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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum radialen Kalibrieren eines Stators einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen, die einen ringförmigen Stator und einen vom Stator umschlossenen Rotor besitzen, werden als Generatoren oder Antriebsmotoren für unterschiedliche Anwendungen verwendet. Für einen optimalen Betrieb einer solchen elektrischen Maschine ist es wesentlich, dass der Stator insbesondere an der dem Rotor zugewandten Innenseite möglichst keine oder zumindest nur sehr geringe Rundheitsfehler oder Formfehler aufweist. Je besser die Rundheit ist, desto kleiner kann der Luftspalt zwischen Stator und Rotor ausgeführt werden, wodurch bessere Leistungsdaten und auch eine geringere Geräuschentwicklung erreicht werden können. Herkömmliche Statoren können aus ringförmig ausgestanzten Blechlamellen oder aber auch aus einem rundgebogenen Flachpaket bestehen, wobei in zum Rotor ausgerichteten Nuten Statorwicklungen einliegen. Insbesondere bei Statoren, die aus einem Flachpaket in einem Biegeverfahren hergestellt wurden, treten Rundheitsfehler auf.
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Aus der
DE 10 2004 058 659 A1 ist ein Verfahren zum Rundbiegen eines Flachpakets bekannt, bei dem das Flachpaket mit einliegenden Statorwicklungen um einen Biegedorn rundgebogen wird. Die Enden des Flachpakets werden nach dem Rundbiegen miteinander verschweißt. Ein auf diese Weise hergestellter Stator weist in Abhängigkeit von dem verwendeten Flachpaket mit einliegender Statorwicklung und in Abhängigkeit vom angewendeten Biegeverfahren Rundheitsfehler auf, die eine im Wesentlichen gleichbleibende Verteilung am Stator haben. Dies bedeutet, dass Statoren, die nach dem gleichen Verfahren identisch hergestellt wurden, eine jeweils gleiche Verteilung von Rundheitsfehlern entlang ihrer koaxial ausgerichteten Seiten haben. Zum Ausgleich von Rundheitsfehlern kann in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten ein Korrekturbiegen an den einzelnen Fehlerpositionen, wo Rundheitsfehler vorliegen, durchgeführt werden. Das zeitlich nacheinander durchgeführte Korrekturbiegen erfordert viele einzelne Verfahrensschritte, um sämtliche Rundheitsfehler zu bearbeiten, weshalb hierfür ein entsprechend hoher Zeitaufwand erforderlich ist.
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Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass zur Verbesserung der Rundheit eines fertig gebogenen Stators ein spanabhebendes Verfahren angewendet wird, bei dem beispielsweise die dem Rotor zugewandte Innenseite des Stators rundgedreht wird. Dabei ist es jedoch nachteilig, dass bei dem spanabhebenden Verfahren Metallspäne anfallen und auch eine inhomogene Veränderung der Zahnkopfgeometrie an den Zahnköpfen der nach innen gerichteten Zähne des Statorblechpakets auftritt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sämtliche Rundheitsfehler, die an einem Stator vorhanden sind, in einem Arbeitsschritt korrigiert werden können. Der Stator wird an Haltezonen fixiert und an zwei oder mehreren Verformungszonen kraftgesteuert oder weggesteuert so verformt, dass die Rundheitsfehler möglichst weitgehend beseitigt werden. Da bei Statoren, die auf gleiche Weise unter Verwendung gleicher Materialien hergestellt wurden, die Rundheitsfehler regelmäßig an den gleichen Positionen am Stator auftreten, kann die Durchführung des Verfahrens zum radialen Kalibrieren der Statoren immer in gleicher Weise durchgeführt werden. Das Verfahren muss somit nicht ständig verändert werden, sodass das Verfahren sehr rationell durchgeführt werden kann.
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Insbesondere bei einer kraftgesteuerten Verformung an Verformungszonen ist es vorteilhaft, wenn das Maximalmaß der Verformung begrenzt wird. Damit wird sichergestellt, dass vorhandene Rundheitsfehler nicht durch eine zu starke Verformung überkorrigiert werden.
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Vorzugsweise werden sämtliche Rundheitsfehler, die an einem Stator oder einem sonstigen ringförmigen Bauteil vorhanden sind, durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Bearbeitungsvorgang gleichzeitig korrigiert. Dadurch ergeben sich entsprechend kurze Bearbeitungszeiten für die Durchführung des Verfahrens.
