausgebildet werden können, wie dies nach den Verfahren
gemäß dem Stand der Technik bisher unmöglich war.
Die äußere Kraft, welche z.B. der Atmosphärendruck sein kann, drückt somit das flüssige
Metall in die einzelnen Hohlräume bzw. Nuten hinein, ohne daß eine aufwendige einzelne
Bearbeitung der einzelnen Hohlräume vorgenommen werden muß. Da die Hohlräume
bzw. Nuten in einem Unterdruckzustand bzw. evakuiert sind, steht dem einströmenden
flüssigen Metall nur ein geringer bzw. gar kein Luftdruck entgegen, so daß es nur geringe
bzw. keine Verwirbelungen gibt, was zu einer verbesserten Qualität des erhaltenen
gefüllten Körpers führt, da die Füllungen der einzelnen Hohlräume gleichmäßig
ausgebildet werden. Das einströmende flüssige Metall wird durch die geringen
Gasmengen auch nur geringfügig bzw. nicht oxidiert, was weiter zu einer verbesserten
Qualität des erhaltenen Produkts beiträgt.
Vorteilhaft wird das flüssige Metall gas- und/oder turbulenzfrei in die evakuierten
Hohlräume eingebracht, was z.B. durch starkes Evakuieren oder eine geeignete Form der
Hohlräume bewirkt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in dem
Gehäuse bzw. den auszufüllenden Hohlräumen bzw. Nuten ein Vakuum, wobei der
Druck unter 50 Torr, insbesondere unter 10 Torr (1 Torr = 133,3224 Pa) liegt,
bevorzugt im Bereich 0,01 bis 1 Torr.
Bevorzugt wird das Verfahren so durchgeführt, wie oben bereits erwähnt, daß zusätzlich
zum Ausfüllen von Hohlräumen und/oder Nuten des Körpers an der einen Seite des
Körpers ein oberer Ringraum ausgebildet ist, welcher auch mit flüssigem Metall gefüllt
wird, wobei an der anderen Seite des Körpers ein unterer Ringraum ausgebildet ist,
welcher ebenfalls gefüllt wird, wobei beide Ringräume mit den ausgefüllten Hohlräumen
des Körpers in integraler Verbindung stehen, d.h., daß das gesamte Gebilde, bestehend
aus unterem Ringraum, ausgefüllten Hohlräumen des Körpers, und oberem Ringraum,
aus einem Guß gebildet wird, bzw. in einem Verfahrensschritt hergestellt wird. Natürlich
kann auch nur ein einzelner Ringraum vorgesehen sein.
Alternativ zu oben erwähnter Ausführungsform, wonach der Körper in ein Gehäuse
gegeben wird, wobei dann das Gehäuseinnere evakuiert wird, ist es auch möglich das
erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen ohne den Körper zu ummanteln bzw.
einzukapseln. Hierzu können z.B. Verschlußelemente an den Nuten- oder
Hohlraumöffnungen vorgesehen sein, welche bei Eintauchen in die Schmelze
geschmolzen werden, um das Eintreten der Schmelze zu ermöglichen.
Es ist vorteilhaft, daß die äußere Kraft, welche das flüssige Metall in den evakuierten
Hohlraum bzw. die evakuierten Nuten drückt, ein Umgebungsatmosphärendruck ist, was
z.B. dadurch erreicht werden kann, daß die Kapsel bzw. der Körper in eine Schmelze des
flüssigen Metalls getaucht wird, so daß bei anliegendem Unterdruck in den Hohlräumen
der Atmosphärendruck auf die Schmelze bewirkt, daß das flüssige Metall in die
Hohlräume bzw. auch die oberen und unteren Ringräume des Körpers hineingedrückt
bzw. eingebracht wird.
