WO2015172920A1 - MITTELS REIBSCHWEIßEN HERGESTELLTER KÄFIGLÄUFERROTOR - Google Patents

MITTELS REIBSCHWEIßEN HERGESTELLTER KÄFIGLÄUFERROTOR Download PDF

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WO2015172920A1
WO2015172920A1 PCT/EP2015/055628 EP2015055628W WO2015172920A1 WO 2015172920 A1 WO2015172920 A1 WO 2015172920A1 EP 2015055628 W EP2015055628 W EP 2015055628W WO 2015172920 A1 WO2015172920 A1 WO 2015172920A1
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WO
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ring
shorting
short
bars
circuit
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Application number
PCT/EP2015/055628
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Topf
Stefan Schuerg
Alexander Furgeri
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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 Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a squirrel cage rotor for an electric machine and the squirrel cage rotor.
  • Electric asynchronous machines have a stator with electrical windings in which a squirrel cage or
  • the squirrel cage usually comprises an electrically conductive cage (comparable to a hamster wheel), which is accommodated in a disk pack for the inclusion of magnetic fields. Electromagnetic fields generated by the stator induce electrical currents in the cage, which in turn react to the electromagnetic fields and then cause the rotor to rotate, for example during engine operation.
  • squirrel cage rotors are produced by pressure casting of an electrically conductive material in disk packs.
  • the formation of the characteristic cage geometry (short-circuit rings, which are connected by rods in the disk set) thus takes place after the casting process by solidification of the casting medium.
  • aluminum or copper materials can be used as a casting medium.
  • air pockets can occur which can cause a power loss of the electric machine.
  • Squirrel cage rotors are made by means of a brazing process to realize the connection of the shorting rings with the shorting bars. Furthermore, a soldering process or welding process gives achievable bonding surfaces and also their position, whereby a significant influence on the component function is taken. In general, it is not possible the entire possible
  • a mechanically stable squirrel cage rotor with high power density can be provided. Furthermore, with the invention, a squirrel-cage rotor can be manufactured with relatively little expenditure of energy compared to copper die-casting. Also, in comparison with brazing methods, it is possible to produce the squirrel-cage rotor in large numbers.
  • One aspect of the invention relates to a method for producing a
  • the electric machine may be, for example, an electric motor or a generator.
  • the electric machine can drive a vehicle, such as a
  • Hybrid vehicle or an electric vehicle in particular a car, truck or bus.
  • the method comprises:
  • Short-circuit bars or short-circuit conductors Inserting short-circuit bars in the axial grooves; Providing a shorting ring; and welding the shorting bars to the shorting ring.
  • the cage of the squirrel cage rotor is not cast, but assembled from prefabricated components by means of a joining process.
  • Shorting ring and the disk set is rotated and pressed onto the end faces.
  • the shorting ring is about its axis relative to
  • the disk set is rotated and pressed onto the short-circuiting rods which can protrude from the disk pack.
  • Frictional heat plastifies i.e., viscoses
  • the shorting ring is further pressed onto the bars until the plastinated material has solidified again.
  • Shorting ring and non-rotationally symmetrical joining partners such as the short-circuit bars
  • statically mounted components for example, the disk set with the
  • Short-circuit bars Short-circuit bars
  • a rotated component for example, the short-circuit ring
  • Rotary friction welding also eliminates undesirable effects, such as thermal distortion, that occur when using a molten phase welding process.
  • the short-circuit bars protrude beyond a face of the disk pack prior to friction welding.
  • the shorting bars can vary widely from the
  • the method further comprises: arranging a grooved ring or a die on an end face of the
  • Disk packs wherein the Nutenring to the grooves in the disk pack has corresponding grooves; and inserting the shorting bars in the grooves of the plate pack and the Nutenrings.
  • the Nutenring which may have the same inner diameter and / or outer diameter as the short-circuit ring, as well as the disk set has axial grooves surrounding it in the circumferential direction.
  • the Nutenring may have the same cross section and / or a greater thickness as a lamella from the disk pack.
  • the Nutenring can serve to support the rods in the direction of rotation and / or to provide a further joining surface. Also can be a direct access to the joint after joining are prevented, whereby the joint is neither visible nor accessible to corrosive media.
