DE102012019182A1

DE102012019182A1 - Verbindungsanordnung wenigstens zweier Ringsegmente eines Ringelements für eine elektrische Maschine sowie Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier solcher Ringsegmente

Info

Publication number: DE102012019182A1
Application number: DE201210019182
Authority: DE
Inventors: Thomas Albrecht; Werner König
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung wenigstens eines ersten Ringsegments (16) an wenigstens einem zweiten Ringsegment (18) eines Ringelements (10) für eine elektrische Maschine, bei welcher die in Umfangsrichtung des Ringelements (10) zumindest bereichsweise aufeinander folgenden Ringsegmente (16, 18) zumindest in Umfangsrichtung miteinander verbunden sind, wobei die Ringsegmente (16, 18) mittels wenigstens einer jeweiligen plastischen Verformung (51) der Ringsegmente (16, 18) in axialer Richtung des Ringelements (10) gegenseitig fixiert sind, sowie ein Verfahren zum Verbinden zweier solcher Ringsegmente (16, 18).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung wenigstens zweier Ringsegmente eines Ringelements für eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier solcher Ringsegmente gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass ein Aktivteil, beispielsweise ein Rotor, einer elektrischen Maschine wenigstens ein sogenanntes zumindest im Wesentlichen ringförmiges Blechpaket umfasst. Das Blechpaket wird beispielsweise aus Elektroblech durch Stanzen hergestellt.
Wird beispielsweise ein Ringelement des Blechpakets durch einen Vollschnitt durch Stanzen gebildet, so entsteht ein relativ hoher Verschnitt. Um den Verschnitt bei der Herstellung des Blechpakets besonders gering zu halten, ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, ein solches Ringsegment in Umfangsrichtung zu segmentieren. Mit anderen Worten umfasst das Ringelement wenigstens zwei in Umfangsrichtung zumindest bereichsweise aufeinander folgende Ringsegmente, welche zumindest in Umfangsrichtung miteinander verbunden sind. Dazu werden die Ringsegmente beispielsweise miteinander gefügt. Das Fügen kann nach dem sogenannten Brick-Wall-Verfahren (Ziegelsteinmauer-Verfahren) oder nach dem sogenannten Segment-Master-Verfahren oder nach dem Stack-Verfahren erfolgen.
Der WO 2011/096050 A1 ist eine Verbindungsanordnung wenigstens eines ersten Ringsegments mit wenigstens einem zweiten Ringsegment eines Ringelements für eine elektrische Maschine als bekannt zu entnehmen. Bei der Verbindungsanordnung sind die in Umfangsrichtung des Ringelements zumindest bereichsweise aufeinander folgenden Ringsegmente zumindest in Umfangsrichtung miteinander verbunden.
Wie der EP 2 086 089 A1 zu entnehmen ist, kann ein solches Ringsegment eine Mehrzahl von Lagen, insbesondere Blechlagen, umfassen, welche in axialer Richtung des Ringelements übereinander geschichtet werden. Zum Verbinden der in axialer Richtung sich gegenseitig überdeckenden Lagen kann vorgesehen sein, dass die Lagen miteinander verbacken oder – wie es bei der EP 2 086 089 A1 vorgesehen ist – miteinander verstemmt sind. Dadurch kann dem segmentierten Blechpaket eine gewisse Stabilität verliehen werden.
Darüber hinaus ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, Blechpakete mit mehreren Lagen, insbesondere Blechlagen, durch ein Stanz-Paketierungsverfahren herzustellen.
Beispielsweise aus der WO 2005/043741 A2 geht hervor, dass an einem solchen Blechpaket einer elektrischen Maschine wenigstens ein Magnet, insbesondere ein Permanentmagnet, gehalten wird. Dazu weißt das Blechpaket wenigstens eine Aufnahmeöffnung auf, in welcher der Magnet zumindest bereichsweise aufgenommen ist. Um den Magneten in der Aufnahmeöffnung zu fixieren, wird dieser mit dem Blechpaket verstemmt.