Da in der Metallschmelze geringe Mengen von Gasen, hauptsächlich von Wasserstoff
gelöst sein können, ist es vorteilhaft, die Schmelze vor deren Einbringen in den bereits
unter Vakuum stehenden Hohlraum zu entgasen, um ein Entgasen der erstarrenden
Schmelze und dadurch bedingte Gasporenbildung zu vermeiden. Die Vorentgasung der
Schmelze geschieht am zweckmäßigsten in einem Vakuumofen. Das gasfreie Metall kann
z.B. unter Schutzgas vor der Evakuierung des Gehäuses oder synchron hierzu nach
erfolgter Entgasung durch Evakuieren und anschließender Erstarrung der evakuierten
Schmelze wieder aufgeschmolzen werden, worauf das Gehäuse in das wieder
aufgeschmolzene gasfreie Metall eingetaucht werden kann.
Bevorzugt wird das Einsaugen bzw. Hineindrücken des flüssigen Metalls bzw. der
Schmelze in die evakuierten bzw. unter Unterdruck stehenden Hohlräume und/oder Nuten
bzw. Kavernen durch eine den äußeren Atmospährendruck unterstützende äußere Kraft
beschleunigt. Diese unterstützende äußere Kraft kann z.B. die Schwerkraft sein.
Alternativ bzw. zusätzlich ist es auch möglich, daß die unterstützende äußere Kraft eine
Zentrifugalkraft ist, d.h. der Körper mit den zu füllenden Hohlräumen bzw. Kavernen
wird so gedreht bzw. geschleudert, daß die auf den Körper wirkenden Zentrifügalkräfte
das Einsaugen bzw. Hineindrücken der flüssigen Schmelze in die Hohlräume des Körpers
unterstützt.
Es ist auch vorteilhaft, wenn auf die Oberfläche der Schmelze des flüssigen Metalls
zusätzlich eine Druckkraft wirkt, die somit auch eine äußere unterstützende Kraft
darstellt, welche einzeln oder in Kombination mit anderen äußeren Unterstützungskräften
zum Beschleunigen bzw. Unterstützen des Auffüllens der Hohlräume des Körpers
flüssigem Metall bzw. mit Schmelze verwendet wird.
Bevorzugt wird der Körper, welcher die zu füllenden evakuierten Hohlräume aufweist,
vor dem Füllen der Hohlräume an einer Stelle luftdicht bzw. vakuumdicht mit einem
Verschluß aus einem Material verschlossen, welches bevorzugt das gleiche Metall ist, wie
das Metall, welches die Hohlräume des Körpers füllen soll.
Sollen z.B. die Hohlräume mit Kupfer gefüllt werden, so wird das Gehäuse bzw. der
Körper bevorzugt an einer Stelle vakuumdicht mit einem dünnen Kupferblech
verschlossen, worauf dieser Körper mit der verschlossenen Stelle in eine Kupferschmelze
eingetaucht wird. Da das Kupferblech zum Verschließen sofort in der Kupferschmelze
gleichmäßig schmilzt, da es aus dem gleichen Metall wie die Schmelze ist, wird die
verschlossene Stelle schlagartig in ihrem ganzen Querschnitt nach dem Schmelzen des
dünnen Kupferblechs freigelegt, so daß die vor dem Schmelzen des Kupferblechs voll
anstehende Schmelze durch die eben noch verschlossene Stelle in den Körper eintritt.
Da das Blech zum Verschließen der Stelle aus dem gleichen Metall gefertigt ist, wie das
Metall in der Schmelze, entstehen keine Durchmischungen verschiedener Substanzen
bzw. Legierungen, welche sich unter Umständen nachteilig auf die Qualität des
erhaltenen Produkts auswirken können. Natürlich ist es auch möglich, daß gezielt ein
anderes Metall als Blech zum Verschließen verwendet wird, so daß das Metall in der
Schmelze zusammen mit dem abschließenden Metall eine Legierung ausbilden, welche als
erstes in den Körper eintritt.
Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Gehäuse bzw. der Körper
oder das Blechpaket vor dem Gießen, d.h. vor dem Ausfüllen der Hohlräume mit dem
flüssigen Metall z.B. durch Eintauchen in eine Schmelze, erwärmt, so daß das eintretende
flüssige Metall nicht schon am unteren Teil der Kapsel bzw. des Körpers soweit
abgekühlt wird, daß es erstarrt. Insbesondere wird bevorzugt, daß der Körper auf eine
Temperatur von 600°C bis 800°C, vorzugsweise auf 700°C, erwärmt wird.
Bevorzugt wird die Erstarrung des in das Gehäuse eingeströmten, z.B. durch den
Atmosphärendruck hineingepreßten, flüssigen Metalles derart geführt, daß durch gezielte
Wärmeabfuhr die stirnseitigen Erstarrungsfronten gegen stirnseitige Gehäuseplatten
laufen, wobei die Resterstarrung, in welcher sich der Lunker befindet, in der Mitte der
stirnseitigen Kurzschlußringe zu liegen kommen kann und somit nachträglich durch
zerspanende Bearbeitung des Verbundgußrotors entfernt werden kann. Eine gerichtete
Erstarrung der Kupferschmelze kann z.B. dadurch erreicht werden, daß in radialer
Richtung des Gehäuses bzw. Blechpaketes oder Körpers mit Ringbrausen oder ähnlichen
Vorrichtungen ein geeignetes Kühlmittel, wie z.B. Wasser, gegen die Gehäusewand
gespritzt wird. Das Kühlmittel kann hierzu z.B. in der Mitte des Gehäuses aufgebracht
werden und läuft nach dem Aufbringen in axialer Richtung weiter, um die gewünschte
gerichtete Erstarrung der Schmelze zu erhalten.
Im Falle des Eintauchens des Gehäuses bzw. des Körpers in eine Schmelze wird bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, daß die Eintauchtiefe in diese Schmelze nur so
groß ist, wie zum vollständigen Füllen der zu füllenden Bereiche mit dem flüssigen
Metall nötig ist, d.h. des Gehäuses bzw. der Körper wird nur soweit eingetaucht, daß das
flüssige Metall nicht erheblich bzw. gar nicht in einen oberen Bereich des Körpers
vordringt, wo dies nicht gewünscht ist.
Es wird bevorzugt, daß das Gehäuse bzw. der Körner im Falle des Eintauchens in eine
Schmelze so schnell in diese Schmelze eingetaucht wird, daß der Verschluß an der
Öffnung des Gehäuses bzw. des Körpers, welcher z.B. eine Metallplatte ist, erst schmilzt,
wenn das Gehäuse bzw. der Körper bis zu seiner gewünschten Endposition in die
Schmelze eingetaucht ist. Dies kann z.B. durch die Eintauchgeschwindigkeit, als auch die
Dicke des verschließenden Metallplättchens beeinflußt werden. Dieses schnelle
Eintauchen hat den Vorteil, daß das Eindringen der Schmelze unter definierten
Bedingungen erfolgt, so daß eine bestimmte vorgegebene Qualität erreicht werden kann.
Nach dem Eintauchen des Gehäuses bzw. des Körpers in die Schmelze und nach dem
Eindringen des flüssigen Schmelzmetalls in die Hohlräume bzw. Nuten des Körpers wird
es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, daß das Gehäuse bzw. der Körper
an einer außerhalb der Schmelze liegenden Stelle gekühlt wird, so daß sich innerhalb des
Gehäuses bzw. des Körpers an der gekühlten Stelle erstarrtes Metall aus der flüssigen
Schmelze ausbildet, welches als Pfropfen bzw. Rücklaufsperre für das in dem Gehäuse
bzw. dem Körper befindliche flüssige Metall wirkt. Vorzugsweise hält die Kühlung
solange an, bis eine ausreichende Verfestigung des Metalls eingetreten ist, vorzugsweise
bis das gesamte flüssige Metall in dem Körper erstarrt bzw. abgekühlt ist. Vor dem
Kühlen kann das Gehäuse bzw. der Körper auch schon zum Teil aus der Schmelze
herausgezogen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist in dem Körper, insbesondere
im Zentrum oder in einer radial in dem Körper verlaufenden mittleren Stelle ein
Hohlraum des Körpers mit einem bestimmten Material, z.B. einem keramischen Kern,
ausgefüllt, welches verhindert, daß flüssiges Metall in diesen Hohlraum des Körpers
eintritt. Dieses bestimmte Material, wie z.B. der keramische Kern, kann nach dem
Erstarren des eingefüllten flüssigen Metalls bzw. der Schmelze aus dem Körper entfernt
werden, so daß der Körper auch nicht gefüllte Hohlräume aufweist, welche insbesondere
im mittleren Bereich des Körpers liegen können.
