EP3970266A1 - Verfahren zur herstellung eines kurzschlussläufers einer asynchronmaschine - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines kurzschlussläufers einer asynchronmaschine

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Publication number
EP3970266A1
EP3970266A1 EP20746909.9A EP20746909A EP3970266A1 EP 3970266 A1 EP3970266 A1 EP 3970266A1 EP 20746909 A EP20746909 A EP 20746909A EP 3970266 A1 EP3970266 A1 EP 3970266A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
short
squirrel
circuit
asynchronous machine
producing
Prior art date
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Pending
Application number
EP20746909.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Büttner
Klaus Kirchner
Matthias Warmuth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innomotics GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3970266A1 publication Critical patent/EP3970266A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/0012—Manufacturing cage rotors
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K17/00—Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
    • H02K17/02—Asynchronous induction motors
    • H02K17/16—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K17/00—Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
    • H02K17/02—Asynchronous induction motors
    • H02K17/16—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
    • H02K17/20—Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors having deep-bar rotors
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    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a squirrel-cage rotor of an asynchronous machine, as well as the asynchronous machine itself and its use in different, preferably industrial, applications.
  • Squirrel cage dynamo-electric rotary machines are manufactured in the lower power range using die-casting technology in one operation. This cohesive process is costly since the die casting molds are expensive and wear out comparatively quickly. Furthermore, there is a comparatively high degree of variation in the quality of a squirrel cage manufactured in this way during manufacture. This manifests itself, for example, in the change in the quality of the melt in the crucible, through contamination of the melt during the casting process, through release agents or abrasion on the tool, as well as through the formation of cavities or stress cracks when the die casting cools down.
  • the pressure casting process is carried out under the influence of protective gas, for example.
  • Tools with several ventilation options are also provided, or even re-alloying of the melt is carried out.
  • the invention is based on the object of creating a method for producing a squirrel-cage rotor of an asynchronous machine, with both the electrical properties and the economic nature of the production method being in the foreground. Furthermore, a more powerful connection of conductor bars and short-circuit rings should be easy and effective to produce.
  • the task at hand is achieved by a method for producing a squirrel cage rotor of an asynchronous machine through the following steps:
  • the problem posed is also achieved by an asynchronous machine with a squirrel cage rotor produced by the method according to the invention.
  • the problem posed is also achieved by a drive system which in particular drives compressors, conveyor systems, machine tools or vehicles with at least one asynchronous machine according to the invention.
  • the magnetically conductive body is first provided, that is to say sintered material or a body that is at least partially 3D-printed or individual metal sheets are stacked, glued and / or stamped to form a finished rotor core.
  • These conductor bars are completely or at least in the area of their predeterminable overhang before being inserted into the magnetically conductive body after pickling, preferably immediately after pickling the conductor bars with a coating to prevent the formation of an oxidation layer on the stripped conductor bar. From the section of the conductor bar that protrudes from the face of the magnetically conductive body, it is referred to as an overhang.
  • the coating is preferably applied galvanically in the range between 2 and 5 ⁇ m in order to optimize the diffusion process into the first and second material described below.
  • the coating can alternatively also be sprayed on, but then the adjustable layer thicknesses are subject to a greater tolerance.
  • This third material that is to say the coating, is preferably made of tin, since with the first and second materials in the context of this manufacturing process it produces a comparatively very good electrical connection between this first and second material.
  • the rod ends of the conductor rods protruding from the magnetically conductive body, i.e. the protrusions, are at least over- predominantly with the short-circuit disk, which is preferably made of aluminum or an aluminum alloy, electrically connected and thus created a short-circuit cage of the rotor of the asynchronous machine, that is, the squirrel-cage rotor.
  • the short-circuit disk which is preferably made of aluminum or an aluminum alloy
  • These short-circuit disks are obtained from an extruded profile, in particular a cylindrical profile. These discs are adjustable in their axial height, this is achieved by separating a respective disc from the profile.
  • the short-circuit disk or short-circuit disk segments who are thus preferably made by extrusion of the second material with subsequent cutting to length. It is possible that the recesses on the radially outer area of the short-circuit disk, closed in the circumferential direction, are designed to be semi-open or open. In the case of closed and half-open recesses, the conductor bars must be inserted axially. In the case of open cutouts, the conductor bars could also be introduced radially into the short-circuit disk, which is an alternative in particular in the case of segmented short-circuit disks and / or open grooves in the laminated core of the rotor.
  • the short-circuit disk has prefabricated recesses for the conductor bars, which is easy to produce in extrusion technology.
  • the geometric cross-section of the recesses provided is slightly larger than the geometric bar cross-section of a conductor bar in order to obtain a clearance fit between the conductor bar and the short-circuit disk.
  • the short-circuit disks can alternatively also have a segmented structure when viewed in the circumferential direction and / or axially. This ensures an economical production of a squirrel cage rotor, especially for asynchronous machines with larger shaft heights.
  • This connection or electrical contact between the coated protrusion of the conductor bars and the short-circuit disks, in particular in the area of a contact surface, takes place according to the invention by heating, in particular hot forming, of this area, in particular inductive hot forming.
  • Hot forming refers to deformations that take place above the recrystallization temperature of a metal, in particular of the first and / or second material. Recrystallization describes the breakdown of lattice defects in the metal crystals through the formation of a new structure due to nucleation and grain growth.
  • the short-circuit disk is heated to approx. 450 ° to 500 ° C.
  • This hot forming is done by an inductor and a press, wherein the inductor can be adjusted in a simple manner to different diameters and / or heights of the short circuit disc.
  • the inductor advantageously has a shield acting in the direction of the laminated core in order not to unnecessarily heat the end faces of the laminated core and thus possibly change the material properties of these laminations. This is especially important for short-circuit disks that are in direct contact with the end faces of the laminated core, that is, are not arranged at a distance.
  • Such shielding of the inductor also has a positive effect on short-circuit disks that are arranged from the end face of the laminated core.
  • the heating and pressing are done in series, i.e. one after the other.
  • the process can, however, also begin with heating, whereby the pressing process can already start in the final phase of heating.
  • the short-circuit disks can also be preheated differently, in particular special in an oven.
  • the press sen then takes place after the short-circuit disks have been placed on the protrusions.
  • the coating made of the third material melts on the protrusion of the conductor bar, in particular on the protrusion of the copper bar. Due to the comparatively low layer thickness of this coating on the protrusion combined with the surface tension, the melted coating on the protrusion of the conductor rod initiates a process that is a reflow process of the coating on the conductor rod.
  • the protrusion denotes the part of the conductor bars protruding axially from the magnetically conductive body, in particular the laminated core. Contact is made with the short-circuit disk on a section of the protrusion, axially and / or circumferentially or on the entire protrusion.
  • the protrusion thus has a section which has a contact surface with the short-circuit disk, on which the coating also dissolves. This contact surface is formed by the depth of immersion of the protrusion in the short-circuit disk and the recess of the short-circuit disk that surrounds the protrusion with little play.
  • the heated short-circuit disk is subjected to a force on its one end face facing away from the laminated core and is molded onto the conductor bars, in particular the overhangs or the sections of the overhangs provided for this purpose. This results in a very good electrical connection between the conductor bar and the short-circuit washer.
  • the conductor rod / conductor rods and the short-circuit disk move towards each other with the corresponding recesses.
  • the initially existing gaps at least between the protrusion and the recesses of the short-circuit washers (clearance fit) during cold joining (temperature range between room temperature and max. 100 ° C).
  • At least the gaps in the clearance fit are closed by hot forming.
  • the heating in particular the temperatures of the hot forming, also results in a reflow process from the coating to the short-circuit disk.
  • the coating made of the third material dissolves completely.
  • the coating material in particular tin, diffuses into the surfaces in the area of the predeterminable section of the protrusion of the conductor bar and the surface to be contacted in the recess of the short-circuit disk. The desired contact is only established where the clearance fit between the protrusion and the recess - the desired contact area - was present.
  • the phase transformation of the coating material described above is excluded.
  • the reflow and diffusion processes create a cohesive connection between the conductor rods and the short-circuit washer without the application of current, as is the case with the manufacture of a squirrel-cage rotor using resistance welding.
  • the melting point of the third material i.e. the coating, is lower than the heating temperature of the hot forming on the short-circuit disk made of the second electrically conductive material.
  • the short-circuit disk is designed as a hollow cylinder with radially outwardly open recesses.
  • the magnetically conductive body in particular the stacked laminated core, can simultaneously be compressed and solidified in the axial direction.
  • the laminated core remains in the clamped state, since the conductor bars are firmly connected to the short-circuit disks on the end faces of the rotor. An additional form fit is therefore not required. This also prevents the conductor bars from "slagging" in the groove of the magnetically conductive body. It is advantageous for the manufacturing process, especially with axially thicker or higher short-circuit disks, if a temperature gradient in the heating process, i.e. a temperature gradient, is established axially outward from the end face of the short-circuit disk facing the laminated core.
  • the temperature in the area of the side of the short-circuit disk facing the laminated core is kept higher, so that the first deformation occurs in the form of a compression on the contact surface.
  • the further upsetting generates frictional heat that is continued axially outwards. This measure makes it possible to avoid thermal overloading of the material and to guide the deformation axially outwards from the inside over a large area.
  • This process can also be referred to as reverse rivet closure, since the rod is not expanded (riveted), but the short-circuit disk is molded onto the conductor rod.
  • positive connections can be integrated into the link in a comparatively simple manner, since it is easier to engrave contours in the conductor bar, especially in the overhang, than to intervene in the geometry of the recesses in the short-circuit disk.
  • the conductor bar or the protrusion does not take up the entire axial length or height of the short-circuit disk.
  • the radially outer recess acts as a fan.
  • the protrusion of the conductor bars can of course also protrude axially over the short-circuit disk and thus take on a fan function.
  • the wrought alloys are material compositions that have a high ductility (plastic Deformability) and are therefore ideally suited for hot forming, ie high degrees of deformation are possible with comparatively little effort.
  • Copper rods made from oxygen-free drawn electrical copper with a conductance of approx. 58 MS / m are preferably used as conductor rods.
  • Al-wrought alloys are preferably chosen as short-circuit disks, since they are ideally suited for hot forming, since with a relatively high formability the force required for forming is comparatively low.
  • the materials EN AW 6082 or EN AW 6060 are used.
  • an Al alloy disc i.e. a short-circuit ring disc made of an Al wrought alloy
  • the temperatures are in the range of 500 ° C. With a copper alloy, these temperatures are around 800 ° C.
  • the Form Sungsge speed of the material will be different for different materials.
  • Guide values for Al alloys of the short circuit disks are a temperature range of approx. 400 to 500 ° C, a shape change in the range of 0.5 and a deformation rate of 1 to 41 / s.
  • a supplementary, downstream heat treatment can also be applied.
