DE102009031345A1

DE102009031345A1 - Kurzschlussläufer und Verfahren, um diese herzustellen

Info

Publication number: DE102009031345A1
Application number: DE102009031345A
Authority: DE
Inventors: Timothy J. Noblesville Alfermann; Arthur L. Indianapolis McGrew jun.; Ahmed Carmel El-Antably
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2010-04-01
Also published as: US8181333B2; CN101626179A; US20100007234A1; CN101626179B

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Kurzschlussläufers umfasst, dass: ein geschichteter Stapel bereitgestellt wird; eine Vielzahl von Läuferstäben an dem geschichteten Stapel angebracht werden, wobei jeder Läuferstab der Vielzahl von Läuferstäben entgegengesetzte Längsenden umfasst; und ein Paar Endringe an den Längsenden der Vielzahl von Läuferstäben druckgegossen werden.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Anmeldung mit der Nr. 61/079,192, die am 9. Juli 2008 eingereicht wurde. Der Offenbarungsgehalt der vorstehenden Anmeldung ist hier durch Bezugnahme mit aufgenommen.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft elektrische Induktionsmaschinen und insbesondere Verfahren zum Herstellen von Kurzschlussläufern für Elektromotoren.
HINTERGRUND
Die hier bereitgestellte Hintergrundbeschreibung dient der allgemeinen Darstellung des Kontexts der Offenbarung. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder, sofern sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt des Einreichens nicht anderweitig als Stand der Technik ausgewiesen sind, werden weder explizit noch implizit als Stand der Technik gegen die vorliegende Offenbarung anerkannt.
Kurzschlussläufer (engl. squirrel-cage rotors) für elektrische Induktionsmaschinen können einen geschichteten Stapel umfassen, der eine Vielzahl länglicher Nuten definiert. Eine Vielzahl von Läuferstäben sind in den länglichen Nuten bereitgestellt. Ein Paar Endringe sind an entgegengesetzten Enden des geschichteten Stapels bereitgestellt. Zur Herstellung des Kurzschlussläufers wird der geschichtete Stapel in einem Gussformsatz angeordnet, die Hohlräume definieren, um die Endringe auszubilden. Die Hohlräume stehen mit den länglichen Nuten in Verbindung. Ein Gusswerkstoff wird in den Gussformsatz injiziert und füllt die Hohlräume zum Ausbilden der Endringe sowie die länglichen Nuten zum Ausbilden der Läuferstäbe aus.
Das gleichzeitige Druckgießen der Läuferstäbe und der Endringe mit dem gleichen Gussformsatz erhöht die Komplexität des Gießprozesses. Es können sich beispielsweise Schrumpflöcher im Inneren der länglichen Nute und der Endringe ausbilden. Die Schrumpflöcher beeinflussen die Integrität der Läuferstäbe und der Endringe. Außerdem ist das Druckgießen der Läuferstäbe und der Endringe in dem gleichen Gussformsatz kostspieliger und es tritt allgemein ein Gussformverschleiß auf, wenn die Druckguss-Läuferanordnung aus den Gussformen entfernt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Entsprechend umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Kurzschlussläufers, dass: ein geschichteter Stapel bereitgestellt wird; eine Vielzahl von Läuferstäben an dem geschichteten Stapel angebracht werden, wobei jeder Läuferstab der Vielzahl von Läuferstäben entgegengesetzte Längsenden umfasst; und ein Paar Endringe an die Längsenden der Vielzahl von Läuferstäben druckgegossen werden.
Ein Kurzschlussläufer umfasst einen geschichteten Stapel, eine Vielzahl von Läuferstäben und ein Paar Endringe. Die Vielzahl von Läuferstäben sind an dem geschichteten Stapel angebracht und bestehen aus einem ersten Werkstoff. Das Paar Endringe ist an Längsenden des geschichteten Stapels angebracht und besteht aus einem zweiten Werkstoff. Der zweite Werkstoff ist ein Gusswerkstoff. Der erste Werkstoff unterscheidet sich von dem zweiten Werkstoff.
Gemäß weiteren Merkmalen umfasst der geschichtete Stapel eine Vielzahl von Stahlblechen. Die Vielzahl von Läuferstäben sind extrudiert und umfasst eine Aluminiumlegierung 6101. Die Endringe werden durch Druckgießen einer Aluminiumlegierung 6061 hergestellt.