Vorteilhaft kann eine zentrale Bohrung des Blechpaketes bzw. Körpers durch
Druckplatten z.B. aus Stahl verschlossen werden, um zu verhindern, daß Schmelze in den
zentralen Hohlraum eindringen kann. Hierbei können diese Druckplatten durch einen
Zuganker gegeneinander gespannt werden, wodurch z.B. ein enges Zusammenpressen der
einzelnen Bleche eines Blechpaketes erreicht werden kann. Um zu verhindern, daß der
Zuganker bei Erwärmung des Blechpaketes bzw. des Gehäuses, in welchem sich das
Blechpaket befindet, locker wird, kann der Zuganker aus einem Stahl mit sehr niedrigem
Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie z.B. Invar (36% Ni) hergestellt werden. Da sich
die Bleche des Blechpaketes in axialer Richtung stärker ausdehnen als der Zuganker kann
hierdurch eine starre Pressung des Blechpaketes erhalten werden.
Es wird bevorzugt, daß für die Herstellung des Gehäuses bzw. des Körpers ein Material
verwendet wird, welches nicht mit dem flüssigen Metall, wie z.B. der eingesaugten
Kupferschmelze, reagiert. Ein solches Material kann z.B. ein oxidiertes Stahlblech oder
ein phosphatiertes Stahlblech sein. Natürlich sind andere Materialien ebenso vorteilhaft,
welche nicht mit dem flüssigen Metall reagieren. Es ist vorteilhaft, das Gehäuse aus
einem mit der Schmelze, wie z.B. Kupfer, schwerlöslichem Stahl herzustellen um zu
verhindern, daß die in das Gehäuse eintretende Schmelze kein Eisen oder sonstiges
Material aus der mit der Schmelze in Berührung kommenden Gehäusewand aufnimmt,
wodurch sich die elektrische Leitfähigkeit der Schmelze verringern könnte. Hierzu ist
z.B. ein Stahl geeignet, welcher mit 26% Chrom legiert ist. Es können Stähle verwendet
werden, welche z.B. für Thermoelementschutzrohre für Kupferschmelzen verwendet
werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es bevorzugt, daß bestimmte Bereiche des
Körpers nach der Abkühlung des eingefüllten flüssigen Metalls bzw. Metallgusses
entfernt werden. Die Bezeichnung "Körper", wie vorangehend und nachfolgend
verwendet, bedeutet nicht, daß dieser Körper aus einem Stück bestehen muß. Der Körper
kann vielmehr aus einem inneren Körper bestehen, welcher zu füllende Hohlräume
aufweist, wobei dieser innere Körper von einem Gehäuse bzw. einer Kapsel umgeben
wird, welche z.B. daran angeordnete Rohre aufweisen kann, um das Innere des Gehäuses
einschließlich der Hohlräume des inneren Körpers in einen Unterdruckzustand durch
Anlegen eines Unterdrucks mittels einer Pumpe an einem der Rohre zu versetzen.