  • This subsequent heat treatment known as tempering, enables the mechanical and electrical material properties such as tensile strength and electrical conductivity to be increased further.
  • the strength is increased by the fact that finely divided precipitates form as a result of the annealing.
  • This aging takes place preferably at moderate temperatures of approx. 140 to 190 ° C, which is also referred to as artificial aging. In this way, for example, tensile strength and electrical conductivity of the individual components, but also of the entire cage of the squirrel cage, can be positively influenced.
  • This heat treatment is carried out, for example, by solution annealing with subsequent quenching. This reduces the tension in the grid and "freezes" it. The less the grid is tensioned, the better the electrical conductivity.
  • the yield strength of the short-circuit ring thus obtained is higher by a factor of 10 than the yield strength for die-cast short-circuit rings with Al 99.6. This enables higher speeds of the rotor of an asynchronous machine, e.g. without additional bandages on the short-circuit ring.
  • a ductile material is loaded below the elongation limit (also called Rp-0.2 elongation limit), it will return to its original state after the load has been removed. Plastic deformation occurs at higher loads.
  • Targeted subsequent heat treatment can increase the yield strength, which is higher than that of pure aluminum, even further.
  • the yield strength of Al 99.6 is approx.
  • the short-circuit disks are provided with a closed outer radial contour made of steel or another material with high tensile strength or yield strength in order to achieve even higher speeds with an asynchronous machine.
  • a short-circuit disk made of aluminum has a lower moment of inertia and thus a higher speed capability due to its lower mass compared to copper short-circuit disks.
  • a material bond is now established for the contact between the conductor bar and the short-circuit disk, without the use of die casting and welding processes such as resistance welding, friction stir welding or laser welding.
  • Conductor bars in particular copper bars, are provided with a coating provided at least in the protrusion.
  • Pure aluminum or a ductile wrought alloy of aluminum is used as the short-circuit disk.
  • the short-circuit disk is brought to temperature and then, or at least temporarily, molded in parallel and optionally kept at temperature. This creates a diffusion and material connection / contact between the protrusion of the conductor rod and the short-circuit disk.
  • Both the drawn copper rods and the extruded short-circuit disks are free of cavities, cracks and contamination.
  • the diffusion and the cohesive connection / contact between the protrusion only occurs where the play between the coating on the conductor rod and inside the recess is comparatively small, i.e. 0.1 mm or less.
  • the decisive factor here is that the mechanical axial joining of the short-circuit disks to the protrusions of the conductor rods also takes place more or less cold, without having to apply a lot of deformation work in the so-called cold state.
  • the temperature must be kept below 50 ° C in any case below 100 ° C.
  • the contact area results, for example, from the length of the clearance fit of the recesses viewed in the circumferential direction multiplied by the immersion depths of the conductor bars in the short-circuit disk.
  • the coating of the third material is also made so comparatively thin that due to the internal stress of this material when heated, especially hot forming, it does not drip and thus does not detach from the surface of the protrusion to be contacted.
  • the inventive idea can also be implemented in squirrel cage rotors with short-circuit rings / short-circuit washer spaced from the laminated core.
  • the projection can thus be composed axially of the distance between the end face of the laminated core and the short-circuit disk and the immersion depth and fan section.
  • the axial length of the conductor rod in the short-circuit disk is basically referred to as the immersion depth.
  • the axial length of the conductor rod is referred to as the fan section, which extends axially beyond the short-circuit disk on the side of the short-circuit disk facing away from the laminated core.
  • an asynchronous rotor with short-circuit disks but also with spaced-apart short-circuit rings / short-circuit disks can be manufactured as follows within the scope of the invention .
  • the conductor bars are inserted into the magnetically conductive body so that there is a protrusion only on one side.
  • the short-circuit disk is placed on this overhang - as written above - and contacted.
  • the conductor bars with the already molded short-circuit disk are axially displaced by a predeterminable distance within the laminated core, so that protrusions arise on the other side of the laminated core, which are then also contacted with a short-circuit disk.
  • First material e.g. Cu 1080 ° C
  • Second material e.g. Al 660 ° C
  • Third material e.g. tin 230 ° C.
  • Recrystallization temperature occurs at over approx. 40 to 50% of the respective melting temperature.
  • Al for example, from 500 ° C, an undesirable giant grain formation forms, which deteriorates the desired material properties.
  • the conductor bars are fixed in the magnetically conductive body by the fact that the short-circuit disks cool down after hot forming and the short-circuit ring or short-circuit disks contract and thus permanently fix the conductor bars in their respective grooves. Temperatures of over 400 ° C are normally not reached when the machines are in operation, so that sufficient fixation of the conductor rods in the respective groove is given over the service life.
  • FIG. 2 shows an arrangement of conductor bars, FIG. 3 laminated core of a rotor, FIG. 4 short-circuit disk, FIG. 5 segmented short-circuit disk, FIG. 6 partial section of the rotor, FIG. 7 illustration of the basic heating, FIG. 8 basic illustration of the axial joining, FIG. 9 illustration of the layers of the conductive Materials,
  • FIG 10 is a perspective view of the rotor
  • FIG 11 Detailed representation of the finished rotor
  • FIG 12 is a perspective view of the rotor with shaft
  • FIG 14 squirrel cage rotor with long conductor bars
  • FIG 15 squirrel cage rotor with spaced short-circuit disk.
  • the winding system 3 can, for example, be constructed from stringed coils, preformed coils, tooth coils of different or identical coil widths.
  • a rotor 4 is arranged at a distance from the stator 2 via an air gap 18 of this asynchronous machine 1.
  • This squirrel-cage rotor 4 has a magnetically conductive body which is made from sintered material or as a laminated core 5.
  • the short-circuit ring, in particular the short-circuit disk 7, connects and contacts conductor bars 6 which are arranged in grooves 8, not shown in detail, of laminated core 5.
  • the short-circuit ring in particular the short-circuit disk 7, is in contact with a shaft 16, as shown in FIG. 1, which brings about a thermal connection and thus also a cooling of the short-circuit ring when the asynchronous machine 1 is in operation.
  • the rotor core is also in rotationally fixed contact with the shaft 16, which causes a thermal connection and thus also a cooling.
  • the short-circuit ring in particular the short-circuit ring disk 7, is in contact with the end face 20 of the laminated core 5 and the shaft 16, that is to say in each case.
  • the short-circuit disk 7 of the squirrel-cage rotor 4 can be spaced apart from the shaft 16 and / or the end face 20.
  • the short-circuit ring in particular a short-circuit washer 7, can be spaced from the end face 20 of the laminated core 5 and / or the shaft 16 in order, for example, to improve cooling or to avoid scattering losses in the laminated core.
  • the shaft 16 rotates as a result of electromagnetic interaction between the energized stator 2 and a short-circuit cage of the rotor 4, which is formed by the conductor bars 6 and the short-circuit disks 7.
  • the rotor 4 When the asynchronous machine 1 is in operation, the rotor 4 thus rotates with the shaft 16 connected in a rotationally fixed manner about an axis of rotation 17.
  • the Lei terstänke 6 are preferably made of drawn copper or a copper alloy and are teardrop-shaped in cross section. This arrangement is also implicitly to take a bevel of the grooves 8 over the axial length of the laminated core 5.
  • the cross-sectional shape of the conductor bars 6 essentially corresponds to the cross-section of the grooves 8. Furthermore, the conductor bars 6 have a cone 28 on which facilitates axial insertion.
  • FIG. 3 shows a magnetically conductive body which is designed as a laminated core 5 made of dynamo sheet and which has 10 elements 21 for the rotationally fixed connection with the shaft 16 in its shaft bore 10.
  • the grooves 8 are arranged in the radially outer region of the laminated core 5 and are executed circumferentially Lich considered closed. But they can also be designed to be half-open or open.
  • 4 shows a short-circuit disk 7 which has recesses 9 which are open radially outward and which correspond to the spacing of the grooves 8 of the laminated core 5 such that the conductor bars 6 arranged in the grooves 8 can be inserted into these recesses 9.
  • protrusions 23 of the luminescent rods 6 form, at least in the region of the recesses 9, a clearance fit of approximately 0.1 to 0.05 mm or even smaller.
  • FIG. 5 shows segments of short-circuit disks 7, such as are used, for example, for machines with larger shaft heights. Two or more segments according to FIG. 5 result in a short-circuit disk 7, the segments being mechanically connected at the joints by a kind of dovetail.
  • these are also formed in the axial direction from several layers, so that the joints 24 are offset like masonry, which ultimately also creates the electrical transitions in the short-circuit ring through axial pressing processes.
  • the heating takes place, advantageously by means of a temperature gradient 11, in the heating process, that is to say before the hot forming or at least temporarily during the hot forming.
  • FIG. 7 shows an exemplary induction arrangement 12 which surrounds the short-circuit disk 7, in which the coated protrusions 23 of the conductor bars 6 are arranged and are subjected to the heating process.
  • FIG. 8 shows an example of the joining process in which the conductor bars 6 are located in the laminated core 5.
  • the protrusions 23 are provided with a coating 15 which is in the range of 2-5 ⁇ m.
  • the axial joining is preferably carried out simultaneously with a predeterminable immersion depth 26 for all of the conductor bars 6 protruding from an end face 20 of the laminated core 5.
  • the conductor rods 6 are formed on their conductor rod ends protruding from the laminated core 5 ko cally or pointed to facilitate the joining process.
  • the coating 15 shows in principle, in particular in the over stand 23 the coating 15 on the first material 13 and separated therefrom by a clearance fit 31 the second material 14.
  • the coating 15 is melted or melted and ultimately dissolves through the Hot forming process through which this the diffusion and / or reflow process and thus the formation of the alloy completely or almost completely.
  • FIG. 10 shows a perspective illustration of the rotor core 4 with the conductor bars 6, which show the immersion depth 26 in the short-circuit disk 7.
  • FIG. 11 shows a detailed illustration of FIG. 10, the radially outwardly open recesses 9 of the short-circuit disk 7 can be seen.
  • FIG. 12 shows the squirrel cage rotor 4, which is connected to the shaft 16 in a rotationally fixed manner.
  • the shaft 16 can, however, also be connected to the laminated core 5 in a rotationally fixed manner before the axial joining process of conductor bars 6 with the short-circuit disks 7.
  • the reduced immersion depth 26 compared to the height 25 results in fan-like effects in the operation of the machine.
  • fan-like blades can also be formed by means of an axia len penetration of the conductor bars 6 through the short-circuit disk 7.
  • the protrusion 23 thus extends axially beyond the height 25 of the short-circuit disk 7.
  • a plurality of short-circuit rings or short-circuit disks 7 arranged isolated from one another can also be arranged on each end face 20 of the laminated core 5.
