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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Wirkelements, nämlich eines Stators oder Ankers für einen Elektromotor, gemäß Anspruch 1, sowie ein elektrisches Wirkelement, nämlich einen Anker oder Stator für einen Elektromotor, gemäß Anspruch 10.
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Stand der Technik
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Elektrische Wirkelemente, nämlich Anker oder Statoren, für Elektromotoren sowie Verfahren zu deren Herstellung sind bekannt. Insbesondere in ABS-/ESP-Bremsregelsystemen werden rotierende Elektromotoren, meist Gleichstrommotoren, und Exzenter verwendet, um meist linear arbeitende Hydraulikpumpenelemente anzutreiben. Diese Hydraulikpumpenelemente fördern ein Betriebsmedium, nämlich Bremsflüssigkeit, über Ventile von beziehungsweise zu Radbremsen der Systeme. Es ist auch möglich, die linearen Hydraulikpumpenelemente unmittelbar durch einen Linearmotor oder Linearaktor anzutreiben, wobei die lineare Bewegung für die Pumpfunktion direkt erzeugt wird. Für Anker und Statoren wird allgemein eine geblechte oder anderweitig segmentierte Bauweise bevorzugt, um Wirbelströme zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Um die elektrischen Wirkelemente in geblechter oder anderweitig segmentierter Bauweise herzustellen, sind meist aufwändige und kostenintensive Verfahren erforderlich.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Wirkelements zu schaffen, welches einfach und kostengünstig ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Wirkelement zu schaffen, welches einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Wirkelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dabei wird das elektrische Wirkelement in geblechter Bauweise durch Umformen von wenigstens einem Blechelement hergestellt. Daraus resultiert ein besonders einfaches Herstellungsverfahren, wobei bevorzugt das elektrische Wirkelement durch Umformen des wenigstens einen Blechelements ohne nachfolgend notwendige Montage hergestellt wird. Hierdurch können Kosteneinsparungen erzielt werden, weil keine Werkzeug- und Logistikkosten durch die Herstellung, Zwischenlagerung und Montage entstehen.
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Bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher das elektrische Wirkelement durch gemeinsames Umformen einer Mehrzahl von Blechelementen hergestellt wird. Diese Ausführungsform beinhaltet besonders große Kostenpotentiale, weil statt einer Montage einer Vielzahl, gegebenenfalls nur leicht verschieden geformter Bleche eine Herstellung durch gemeinsames Umformen einer Mehrzahl von Blechelementen erfolgt, was weniger aufwändig ist, weil eine Vielzahl von Herstellschritten für die einzelnen Bleche, Zwischenlagerungsschritte und Montageschritte entfallen.
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Besonders wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Mehrzahl von Blechelementen gemeinsam tiefgezogen wird. Das elektrische Wirkelement wird besonders bevorzugt durch gemeinsames Tiefziehen aller Blechelemente hergestellt, sodass nachfolgend keine Montageschritte mehr nötig sind. Beim gemeinsamen Tiefziehen einer Mehrzahl von Blechen bildet ein näher am Tiefziehwerkzeug liegendes Blech die Werkzeugform für das nächste, darüber liegende Blech aus. Dadurch sind Werkzeugkosten für verschiedene Werkzeugformen einsparbar. Statt einer Mehrzahl von Verfahrensschritten wird die Herstellung des elektrischen Wirkelements auf einen Verfahrensschritt reduziert, insbesondere wenn alle Blechelemente gemeinsam tiefgezogen werden. Bevorzugt wird das elektrische Wirkelement durch gemeinsames Tiefziehen einer Mehrzahl von Ringblechen hergestellt. Dabei weisen die Ringbleche bereits im nicht umgeformten Zustand eine zentrale Aussparung auf, die später – je nach konkreter Ausbildung des elektrischen Wirkelements als Stator oder Anker – zur Anordnung eines Ankers oder eines Ankerträgers in dem zusammengebauten Elektromotor dient. Diese zentrale Aussparung muss dann nicht zusätzlich in das elektrische Wirkelement eingebracht werden. Daher bilden Ringbleche eine besonders günstige Ausgangsgeometrie zur gemeinsamen Umformung, wodurch wiederum Kostenvorteile entstehen und die Herstellung vereinfacht wird.
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Vorzugsweise weist das fertig hergestellte elektrische Wirkelement eine geometrische Form auf, die im Wesentlichen – im Längsschnitt gesehen – durch gedachte Rotation oder Extrusion eines U-förmigen Rotationsprofils um eine Rotationsachse gewonnen wird. Das elektrische Wirkelement ist also U-förmig rotationssymmetrisch zur Rotations- oder Längsachse aufgebaut. Eine solche Geometrie ist besonders einfach im Rahmen des Verfahrens herstellbar.