Nach der Herstellung der Ringsegmente, welche mehrere, in axialer Richtung geschichtete Lagen umfassen können, werden die Ringsegmente in Umfangsrichtung miteinander verbunden, um so beispielsweise das Ringelement herzustellen. Dabei hat es sich gezeigt, dass die Handhabung des Ringelements nach dem Verbinden der Ringsegmente miteinander herkömmlicherweise sehr aufwendig ist. Das Ringelement wird beispielsweise an einem Werkstückträger angeordnet, auf dem das Ringelement bis zur abschließenden Montage an einem korrespondierenden Topfelement, insbesondere an einem Rotortopf, verbleibt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsanordnung sowie ein Verfahren in der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine besonders einfache Handhabung des Ringelements ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Verbindungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, welche eine besonders einfache Handhabung des Ringelements ermöglicht, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ringsegmente mittels wenigstens einer jeweiligen plastischen Verformung der Ringsegmente in axialer Richtung des Ringelements gegenseitig fixiert sind. Mit anderen Worten sind die Ringsegmente mittels der plastischen Verformung in axialer Richtung miteinander verbunden und können sich somit in axialer Richtung nicht relativ zueinander bewegen.
Dadurch sind die Ringsegmente beispielsweise bis zu ihrer endgültigen Montage auf einem korrespondierenden Topfelement, insbesondere auf einem Rotortopf, in axialer Richtung gesichert und können besonders einfach und somit zeit- und kostengünstig an dem Topfelement montiert werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn zum Ausbilden der jeweiligen plastischen Verformung die Ringsegmente miteinander verstemmt sind. Dies bedeutet, dass die Ringsegmente in axialer Richtung durch gegenseitiges Verstemmen miteinander verbunden und so gegenseitig bzw. aneinander fixiert sind.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist zumindest eines der Ringsegmente eine Aufnahmeöffnung auf, in welcher wenigstens ein Magnet, insbesondere ein Permanentmagnet, zumindest bereichsweise aufgenommen ist, wobei der Magnet durch die plastische Verformung des entsprechenden zumindest einen Ringsegments in der Aufnahmeöffnung fixiert ist. Das Verbinden der Ringsegmente in axialer Richtung miteinander kann hierbei zumindest im Wesentlichen zeitgleich mit dem Fixieren des Magneten in der Aufnahmeöffnung erfolgen, da durch die jeweilige plastische Verformung, insbesondere das Verstemmen, nicht nur die Ringsegmente in axialer Richtung gegenseitig fixiert werden, sondern auch der Magnet in der Aufnahmeöffnung befestigt wird.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 6 angegebenen Art zu schaffen, welches eine besonders einfache Handhabung des Ringelements ermöglicht ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ringsegmente plastisch verformt und dadurch in axialer Richtung des Ringelements gegenseitig fixiert, d. h. miteinander verbunden werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung sind als vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
Infolge des Verbindens der Ringsegmente miteinander in axialer Richtung können diese sich nicht mehr in axialer Richtung relativ zueinander bewegen, beispielsweise verschieben, so dass das Ringelement nach dem Verbinden der Ringsegmente miteinander in Umfangsrichtung beispielsweise bis zu seiner Montage auf einem Topfelement, insbesondere einem Rotortopf, besonders einfach und somit zeit- und kostengünstig gehandhabt und beispielsweise transportiert werden kann. Zusätzliche Sicherungselemente, wie beispielsweise ein Werkstückträger zum axialen Fixieren der Ringsegmente sind nicht vorgesehen und nicht erforderlich.
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich besonders gut für ein Ringelement, welches nach dem sogenannten Stack-Verfahren hergestellt ist. Beim Stack-Verfahren werden bzw. sind die Ringsegmente in axialer Richtung überdeckungsfrei zueinander angeordnet. Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung und das erfindungsgemäße Verfahren sind jedoch auch ohne weiteres für Ringelemente verwendbar, welche nach dem Brick-Wall-Verfahren oder nach dem Segment-Master-Verfahren hergestellt sind bzw. werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Draufsicht eines Ringelements für eine elektrische Maschine, wobei das Ringelement durch eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung zumindest bereichsweise aufeinander folgende Ringsegmente gebildet ist, welche in Umfangsrichtung über jeweilige Formschlusselemente miteinander verbunden sind;
2 eine schematische Perspektivansicht von drei Ringsegmenten des Ringelements;
3 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht des Ringelements in vergrößerter Darstellung;
4a–b jeweils ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht eines Stempels zum Verstemmen zweier der Ringsegmente miteinander; und
5 jeweils ausschnittsweise zwei schematische Perspektivansichten einer Verstemmvorrichtung zum Verstemmen der in Umfangsrichtung zumindest bereichsweise aufeinander folgenden Ringsegmente.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein Ringelement 10 für eine elektrische Maschine, welche beispielsweise in einem Kraftwagen, insbesondere einem Personenkraftwagen, verwendet wird. Die elektrische Maschine ist dabei beispielsweise in einem Motorbetrieb als Motor betreibbar, mittels welchem der Kraftwagen angetrieben werden kann. Dies bedeutet, dass die elektrische Maschine als Traktionsmaschine verwendet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine beispielsweise in einem Generatorbetrieb betrieben werden und mechanische Energie zumindest teilweise in elektrische Energie umwandeln. Die elektrische Maschine kann auch als Traktionsmaschine in einem Fahrzeug, vor allem bei schnelldrehenden Maschinen, verwendet werden. Das Ringelement 10 kann für Innenläufer- sowie für Außenläufer-Maschinen verwendet werden.