  • the shorting bars protrude past the notch ring prior to friction welding. Even with a Nutenring possible tolerances can be compensated by friction welding against the surface of the Nutenrings.
  • the method further comprises: flattening the shorting bars in friction welding to a surface of the grooved ring, wherein the grooved ring is connected to the shorting ring. Overall, a larger joint can be achieved in that the surface of the Nutenrings is connected to the short-circuit ring. According to one embodiment of the invention, the method further comprises:
  • the Nutenring can also be used to fix the Nutenrings against the short-circuit ring, wherein the Nutenring has an outer contour which is fixable by positive engagement with a clamping device.
  • the Nutenring can also be used to fix the Nutenring against the short-circuit ring, wherein the Nutenring has an outer contour which is fixable by positive engagement with a clamping device.
  • the Nutenring can also be used to fix the Nutenrings against the short-circuit ring, wherein the Nutenring has an outer contour which is fixable by positive engagement with a clamping device.
  • the Nutenring can also be used to
  • the Nutenring can be asymmetric
  • Lamella packages provided shorting rings, which coincide with the
  • Disc pack are connected by friction welding. It is also possible, on both sides or ends of the squirrel cage at the same time by means
  • Reibsch tends each to install a short-circuit ring.
  • grooved rings can be used on both sides.
  • the shorting bars, the shorting ring and / or the Nutenring can be made of different materials.
  • mixed connections such as copper (short-circuit bars) and aluminum (short-circuit ring) can also be realized.
  • the shorting bars and the shorting ring are made of copper. According to one embodiment of the invention, the shorting bars are made of copper and is the
  • Short circuit ring made of aluminum.
  • the Nutenring may be made of copper or aluminum.
  • Another aspect of the invention relates to a squirrel-cage rotor for an electric machine, which can be manufactured in particular by the method described above and below. It should be understood that features of the method, as described above and below, may also be features of the squirrel cage rotor, and vice versa.
  • the squirrel cage rotor comprises a disk set with axial grooves, shorting bars in the grooves of the
  • the shorting bars are the front side with the
  • Short circuit ring connected by friction welding.
  • Fig. 1 shows an exploded view of a squirrel cage rotor according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows schematically a joining method according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a flowchart for a joining method according to FIG.
  • FIG. 4A shows a cross section through a squirrel-cage rotor according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 4B shows a cross section through a squirrel-cage rotor according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 5 shows a longitudinal section through a portion of a squirrel-cage rotor according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 and 2 show a squirrel-cage rotor 10 in an exploded view, which is assembled from a plate pack 12, short-circuit bars 14, two short-circuit rings 16 and two Nutenringenl8.
  • the disk pack 12 is constructed from a plurality of similar laminations 20, which all have the same cross-section.
  • Each lamella 20 has a circular outer contour, a circular inner contour and radial grooves which are arranged in the circumferential direction around the lamella 20 around. From the grooves of the slats, the grooves 22 of the disk pack are joined together.
  • the shorting bars 14 are arranged, on each of which a Nutenring 18 is attached to the two ends of the plate pack 12.
  • the Nutenringe 18 may have the same cross-section as the fins 20, but are usually thicker than a lamella 20. Each Nutenring 18 may thus have a circular outer contour, a circular inner contour and radial grooves 22 which in the circumferential direction around the Nutenring 18 around are arranged. On the Nutenringen 18 each a short-circuit ring 16 is fixed by friction welding. Each short-circuit ring 16 may also have a circular outer contour and a circular inner contour. The shorting rings 16 may be thicker than the grooved rings 18.
  • FIG. 2 shows one end of the squirrel-cage rotor 10 and illustrates how the
  • Short circuit ring 16 is rotated relative to the disk set and the Nutenring 18 in rotation and is pressed against the shorting bars 14.
  • FIG. 3 shows a flowchart for a joining method for producing the
  • step S10 the plate pack 12, the shorting bars 14, a grooved ring 18, and a shorting ring 16 are provided.
  • the shorting bars 14 are inserted into the grooves 22 of the plate pack 12.
  • Disc pack 12 correspond to the rod cross-section of the short-circuit bars 14 and specify the position of the rods 14, so that they lie in a circle around the axis of rotation of the rotationally symmetrical disc pack 12.
