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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft das Gebiet von elektrischen Maschinen wie etwa Elektromotoren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Montieren einer elektrischen Maschine.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine elektrische Maschine, wie etwa eine Permanentsynchronmaschine, umfasst in der Regel einen Rotor mit Magneten, der beweglich in einem Stator mit Statorwicklung aufgenommen ist. Der Rotor enthält die Magnete normalerweise in sogenannten Lamellenpaketen. Weiter kann die elektrische Maschine ein Resolversystem umfassen, das einen Resolverstator und ein Resolvergeberrad umfasst und das dazu dient einen Offsetwinkel zwischen Rotor und Stator zu bestimmen.
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Bei der Montage der elektrischen Maschine wird der Resolverstator in der Regel ausgerichtet zum Stator montiert, beispielsweise in einem Lagerschild. Das Resolvergeberrad kann dann auf die Rotorwelle aufgepresst werden. Die mechanische Winkellage des Resolvergeberrads relativ zum Resolverstator und damit zum Stator der elektrischen Maschine bestimmt einen elektrischen Offsetwinkel der elektrischen Maschine. Dieses Offset kann mit dem Resolversystem gemessen werden und kann beispielsweise von einer Leistungselektronik, die die elektrische Maschine steuert, verwendet werden, um die elektrische Maschine in Drehmomentregelung zu betreiben.
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Der Nullpunkt des Offsetwinkels ist abhängig von der relativen Lage des Resolvergeberrads und des Rotors. Wird das Resolvergeberrad vor der Montage nicht oder nur ungenau zum Rotor ausgerichtet, können die Nullpunkte des Offsetwinkels zweier ansonsten identisch aufgebauter elektrischer Maschinen voneinander abweichen. Um eine Austauschbarkeit einer beispielsweise in einem Fahrzeug verbauten elektrischen Maschine zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn elektrische Maschinen immer den gleichen Nullpunkt aufweisen. Dafür muss das Resolvergeberrad immer exakt ausgerichtet auf die Rotorwelle aufgepresst sein.
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Alternativ dazu kann die Leistungselektronik den Offsetwinkel bestimmen und erlernen. Beim Starten des Fahrzeugs wird die elektrische Maschine mit einer bestimmten Drehzahl betrieben (beispielsweise 1000 Umdrehungen pro Minute), wodurch die Leistungselektronik den elektrischen Offsetwinkel der Maschine bestimmen kann. Dies ist jedoch bei Elektrofahrzeugen und bei Hinterachsapplikationen nicht möglich oder nicht gewünscht, da das Fahrzeug trotz Vorgabe eines positiven Drehmoments rückwärtsfahren könnte.
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Eine Möglichkeit das Resolvergeberrad auszurichten besteht darin, das Resolvergeberrad und den Rotor mit einem Ausrichtungsmittel zu versehen (beispielsweise einem Vorsprung und einer entsprechenden formschlüssigen Vertiefung) durch die das Resolvergeberrad gerichtet auf den Rotor aufgepresst werden kann. Auch die Lammelenpakete können ein analoges Ausrichtungsmittel aufweisen, um sie auf die Rotorwelle aufzupressen. Vor dem Aufpressen des Rotorgeberrads wird dabei die Rotorwelle gedreht, um die Ausgangswinkellage konstant zu halten. Für eine genaue Ausrichtung der Rotorwelle ist es möglich, dass entweder ein Mitarbeiter die Rotorwelle in einer Vorrichtung immer ausgerichtet fügt oder die Welle auf eine Verzahnung aufgenommen und zur richtigen Position gedreht wird.