  • Electrically isolated short-circuit cages in the rotor 4 reduce the harmonic waves in the air gap 18 of the asynchronous machine 1, especially if the stator 2 has a winding system 3 with toothed coils, each tooth of the stator 2 being given by a toothed coil.
  • FIG. 13 shows a detailed illustration of the contact surfaces 27 between the conductor bar 6 and the short-circuit disk 7. This occurs the alloy preferably only on the contact surfaces 27, which have the clearance fit 31 at the beginning of the manufacturing process. This is where the hot forming process can be implemented particularly effectively.
  • the other openings between rule bar 6 and short-circuit disk 7 can be used for cooling, among other things.
  • the contact surface 27 of a conductor bar 6 in a recess 9 results, for example, from the length of the clearance fit 31 in the recess 9, viewed in the circumferential direction, multiplied by the immersion depth 26 of the conductor bar 6 in the short-circuit disk 7.
  • the short-circuit disk 7 is not in direct contact with the shaft 16 (as in FIG. 1), but rests against the end face 20 of the laminated core 5.
  • a method according to the invention for producing a squirrel-cage rotor 4 or an asynchronous rotor with a squirrel cage rotor of an asynchronous machine 1 is thus carried out, taking into account the relationships presented above, by the following steps:
  • An essentially cylindrically shaped magnetically conductive body in particular a laminated rotor core 5, is provided which has essentially axially extending grooves 14.
  • the laminated core is made up of axially historically th dynamo sheets.
  • the grooves 14 are closed, half-open or open in the circumferential direction.
  • the conductor bars 6 are inserted into the grooves 14 before preferably axially.
  • the conductor bars 6 are made of a first conductive material 13, in particular drawn Copper.
  • the conductor bars 6 are used in such a way that they protrude from the end faces 20 of the magnetically conductive body, in particular of the laminated rotor core 5, and thus form at least one protrusion 23 on one side, in particular one on both sides.
  • the complete conductor bars 6, but at least the sections of the protrusions 23, which are later contacted with the short-circuit disks 7, are preferably coated with tin before being inserted. The coating is between 2 and 5 pm.
  • the cross-section of the conductor bars 6 essentially corresponds to the cross-section of the grooves 14. During insertion, no significant friction occurs between the conductor bar 6 and the inside of the groove 14.
  • the short-circuit disk 7 is also provided, made of a second conductive material 14, in particular aluminum, with recesses 9 that are open radially outward.
  • the recesses 9 can also be designed to be closed, semi-open or open.
  • This short-circuit disk 7 can be constructed in several parts axially and / or in the circumferential direction. So either segmented and / or axially layered when viewed in the circumferential direction. The parts are connected to one another in advance.
  • the short-circuit disk 7 is made from a part that has been cut off from an extruded extrusion profile 19 and thus has the required height 25.
  • This short-circuit washer 7 is now positioned axially on the protrusion or protrusions of the respective conductor rods 6 with a clearance fit of max. 0.1mm, which protrude from the end face 20 of the magnetically conductive body, in particular of the laminated rotor core 5. This takes place as cold joining, with no significant friction or even deformation of the conductor rod 6 and recess 9 of the short-circuit disk 7.
  • the subsequent heating of the short-circuit disk 7 can be done by an inductor or in an oven.
  • the inductor allows the short-circuit disk to be heated up to 450 to 500 ° C within approx. 30s, depending on the short-circuit disk. Any shielding of the inductor in In the direction of the laminated rotor core 5, the laminations on the end face 20 are prevented from heating up unnecessarily.
  • the press takes place under pressure a hot forming of the short-circuit disk 7 on the projections 23 of about one minute, depending on process parameters, such as Ma materials used, size of the squirrel-cage rotor 4, etc. It follows an almost simultaneous contacting of the conductor rods 6 with at least Predeterminable sections of the short-circuit washer 7.
  • the clearance fit "dissolves" and electrical contact is made in the sections where the clearance fit between recess 9 and coated protrusion 23 existed.
  • the gaps that initially exist at least between protrusion and recesses of the short-circuit washers (clearance fit) for cold joining temperature range between room temperature and max.
  • This diffusion and alloy formation in particular of the tin in the first and second conductive materials of conductor bar 6 and short-circuit disk 7, for example copper and aluminum or their alloys, excludes the phase transformation of the coating material described above.
  • Asynchronous machines with a squirrel-cage rotor 4 produced according to the invention have a stator, in whose stator bore the squirrel-cage rotor 4 is inserted.
  • the shaft 16 to which the squirrel-cage rotor 4 is connected in a rotationally fixed manner is mounted in a housing on one or both sides.
  • Machines manufactured according to the invention have a wide range of uses and are used, among other things, for both standard and high-speed applications, for example in the compressor, fan and pump sector, conveyor technology, in toolmaking.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) einer Asynchronmaschine (1) durch folgende Schritte: - Bereitstellen eines im Wesentlichen zylindrisch geformten magnetisch leitfähigen Körpers, insbesondere eines Läuferblechpakets (5), mit im Wesentlichen axial verlaufenden Nuten (14), - einsetzen von Leiterstäben (6) aus einem ersten leitfähigen Material (13), in die Nuten (8) derart, dass die Leiterstäbe (6) aus den Stirnseiten (20) des magnetisch leitfähigen Körpers, insbesondere Läuferblechpakets (5) ragen, und somit zumindest einen einseitigen, insbesondere jeweils einen beidseitigen Überstand (23) bilden, - bereitstellen einer Kurzschlussscheibe (7), aus einem zweiten leitfähigen Material (14), mit nach radial außen offenen Ausnehmungen (9), - axiales Positionieren zumindest einer Kurzschlussscheibe (7) auf die Überstande der jeweiligen Leiterstäbe (6), die aus der Stirnseite des magnetisch leitfähigen Körpers, insesondere des Läuferblechpakets (5) ragen, - anschließendes Erhitzen, insbesondere Warmumformen der axial aufgeschobenen Kurzschlussscheibe (7), indem eine nahezu gleichzeitige Kontaktierung der Leiterstäbe (6) mit zumindest einer Kurzschlussscheibe (7) erfolgt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers einer Asynchronmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers einer Asynchronmaschine, als auch die Asynchronmaschine selbst und deren Verwendung bei unter schiedlichen, vorzugsweise industriellen Anwendungen.
Kurzschlussläufer dynamoelektrischer rotatorischer Maschinen werden im niedrigeren Leistungsbereich in Druckgusstechnik in einem Arbeitsgang hergestellt. Dieses stoffschlüssige Verfah ren ist kostenintensiv, da die Druckgussformen teuer sind und vergleichsweise schnell verschleißen. Des Weiteren ist bei der Herstellung ein vergleichsweise hohes Maß an Streuung in der Qualität eines derartig hergestellten Kurzschlussläufers vorhanden. Dies äußert sich beispielsweise in der Veränderung der Qualität der Schmelze im Tiegel, durch Verunreinigungen der Schmelze während des Gießprozesses, durch Trennmittel bzw. Abrasion am Werkzeug, ebenso wie durch Lunkerbildung oder Spannungsrissbildung bei Abkühlung des Druckgusses.
Im höheren Leistungsbereich oder bei Sonderanwendungen dyna moelektrischer rotatorischer Maschinen, werden einzelne Lei terstäbe mit einem Kurzschlussring elektrisch und mechanisch verbunden. Dies geschieht beispielsweise durch Löt- oder Schweißvorgänge, wie dies u.a. der DE 3413 519 C2 zu entneh men ist.
Nachteilig dabei ist jedoch, dass bei diesen größeren dynamo elektrischen Maschinen Kurzschlussringe vorhanden sind, die eine umlaufende Lötwanne aufweisen, die beim Lötprozess kom plett mit Lot zu füllen ist. Dabei wird lediglich das Volu men, des in der Lötwanne ragenden Volumen der Läuferstäbe nicht mit Lot gefüllt. Aufgrund des hohen Silberanteils im Lot ist dabei unter anderem eine Herstellung der Lötverbin- düng zwischen Läuferstäben und Kurzschlussring wirtschaftlich nicht besonders sinnvoll.
Um die, auch bei niedrigen Leistungsbereich auftretenden Qua- litätsverluste zu beheben, wird beispielsweise unter Schutz gaseinfluss der Druckgussvorgang durchführt. Ebenso werden Werkzeuge mit mehreren Entlüftungsmöglichkeiten vorgesehen, oder es wird sogar ein Nachlegieren der Schmelze durchge führt. Diese Eingriffe ermöglichen die Steigerung der Effizi enz des Asynchronkäfigläufers, jedoch sind zur Festigkeit zu sätzliche Maßnahmen notwendig, die insbesondere eine hohe Drehzahltauglichkeit beinhalten, wie z.B. Stützringe um höhe re Festigkeitswerte zu erhalten.
Aus der US 2013/0291373 Al ist ein Widerstandschweißverfahren bekannt, bei dem Kurzschlussringe mittels Widerstandsschwei ßen mit den Leiterstäben verbunden werden. Nachteilig dabei ist, dass mit zunehmender Anzahl der verschweißten Leiterstä be am Kurzschlussring der Strom über die bereits hergestell ten Verknüpfungen fließt und damit das Widerstandsschweißen der verbleibenden Stäbe an den Kurzschlussring erheblich er schwert. Das Verschweißen aller Leiterstäbe in einem Vorgang ist umständlich und u.a. auch energetisch sehr aufwändig.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers einer Asynchronmaschine zu schaffen, wobei sowohl die elektrischen Eigenschaften als auch die wirtschaftliche Art und Weise des Herstellverfahrens im Vordergrund stehen. Des Weiteren soll eine leistungsfähigere Verbindung von Leiterstäben und Kurz schlussringen einfach und effektiv herzustellen sein.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers einer Asynchronma schine durch folgende Schritte:
- Bereitstellen eines im Wesentlichen zylindrisch geformten magnetisch leitfähigen Körpers, insbesondere eines Läufer blechpakets, mit im Wesentlichen axial verlaufenden Nuten, - einsetzen von Leiterstäben aus einem ersten leitfähigen Ma terial, in die Nuten derart, dass die Leiterstäbe aus den Stirnseiten des magnetisch leitfähigen Körpers, insbesonde re Läuferblechpakets ragen, und somit zumindest einen ein seitigen, insbesondere jeweils einen beidseitigen Überstand bilden,
- bereitstellen einer Kurzschlussscheibe, aus einem zweiten leitfähigen Material, mit nach radial außen offenen Ausneh mungen,
- axiales Positionieren zumindest einer Kurzschlussscheibe auf die Überstände der jeweiligen Leiterstäbe, die aus der Stirnseite des magnetisch leitfähigen Körpers, insbesondere des Läuferblechpakets ragen,
- anschließendes Erhitzen, insbesondere Warmumformen der axi al aufgeschobenen Kurzschlussscheibe, indem eine nahezu gleichzeitige Kontaktierung der Leiterstäbe mit zumindest einer Kurzschlussscheibe erfolgt.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt ebenfalls durch ei ne Asynchronmaschine mit einem Kurzschlussläufer hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt ebenfalls durch ein Antriebssystem, das insbesondere Kompressoren, Förderanlagen, Werkzeugmaschinen oder Fahrzeuge mit zumindest einer erfin dungsgemäßen Asynchronmaschine antreibt.