  • the ends of the shorting bars 14 protrude over the end face of the
  • Shorting bars 14 are inserted through the grooves 22 of the Nutenrings 18. The ends of the shorting bars 14 project slightly beyond the end face of the Nutenrings 18 also here.
  • step S12 the grooved ring 18 is fixed. As shown in FIGS. 4A and 4B, due to the small circumferential surface of the Nutenrings 18 can be fixed.
  • Shorting ring 16 positioned so that the axes of rotation of both joining partners are coincident and facing the faces plane-parallel.
  • step S12 the short-circuit ring 16 is set at a defined speed in rotation. It is to be understood that also the Nutenring 18 can be rotated together with the disk pack 12 in rotation. Only a relative rotational movement is necessary.
  • step S14 the short-circuit ring 16 is stopped and pressed against the Nutenring 18 until a connection between the short-circuit ring 16, the Nutenring 18 and the Kurz gleichstäben 14 is made.
  • the rotating short-circuit ring 16 is abruptly braked and rebounded with an increased defined axial force to make the connection.
  • the two short-circuit rings 16, together with the groove rings 18, can be simultaneously connected to the short-circuiting bars 14 according to steps S12 to S14 by means of friction welding.
  • the shorting bars 14, the Nutenring 18 and the Shorting ring 16 may be made of a conductive material such as copper.
  • the components 14, 16 and 18 may be made of aluminum.
  • Shorting bars 14 may be made of copper and aluminum, respectively.
  • the Nutenring 18 may be made in both cases, each made of aluminum or copper.
  • the shorting bars 14 may be made of copper, the nut ring 18 of copper, and the shorting ring 16 of aluminum.
  • short-circuit bars 14 are made of copper, the Nutenring 18 made of aluminum and the short-circuit ring 16 made of aluminum.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Induction Machinery (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Käfigläuferrotors (10) für eine elektrische Maschine umfasst: Bereitstellen eines Lamellenpakets (12) mit axialen Nuten (22) zur Aufnahme von Kurzschlussstäben (14); Einstecken von Kurzschlussstäben (14) in die axialen Nuten; Bereitstellen eines Kurzschlussrings (16); und Verschweißen der Kurzschlussstäbe (14) mit dem Kurzschlussring (16). Die Stirnflächen der Kurzschlussstäbe (14) und des Kurzschlussrings (16) werden durch Reibschweißen verbunden, indem der Kurzschlussring (16) relativ zum Lamellenpaket (12) um eine gemeinsame Symmetrieachse des Kurzschlussrings (16) und des Lamellenpakets (12) rotiert wird und auf die Stirnflächen gepresst wird.

Description

Beschreibung
Mittels Reibschweißen hergestellter Käfigläuferrotor
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Käfigläuferrotors für eine elektrische Maschine sowie den Käfigläuferrotor.
Hintergrund der Erfindung
Elektrische Asynchronmaschinen (Motoren und Generatoren) weisen einen Stator mit elektrischen Wicklungen auf, in dem ein Käfigläufer bzw.
Kurzschlussläufer drehbar gelagert ist. Der Käfigläufer umfasst in der Regel einen elektrisch leitfähigen Käfig (vergleichbar mit einem Hamsterrad), der in einem Lamellenpaket zum Einschluss von Magnetfeldern aufgenommen ist. Vom Stator erzeugte elektromagnetische Felder induzieren im Käfig elektrische Ströme, die wiederum auf die elektromagnetischen Felder rückwirken und dann beispielsweise im Motorbetrieb den Rotor in Drehung versetzen.
In der Regel werden Käfigläuferrotoren durch Druckvergießen eines elektrisch leitfähigen Werkstoffes in Lamellenpaketen hergestellt. Die Ausbildung der charakteristischen Käfiggeometrie (Kurzschlussringe, die durch Stäbe im Lamellenpaket verbunden sind) erfolgt somit nach dem Gießvorgang durch Erstarren des Gießmediums. Hierbei können Aluminium oder Kupferwerkstoffe als Gießmedium zum Einsatz kommen. Beim Gießen können Lufteinschlüsse auftreten, die einen Leistungsabfall der elektrischen Maschine bewirken können.