Vorliegend ist das Ringelement 10 einem Rotor der elektrischen Maschine zugeordnet, welche sich um eine Drehachse relativ zu einem Stator der elektrischen Maschine dreht. Das zuvor und im Folgenden zu dem Ringelement 10 geschilderte kann jedoch auch ohne weiteres auf wenigstens ein Ringelement des Stators der elektrischen Maschine übertragen werden.
Das Ringelement 10 weist eine Mehrzahl von Aufnahmeöffnungen 12 auf, welche vorliegend als Durchgangsöffnungen ausgebildet sind und in welchen ein jeweiliger Magnet 14 in Form eines Permanentmagneten aufgenommen und fixiert ist. Die Aufnahmeöffnungen 12 werden üblicherweise auch als Taschen oder Slots zum Aufnehmen der Magnete 14 bezeichnet. Das Ringelement 10 ist aus Elektroblech gebildet. Um einen Verschnitt bei einem Stanzen zum Herstellen des Ringelements 10 gering zu halten, wird das Ringelement 10 – wie in Zusammenschau mit 2 und 3 erkennbar ist – aus einer Mehrzahl von Ringsegmenten gebildet, von denen in 3 drei Ringsegmente 16, 18, 20 und in 3 zwei Ringsegmente 16, 18 zu erkennen sind. Die Ringsegmente 16, 18, 20 folgen in Umfangsrichtung des Ringelements 10, welche durch einen Richtungspfeil 22 angedeutet ist, jeweils zumindest bereichsweise aufeinander und sind zumindest in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden. Vorlegend sind die einzelnen Ringsegmente 16, 18, 20 in Umfangsrichtung und in radialer Richtung formschlüssig miteinander verbunden.
Im Rahmen der Herstellung des Ringelements 10 wird eine Mehrzahl von Ringsegmenten 16, 18, 20 hergestellt, insbesondere durch Stanzen aus Elektroblechen, welche in axialer Richtung aufeinander gestapelt und miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verstemmt oder miteinander verbacken werden. Dadurch werden einzelne sog. Blechpakete der elektrischen Maschine in Form von Ringsegmenten 16, 18, 20 hergestellt.
Die Ringsegmente 16, 18, 20 werden – wie aus 2 erkennbar ist – vorliegend nach dem Stack-Verfahren in Umfangsrichtung miteinander verbunden, so dass dadurch das Ringelement 10 ausgebildet wird. Ein fertiger Rotor aus Blechpaketen umfasst dann eine Mehrzahl von in axialer Richtung aufeinandergestapelten Ringelementen 10. Das zuvor und im Folgenden Geschilderte kann jedoch auch ohne weiteres auf das Brick-Wall-Prinzip oder auf das Master-Segment-Prinzip übertragen werden, mittels welchen die Ringsegmente 16, 18, 20 in Umfangsrichtung miteinander verbunden werden können.
Um eine besonders feste Verbindung der Ringsegmente 16, 18, 20 miteinander in Umfangsrichtung zu realisieren und gleichzeitig den Materialaufwand, die Blechdicke, das Gewicht und die Toleranzkette gering zu halten sowie eine vorteilhafte Verarbeitbarkeit zu realisieren, ist anhand von 2 und 3 eine Verbindungsanordnung der Ringsegmente 16, 18, 20 anhand der Ringsegmente 16, 18 veranschaulicht. Die Ringsegmente 16, 18, 20 weisen ein jeweiliges, erstes Formschlusselement 24 und ein mit dem ersten Formschlusselement 24 korrespondierendes, zweites Formschlusselement 26 einer Formschlussanordnung 28 auf.