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Es wird besonders eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher das elektrische Wirkelement durch Verbinden zweier Teilelemente fertiggestellt wird, wobei zumindest eines der Teilelemente durch gemeinsames Tiefziehen einer Mehrzahl von Blechelementen hergestellt wird. Die beiden Teilelemente können Hälften des elektrischen Wirkelements sein, wobei dann bevorzugt beide Hälften durch gemeinsames Tiefziehen einer Mehrzahl von Blechronden hergestellt werden.
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Es ist auch möglich, dass die zwei Teilelemente keine Hälften bilden, sondern anderweitig, also nicht hälftig, aufgeteilt sind. Insbesondere kann eine außermittige oder unsymmetrische Aufteilung des elektrischen Wirkelements in zwei Teilelemente erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, Blechronden mit tiefem, mittigem Einzug mit ebenen Blechscheiben zu kombinieren, um die Zielgeometrie herzustellen. Dies wird insbesondere für einen Anker bevorzugt. Für einen Stator ist es möglich, getopfte Blechronden mit ebenen Blechscheiben zu kombinieren, um die Zielgeometrie herzustellen.
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Die Teilelemente des elektrischen Wirkelements sind bevorzugt nicht komplett getrennt, sondern weisen beispielsweise im Bereich ihrer oben liegenden Deckbleche oder auch weiterer Bleche Überstände, Verzahnungen und/oder Überdeckungen mit dem jeweils anderen Teilelement auf. Hierdurch kann eine möglichst spielfreie Berührung – bevorzugt sogar mit einstellbarer Vorspannung – der Teilelemente im Bereich ihrer Stirnflächen erzielt werden, um eine optimale Leitung des Magnetflusses zu erreichen.
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Vorzugsweise wird ein als Anker ausgebildetes elektrisches Wirkelement aus zwei Hälften oder Teilelementen hergestellt. Gemäß einer Ausführungsform ist es möglich, dass jede Hälfte aus einer Mehrzahl ineinandersteckender Blechronden mit mittigem Einzug ausgebildet ist. Dabei bildet im Herstellungsverfahren bevorzugt jeweils eine Blechronde die Werkzeugform für die nächste Blechronde aus. Vorzugsweise werden die Blechronden der beiden Hälften durch Rohrstücke und/oder weitere Blechronden mit mittigem Einzug miteinander verbunden, wobei diese ebenfalls gemeinsam mit den Blechronden der beiden Hälften umgeformt werden, oder aber wobei diese nachträglich auf die gemeinsam umgeformten Blechronden montiert, insbesondere aufgepresst werden.
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Auch für ein als Stator ausgebildetes elektrisches Wirkelement ist bevorzugt eine Herstellung in zwei Hälften oder Teilelementen vorgesehen. Hierdurch ist eine innenliegende Drahtwicklung besonders einfach zugänglich. Eine derart hergestellte Statorform kann die Zielgeometrie sehr gut abbilden, auch wenn vergleichsweise dicke Bleche verwendet werden. Durch Verwendung einer Vielzahl dünner Bleche ist eine Optimierung bezüglich der Geometrienachbildung und einer Magnetflussleistung möglich. Im Rahmen der Herstellung des Stators wird aus einer Mehrzahl übereinanderliegender Blechronden bevorzugt eine topfartige Einzelblechgeometrie erzeugt, wobei eine Blechlage die Werkzeugform für eine darüber liegende Blechlage bildet.
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Es ist möglich, dass zur Herstellung verwendete Blechelemente Durchbrüche aufweisen, insbesondere wenn diese zur Herstellung eines Stators verwendet werden. Die Durchbrüche können dabei zur Durchleitung einer Wicklung dienen.
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Alternativ ist es möglich, entsprechende Durchbrüche nachträglich in das fertige elektrische Wirkelement einzubringen.
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Unabhängig von der konkreten Ausbildung oder Herstellung des elektrischen Wirkelements sind die einzelnen Bleche bevorzugt zueinander isoliert. Insbesondere sind die flachen Seiten der Bleche bevorzugt zueinander isoliert. Dies dient der Vermeidung von Ausgleichsströmen innerhalb der geblechten Geometrie.