Weitere Anwendungsgebiete ergeben sich aus der hier bereitgestellten Beschreibung. Es versteht sich, dass die Beschreibung und spezielle Beispiele nur zur Veranschaulichung gedacht sind und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung keinesfalls beschränken.
1 ist eine Draufsicht auf einen Kurzschlussläufer gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Querschnittsansicht eines Kurzschlussläufers gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine perspektivische Ansicht eines geschichteten Stapels eines Kurzschlussläufers gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
4 ist eine Ansicht von oben auf ein Metallblech eines Kurzschlussläufers gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine Ansicht von oben auf eine Variante eines Metallblechs eines Kurzschlussläufers gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung; und
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Kurzschlussläufers gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
GENAUE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist rein beispielhafter Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungsmöglichkeiten keinesfalls einschränken. Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Element zu bezeichnen.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Kurzschlussläufers gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung umfasst, dass eine Vielzahl vorgeformter Läuferstäbe in einen geschichteten Stapel eingebracht wird, gefolgt von einem Druckgießen der Endringe. Die Läuferstäbe und die Endringe werden mit unterschiedlichen Herstellverfahren gefertigt, was zu einer ver größerten Auswahl verfügbarer Werkstoffe und verringerten Gusskosten führt.
Mit Bezug nun auf 1 und 2 umfasst ein beispielhafter Kurzschlussläufer 10 für eine elektrische Induktionsmaschine einen geschichteten Stapel 14, eine Vielzahl von Läuferstäben 16, die in den geschichteten Stapel 14 eingebracht sind, und ein Paar Endringe 18, die an Längsenden des geschichteten Stapels 14 bereitgestellt sind. Der geschichtete Stapel 14 kann um eine drehbare Welle 21 herum montiert sein. Die Läuferstäbe 16 umfassen Längsenden 20, die über die Längsenden des geschichteten Stapels 14 hinausragen und die in die Endringe 18 eingebracht sind. Der geschichtete Stapel 14 grenzt an die Endringe 18 an. An Schnittstellen zwischen den Läuferstäben 16 und den Endringen 18 sind Schweißnähte 22 ausgebildet. Nur als Beispiel können die Schweißnähte 22 an Umfängen der Läuferstäbe 16 benachbart zu den Endringen 18 und entlang der gesamten Oberflächen der Läuferstäbe 16 im Inneren der Endringe 18 ausgebildet sein.
Mit Bezug auf 3 umfasst der geschichtete Stapel 14 eine zentrale Nut 26 und eine Vielzahl länglicher Nuten 28. Die drehbare Welle 21 kann in die zentrale Nut 26 eingebracht sein. Die länglichen Nuten 28 sind benachbart zu dem Umfang des geschichteten Stapels 14 bereitgestellt und können sich axial entlang der gesamten Länge des geschichteten Stapels 14 erstrecken. Die länglichen Nuten 28 können sich in einer Richtung erstrecken, die parallel zu einer Mittelachse des geschichteten Stapels 14 verläuft. Alternativ können die länglichen Nuten 28 relativ zu den Endringen 18 schräg verlaufen. Die Vielzahl von Läuferstäben 16 sind in die länglichen Nuten 28 eingebracht.
Mit Bezug auf 4 umfasst der geschichtete Stapel 14 eine Vielzahl von Metallblechen 24, die nur als Beispiel aus Stahl bestehen. Die Vielzahl von Metallblechen 24 sind entlang der Mittelachse des geschichteten Stapels 14 geschichtet und jedes weist eine Mittelöffnung 30 und eine Vielzahl von Aperturen 32 am Umfang auf. Die Mittelöffnungen 30 der Vielzahl von Metallblechen 24 definieren gemeinsam die zentrale Nut 26 für die drehbare Welle 21. Die Vielzahl von Aperturen 32 sind um den Umfang herum voneinander beabstandet und definieren gemeinsam die länglichen Nuten 28. Die Aperturen 32 am Umfang können eine Form und eine Größe aufweisen, die mit der Form und der Größe der Läuferstäbe 16 übereinstimmen.