Durch die Formschlusselemente 24, 26 ist eine Fügegeometrie geschaffen, bei welcher das erste Formschlusselement 24 eine Positivkontur darstellt, während das zweite Formschlusselement 26 eine mit der Positivkontur korrespondierenden Negativkontur oder eine Gegenkontur zur Positivkontur darstellt, wobei in der Negativkontur bzw. Gegenkontur die Positivkontur aufgenommen ist.
Dabei wirken die Formschlusselemente 24, 26 in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander zusammen, so dass dadurch die Ringsegmente 16, 18, 20 in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind. Dabei verlaufen jeweilige Trag- oder Verbindungsflächen zum Bewirken der formschlüssigen Verbindung schräg oder senkrecht zur Umfangsrichtung.
Die Formschlusselemente 24, 26 weisen jeweils drei in Umfangsrichtungen des Ringelements 10 aufeinander folgende Formschlussbereiche 30, 32, 34 auf. Die Formschlussbereiche 30, 32, 34 werden auch als Etagen bezeichnet und bilden jeweilige Formschlussverbindungen der Formschlussanordnung 28 miteinander aus.
In radialer Richtung außenseitig der Formschlussanordnung 28 mit den Formschlusselementen 24, 26 ist eine weitere Formschlussverbindung 36 der Ringsegmente 16, 18, 20 miteinander vorgesehen, mittels welcher zum Unterstützen der Formschlussanordnung 28 das entsprechende der Ringsegmente 16, 18, 20 in radialer Richtung nach außen durch das entsprechend andere der Ringsegmente 16, 18, 20 überdeckt ist.
Die Formschlussverbindung 36 umfasst dabei ein Formschlusselement in Form eines Hakens 38, welcher – bezogen auf 3 – das Ringsegment 16 in radialer Richtung nach außen überdeckt. Durch den Haken 38 ist die Formschlussanordnung 28 gegen in radialer Richtung nach außen beim Betrieb der elektrischen Maschine wirkende Fliehkräfte gekontert, wodurch verhindert ist, dass sich die Ringsegmente 16, 18, 20 durch auftretende Fliehkräfte verbiegen und sich die Formschlussanordnung 28 schwächen oder lösen könnte.
Die Formschlussanordnung 28 umfasst ein zusätzliches Formschlusselement 40 sowie ein mit dem Formschlusselement 40 korrespondierendes Formschlusselement 42. Die Formschlusselemente 40, 42 wirken in Umfangsrichtung des Ringelements 10 formschlüssig zusammen, so dass eine Formschlussverbindung 44 gebildet ist. Durch die Formschlusselemente 40, 42 ist eine weitere, formschlüssige Fügegeometrie gebildet, bei welcher das Formschlusselement 40 eine Positivkontur und das Formschlusselement 42 eine damit korrespondierende Negativ- oder Gegenkontur darstellt. Dabei ist die Positivkontur wiederum in der Negativkontur aufgenommen.
Durch das Formschlusselement 40 kann eine Schwalbenschwanzverbindung realisiert sein, über die die Ringsegmente 16, 18, 20 in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind.
In radialer Richtung zwischen dem Formschlusselement 40 und dem Formschlussbereich 34 ist eine weitere Formschlussverbindung 46 mit einem Formschlusselement in Form eines Hakens 48 vorgesehen. Die Formschlussverbindung 46 mit dem Haken 48 ist bei der Verbindungsanordnung gemäß 3 in radialer Richtung zwischen dem Formschlusselement 24 und dem Formschlusselement 40 angeordnet.
Um nun eine besonders einfache Handhabung sowie beispielsweise einen besonders einfachen Transport des Ringelements 10 nach dem Verbinden aller Ringsegmente des Ringelements 10 in Umfangsrichtung miteinander zu ermöglichen, sind die in Umfangsrichtung des Ringelements 10 zumindest bereichsweise aufeinander folgenden paarweise mittels wenigstens einer jeweiligen plastischen Verformung der Ringsegmente in axialer Richtung des Ringelements gegenseitig fixiert. Dazu sind die Ringsegmente miteinander verstemmt.