Des Weiteren wird insbesondere beim Kupferdruckguss ein enormer
Energieaufwand in Kauf genommen, dem neben einem komplexen Temperaturmanagement im Gießprozess auch ein erhöhter Werkzeugverschleiß gegenübersteht.
Weiter ist bekannt, Käfigläuferrotoren aus den vorgefertigten Komponenten Stäbe, Kurzschlussringe zusammenzubauen. Diese Variante wird vermehrt bei geringeren Stückzahlvolumina eingesetzt. In der Regel werden hierzu
Käfigläuferrotoren mittels eines Hartlötprozesses hergestellt, um die Verbindung der Kurzschlussringe mit den Kurzschlussstäben zu realisieren. Des Weiteren gibt ein Lötverfahren oder Schweißverfahren erreichbare Anbindungsflächen und auch deren Lage vor, wodurch ein erheblicher Einfluss auf die Bauteilfunktion genommen wird. In der Regel ist es nicht möglich, die gesamte mögliche
Anbindungsfläche mittels Lötens oder Schweißens zu verbinden.
Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung kann ein mechanisch stabiler Käfigläuferrotor mit hoher Leistungsdichte bereitgestellt werden. Weiter kann mit der Erfindung im Vergleich zu Kupferdruckguss ein Käfigläuferrotor mit relativ geringem Energieaufwand hergestellt werden. Auch ist es im Vergleich mit Hartlötverfahren möglich, den Käfigläuferrotor in großen Stückzahlen herzustellen.
Diese Vorteile können mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht werden. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
Käfigläuferrotors für eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine kann beispielsweise ein elektrischer Motor oder ein Generator sein. Die elektrische Maschine kann der Antrieb eines Fahrzeugs, beispielsweise eines
Hybridfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, sein, insbesondere eines Pkws, Lkws oder Busses.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren:
Bereitstellen eines Lamellenpakets mit axialen Nuten zur Aufnahme von
Kurzschlussstäben bzw. Kurzschlussleitern; Einstecken von Kurzschlussstäben in die axialen Nuten; Bereitstellen eines Kurzschlussrings; und Verschweißen der Kurzschlussstäbe mit dem Kurzschlussring. Mit anderen Worten wird der Käfig des Käfigläuferrotors nicht gegossen, sondern aus vorgefertigten Komponenten mittels eines Fügeverfahrens zusammengebaut.
Insbesondere werden die Kurzschlussstäbe und die Kurzschlussringe
folgendermaßen verbunden: Verbinden der Stirnflächen der Kurzschlussstäbe und des Kurzschlussrings durch Reibschweißen, indem der Kurzschlussring relativ zum Lamellenpaket um eine gemeinsame Symmetrieachse des
Kurzschlussrings und des Lamellenpakets rotiert wird und auf die Stirnflächen gepresst wird. Der Kurzschlussring wird um seine Achse relativ zum
Lamellenpaket in Rotation versetzt und auf die Kurzschlussstäbe, die aus dem Lamellenpaket hervorragen können, gepresst. Durch die erzeugte
Reibungswärme werden die sich berührenden Flächen des Kurzschlussrings und der Kurzschlussstäbe plastiniert (d.h. viskos gemacht). Nach dem Stoppen der relativen Rotation wird der Kurzschlussring weiter auf die Stäbe gepresst, bis sich das plastinierte Material wieder verfestigt hat.
Insgesamt werden sowohl rotationssymmetrische Teile (wie etwa der
Kurzschlussring) als auch nicht rotationssymmetrische Fügepartner (wie die Kurzschlussstäbe) mittels Rotationsreibschweißen verbunden, indem zwischen statisch gelagerten Bauteilen (beispielsweise das Lamellenpaket mit den
Kurzschlussstäben) und einem in Rotation versetzten Bauteil (beispielsweise dem Kurzschlussring) durch die entstehende Relativbewegung an den
Kontaktflächen unter Einwirkung einer axialen Kraft eine Verbindung in fester Phase erzeugt wird.