Natürlich muß auch das verschließende Element des Körpers, wie z.B. das
Kupferabschlußblech zum vakuumdichten Verschließen des Körpers, welches erst nach
Eintauchen in die Kupferschmelze geschmolzen wird, nicht unmittelbar an dem inneren
Körper angebracht werden, sondern kann auch an einer äußeren Öffnung eines der an
dem Gehäuse angebrachten Rohre angeordnet sein. Die hierin verwendete Bezeichnung
"Körper" kann somit sowohl den inneren Körper allein umfassen, als auch eine
Anordnung bestehend aus dem umkapselten inneren Körper mit eventuell daran
angebrachten Rohen. Die Erfindung kann in beiden Ausgestaltungen verwirklicht
werden.
Bevorzugt wird das Entfernen eines Teils des Körpers, d.h. z.B. des Gehäuses , durch
Abdrehen vorgenommen. Alternativ sind andere materialbearbeitende Verfahren, wie
z.B. Feilen, denkbar, um bestimmte Teile des Körpers, wie z.B. die Umkapselung von
dem inneren Körper zu entfernen.
Es wird bevorzugt, daß als das oben erwähnte Material bzw. Metall zum Füllen der
Hohlräume des Körpers Kupfer verwendet wird. Natürlich kann das erfindungsgemäße
Verfahen auch mit jedem anderen flüssigen Material bzw. Metall durchgeführt werden,
wie z.B. einer Kupferlegierung oder Aluminium.
Vorteilhaft wird nach dem Ausfüllen der Öffnungen bzw. Nuten des Körpers oder
Blechpaketes und/oder der unteren stirnseitigen Ringfläche die untere Eintrittsstelle für
die Schmelze verschlossen. Das Gehäuse kann anschließend an seiner Oberseite geöffnet
werden und Schmelze aus flüssigem Metall von oben nachgegossen werden, so daß sich
diese Schmelze mit der von unten eingetretenen und bevorzugt noch flüssigen Schmelze
vermischt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausfüllen von Hohlräumen und/oder Nuten eines
Körpers mit einem flüssigen Metall, insbesondere zur Herstellung eines Rotors, weist
folgende Merkmale auf: Ein geschlossenes Gehäuse bzw. eine Kapsel oder Umkapselung
mit einer inneren Halterung für den Körper wie z.B. für ein ringförmiges Blechpaket;
eine verschließbare Öffnung an einem Ende des Gehäuses zum Evakuieren des
Gehäuseinneren, z.B. durch Verbinden des Endes mit einer Pumpe; eine weitere
Öffnung, wie z.B. ein Steigrohr mit einem Verschluß, an einer anderen Stelle bzw. einem
anderen Ende des Gehäuses zum Zuführen bzw. Einfüllen des flüssigen Metalls durch
eine äußere Kraft in das unter Unterdruck stehende bzw. evakuierte Gehäuse, wobei der
Verschluß beim Eintauchen des Gehäuses in eine bevorzugt gasfreie Schmelze aus dem
flüssigen Metall geöffnet werden kann.
Bevorzugt ist die verschließbare Öffnung zum Evakuieren des Gehäuseinneren über ein
Rohr mit dem Gehäuse verbunden, d.h. das Rohr ist an einem Ende mit dem Gehäuse
verbunden, wobei das andere dem Gehäuse abgewandte Ende verschließbar ist.
Natürlich ist es auch möglich, beide Öffnungen unmittelbar, ohne durch Rohre verlängert
zu werden, an dem Gehäuse vorzusehen.
Der innere Körper in dem Gehäuse, welcher die zu füllenden Kavernen bzw. Nuten
aufweist, ist vorzugsweise ein aus mehreren Blechen, insbesondere Elektroblechen,
schichtartig aufgebauter Kern. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein Rotor eines
Kurzschlußläufermotors hergestellt werden soll, da eine solche Schichtung mehrerer
Elektrobleche nachteilige Wirbelströme verringert bzw. verhindert.
