WO2016066266A1 - Verfahren zum herstellen eines kurzschlussinnenläufers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kurzschlussinnenläufers (1) für einen Elektromotor, mit einem Rotorblechpaket (2), das Rotornuten (6) aufweist, die zur Ausbildung von Kurzschlussstäben (8) eines Käfigs mit Kupfer (10) oder einer Kupferlegierung ausgefüllt werden. Die Rotornuten (6) des Rotorblechpakets (2) sind zum Außenmantel (5) hin zunächst verschlossen und werden im Schleuderguss mit dem Kupfer (10) oder der Kupferlegierung gefüllt, wobei gleichzeitig an den axialen Enden der Rotornuten (6) Kurzschlussringe (9) ausgebildet werden.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Kurzschlussinnenläufers

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines

Kurzschlussinnenläufer für einen Elektromotor, mit einem Rotorblechpaket, das Rotornuten aufweist, die zur Ausbildung von Kurzschlussstäben eines Käfigs mit Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgefüllt werden.

Kurzschlussläufer von Asynchronmotoren werden mit Kurzschlussstäben aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder Aluminium ausgeführt, die sich längs des Blechpakets erstrecken. Dies kann gemäß einer ersten Variante durch Bestabung erfolgen, wobei massive Kurzschlussstäbe separat vom Blechpaket gefertigt und anschließend in seine Rotornuten axial eingeschoben werden. Die Enden der Kurzschlussstäbe werden dann mit Kurzschlussringen verlötet oder verschweißt. Dies sind aufwändige Arbeitsschritte bei der Herstellung des Kurzschlussläufers.

Es ist alternativ bekannt, den Kurzschlusskäfig von Asynchronmotoren im

Druckgussverfahren herzustellen. Dabei wird der Kurzschlusskäfig aus einem Guss hergestellt. Als Materialien sind hier ebenfalls Aluminium oder Kupfer bekannt, wobei Kupfer zu einem besseren Wirkungsgrad führt, aber aufgrund der hohen

Schmelztemperatur, die im Vergleich zu Aluminium um den Faktor 2 höher ist, und aufgrund der hohen Gießdrücke geringere Werkzeugstandzeiten verursacht. Dies führt dazu, dass die Werkzeugformteile häufiger ausgetauscht werden müssen, was ebenfalls den Herstellungsaufwand und die Herstellungskosten erhöht.

Ein weiteres Herstellungsverfahren stellt das Schleuderguss-Verfahren dar, bei dem flüssiges Aluminium oder Kupfer in die Rotornuten gegossen wird, während der Rotor sich dreht. Aufgrund der nach außen offenen Rotornuten, ist dieses Verfahren nur

BESTÄTIGUNGSKOPIE bei Kurzschlussaußenläufern möglich, da bei Innenläufern das einfließende Metall aus den Rotornuten herausgeschleudert werden würde. Um dies zu verhindern, wären zusätzliche Formteile bei der Gießmaschine erforderlich, die die radialen Rotornutenöffnungen außen verschließen

Ein Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussaußenläufers ist in der europäischen Patentanmeldung EP 1 188 215 B1 beschrieben. Bei diesem Außenläufer sind die Rotornuten naturgemäß nach Innen offen, d.h. radial nach außen geschlossen, so dass das in die Rotornuten einfließende Metall in Folge der wirkenden

Zentrifugalkräfte radial nach Außen gegen die innenliegende Rotornutenwand gedrückt wird. Der Vorteil des Schleudergussverfahrens besteht darin, dass das Rotorblechpaket die Gießform für die auszubildenden Kurzschlussstäbe darstellt. Gleichwohl muss bei dem Verfahren gemäß der EP 1 188 215 B1 ein inneres

Formwerkzeugteil die radial nach innen offenen Rotornuten des Rotorblechpakets verschließen.

Nachteilig bei der Herstellung eines Kurzschlussaußenläufers im

Schleudergussverfahren ist, dass das einfließende Metall in Folge der

Zentrifugalkräfte zwar radial außen sehr homogen und insbesondere frei von

Lufteinschlüssen ist, da sich die Luft radial innen sammelt. Dies ist aber gerade der Grund, dass diese Homogenität im radial innen liegenden Bereich der gefüllten Rotornuten nicht gewährleistet ist. Dieser Bereich ist jedoch für einen guten elektrischen Wirkungsgrad des Elektromotors wesentlich, da hier der Übergang der elektromagnetischen Feldlinien zwischen dem Stator und dem Rotor vorhanden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Kurzschlussinnenläufers für einen Elektromotor bereitzustellen, das eine einfachere und damit wirtschaftlichere

Herstellung des Kurzschlussinnenläufers ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ausbildung der Kurzschlussstäbe im Kurzschlussinnenläufer im Schleudergussverfahren erfolgt, wobei die Rotornuten des Rotorblechpakets zum Außenmantel hin zunächst verschlossen sind und im

Schleuderguss mit flüssigem Kupfer oder einer flüssigen Kupferlegierung gefüllt werden. Dies bedeutet, dass der genutete Kurzschlussinnenläufer während des Füllvorgangs rotiert. Dabei wird das einfließende Kupfer in radialer Richtung nach außen in die auszufüllenden Freiräume geschleudert und füllt diese homogen aus, wodurch sich bessere elektrische Eigenschaften und ein höherer Wirkungsgrad des Kurzschlussinnenläufers im Vergleich zum herkömmlichen Druckgussverfahren.

Gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann die Rotation des

Rotorblechpakets beim Schleuderguss um die Längsachse des Rotorblechpakets erfolgen. Dies bedeutet, dass die Drehachse die Längsachse des

Kurzschlussinnenläufers ist. Somit ist auch die Fliehrichtung radial zur Läuferachse, so dass das Kupfer oder die Kupferlegierung in den Rotornuten radial nach außen gegen die Innenseite der die Rotornuten nach außen begrenzenden Wand des Blechpakets geschleudert wird. Hierdurch erhalten die Rotorstäbe eine besonders hohe Homogenität im radial zur Drehachse außen liegenden Bereich, der räumlich an den magnetischen Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator angrenzt, so dass die elektromagnetischen Feldlinien gut vom Rotorblechpaket aufgenommen werden können.

Dagegen würden sich Lufteinschlüsse, Lunker und andere Verunreinigungen im flüssigen Kupfer oder in der flüssigen Kupferlegierung im radial innenliegenden Bereich der Rotornuten sammeln und den effektiven Querschnitt für die elektrische Leitfähigkeit verringern. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante des Verfahrens kann deshalb die Rotation des Rotorblechpakets beim Schleuderguss um eine außerhalb des Rotorblechpakets liegende Achse erfolgen, die senkrecht zur

Längsachse des Rotorpakets verläuft. Dies hat den Vorteil, dass die Fliehrichtung axial zur Läuferachse ist und sich die Freiräume in axialer Richtung beginnend beim drehachsenfernen Kurzschlussring füllen. Lufteinschlüsse, Lunker und andere

Verunreinigungen im flüssigen Kupfer oder in der flüssigen Kupferlegierung würden sich somit an einem axialen Ende des Kurzschlussinnenläufers sammeln,

insbesondere im Angusskanal axial vor dem drehachsennahen Kurzschlussring. Da der Kurzschlussinnenläufer nach dem Schleudergießen vom Angusskanal getrennt wird, ist er völlig frei von Lufteinschlüsse, Lunkern und anderen Verunreinigungen. Somit ist die gesamte innere Kupfer-Leiterstruktur des Kurzschlussinnenläufers homogen, wodurch eine maximale elektrische Leitfähigkeit und damit ein maximaler Wirkungsgrad erzielt wird.

Mit dem Ausbilden der Kurzschlussstäbe im Schleudergussverfahren werden gleichzeitig an den axialen Enden der Rotornuten Kurzschlussringe ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Kurzschlussringe nicht separat hergestellt und anschließend angelötet oder angeschweißt werden müssen. Die Herstellung des gesamten

Kurzschlusskäfigs erfolgt damit in einem einzigen Herstellungsschritt. Der

Kurzschlusskäfig wird dabei integraler Bestandteil des Blechpakets.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann nach dem Einfüllen das

Rotorblechpaket auf einen kleineren Durchmesser abgedreht werden. Dies bewirkt, dass die ausgebildeten Kurzschlussstäbe näher an den magnetischen Luftspalt zwischen Rotor und Stator herangeführt werden, bzw. der Abstand zwischen

Luftspalt und Kurzschlussstab geringer wird. Aufgrund der höheren Permeabilität des Kupfers respektive der Kupferlegierung gegenüber dem Blech des Rotorb lechpakets können die elektromagnetischen Feldlinien dann leichter in den Rotor eindringen. Der Wirkungsgrad des Elektromotors wird dadurch verbessert. Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, indem der Rotor anschließend soweit abgedreht wird, bis die mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung gefüllten Rotornuten Teil der

Außenmantelfläche des Rotors, insbesondere des Rotorblechpakets sind bzw.

werden. Dies bedeutet, dass die Rotorstäbe in der Außenmantelfläche sichtbar werden bzw. nach dem Abdrehen sichtbar sind. Dies ist jedoch nicht zwingend.