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Durch gemeinsames Umformen, insbesondere gemeinsames Tiefziehen einer Mehrzahl von Blechelementen ist es insbesondere möglich, das elektrische Wirkelement mit Blechen auszubilden, ohne sonst übliche Verkettungslemente oder sonstige Verbindungselemente vorsehen zu müssen. Vielmehr kann auf eine Verkettung – die sonst üblicherweise durch Stanzpaketierung verwirklicht wird – vollständig verzichtet werden. Hierdurch wird ein zusätzlicher Herstellungsschritt eingespart, wodurch sich ein Kosteneinsparungspotential ergibt.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das elektrische Wirkelement durch Rollen und/oder Biegen von wenigstens einem Blechelement hergestellt wird. Dabei werden die Herstellungskosten verringert, weil weniger Teile als bei üblicherweise in geblechter Form aufgebauten elektrischen Wirkelementen hergestellt und verwaltet werden müssen. Insbesondere durch spanloses Rollen oder Biegen kann eine gute Werkstoffausnutzung erzielt werden und somit ein hoher Wirkungsgrad. Die Zugänglichkeit eines als Stator ausgebildeten elektrischen Wirkelements für die Montage der innenliegenden Drahtwicklung wird verbessert. Einstellungen von Funktion und/oder Toleranzausgleich sind während des Montageprozesses möglich.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das elektrische Wirkelement durch spiralförmiges Aufrollen von genau einem Blechband oder Blechstreifen hergestellt. Es wird also ein einziger Blechstreifen spiralförmig aufgewickelt. Dabei wird vorzugsweise ein einseitig gezackter Blechstreifen verwendet, wobei die Zackenlänge entlang der Längserstreckung des Blechstreifens variiert, um die im Längsschnitt U-förmige Geometrie des Rotationsprofils auszubilden. Beim spiralförmigen Aufwickeln des Stators werden Zackenkanten der Zacken aneinandergelegt, wobei die entstehende, geschlossene Struktur abhängig von der Zackenlänge mehr oder weniger weit radial nach innen vorsteht. Auf diese Weise werden im Bereich längerer Zacken Schenkel der U-förmigen Geometrie ausgebildet, wobei im Bereich kürzerer Zacken ein Verbindungssteg der U-förmigen Geometrie hergestellt wird, welcher die beiden Schenkel verbindet. Auf diese Weise ist insbesondere sehr einfach und kostengünstig ein Stator mit im Längsschnitt U-förmiger Geometrie herstellbar. Es ist möglich, dass die Zacken beim Wickeln gerade passend auf die momentan zu wickelnde Geometrie hergestellt, insbesondere gestanzt, werden. Alternativ ist es möglich, dass die Zacken in einem vorhergehenden Fertigungsschritt vollständig entlang der Länge des Blechstreifens einseitig vorgesehen werden, wobei ohne Weiteres durch gedankliches Abwickeln der Zielgeometrie bestimmt werden kann, welche Zackenlänge in welchem Abschnitt des Blechstreifens erzeugt werden muss, um nach dem Aufwickeln des Blechstreifens die Zielgeometrie zu erhalten. Wie bereits angedeutet, legen sich beim Aufwickeln die Kanten der Zacken aneinander und schließen so – in Umfangsrichtung gesehen – die Geometrie lückenlos.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das elektrische Wirkelement durch gemeinsames Biegen oder Rollen einer Mehrzahl von Blechelementen hergestellt wird. Dabei ist gemäß einer ersten Alternative vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Blechelementen übereinander angeordnet und miteinander verbunden werden, wobei die Blechelemente um eine senkrecht auf einer Blechebene stehende Rollachse aufgerollt werden. Dabei spricht der Begriff „Blechebene“ hier die Ebene an, in welcher sich die im Wesentlichen flachen Blechelemente hauptsächlich erstrecken. Eine Ausdehnung der Blechelemente senkrecht zu der Blechebene ist viel kleiner als die Ausdehnung der Blechelemente in der Blechebene.
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Um beispielsweise eine im Längsschnitt U-förmige Geometrie eines Stators herzustellen, werden ebene, rechteckförmige Blechstreifen gleicher Länge in zwei verschiedenen Breiten hergestellt, die an einer Längsseite gezackt sind. Dabei reicht der Zackungsgrund vorzugsweise bis zur anderen Längsseite. Diese Blechstreifen werden nun derart aufeinander gestapelt, dass zuerst breite Blechstreifen zusammen angeordnet werden, auf denen dann schmale Blechstreifen angeordnet werden. Schließlich wird auf dieses so entstehende Paket wieder eine Mehrzahl breiter Blechstreifen angeordnet. Die breiten Blechstreifen bilden Seiten des Stators beziehungsweise Schenkel der U-förmigen Geometrie, während die schmalen Blechstreifen das Statorjoch beziehungsweise den Verbindungssteg der U-förmigen Geometrie ausbilden.