Mit Bezug auf 5 kann eine Formvariante eines Metallblechs 40 eine Mittelöffnung 42 und eine Vielzahl von Ausschnitten 44 umfassen, die zu den Umgebungsrändern hin offen sind. Es wird angemerkt, dass die Aperturen 32 und die Ausschnitte 44 der 4 bzw. 5 nur zur Veranschaulichung gezeigt sind, und dass die Anzahl der Aperturen 28 und der Ausschnitte 44 mit der Anzahl länglicher Nuten, die in 3 veranschaulicht sind, möglicherweise nicht übereinstimmt.
Die Läuferstäbe 16 und die Endringe sind aus elektrisch leitfähigen Werkstoffen geformt. Die Läuferstäbe 16 und die Endringe 18 können nur als Beispiel eine Kupferlegierung oder eine Aluminiumlegierung umfassen. Die Läuferstäbe 16 können nur als Beispiel durch Extrusion, Stanzen bzw. Prägen oder maschinelles Bearbeiten geformt sein. Die Endringe 28 können nur als Beispiel durch Druckgießen geformt sein. Nur als Beispiel können die Läuferstäbe 16 als extrudierte Stangen, die aus der Aluminiumlegierung 6101 bestehen, hergestellt sein, und die Endringe können durch Druckgießen einer Aluminiumlegierung 6061 hergestellt sein. Die Aluminiumlegierung 6101 weist eine größere elektrische Leitfähigkeit als die Aluminiumlegierung 6061 auf, wohingegen die Aluminiumlegierung 6061 eine größere mechanische Festigkeit als die Aluminiumlegierung 6101 aufweist.
Mit Bezug auf 6 startet ein Verfahren 70 zum Herstellen eines Kurzschlussläufers mit Schritt 72. Bei Schritt 74 werden eine Vielzahl von Metallblechen aufgeschichtet, um einen geschichteten Stapel auszubilden. Die Mittelöffnungen der Metallbleche werden so ausgerichtet, dass sie eine zentrale Nut für die drehbare Welle bilden. Die Aperturen am Umfang werden so ausgerichtet, dass sie eine Vielzahl von Stabnuten bilden. Bei Schritt 76 werden eine Vielzahl von Läuferstäben vorgeformt, nur als Beispiel durch Extrusion. Bei Schritt 78 werden die vorgeformten Läuferstäbe in die Stabnuten eingebracht, um eine Unteranordnung zu bilden. Die Längsenden der Läuferstäbe ragen über die Längsenden des geschichteten Stapels hinaus. Die Unteranordnung wird bei Schritt 80 in einem Satz von Druckgussformen angeordnet, die Hohlräume zum Bilden von Endringen definieren. Bei Schritt 82 wird ein geschmolzenes Gussmaterial in die Druckgussformen injiziert, um die Hohlräume auszufüllen. Wenn sich das geschmolzene Material verfestigt hat, sind die Endringe ausgebildet und können mit den Läuferstäben 16 teilweise verbunden sein.
Die Läuferanordnung, die den Läuferkern 14, die Läuferstäbe 16 und die Endringe 18 umfasst, wird bei Schritt 84 aus den Gussformen entfernt. Bei Schritt 86 wird an den Schnittstellen zwischen den Läuferstäben 16 und den Endringen 18 eine Rührschweißung angewendet. Beim Rührreibschweißen kann eine (nicht gezeigte) Schweißhalterung verwendet werden, um die Endringe 18 relativ zu den Längsenden 20 der Läuferstäbe 16 in Position zu halten. Die Läuferstäbe 16 sind rechtwinklig zu den Endringen 18 angeordnet und sind in die Endringe 18 eingebracht.