Hierdurch können sich die in Umfangsrichtung und in radialer Richtung miteinander verbundenen Ringsegmente – beispielsweise bezogen auf 3 die Ringsegmente 16, 18 – auch in axialer Richtung nicht mehr relativ zueinander bewegen. Diese gegenseitige Fixierung der Ringsegmente ist dabei ohne zusätzliche Sicherungselemente wie beispielsweise Werkstückträger realisiert. Das Ringelement 10 kann somit beispielsweise bis zu seiner endgültigen Montage auf einem korrespondierenden Rotortopf einfach gehandhabt und transportiert werden, ohne dass sich die Ringsegmente relativ zueinander in axialer Richtung bewegen. Das Verstemmen der Ringsegmente miteinander verhindert auch, dass es beispielsweise bei einer Schräglage des Ringelements 10 und bei einer zumindest teilweise in axialer Richtung wirkenden Schwerkraft der Ringsegmente zu einer Verschiebung der Ringsegmente in axialer Richtung kommt.
In 3 sind beispielhaft Verstemmpunkte 51 gezeigt, in denen die Ringsegmente 16, 18 miteinander verstemmt und dadurch in axialer Richtung miteinander verbunden werden können. Hierdurch ist eine axialer Sicherung realisiert, so dass das Ringelement 10 einfach und zeit- sowie kostengünstig sowohl nach dem Stack-Verfahren hergestellt sowie daran anschließend besonders einfach gehandhabt, transportiert und beispielsweise am korrespondierenden Rotortopf montiert werden kann. Insbesondere in Kombination mit dem Stack-Verfahren ermöglicht das Verstemmen die Verwendung des Stack-Verfahrens mit nur einer Verbindungstechnik.
Das Verstemmen der Ringsegmente 16, 18 erfolgt beispielsweise mittels eines Verstemmwerkzeugs, insbesondere mittels wenigstens eines Stempels des Verstemmwerkzeugs. Das Verstemmwerkzeug formt die Blechpakete bzw. die Ringsegmente 16, 18 so um, dass eine axiale Verschiebung der Ringsegmente 16, 18 nicht mehr möglich ist und ein Zusammenhalt des zusammengebauten Ringelements 10 auch in axialer Richtung gewährleistet wird.
Der Verstemmpunkt 51 ist vorzugsweise in einem Bereich einer entsprechenden Schnittstelle der Positivkontur und der Negativkontur vorgesehen, damit sich die obersten Bleche der Blechpakete verkanten und hinterfließen.
Vorzugsweise wird der Verstemmpunkt bzw. werden die Verstemmpunkte nicht in spannungsbelasteten Bereichen der Fügegeometrie, in denen beispielsweise Umfangskräfte resultierend aus Fliehkräften auftreten, angeordnet. Für Stemmpunkte geeignete Positionen sind beispielsweise unterschiedliche Flanken in Umfangsrichtung sowie die Spitze der Fügegeometrie.
Wie aus 3 erkennbar ist, umfasst die plastische Verformung bzw. ein entsprechender Bereich, in denen die Ringsegmente 16, 18 durch plastische Verformung und insbesondere durch Verstemmen in axialer Richtung miteinander verbunden sind, jeweilige Randbereiche 52, 50 bzw. Grenzflächen der entsprechenden Ringsegmente 16, 18. Beim Verstemmen über die Randbereiche 50, 52 bzw. über die Grenzflächen der Ringsegmente 16, 18 hinweg werden die Ringsegmente 16, 18 bzw. ihre einzelnen Blechlagen unterschiedlich verformt und gegeneinander verformt, so dass sich beispielsweise die Blechlagen der benachbarten Ringsegmente 16, 18 verzahnen. Durch das Verstemmen werden also die Ringsegmente 16, 18 in ihren Randbereichen 50, 52 umgeformt bzw. plastisch verformt.
Hierbei kann die durch das Verstemmen bewirkte, plastische Verformung auch Toleranzen ausgleichen bzw. überwinden, bei denen sich die beiden Grenzflächen der benachbarten Ringsegmente 16, 18 nicht direkt berühren und somit auch keinen direkten Halt in axialer Richtung ohne Verstemmungen in den Randbereichen 50, 52 ergeben würden. Durch das Verstemmen wird eine form- und kraftschlüssige Verbindung der Ringsegmente 16, 18 miteinander in axialer Richtung geschaffen, so dass die Ringsegmente 16, 18 besonders fest in axialer Richtung miteinander verbunden sind.
Ein entsprechender Bereich, in welchem die Ringsegmente 16, 18 miteinander verstemmt werden, ist vorzugsweise außerhalb von Bereichen anzuordnen, welche zeitlich nach dem Verstemmen mit einer Kraft beaufschlagt werden.