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Vorzugsweise weisen die Blechstreifen Durchbrüche, beispielsweise Bohrungen auf, mithilfe derer sie aneinander befestigt werden. Nach fertiggestellter Stapelung aller Blechstreifen werden diese miteinander verbunden, vorzugsweise, indem die Durchbrüche mit Nieten durchsetzt werden, indem die Blechstreifen miteinander verklebt, und/oder indem die Blechstreifen miteinander verkettet werden, beispielsweise durch Stanzpaketierung. Das so gebildete Blechpaket wird nun um eine Rollachse aufgerollt, die senkrecht auf der Blechebene der einzelnen Bleche steht. Dabei ist es bevorzugt möglich, dass auf die Längsseite des Blechpakets, welche gezackt ist, eine fertig gewickelte Drahtspule aufgelegt wird, wobei das Blechpaket um die Drahtspule herumgewickelt beziehungsweise aufgerollt wird. Dabei erleichtern die Zacken der Blechstreifen diesen Biegevorgang, sodass nur sehr wenig Verformungsarbeit geleistet werden muss. Schließlich werden die zusammentreffenden Blechstreifen-Enden wahlweise miteinander verbunden, beispielsweise durch einen Schweißprozess oder andere geeignete Verbindungsmethoden wie Löten, Kleben oder ähnliches.
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Bei dem zuvor dargestellten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass alle breiten Blechstreifen identisch ausgebildet sind. Alternativ ist es möglich, dass für die beiden Seiten des Stators beziehungsweise die Schenkel der U-förmigen Geometrie verschiedene, breite Blechstreifen verwendet werden, wobei eine erste Gruppe wenigstens einen Durchbruch zur Durchleitung einer Drahtwicklung oder des Wicklungsträgers nach außerhalb des Stators aufweist, während eine zweite Gruppe keinen solchen Durchbruch aufweist.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Blechelementen abnehmender Größe pyramidal gestuft übereinander angeordnet wird. Die Blechelemente werden miteinander verbunden, und um eine parallel zu einer Blechebene ausgerichtete Biegeachse zu einer geschlossenen, ringförmigen Geometrie umgebogen. Die Blechelemente werden hier also nicht um ihre Längsseite, sondern um ihre Flachseite gebogen, wobei sie pyramidal gestuft übereinander angeordnet werden, um die nach radial innen kleiner werdenden Umfangslinien einerseits sowie die verschiedenen Breiten der Bleche aufgrund der U-förmigen Geometrie des Rotationsprofils zu berücksichtigen. Dabei müssen die äußeren beziehungsweise im Stapel unteren Blechelemente länger sein, weil sie in der fertigen Geometrie einen größeren Umfang bilden müssen, wobei sie zugleich breiter sein müssen, weil sie zur Ausbildung der U-förmigen Geometrie des Rotationsprofils eine größere Strecke überbrücken müssen als die innenliegenden Bleche. Entsprechend müssen die Bleche eine abnehmende Länge und Breite aufweisen, je weiter sie nach innen angeordnet sind, beziehungsweise je weiter oben sie auf dem Blechstapel angeordnet sind, der schließlich durch Biegen um die Biegeachse zu der geschlossenen, ringförmigen Geometrie umgebogen wird. Die Blechstreifen werden bevorzugt miteinander verbunden, besonders bevorzugt miteinander verkettet, insbesondere durch Stanzpaketierung. Es ist auch möglich, dass die einzelnen Blechstreifen miteinander verklebt oder in anderer geeigneter Weise miteinander verbunden werden. Dabei wird allerdings bevorzugt, dass eine Verbindung der Blechelemente derart bewirkt wird, dass diese sich zumindest geringfügig noch beim Biegen relativ zueinander verschieben können, um Ausgleichsbewegungen zu ermöglichen.
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Wie bereits angedeutet, wird besonders ein Verfahren bevorzugt, bei welchem randseitig gezackte Blechelemente verwendet werden, wobei dies sowohl bevorzugt wird, wenn eine Mehrzahl von Blechelementen um eine senkrecht auf einer Blechebene stehende Rollachse aufgerollt wird, als auch wenn eine Mehrzahl pyramidal übereinander gestufter Blechelemente um eine parallel zu einer Blechebene ausgerichtete Biegeachse umgebogen wird.
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Im Rahmen der zuletzt angesprochenen Ausführungsform werden bevorzugt ebene Blechstreifen in grob rechteckiger Form mit Zacken an beiden Längsseiten hergestellt. Diese werden pyramidal gestuft übereinander angeordnet und zu einer geschlossenen, rohrförmigen Geometrie umgebogen. Die Zacken weise dann nach dem Umbiegen an der Breitseite der ringförmigen Geometrie beziehungsweise in Richtung der Längsachse in beiden Richtungen nach außen.
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Besonders bevorzugt werden die Zacken nach dem Biegen umgefaltet. Dadurch werden die Schenkel der U-förmigen Geometrie ausgebildet, wobei sich beim Umfalten die Zackenkanten der Zacken aneinander legen und so die Ringform des U-förmigen Rotationsprofils – in Umfangsrichtung gesehen – schließen.