Rührschweißen ist ein Festkörperfügeprozess, bei dem Reibungshitze erzeugt wird, um zu bewirken, dass gegenüberliegende Abschnitte von Werkstücken einen plastifizierten Zustand annehmen. Wenn eine schnell drehende Sonde entfernt wird, welche die Reibungshitze verursacht, verfestigen sich die plastifizierten Abschnitte und fügen die Werkstücke zusammen. Die Schweißnähte 22 können durch Rührschweißen gebildet werden und können an der Schnittstelle zwischen den Läuferstäben 16 und den Endringen 18 gebildet werden. Nur als Beispiel können die Schweißnähte 22 um den Umfang der Endringe 18 herum und/oder die Umfänge der Läuferstäbe 16 herum ausgebildet werden. Die Endringe 18 werden bei Schritt 88 später maschinell bearbeitet, um glatte Schweißnähte bereitzustellen. Wenn die Endringe 18 einen Außendurchmesser aufweisen, der größer als derjenige des geschichteten Stapels 14 ist, können die Endringe 18 maschinell bearbeitet werden, so dass sie einen Außendurchmesser aufweisen, der sich dem Außendurchmesser des geschichteten Stapels nähert. Das Verfahren 70 endet in Schritt 90.
Der durch das Verfahren der vorliegenden Offenbarung hergestellte Kurzschlussläufer weist vorgeformte Läuferstäbe und Druckgussendringe auf. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung können die Läuferstäbe aus einem Werkstoff hergestellt sein, der eine größere elektrische Leitfähigkeit als derjenige der Endringe aufweist. Daher ermöglicht das Verfahren zum Herstellen eines Kurzschlussläufers gemäß der vorliegenden Offenbarung eine breite Auswahl von Werkstoffen, während es die Integrität der Läuferstäbe und der Endringe erhöht.
Fachleute können nun aus der vorstehenden Beschreibung entnehmen, dass die breiten Lehren der vorliegenden Offenbarung in einer Vielzahl von Formen implementiert werden können. Obwohl diese Offenbarung in Verbindung mit speziellen Beispielen derselben beschrieben wurde, soll daher der wahre Umfang der Offenbarung nicht darauf begrenzt sein, da sich dem Fachmann bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche weitere Modifikationen offenbaren werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Kurzschlussläufers, das umfasst, dass: ein geschichteter Stapel bereitgestellt wird; eine Vielzahl von Läuferstäben an dem geschichteten Stapel angebracht werden, wobei jeder Läuferstab der Vielzahl von Läuferstäben entgegengesetzte Längsenden umfasst; und ein Paar Endringe an den Längsenden der Vielzahl von Läuferstäben druckgegossen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass die Vielzahl von Läuferstäben durch Extrusion ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass die Längsenden der Läuferstäbe mit den Endringen rührverschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass der geschichtete Stapel und die Vielzahl von Läuferstäben in einem Gussformsatz angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass eine Vielzahl von Stahlblechen aufgeschichtet werden, um den geschichteten Stapel auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Läuferstäbe aus einem ersten Werkstoff bestehen, die Endringe aus einem zweiten Werkstoff be stehen und sich der erste Werkstoff von dem zweiten Werkstoff unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Werkstoff eine höhere elektrische Leitfähigkeit als der zweite Werkstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der zweite Werkstoff eine höhere mechanische Festigkeit als der erste Werkstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Werkstoff eine Aluminiumlegierung 6101 ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der zweite Werkstoff eine Aluminiumlegierung 6061 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der geschichtete Stapel eine Vielzahl länglicher Nuten definiert, die um den Umfang herum beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anbringen der Läuferstäbe umfasst, dass die Läuferstäbe in die Vielzahl länglicher Nuten eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Längsenden der Läuferstäbe über Längsenden des geschichteten Stapels hinausragen.
Kurzschlussläufer, umfassend: einen geschichteten Stapel; eine Vielzahl von Läuferstäben, die an dem geschichteten Stapel angebracht sind, aus einem ersten Werkstoff bestehen und Längsenden umfassen; ein Paar Endringe, die an den Längsenden des geschichteten Stapels angebracht sind und aus einem zweiten Werkstoff bestehen, wobei der zweite Werkstoff ein Gusswerkstoff ist und sich der erste Werkstoff von dem zweiten Werkstoff unterscheidet.
Kurzschlussläufer nach Anspruch 14, wobei die Läuferstäbe mit den Endringen rührverschweißt sind.
Kurzschlussläufer nach Anspruch 14, wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff Aluminiumlegierungen sind.
Kurzschlussläufer nach Anspruch 14, wobei der erste Werkstoff eine Aluminiumlegierung 6101 ist.
Kurzschlussläufer nach Anspruch 14, wobei der zweite Werkstoff eine Aluminiumlegierung 6061 ist.