Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufers einer Asynchronmaschine, einen Käfigläufer als auch eine Asynchronmaschine mit einem derartigen Käfigläufer.

Ein Käfigläufer einer Asynchronmaschine weist einen Kurz schlusskäfig auf, der in einen magnetisch leitfähigen Grund körper eingebettet ist. Dabei werden die im magnetisch leit fähigen Grundkörper angeordneten Leiter an den axialen Stirn seiten des magnetisch leitfähigen Grundkörpers, der auch als Blechpaket ausgeführt sein kann durch einen Kurzschlussring elektrisch verbunden, der direkt an den Stirnseiten oder da von beabstandet angeordnet sein kann.

Aus der DE 38 34 466 CI ist ein Kurzschlussläufer einer elektrischen Maschine bekannt, bei dem die an den beiden Stirnseiten eines Läuferblechpakets aus den Nuten ragenden Enden der Leiter in eine stirnseitige durch einen Innen- und Außenabstand begrenzte Ringvertiefung eines Kurzschlussrings ragen und durch in die Ringvertiefung eingebrachtes , in der Ringvertiefung durch zeitige Erwärmung des vollständigen Kurzschlussringes zum Schmelzen gebrachtes und danach er starrtes Hartlot elektrisch und mechanisch mit dem Kurz schlussring verbunden werden.

Nachteilig dabei ist, dass bei einer derartigen Verbindung mittels Hartlötverfahren jedoch Lötspalte eingehalten werden müssen, die sich prozesssicher nur aufwändig hersteilen las sen .

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei nen Käfigläufer einer Asynchronmaschine zu schaffen, der sich vergleichsweise einfach und prozesssicher hersteilen lässt. Dabei soll u.a. die elektrische Kontaktierung zwischen Lei tern und einem Kurzschlussring verbessert werden. Des Weite- ren soll eine Asynchronmaschine bereitgestellt werden, die vergleichsweise geringe Verluste aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren zur Herstellung eines Käfigläufers einer Asynchronmaschine durch folgende Schritte:

- Bereitstellen eines zumindest abschnittsweise magnetisch leitfähigen Grundkörpers mit im Wesentlichen axial verlau fenden Nuten,

- Einsetzen von elektrischen Leitern in die Nuten derart, dass diese Leiter aus den axialen Stirnseiten des magne tisch leitfähigen Grundkörpers ragen,

- Positionieren von elektrisch leitfähigen Kurzschlussringen, die mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme der jeweiligen Leiter aufweisen,

- elektrisches Kontaktieren der Leiter mit den Ringen durch ein oder mehrere AM-Verfahren .

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt ebenfalls durch ei nen Käfigläufer, der durch die oben aufgeführten Schritte hergestellt wurde.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt ebenso durch eine Asynchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Käfigläufer.

Durch die erfindungsgemäße Herstellung eines Käfigläufers ei ner Asynchronmaschine wird nunmehr das bisherige elektrische Kontaktieren von Leitern und Kurzschlussringen mittels eines Lötvorganges bei verbesserter Kontaktierung stark verein facht .

Durch das erfindungsgemäß Ausgestalten des Kurzschlussringes mit im Wesentlichen an die Stabgeometrie angepassten Durch führungen bietet sozusagen die Ausnehmung in Richtung Stirn seite des magnetisch leitfähigen Grundkörpers eine Art Ab dichtung durch die verbleibenden geringen Spaltmaße. Damit wird bei einem insbesondere axial durchgeführten Additiv Manufacturing-Verfahren, beispielsweise einem Cold-Spray- Verfahren eine Abdichtung in Richtung des magnetisch leitfä higen Grundkörper gewährleistet.

Die Ausnehmungen im Kurzschlussring können beispielsweise durch Fräsen, Stanzen, Schmieden oder Lasern oder auch be reits durch Gießen eines vorgefertigten Kurzschlussringes be reitgestellt werden.

Die Aussparungen im Kurzschlussring werden durch die Kontak tierung mit einem leitfähigen Material, vorzugsweise Kupfer oder auch Aluminium aufgefüllt. Es stellt sich somit eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Abschnitt des Leiters im Bereich des Kurzschlussrings und dem Kurzschlussring ein. Die Aussparungen im Kurzschlussring erweitern sich dabei axi al nach außen, also von dem magnetisch leitfähigen Grundkör per weg. Dabei sind diese Aussparungen nunmehr beispielsweise konusförmig oder trichterförmig ausgeführt.