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Das Verfahren kann in sehr vorteilhafter Weise auch dazu verwendet werden, einen Stator oder einen sonstigen ringförmigen Körper an Verformungszonen so zu bearbeiten, dass eine gewünschte Ringform erhalten wird, die gewünschte Ein- oder Ausbuchtungen haben kann. Auf diese Weise kann z.B. an einem Stator ein gewünschtes, von der Drehzahl des Rotors abhängiges Geräuschverhalten erzielt werden.
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Bei der Durchführung des Verfahrens kann ein Werkzeug den Stator zunächst fixieren, sodass dann an den Verformungszonen die vorhandenen Rundheitsfehler gezielt beseitigt werden. Das Werkzeug greift dabei zum Fixieren des Stators vorzugsweise an den Positionen des Stators an, an denen keine Rundheitsfehler vorhanden sind und somit auch keine Verformung durchgeführt werden muss. Der Stator lässt sich somit an diesen nicht zu bearbeitenden Positionen sehr sicher fixieren, sodass die Umformung zum Ausgleich der Rundheitsfehler problemlos auch mit höheren Verformungskräften durchgeführt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 5 hat den Vorteil, dass in einem gleichzeitig durchgeführten Bearbeitungsvorgang sämtliche Rundheitsfehler an einem Stator oder einem sonstigen ringförmigen Bauteil ausgeglichen werden können und somit eine radiale Kalibrierung mit einem sehr geringen Zeitaufwand durchgeführt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug, welches im Wesentlichen aus zwei Werkzeugteilen besteht, besitzt am einen Werkzeugteil Drucksegmente, die in unterschiedlichen radialen Abständen zu einem im Werkzeug einliegenden Stator fixierbar sind. Dadurch lassen sich Verformungszonen festlegen, die eine mehr oder weniger starke Verformung des Stators zulassen.
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Die Drucksegmente können auch an der dem Stator zugewandten Seite konkav oder konvex geformt sein, sodass der Stator in ein konkav geformtes Druckelement eingedrückt werden kann. Ist das Druckelement dagegen konvex geformt, so kann die Wölbung einen entsprechenden radialen Druck auf den Stator ausüben. Durch individuell an vorhandene Rundheitsfehler angepasste Formgebungen an den Drucksegmenten kann eine sehr exakte Korrektur von vorhandenen Rundheitsfehlern vorgenommen werden.
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An einem Innenwerkzeug, welches Teil des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist, können sehr vorteilhaft radial verstellbare Drucklamellen vorgesehen sein, die am Umfang des Innenwerkzeugs parallel zur Längsachse des Innenwerkzeugs verlaufen. Die Drucklamellen können somit an den nach innen gerichteten Zahnreihen angesetzt werden, um einen radialen Druck auf den Stator auszuüben und dadurch eine gewünschte Verformung und eine damit verbundene Korrektur von vorhandenen Rundheitsfehlern vorzunehmen. Es ist möglich, mit den Drucklamellen oder den äußeren Drucksegmenten definiert Formungskräfte auf das Statorpaket wirken zu lassen.
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Das Werkzeug, in welchem der Stator zur Korrektur von Rundheitsfehlern einliegt, kann am Außenwerkzeug einen elastisch verformbaren Haltering haben, in welchem der Stator gehalten wird. Mittels des Innenwerkzeugs kann dann an den Verformungszonen eine gewünschte Korrektur vorhandener Rundheitsfehler vorgenommen werden, indem kraftgesteuert oder weggesteuert eine radial nach außen gerichtete Verformung am Stator durchgeführt wird. Dabei unterstützt der elastisch verformbare Haltering die Verformung dadurch, dass er eine gewisse radial nach außen gerichtete Wölbung am Stator zulässt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen vereinfacht dargestellten Längsschnitt einer elektrischen Maschine,
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2 einen vereinfacht dargestellten Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A von 1,
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3 die Draufsicht auf ein Flachpaket,
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4 die Seitenansicht des in 3 dargestellten Flachpakets,
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5 eine stirnseitige Ansicht eines Stators, der zwischen einem Innenwerkzeug und einem Außenwerkzeug einliegt, und
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6 eine Seitenansicht eines Werkzeugs mit einliegendem Stator.
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Die in 1 dargestellte elektrische Maschine 1 besitzt ein Gehäuse 2, in welchem ein ringförmiger Stator 3 angeordnet ist. Der Stator 3 umschließt einen Rotor 4, dessen Rotorachse 5 beidseitig mittels nicht näher dargestellter Lager 6, 7 drehbar gelagert ist. Der Stator 3 besteht aus einer Vielzahl von Blechlamellen 8, die einzeln aus einem Stahlblech ausgestanzt sein können. Der Stator 3 kann aber auch aus einem Flachpaket, wie es in 3 und 4 dargestellt ist, zu einem Ring, wie in 1 und 2 ersichtlich, gebogen sein.