Gegenüber einem gegossenen Käfigläuferrotor entstehen keine Lufteinschlüsse in den Kurschlussleitern und ein dadurch hervorgerufener Leistungsabfall der elektrischen Maschine tritt nicht auf. Die Herstellung des Käfigläuferrotors durch Rotationsreibschweißen führt außerdem dazu, dass die gesamten Stirnflächen der Kurzschlussstäbe bzw. der gesamte Stabquerschnitt mit den
Kurzschlussringen verbunden werden. Die Drehzahlfestigkeit des
Käfigläuferrotors wird aufgrund dieser Verbindungseigenschaften erhöht. Durch das Reibschweißen wird der vollständige Stabquerschnitt flächig mit dem Kurzschlussring verbunden, so dass kritische Einschweißtiefen wie zum Beispiel beim Laserschweißen nicht aufwendig realisiert werden müssen. Ein Luftspalt zwischen den Verbindungen wird vermieden und die elektrische Leitfähigkeit an der Fügestelle wird nicht beeinträchtigt.
Mithilfe des Rotationsreibschweißens können auch unerwünschte Effekte, wie etwa ein Wärmeverzug, die bei Verwendung eines Schweißprozesses mit schmelzflüssiger Phase auftreten, umgangen werden.
Weiter können die Prozesszeiten aufgrund der Verbindung aller Schweißstellen in einem Prozessschritt je Rotorseite enorm verkürzt und die Ausbringung signifikant erhöht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ragen die Kurzschlussstäbe vor dem Reibschweißen über eine Stirnfläche des Lamellenpakets hinaus.
Insbesondere können die Kurzschlussstäbe verschieden weit aus dem
Lamellenpaket herausragen. Etwaige Unterschiede im Überstand können durch das Reibschweißen ausgeglichen werden. Im Allgemeinen ist eine aufwendige Schweißnahtvorbereitung ebenso wie der Einsatz eines Schweißzusatzes nicht erforderlich.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter: Anordnen eines Nutenrings bzw. einer Matrize auf einer Stirnfläche des
Lamellenpakets, wobei der Nutenring zu den Nuten im Lamellenpaket korrespondierende Nuten aufweist; und Einstecken der Kurzschlussstäbe in die Nuten des Lamellenpakets und des Nutenrings. Der Nutenring, der den gleichen Innendurchmesser und/oder Außendurchmesser wie der Kurzschlussring aufweisen kann, weist genauso wie das Lamellenpaket axiale Nuten auf, die ihn in Umfangsrichtung umgeben. Der Nutenring kann den gleichen Querschnitt und/oder eine größere Dicke wie eine Lamelle aus dem Lamellenpaket aufweisen.
Der Nutenring kann zum Abstützen der Stäbe in Rotationsrichtung und/oder zum Bereitstellen einer weiteren Fügefläche dienen. Auch kann ein direkter Zugang zur Fügestelle nach dem Fügen verhindert werden, wodurch die Fügestelle weder sichtbar noch zugänglich für korrosive Medien ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ragen die Kurzschlussstäbe vor dem Reibschweißen über den Nutenring hinaus. Auch mit einem Nutenring können eventuelle Toleranzen durch Reibschweißen gegenüber der Oberfläche des Nutenrings ausgeglichen werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter: Einebnen der Kurzschlussstäbe beim Reibschweißen bis zu einer Oberfläche des Nutenrings, wobei der Nutenring mit dem Kurzschlussring verbunden wird. Insgesamt kann eine größere Fügestelle dadurch erreicht werden, dass auch die Oberfläche des Nutenrings mit dem Kurzschlussring verbunden wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter:
Fixieren des Nutenrings gegenüber dem Kurzschlussring, wobei der Nutenring eine Außenkontur aufweist, die durch Formschluss mit einer Spannvorrichtung fixierbar ist. Der Nutenring kann auch dazu verwendet werden, das
Lamellenpaket und die darin eingesteckten Stäbe gegenüber dem rotierenden Kurzschlussring zu fixieren. Der Nutenring kann eine asymmetrische
Außenkontur (beispielsweise mit einer Ecke) aufweisen, mit der ein Formschluss möglich ist. Beispielsweise weist der Nutenring eine (sechs)eckige Außenkontur oder eine ovale Außenkontur auf. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden an beiden Enden des
Lamellenpakets Kurzschlussringe bereitgestellt, die gleichzeitig mit dem
Lamellenpaket durch Reibschweißen verbunden werden. Es ist auch möglich, an beiden Seiten bzw. Enden des Kurzschlussläufers gleichzeitig mittels
Reibschweißens jeweils einen Kurzschlussring anzubringen. Auch können an beiden Seiten Nutenringe verwendet werden.