Die Leiter, insbesondere einzelne Leiterstäbe oder Leiter stabbündel pro Nut können dabei entweder letztendlich axial bündig mit der äußeren Stirnfläche des Kurzschlussringes ab schließen oder axial noch weiter geführt sein, nämlich axial über die Stirnseite des Kurzschlussrings hinaus um somit auch eine gewisse Lüfterwirkung im Betrieb der Asynchronmaschine erzielen zu können.

Bei einer subtraktiven, z.B. einer spanenden, Bearbeitung des Kurzschlussrings, insbesondere zur Ausbildung der Vertiefung, muss z.B. ein Fräser nicht an jeder Aussparung angrenzend ei ne Vertiefung ausbilden, sondern kann an zwei oder mehr Aus sparungen angrenzend eine Vertiefung ausbilden. Dadurch geht die Fertigung schneller vonstatten.

Vorteilhaft werden der Kurzschlussring und die Leiterstäbe zusammengefügt und während und/oder nach dem Zusammenfügen wird ein Dichtungsmittel zur Abdichtung von Spalten zwischen Kurzschlussring und Käfigstab eingesetzt. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das additive Verfahren ein additives Lichtbogen-Schweiß-Verfahren oder ein Metall-Pulver-Auftrags-Verfahren (MPA) oder ein 3D- Metal-Print-Verfahren (3DMP) .

Jedoch eignen sich auch andere an sich bekannte additive Fer tigungsverfahren, wie das Cold-Spray-Verfahren .

Das additive Verfahren bietet den Vorteil, dass eine stoff schlüssige Verbindung bei gleichzeitigem Materialauftrag er reicht wird. Diese Stoffschlüssige Verbindung ist hinsicht lich der erforderlichen elektrischen und mechanischen Eigen schaften, wie elektrische Leitfähigkeit und Fliehkraftbestän digkeit besonders geeignet.

Das additive Verfahren bietet zudem den Vorteil, dass dieses dazu ausgebildet ist, voll automatisiert abzulaufen. Dies er möglicht ein prozesssicheres Verfahren. Zudem bietet das ad ditive Verfahren den Vorteil, dass insbesondere Kleinserien und/oder Prototypen flexibel und schnell gefertigt werden können, auch unter Berücksichtigung geänderter Geometrien.

Vorteilhaft wird das additive Verfahren in den Fertigungspro zess zur Herstellung des Rotors eines Asynchronmaschine und damit der elektrischen Maschine selbst integriert.

Als additives Lichtbogen-Schweiß-Verfahren wird Schweißen be zeichnet, wenn durch einen Schweißzusatzwerkstoff, z.B. Draht oder Pulver, unter Anwendung von Wärme ein Volumenaufbau stattfindet. Hierbei wird Schicht für Schicht der Schweißzu- satzwerkstoff aufgetragen, durch Schmelzen Stoffschlüssig mit einem zu verbindenden Bauteil oder der darunterliegenden Schicht verbunden und somit der Volumenaufbau bewerkstelligt.

Verfahren, die auf einem ähnlichen Prinzip beruhen und sich daher ebenso eignen, sind z.B. die Folgenden: Laser-Auftrag- Schweiß-Verfahren oder Plasma-Pulver-Auftrag-Schweiß-Verfah- ren, DMD-Verfahren (Direct Metal Deposition) , LMD-Verfahren (Laser Metal Deposition) und 3DMP-Verfahren (3D Metal Print) .

Beim MPA-Verfahren wird ein Hauptgas, vorzugsweise Stick stoff, Luft, Helium oder Wasserdampf, in einer Lavaldüse be schleunigt. Kurz vor, in oder nach dem Lavalpunkt werden Pul verpartikel injiziert. Die Pulverpartikel werden auf Über schallgeschwindigkeit beschleunigt und treffen so auf einem Substrat oder einem Bauteil, wie z.B. dem Leiterstab und/oder dem Kurzschlussring auf. Die hohe kinetische Energie des Pul- verpartikels wird beim Aufprall in Wärme umgewandelt, wodurch der Partikel anhaftet. Die Haftung kann ergänzend oder alter nativ auch durch Ineinanderhaken der Partikel untereinander und der Partikel und dem Träger erfolgen.

Da die Pulverpartikel nicht aufgeschmolzen werden, findet nur ein geringer Energieeintrag in das Bauteil statt. Beim MPA- Verfahren können mehrere Düsen gleichzeitig verschiedene Pul verpartikel auftragen. Ebenso kann mit einer Düse und wech selbaren Pulverbehältern gearbeitet werden. Somit kann auch ein Bauteil geschaffen werden, das wenigstens zwei unter schiedliche Materialien aufweist.