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In 1 ist auf der Rotorachse 5 ein Kollektor 9 angedeutet, während weitere elektrische Einrichtungen in der vereinfachten Darstellung von 1 nicht eingezeichnet sind.
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In der Schnittansicht von 2 entlang der Schnittlinie A-A von 1 ist insbesondere die ringförmige Ausführung des Stators 3 ersichtlich. Zwischen dem Stator 3 und dem Rotor 4 besteht ein schmaler Luftspalt 10. Für einen optimalen Betrieb der elektrischen Maschine 1 ist es wesentlich, dass der Stator 3 insbesondere an seiner koaxial ausgerichteten Innenseite 11 möglichst keine Rundheitsfehler oder sonstigen Formabweichungen von einer idealen Form hat. Wobei eine ideale Form nicht zwingend eine runde Form sein muss. So kann durch eine gezielt ungleichmäßige Form, z. B. eine Feldschwächung und damit u.U. ein positives Geräuschverhalten erreicht werden.
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Rundheitsfehler treten grundsätzlich bei Statoren auf, auch wenn diese aus Lamellen 8 bestehen, die als Ringscheiben ausgestanzt sind. Aus fertigungstechnischen Gründen werden Statoren jedoch häufig aus Flachpaketen, in die die Statorwicklungen eingesetzt sind, gebogen. Dabei werden die Enden des gebogenen Flachpakets an der Stoßstelle miteinander verschweißt. Eine Ausführung aus mehreren, z. B. vier Scheibensegmenten, ist ebenfalls möglich.
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Ein Flachpaket 12 ist in 3 in der Draufsicht dargestellt. Das Flachpaket 12 besteht aus einer Vielzahl von Blechlamellen 8, die jeweils eine Reihe von Zähnen 13 und Nuten 14 besitzen. In die Nuten 14 werden die Statorwicklungen eingelegt, die jedoch hier der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Am oberen Ende der in 4 dargestellten Zähne 13 befinden sich Zahnköpfe 15, die so gestaltet sind, dass in diesem Bereich die Nuten 14 einen verjüngten Öffnungsbereich haben.
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In 4 ist die Stirnseite 16 des Flachpakets 12 von 3 dargestellt.
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Ein aus einem Flachpaket 12, wie es in 3 und 4 dargestellt ist, gebogener Stator 3 ist mit seiner Stirnseite 17 in 5 ersichtlich. Der Stator 3 liegt in einem Werkzeug 18 ein, welches aus einem Innenwerkzeug 19 und einem Außenwerkzeug 20 besteht. Das Innenwerkzeug 19 besitzt gegen die Innenseite 11 des Stators 3 ausgerichtete Drucklamellen 21. Das Außenwerkzeug 20 besitzt Drucksegmente 22, die sich jeweils über einen Winkelbereich erstrecken und die zumindest teilweise den Stator 3 im Werkzeug 18 fixieren. Beide Druckelemente, die Drucksegmente 22 und die Drucklamellen 21, sind radial verstellbar.
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In 5 sind mehrere Pfeile 34 eingezeichnet, die andeuten, dass die Drucksegmente 22 mit einer radial nach innen gerichteten Kraft von außen gegen den Stator 3 gedrückt werden. Die innen an den Drucklamellen 21 eingezeichneten Pfeile 24 deuten an, dass die Drucklamellen 21 radial nach außen gegen die Innenseite 11 des Stators 3 gedrückt werden können.
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An der koaxial zur Innenseite 11 verlaufenden Außenseite 25 des Stators 3 können die Drucksegmente 22 lediglich zur Fixierung des Stators 3 anliegen oder können auch beispielsweise entsprechend dem Pfeil 23 mit einer höheren Kraft gegen die Außenseite 25 drücken, sodass eine gewünschte Verformung in einer Verformungszone 26 am Stator 3 auftritt.
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Andrerseits können auch die Drucklamellen 21 kraftgesteuert oder weggesteuert entsprechend den Pfeilen 24 an der Innenseite 11 gegen den Stator 3 gedrückt werden, sodass im Bereich der Verformungszone 27 am Stator 3 dieser geringfügig nach außen gedrückt und dadurch geringfügig aufgeweitet wird. Diese Verformungen an den Verformungszonen 26, 27 können so gewählt werden, dass dort vorhandene Rundheitsfehler ausgeglichen werden.