Die Kurzschlussstäbe, der Kurzschlussring und/oder der Nutenring können aus verschiedenen Materialen gefertigt sein. Mit dem Reibschweißen sind auch Mischverbindungen wie zum Beispiel aus Kupfer (Kurzschlussstäbe) und Aluminium (Kurzschlussring) realisierbar. Probleme, die beim Schmelzschweißen durch den Phasenübergang verursacht werden, wie etwa eine Heißrissproblematik und Porenbildung, treten beim Rotationsreibschweißen infolge der Absenz einer flüssigen oder dampfförmigen Phase in der Regel nicht auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kurzschlussstäbe und der Kurzschlussring aus Kupfer gefertigt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kurzschlussstäbe aus Kupfer gefertigt und ist der
Kurzschlussring aus Aluminium gefertigt. In beiden Fällen kann der Nutenring aus Kupfer oder Aluminium gefertigt sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Käfigläuferrotor für eine elektrische Maschine, der insbesondere mit dem obenstehend und untenstehend beschriebenen Verfahren hergestellt sein kann. Es ist zu verstehen, dass Merkmale des Verfahrens, so wie obenstehend und untenstehend beschrieben, auch Merkmale des Käfigläuferrotors sein können und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Käfigläuferrotor ein Lamellenpaket mit axialen Nuten, Kurzschlussstäbe in den Nuten des
Lamellenpakets und einen Kurzschlussring, der mit den Kurzschlussstäben verbunden ist. Die Kurzschlussstäbe sind dabei stirnseitig mit dem
Kurzschlussring mittels Reibschweißens verbunden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Käfigläuferrotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Fügeverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Fügeverfahren gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. Fig. 4A zeigt einen Querschnitt durch einen Käfigläuferrotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 4B zeigt einen Querschnitt durch einen Käfigläuferrotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines Käfigläuferrotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Fig. 1 und 2 zeigen einen Käfigläuferrotor 10 in Explosionsdarstellung, der aus einem Lamellenpaket 12, Kurzschlussstäben 14, zwei Kurzschlussringen 16 und zwei Nutenringenl8 zusammengefügt ist.
Das Lamellenpaket 12 ist aus einer Mehrzahl von gleichartigen Blechlamellen 20 aufgebaut, die alle den gleichen Querschnitt aufweisen. Jede Lamelle 20 weist eine kreisförmige Außenkontur, eine kreisförmige Innenkontur und radiale Nuten auf, die in Umfangsrichtung um die Lamelle 20 herum angeordnet sind. Aus den Nuten der Lamellen sind die Nuten 22 des Lamellenpakets zusammengefügt.
In den Nuten 22 sind die Kurzschlussstäbe 14 angeordnet, auf denen an den beiden Enden des Lamellenpakets 12 jeweils ein Nutenring 18 aufgesteckt ist. Vor dem Reibschweißen, wie weiter unten beschrieben, können die
Kurzschlussstäbe 14 aus den Nutenringen 18 herausstehen.
Die Nutenringe 18 können den gleichen Querschnitt wie die Lamellen 20 aufweisen, sind in der Regel aber dicker als eine Lamelle 20. Jeder Nutenring 18 kann damit eine kreisförmige Außenkontur, eine kreisförmige Innenkontur und radiale Nuten 22 aufweisen, die in Umfangsrichtung um den Nutenring 18 herum angeordnet sind. Auf den Nutenringen 18 wird durch Reibschweißen jeweils ein Kurzschlussring 16 befestigt. Auch jeder Kurzschlussring 16 kann eine kreisförmige Außenkontur und eine kreisförmige Innenkontur aufweisen. Die Kurzschlussringe 16 können dicker als die Nutenringe 18 sein.
Fig. 2 zeigt ein Ende des Käfigläuferrotors 10 und illustriert, wie der
Kurzschlussring 16 relativ zum Lamellenpaket und dem Nutenring 18 in Rotation versetzt wird und gegen die Kurzschlussstäbe 14 gepresst wird.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Fügeverfahren zum Herstellen des
Käfigläuferrotors 10 mittels Reibschweißens.