Die durch die Formschlussanordnung 28 bewirkte Formschlussverbindung der Ringsegmente 16, 18 wird beim Betrieb der elektrischen Maschine und/oder bei einem Aufpressen des Ringelements 10 auf einen korrespondierenden Träger wie beispielsweise einen Rotorträger oder einen Statorträger auf Zug belastet, so dass jeweilige Grenzflächen der Formschlussanordnung 28 in Richtung des jeweils benachbarten Ringsegments 16, 18 durch Zug mit einer Druckkraft belastet werden.
Würde in einem solchen Bereich eine Verstemmung ausgebildet werden, käme es durch die Materialverformungen zu Strukturschwächungen und auch evtl. durch die Verformungen zu einer punktuellen Belastung der Verformung auf Druck, da die Verformung den Kontakt zwischen den Ringsegmenten 16, 18 erzeugt und nicht mehr die vollständige Grenzfläche gleichmäßig bzw. flächig belastet wird. Dies kann zu Belastungsspitzen führen und so die Betriebssicherheit und die Laufzeiteigenschaften beeinträchtigen. Dies kann durch die entsprechende, geschilderte Anordnung der Verstemmpunkte 51 vermieden werden.
In 3 sind mit 53 Verstemmpunkte gezeigt, welche für eine Verstemmung aufgrund des zuvor Geschilderten ungeeignet sind und in denen es zu einer unerwünscht hohen Belastung der Formschlussanordnung 28 käme.
Vorteilhafterweise werden die Magnete 14 in ihren korrespondierenden Aufnahmeöffnungen 12 mittels des Verstemmens der Ringsegmente 16, 18 in den Aufnahmeöffnungen 12 fixiert. Dies bedeutet, dass beim Verstemmen nicht nur die Ringsegmente 16, 18 miteinander sondern auch die Magnete 14 in den Aufnahmeöffnungen 12 mit den entsprechenden Ringsegmenten 16, 18, 20 verstemmt und dadurch in den Aufnahmeöffnungen 12 fixiert werden. Dadurch kann das Verbinden der Ringsegmente 16, 18, 20 miteinander in axialer Richtung zeitgleich zum Befestigen der Magnete 14 in den Aufnahmeöffnungen 12 erfolgen. Das Ringelement 10 muss somit nicht in unterschiedliche Vorrichtungen angeordnet werden, sondern kann in einem Werkzeug verbleiben, um sowohl die Ringsegmente 16, 18, 20 miteinander in axialer Richtung zu verbinden als auch die Magnete 14 in Aufnahmeöffnungen 12 zu fixieren.
Damit durch das Setzen der Verstemmpunkte 51 keine unnötigen Eisenverluste im Ringelement 10 generiert werden, weisen die Verstemmungen eine Tiefe von maximal einem Millimeter auf. Um dies zu gewährleisten sind entsprechende Geometrien des Stempels zum Verstemmen vorteilhaft, mittels welchem bei minimaler Kraft und Einpresstiefe maximale Verformungen der Bleche erreicht werden können.
4a zeigt einen Stempel 54 zum Verstemmen der Ringsegmente 16, 18 miteinander. Wie aus 4a erkennbar ist, weißt der Stempel 54 zumindest im Wesentlichen die Form eines Pyramidenstumpfes mit einer Kantenlänge von zwei Millimetern und einem Öffnungswinkel von zehn Grad auf.
4b zeigt eine alternative Ausführungsform des Stempels 54, welcher in einem Teilbereich 56 die Form eines Kugelsegments und in einem sich dem Teilbereich 56 anschließenden, weiteren Teilbereich 58 die Form eines Kegelstumpfes aufweist. Der Radius der Kugelsegmentform bzw. des Kugelsegments beträgt vorliegend zumindest im Wesentlichen 0,8 Millimeter, während der kegelstumpfförmige Teilbereich 58 einen Öffnungswinkel von zumindest im Wesentlichen zehn Grad aufweist. Wie aus 4b erkennbar ist, bildet das Kugelsegment eine Kugelspitze des Kegels bzw. des Kegelstumpfes.
Werden die Ringsegmente 16, 18, 20 beispielsweise mittels des Stempels 54 gemäß 4a miteinander verstemmt und wird dabei gleichzeitig wenigstens einer der Magnete 14 mit dem entsprechend korrespondierenden Ringsegments 16, 18, 20 verstemmt, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Ausrichtung der Kante des Stempels 54 gemäß 4a zumindest im Wesentlichen diagonal zur entsprechenden Aufnahmeöffnung 12 und nicht etwa parallel zu dieser verläuft.