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Es ist möglich, dass zuerst die Zacken einer Längsseite – vor oder nach dem Biegen der Blechelemente – umgebogen werden, wobei anschließend eine fertiggewickelte Drahtspule eingelegt wird, wobei dann die Zacken der anderen Seite in Richtung der Rotationsachse umgebogen werden, um die Drahtspule zu fixieren.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Mehrzahl der pyramidal gestuft übereinander angeordneten Blechelemente bereits um eine fertig gewickelte Drahtspule herumgebogen wird, wobei dann die Zacken auf den beiden Längsseiten in Richtung der Rotations- oder Biegeachse umgefaltet werden.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Zacken des noch nicht umgebogenen Stapels der Blechelemente zuerst hochgebogen werden, wobei der Stapel anschließend gebogen, besonders bevorzugt um eine eingelegte, fertig gewickelte Drahtspule gebogen beziehungsweise aufgerollt wird.
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Weiter alternativ ist es möglich, dass nur einseitig gezackte Blechstreifen pyramidal gestuft übereinander angeordnet werden. Diese werden dann bevorzugt um eine fertig gewickelte Drahtspule oder um einen Dorn gebogen. Anschließend wird gegebenenfalls die Drahtspule in die noch offene Seite des elektrischen Wirkelements eingeschoben, besonders bevorzugt, nachdem die Zacken auf der einen Seite umgebogen wurden. Die noch offene Seite des elektrischen Wirkelements wird dann anderweitig verschlossen, beispielsweise mit einer Anordnung von Blechelementen, die um eine senkrecht auf einer Blechebene stehende Rollachse aufgerollt sind, oder durch Ringbleche oder Blechronden. Diese zusätzlichen Blechelemente werden in geeigneter Weise mit der zunächst umgebogenen oder aufgerollten Geometrie verbunden.
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Aus den zuvor gegebenen Erläuterungen ist bereits deutlich geworden, dass insbesondere allgemein auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt wird, bei welcher die Blechelemente um eine fertiggewickelte Drahtspule gerollt oder gebogen werden. In diesem Fall bedarf es keines zusätzlichen Dorns oder Werkzeugteils, um die aufzurollende Geometrie, insbesondere einen Biegeradius, vorzugeben, sondern es wird vielmehr die ohnehin benötigte Drahtspule verwendet, was zusätzliche Kostenvorteile und einen verringerten logistischen Aufwand mit sich bringt.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein elektrisches Wirkelement mit den Merkmalen des Anspruchs 10 geschaffen wird. Dieses ist als Anker oder Stator für einen Elektromotor ausgebildet. Das elektrische Wirkelement ist durch gemeinsames Umformen einer Mehrzahl von Blechelementen, insbesondere durch gemeinsames Tiefziehen, oder alternativ durch gemeinsames Biegen oder Rollen eine Mehrzahl von Blechelementen hergestellt. Alternativ ist es möglich, dass das elektrische Wirkelement durch spiralförmiges Aufrollen eines einzelnen Blechbands oder Blechsteifens hergestellt ist. Für das elektrische Wirkelement verwirklichen sich damit die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Das elektrische Wirkelement ist besonders bevorzugt ausgebildet als Anker oder Stator für einen Linearmotor oder Linearaktor. Bevorzugt ist es ausgebildet zur Verwendung in einem ABS-/ESP-System, oder in einem Bremssystem für die Bremsenergie-Rekuperation. Auch ein anderer Einsatz des elektrischen Wirkelements ist möglich, insbesondere ist es möglich, dieses in einem Leistungswerkzeug, einem Hausgerät, in der Industrietechnik, Gebäudetechnik und/oder in Gebrauchsgütern zu verwenden.
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Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und des elektrischen Wirkelements andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale des elektrischen Wirkelements, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des elektrischen Wirkelements. In analoger Weise sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit elektrischen Wirkelement beschreiben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Das elektrische Wirkelement zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist. In analoger Weise zeichnet sich das Verfahren bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal des elektrischen Wirkelements bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher definiert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Verfahrens;
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2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines elektrischen Wirkelements;
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3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens;
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4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines elektrischen Wirkelements;
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5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Verfahrens;
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6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des elektrischen Wirkelements;
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7 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des Verfahrens, und
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8 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines elektrischen Wirkelements 1, hier konkret eines Ankers 3 für einen Elektromotor. Im Rahmen der dargestellten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Anordnung 5 einer Mehrzahl von Blechelementen 7, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen hier nur eines mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet ist, durch Tiefziehen mittels eines schematisch angedeuteten Tiefziehwerkzeugs 9 hergestellt. Dabei werden Blechronden mit mittigen Einzug 11 erzeugt, wobei stets ein unteres Blechelement 7 als Werkzeugform für ein darüber angeordnetes, weiteres Blechelement 7 wirkt. Im Bereich des mittigen Einzugs 11 weist der Anker 3 einen Durchbruch 13 auf, durch den in montiertem Zustand ein Ankerträger geführt ist.