Im Schritt S10 werden das Lamellenpaket 12, die Kurzschlussstäbe 14, ein Nutenring 18 und ein Kurzschlussring 16 bereitgestellt. Die Kurzschlussstäbe 14 werden in die Nuten 22 des Lamellenpakets 12 gesteckt. Die Nuten 22 im
Lamellenpaket 12 entsprechen dem Stabquerschnitt der Kurzschlussstäbe 14 und geben die Position der Stäbe 14 vor, so dass diese kreisförmig um die Rotationsachse des rotationssymmetrischen Lamellenpakets 12 liegen. Die Enden der Kurzschlussstäbe 14 ragen hierbei über die Stirnfläche des
Lamellenpaketes hinaus.
Anschließend wird ein zusätzliches Bauteil in Form des ebenfalls mit Nuten 22 versehenen Nutenrings 18 auf das Lamellenpaket 12 aufgelegt. Die
Kurzschlussstäbe 14 werden dabei durch die Nuten 22 des Nutenrings 18 gesteckt. Die Enden der Kurzschlussstäbe 14 ragen auch hier geringfügig über die Stirnfläche des Nutenrings 18 hinaus.
Im Schritt S12 wird der Nutenring 18 fixiert. Wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, kann aufgrund der geringen Mantelfläche des Nutenrings 18 aus
spanntechnischem Hintergrund die Außenkontur des Nutenrings 18 mit einer Sechskantgeometrie (Fig. 4A) oder einer ovalen Kontur (Fig. 4B) versehen werden, um einen zusätzlichen Formschluss zur Kraft- und Momentaufnahme durch eine Spannvorrichtung 24 zu realisieren. Das Lamellenpaket 12 mit dem Nutenring 18 bildet den statischen Fügepartnerteil. Der Kurzschlussring 16 wird am Ende auf dem Nutenring 18 angeordnet. Dem statischen Fügepartnerteil gegenüber wird der rotationsymmetrische
Kurzschlussring 16 so positioniert, dass die Rotationsachsen beider Fügepartner koinzident liegen und sich die Stirnflächen planparallel gegenüberstehen.
Im Schritt S12 wird der Kurzschlussring 16 einer definierten Drehzahl in Rotation versetzt. Es ist zu verstehen, dass auch der Nutenring 18 zusammen mit dem Lamellenpaket 12 in Rotation versetzt werden kann. Lediglich eine relative Rotationsbewegung ist notwendig.
Durch eine Vorschubbewegung des rotierenden Kurzschlussrings 16 wird ein Kontakt zunächst an den Fügeflächen zwischen Kurzschlussring 16 und den Stirnflächen der Kurzschlussstäbe 14 hergestellt. Unter Einwirkung einer
Axialkraft und der Relativbewegung an den Kontaktflächen entsteht durch Reibung Wärme. Die überstehenden Enden der Kurzschlussstäbe 14 werden erwärmt, plastifiziert und eingeebnet, bis ein vollflächiger Kontakt zwischen Kurzschlussring 16, Enden bzw. Stirnflächen der Kurzschlussstäbe 14 und dem Nutenring 18 erreicht wird.
Im Schritt S14 wird der Kurzschlussring 16 angehalten und noch solange gegen den Nutenring 18 gepresst, bis eine Verbindung zwischen dem Kurzschlussring 16, dem Nutenring 18 und den Kurzschlussstäben 14 hergestellt ist.
Nach ausreichendem Wärmeeintrag durch Reibung in der Kontaktebene
(Außenfläche des Nutenrings 18 inklusive Stirnflächen der Kurzschlussstäbe 14 und Innenfläche des Kurschlussrings 16) unter entsprechender
Längenverkürzung durch Materialverdrängung aus der Verbindungszone wird der rotierende Kurzschlussring 16 schlagartig abgebremst und mit einer erhöhten definierten Axialkraft nachgestaucht, um die Verbindung herzustellen.
Wie auch aus der Fig. 1 hervorgeht, können die beiden Kurzschlussringe 16 zusammen mit den Nutenringen 18 gleichzeitig mit den Kurzschlussstäben 14 gemäß den Schritten S12 bis S14 mittels Reibschweißens verbunden werden.