Ein erfindungsgemäßer Grundgedanke ist es, auf Formteile zum Herstellen der Gießform weitgehend zu verzichten. Das für die Herstellung des

Kurzschlussinnenläufers verwendete Rotorblechpaket bildet zumindest in radialer Richtung selbst die Gießform für die Kurzschlussstäbe. Vor dem Einfüllen des flüssigen Kupfers oder der Kupferlegierung sind die Rotornuten im Blechpaket folglich geschlossen. Dies kann dadurch erfolgen, dass das Blechpaket selbst radial nach außen geschlossen ist, so dass die Rotornuten nicht erst geschlossen werden müssen. Es ist lediglich erforderlich, an den axialen Enden des Rotorblechpakets Werkzeugformteile vorzusehen, die eine Kavität zur Ausbildung der endseitigen Kurzschlussringe aufweisen. Diese werden vor dem Schleudergießen axialseitig an das Rotorblechpaket angesetzt.

Die Längsachse des Rotorblechpakets kann während des Einfüllens des Kupfers oder der Kupferlegierung vertikal angeordnet sein. Dies bedeutet im Falle der Längsachse als Rotationsachse, dass sich zunächst die dann untenliegende Kavität für einen der Kurzschlussringe füllt und sich anschließend die Rotornuten von unten nach oben füllen. Aufgrund der Drehbewegung des Rotors ist der Füllstand in den Rotornuten im axialen Querschnitt betrachtet annähernd kegelförmig ist. Dies hat den Vorteil, dass sich Lufteinschlüsse im Kupfer oder der Kupferlegierung radial innen gut nach oben entweichen können. Zuletzt wird die Kavität für den oberen

Kurzschlussring gefüllt. Die vertikale Anordnung des Rotorblechpakets hat ferner den Vorteil, dass die zur Drehung des Rotorblechpakets notwendigen Lager gleichmäßig belastet werden.

Es ist alternativ möglich, dass die Längsachse des Rotorblech pakets während des Einfüllens horizontal angeordnet ist. Ist die Längsachse die Drehachse, werden hier zwar die Lager der Schleudergussmaschine aufgrund der Gewichtskraft des

Rotorblechpakets und der sich zunehmend füllenden Nuten in ihrem unteren Bereich stärker belastet, jedoch ergeben sich bei dem Einfüllen des Kupers respektive der Kupferlegierung Vorteile. So ist der Füllvorgang beispielsweise gleichmäßiger, weil sich die Rotornuten infolge der Rotation über die gesamte axiale Länge gleichmäßig zunehmend von radial außen nach radial innen füllen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass von beiden axialen Enden des Rotorblechpakets eingefüllt werden kann, wie nachfolgend noch beschrieben wird.

Die Rotation erfolgt vorzugsweise während des gesamten Einfüllvorgangs. Das heißt, das Rotorblechpaket dreht schon bereits dann, wenn der Einfüllvorgang begonnen hat. Es ist jedoch bei vertikal angeordnetem Blechpaket sinnvoll, dass die Rotation erst dann beginnt, wenn die untere Kavität für den Kurzschlussring gefüllt ist, damit_, sich keine Lufteinschlüsse im radial innenliegenden Bereich dieser Kavität ergeben, wo aus Sicht der Nuten Hinterschnitte vorhanden sind. Vorzugsweise rotiert das Rotorblechpaket während des Einfüllens mit einer Drehzahl zwischen 500 und 1000 Umdrehungen pro Minute. Diese Drehgeschwindigkeit stellt zum einen keine hohen Anforderungen an den Drehantrieb der Gießmaschine für das Rotorblechpaket dar, sorgt anderseits aber gleichzeitig für ausreichende

Zentrifugalkräfte, um Lufteinschlüsse im flüssigen Kuper respektive der

Kupferlegierung abzuscheiden.

Idealerweise rotiert das Rotorblechpaket während des Einfüllens gemäß einem vordefinierten Drehzahlprofil. So kann beispielsweise in einem ersten Zeitabschnitt, in dem die untere Kavität gefüllt wird, eine erste Drehzahl, während des Befüllens der Rotornuten eine zweite Drehzahl und beim Befüllen der oberen Kavität für den zweiten Kurzschlussring eine dritte Drehzahl vorliegen, wobei die zweite Drehzahl größer als die erste Drehzahl und die dritte Drehzahl kleiner als die zweite Drehzahl sein kann. Die niedrige erste und dritte Drehzahl sorgt für ein in radialer Richtung gleichmäßiges Befüllen der unteren Kavität. Je geringer die Drehzahl ist, desto flacher ist der Kegelwinkel des Füllstands in den Rotornuten und den

Kurzschlussringkavitäten. Die dritte Drehzahl geringer als die zweite Drehzahl zu wählen, sorgt deshalb dafür, dass sich auch die zweite Kurzschlussringkavität gleichmäßig füllt und Lufteinschlüsse weitgehend vermieden werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann der herzustellende