Der äußere bzw. umkapselnde Teil des Körpers bzw. das Gehäuse wird bevorzugt aus
einem Material gefertigt, das mit der eingesaugten bzw. eingefüllten Metallschmelze nicht
reagiert. Ein solches Material kann z.B. ein oxidiertes Stahlblech oder ein phosphatiertes
Stahlblech sein. Bevorzugt kann das Gehäuse aus einem in der Schmelze, z.B. in Kupfer
oder Aluminium schwerlöslichem Stahl bestehen. Insbesondere kommt hierfür ein Stahl in
Betracht, welcher mit etwa 26% Chrom legiert ist.
Bevorzugt ist an der verschließbaren Öffnung zum Evakuieren des Gehäuseinneren ein
Ventil vorgesehen, so daß das Gehäuseinnere nach dem Evakuieren mittels z.B. einer
Pumpe luftdicht verschlossen und von der Pumpe getrennt werden kann, wobei der
Unterdruckzustand in dem Gehäuse beibehalten wird. Natürlich kann das Verschließen
auch durch Verschweißen nach dem Evakuieren des Gehäuseinneren oder andere
geeignete Mittel bzw. Verfahren erfolgen.
Ebenso wird bevorzugt, daß bei der verschließbaren Öffnung, also z.B. zwischen dem
Ventil und dem Gehäuseinneren, ein Metallgitter, z.B. ein Drahtnetzpfropfen oder auch
Stahlwolle, angebracht ist, welcher bezüglich eines Gases durchlässig ist, so daß das
Gehäuseinnere durch dieses Drahtnetz hindurch evakuiert werden kann. Jedoch ist dieser
Drahtnetzpropfen für eine aufschießende Schmelze undurchlässig, da dieser
Drahtnetzpfropfen das schnelle Erstarren der Schmelze verursacht, weil dieser
Drahtnetzpfropfen ein schnelles Ableiten bzw. Verteilen der Wärme bewirkt. Das
Metallgitter bzw. der Drahtnetzpfropfen sollte einen höheren Schmelzpunkt als das
flüssige Metall aufweisen.
Wie bei dem Kühlen an einer Stelle außerhalb der Schmelze durch äußere Kühl- oder
Druckluft bzw. zugeführte Kaltluft wird durch das Drahtnetz ein Propfen aus
ausgehärtetem Metall ausgebildet, welcher das flüssige Metall bzw. die weitere Schmelze
daran hindert, bis zu dem Ventil durchzudringen, so daß das Ventil nicht mit der noch
flüssigen und somit heißen Schmelze in Berührung kommt, was zu einer Zerstörung des
Ventils führen kann, so daß das Ventil im folgenden wiederverwendet werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie eine Verwendung des mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Produktes wird nachfolgenden unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Körner, welcher von einer erfindungsgemäßen Kapsel bzw. einem
Gehäuse umgeben ist, das gerade in eine Schmelze eingetaucht wurde; und
- Fig. 2
- einen Rotor für einen Kurzschlußläufermotor, der mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Die Kurzschlußstäbe
wurden durch Abdrehen des Außendurchmessers des Blechpaketes sichtbar
gemacht. Um den Querschnitt der Stäbe sichtbar werden zu lassen, wurde
der Kurzschlußläufer in der Zeichnung teilweise geschnitten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform weist eine
Kapsel bzw. ein Gehäuse 2 auf, das aus einer zylinderförmigen Ummantelung 2a und
oberen und unteren Abschlußplatten 2b und 2c besteht. Die oberen und unteren
Abschlußplatten 2b, 2c sind mit der zylinderförmigen Ummantelung 2a an den Kanten
verschweißt. Die obere Abschlußplatte 2b weist eine Öffnung auf, an der ein oberes
Saugrohr 8 angebracht ist. Ebenso weist die untere Abschlußplatte 2c eine Öffnung auf,
an welcher ein unteres Rohr 14 angebracht ist. Die Darstellung gemäß Fig. 1 ist jedoch
nur schematisch, so daß es auch denkbar ist die obere Öffnung in der oberen
Abschlußplatte 2b größer auszubileden als die Öffnung in der unteren Abschlußplatte 2c.