Erfindungsgemäß werden zunächst der magnetisch leitfähige Körper bereitgestellt, also gesintertes Material oder ein zu mindest abschnittsweise 3D-gedruckter Körper oder einzelne Bleche zu einem fertigen Läuferblechpaket gestapelt, verklebt und/oder stanzpaketiert.
In die vorhandenen Nuten dieses magnetisch leitfähigen Kör pers des Läufers werden unabhängig davon, ob eine Schrägung der Nut vorgesehen ist oder nicht, Leiterstäbe aus einem ers ten elektrisch leitfähigen Material beispielsweise gezogene Kupferstäbe eingesetzt. Die Nuten befinden sich am radial äu- ßeren Bereich des magnetisch leitfähigen Körpers und sind je weils in Umfangsrichtung betrachtet geschlossen, halboffen oder offen ausgeführt.
Diese Leiterstäbe werden komplett oder zumindest im Bereich ihres vorgebbaren Überstandes vor dem Einsetzen in den magne tisch leitfähigen Körper nach einem Abbeizen, vorzugsweise unmittelbar nach einem Abbeizen der Leiterstäbe mit einer Be schichtung versehen, um die Ausbildung einer Oxidations schicht auf dem abgebeizten Leiterstab zu verhindern. Der Ab schnitt des Leiterstabes, der aus der Stirnseite des magne tisch leitfähigen Körpers ragt, wird dabei als Überstand be zeichnet.
Vorzugsweise wird die Beschichtung im Bereich zwischen 2 und 5 pm galvanisch aufgebracht, um den später beschriebenen Dif fusionsprozess in das erste und zweite Material zu optimie ren.
Die Beschichtung kann alternativ auch aufgesprüht werden, je doch sind dann die einstellbaren Schichtdicken mit einer grö ßeren Toleranz beaufschlagt.
Vorzugsweise ist dieses dritte Material, also die Beschich tung aus Zinn, da es mit den ersten und zweiten Materialien im Rahmen dieses Fertigungsprozesses eine vergleichsweise elektrisch sehr gut leitende Verbindung zwischen diesem ers ten und zweiten Material herstellt.
Um die Leiterstäbe positionsgenau im magnetisch leitfähige Körper und für den anschließenden Verbindungsprozess mit den Kurzschlussscheiben genau zu fixieren, ohne das Unwucht im Läufer entsteht, können diese durch eine dementsprechende Haltevorrichtung, sei es eine Matrix etc., in ihrer Position gehalten werden.
Die aus dem magnetisch leitfähigen Körper ragenden Stabenden der Leiterstäbe, also die Überstände werden zumindest über- wiegend mit der Kurzschlussscheibe, die vorzugsweise aus Alu minium oder einer Aluminiumlegierung ist, elektrisch leitend verbunden und so ein Kurzschlusskäfig des Läufers der Asyn chronmaschine, also der Kurzschlussläufer geschaffen.
Diese Kurzschlussscheiben werden dabei aus einem strangpress- gezogenen Profil, insbesondere zylinderförmigen Profil gewon nen. Dabei sind diese Scheiben in ihrer axialen Höhe ein stellbar, dies wird durch Abtrennung einer jeweiligen Scheibe von dem Profil erreicht.
Die Kurzschlussscheibe oder Kurzschlussscheibensegmente wer den somit vorzugsweise durch Strangpressen des zweiten Mate rials mit anschließendem Ablängen hergestellt. Dabei ist es möglich, dass die Aussparungen am radial äußeren Bereich der Kurzschlussscheibe, in Umfangsrichtung geschossen, halboffen oder offen ausgeführt sind. Bei geschlossenen und halboffenen Aussparungen müssen die Leiterstäbe axial eingesetzt werden. Bei offenen Aussparungen könnten die Leiterstäbe auch radial in die Kurschlussscheibe eingebracht werden, was insbesondere bei segmentierten Kurzschlussscheiben und/oder offenen Nuten im Blechpaket des Läufers eine Alternative darstellt.
Vorteilhafterweise weist die Kurzschlussscheibe vorgefertigte Ausnehmungen für die Leiterstäbe auf, was in der Strangpress technik einfach herzustellen ist. Dabei ist der geometrische Querschnitt der vorgesehenen Aussparungen geringfügig größer als der geometrische Stabquerschnitt eines Leiterstabes, um eine Spielpassung zwischen Leiterstab und Kurzschlussscheibe zu erhalten.
Die Kurzschlussscheiben können in Umfangsrichtung und/oder axial betrachtet alternativ auch segmentiert aufgebaut sein. Dies gewährleistet insbesondere auch für Asynchronmaschinen mit größeren Achshöhen eine wirtschaftliche Herstellung eines Kurzschlussläufers . Dieses Verbinden bzw. elektrisches Kontaktieren zwischen dem beschichteten Überstand der Leiterstäbe und den Kurzschluss scheiben, insbesondere im Bereich einer Kontaktfläche ge schieht erfindungsgemäß durch Erhitzen, insbesondere Warmum- formen dieses Bereichs, insbesondere induktives Warmumformen.
Warmumformen bezeichnet dabei Umformungen, die oberhalb der Rekristallisationstemperatur eines Metalls, insbesondere des ersten und/oder zweiten Materials stattfinden. Rekristallisa tion beschreibt den Abbau von Gitterfehlern in den Metall kristallen durch Neubildung des Gefüges aufgrund Keimbildung und Kornwachstum.
Bei dem Warmumformungsprozess wird die Kurzschlussscheibe auf ca. 450° bis 500°C aufgeheizt.
Dieses Warmumformen geschieht durch einen Induktor und eine Presse, wobei sich der Induktor in einfacher Art und Weise auf unterschiedliche Durchmesser und/oder Höhen der Kurz schlussscheibe einstellen lässt. Vorteilhafterweise weist der Induktor eine in Richtung des Blechpakets wirkende Abschir mung auf, um die Stirnseiten des Blechpakets nicht unnötig aufzuheizen und damit ev. die Materialeigenschaften dieser Bleche zu verändern. Dies ist vor allem bei Kurzschlussschei ben wichtig, die mit den Stirnseiten des Blechpakets direkt in Kontakt stehen, also nicht beabstandet angeordnet sind. Auch bei Kurzschlussscheiben, die von der Stirnseite des Blechpakets angeordnet sind, macht sich eine derartige Ab schirmung des Induktors positiv bemerkbar.
Das Aufheizen und das Pressen geschieht seriell, also zeit lich hintereinander. Der Prozess kann aber auch zunächst mit dem Aufheizen beginnen, wobei in der Schlussphase des Heizens der Pressvorgang bereits einsetzen kann.
Um die erforderliche Temperatur für das Warmumformen zu er reichen, können die Kurzschlussscheiben auch anders, insbe sondere in einem Ofen zumindest vorgeheizt werden. Das Pres- sen erfolgt dann nach dem Aufsetzen der Kurzschlussscheiben auf die Überstände.
Dabei schmilzt die Beschichtung aus dem dritten Material am Überstand des Leiterstabes, insbesondere am Überstand des Kupferstabes auf. Durch die vergleichsweise geringe Schicht dicke dieser Beschichtung am Überstand verbunden mit der Oberflächenspannung wird durch die dabei aufgeschmolzene Be schichtung am Überstand des Leiterstabes ein Prozess einge leitet, der sich als Reflow-Prozess der Beschichtung zum Lei terstab darstellt.
Der Überstand bezeichnet dabei die axial aus dem magnetisch leitfähigen Körper, insbesondere Läuferblechpaket ragenden Teil der Leiterstäbe. An einem Abschnitt des Überstandes, axial und/oder umfänglich oder am gesamten Überstand erfolgt die Kontaktierung zur Kurzschlussscheibe. Der Überstand weist also einen Abschnitt auf, der eine Kontaktfläche zur Kurz schlussscheibe aufweist, an der sich auch die Beschichtung auflöst. Diese Kontaktfläche wird durch die Eintauchtiefe des Überstandes in die Kurzschlussscheibe und die den Überstand mit geringem Spiel umfänglich fassende Ausnehmung der Kurz schlussscheibe gebildet.
Weiterhin wird die aufgeheizte Kurzschlussscheibe an ihrer einen, dem Blechpaket abgewandten Stirnseite mit einer Kraft beaufschlagt und an die Leiterstäbe, insbesondere die Über stände bzw. die dafür vorgesehenen Abschnitte der Überstände angeformt. Damit ergibt sich eine elektrische sehr gut lei tende Verbindung zwischen dem Leiterstab und dem Kurzschluss scheibe.
Durch ein axiales Aufsetzen der Kurzschlussscheibe auf die Leiterstäbe oder der Leiterstäbe auf die Kurzschlussring scheibe oder gegenseitiges axiales Einsetzen, bewegen sich jeweils sich Leiterstab/Leitstäbe und Kurzschlussscheibe mit den dazu korrespondierenden Ausnehmungen aufeinander zu. Die zunächst bestehenden Spalte zumindest zwischen Überstand und Ausnehmungen der Kurzschlussscheiben (Spielpassung) beim kalten Fügen (Temperaturbereich zwischen Zimmertemperatur und max. 100°C). Es tritt beim kalten Fügen zwischen den Leiter stäben und den Kurzschlussscheiben nahezu keine Reibung und/oder Verformung auf. Zumindest die Spalte der Spielpas sung schließen sich durch das Warmumformen. Durch die Erhit zung, insbesondere Temperaturen des Warmumformens stellt sich auch ein Reflow-Prozess von der Beschichtung zur Kurzschluss scheibe ein. Die Beschichtung aus dem dritten Material löst sich komplett auf. Das Beschichtungsmaterial, insbesondere Zinn diffundiert in die Oberflächen im Bereich des vorgebba- ren Abschnitts des Überstandes des Leiterstabes und der zu kontaktierenden Oberfläche in der Ausnehmung der Kurzschluss scheibe. Also nur dort wo die Spielpassung zwischen Überstand und Ausnehmung - die angestrebte Kontaktfläche - vorhanden war, stellt sich die angestrebte Kontaktierung ein.