Kurzschlussinnenläufer, wie im Stand der Technik üblich, geschränkt im Rotorblech angeordnete Rotornuten aufweisen. Dies bedeutet, dass die Rotornuten und entsprechend die darin ausgebildeten Kurzschlussstäbe nicht achsparallel liegen, sondern sich in einem Winkel zu einer solchen achsparallelen Geraden erstrecken. Dies verbessert die Anlaufeigenschaften des Elektromotors. Vorteilhafterweise erfolgt die Rotation des Rotorb lechpaketes entgegen der Richtung der Schränkung der Rotornuten. Das heißt, dass wenn sich eine Rotornut von einem axialen Ende des Rotorblechpaktes zum anderen axialen Ende entlang erstreckt und dabei in eine Umfangsrichtung verläuft, die Rotationsrichtung des Blechpakets in die

entgegengesetzte Umfangsrichtung gerichtet ist. Dies hat folgende technische

Wirkung und folgenden Vorteil: in Folge der Bewegung des Rotorblechpakets und der auf das flüssige Kupfer bzw. die flüssige Kupferlegierung wirkende Trägheitskraft wird das Kuper bzw. die Kupferiegierung gegen die in Rotationsrichtung hinten liegende Begrenzungswand der jeweiligen Rotomut gedrückt, so dass sich in

Umfangsrichtung ein schräger Füllstand des eingefüllten Kupfers bzw. der

Kupferlegierung ergibt. Dies wird durch den weiteren Effekt verstärkt, dass die

Rotornuten wie Schaufeln wirken, wenn die Verschränkungsrichtung mit der

Drehrichtung übereinstimmt. Letzteres ist sowohl bei vertikal als auch bei horizontaler Anordnung des Rotorpakets vorhanden. Der Pegelstand würde -bei vertikaler Anordnung- dadurch noch schräger verlaufen. Dies wird durch eine zur

Verschränkungsrichtung entgegengesetzt gerichtete Rotationsrichtung vermieden.

Dagegen ist es bei horizontaler Anordnung des Rotorblechpaketes von Vorteil, wenn die Drehrichtung mit der Richtung der Schränkung der Rotornuten übereinstimmt, weil dies dazu führt, dass das Kupfer oder die Kupferlegierung durch die Drehung besser von dem Einfüllende zum anderen Axialende fließt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante rotiert das Rotorblech paket nach dem Beenden des Einfüllens so lange weiter, bis die Temperatur des Kupfers oder der Kupferlegierung unterhalb eine bestimmte Temperaturgrenze gefallen ist.

Vorzugsweise ist diese Temperaturgrenze die Erstarrungstemperatur des Kupfers oder der Kupferlegierung. Auf diese Weise kann eine gezielte Verteilung des Kupfers bzw. der Kupferlegierung in den Rotornuten erreicht werden. So ist es beispielsweise bei einer horizontalen Anordnung der Rotationsachse nachteilig, die Rotation zu beenden, so lange das eingefüllte Kupfer bzw. die Kupferlegierung noch nicht erstarkt ist. Denn durch die Rotation wird das Kupfer bzw. die Kupferlegierung radial nach außen gedrückt Wird die Rotation vor der Erstarrung des Metalls beendet, fließt das Metall aufgrund seiner Gewichtskraft nach unten und sammelt sich bei den unten im Rotorblechpaket liegenden Rotornuten radial außen und bei den oben liegenden Rotornuten radial innen, so dass es zu einer unsymmetrischen Verteilung des

Kupfers bzw. der Kupferlegierung in den Rotornuten kommt.

Ein Zurückfließen des flüssigen Metalls wird jedoch verhindert, wenn die Rotation so lange erfolgt, wie das Kupfer bzw. die Kupferlegierung noch nicht erstarrt ist. Durch die Beendigung der Rotation erst nach Unterschreiten der Erstarrungstemperatur kann somit eine definierte Verteilung des Kupfers bzw. der Kupferlegierung in den Rotornuten bei horizontal angeordneter Achse des Rotorblechpakets erreicht werden.

Im Falle einer vertikalen Anordnung der Rotationsachse des Rotorblechpakets kann dagegen die Rotation schon vor Erreichen der Erstarrungstemperatur beendet werden. Das Kupfer oder die Kupferlegierung kann durch ein koaxial zum

Rotorblechpaket angesetztes Rohr oder einen Rüssel eingefüllt werden. Dies gilt sowohl für die horizontale als auch für die vertikale Anordnung des Rotorblechpakets. Während das vertikal angeordnete Rotorblechpaket grundsätzlich oben zur

Atmosphäre hin geöffnet sein kann, und das flüssige Kupfer aus einem Tiegel in die Rotornuten respektive in eine Öffnung gegossen werden kann, die in dem den oberseitigen Kurzschlussring ausbildenden Formteil vorhanden ist, wird der Rüssel für ein koaxiales Einfüllen des Kupfers bzw. der Kupferlegierung benötigt, wenn das Rotorblech paket horizontal angeordnet ist. Das Rohr oder der Rüssel kann dann an eine Öffnung in dem einen Kurzschlussring ausbildenden Formteil angesetzt werden und fließt in axialer Richtung waagerecht in die Rotornuten des Rotorblechpakets hinein. Unter einem Rüssel wird erfindungsgemäß eine Zuleitung verstanden, die flexibler als ein Rohr ist. Sowohl das Rohr als auch der Rüssel können einen

Winkelabschnitt aufweisen, um das flüssige Kupfer aus einer bestimmten

Einfüllrichtung in die Horizontale zu lenken.

