Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Rotor, der einen durch ein Einlegeteil verstärkten Rotorkäfig umfasst, und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotors. Stand der Technik

Rotoren für Elektromotoren, beispielsweise für Asynchronmotoren, weisen einen

Hauptkörper auf, der aus mehreren geschichteten Metallscheiben besteht, die mit einem Gussmaterial umgössen sind. Die Metallscheiben sind mit Radialschlitzen versehen, die sich von der Außenseite nach innen erstrecken. Die Metallscheiben werden im Paket angeordnet und auf die Welle aufgeschoben. Danach werden Sie zusammen mit der Welle

eingegossen, um einen so genannten Kurzschlusskäfig zu erstellen. Die Scheiben können leicht in Umfangsrichtung zueinander versetzt aufgeschoben werden, so dass die Nuten an der Oberfläche des Rotors schraubenförmig verlaufen. Das Gussmaterial fließt in die Schlitze der Scheiben und nach dem Aushärten ist der Rotor in und durch den gegossenen Kurzschlusskäfig fixiert.

Das Problem solcher Kurzschlusskäfige ist die nicht immer ausreichende Festigkeit bei hohen Drehzahlen, so dass im Kurzschlusskäfig Beschädigungen entstehen können. Um solche Risse zu vermeiden kann man die Käfige beispielsweise aus höherfestem Material herstellen, indem ein anderes Gussmaterial verwendet wird. Der Nachteil dabei ist, dass die Leitfähigkeit des Käfigs sinkt und somit die Leistungsfähigkeit des Asynchronmotors, der einen solchen Rotor aufweist. Eine Alternative wäre, den Käfig nicht zu gießen, sondern bspw. die Kurzschlussringe und die Stäbe getrennt zu fertigen und dann die einzelnen Elemente zusammenzusetzen und zu löten. Auch hier leidet aber die Leitfähigkeit des Kurzschlusskäfigs merklich und die Montage solcher Elemente ist mit einen nicht zu vernachlässigendem Mehraufwand verbunden. Ebenso ist es möglich, den Käfig an den Rändern (den axialen Enden) des Hauptkörpers mit aufgesetzten Ringen zu stabilisieren. Eine solche "Panzerung" kann beispielsweise an den Kurzschlusskäfig angeschweißt oder aufgeschrumpft werden, wodurch allerdings bei der Herstellung des Rotors ein weiterer recht aufwändiger Verfahrensschritt notwendig wird. Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Rotor mit einem festen und stabilen

Kurzschlusskäfig bereitzustellen, der einfach herzustellen ist. Die Aufgabe wird gelöst von einem Rotor nach Anspruch 1 und durch ein

Herstellungsverfahren nach Anspruch 8.

Ein erfindungsgemäßer Rotor für einen elektrischen Motor, umfasst eine Welle, die sich in axialer Richtung erstreckt, einen Hauptkörper, der aus einer Vielzahl von Metallscheiben ausgebildet ist und der auf der Welle angeordnet ist, wobei eine Metallscheibe Schlitze aufweist, die sich von deren Außenbereich radial nach innen erstrecken, einen gegossenen Kurzschlusskäfig, der um den Hauptkörper angeordnet ist, wobei der Rotor ferner zumindest ein Einlegeteil aufweist, das zumindest einen ersten Verbindungsring und Vorsprünge aufweist, die umlaufend an dem Ring angeordnet sind und sich in axialer Richtung in die Schlitze der Metallscheiben erstrecken und der Kurzschlusskäfig das Einlegeteil und den Hauptkörper befestigt. Umlaufend heißt nicht, dass die Vorsprünge an der Außenkante des Verbindungsrings angeordnet sein müssen. Sie können auch an der in Axialrichtung angeordneten Seite vorgesehen sein. Die Vorsprünge sind vorzugsweise finger- oder stiftförmig. Durch das Einlegeteil wird eine höhere Festigkeit des Kurzschlusskäfigs erreicht, da nur das Einlegeteil aus einer höherfesten Legierung als der restliche Kurzschlusskäfig ausgebildet sein kann. Die höherfeste Legierung ist daher nur in dem Bereich vorhanden, an dem eine höhere Festigkeit notwendig ist. Das übrige Volumen der Schlitze ist dann immer noch mit dem besser leitfähigen Gussmaterial des Kurzschlusskäfigs gefüllt. Das