Am oberen Ende des oberen Saugrohres 8 ist ein Drahtnetz 10 angebracht, welches
flüssiges Metall bzw. eine Schmelze daran hindern soll, bis zum Ventil 12 vorzudringen,
welches das Innere der Kapsel 2 luftdicht bezüglich des Äußeren der Kapsel 2 verschließt.
Über eine an dem Ventil 12 bzw. dem oberen Rohr 8 angeschlossene Pumpe kann Luft in
der durch einen Pfeil A gekennzeichneten Richtung aus dem Gehäuseinneren abgepumpt
werden, so daß das Innere des Gehäuses 2 evakuiert bzw. in einem Unterdruckzustand
ist. Natürlich kann die Kapsel 2 zum Evakuieren z.B. auch in eine Vakuumkapsel (nicht
gezeigt) gesetzt werden.
Im Inneren des Gehäuses 2 wird durch Noppen bzw. umlaufende Ringe 20 der Körper 4
gehalten, welcher z.B. ein aus Blechen schichtartig aufgebauter Kern sein kann. Der
Körper 4 weist verschiedene Hohlräume bzw. Nuten 5 auf, die durch das flüssige Metall
gefüllt werden sollen, so daß sich darin ein festes Metallelement ausbildet. Im Inneren des
in etwa zylinderförmigen Körpers 4 ist eine Keramik 6 angeordnet, welche besonders
hitzebeständig ist, also z.B. einen Schmelzpunkt von 1000°C oder höher aufweist. Diese
Keramik 6 kann mittels der gezeigten Verschraubung und geeigneter Scheiben sicher im
Inneren des Körpers 4 befestigt bzw. gelagert werden. Natürlich muß diese Keramik nicht
verschraubt werden, sondern kann durch andere geeignete Mittel, wie z.B. eine
Preßpassung, in dem Körper 4 gehalten werden.
Das untere Rohr 14 ist an der unteren Öffnung mit einem Verschluß 16 abgedichtet,
welcher z.B. aus Kupfer besteht. Wird nun das untere Rohr 14 mit dem Kupferverschluß
16 in eine Kupferschmelze 18, wie gezeigt, eingetaucht, so steht zunächst die heiße
Schmelze 18 voll an dem Verschluß 16 an und bewirkt, daß dieser gleichmäßig
aufgeschmolzen wird. Eine bestimmte Zeit nach dem Eintauchen wird dann der
Verschluß 16 aufgeschmolzen, so daß die Schmelze 18 gleichmäßig und rasch in das
evakuierte Innere des Gehäuses 2 eintreten kann, bedingt durch den Druckunterschied
zwischen dem Gehäuseinneren und dem äußeren Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck.
Die in das Gehäuse hineinschießende Schmelze 18 füllt sämtliche Hohlräume des
Gehäuseinneren 2 aus und wird erst von dem Drahtnetz 10 des oberen Rohres 18
gestoppt. Dabei werden neben den Hohlräumen 5 des Körpers 4 auch der obere Ringraum
3a und der untere Ringraum 3b des Gehäuseinneren mit flüssigem Metall 22 aus der
Schmelze 18 ausgefüllt, so daß ein einstückiger Körper aus Metall an bzw. in dem
Gehäuse 4 ausgebildet wird, welcher aus dem Metall 22a in dem oberen Ringraum 3a,
verbunden mit dem Metall 22b in dem Hohlraum bzw. der Nut 5, verbunden mit dem
Metall 22c in dem unteren Ringraum 3b besteht.
Durch eine nicht gezeigte Vorrichtung wird das Äußere des unteren Rohrs mit kalter Luft
angeströmt, so daß sich im Inneren des unteren Rohres 14 ein grau dargestellter Bereich
aus festem Metall 24 bildet, welcher bei ausreichender Abkühlung als Pfropfen bzw.