Die horizontale Anordnung der Längsachse des Rotorb lechpakets, wenn diese gleichzeitig Drehachse ist, hat den Vorteil, dass das Kupfer oder die Kupferlegierung von beiden Axialseiten des Rotorblechpakets durch jeweils ein koaxial zum

Rotorblechpaket angeordnetes Rohr bzw. einen entsprechend angeordneten Rüssel eingefüllt werden kann. Bei dieser Ausführungsvariante erfolgt der Füllvorgang folglich von beiden Axialseiten, so dass sich die beiden Fließfronten des Kupfers bzw. der Kupferlegierung in etwa der axialen Mitte des Rotorblechpakets begegnen. Das Befüllen von beiden Axialseiten hat einerseits den Vorteil, dass der Füllvorgang beschleunigt wird, andererseits wird aufgrund der reduzierten Fließwege des jeweiligen Kupferstroms bzw. Kupferlegierungsstroms die Abkühlgeschwindigkeit reduziert, so dass die Viskosität über annähernd den gesamten Einfüllweg im

Wesentlichen gleich bleibt und sich die Luftanschlüsse aufgrund der Rotation wirkungsvoll radial nach innen bewegen können, so dass über die gesamte axiale Länge des Kurzschlussläufers eine homogene Ausbildung der Kurzschlusstäbe erreicht wird. Es sei jedoch angemerkt, dass ein Befüllen von beiden Axialseiten nicht unbedingt erforderlich ist. Ein Befüllen kann auch von nur einer Axialseite erfolgen, wobei die andere Axialseite verschlossen ist.

Eine alternative Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, dass Blechpaket während des Einfüllens zu beheizen, insbesondere auf eine Temperatur zwischen ca. 1100°C und 1500°C. Dies bewirkt, dass das Kupfer bzw. die Kupferlegierung während des Einfüllens flüssig gehalten wird.

Bevorzugt kann auch das Rohr oder der Rüssel oder die Rohre oder die Rüssel vor dem ersten Gießen auf eine Temperatur von mindestens 200°C aufgeheizt werden. Dies hat den Vorteil, dass Spannungsrisse vermeiden werden. Ferner ist eine

Aufheizung auf eine höhere Temperatur, insbesondere mindestens 1100°C

vorteilhaft, um ein Einfrieren während des Fließens zu vermeiden.

Wie bereits erwähnt, ist es erforderlich, zur Ausbildung der endseitigen

Kurzschlussringe entsprechende Formteile an den Axialenden des Rotorb lechpakets vorzusehen, die an ihrer zum Blechpaket gerichteten Innenseite jeweils eine Kavität aufweisen, deren innere Kontur der äußeren Kontur des jeweils auszubildenden Kurzschlussringes entspricht. Diese Formteile können Teil einer Gießmaschine sein, in die das Rotorblechpaket eingesetzt wird und die dann koaxial zu einander zufahren.

Alternativ ist es möglich, dass die Formteile Abdeckungen für das Rotorblechpaket bilden, die zunächst manuell oder maschinell auf das Rotorblechpaket dieses umgreifend aufgesetzt und dann mitsamt dem Rotorblechpaket in die Gießmaschine eingesetzt werden.

Die Formteile, insbesondere die Abdeckungen, können aus einem keramisch oder keramisch beschichteten Material bestehen, um den Temperaturen des flüssigen Kupfers bzw. der Kupferlegierung zu wiederstehen und ein Verschmelzen zu verhindern. Es können jedoch auch andere hochtemperaturbeständige Werkstoffe verwendet werden. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 perspektivische Ansicht eines Rotorblechpakets mit Rotornuten

Figur 2 perspektivische Ansicht des Rotorblechpakets gemäß Figur 1 in

teilweise aufgeschnittener Darstellung mit Abdeckungen und Zuführrohr Figur 3 Darstellung gemäß Figur 2 im gefüllten Zustand der Rotornuten und

Abdeckungen

Figur 4 Rotorblechpaket mit hergestelltem Kurzschlusskäfig im Querschnitt Figur 5 perspektivische Ansicht des Rotorblechpakets mit gegossenen

Rotornuten und Kurzschlussringen

Figur 6 Ausschnitt des Rotorblechpakets gemäß Figur 5 in aufgeschnittener

Darstellung

Figur 7 abgedrehtes Rotorblechpaket

Figur 8 Ausschnitt des abgedrehten Rotorblechpakets gemäß Figur 7 in

teilweise aufgeschnittener Darstellung

Figur 9 Rotation um außenliegende Drehachse

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Rotorblechpaket 2 eines

Kurzschlussinnenläufers 1 eines Elektromotors in perspektivischer Darstellung vor der Einbringung des Kurzschlusskäfigs. Das Blechpaket 2 besitzt Rotornuten 6, die sich unterhalb der Mantelfläche 5 von einem Axialende zum anderen Axialende entlang erstrecken. Die Rotornuten 6 sind radial nach außen durch den Außenmantel des Rotorblechpakets 2 geschlossen, so dass sie Kanäle bilden. Ferner liegen die Rotornuten geschränkt im Blechpaket 2 vor, wie insbesondere an den Figuren 2 und 3 deutlich wird.

