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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blechpaket für eine elektrische Maschine, eine derartige elektrische Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Blechpakets mit Magnetelementen.
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Bei elektrischen Maschinen finden gestapelte Blechpakete beispielsweise am Rotor und/oder Stator Verwendung. Bei derartigen Blechpaketen sind häufig Magnettaschen vorgesehen, um z.B. Permanentmagnete aufzunehmen. Hierbei muss eine Position der Permanentmagnete in den Magnettaschen auch nach einem Auswuchten über die gesamte Lebenszeit der elektrischen Maschine sichergestellt werden. Die Permanentmagnete werden mittels verschiedener Verfahren in der Serienfertigung fixiert. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, die Permanentmagnete in den Magnettaschen des Blechpakets mittels eines Klebstoffs einzukleben. Hierbei ist es vorteilhaft, dass der Permanentmagnet kraftlos in die Magnettasche eingelegt werden kann. Das zugehörige Herstellverfahren ist allerdings relativ aufwändig, da der Klebstoff in einem Ofen ausgehärtet werden muss und keine genaue Positionierung der Magnetelemente möglich ist. Alternativ können die Magnetelemente in den Magnettaschen mittels eines zusätzlichen Verstemmelements verstemmt werden. Hierbei muss jedoch eine zusätzliche Aussparung an der Magnettasche für ein Verstemmelement vorgesehen werden, welche zu Eisenverlusten des Blechpakets führt. Ferner ergibt sich durch den Verstemmvorgang eine punktuelle Belastung der Magnetelemente, so dass eine Beschädigung auftreten kann. Weiterhin ist es bekannt, zum Transport von Blechpaketen eine sogenannte Paketiernaht vorzusehen, welche die Vielzahl von Einzelblechen miteinander in axialer Richtung verbindet. Eine derartige Paketiernaht ist dabei am äußeren Umfang des Blechpakets vorgesehen und als Wärmeleitnaht ausgeführt und in der montierten elektrischen Maschine funktionslos.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Blechpaket für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine dauerhafte Fixierung eines Magnetelements in einer Magnettasche des Blechpakets auf einfache und kostengünstige Weise möglich ist. Die Fixierung wird erfindungsgemäß durch das Vorsehen einer Schweißnaht erreicht, wobei jedoch die Schweißnaht nicht das Magnetelement an das Blechpaket anschweißt, sondern die Schweißnaht an der Magnettasche derart vorgesehen ist, dass eine Klemmverbindung zwischen dem Magnetelement und Wandbereichen der Magnettasche ausgebildet werden kann. Die Klemmverbindung basiert dabei auf einem von der Schweißnaht verursachten Verzug wenigstens eines Wandbereichs der Magnettasche, wodurch das Magnetelement in der Magnettasche verklemmt wird. Dies hat ferner den Vorteil, dass kein unerwünschter Luftspalt bzw. nichtmagnetischer Spalt, wie z.B. im Stand der Technik durch den Klebstoff bei einem Einkleben des Magnetelements in die Magnettasche, vorhanden ist. Weiterhin kann das Magnetelement in der Magnettasche kraftlos eingelegt werden und eine Fixierung des Magnetelements ohne Beschädigung in der Magnettasche ermöglicht werden. Weiterhin muss kein zusätzliches Verstemmelement oder dergleichen verwendet werden, um das Magnetelement im Blechpaket zu fixieren.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist die Schweißnaht an wenigstens einem ersten Eckbereich der Magnettasche vorgesehen. Besonders bevorzugt sind wenigstens zwei Schweißnähte vorgesehen, welche an einem ersten und zweiten Eckbereich der Magnettasche ausgebildet sind. Das Vorsehen von zwei Schweißnähten an den Eckbereichen der Magnettasche ermöglicht dabei ein besonders sicheres Klemmen des Magnetelements in der Magnettasche. Alternativ werden die Schweißnähte an einem Wandbereich der Magnettaschen vorgesehen.
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Weiter bevorzugt ist die Schweißnaht derart vorgesehen, dass die Schweißnaht in axialer Richtung des Blechpakets über die Vielzahl der Einzelbleche verläuft und alle Einzelbleche miteinander verbindet. Somit hat die Schweißnaht noch eine zweite Funktion einer Paketiernaht der losen Einzelbleche. Das Magnetelement wird dabei von jedem Einzelblech durch ein Klemmen von Wandbereichen der Magnettaschen in dem Blechpaket gehalten.