Das komplette Auflösen dieser Beschichtung während des Her stellungsprozesses (Diffusion) im Bereich der Kontaktflächen ist entscheidend für die Qualität der Kontaktierung zwischen Leiterstab und Kurzschlussscheibe. Durch das komplette Auflö sen sind keine Anhäufungen des Beschichtungsmaterials im Spalt mehr vorhanden. Bei Einsatz von bestimmten Materialien, wie z.B. Zinn in einem Temperaturbereich bei Betrieb der Asynchronmaschine von ca. -40°C bis 200°C käme es ansonsten zu unerwünschten Umwandlungen von Beta-Zinn in Alpha-Zinn bzw. Gamma-Zinn. Es würde damit Zinnpulver mit einem ver gleichsweise schlechten elektrischen Leitwert entstehen. Da mit wäre die Kontaktierung zwischen Leiterstab und Kurz schlussscheibe vergleichsweise schlecht, was zu unnötiger thermischer Aufheizung im Betrieb und zu einem schlechteren Wirkungsgrad der Asynchronmaschine führen würde.
Durch diese Diffusion und Legierungsbildung, insbesondere des Zinns in die ersten und zweiten leitfähigen Materialien von Leiterstab und Kurzschlussscheibe, beispielsweise Kupfer und Aluminium oder deren Legierungen, wird die oben beschriebene Phasenumwandlung des Beschichtungsmaterials ausgeschlossen.
Durch die Reflow- und Diffusionsprozesse wird eine stoff schlüssige Verbindung zwischen Leiterstäben und Kurzschluss scheibe geschaffen ohne Beaufschlagung von Strom wie bei der Herstellung eines Kurzschlussläufers durch Widerstandsschwei ßen.
Neben der u.a. elektrischen Verbindung durch das Anformen stellt sich also auch eine zusätzliche stoffschlüssige Ver bindung durch Diffusion ein.
Entscheidend ist dabei, dass der Schmelzpunkt des dritten Ma terials, also der Beschichtung niedriger ist, als die Auf heiztemperatur des Warmumformens an der Kurzschlussscheibe aus dem zweiten elektrisch leitfähigen Material.
Die Kurzschlussscheibe ist geometrisch betrachtet hohlzylind risch ausgeführt mit radial nach außen geöffneten Ausnehmun gen.
Der Erfindungsgedanke lässt sich aber auch bei radial ge schlossen Ausnehmungen umsetzen, könnte jedoch zusätzlich Fertigungsschritte erfordern.
Durch Aufbringung einer axialen Fügekraft kann gleichzeitig der magnetisch leitfähige Körper, insbesondere das gestapelte Blechpaket in axialer Richtung verdichtet und verfestigt.
Nach Abschluss des oben beschriebenen Fügevorgangs bleibt das Blechpaket im verspannten Zustand, da die Leiterstäbe mit den Kurzschlussscheiben an den Stirnseiten des Läufers stoff schlüssig verbunden sind. Ein zusätzlicher Formschluss ist somit nicht erforderlich. Dadurch wird auch ein „Schlackern" der Leiterstäbe in der Nut des magnetisch leitfähigen Körpers vermieden. Vorteilhaft für das Herstellverfahren ist es insbesondere bei axial dickeren bzw. höheren Kurzschlussscheiben, wenn sich ein Temperaturgradient im Aufheizvorgang also während des Warmumformens, konkret ein Temperaturgefälle, ausgehend von der dem Blechpaket zugewandten Stirnseite der Kurzschluss scheibe axial nach außen einstellt.
Dabei wird die Temperatur im Bereich der zum Blechpaket ge wandten Seite der Kurzschlussscheibe höher gehalten, so dass sich die erste Verformung in Form einer Stauchung an der An lagefläche einstellt. Durch das weitere Stauchen wird eine Reibungswärme erzeugt, die sich axial nach außen fortsetzt. Durch diese Maßnahme ist es möglich eine thermische Überlas tung des Materials zu vermeiden und die Verformung von innen flächig axial nach außen zu führen.
Diese Verfahren kann auch als umgekehrter Nietverschluss be zeichnet werden, da nicht der Stab aufgeweitet (vernietet) wird, sondern die Kurzschlussscheibe an den Leiterstab ange formt wird. Damit können vergleichsweise einfach Formschlüsse in die Verknüpfung integriert werden, da es einfacher ist in den Leiterstab Konturen, insbesondere im Überstand einzuprä gen als in die Geometrie der Ausnehmungen der Kurzschluss scheibe einzugreifen.
Der Leiterstab bzw. der Überstand nimmt dabei nicht die ge samte axiale Länge bzw. Höhe der Kurzschlussscheibe ein.
Nimmt der Leiterstab nicht die gesamte Kontur der vor allem offenen/halboffenen Aussparung ein wirkt der radial äußere der Ausnehmung als Lüfter.
Ergänzend dazu oder optional kann der Überstand der Leiter stäbe selbstverständlich auch axial über die Kurzschluss scheibe ragen und so eine Lüfterfunkton einnehmen.
Allgemein handelt es sich bei den Knetlegierungen um Materi alzusammensetzungen, die eine hohe Duktilität (plastische Verformbarkeit) aufweisen und somit ideal zum Warmumformen geeignet sind, d.h. hohe Umformgrade sind unter vergleichs weise geringem Kraftaufwand möglich.
Als Leiterstäbe werden vorzugsweise Kupferstäbe aus sauer stofffreiem gezogenem Elektrokupfer mit einem Leitwert von ca. 58 MS/m eingesetzt.
Als Kurzschlussscheiben werden vorzugsweise Al-Knetlegie- rungen gewählt, da diese ideal für Warmumformen geeignet sind, da bei relativ hohem Umformvermögen die benötigte Kraft zum Umformen vergleichsweise niedrig ist. So werden z.B. die Materialien EN AW 6082 oder auch EN AW 6060 verwendet.
Verwendet man z.B. eine Al-Legierungsscheibe, also Kurz schlussringscheibe aus einer Al-Knetlegierung, liegen die Temperaturen im Bereich von 500°C. Bei einer Kupferlegierung liegen diese Temperaturen bei ca. 800°C. Die Formänderungsge schwindigkeit des Materials wird bei unterschiedlichen Mate rialien unterschiedlich sein.
Richtwerte für Al-Legierungen der Kurzschlussscheiben sind dabei ein Temperaturbereich von ca. 400 bis 500°C, eine For mänderung im Bereich von 0,5 und eine Formänderungsgeschwin digkeit von 1 bis 41/s.
Zur Steigerung der Effizienz und Drehzahltauglichkeit des hergestellten Kurzschlussläufers kann auch zusätzlich eine ergänzende nachgeschaltete Wärmebehandlung angewandt werden. Durch diese nachgeschaltete Wärmebehandlung, dem sogenannten Tempern lassen sich die mechanischen und elektrischen Materi aleigenschaften wie Zugfestigkeit und elektrische Leitfähig keit weiter steigern. Die Festigkeit steigert sich dadurch, dass durch das Tempern sich feinverteilte Ausscheidungen bil den. Diese Auslagerung findet vorzugsweise bei mäßigen Tempe raturen von ca. 140 bis 190°C statt, was auch als Warmausla- gern bezeichnet wird. Dadurch kann beispielsweise Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit der Einzelkomponenten, aber auch des gesamten Käfigs des Kurzschlussläufers positiv beeinflusst werden.
So wird bei dem Werkstoff EN AW 6060 durch 10-stündiges dau erndes Temperieren bei 185°C eine Steigerung der Dehngrenze von 80 N/mm2 auf ca. 200 N/mm2 gesteigert. Auch kann die elektrische Leitfähigkeit des Kurzschlussrings von 28 MS/m auf 34 MS/m erhöht werden, da eine Verringerung der Verspan nungen im Gitter während der Wärmebehandlung eintritt.
Diese Wärmebehandlung erfolgt beispielsweise durch Lösungs glühen mit anschließendem Abschrecken. Damit wird die Ver spannung im Gitter reduziert und „eingefroren". Je geringer das Gitter verspannt ist, desto besser ist die elektrische Leitfähigkeit .
Die Dehngrenze des somit erhaltenen Kurzschlussrings ist um den Faktor 10 höher als die Dehngrenze bei druckgegossenen Kurzschlussringen mit Al 99,6. Dadurch sind höhere Drehzahlen des Läufers einer Asynchronmaschine z.B. ohne zusätzliche Bandagen am Kurzschlussring möglich.
Belastet man einen duktilen Werkstoff unterhalb der Dehngren ze (auch Rp-0,2-Dehngrenze genannt), so bildet sich dieser nach Entlastung wieder in seinen Ursprungszustand zurück. Bei höherer Belastung komm es zu einer plastischen Verformung.
Bei Beaufschlagung eines Läufers mit hoher Drehzahl wirkt die Fliehkraft auf den Kurzschlussring. Je höher die Dehngrenze ist, desto mehr Sicherheit besteht gegenüber einer plasti schen Verformung des Kurzschlussringes.
Durch gezielte nachträgliche Wärmebehandlung kann der im Ver gleich zu reinem Aluminium höhere Wert der Dehngrenze noch mals gesteigert werden. So liegt beispielsweise die Dehngrenze von Al 99.6 bei ca.
20 N/mm2, während die Dehngrenze von AlMgSi (EN AW 6060) nach einer Wärmebehandlung bei ca. 200 N/mm2 liegt.
In einer weiteren Ausgestaltungen der Erfindung werden bei spielsweise die Kurzschlussscheiben mit einer geschlossenen äußeren radialen Kontur aus Stahl oder einem anderen Material hoher Zugfestigkeit bzw. Dehngrenze versehen, um mit einer Asynchronmaschine noch höhere Drehzahlen zu erreichen.
Eine Kurzschlussscheibe aus Aluminium weist ein geringeres Trägheitsmoment und damit eine höhere Drehzahltauglichkeit aufgrund seiner geringeren Masse gegenüber Kupferkurzschluss scheiben auf.
Erfindungsgemäß wird nunmehr für die Kontaktierung zwischen Leiterstab und Kurzschlussscheibe eine stoffschlüssige Ver bindung hergestellt, ohne Einsatz von Druckgießen und Schweißverfahren, wie Widerstandsschweißen, Reibrührschweißen oder Laserschweißen.
Es werden Leiterstäbe, insbesondere Kupferstäbe mit einer zu mindest im Überstand versehen Beschichtung vorgesehen. Als Kurzschlussscheibe wird reines Aluminium oder ein duktile Knetlegierung von Aluminium verwendet. Die Kurzschlussscheibe wird auf Temperatur gebracht und danach oder zumindest zeit weise parallel angeformt und optional auf Temperatur gehal ten. Damit stellt sich eine Diffusion und stoffschlüssige Verbindung/Kontaktierung zwischen dem Überstand des Leiter stabes und Kurzschlussscheibe ein.
Sowohl die gezogenen Kupferstäbe als auch die stranggepress ten Kurzschlussscheiben sind lunker-, riss-, und verschmut zungsfrei.