Figur 2 zeigt das Rotorblechpaket 2 in perspektivischer Ansicht in teilweise

aufgeschnittener Darstellung, wobei ein in Blickrichtung liegendes Viertelstück des Rotorblechpakets 2 herausgeschnitten ist. Der Blick ist somit frei auf die koaxial verlaufende Bohrung, durch die sich im assemblierten Zustand des Rotorpakets die Rotorwelle des Elektromotors hindurch erstreckt. Die Darstellung des

aufgeschnittenen Rotorblechpakets 2 zeigt die geschränkte Anordnung der Rotornuten 6. So ist am linksseitigen Ende oben der freie Blick in den Anfang einer ersten geschlossenen Rotornut 6 gegeben, wohingegen am anderen Ende eine zum Teil geschnittene in Umfangsrichtung hinter der ersten Rotornut 6 liegende zweite Rotornut 6 erkennbar ist.

Das Rotorblechpaket ist endseitig jeweils durch keramische Abdeckungen 4a, 4b verschlossen, die die Stirnseiten des Rotorb lechpakets 6 teilweise umgreifen. In diesen Abdeckungen 4a, 4b ist jeweils eine Kavität 7 vorhanden, die jeweils zur Ausbildung eines Kurzschlussrings 9 dient. Die erste der beiden Abdeckkappen 4a besitzt eine zentrale Öffnung, durch die sich ein Rüssel 3 hindurch erstreckt, über welchen flüssiges Kupfer in die Kavität 7 einfließen kann. Damit das Kupfer nicht in die koaxial verlaufende Bohrung für die Rotorwelle hineinfließt, wird diese mit einem Stopfen verschlossen.

Figur 3 zeigt den Endzustand der mit flüssigem Kupfer 10 ausgefüllten Rotornuten 6 und Kavitäten 7. Um diesen Zustand zu erreichen, wird flüssiges Kupfer 10 durch den Rüssel 3, siehe Pfeil A, in die rüsselseitige Kurzschlussringkavität 7 eingefüllt, während sich das Rotorblechpaket 2 samt Endkappen 4a, 4b entlang der koaxial zum Rotorblechpaket 6 liegenden Rotationsachse 1 dreht, siehe Pfeil B. Das Rotorblechpaket 2 ist dabei horizontal gelagert. Das Einbringen des Kupfers 10 in die Gießform erfolgt drucklos bzw. nur mit der Gewichtskraft des fließenden

Kupfermaterials 10, so dass keine besonderen Maßnahmen zum Abdichten der Abdeckkappen 4a, 4b gegenüber dem Rotorblechpaket 6 bzw. zwischen dem Rüssel 3 und der ersten Abdeckkappe 4a erforderlich sind. Die Gießform ist hier durch die Kavitäten 7 und die Rotornuten 6 gebildet. Infolge der Drehung werden alles

Rotornuten 6 gleichmäßig gefüllt. Durch die wirkenden Zentrifugalkräfte wird das Kupfer 10 radial nach außen geschleudert und fließt gleichmäßig entlang der

Rotornuten 6 zum axial gegenüberliegenden Ende, wo es die dort in der zweiten Abdeckung 4b vorhandene Kurzschlussringkavität 7 zunehmend ausfüllt. Die in Figur 3 dargestellte Rotationsrichtung gemäß Pfeil B liegt entgegengesetzt zum

Schränkungswinkel der Rotornuten 6.

Am Ende des Einfüllvorgangs gemäß Figur 3 bilden dann die mit Kupfer 10

ausgefüllten Kurzschlussringkavitäten die Kurzschlussringe 9 des Kurzschlusskäfigs und die mit Kupfer 10 ausgefüllten Rotornuten 6 die Kurzschlussstäbe 8 des Kurzschlusskäfigs. Für den Befüllungsvorgang bildet folglich das Rotorblechpaket 2 die Gießform des herzustellenden Kurschlusskäfigs, da das Rotorblechpaket außen an seiner Mantelfläche 5 geschlossen ist.