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Insgesamt ist dabei ein konstruktiver Aufbau der elektrischen Maschine notwendig, der zum Teil aufwändige Ausrichtungsmittel für das Resolvergeberrad, die Rotorwelle und die Lamellenpakete umfasst. Die Baugruppen Rotorwelle und Lamellenpakete sind nicht mehr symmetrisch und zur Fertigung der elektrischen Maschine sind Zusatzfertigungsschritte notwendig. Zudem muss eine automatische Anlage zur Montage der Baugruppen Ausrichtungsvorrichtungen für die Rotorwelle und auch für die Lamellenpakete umfassen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist Aufgabe der Erfindung die Montage einer elektrischen Maschine mit Resolversystem zu erleichtern.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Montieren einer elektrischen Maschine.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die elektrische Maschine einen Stator, einen Rotor und ein Resolversystem. der Stator kann eine oder mehrere Statorwicklungen umfassen. der Rotor kann Permanentmagnete umfassen. Das Resolversystem ist ein Messsystem, das dazu ausgeführt ist, einen Offsetwinkel zwischen Rotor und Stator zu bestimmen. Das Resolversystem umfasst einen Resolverstator, der mechanisch starr mit dem Stator montiert ist, und ein Resolvergeberrad, das mechanisch starr mit dem Rotor montiert ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren die Schritte von Montieren des Rotors im Stator, Montieren eines Resolverstators am Stator, Ausrichten des Rotors im Stator und Montieren eines Resolvergeberrads am Rotor, beispielsweise durch Aufpressen des Resolvergeberrads auf den Rotor, insbesondere die Rotorwelle. Das Ausrichten des Rotors relativ zum Stator erfolgt durch Bestromen der elektrischen Maschine (und insbesondere einer Statorwicklung) mit Gleichstrom. Beim Montieren oder Aufpressen des Resolvergeberrads kann die elektrische Maschine weiterhin bestromt werden, so dass sich der Rotor während des Montierens des Resolvergeberrads nicht drehen kann.
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Damit wird zum Ausrichten des Rotors eine bereits vorhandene Funktion der elektrischen Maschine verwendet. Dadurch kann auf zusätzliche Ausrichtungsmittel zur mechanischen Ausrichtung der Lamellenpakete und des Resolvergeberrads bezüglich der Rotorwelle verzichtet werden.
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Die Montage der elektrischen Maschine wird einfacher und die Materialkosten niedriger, was auch zu einer geringeren Ausfallrate der einzelnen Baugruppen Welle und Lamellenpaket führen kann. Die Rotorwelle und die Lamellenpakete werden nicht notwendigerweise durch die oben genannten Ausrichtungsmittel strukturell belastet. Die Anlage zur Montage der elektrischen Maschine muss keine zusätzlichen Ausrichteprozesse durchführen können.
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Das Verfahren kann im Allgemeinen dort verwendet werden, wo ein Rotor mit Permanentmagneten zu einem Statorzahn ausgerichtet werden muss, ohne dass die elektrische Maschine selbst ein mechanisches Ausrichtungsmittel aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die elektrische Maschine mehrere Stromphasen. Das Verfahren umfasst weiter die Schritte von Bestromen der elektrischen Maschine über ein erstes Paar von Phasen, Messen von ersten Induktivitäten der elektrischen Maschine, Bestromen der elektrischen Maschine über ein zweites Paar von Phasen, Messen von zweiten Induktivitäten der elektrischen Maschine und Überprüfen, ob die ersten Induktivitäten sich von den zweiten Induktivitäten unterscheiden. Die ersten und zweiten Induktivitäten können dabei die Induktivität von Statorwicklungen umfassen, die (falls sich der Rotor dreht) sich bei verschiedenen Stellungen des Motors unterscheiden können. Durch das zweimalige Bestromen der Statorwicklungen über verschiedene Phasenpaare mit Gleichstrom kann ermittelt werden, ob sich der Rotor gedreht hat und damit relativ zum Stator beweglich ist. Dies ist dann der Fall, wenn sich die ersten Induktivitäten von den zweiten Induktivitäten unterscheiden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgen das Bestromen des ersten Paares von Phasen und das Messen der ersten Induktivitäten vor dem Montieren bzw. Aufpressen des Resolvergeberrads.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgen das Bestromen des zweiten Paares von Phasen und das Messen der zweiten Induktivitäten vor dem Montieren bzw. Aufpressen des Resolvergeberrads. In diesem Fall kann bereits vor dem Montieren des Resolvergeberrads überprüft werden, ob der Rotor drehbar ist und, falls nicht, der Montagevorgang abgebrochen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Messen der zweiten Induktivitäten nach dem Montieren bzw. Aufpressen des Resolvergeberrads. Damit kann überprüft werden, ob der Rotor nach dem Montieren weiterhin drehbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter den Schritt von Klemmen des Rotors vor dem Aufpressen der Resolvergeberrads, so dass der Rotor relativ zum Stator mechanisch fixiert ist. Wie bereits gesagt kann beim Montieren oder Aufpressen des Resolvergeberrads die elektrische