Rücklaufsperre wirkt, so daß das im Gehäuseinneren befindliche flüssige Metall 22 nicht
mehr aus diesem Gehäuse so austreten kann, selbst wenn das Gehäuse 2 aus der Schmelze
18 entfernt wird.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben:
Zunächst wird das Gehäuseinnere evakuiert bzw. in einen Unterdruckzustand versetzt,
wobei Luft über eine Pumpe durch das Ventil 12 abgepumpt wird. Anschließend wird das
Ventil 12 verschlossen, so daß das Innere des Gehäuses 2 bezüglich des Gehäuseäußeren
luftdicht verschlossen ist. An der unteren Öffnung des unteren Rohes 14 ist der
Verschluß 16 vorgesehen, welcher vakuum- bzw. luftdicht ist. Nach dem Evakuieren des
Gehäuses 2 wird das gesamte Gehäuse 2 auf eine Temperatur von ca. 700°C erwärmt,
wobei darauf geachtet werden sollte, daß der Teil des oberen Rohes 8 mit dem Drahtnetz
10 und dem Ventil 12 nicht zu stark erhitzt wird.
Anschließend wird das evakuierte und erhitzte Gehäuse 2 mit dem darin angeordneten
Körper 4 in die flüssige Schmelze 18 so eingetaucht, daß bei einer bestimmten
Eintauchtiefe der Verschluß 16 schmilzt, so daß das flüssige Metall der Schmelze 18 in
das Innere des Gehäuses 2 eintritt und alle Hohlräume ausfüllt, bis es im oberen Bereich
des oberen Rohres 8 durch das Drahtnetz 10 abgekühlt wird und erstarrt.
Durch einfaches Betrachten des oberen Rohres 8 kann relativ leicht festgestellt werden,
ob diese obere Rohr 8 glüht, was bedeutet, daß das flüssige Metall 22 aus der Schmelze
18 vollständig das Gehäuseinnere durchdrungen hat, so daß dann mit dem Beblasen des
unteren Rohres 14 mit kalter Luft begonnen werden kann, wie durch die Pfeile an beiden
Seiten des Rohres 14 gezeigt, so daß sich in dem Rohr 14 ein Bereich ausbildet, in
welchem das flüssige Metall erstarrt bzw. aushärtet und einen Pfropfen aus festem Metall
24 bildet. Zu diesem Zeitpunkt kann das Gehäuse 2 wieder aus der Schmelze 18
genommen werden, da das im Gehäuseinneren befindliche flüssige Metall 22 in keiner
Richtung mehr aus dem Gehäuse 2 austreten kann, da es durch Pfropfen aus festem
Metall in dem oberen Rohr 8 und dem unteren Rohr 14 gehalten wird. Anstatt der
Luftkühlung können an der gleichen Stelle auch Kühlbacken an das Rohr 14 angelegt
werden.
Nach dem vollständigen Aushärten des in dem Gehäuseinneren befindlichen flüssigen
Metalls 22 wird das Gehäuse bzw. die Kapsel 2 durch geeignete Bearbeitungsschritte
entfernt, wobei z.B. das obere und untere Rohr abgesägt werden können und z.B. die
zylinderförmige Ummantelung 2a abgedreht werden kann. Ebenso wird die im Zentrum
des Körpers 4 befindliche Keramik 6 aus dem Körper 4 entfernt, so daß dieser Körper
einen zylinderförmigen Hohlraum entlang seiner axialen Richtung aufweist.
Fig. 2 zeigt einen Rotor 40 eines Kurzschlußläufermotors, welcher mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
wurde. Dieser Rotor weist in axialer Richtung liegende Stäbe 50 auf, die in den
Hohlräumen bzw. Nuten 5 des Körpers 4 ausgebildet worden sind. Weiterhin sind die
jeweiligen Endbereiche der Stäbe 50 durch zwei gegenüberliegende Kurzschlußringe 60
verbunden, welche in dem oberen Ringraum 3a bzw. in dem unteren Ringraum 3b, wie in
Fig. 1 gezeigt, ausgebildet worden sind.