Figur 4 zeigt eine Querschnittsdarstellung des fertigen Kurzschlussinnenläufers, wobei die Abdeckkappen 4a, 4b weiterhin aufgesetzt sind. Die Kurzschlusstäbe 8 und die Kurzschlussringe 9 sind einstückig aus Kupfer 10 hergestellt und bilden einen integralen Bestandteil mit dem Rotorblechpaket 2.

Figur 5 zeigt den Kurzschlussinnenläufer 1 mit dem im Schleuderguss hergestellten Kurzschlussstäben und Kurzschlussringen 9, wobei im Vergleich zur Figur 4 die Abdeckkappen 4a, 4b entfernt sind. Die Außenmantelfläche 5 des Rotorblechpakets 2 ist weiterhin geschlossen.

Figur 6 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts des gefüllten

Rotorblechpakets 2, wobei in Umfangsrichtung ein Viertelstück und in axialer Richtung ein Teilstück aus dem Kurzschlussinnenläufer herausgeschnitten ist. Der Blick ist somit frei auf die ausgefüllten Rotornuten 6, in denen nun nach dem

Schleudergussverfahren die Kurzschlussstäbe 8 ausgebildet sind.

In einem dem Zustand des Kurzschlussinnenläufers gemäß Figur 5 folgenden Bearbeitungsschritt wird das Rotorblechpaket 2 abgedreht, so dass der

Außendurchmesser des Rotorblechpakets 2 reduziert wird. Durch diese

spanabhebende Bearbeitung wird ein Teil des Rotorblechpakets in radialer Richtung entfernt, so dass die Rotornuten in der Außenmantelfläche 5 Sichtbar werden. Der abgedrehte Zustand des Rotorblechpakets ist in Figur 7 dargestellt. Deutlich erkennbar sind nunmehr die radial außen liegenden Bereiche 12 der

Kurzschlussstäbe 8, die sich linienförmig im Außenmantel 5 des Rotorblechpakets 2 von einem Axialende zum anderen Axialende erstrecken. Eine Vergrößerung des aufgeschnittenen Rotorblechpakets 2 mit Blick auf die Kurzschlussstäbe 8 im abgedrehten Zustand des Rotorblechpakets 2 ist in Figur 8 dargestellt. Die Verwendung des Schleudergussverfahrens für die Ausbildung der Kurschlussstäbe 8 und Kurzschlussringe 9 im Blechpaket 2 des

Kurzschlussinnenläufers 1 führt zu einer höheren Dichte des Kupfers 10 und zu einem homogeneren Gefüge, da sich Luftbläschen im flüssigen Metall im radial innenliegenden Bereich der noch nicht vollständig gefüllten Rotornuten 6 sammelt. Die hohe Dichte und Homogenität des flüssigen Kupfers 0 verbunden mit der guten elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers führt zu einer deutlichen Erhöhung des

Wirkungsgrades eines Elektromotors mit erfindungsgemäß hergestelltem

Kurzschlussinnenläufer 1.

Da das Rotorblechpaket die Gießform für die Kurzschlussstäbe bildet, werden keine zusätzlichen Gießformen benötigt, so dass hier auch kein Verschleiß derselben in Folge der hohen Schmelzetemperatur vorliegen kann. Bei den lediglich endseitig vorhandenen Abdeckungen 4a, 4b ist der Verschleiß durch die Verwendung des Schleudergussverfahrens minimiert, da das flüssige Kupfer ohne zusätzlichen Druck in die Kavitäten 7 einfließt. Dies ist ein besonderer Vorteil des

Schleudergussverfahrens gegenüber dem Druckgießen, welches zusätzliche

Dichtungen zwischen Rüssel und erster Abdeckung 4a sowie zwischen dem

Rotorpaket 2 und den Abdeckungen 4a, 4b erfordern würde, wobei diese Dichtungen aufgrund der Rotation des Rotorblechpakets 2 zumindest im Bereich des Rüssels 3 zusätzlich besonders ausgebildet sein müssten, um einerseits die Dichtigkeit und andererseits die Rotationsmöglichkeit zu gewährleisten.

Bei dem erfindungsgemäßen Kupferschleuderguss ist die Temperatur der

Kupferschmelze ähnlich wie bei dem Druckguss, allerdings ist der entstehende Druck erheblich kleiner, da lediglich Zentrifugalkräfte vorliegen. Somit wird die Gießform weniger beansprucht.

Im Ergebnis führt das erfindungsgemäße Schleudergussverfahren zur Herstellung des Kurzschlusskäfigs im Rotorblechpaket aufgrund der höheren Kupferdichte zu einem höheren Wirkungsgrad des Elektromotors, zu längeren Werkzeugstandzeiten im Gegensatz zum Kupferdruckgussverfahren und zu einer einfacheren

Herstellbarkeit und einfacherem Herstellungsprozess. Darüber hinaus sind beliebige Nutgeometrien realisierbar. Figur 9 zeigt eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer außerhalb des Rotorblechpakets 2 liegenden Drehachse, um die das

Rotorblechpaket 2 beim einfüllen des flüssigen Kupfers rotiert, wobei die Drehachse senkrecht zur hier horizontal liegenden Längsachse angeordnet ist. Somit erfolgt ein Füllen der Rotornuten in axialer Richtung. Der drehachsenfeme Kurzschlussring 9 wird zuerst ausgebildet, der drehachsennahe Kurzschlussring 9 zuletzt.