Maschine weiterhin bestromt werden, so dass sich der Rotor während des Montierens des Resolvergeberrads nicht drehen kann. Allerdings kann die Kraft, die den Rotor in Position hält zu klein sein, um beim Aufpressen entstehenden Drehmomenten entgegenzuwirken. In diesem Fall oder wenn die elektrische Maschine während des Montierens des Resolvergeberrads nicht mehr bestromt wird, kann durch Klemmen des Rotors ein Verdrehen des Rotors verhindert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Klemmen während des Bestromens der elektrischen Maschine durchgeführt. Auf diese Weise kann Verhindert werden, dass sich der Rotor während des Klemmvorgangs versehentlich verdreht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Klemmen während des Bestromens eines zweiten Paares von Phasen durchgeführt wird. In diesem Fall kann (durch eine weitere Induktivitätsmessung) nach Entfernen der Klemmvorrichtung überprüft werden, ober der Rotor weiterhin drehbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiter die Schritte von Setzen eines Montage-Resolvergeberrads auf den Rotor nach oder während dem Bestromen; Ausrichten des Montage-Resolvergeberrads relativ zum Rotor durch Drehen des Montage-Resolvergeberrads bis eine Ausgabe eines Resolversystem aus Resolverstator und Montage-Resolvergeberrad einem vordefinierten Offsetwinkel (beispielsweise 0°) entspricht; Entfernen des Montage-Resolvergeberrads; und Aufpressen des Resolvergeberrads in der ermittelten Ausrichtung des Montage-Resolvergeberrads. Wenn beispielsweise der Resolverstator nicht ausgerichtet montiert wird oder das Resolvergeberrad besonders genau ausgerichtet werden soll, kann die Ausrichtung des Resolvergeberrads mit einem Montage-Resolvergeberrad erfolgen, dass genauso aufgebaut sein kann wie das eigentliche Resolvergeberrad, nur das sich das Montage-Resolvergeberrad auf der Rotorwelle drehen kann. Auch sind beliebige vordefinierte Offsetwinkel möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Maschine als Antrieb eines Elektrofahrzeugs ausgeführt. Insbesondere für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs kann ein exakt ausgerichtetes Resolversystem von Vorteil sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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1 zeigt schematisch eine Anlage zum Montieren einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt ein Detail der Anlage vor dem Aufpressen des Resolvergeberrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt das Detail aus der 2 nach dem Aufpressen des Resolvergeberrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Montieren einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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5 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Montieren einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die 1 zeigt eine Anlage 10 mit der eine elektrische Maschine 12, beispielsweise ein Antrieb eines Elektrofahrzeugs, montiert werden kann.
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Die elektrische Maschine 12 umfasst einen Stator 14 mit Statorwicklungen 16 und einem Resolverstator 18, der bereits am Stator 14 montiert wurde (beispielsweise mit einer vordefinierten Ausrichtung bzw. Winkelorientierung relativ zum Stator 14). Die elektrische Maschine 12 umfasst weiter einen Rotor 20, der eine Rotorwelle 22 und Permanentmagnete 24 umfasst, der drehbar im Stator 14 angeordnet und montiert wurde.
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Die Anlage 10 dient zum Montieren bzw. Aufpressen eines Resolvergeberrads 26 auf die Rotorwelle 22 der elektrischen Maschine 12, um auf diese Weise ein vollständiges Resolversystem 28 aus Resolverstator 18 und Resolvergeberrad 26 zu bilden.
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Die Anlage 10 umfasst eine Pressvorrichtung 40, an der ein Resolvergeberrad 26 vor dem Pressen auf die Rotorwelle 22 fixiert werden kann und eine Klemmvorrichtung 42, mit der die Rotorwelle 22 bzw. der Rotor 20 relativ zum Stator 14 mechanisch fixiert werden kann.
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Zum Ausrichten des Rotors 20 umfasst die Anlage 10 eine Gleichspannungsquelle 44, die mit jeweils zwei Phasen U, V, W der Statorwicklung 16 verbunden werden kann. Zum Überprüfen der Drehbarkeit des Rotors 20 umfasst die Anlage 10 ein Induktivitätsmessgerät 46, das mit den Phasen U, V, W verbunden werden kann. Das Induktivitätsmessgerät 46 kann eine LCR- Messbrücke sein.
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Außerdem umfasst die Anlage 10 eine Fördervorrichtung 48, mit der die elektrische Maschine 12 zwischen die Pressvorrichtung 40 und die Klemmvorrichtung 42 transportiert werden kann.
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Die 2 zeigt ein Detail der Anlage 10 vor dem Aufpressen des Resolvergeberrads 26. Die Pressvorrichtung 40 umfasst einen Anschlag 50, in dem ein in Pressrichtung beweglicher Stempel 52 aufgenommen ist. Der Stempel 52 wird von einer Federvorrichtung so weit aus dem Anschlag 50 herausgedrückt, dass das Resolvergeberrad auf das Ende des Stempels 52 aufgesetzt werden kann.