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Auf dem mittigen Einzug 11 werden zur Annäherung an eine gewünschte Zielgeometrie, die ein – im Längsschnitt gesehen – U-förmiges Rotationsprofil umfasst, weitere Blechelemente angeordnet, insbesondere zylindrische Blechelemente oder Rohrstücke 15 sowie zusätzliche Blechronden 17 mit mittigem Einzug. Es ist möglich, dass diese zusätzlichen Rohrstücke 15 und Blechronden 17 in dem Tiefziehprozess gemeinsam mit den Blechelementen 7 an dem Anker 3 angeordnet und/oder umgeformt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass sie nach dem gemeinsamen Umformen der Blechelemente 7 auf dem Anker 3 montiert werden.
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Im Rahmen der Ausführungsform des Verfahrens gemäß 1 wird ein erstes Teilelement 18, hier eine erste Ankerhälfte 19 hergestellt. In identischer Weise wird ein in 2 dargestelltes zweites Teilelement 20, hier eine zweite Ankerhälfte 21 hergestellt. Diese wird schließlich mit der ersten Ankerhälfte 19 verbunden. Dabei ist es möglich, dass die beiden Ankerhälften 19, 21 miteinander verschweißt oder verlötet werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Blechelemente 7 mit ihrem mittigen Einzug 11 in ein längeres Rohrstück 15 eingepresst werden, und zwar die mittigen Einzüge 11 beider Ankerhälften 19, 21 von verschiedenen Seiten in ein gemeinsames Rohrstück 15. Auf diese Weise ist es möglich, eine Pressverbindung zwischen den Ankerhälften 19, 21 zu bewirken.
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2 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines elektrischen Wirkelements 1, hier insbesondere eines Ankers 3, der hergestellt ist aus zwei Teilelementen 18, 20, hier nämlich zwei Ankerhälften 19, 21, die ihrerseits hergestellt sind mit der Ausführungsform des Verfahrens nach 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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In 2 ist klar die im Längsschnitt U-förmige Geometrie eines beispielsweise oberhalb einer Rotationsachse A angeordneten Bereichs des Ankers 3 zu erkennen, wobei die Geometrie des gesamten Ankers 3 erhalten wird, indem dieses U-förmige Profil gedanklich um die Rotationsachse A rotiert beziehungsweise extrudiert wird.
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Dabei nähert sich die geblechte Bauweise möglichst gut der anzustrebenden Zielgeometrie an. Dabei ist zu beachten, dass in den Figuren die für die geblechte Bauweise des elektrischen Wirkelements 1 verwendeten Bleche übertrieben dick dargestellt sind. In der Praxis werden bevorzugt wesentlich dünnere Blechelemente 7 verwendet, wobei zugleich bevorzugt sehr viel mehr Blechelemente 7 sowie Rohrstücke 15 und Blechronden 17 eingesetzt werden, wodurch eine deutliche bessere Annäherung an die Zielgeometrie erhalten wird. Generell kann die Zielgeometrie umso besser angenähert werden, je mehr und je dünnere Bleche verwendet werden. Darüber hinaus ist es möglich, dass freibleibende Hohlvolumina in dem elektrischen Wirkelement 1 mit Magnetpulver gefüllt werden, um die magnetische Leitfähigkeit zu verbessern.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. In 3 wird analog zu der Darstellung gemäß 1 eine Hälfte eines elektrischen Wirkelements 1 hergestellt, welches hier als Stator 23 ausgebildet ist. Dabei wird wiederum eine Anordnung 5 aus Blechelementen 7 gemeinsam umgeformt, wobei hier zwischen einem Unterwerkzeug 9.1 und einem Oberwerkzeug 9.2 durch gemeinsames Tiefziehen der Anordnung 5 eine getopfte Form für ein erstes Teilelement 18, hier eine erste Statorhälfte 25 erzeugt wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines elektrischen Wirkelements 1 im Längsschnitt. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei sind hier die erste Statorhälfte 25 gemäß 3 und ein zweites Teilelement 20, hier eine zweite, genauso hergestellte Statorhälfte 27, zu dem Stator 23 zusammengefügt beziehungsweise verbunden, vorzugsweise durch Löten, Schweißen, Kleben, formschlüssig und/oder kraftschlüssig, oder in sonstiger geeigneter Weise. Der Stator 23 weist einen zentralen Durchbruch 29 auf, in dem in montiertem Zustand ein Anker 3 verlagerbar angeordnet ist.