Das 3DMP-Verfahren basiert auf dem Lichtbogen-Schweiß- Verfahren und verwendet als Ausgangsmaterial Draht. Schweiß raupe für Schweißraupe wird hiermit ein Werkstück gedruckt. Das 3DMP-Verfahren bietet den Vorteil, dass viele Materialien bereits als Draht erhältlich sind, nicht jedoch als Pulver. Zudem ist Draht als Werkstoff günstiger als Werkstoff in Pul verform. Das 3DMP-Verfahren bietet ferner eine hohe Aufbaura te .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Material Aluminium oder Kupfer oder deren Legierun gen. Die beiden Materialien Aluminium und Kupfer stellen in Bezug auf Preis und Leitfähigkeit die bestmögliche Option zur Bildung einer elektrisch leitfähigen Verbindung dar. Die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Kurzschlussring und Käfigstäben wird vorteilhaft mit einem Material reali siert, welches bereits in den Käfigstäben enthalten ist bzw. aus welchem die Käfigstäbe bestehen, vorzugsweise Kupfer.

Dies hat den Vorteil, dass nur geringe Adhäsionskräfte vor liegen und dadurch die Verbindung beständig gegenüber mecha nischen Belastungen ausgebildet werden kann.

In einer weiteren Ausführung kann jeder der Kurzschlussringe auch aus mehreren axial direkt hintereinander angeordneten Scheiben oder Blechen hergestellt werden, die auch in axialer Richtung kontaktiert sein können.

Der dem Blechpaket axial am nächsten liegende Ring weist vor teilhafterweise die engste Durchführungen für die Leiterstäbe auf, um damit eine ev. erforderliche Abdichtwirkung zu erzie len. Diese Durchführung sollte den Leiterstab oder die Lei terstäbe möglichst eng umschließen, um für die anschließende Fertigungsschritte, z.B. ein im Wesentlichen axiales Cold- Spray-Verfahren eine zumindest teilweise Abdichtung in Rich tung Blechpaket zu erhalten. Die sich in axialer Richtung an schließenden weiteren Ringe weisen dann Aussparungen auf, die sich als erweiternde Taschen aufweisen, um das additiv einge- brachte leitfähige Material z.B. Kupfer aufzunehmen.

Die weiteren Ringscheiben können zusätzliche Öffnungen, Aus sparungen aufweisen, um mit dem additiv aufgebrachten Leiter material beispielsweise Kupfer, eine Verbindung des Leiters zu den Ringscheiben und damit letztlich zum Kurzschlussring herzustellen, ähnlich einer Lochschweißung.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Stabenden der Leiter beispielsweise durch Überdrehen nach dem Positionieren im Blechpaket des Rotors mit einem oder mehreren nahezu tangen tial verlaufenden Schlitzen versehen, um die wirksame Ober fläche zur Stab-Kurzschlussring-Verbindung zu erhöhen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird während des Cold- Spray-Verfahrens der Rotor zusätzlich gewuchtet umso zusätz liche Materialanhäufungen im oder am Kurzschlussring vorzuse hen, um einen ausgewuchteten Rotor zu erhalten.

Dies hat den Vorteil, dass sich die Fertigung des Kurz schlussrings mittels additiver oder subtraktiver Fertigungs verfahren u.a. zügiger gestaltet.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand prinzipiell dargestellter Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 einen Längsschnitt eines Rotors,

FIG 2 eine Seitenansicht eines Kurzschlussrings,

FIG 3 eine Detaildarstellung dieses Kurzschluss

rings ,

FIG 4 ein prinzipielles AM-Verfahren,

FIG 5 eine Detaildarstellung eines Kurzschlussrings,

FIG 6 eine Ringscheibe dieses Kurzschlussrings,

FIG 7 eine weitere Detaildarstellung des Kurz

schlussrings ,

FIG 8 eine weitere Scheibe,

FIG 9 eine Detaildarstellung einer Scheibe,

FIG 10 und 11 weitere Detaildarstellungen einer Scheibe.