Der erforderliche Maschinenpark zur Herstellung eines Käfigs eines Kurzschlussläufers einer Asynchronmaschine reduziert sich auf Press- und Induktionsanlage. Des Weiteren tritt eine elektrisch sichere Verknüpfung zwi schen Leiterstab und Kurzschlussscheibe aufgrund einer voll flächigen niederohmigen elektrisch leitfähigen Verbindung ein.
Dabei stellt sich die Diffusion und die stoffschlüssige Ver bindung/Kontaktierung zwischen in dem Überstand nur dort ein, wo das Spiel zwischen Beschichtung auf dem Leiterstab und In nenseite der Ausnehmung vergleichsweise klein ist, also 0,1mm oder weniger. Entscheiden dabei ist, dass auch das me chanische axiale Fügen der Kurzschlussscheiben auf die Über stände der Leiterstäbe mehr oder weniger kalt erfolgt, ohne viel Verformungsarbeit im sogenannten kalten Zustand aufbrin gen zu müssen. Dabei ist die Temperatur unter 50°C auf jeden Fall unter 100°C zu halten.
Dies kann zusätzlich erleichtert werden, wenn die Enden der Leiterstäbe angeschrägt oder konisch angeformt sind.
Weiterhin ist wichtig, dass die erforderlichen Kontaktflächen zwischen Überstande der Leiterstäbe und der Oberflächen der jeweiligen Ausnehmungen in einem vorgebbaren Bereich von 30 bis 100% der maximal möglichen Kontaktflächen ausgeführt ist.
Die Kontaktfläche ergibt sich beispielsweise durch die Länge der Spielpassung der Ausnehmungen in Umfangsrichtung betrach tet multipliziert mit den Eintauchtiefen der Leiterstäbe in der Kurzschlussscheibe.
Dies hängt u.a. von der angestrebten Effizienzklasse des Mo tors ab.
Die Beschichtung des dritten Materials vorzugsweise mit Zinn wird auch deshalb so vergleichsweise dünn ausgeführt, da auf grund der Eigenspannung dieses Materials beim Erhitzen, ins besondere Warmumformen nicht tropft und sich damit nicht von der zu kontaktierenden Oberfläche des Überstandes löst. Die erfinderische Idee lässt sich auch bei Kurzschlussläufer mit vom Blechpaket beabstandeten Kurzschlussringen/Kurz schlussscheibe umsetzen.
Der Überstand kann sich somit axial aus Abstand Stirnseite Blechpaket zu Kurzschlussscheibe und Eintauchtiefe und Lüf terabschnitt zusammensetzen.
Als Eintauchtiefe wird dabei grundsätzlich die axiale Länge des Leiterstabes in der Kurzschlussscheibe bezeichnet.
Als Lüfterabschnitt wird dabei die axiale Länge des Leiter stabes bezeichnet, die sich auf der dem Blechpaket abgewand ten Seite des Kurzschlussscheibe axial über die Kurzschluss scheibe hinaus erstreckt.
Bei beabstandeten Kurzschlussringen/Kurzschlussscheiben ist beispielsweise lediglich ein wieder verwendbares Werkzeug notwendig, das diesen erforderlichen Abstand während des Her stellens einstellt und hält.
Da die Leiterstäbe während des Herstellprozesses des Asyn chronrotors in gewissem Maße in der Nut axial hin- und her- schiebbar sind, kann ein Asynchronrotors mit an der Stirnsei te anliegenden Kurzschlussscheiben aber auch mit beabstande ten Kurzschlussringen/Kurzschlussscheiben im Rahmen der Er findung folgendermaßen hergestellt werden. Die Leiterstäbe werden in den magnetisch leitfähigen Körper eingesetzt, so- dass nur auf einer Seite ein Überstand eintritt. An diesem Überstand wird - wie oben geschrieben - die Kurzschlussschei be aufgesetzt und kontaktiert. Bevor die Abkühlung einsetzt, werden die Leiterstäbe mit der bereits angeformten Kurz schlussscheibe um einen vorgebbare Strecke innerhalb des Blechpakets axial verschoben, so dass sich Überstände auf der anderen Seite des Blechpakets ergeben, die dann ebenso mit einer Kurzschlussscheibe kontaktiert werden. Die Schmelzpunkte der einzelnen Materialien:
Erstes Material: z.B. Cu 1080°C,
Zweites Material: z.B. Al 660°C,
Drittes Material: z.B. Zinn 230°C.
Rekristallisationstemperaturtritt tritt bei über ca. 40 bis 50% der jeweiligen Schmelztemperatur ein. Darüber bildet sich beispielsweise bei Al ab 500°C eine unerwünschte Riesenkorn bildung, die die angestrebten Materialeigenschaften ver schlechtert.
Grundsätzlich werden bei den jeweiligen Herstellmethoden die Leiterstäbe im magnetisch leitfähigen Körper dadurch fixiert, dass sich nach dem Warmumformen die Kurzschlussscheiben ab kühlen und sich dabei der Kurzschlussring bzw. die Kurz schlussscheiben zusammenziehen und damit die Leiterstäbe in ihren jeweiligen Nuten nachhaltig fixieren. Temperaturen von über 400°C werden normalerweise im Betrieb der Maschinen nicht erreicht, so dass eine ausreichende Fixierung der Lei terstäbe in der jeweiligen Nut über die Betriebsdauer gegeben ist.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin dung werden anhand prinzipiell dargestellter Ausführungsbei spiele näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 einen prinzipiellen Längsschnitt einer Asynchron maschine,
FIG 2 eine Anordnung von Leiterstäben, FIG 3 Blechpaket eines Läufers, FIG 4 KurzSchlussscheibe, FIG 5 segmentierte Kurzschlussscheibe, FIG 6 Teilausschnitt des Läufers, FIG 7 Darstellung der prinzipiellen Aufheizung, FIG 8 prinzipielle Darstellung des axialen Fügens, FIG 9 Darstellung der Schichten der leitfähigen Materi alien,
FIG 10 perspektivische Darstellung des Läufers, FIG 11 Detaildarstellung des fertigen Läufers,
FIG 12 perspektivische Darstellung des Läufers mit Welle,
FIG 13 Detailansicht der Kontaktierung von Leiterstab und Kurzschlussscheibe,
FIG 14 Kurzschlussläufer mit langen Leiterstäben
FIG 15 Kurzschlussläufer mit beabstandeter Kurzschluss scheibe.
FIG 1 zeigt einen prinzipiellen Längsschnitt einer Asynchron maschine 1 mit einem Stator 2, der an seinen Stirnseiten ein Wicklungssystem 3 ausbildet, das dort Wickelköpfe eines Wick lungssystems 3 ausbildet. Das Wicklungssystem 3 kann dabei beispielsweise aus gesehnten Spulen, Formspulen, Zahnspulen unterschiedlicher oder gleicher Spulenweite aufgebaut sein.
Über einen Luftspalt 18 dieser Asynchronmaschine 1 vom Stator 2 beabstandet, ist ein Läufer 4 angeordnet. Dieser Kurz schlussläufer 4 weist einen magnetisch leitfähigen Körper auf, der aus Sintermaterial oder als Blechpaket 5 ausgeführt ist. Im Bereich seiner Stirnseiten 20 befindet sich zumindest jeweils einen Kurzschlussring, insbesondere eine Kurzschluss scheibe 7. Der Kurzschlussring, insbesondere die Kurzschluss scheibe 7 verbindet und kontaktiert Leiterstäbe 6, die in nicht näher dargestellten Nuten 8 des Blechpakets 5 angeord net sind.
Der Kurzschlussring, insbesondere die Kurzschlussscheibe 7 ist dabei, wie in FIG 1 dargestellt, mit einer Welle 16 in Kontakt, was eine thermische Anbindung und auch damit eine Kühlung des Kurzschlussrings im Betrieb der Asynchronmaschine 1 bewirkt. Ebenso ist das Läuferpaket mit der Welle 16 in drehfestem Kontakt, was eine thermische Anbindung und auch damit eine Kühlung bewirkt.
Gemäß FIG 1 ist der Kurzschlussring, insbesondere die Kurz schlussringscheibe 7 mit der Stirnseite 20 des Blechpakets 5 und der Welle 16 in Kontakt, liegt also jeweils an. Die Kurzschlussscheibe 7 des Kurzschlussläufers 4 kann von der Welle 16 und/oder der Stirnseite 20 beabstandet sein.
Beabstandungen des Kurzschlussrings, insbesondere eine Kurz schlussringscheibe 7 sind somit von Stirnseite 20 des Blech pakets 5 und/oder der Welle 16 möglich, um beispielsweise ei ne Kühlung zu verbessern oder Streuverluste in dem Blechpaket zu vermeiden.
Durch elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem bestrom- ten Stator 2 und einem Kurzschlusskäfig des Läufers 4, der durch die Leiterstäbe 6 und die Kurzschlussscheiben 7 gebil det wird, tritt eine Drehung der Welle 16 ein.
Im Betrieb der Asynchronmaschine 1 dreht sich der Läufer 4 somit mit der drehfest verbundenen Welle 16 um eine Drehachse 17.
FIG 2 zeigt eine Anordnung von Leiterstäben 6, ohne den mag netischen leitfähigen Körper, also das Blechpaket 5. Die Lei terstäbe 6 sind vorzugsweise aus gezogenem Kupfer oder einer Kupferlegierung und sind in ihrem Querschnitt tropfenförmig ausgebildet. Dieser Anordnung ist auch über die axiale Länge des Blechpakets 5 eine Schrägung der Nuten 8 implizit zu ent nehmen. Die Querschnittsform der Leiterstäbe 6 entspricht da bei im Wesentlichen dem Querschnitt der Nuten 8. Des Weiteren weisen die Leiterstäbe 6 einen Konus 28 auf der das axiale Einsetzen erleichtert.
FIG 3 zeigt einen magnetisch leitfähigen Körper, der als Blechpaket 5 aus Dynamoblech ausgeführt ist und der im Be reich seiner Wellenbohrung 10 Elemente 21 zur drehfesten Ver bindung mit der Welle 16 aufweist. Die Nuten 8 sind im radial äußeren Bereich des Blechpakets 5 angeordnet und sind umfäng lich betrachtet geschlossen ausgeführt. Sie können aber auch halboffen oder offen ausgeführt sein. FIG 4 zeigt eine Kurzschlussscheibe 7, die radial nach außen offene Ausnehmungen 9 aufweist, die mit dem Abstand der Nuten 8 des Blechpakets 5 derart korrespondieren, dass die in den Nuten 8 angeordneten Leiterstäbe 6 in diese Ausnehmungen 9 einsetzbar sind. Vorzugsweise bilden Überstände 23 der Lei terstäbe 6 zumindest im Bereich der Ausnehmungen 9 eine Spielpassung von ca. 0,1 bis 0,05mm oder sogar kleiner.