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Aus 4 wird auch deutlich, dass der Stator 23 bevorzugt eine Geometrie aufweist, welche auf einem – im Längsschnitt gesehen – U-förmigen Rotationsprofil basiert, welches besonders gut unterhalb der Rotationsachse A im unteren Teil von 4 erkennbar ist. Die gesamte Geometrie des Stators 23 wird dann erhalten, indem dieses Profil gedanklich um die Rotationsachse A rotiert beziehungsweise extrudiert wird. Auch im Fall des Stators 23 ist eine Annäherung an die gewünschte Zielgeometrie durch Verwendung einer möglichst großen Zahl von möglichst dünnen Blechen umso besser möglich, je größer die Zahl der Bleche ist, und je dünner diese sind.
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Das U-förmige Rotationsprofil weist zwei Schenkel 31, 31‘ sowie einen die beiden Schenkel 31, 31‘ verbindenden Verbindungssteg 33 auf.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des Verfahrens. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insoweit auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dargestellt ist hier ein Blechband oder Blechstreifen 35, der an seiner in 5 rechten Längsseite eine Mehrzahl von Zacken 37 aufweist, wobei der besseren Übersichtlichkeit wergen nur ein Zacken mit dem Bezugszeichen 37 gekennzeichnet ist. Insgesamt ist der Blechstreifen 35 gemäß 5 demnach einseitig gezackt ausgebildet, wobei ein Zackungsgrund 39 fast bis zu einer gegenüberliegenden Längsseite, nämlich der in 5 linken Längsseite des Blechstreifens 35 reicht. Der Blechstreifen 35 weist Durchbrüche 41 auf, durch welche zur Befestigung einer Mehrzahl von Blechstreifen 35 aneinander Nieten geführt werden können. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist hier nur ein Durchbruch mit dem Bezugszeichen 41 gekennzeichnet.
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Um einen Stator 23 mit der Geometrie gemäß 4 herzustellen, wird bei der in 5 dargestellten Ausführungsform des Verfahrens eine Mehrzahl von Blechstreifen 35 übereinander gestapelt, wobei Blechebenen 43 der Blechstreifen 35 in 5 dem Betrachter zugewandt beziehungsweise parallel zur Bildebene von 5 orientiert sind. Die Blechstreifen 35 werden mit verschiedener Breite hergestellt, wobei für die Schenkel 31, 31‘ des Stators 23 breitere Blechstreifen verwendet werden, als für den Bereich des Verbindungsstegs 33. Demnach werden zuerst breite Blechstreifen 35 übereinandergelegt, anschließend werden auf diesen schmalere Blechstreifen 35 angeordnet, auf welche dann wiederum breite Blechstreifen 35 aufgelegt werden. Schließlich werden die Blechstreifen 35 vorzugsweise durch Nieten miteinander verbunden, welche die Durchbrüche 41 durchgreifen. Die Anordnung von Blechelementen 7 beziehungsweise von Blechstreifen 35 wird dann um eine senkrecht auf der Blechebene 43 stehende Rollachse aufgerollt, wie dies in 5 durch einen Pfeil P schematisch dargestellt ist. Vorzugsweise wird in die Anordnung 5 der Blechelemente 7 eine fertiggewickelte Drahtspule 45 eingelegt, und die Blechstreifen 35 werden um die Drahtspule 45 gerollt oder gebogen.
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6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Wirkelements 1, hier insbesondere des Stators 23, der mithilfe der Ausführungsform des Verfahrens gemäß 5 hergestellt ist.
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In 6a) ist ein Niet 47 dargestellt, mit dem die Anordnung von Blechelementen 7 beziehungsweise Blechstreifen 35 verbunden ist. Dabei ist in 6a) ohne weiteres auch erkennbar, dass zur Herstellung des Stators 23 verschiedene Blechstreifen 35 mit verschiedener Breite verwendet wurden, wobei die Schenkel 31, 31‘ aus breiten Blechstreifen hergestellt sind, wobei der Verbindungssteg 33 durch schmale Blechstreifen gebildet ist.
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6b) zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang einer Linie B-B durch den Stator 23 gemäß 6a). Dabei ist durch strahlenförmige, sich in radialer Richtung erstreckende Linien dargestellt, dass nun die in 5 erkennbaren Kanten der Zacken 37, oder Zackungsflanken 49 in aufgerolltem Zustand aneinander liegen, sodass eine in Umfangsrichtung geschlossene Geometrie ausgebildet ist.
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Ein gleiches zeigt sich für eine in 6c) dargestellte schematische Schnittansicht entlang einer Linie C-C des Stators 23 gemäß 6a).