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Besonders bevorzugt ist die Schweißnaht mittels eines nichtmagnetischen Zusatzstoffes hergestellt und ermöglicht eine magnetische Trennung von an die Schweißnaht angrenzenden Blechbereichen eines Einzelblechs. Alternativ entsteht aus einem Zusatzwerkstoff und Blech durch das Vermischen beim Schweißvorgang eine nicht-magnetische Naht. Hierdurch kann eine verbesserte Leistung einer elektrischen Maschine erhalten werden, da durch die nichtmagnetischen Schweißnähte eine gezielte Führung des magnetischen Flusses möglich ist. Somit kann die erfindungsgemäße Schweißnaht eine weitere Zusatzfunktion übernehmen, nämlich die einer magnetischen Trennung von Bereichen des Blechpakets.
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Das Blechpaket weist vorzugsweise einen kreisförmigen Außenumfang auf, so dass das Blechpaket insgesamt eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist bzw. als Rohrabschnitt vorgesehen ist. Die Schweißnaht kann an einem Außenumfang und/oder Innenumfang des Blechpakets vorgesehen werden.
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Weiter bevorzugt umfasst das Blechpaket eine mittige Ausnehmung, in welcher eine Welle angeordnet ist. Alternativ ist ein Außenläuferkonzept ohne Welle denkbar. Dadurch ist das Blechpaket als Rotor einer elektrischen Maschine ausgebildet. Alternativ ist das Blechpaket als Stator ausgebildet.
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Weiter bevorzugt weist der Magnet eine Korrosionsschutzschicht auf. Da erfindungsgemäß eine beschädigungsfreie Montage und Fixierung des Magnetelements in der Magnettasche möglich ist, wird bei der Montage die Korrosionsschutzschicht nicht beschädigt, so dass diese ihre eine Korrosion verhindernde Wirkung über die gesamte Lebensdauer des Blechpakets bereitstellen kann.
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Die Magnettasche weist vorzugsweise einen ersten und einen zweiten Wandbereich auf, welche zueinander parallel vorgesehen sind. Alternativ verlaufen die Wandbereiche in Radialrichtung. Weiter bevorzugt weist die Magnettasche in Draufsicht eine trapezförmige Form auf, wobei die trapezförmige Form sich radial nach außen erweitert. Vorzugsweise sind die Schweißnähte dabei an den Eckbereichen des sich erweiternden Trapezes ausgebildet.
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Vorzugsweise ist der zur Herstellung der Schweißnaht verwendete nichtmagnetische Zusatzstoff NiCr22Mo9Fe. Der nichtmagnetische Zusatzwerkstoff bildet dabei im umgeschmolzenen Zustand bevorzugt eine austenitische Schweißnaht.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, umfassend ein erfindungsgemäßes Blechpaket. Bevorzugt ist das Blechpaket als Rotor oder als Stator der elektrischen Maschine ausgebildet.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Fixieren von Magnetelementen in Magnettaschen eines eine Vielzahl von Einzelblechen umfassenden Blechpakets. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des losen oder mit leichter Verpressung oder als Übergangspassung Positionierens wenigstens eines Magnetelements in zueinander ausgerichteten Magnettaschen des Blechpakets und des Herstellens einer Schweißnaht an einem Wandbereich der Magnettaschen. Die Schweißnaht wird dabei derart hergestellt, dass bei einem Abkühlen der Schweißnaht ein Verzug an wenigstens einem Wandbereich der Magnettasche derart auftritt, dass das Magnetelement in der Magnettasche geklemmt wird. Hierdurch kann eine einfache und schnelle Fixierung des Magnetelements durch Klemmen ohne Beschädigung und ohne Verwendung weiterer Fixierhilfen, wie Klebstoff, Verstemmelemente oder dergleichen, realisiert werden.
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Besonders bevorzugt werden zwei Schweißnähte an einer Magnettasche hergestellt. Die Schweißnähte werden vorzugsweise gleichzeitig hergestellt, um ein sicheres Klemmen des Magnetelements in der Magnettasche zu ermöglichen.
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Die Schweißnähte werden weiter bevorzugt dabei derart vorgesehen, dass sie in Axialrichtung verlaufen und die Funktion einer Paketiernaht übernehmen, d.h., dass alle Einzelbleche des Blechpakets über die Schweißnaht miteinander verbunden sind. Die Schweißnähte können auch in anderen Formen als einer geraden Linie, z.B. zick-zack-artig oder V-förmig, in Axialrichtung verlaufend ausgebildet sein.
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Die Schweißnähte werden vorzugsweise mittels eines nichtmagnetischen Stoffs hergestellt.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Blechpakets mit einer Vielzahl von Magnetelementen,
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2 eine schematische Draufsicht auf das Blechpaket von 1,
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3 bis 5 schematische Ansichten, welche den erfindungsgemäßen Klemmvorgang des Magnetelements in der Magnettasche schematisch darstellen, und
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6 und 7 schematische Teil-Schnittansichten der Herstellung der Schweißnaht an der Magnettasche.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 ein Blechpaket 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Blechpakets 1, welches in diesem Ausführungsbeispiel als Rotor einer elektrischen Maschine ausgebildet ist.