FIG 1 zeigt in einem Längsschnitt einen Rotor, insbesondere einen Käfigläufer 3 einer Asynchronmaschine mit seinem magne tischen leitfähigen Grundkörper, der als Blechpaket 4 ausge führt ist. In dem Blechpaket sind in im Wesentlichen axial verlaufende Nuten Leiter 5 angeordnet sind, die aus den Stirnseiten 17 des Blechpakets 4 ragen und dort durch Kurz schlussringe 6 elektrisch leitend verbunden sind. Die Kurz schlussringe 6 weisen einen axialen Abstand 18 von der Stirn seite 17 des Blechpaket 4 auf, was die Kühlung des Käfigläu fers 3, insbesondere im Bereich der Kurzschlussringe 6 ver bessert. Das Blechpaket 4 ist drehfest mit einer Welle 7 ver bunden, die um eine Achse 8 drehbar gelagert ist. FIG 2 zeigt einen Kurzschlussring 6, der so für die weitere Herstellung gegossen oder gefräst vorliegt, und der in Um fangsrichtung betrachtet angeordnete Ausnehmungen 9 aufweist, die mit der Anzahl und der Form der Leiter 5 korrespondieren. Im Herstellverfahren wird nunmehr der Kurzschlussring 6 auf die axial aus dem Blechpaket 4 ragenden Leiter gesetzt, posi tioniert und durch ein AM-Verfahren vorzugsweise ein Cold- Spray-Verfahren kontaktiert. Dabei wird das erforderliche Ma terial in Pulverform axial in den Bereich zwischen Leiterstab 5 in eine Aussparung 10 des Kurzschlussringes 6 gegeben. Da mit erfolgt eine Kontaktierung zwischen den Leiterstäben 5 und dem Kurzschlussring 6.

FIG 3 zeigt eine Detaildarstellung einer Ausnehmung 9, wobei durch die Ausnehmung 9 im Kurzschlussring 6, die sich in eine Aussparung 10 erweitert, das Cold-Spray-Verfahren eine Kon taktierung ermöglicht wird.

FIG 4 zeigt einen in dieser Ausnehmung 9 platzierten Leiter 5, wobei in die Aussparung 10 durch eine Cold-Spray-Düse 11 Kupfer axial gesprayt wird, so dass durch den Materialeintrag 16 eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Leiter 5 und dem Kurzschlussring 9 erfolgt.

FIG 5 zeigt in einer Detaildarstellung ein Blechpaket 4 mit einem Kurzschlussring 6, der aus zwei axial hintereinander angeordneten Ringscheiben 12 und 13 aufgebaut ist.

Ring 12, wie in FIG 6 dargestellt weist dabei wieder Ausneh mungen 9 auf, die in Form und Größe dem Querschnitt des Lei ters 5 angepasst sind. Ring 13, wie in FIG 8, weist die Aus sparungen 10 auf, die in Größe und Form derart ausgestaltet sind, dass sie eine vergleichsweise gute Kontaktierung zwi schen dem Leiterstab 5 und dem Kurschlussring 6 also den Rin gen 12 und 13 gewährleistet.

FIG 7 zeigt eine Möglichkeit, wie durch tangentiale Formge bung eines Leiterstabendes die Fläche zwischen Kurzschluss- ring 6 und Leiter 5 vergrößert wird. Dies führt zu einer ver besserten Kontaktierung.

FIG 9 zeigt eine knochenförmige, hantelförmige oder geschwun gene Aussparungen 10 des Kurzschlussringes 6, insbesondere des Ringes 13, die einen Leiterstab 5 mittels ihrer Formge bung durch möglichst wenig flächige Kontakte mit dem Leiter stab 5 im Kurzschlussring 6, insbesondere während des Cold- Spray-Verfahrens fixieren.

FIG 10 zeigt eine prinzipiell taillierte Aussparung 10 zur Fixierung des Leiterstabes 5, wobei ebenfalls durch die Form gebung der Aussparung 10 möglichst wenig flächige Kontakte vorhanden sind, die den Leiterstab im Kurzschlussring 6 fi xieren .

FIG 11 zeigt weitere Möglichkeiten der Fixierung der Leiter stäbe 5 mit möglichst wenig Anlagefläche, um die Kontaktie rung zwischen dem Leiterstab 5 und dem Kurzschlussring 6, insbesondere dem Ring 13 weiter zu verbessern.

Die Ausgestaltungen der Aussparungen 10 gemäß FIG 9, FIG 10 und FIG 11 sind vor allem für die Ringe 13 geeignet. Ring 12 dient in erster Linie auch der Abdichtung zwischen Leiter 5 und der Ausnehmung 9 in Ring 12 zur Stirnseite 17 des Blech paketes 4.