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7 zeigt eine vierte Ausführungsform des Verfahrens. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist in 7a) zu erkennen, dass hier eine Anordnung von pyramidal gestuft übereinander angeordneten Blechelementen 7 geschaffen wird, wobei die Draufsicht gemäß 7b) zeigt, dass die Blechelemente 7 von unten nach oben sowohl bezüglich ihrer Länge als auch bezüglich ihrer Breite gestuft abnehmen. Dabei sind die einzelnen Blechelemente 7 beziehungsweise Blechstreifen 35 beidseitig entlang ihrer Längsseiten gezackt, weisen also an beiden Längsseiten Zacken 37 auf, deren Größe ebenfalls in gleichem Maße wie die Länge und Breite der Blechstreifen 35 von unten nach oben abnimmt.
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In 7c) ist schematisch dargestellt, dass die Anordnung 5 – vorzugsweise nachdem die Blechstreifen 35 miteinander verbunden wurden, um eine parallel zu der Blechebene 43 ausgerichtete Biegeachse zu einer geschlossenen, ringförmigen Geometrie umgebogen wird, was hier schematisch wiederum durch einen Pfeil P dargestellt ist. Vorzugsweise wird auch hier eine fertiggewickelte Drahtspule 45 auf die Anordnung 5 auf- oder in diese eingelegt, wobei die Anordnung 5 dann um die Drahtspule 45 herumgebogen wird.
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Die Zacken 37 werden schließlich zur Mittelachse beziehungsweise Rotationsachse A hin umgebogen und bilden so die Schenkel 31, 31‘ des Stators 23, sodass wiederum die – im Längsschnitt gesehene – U-Form des Rotationsprofils des Stators 23 gebildet wird. In umgebogenem Zustand berühren sich wiederum die Zackenflanken 49, sodass eine in Umfangsrichtung geschlossene Geometrie erhalten wird.
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Es ist möglich, dass die Zacken 37 zuerst umgebogen werden, bevor die Anordnung 5 insgesamt umgebogen wird. Alternativ ist es möglich, dass zuerst die Anordnung 5 um die Biegeachse umgebogen wird, und dass die Zacken 37 danach zur Biege- oder Rotationsachse A hin umgebogen werden. Weiterhin ist es möglich, dass zunächst einseitig die Zacken 37 an einer der Längsseiten der Anordnung 5 umgebogen werden, wobei danach die fertiggewickelte Drahtspule 45 an die umgebogenen Zacken angelegt und die Anordnung 5 um die Biegeachse umgebogen wird, wobei schließlich die Zacken der anderen Längsseite umgebogen werden, um die Drahtspule 45 in dem Stator 23 zu fixieren.
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Die von unten nach oben abnehmende Länge und Breite der Blechstreifen 35 trägt der zu erzielenden Zielgeometrie des Stators 23 mit radial nach innen abnehmendem Umfang sowie im inneren Bereich kürzeren Weg von einem Ende eines Schenkels 31 bis zu einem gegenüberliegenden Ende des Schenkels 31‘ Rechnung.
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8 zeigt schließlich eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des Verfahrens. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Im Rahmen dieser Ausführungsform des Verfahrens wird der Stator 23 erzeugt, indem ein einziger, entsprechend lang ausgebildeter Blechstreifen 35 – wie durch einen Pfeil P dargestellt – spiralförmig aufgewickelt wird, vorzugsweise um eine fertiggewickelte Drahtspule 45. Dabei ist der Blechstreifen 35 einseitig gezackt ausgebildet, weist also Zacken 37 auf, deren Höhe jedoch entlang des Blechstreifens 35 variiert. Dadurch ist es möglich, beim spiralförmigen Aufwickeln die U-förmige Längsschnittgeometrie des Stators 23 herzustellen, wobei die Schenkel 31, 31‘ durch Bereiche des Blechstreifens 35 mit längeren Zacken 37.1 gebildet werden, wobei der Bereich des Verbindungsstegs 33 durch einen Bereich des Blechstreifens 35 gebildet wird, welcher kürzere Zacken 37.2 aufweist. Beim spiralförmigen Aufwickeln legen sich wiederum die Zackungsflanken 49 aneinander an, sodass insgesamt eine in Umfangsrichtung geschlossene Geometrie erzeugt wird.
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Schließlich wird die spiralige Aufwicklung des Blechstreifens 35 bevorzugt fixiert, indem Nieten durch miteinander fluchtende Durchbrüche 41 geführt werden. Selbstverständlich sind auch andere Möglichkeiten der Fixierung denkbar.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens auf einfache und kostengünstige Weise ein elektrisches Wirkelement 1 in geblechter Bauweise für einen Elektromotor herstellbar ist.