Mit Hilfe der geschilderten, axialen Sicherung der Ringsegmente 16, 18, 20 durch Verstemmen kann das segmentierte Ringelement 10 wie ein aus einem Vollschnitt gebildetes Ringsegment gehandhabt werden und somit ohne zusätzliche Hilfsmittel transportiert und weiter verarbeitet werden. Gleichzeitig kann der Verschnitt beim Herstellen des Ringelements 10 im Vergleich zu einer Herstellung aus einem Vollschnitt besonders gering gehalten werden. Ferner ist eine einfache Montage des Ringelements 10 möglich. Wird die Befestigung der Magnete 14 in die Verstemmung der Ringsegmente 16, 18, 20 integriert, so ergibt sich dadurch eine weitere Zeit- und Kosteneinsparung.
5 zeigt eine Verstemmvorrichtung 60 mit dem Stempel 54 gemäß 4a, mittels welchem vorliegend einer der Magneten 14 in der korrespondierenden Aufnahmeöffnung 12 des Ringelements 10 durch Verstemmen befestigt wird. Die Verstemmvorrichtung 60 kann dabei auch zum Verstemmen der Ringsegmente 16, 18, 20 bzw. aller Ringsegmente des Ringelements 10 miteinander verwendet werden.
Wie aus 5 erkennbar ist, ist es möglich, mittels des einen Stempels 54 alle Verstemmpunkte nacheinander beispielsweise automatisch, so z. B. computergesteuert, sensorgesteuert und/oder dergleichen herzustellen. Dabei wird beispielsweise das Ringelement 10 relativ zum Stempel 54 gedreht. Alternativ kann der Stempel 54 gedreht werden. Dabei kann jeder Verstemmpunkt einzeln geregelt oder gesteuert werden, was durch einen Kraftaufwand beim Verstemmen kontrolliert werden kann.
Alternativ ist es möglich, eine Mehrzahl von Verstemmpunkten und insbesondere alle Verstemmpunkte bzw. entsprechende Verstemmungen in den Verstemmpunkten gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Stempeln 54 herzustellen. Hierdurch können alle Verstemmungen in den entsprechenden Verstemmpunkten in einem einzigen Arbeitsschritt ausgebildet werden.
Die Stempel 54 zum Ausbilden der Verstemmungen können beispielsweise gleichzeitig bewegt werden. Dazu können die Stempel über wenigstens ein Kopplungselement wie beispielsweise eine Platte miteinander gekoppelt sein und dadurch mittels eines den Stempeln gemeinsamen Antriebs bewegt werden. Dadurch kann der Aufwand des Verstemmwerkzeugs sowie der Aufwand zum Regeln oder Steuern der Stempel gering gehalten werden.
Die jeweiligen Verstemmungen können jedoch auch mit einer Vielzahl von einzeln, d. h. unabhängig voneinander bewegbar und somit steuer- oder regelbaren Stempeln hergestellt werden. Dadurch können die Verstemmungen unabhängig voneinander und somit auch voneinander unterschiedlich, beispielsweise mit unterschiedlichen Tiefen und/oder Formen und/oder Verformungsgraden hergestellt werden. Zum Herstellen der entsprechenden Verstemmungen des Ringelements 10 kann jeweils der gleiche bzw. derselbe Stempel 54 verwendet werden. Ferner ist es möglich, wenigstens zwei voneinander unterschiedliche Stempel zum Herstellen der Verstemmung des Ringelements 10 zu verwenden, so dass die Verstemmungen des Ringelements 10 voneinander unterschiedlich ausgebildet werden können.
Insbesondere können sich Verstemmungen, welche lediglich zum Verstemmen der Ringsegmente 16, 18 miteinander und nicht etwa zum Fixieren eines der Magneten 14 vorgesehen sind, hinsichtlich ihrer Tiefe von Verstemmungen, welche zumindest zum Befestigen der Magnete 14 verwendet werden, unterscheiden. Aufgabe einer einen der Magneten 14 in der korrespondierenden Aufnahmeöffnung 12 fixierenden Verstemmung ist es nämlich, den korrespondierenden Magneten 14 während des Betriebs der elektrischen Maschine auch über eine hohe Lebensdauer besonders fest zu fixieren, während eine lediglich die Ringsegmente 16, 18 miteinander in axialer Richtung verbindende Verstemmung als Montagehilfe dient, um die zusammengefügten Ringsegmente 16, 18 in der Ringform einfach handhaben zu können.