Gussmaterial ist üblicherweise insbesondere reines Aluminium, da die Leitfähigkeit gut ist und das Gewicht gering. Andere Materialien wie bspw. Kupfer sind aber möglich. Das Einlegeteil ist daher vorzugsweise eine festere Aluminiumlegierung, beispielsweise

AISi9Cu3(Fe) oder AISM OMg(Fe), ist aber nicht auf diese beschränkt. So könnte auch eine Kupferlegierung wie bspw. KuCrZi verwendet werden. Es ist auch denkbar, dass das Gussmaterial und das Einlegeteil nicht aus dem gleichen Basismaterial hergestellt sind, so dass bspw. ein Einlegeteil aus einer Kupferlegierung mit einem Gussmaterial aus Aluminium kombiniert wird (oder umgekehrt).

Das Einlegeteil kann ferner einen zweiten Verbindungsring aufweisen, der konzentrisch radial weiter innen oder radial weiter außen zum ersten Verbindungsring angeordnet ist und von dem sich umlaufend angeordnete Vorsprünge in axialer Richtung in die Schlitze der Metallscheiben erstrecken. Mit zwei Verbindungsringen ist es möglich sowohl den äußeren als auch den inneren Bereich der Schlitze angemessen zu verstärken. Der innere

Verbindungsring ist vorzugsweise mit dem äußeren Verbindungsring über Stege verbunden, die vorzugsweise umlaufend versetzt angeordnet sind. Bevorzugt sind diese Stege am Verbindungsring angeordnet, es ist jedoch auch möglich die Stege an den Vorsprüngen vorzusehen, so dass die Stege in den Schlitzen des Rotorhauptkörpers angeordnet sind. Dadurch wird die Vorbereitung des Gussprozesses erleichtert, da die Verbindungsringe einfacher positioniert werden können.

Die Vorsprünge des oder der Verbindungsringe können eine Länge in Axialrichtung aufweisen, die 0,2-1 ,5 mal der Länge des radialen Schlitzes der Metallscheibe entspricht. Dadurch wird ein angemessenes Verhältnis von Vorsprungslänge und

Metallscheibenkonstruktion festgelegt, was die Herstellung von verschiedenen Einlegeteilen für unterschiedliche Anwendungsfälle vereinfacht.

Vorzugsweise sind die Vorsprünge des (falls es nur ein Verbindungsring ist) oder der Verbindungsringe an einem äußeren Bereich und/oder einem inneren Bereich des Schlitzes vorgesehen sind. Dort wirkt die Stützwirkung der Vorsprünge am besten.

Am Einlegeteil sind vorzugsweise am Übergang zwischen Vorsprung und Verbindungsring Verrundungen vorgesehen. Diese Verrundungen verbessern die Festigkeit und die

Lebensdauer des Rotors, indem an den Kanten Spannungsspitzen vermieden werden und der Rissbildung im Gussmaterial vorgebeugt werden. Bevorzugt verlaufen die Verrundungen am Einlegeteil nicht komplett um den Vorsprung herum, sondern lassen eine kleine Wand an der radial inneren Seite des Verbindungsrings übrig. Diese Wände sorgen beim Eingießen des Rotorhauptkörpers dafür, dass das

Gussmaterial nicht an den Verrundungen auslaufen kann, da sie gegen den

Rotorhauptkörper anschlagen. Die Vorsprünge des oder der Einlegeteile weisen eine zu den Schlitzen komplementäre Außenkontur auf. Insbesondere stehen die Schlitzwände und die Vorsprünge seitlich in Kontakt miteinander. Dadurch wird die Positionierung und Fixierung des Einlegeteils für den Gussprozess erleichtert. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Vorsprung eine Dimensionierung aufweist, die geringer als die entsprechende Dimensionierung im Schlitz der Metallscheibe ist, so dass der Vorsprung kontaktfrei in den Schlitz geschoben werden kann. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann vorgesehen, wenn die

Metallscheiben zueinander in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.

Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotors, umfassend die Schritte Bereitstellen einer Welle, Aufbringen eines Rotorhauptkörpers auf die Welle mittels Aufschieben von mit radialen Schlitzen versehenen Metallscheiben, Einbringen von Vorsprüngen eines Einlegeteils in die Schlitze und Eingießen des Hauptkörpers und des Einlegeteils mit einem Gussmaterial. Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor Figur 2 zeigt eine Seitenansicht auf den Rotor; Figur 3 zeigt eine Frontansicht auf ein Einlegeteil; Figur 4 zeigt eine Schnittansicht eines Einlegeteils;

Figur 5 zeigt eine isometrische Ansicht eines Einlegeteils; und Figur 6 zeigt eine Frontansicht auf eine Metallscheibe. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im Folgenden werden die Begriffe "Axial", Radial und Umfänglich/ umlaufend verwendet. Axial ist eine Richtung entlang der Längsachse (rechts und links in Figur 1 ), Radial eine

Richtung senkrecht zur Längsachse (oben und unten in Figur 1 ) und Umlaufend bedeutet um die Achse herum.

In Figur 1 ist ein Längsschnitt des Rotors 10 nach der Fertigung gezeigt. Der Hauptkörper 20 sitzt auf einer Welle oder Hohlwelle 12. An mindestens einem Rand des Hauptkörpers 20 ist ein Einlegeteil 30 vorgesehen, in Figur 1 sind an beiden axial gegenüberliegenden Enden jeweils ein Einlegeteil 30. Das Einlegeteil 30 ist zusammen mit dem Hauptkörper 20 in einen Kurzschlusskäfig 14 eingegossen.

Der Hauptkörper 20 umfasst eine Vielzahl von Metallscheiben 22, die als Packung nebeneinander auf der Welle 12 angeordnet sind. Die Metallscheiben 22 weisen mittig eine Bohrung auf, so dass sie auf die Welle 12 aufgeschoben werden können. Um die axiale Position der Metallscheiben 22 und damit den Hauptkörper 20 festzulegen, kann die Welle 12 einen Absatz (nicht dargestellt) als Anschlag oder eine Nut für einen Anschlagsring aufweisen. Um eine Verdrehsicherung der Metallscheiben 22 zu gewährleisten sind die Metallscheiben 22 entweder mit einer entsprechenden Passung auf die Welle 12 aufgesetzt oder gefügt, oder weisen eine formschlüssige innere Kontur auf, beispielsweise Nut und

Feder, oder einen stern-, oder zahnförmigen, mehrkantigen (Vierkant, Sechskant, usw.) oder einen anderweitigen Formschluss mit der Welle 12 auf. Der Hauptkörper 20 aus einer Vielzahl von Metallscheiben wird auch als Blechpaket bezeichnet.

Eine bevorzugte Ausgestaltung einer Metallscheibe ist in Figur 6 dargestellt. In einer Metallscheibe 22 erstrecken sich in radialer Richtung Schlitze 24. Diese Schlitze 24 sind unter anderem dazu vorgesehen, dass das Gussmaterial in sie hineinläuft um den

Kurzschlusskäfig zu erzeugen und den aus den Metallscheiben gebildeten Hauptkörper 20 zu fixieren, in Figur 6 ist zu erkennen, dass die Schlitze 24 sich bis in den Rand der

Metallscheibe 22 erstrecken, so dass die Metallscheibe 22 am Rand Öffnungen aufweist. Im vorliegenden Fall erzeugen die Schlitze eine schmale Öffnung am Rand, erweitern sich dann und verjüngen sich in radialer Richtung nach innen zur Drehachse, bis sie vorzugsweise in einem Radius enden. Solche Metallscheiben 22 sind üblicherweise aus Stahl gefertigt, insbesondere einem Material das Elektroband genannt wird.

Um die Metallscheiben 22 aneinanderzureihen gibt es zwei hauptsächlich verwendete Möglichkeiten. Erstens können die Metallscheiben 22 deckungsgleich aneinandergesetzt werden, so dass die Schlitze 24 der Metallscheibe 22 eine gerade Nut innerhalb des

Hauptkörpers ausbilden. Und zweitens können die Metallscheiben beim Aneinanderreihen leicht zueinander verdreht werden, so dass die Schlitze eine sich leicht verschraubende Nut, eine so genannte Helix ausbilden. Die Versetzung wird insbesondere so gewählt, dass sich über die Axiale Länge eines Rotors im Wesentlichen eine Verdrehung um den mittleren Abstand A zweier Schlitze 24 ergibt. In der vorliegenden Ausführungsform, die in Figur 2 gezeigt ist, bilden die aneinander gereihten Metallscheiben 22 bei rrekter Ausrichtung durch die schmale Öffnung am Rand, die der Schlitz am Rand der Metallscheibe erzeugt, eine an der Oberfläche des

Hauptkörpers sichtbare Nut 26. Dies wird eine "offene Nut" 26 genannt. In einer anderen Ausführungsform sind die Schlitze 24 nicht bis in den Rand der Metallscheibe 22

ausgebildet, was als "geschlossene Nut" Bezeichnet wird.