Lufteinschlüsse, Lunker und sonstige Verunreinigungen werden dabei infolge der Zentripetalkraft in Richtung des drehachsennahen Kurzschlussring 9 gedrückt und ferner noch weiter radial nach innen in den Einlauftrichter oder Angusskanal gedrückt, der in die den drehachsennahen Kurzschlussring 9 ausbildenden Freiraum mündet. Nach dem Schleudergießen wird das gefüllte Rotorblechpaket 2 von diesem Angusskanal abgetrennt. Da im Angusskanal verbliebene Kupfer kann entsorgt oder wieder aufgeschmolzen werden. Jedenfalls sind die Verunreinigungen im Kupfer vollständig aus dem Kurzschlussinnenläufer entfernt, so dass die Kurzschlussstäbe und -ringe vollkommen homogen sind. Hierdurch ist ein maximaler Wirkungsgrad erreichbar.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Kurzschlussinnenläufers (1 ) für einen

Elektromotor, mit einem Rotorblechpaket (2), das Rotornuten (6) aufweist, die zur Ausbildung von Kurzschlussstäben (8) eines Käfigs mit Kupfer (10) oder einer Kupferlegierung ausgefüllt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die

Rotornuten (6) des Rotorblechpakets (2) zum Außenmantel (5) hin zunächst verschlossen sind und im Schleuderguss mit dem Kupfer (10) oder der

Kupferlegierung gefüllt werden, wobei gleichzeitig an den axialen Enden der Rotornuten (6) Kurzschlussringe (9) ausgebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation des Rotorblechpakets (2) beim Schleuderguss um die Längsachse des

Rotorblechpakets (2) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation des Rotorblechpakets (2) beim Schleuderguss um eine außerhalb des

Rotorblechpakets (2) liegende Achse (13) erfolgt, die senkrecht zur Längsachse ( 1 ) des Rotorpakets verläuft.

4. Verfahren nach einem der vorherige Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass das Rotorblechpaket (2) nach dem Einfüllen auf einen kleineren

Durchmesser abgedreht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das

Rotorblechpaket (2) soweit abgedreht wird, bis die mit dem Kupfer (10) oder der Kupferlegierung gefüllten Rotornuten (6) Teil der Außenmantelfläche (5) des Rotorblechpakets (2) sind.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfer (10) oder die Kupferlegierung drucklos in die Rotornuten (6) eingefüllt wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse (11 ) des Rotorblechpakets (2) während des Einfüllens vertikal angeordnet ist.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse (11 ) des Rotorblechpakets (2) während des Einfüllens horizontal angeordnet ist.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblechpaket (2) während des Einfüllens mit einer Drehzahl zwischen 500 und 1000 U/min rotiert.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotornuten (6) geschränkt im Rotorblechpaket (2) vorliegen und die Rotation des Rotorblechpakets (2) entgegen der Richtung der Schränkung erfolgt.

11.Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblechpaket (2) nach dem Einfüllen solange weiter rotiert, bis die Temperatur des Kupfers (10) oder der Kupferlegierung unterhalb eine bestimmte Temperaturgrenze, insbesondere zumindest unterhalb seine/ ihre

Erstarrungstemperatur gefallen ist.

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfer (10) oder die Kupferlegierung durch ein koaxial zum

Rotorblechpaket (2) angesetztes Rohr (3) oder einen Rüssel (3) eingefüllt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfer (10) oder die Kupferlegierung von beiden Axialseiten des

Rotorblechpakets (2) durch jeweils ein/ einen koaxial zum Rotorblechpaket (2) angesetztes / angesetzten Rohr (3) oder Rüssel (3) eingefüllt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3) oder der Rüssel (3) oder die Rohre oder die Rüssel vor dem ersten Gießen auf eine Temperatur von mindestens 200°C aufgeheizt wird/ werden.

15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3) oder der Rüssel (3) in einen Freiraum (7) zur Ausbildung des rohr- bzw.

rüsselseitigen Kurzschlussrings (9) mündet oder dass die Rohre oder Rüssel jeweils in einen Freiraum (7) zur Ausbildung des jeweiligen Kurzschlussrings (9) münden.

16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblechpaket (2) während des Schleudergießens an seinen

Axialenden von jeweils einer keramischen oder keramisch beschichteten

Abdeckung (4a, 4b) abgedeckt ist, in der jeweils ein Freiraum (7) zur Ausbildung einer der Kurzschlussringe (9) ausgebildet ist.