FIG 5 zeigt in einer weiteren Ausführung Segmente von Kurz schlussscheiben 7, wie sie beispielsweise für Maschinen grö ßerer Achshöhen verwendet werden. Zwei oder mehr Segmente nach FIG 5 ergeben einen Kurzschlussscheibe 7, wobei die bei den Segmente an den Fügestellen durch eine Art Schwalben schwanz mechanisch verbunden sind.
Vorteilhafterweise werden bei dem segmentierten Aufbau der Kurzschlussscheiben 7 diese auch in axialer Richtung aus meh reren Schichten gebildet, so dass die Fügestellen 24 ähnlich einem Mauerwerk versetzt angeordnet sind, was letztendlich auch durch axiale Pressvorgänge die elektrischen Übergänge im Kurzschlussring schafft.
FIG 6 zeigt die Anordnung im Bereich der Stirnseite 20 wäh rend des Warmumformens, insbesondere induktive Aufheizen, wenn die Leiterstäbe 6 im Blechpaket 5 positioniert sind und als Spielpassung mit ihren, vorzugsweise bereits beschichte ten Überständen 23 in die Kurzschlussscheiben 7 eingesetzt worden sind.
Die Aufheizung findet, vorteilhafterweise mittels eines Tem peraturgradient 11 im Aufheizvorgang, also vor dem Warmumfor- men oder zumindest zeitweise während des Warmumformens statt.
Es stellt sich ein Temperaturgefälle ein, ausgehend von der dem Blechpaket 5 zugewandten Stirnseite 20 der Kurzschluss scheibe 7 axial nach außen. Dabei wird die Temperatur im Bereich der zum Blechpaket 5 ge wandten Seite der Kurzschlussscheibe 7 höher gehalten, so dass sich die erste Verformung in Form einer Stauchung an der Anlagefläche zum beschichteten Überstand 23 der Leiterstäbe 6 einstellt. Durch das weitere Stauchen wird eine Reibungswärme erzeugt, die sich axial nach außen fortsetzt. Durch diese Maßnahme ist es möglich eine thermische Überlastung des Mate rials zu vermeiden und die Verformung von innen linear axial nach außen zu führen.
FIG 7 zeigt eine beispielhafte Induktionsanordnung 12, die die Kurzschlussscheibe 7 umgibt, in der die beschichteten Überstände 23 der Leiterstäbe 6 angeordnet sind und dem Auf heizungsprozess unterzogen werden.
FIG 8 zeigt beispielhaft den Fügeprozess bei der sich die Leiterstäbe 6 im Blechpaket 5 befinden. Die Überstände 23 sind mit einer Beschichtung 15 versehen, die im Bereich von 2-5pm liegt. Dabei liegt eine Eintauchtiefe 26 der Überstände 23 in die Kurzschlussscheibe 7 vor, die geringer ist als die Höhe 25 der Kurzschlussscheibe 7. Je nach erforderlicher Kon taktoberfläche von 30 bis 100%.
Das axiale Fügen wird vorzugsweise für alle aus einer Stirn seite 20 des Blechpakets 5 ragenden Leiterstäbe 6 gleichzei tig mit einer vorgebbaren Eintauchtiefe 26 durchgeführt.
Um den Fügeprozess zu vereinfachen, werden die Leiterstäbe 6 an ihren aus dem Blechpaket 5 ragenden Leiterstabenden ko nisch angeformt oder zugespitzt, um den Fügeprozess zu er leichtern.
FIG 9 zeigt prinzipiell dargestellt, insbesondere im Über stand 23 die Beschichtung 15 auf dem ersten Material 13 und durch eine Spielpassung 31 davon getrennt das zweite Material 14. Während des Aufheizungsvorgangs 11 wird die Beschichtung 15 auf- bzw. angeschmolzen und löst sich letztendlich durch den Warmumformungsprozess durch den sich dadurch einstellen- den Diffusion- und/oder Reflow-Prozess und damit die Legie rungsbildung vollständig bzw. nahezu vollständig auf.
FIG 10 zeigt in perspektivischer Darstellung des Läuferpakets 4 mit den Leiterstäben 6, die die Eintauchtiefe 26 in der Kurzschlussscheibe 7 zeigen.
FIG 11 zeigt eine Detaildarstellung der FIG 10, dabei sieht man die radial außen offen Ausnehmungen 9 der Kurzschluss scheibe 7.
FIG 12 zeigt den Kurzschlussläufer 4, der auf der Welle 16 drehfest verbunden ist.
Die Welle 16 kann aber auch schon vor dem axialen Fügevorgang von Leiterstäben 6 mit den Kurzschlussscheiben 7 mit dem Blechpaket 5 drehfest verbunden sein.
Durch die gegenüber der Höhe 25 reduzierten Eintauchtiefe 26 ergeben sich lüfterähnliche Wirkungen im Betrieb der Maschi ne.
Ebenso können lüfterähnliche Flügel auch mittels eines axia len Durchgriffs der Leiterstäbe 6 durch die Kurzschlussschei be 7 gebildet werden. Damit reicht der Überstand 23 axial über die Höhe 25 der Kurzschlussscheibe 7 hinaus.
Auf jeder Stirnseite 20 des Blechpakets 5 können auch mehrere voneinander isoliert angeordnete Kurzschlussringe bzw. Kurz schlussscheiben 7 angeordnet sein. Elektrisch voneinander isolierte Kurzschlusskäfige im Läufer 4 reduzieren die Ober wellen im Luftspalt 18 des Asynchronmaschine 1, insbesondere wenn der Stator 2 ein Wicklungssystem 3 mit Zahnspulen auf weist, wobei jeder Zahn des Stators 2 von einer Zahnspule um geben ist.
FIG 13 zeigt in einer Detaildarstellung die Kontaktflächen 27 zwischen Leiterstab 6 und Kurzschlussscheibe 7. Dabei tritt die Legierung vorzugsweise nur an den Kontaktflächen 27 ein, die zu Beginn des Herstellungsprozesses die Spielpassung 31 aufweisen. Dort lässt sich der Prozess des Warmumformens be sonders wirkungsvoll umsetzen. Die weiteren Öffnungen zwi schen Leiterstab 6 und Kurzschlussscheibe 7 können u.a. der Kühlung dienen.
Die Kontaktfläche 27 eines Leiterstabes 6 in einer Ausnehmung 9 ergibt sich beispielsweise durch die Länge der Spielpassung 31 in der Ausnehmung 9 in Umfangsrichtung betrachtet, multi pliziert mit der Eintauchtiefe 26 des Leiterstabes 6 in der Kurzschlussscheibe 7.
FIG 14 zeigt einen Kurzschlussläufer 4, dessen Leiterstäbe 6 axial über die Kurzschlussscheibe 7 ragen und so Lüfterflügel bilden. Des Weiteren ist die Kurzschlussscheibe 7 nicht in direktem Kontakt mit der Welle 16 (wie in FIG 1), liegt aber an der Stirnseite 20 des Blechpaketes 5 an.
FIG 15 zeigt einen Kurzschlussläufer 4, dessen Kurzschluss scheibe 7 bzw. Kurzschlussring von der Stirnseite 20 des Blechpakets 5 beabstandet ist. Dies ermöglicht eine Kühlung durch axial verlaufende Kühlkanäle 29 im Blechpaket 5.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Kurz schlussläufers 4 bzw. eines Asynchronrotors mit Käfigläufer einer Asynchronmaschine 1 erfolgt somit unter Berücksichti gung der oben dargestellten Zusammenhänge durch folgende Schritte:
- Es wird ein im Wesentlichen zylindrisch geformter magne tisch leitfähiger Körper, insbesondere ein Läuferblechpaket 5 bereitgestellt, das im Wesentlichen axial verlaufenden Nuten 14 aufweist. Das Blechpaket ist aus axial geschichte ten Dynamoblechen aufgebaut. Die Nuten 14 sind in Umfangs richtung geschlossen, halboffen oder offen ausgeführt.
- Anschließend werden die Leiterstäbe 6 in die Nuten 14 vor zugsweise axial eingesetzt. Die Leiterstäbe 6 sind aus ei nem ersten leitfähigen Material 13, insbesondere gezogenem Kupfer. Die Leiterstäbe 6 werden so eingesetzt, dass sie aus den Stirnseiten 20 des magnetisch leitfähigen Körpers, insbesondere des Läuferblechpakets 5 ragen, und somit zu mindest einen einseitigen, insbesondere jeweils einen beid seitigen Überstand 23 bilden. Die kompletten Leiterstäbe 6, zumindest aber die Abschnitte der Überstände 23, die später mit den Kurzschlussscheiben 7 kontaktiert werden, sind vor dem Einsetzen vorzugsweise mit Zinn beschichtet worden. Die Beschichtung liegt dabei zwischen 2 und 5pm. Der Quer schnitt der Leiterstäbe 6 entspricht im Wesentlichen dem Querschnitt der Nuten 14. Beim Einsetzen tritt somit keine nennenswerte Reibung zwischen Leiterstab 6 und Innenseite der Nut 14 auf.
- Es wird weiter die Kurzschlussscheibe 7 bereitgestellt, aus einem zweiten leitfähigen Material 14, insbesondere Alumi nium, mit nach radial außen offenen Ausnehmungen 9. Die Ausnehmungen 9 können auch geschlossen, halboffen oder of fen ausgeführt sein. Diese Kurzschlussscheibe 7 kann axial und/oder in Umfangsrichtung mehrteilig aufgebaut sein. Also entweder in Umfangsrichtung betrachtet segmentiert und/oder axial geschichtet. Dabei werden die Teile vorab miteinander verbunden. Vorzugsweise ist jedoch die Kurzschlussscheibe 7 aus einem Teil, das von einem stranggepressten Extrudier profil 19 abgeschnitten wurde, und somit die erforderliche Höhe 25 erhält.
- Diese Kurzschlussscheibe 7 wird nunmehr axial auf dem oder den Überständen der jeweiligen Leiterstäbe 6 mit einer Spielpassung von max. 0,1mm positioniert, die aus der Stirnseite 20 des magnetisch leitfähigen Körpers, insbeson dere des Läuferblechpakets 5 ragen. Dies geschieht als kal tes Fügen, wobei keine nennenswerte Reibung oder gar eine Verformung von Leiterstab 6 und Ausnehmung 9 der Kurz schlussscheibe 7 erfolgt.
- Das anschließende Erhitzen der Kurzschlussscheibe 7 kann durch einen Induktor oder in einem Ofen erfolgen. Durch den Induktor ist ein gezieltes Aufwärmen der Kurzschlussscheibe auf 450 bis 500°C je nach Kurzschlussscheibe innerhalb ca. 30s möglich. Eventuelle Abschirmungen des Induktors in Richtung Läuferblechpaket 5 verhindern eine unnütze Aufhei zung der Bleche an der Stirnseite 20.