Das Einlegeteil 30 weist zumindest einen Verbindungsring 32a, 32b auf, von dem sich eine Vielzahl von Vorsprüngen in axialer Richtung erstrecken. Der Verbindungsring ist so dimensioniert, dass die Vorsprünge sich an den für die Verstärkung relevanten Bereichen in die Schlitze der Metallscheiben erstrecken. Bevorzugt ist dabei der innere Bereich. Die Vorsprünge können (leicht) gekrümmt ausgestaltet oder schmaler als der Schlitz 24 dimensioniert sein, so dass die Ausrichtung der aneinander geschobenen Metallscheiben 22 leicht versetzt sein kann und sich die Nut 26 im Hauptkörper 20 um die Längsachse der Welle 12 schraubt (Helix). In der bevorzugten Ausführungsform, die auch in den Figuren gezeigt ist, ist die (offene) Nut 26 jedoch gerade ausgebildet. Dadurch sind auch die

Vorsprünge 34a, 34b gerade ausgebildet, was die Herstellung des Einlegeteils 30 erleichtert. Die relevanten Bereiche sind am oberen und unteren Endbereich des Schlitzes. Ein einzelner Verbindungsring ist daher vorzugsweise so angeordnet, dass die Vorsprünge 34a, 34b, am oberen oder am unteren Endbereich des Schlitzes 24 vorgesehen sind und dort in den Schlitz hineinragen. Insbesondere sind die Vorsprünge am oberen und am unteren Ende des Schlitzes 24 angeordnet und kontaktieren dieses. Ferner sind die Vorsprünge 34a, 34b in einer komplementären Form zu den Schlitzenden ausgebildet, so dass der jeweilige Vorsprung 34a, 34b die Innenseite des Schlitzes 24 kontaktiert. In der bevorzugten

Ausführungsform füllt der Vorsprung 34a auch den Schlitz am Rand der Metallscheibe 24 aus, so dass der Vorsprung 34a an glatt in die Oberfläche des Hauptkörpers übergeht.

Ein Vorsprung 34a, 34b weist insbesondere eine Länge in Axialrichtung auf, die 0,2-1 ,5 mal der Länge des radialen Schlitzes 24 der Metallscheibe entspricht. Weitere bevorzugte Mindestlängen sind 0,5 oder 0,9 mal der Länge des Schlitzes, während die Maximallängen bevorzugt 1 ,3 oder 1 ,1 sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entspricht die Länge des Vorsprungs 34a, 34b im Wesentlichen der Länge des radialen Schlitzes 24. D.h., die Länge eines Vorsprungs 34a, 34b kann durch die Länge des radialen Schlitzes 24 bestimmt werden.

Es kann lediglich ein Verbindungsring 32a, 32b vorgesehen sein (vorzugsweise der innere), bevorzugt ist jedoch, dass das Einlegeteil 30 zwei Verbindungsringe 32a, 32b umfasst, einen radial äußeren Verbindungsring 32a, und einen radial inneren Verbindungsring 32b, die jeweils äußere und innere Vorsprünge 34a, 34b aufweisen. Der innere Verbindungsring 32b ist vorzugsweise mit dem äußeren Verbindungsring 32a über Stege 31 verbunden. Das vereinfacht die Montage und die gemeinsame Ausrichtung der Verbindungsringe 32a, 32b vor dem Gussprozess.

Das Einlegeteil 30 ist vorzugsweise auf beiden axial gegenüberliegenden Seiten des Hauptkörpers 20 vorgesehen, so dass der Rotor 10 symmetrisch verstärkt wird. Der Außendurchmesser des Rotors 10 wird ferner durch den Außendurchmesser der

Metallscheiben 22 festgelegt. D.h. ein äußerer Verbindungsring 32a (und auch die

Außenfläche des Vorsprungs 34a) sollte einen maximalen Außendurchmesser aufweisen, der mit dem der Metallscheibe 22 bündig ist, er kann aber auch geringer ausfallen.