Die Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ende des Käfigläuferrotors 10 in gefügtem Zustand. Die Kurzschlussstäbe 14, der Nutenring 18 und der Kurzschlussring 16 können aus einem leitfähigen Material, wie etwa Kupfer, gefertigt sein. Alternativ können die Komponenten 14, 16 und 18 aus Aluminium gefertigt sein.
Mittels Reibschweißens ist es möglich, verschiedene Materialen miteinander zu verbinden, beispielsweise können der Kurzschlussring 16 und die
Kurzschlussstäbe 14 jeweils aus Kupfer und Aluminium gefertigt sein. Der Nutenring 18 kann in beiden Fällen jeweils aus Aluminium oder Kupfer gefertigt sein.
Beispielsweise können die Kurzschlussstäbe 14 aus Kupfer, der Nutenring 18 aus Kupfer und der Kurzschlussring 16 aus Aluminium gefertigt sein.
Auch ist es möglich, dass die Kurzschlussstäbe 14 aus Kupfer, der Nutenring 18 aus Aluminium und der Kurzschlussring 16 aus Aluminium gefertigt sind.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener
Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den
Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Käfigläuferrotors (10) für eine elektrische Maschine, das Verfahren umfassend:
Bereitstellen eines Lamellenpakets (12) mit axialen Nuten (22) zur Aufnahme von Kurzschlussstäben (14);
Einstecken von Kurzschlussstäben (14) in die axialen Nuten;
Bereitstellen eines Kurzschlussrings (16);
Verschweißen der Kurzschlussstäbe (14) mit dem Kurzschlussring (16); gekennzeichnet durch
Verbinden der Stirnflächen der Kurzschlussstäbe (14) und des
Kurzschlussrings (16) durch Reibschweißen, indem der Kurzschlussring (16) relativ zum Lamellenpaket (12) um eine gemeinsame Symmetrieachse des Kurzschlussrings (16) und des Lamellenpakets (12) rotiert wird und auf die Stirnflächen gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei die Kurzschlussstäbe (14) vor dem Reibschweißen über eine
Stirnfläche des Lamellenpakets (12) hinausragen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend:
Anordnen eines Nutenrings (18) auf einer Stirnfläche des Lamellenpakets (12), wobei der Nutenring (18) zu den Nuten (22) im Lamellenpaket (12) korrespondierende Nuten aufweist;
Einstecken der Kurzschlussstäbe (14) in die Nuten des Lamellenpakets (12) und des Nutenrings (18).
Verfahren nach Anspruch 3,
wobei die Kurzschlussstäbe (14) vor dem Reibschweißen über den
Nutenring (18) hinausragen. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, weiter umfassend:
Einebnen der Kurzschlussstäbe (14) beim Reibschweißen bis zu einer Oberfläche des Nutenrings (18), wobei der Nutenring (18) mit dem
Kurzschlussring (16) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, weiter umfassend:
Fixieren des Nutenrings (18) gegenüber dem Kurzschlussring (16), wobei der Nutenring (18) eine Außenkontur aufweist, die durch Formschluss mit einer Spannvorrichtung (24) fixierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 6,
wobei der Nutenring (18) eine eckige Außenkontur oder eine ovale
Außenkontur aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei an beiden Enden des Lamellenpakets (12) Kurzschlussringe (16) bereitgestellt werden, die gleichzeitig mit dem Lamellenpaket (12) durch Reibschweißen verbunden werden. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Kurzschlussstäbe (14) und der Kurzschlussring (16) aus Kupfer gefertigt sind und optional ein Nutenring (18) aus Kupfer oder Aluminium gefertigt ist; oder
wobei die Kurzschlussstäbe (14) aus Kupfer gefertigt sind und der
Kurzschlussring (16) aus Aluminium gefertigt ist und optional der Nutenring
(18) aus Kupfer oder Aluminium gefertigt ist.
10. Käfigläuferrotor (10) für eine elektrische Maschine, der Käfigläuferrotor (10) umfassend:
ein Lamellenpaket (12) mit axialen Nuten (22);
Kurzschlussstäbe (14) in den Nuten des Lamellenpakets;
einen Kurzschlussring (16), der mit den Kurzschlussstäben (14) verbunden ist;
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kurzschlussstäbe (14) stirnseitig mit dem Kurzschlussring (16) mittels Reibschweißens verbunden sind.
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