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Um Rundheitsfehler an der Innenseite 11 des Stators 3 auszugleichen, können die Drucksegmente 22 so angeordnet sein, dass diese den Stator 3 mit einer vorgegebenen Kraft fixieren. An den Verformungszonen wird dann, wie an der in 5 dargestellten Verformungszone 27, ein Ausgleich eines Rundheitsfehlers dadurch vorgenommen, dass die korrespondierenden Drucklamellen 21 radial nach außen gegen die Innenseite 11 des Stators 3 gedrückt werden. Die von den Drucklamellen 21 auf den Stator 3 ausgeübte Kraft ist dabei größer als die am gegenüberliegenden Drucksegment 22 ausgeübte Gegenkraft, sodass der Stator 3 in gewünschter Weise verformt und dadurch radial kalibriert werden kann. Sämtliche Rundheitsfehler, die an der Innenseite 11 des Stators 3 vorhanden sind, können in einem einzigen Verformungsvorgang, der an den verschiedenen Verformungszonen gleichzeitig durchgeführt wird, ausgeglichen werden.
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Die Verformung an den Verformungszonen 26, 27 kann durch eine Abstützung mittels der Drucksegmente 22 oder der Drucklamellen 21 auf der den Verformungszonen 26, 27 jeweils gegenüberliegenden Seite des Stators 3 auf ein vorgegebenes Maximalmaß begrenzt werden. Die Drucksegmente 22 oder der Drucklamellen 21 können hierzu an Verformungszonen z. B. in unterschiedlichen radialen Abständen zu einem im Werkzeug 18 einliegenden Stator 3 fixiert werden.
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Das aus Drucksegmenten 22 bestehende Außenwerkzeug 20 kann grundsätzlich auch als nicht segmentierter, elastischer Haltering 35 ausgeführt sein. Eine äquivalente Ausführung kann als inneres Werkzeug einen feststehenden Dorn mit Ausbuchtungen haben, während das äußere Werkzeug aus mehreren Drucksegmenten besteht.
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Die Seitenansicht von 6 zeigt den Aufbau eines Werkzeugs gemäß 5, jedoch mit Einrichtungen zur Betätigung beziehungsweise zur Krafteinleitung an den Drucklamellen 21 und an den Drucksegmenten 22.
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In 6 ist in einer Teilschnittansicht am Innenwerkzeug 19 eine Drucklamelle 21 ersichtlich, die mittels einer durch den Pfeil 24 dargestellten Kraft gegen die Innenseite 11 des Stators 3 gedrückt wird. Der Stator 3 ist hier liegend dargestellt, sodass seine Mittelachse 28 in 6 vertikal verläuft.
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An der der Drucklamelle 21 gegenüberliegenden Außenseite 25 des Stators 3 befindet sich ein Drucksegment 22 mit einer Aussparung 29, die beispielsweise eine konkave Innenwölbung haben kann. Dadurch lässt sich der Stator 3 von der Drucklamelle 21 in einem gewünschten Maße in die Aussparung 29 hineindrücken und dadurch zum Ausgleich eines vorhandenen Rundheitsfehlers entsprechend verformen.
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In der rechten Zeichnungshälfte von 6 ist ebenfalls ein Drucksegment 22 dargestellt, welches jedoch an seiner dem Stator 3 zugewandten Seite 30 konvex gewölbt ist. Damit kann über die Seite 30 des Drucksegments 22 ein entsprechender Verformungsdruck auf den Stator 3 ausgeübt werden, wenn an dem rechten Drucksegment 22 entsprechend der Pfeilrichtung 23 eine ausreichend hohe Kraft ausgeübt wird. Dabei kann die auf das Drucksegment 22 zu übertragende Kraft mittels einer Keilführung 31 übertragen werden, die die beiden Keile 32, 33 umfasst. Dabei kann durch Niederdrücken des Keils 32 auf den Keil 33 eine Kraft übertragen werden, die in Pfeilrichtung 23 auf das Drucksegment 22 wirkt. In gleicher Weise kann auch das auf der linken Seite in 6 dargestellte Drucksegment 22 mittels einer Keilführung 31 betätigt werden.
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Die Drucklamellen 21, wie sie in 5 und in 6 dargestellt sind, fluchten mit den nach innen weisenden Zähnen 13 des Stators 3, sodass der zur Verformung und damit zum Ausgleich von Rundheitsfehlern auf den Stator 3 ausgeübte Druck an der Innenseite 11 über die Zähne 13 auf den Stator 3 übertragen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004058659 A1 [0003]