Am Übergang zwischen Verbindungsring 32a, 32b und Vorsprung 34a, 34b sind bevorzugt Verrundungen 36 vorgesehen, um Spannungsspitzen zu vermeiden. Diese Verrundungen sind in den Figuren 3 und 5 zu erkennen. Diese Verrundungen 36 nehmen etwas Material aus dem Verbindungsring. In einer Ausführungsform können die Verrundungen 36 sich nicht ganz um einen Vorsprung erstrecken, so dass am inneren Rand des äußeren

Verbindungsrings 32a zwischen den Vorsprüngen 34a und/oder am äußeren Rand des inneren Verbindungsrings 32b zwischen den Vorsprüngen 34b Wände übrig bleiben. Beim Gussprozess verhindern diese Wände 35 ein Auslaufen des Gussmaterials, indem diese den Hauptkörper kontaktieren.

Bei der Herstellung des Rotors werden zuerst die Metallscheiben 22 als aneinander gereiht und miteinander fixiert um den Hauptkörper 20 als Blechpaket zu erzeugen. Das Fixieren geschieht üblicherweise mit einem Werkzeug, das den Hauptkörper 20 zusammenhält. Wie erwähnt können die Metallscheiben 22 gerade oder als Helix ausgereichtet werden und entweder eine offene oder eine geschlossene Nut 26 ausbilden. Der Hauptkörper 20 wird dann auf eine Welle 12 geschoben. Der Hauptkörper kann dann auf der Welle fixiert werden, bspw. mit einem Anschlag und einem Klemmring. Dann werden die Einlegeteile 30 werden auf den Hauptkörper 20 aufgesetzt. Die Befestigung der Einlegeteile 30 kann über eine entsprechende Passung von einigen oder von allen Vorsprüngen 34a, 34b und Schlitzen 24 vorgesehen werden, kann aber auch durch einen separaten Arbeitsschritt erfolgen, bspw. durch punktuelles Schweißen oder Löten oder durch ein zusätzliches Werkzeug wie eine Klammer oder die nachfolgend beschriebene Gussform. Dann wird um das Einlegeteil die Gussform gelegt, die entweder direkt am Einlegeteil anliegt, oder dieses umfasst. In der in den Figuren gezeigten Ausführungsform sind die Verbindungsringe 32a, 32b und die Vorsprünge 34a, 34b in Kontakt mit der Gussform, so dass die Außenfläche und die Innenfläche des Kurzschlusskäfigs mit den jeweiligen Flächen der Verbindungsringe 32a, 32b und der Vorsprünge 34a, 34b bündig sind. Die Außenfläche des Rotors wird wie schon erwähnt durch den Hauptkörper 20 bzw. die Metallscheiben 22 festgelegt. Die Gussform liegt in radialer Richtung an der Außenfläche des Hauptkörpers 20 an und in axialer Richtung an den Seitenflächen des Hauptkörpers 20, wobei die radial innere Wand der Gussform innerhalb des inneren Endes des Schlitzes 24 einer

Metallscheibe 22 liegen sollte, damit das Gussmaterial nicht ausläuft. Dann werden der Hauptkörper 20 und die Einlegeteile 30 mit dem Gussmaterial

eingegossen, wodurch der so genannte Kurzschlusskäfig 14 ausgebildet wird, der den Hauptkörper 30 und das oder die Einlegeteil(e) 30 aufnimmt und fixiert. Das Gussmaterial ist vorzugsweise reines Aluminium oder Kupfer, während das Einlegeteil aus einer festeren Aluminiumlegierung oder Kupferlegierung hergestellt ist, beispielsweise AISi9Cu3(Fe), AISM OMg(Fe) oder KuCrZi. Dadurch wird zwar die Leitfähigkeit des Einlegeteils gesenkt, die Festigkeit des Einlegeteils ist aber wesentlich höher als die des gegossenen Materials. Da sich das Einlegeteil 30 nur am Rand des Hauptkörpers 20 befindet leidet die elektrische Leitfähigkeit des gesamten Rotors 10 nicht spürbar, aber die Festigkeit wird genau an den kritischen Stellen erhöht, was zu einer erhöhten Lebensdauer des Rotors führt. Bezuqszeichenliste:

Rotor 10

Welle 12

Gussmaterial 14

Hauptkörper 20

Metallscheibe 22

Schlitz (in der Metallscheibe) 24 Nut (im Hauptkörper) 26 Einlegeteil 30

Steg 31

äußerer Verbindungsring 32a innerer Verbindungsring 32b äußerer Vorsprung 34a innerer Vorsprung 34b

Wand 35

Verrundung 36