Zum Herstellen einer solchen Verstemmung wird der entsprechende Stempel in teilweiser Überdeckung beispielsweise mit dem Ringsegment 16 und in teilweiser Überdeckung beispielsweise mit dem in Umfangsrichtung auf das Ringsegment 16 folgende Ringsegment 18 bewegt, so dass mittels des einen Stempels sowohl das Ringsegment 16 in seinem Randbereich 50 als auch das Ringsegment 18 in seinem Randbereich 52 plastisch verformt wird. Mit anderen Worten wird der Verstemmpunkt an jeweiligen Grenzen der Ringsegmente 16, 18 über die benachbarten Ringsegmente 16, 18 überlappend gesetzt. Wird bei dem Verstemmen auch der Magnet 14 in der Aufnahmeöffnung 12 fixiert, so wird der Stempel in einem geringen Abstand zur Aufnahmeöffnung 12 angeordnet, damit Blechmaterial in die Aufnahmeöffnung 12 hineingedrückt werden kann, um dadurch den Magneten 14 zu verstemmen.
Bezugszeichenliste

10: Ringelement
12: Aufnahmeöffnung
14: Magnet
16: Ringsegment
18: Ringsegment
20: Ringsegment
22: Richtungspfeil
24: Formschlusselement
26: Formschlusselement
28: Formschlussanordnung
30: Formschlussbereich
32: Formschlussbereich
34: Formschlussbereich
36: Formschlussverbindung
38: Haken
40: Formschlusselement
42: Formschlusselement
44: Formschlussverbindung
46: Formschlussverbindung
48: Haken
50: Randbereich
52: Randbereich
51: Verstemmpunkt
53: Verstemmpunkt
54: Stempel
56: Teilbereich
58: Teilbereich
60: Verstemmvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/096050 A1 [0004]
EP 2086089 A1 [0005]
WO 2005/043741 A2 [0007]

Claims

Verbindungsanordnung wenigstens eines ersten Ringsegments (16) an wenigstens einem zweiten Ringsegment (18) eines Ringelements (10) für eine elektrische Maschine, bei welcher die in Umfangsrichtung des Ringelements (10) zumindest bereichsweise aufeinander folgenden Ringsegmente (16, 18) zumindest in Umfangsrichtung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringsegmente (16, 18) mittels wenigstens einer jeweiligen plastischen Verformung (51) der Ringsegmente (16, 18) in axialer Richtung des Ringelements (10) gegenseitig fixiert sind.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausbilden der jeweiligen plastischen Verformung (51) die Ringsegmente (16, 18) miteinander verstemmt sind.
Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Ringsegmente (16, 18) eine Aufnahmeöffnung (12) aufweist, in welcher wenigstens ein Magnet (14), insbesondere ein Permanentmagnet (14), zumindest bereichsweise aufgenommen ist, wobei der Magnet (14) durch die plastische Verformung (51) des entsprechenden zumindest einen Ringsegments (16, 18) in der Aufnahmeöffnung (12) fixiert ist.
Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringsegmente (16, 18) über wenigstens ein jeweiliges Formschlusselement (24, 26, 40, 42) zumindest in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind, wobei die Formschlusselement (24, 26, 40, 42) in einem jeweiligen Teilbereich (50, 52) durch die jeweilige plastische Verformung (51) plastisch verformt sind.
Verbindungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringsegmente (16, 18) in axialer Richtung überdeckungsfrei zueinander angeordnet sind.
Verfahren zum Verbinden wenigstens eines ersten Ringsegments (16) mit wenigstens einem zweiten Ringsegment (18) eines Ringelements (10) für eine elektrische Maschine, bei welcher die Ringsegmente (16, 18) in Umfangsrichtung des Ringelements (10) zumindest bereichsweise aufeinander folgend angeordnet und zumindest in Umfangsrichtung miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringsegmente (16, 18) plastisch verformt und dadurch in axialer Richtung des Ringelements (10) gegenseitig fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum plastischen Verformen die Ringsegmente (16, 18) miteinander verstemmt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verstemmen wenigstens ein zumindest im Wesentlichen in Form eines Pyramidenstumpfes ausgebildeter Stempel (54) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verstemmen wenigstens ein zumindest im Wesentlichen in Form eines Kugelsegments ausgebildeter Stempel (54) verwendet wird.