- Durch die Presse erfolgt unter Druck ein Warmumformen der Kurzschlussscheibe 7 auf den Überständen 23 von ca. einer Minute, abhängig von Prozessparametern, wie verwendete Ma terialien, Größe des Kurzschlussläufers 4 etc. Dabei er folgt eine nahezu gleichzeitige Kontaktierung der Leiter stäbe 6 mit zumindest vorgebbaren Abschnitten der Kurz schlussscheibe 7. Dabei „löst sich die Spielpassung auf", und es erfolgt eine elektrische Kontaktierung in den Ab schnitten, wo die Spielpassung zwischen Ausnehmung 9 und beschichtetem Überstand 23 vorlag. Die also zunächst beste henden Spalte zumindest zwischen Überstand und Ausnehmungen der Kurzschlussscheiben (Spielpassung) beim kalten Fügen (Temperaturbereich zwischen Zimmertemperatur und max.
100°C) sind nach dem Prozess nicht mehr vorhanden. Es tritt beim kalten Fügen zwischen den Leiterstäben 6 und den Kurz schlussscheiben 7 nahezu keine Reibung und/oder Verformung auf. Zumindest die Spalte der Spielpassung schließen sich durch das Warmumformen. Durch die Erhitzung, insbesondere Temperaturen des Warmumformens stellt sich auch ein Reflow- Prozess von der Beschichtung 15 zur Kurzschlussscheibe 7 ein. Die Beschichtung 15 aus dem dritten Material, also insbesondere Zinn, löst sich komplett auf. Das Beschich tungsmaterial, insbesondere Zinn diffundiert in die Ober flächen im Bereich des vorgebbaren Abschnitts des Überstan des 23 des Leiterstabes 6 und der zu kontaktierenden Ober fläche in der Ausnehmung 9 der Kurzschlussscheibe 7. Also nur dort wo die Spielpassung zwischen Überstand 23 und Aus nehmung 9 - die angestrebte Kontaktfläche - vorhanden war, stellt sich die angestrebte Kontaktierung ein.
Das komplette Auflösen dieser Beschichtung 15 während des Herstellungsprozesses (Diffusion) im Bereich der Kontakt flächen 27 ist entscheidend für die Qualität der Kontaktie rung zwischen Leiterstab 6 und Kurzschlussscheibe 7. Durch das komplette Auflösen sind keine Anhäufungen des Beschich tungsmaterials im Spalt mehr vorhanden. Bei Einsatz von be- stimmten Materialien, wie z.B. Zinn in einem Temperaturbe reich bei Betrieb des Asynchronmaschine von ca. -40°C bis 200°C käme wie oben auch ausgeführt zu unerwünschten Um wandlungen von Beta-Zinn in Alpha-Zinn bzw. Gamma-Zinn. Es würde damit Zinnpulver mit einem vergleichsweise schlechten elektrischen Leitwert entstehen. Damit wäre die Kontaktie rung zwischen Leiterstab 6 und Kurzschlussscheibe 7 ver gleichsweise schlecht, was zu unnötiger thermischer Aufhei zung im Betrieb der Asynchronmaschine 1 und zu einem schlechteren Wirkungsgrad führen würde.
Durch diese Diffusion und Legierungsbildung, insbesondere des Zinns in die ersten und zweiten leitfähigen Materialien von Leiterstab 6 und Kurzschlussscheibe 7, beispielsweise Kupfer und Aluminium oder deren Legierungen, wird die oben beschriebene Phasenumwandlung des Beschichtungsmaterials ausgeschlossen .
Durch die Reflow- und Diffusionsprozesse wird eine stoff schlüssige Verbindung zwischen Leiterstäben 6 und Kurz schlussscheibe 7 geschaffen ohne Beaufschlagung von Strom wie bei der Herstellung eines Kurzschlussläufers durch Wi derstandsschweißen .
Neben der u.a. elektrischen Verbindung durch das Anformen stellt sich also auch eine zusätzliche stoffschlüssige Ver bindung durch Diffusion ein.
Asynchronmaschinen mit einem erfindungsgemäß hergestellten Kurzschlussläufer 4, weisen einen Stator auf, in dessen Statorbohrung der Kurzschlussläufer 4 eingesetzt wird. Die Welle 16 mit der der Kurzschlussläufer 4 drehfest verbunden ist, wird ein- oder zweiseitig in einem Gehäuse gelagert.
Erfindungsgemäß hergestellte Maschinen haben ein breites Ein- satzspektrum und werden u.a. sowohl für Standard- als auch für Hochdrehzahlanwendungen beispielsweise im Kompressor-, Lüfter- und Pumpenbereich, der Fördertechnik, im Werkzeugma- schinenbau, der Nahrungsmittelindustrie und Antrieb in der schienengebundenen und nichtschienengebundenen Fahrzeugtech nik eingesetzt. Diese Maschinen sind zuverlässig, effizient und einfach her zustellen. Ebenso sind sie bei weitere Antriebsaufgaben ein- setzbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) ei ner Asynchronmaschine (1) durch folgende Schritte:
- Bereitstellen eines im Wesentlichen zylindrisch geformten magnetisch leitfähigen Körpers, insbesondere eines Läufer blechpakets (5), mit im Wesentlichen axial verlaufenden Nu ten (14),
- einsetzen von Leiterstäben (6) aus einem ersten leitfähigen Material (13), in die Nuten (8) derart, dass die Leiterstä be (6) aus den Stirnseiten (20) des magnetisch leitfähigen Körpers, insbesondere Läuferblechpakets (5) ragen, und so mit zumindest einen einseitigen, insbesondere jeweils einen beidseitigen Überstand (23) bilden,
- bereitstellen einer Kurzschlussscheibe (7), aus einem zwei ten leitfähigen Material (14), mit nach radial außen offe nen Ausnehmungen (9),
- axiales Positionieren zumindest einer Kurzschlussscheibe (7) auf die Überstände der jeweiligen Leiterstäbe (6), die aus der Stirnseite des magnetisch leitfähigen Körpers, ins besondere des Läuferblechpakets (5) ragen,
- anschließendes Erhitzen, insbesondere Warmumformen der axi al aufgeschobenen Kurzschlussscheibe (7), indem eine nahezu gleichzeitige Kontaktierung der Leiterstäbe (6) mit zumin dest einer Kurzschlussscheibe (7) erfolgt, wobei die Leiterstäbe (6), zumindest der Überstand der Leiterstäbe (6) mit einem dritten Material (15) beschichtet ist, wobei die Schichtdicke des dritten Materials (15) derart ge wählt ist, dass dieses dritte Material (15) nach dem Erhit zen, insbesondere Warmumformen, mit dem ersten Material (13) und mit dem zweiten Material (14) Legierungen eingeht, so dass das dritte Material (15) danach vollständig aufgelöst ist, indem es eine Diffusion mit dem ersten Material (13) und dem zweiten Material (14) eingegangen ist, wobei die Kurzschlussscheibe (7) durch Pressen an die Leiter stäbe angeformt wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) ei ner Asynchronmaschine (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass lediglich der letztlich in der Kurzschlussscheibe (7) befindliche Überstand (23) der Leiterstäbe (6) beschichtet ist.
3. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) ei ner Asynchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schichtdicke, insbesondere auf den Überständen (23) der Lei terstäbe (6) vor dem Erhitzen, insbesondere Warmumformen vor zugsweise zwischen 2 und 5pm ist.
4. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) ei ner Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass diese Beschichtung der Leiterstäbe (6) mit dem dritten Material (15) nach, insbesondere unmittelbar nach ei nem Abbeizbad der Leiterstäbe (6) erfolgt.
5. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) ei ner Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das dritte Material (15) einen niedrigeren Schmelzpunkt als das erste Material (13) und das zweite Material (14) auf weist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) ei ner Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das erste Material (13) einen höheren Schmelzpunkt als das zweite Material (14) aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) ei ner Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Überstand (23) der Leiterstäbe (6) zu den jeweils korrespondierenden Ausnehmungen (9) der Kurzschlussscheibe (7) vor dem Warmumformen eine Spielpassung, insbesondere um laufende Spielpassung von ca. 0,1mm aufweist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) ei ner Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Erhitzen, insbesondere Warmumformen mittels indukti vem Erwärmen im Bereich der Kurzschlussscheibe (7) erfolgt.
9. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) ei ner Asynchronmaschine (1) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das induktive Erwärmen, mittels eines Induktors während des Erhitzens, insbesondere Warmumformens einen axial nach außen abfallenden Temperatur gradienten, insbesondere Temperaturgefälle auf der Kurz schlussscheibe (7) generiert.
10. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) einer Asynchronmaschine (1) nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Temperaturgradient mittels eines unterschiedlichen Abstandes des Induktors zur Kurzschlussscheibe (7) und/oder durch die unterschiedliche Windungszahl des Induktors (12) erzeugt wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) einer Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kurzschlussscheibe (7) in Umfangrichtung und/oder axial betrachtet segmentiert aufgebaut ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) einer Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leiterstäbe (7) im umformten Zustand die gesamte axiale Höhe (25) der jeweiligen Ausnehmung (9) der Kurz schlussscheibe (7) zu 30 bis 70% einnehmen.
13. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) einer Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leiterstäbe (7) zumindest im axialen Überstand (23) zusätzliche Konturen aufweisen, um einen ergänzenden Form schluss mit der Kurzschlussscheibe (7) durch das Warmumformen zu erhalten.
14. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) einer Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das erste Material (13) Kupfer oder eine Kupferlegierung ist, das zweite Material (14) Aluminium oder eine Aluminium legierung ist und das dritte Material (15) Zinn umfasst.
15. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) einer Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leiterstäbe (6) an ihren Enden angeschrägt (10) sind, bzw. einen Konus (28) aufweisen.
16. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) einer Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest ein Leiterstab (6) aus gezogenem Elektrokupfer mit einem Leitwert von mindestens 58 MS/m vorgesehen ist.
17. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) einer Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch eine gezielte Wärmebehandlung der Kurzschluss scheibe (7) die Dehngrenze gesteigert wird.
18. Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussläufers (4) einer Asynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kurzschlussscheibe (7) als eine von einem Extrudier teil (19) abgetrennte Scheibe vorliegt.
19. Asynchronmaschine (1) mit einem Kurzschlussläufer (4) hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Über stände (23) der Leiterstäbe (7) axial nur einen vorgebbaren Bruchteil der axialen Höhe (25) der Ausnehmung (9) der Kurz schlussscheibe (7) einnehmen.
20. Antriebssystem, insbesondere Kompressor, Förderanlage, Werkzeugmaschine oder Fahrzeug mit zumindest einer Asynchron- maschine (1) nach Anspruch 19.
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