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Die 3 zeigt das Detail aus der 2 nach dem Aufpressen des Resolvergeberrads 26. Der Anschlag 50 und die Rotorwelle 22 werden mit der Anlage 10 (beispielsweise über ein Schneckengetriebe) aufeinander zu bewegt, bis die Rotorwelle 22, den Stempel 52 in den Anschlag 50 hineinschiebt, so dass das Resolvergeberrads 26, das an dem Anschlag 50 anliegt, über die Motorwelle 22 geschoben und auf diese gepresst wird.
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Die 4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Montieren einer elektrischen Maschine 12.
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In einem Schritt S10 wird die elektrische Maschine 12 mit der Fördervorrichtung 48 in die Anlage bzw. Station 10 eingefahren.
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In einem Schritt S12 wird die Stromquelle 44 mit der elektrischen Maschine 12 kontaktiert.
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In einem Schritt S14, wird eine der Statorwicklungen von der Stromquelle 44 mit Gleichstrom bestromt, damit sich der Rotor 20 ausrichtet. Die Wicklung an den Phasen V-W wird dazu beispielsweise mit 20 A bestromt. Danach wird die Bestromung wieder abgeschaltet.
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Beispielsweise werden zwei Phasen einer dreiphasigen Statorwicklung 16 mit Gleichstrom bestromt. Die dritte Phase wird nicht bestromt. Bei der Bestromung von zwei Phasen wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das die Magnete 24 zu den Statorzähnen des Stators 14 hin ausrichtet.
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In einem Schritt S16 werden Induktivtäten der elektrischen Maschine 12 mit dem Induktivitätsmessgerät 46 bestimmt. Dazu wird das Induktivitätsmessgerät 46 an die Phasen U, V, W angeklemmt, die Messung der drei Induktivitäten (U-V, U-W, V-W) der drei Statorwicklungen 16 wird mit dem Induktivitätsmessgerät 46 durchgeführt und danach das Induktivitätsmessgerät 46 abgeklemmt.
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Die Induktivitätsmessung kann mit einer LCR-Messbrücke oder einer LC-Messbrücke durchgeführt werden, beispielsweise bei einer Frequenz von 100 Hz. In der Regel ergibt sich dann ein Wert zwischen 300 und 800 Microhenry.
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In einem Schritt S18, wird eine weitere Statorwicklung 16 von der Stromquelle 44 mit Gleichstrom bestromt, damit sich der Rotor 20 in einer anderen Orientierung ausrichtet. Die Statorwicklung an den Phasen U-V wird dazu beispielsweise mit 20 A bei 1 V bestromt. Danach wird die Bestromung wieder abgeschaltet.
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In einem Schritt S20 werden die Induktivtäten der elektrischen Maschine 12 mit dem Induktivitätsmessgerät 46 erneut bestimmt (analog dem Schritt S16). Dazu wird das Induktivitätsmessgerät 46 wieder an die Phasen U, V, W angeklemmt, die Messung der drei Induktivitäten (U-V, U-W, V-W) wird mit dem Induktivitätsmessgerät 46 durchgeführt und danach das Induktivitätsmessgerät 46 abgeklemmt.
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In einem Schritt S22 wird geprüft, ob eine Änderung der Induktivitäten nach der Bestromung von V-W und U-V stattgefunden hat. Dies dient zum Sicherstellen, dass der Rotor sich frei dreht und nicht festklemmt.
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Zum Überprüfen, dass die Rotorwelle 22 nicht festsitzt und dass die Magnete 24 sich ausgerichtet haben, kann der oben beschriebene stufige Prozess bei der Bestromung der Statorwicklung 16 und eine Messung der Induktiviät dienen. Eine weitere Möglichkeit ist, dass, bevor das Resolvergeberrad 26 aufgepresst wird, der Rotor 20 zuerst in eine Richtung ausgerichtet (beispielsweise Bestromung Phasen V-W) wird und danach im unbestromten Zustand die Induktivität (V-W) gemessen wird. Danach wird zwischen den Phasen U und V bestromt und im unbestromten Zustand die Induktivität (U-V) gemessen. Eine Differenz in den gemessenen Werten zeigt, dass der Rotor 20 sich gedreht hat, was eine Voraussetzung zum korrekten Aufpressen des Resolvergeberrads 26 ist.
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In einem Schritt S24 wird die Wicklung U-V erneut mit beispielsweise 20 A bei 1 V Gleichstrom bestromt damit sich der Rotor 20 wieder ausrichtet.
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In einem Schritt S26 wir der Pressvorgang durchgeführt und das Resolvergeberrad 26 auf die Rotorwelle 22 gepresst (siehe 2 und 3). Das Bestromen der Statorwicklung 16 wird erst nach dem Ende des Pressvorgangs beendet, kann aber auch vor oder während dem Pressvorgang beendet werden, falls die Rotorwelle 22 auf andere Art und Weise fixiert wird.
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Zusammenfassend kann vor dem Aufpressen des Resolvergeberrads 26 die Statorwicklung 16 mit der Stromquelle 44 kontaktiert und mit beispielsweise 20 A Gleichstrom bestromt werden. Beim Aufpressen des Resolvergeberrads 26 kann die Statorwicklung 16 bestromt bleiben. Die Haltekräfte die den Rotor 20 in seiner mechanischen Lage halten, sind bei beispielsweise 2 N. D. h. ohne weitere Maßnahmen sollten in diesem Fall beim Aufpressen des Geberrads maximal 2 N Tangentialkräfte wirken, um eine mechanische Ausrichtung (beispielsweise 3 Grad) einzuhalten.
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In einem Schritt S28 werden die Stromquelle 44 und die elektrische Maschine 12 dekontaktiert und die elektrische Maschine 12 mit der Fördervorrichtung 48 aus der Anlage 10 gefahren.
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Eine weitere Variante des Aufpressvorgangs erfolgt über eine integrierte Rotorklemmung mit einer Klemmvorrichtung 42. Die integrierte Rotorklemmung klemmt die Rotorwelle 22 gegen die Anlage 10 und stellt sicher, dass sich die Rotorwelle 22 während des Aufpressens sich verdreht.
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Weiter kann auch die Messung der Induktivität nach dem Pressvorgang vorgenommen werden, um die frei Verdrehbarkeit des Rotors 20 (insbesondere nach dem Klemmvorgang) sicherzustellen.
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Ein möglicher Ablauf dazu ist in der 5 dargestellt.
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Analog den Schritten S10 bis S16 aus der 4 wird die elektrische Maschine 12 in die Anlage 10 gefahren, der Rotor 20 durch Bestromen der Phasen V-W ausgerichtet und die Induktivität gemessen.
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Analog dem Schritt S24 aus der 4 werden dann die Phasen U-V bestromt.
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In einem Schritt S30 wird die Rotorwelle 22 in der aktuellen (ausgerichteten) Stellung mit der Klemmvorrichtung 42 geklemmt.
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Analog dem Schritt S26 aus der 4 wird der Pressvorgang durchgeführt.
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In einem Schritt S32 wird nach dem Ende des Pressvorgangs die Klemmvorrichtung 42 in ihre Grundstellung verbracht und die Bestromung abgeschaltet. Alternativ kann die Bestromung direkt vor dem Pressvorgang oder vor dem Klemmen abgeschaltet werden.
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Analog den Schritten S20 und S22 wird erneut eine zweite Induktivität bestimmt und mit der bereits ermittelten Induktivität verglichen, um die Drehbarkeit des Rotors 20 zu bestimmen.
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Analog dem Schritt S28 wird der Montagevorgang beendet.
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Der Schritt S26, in dem der Pressvorgang des Resolvergeberrads 26 auf die Rotorwelle 22 durchgeführt wird, kann auch folgendermaßen durchgeführt werden:
Ein Spezial-Resolvergeberrad bzw. Montage-Resolvergeberrad wird auf die Rotorwelle 22 gesetzt. Das Montage-Resolvergeberrad ist im Gegensatz zum zu montierenden (Serien-)Resolvergeberrad 26 um die Motorwelle 22 drehbar.
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Danach wird das Resolversignal ausgewertet, das von dem Resolversystem aus Montage-Resolvergeberrad und Resolverstator erzeugt wird und das Montage-Resolvergeberrad soll lange gedreht bis der Resolverwinkel 0 Grad beträgt.
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Anschließend wird das Montage-Resolvergeberrad von der Rotorwelle 22 genommen und das (Serien-)Resolvergeberrad 26 wird in gleicher Stellung bzw. in der gleichen Ausrichtung wie das Montage-Resolvergeberrad auf die Rotorwelle 22 gepresst. Damit kann der Offsetwinkel der elektrischen Maschine 12 auf genau 0 Grad oder jedem beliebigen anderen Winkel eingestellt werden.
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Diese Alternative kann nach oder während des Bestromens der elektrischen Maschine 12 durchgeführt werden.
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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.