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Das Blechpaket 1 umfasst eine Vielzahl von Einzelblechen 10, welche in zueinander ausgerichteter Weise angeordnet sind.
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Jedes Einzelblech 10 des Blechpakets ist dabei gleich ausgebildet.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, umfasst jedes Einzelblech 10 mehrere Magnettaschen 2, welche entlang des äußeren Umfangs des Einzelblechs 10 angeordnet sind. In jedem Blech ist ferner auch eine mittige Aussparung 5 vorgesehen. Die mittige Ausnehmung 5 der Einzelbleche 10 dient zur Aufnahme einer Welle 6, wie aus 1 ersichtlich ist.
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Die Magnettaschen 2 weisen im Wesentlichen eine trapezförmige Form mit einem ersten Wandbereich 21 und einem zweiten Wandbereich 22 auf. Die beiden Wandbereiche 21, 22 verlaufen dabei zueinander parallel.
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Die Magnettaschen 2 der Einzelbleche 10 bilden im Blechpaket 1 jeweils einen in axialer Richtung X-X verlaufenden Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Magnetelements 3. Das Magnetelement 3 ist schematisch aus den 1 und 2 ersichtlich. Die Magnetelemente 3 sind quaderförmige Bauteile und können aus einem permanentmagnetischen Material oder einem magnetisierbaren Material hergestellt werden. Eine Länge der Magnetelemente 3 in axialer Richtung X-X des Blechpakets 1 entspricht dabei einer axialen Länge des Blechpakets.
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Die Magnetelemente 3 sind dabei in den Magnettaschen 2 des Blechpakets 1 durch eine Klemmverbindung 9 fixiert. Die Klemmverbindung 9 wird dabei an jeder Magnettasche 2 derart realisiert, dass durch Vorsehen von zwei Schweißnähten 4 an jeder Magnettasche 2 ein beim Abkühlen der Schweißnaht auftretender Verzug auftritt, so dass das Magnetelement 3 zwischen den beiden Wandbereichen 21, 22 der Magnettaschen 2 jeweils eingeklemmt wird. Hierbei ergibt sich eine Klemmkraft F, wie in 5 schematisch dargestellt.
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3 zeigt den Ausgangszustand, in welchem ein Magnetelement 3 lose in einer Magnettasche 2 des Blechpakets angeordnet ist. In 3 ist mit dem Bezugszeichen 8' ein Außenumfang des Blechpakets 1 vor dem Schweißvorgang gezeigt. Das Bezugszeichen 21' bezeichnet den ersten Wandbereich der Magnettasche 2 ebenfalls vor dem Schweißvorgang. Ferner sind in 3 in gestrichelter Weise die Form des Außenumfangs 8 und des ersten Wandbereichs 21 nach dem Schweißvorgang eingezeichnet.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, werden zwei Schweißnähte 4 an den beiden Eckbereichen 11, 12 der Magnettasche 2 vorgesehen. Die Schweißnähte 4 werden dabei derart vorgesehen, dass ein nichtmagnetischer Zusatzwerkstoff 40 auf den Außenumfang 8' aufgebracht wird und dann mittels eines Schweißvorgangs, z.B. mittels Laserschweißen, mit dem Material des Blechpakets verschweißt (6). Dadurch ergibt sich eine Schweißnaht 4, welche parallel zur axialen Richtung X-X verläuft (vergleiche 1). Das Aufbringen des Zusatzwerkstoffs 40 und die anschließend hergestellte Schweißnaht 4 sind im Detail in den 6 und 7 dargestellt.
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Durch das Vorsehen der Schweißnaht 4 ergibt sich ein Verzug eines Teilbereichs 13 jedes Einzelblechs 10 im Bereich zwischen den beiden Schweißnähten 4. Dies ist in 4 durch die Pfeile A und B angedeutet. Dieser Verzug des Teilbereichs 13 bewirkt insbesondere eine Formänderung am ersten Wandbereich 21 derart, dass der erste Wandbereich 21 in Richtung des zweiten Wandbereichs 22 verformt wird (Pfeil B in 4). Dadurch kann die Klemmverbindung zwischen dem Magnetelement 3 und der Vielzahl von Magnettaschen 2 der Einzelbleche 10 realisiert werden. Die Magnetelemente 3 klemmen somit mittels einer Klemmkraft F (vergleiche 5) zwischen dem ersten Wandbereich 21 und dem zweiten Wandbereich 22.
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Somit kann erfindungsgemäß eine Fixierung von Magnetelementen 3 in Magnettaschen 2 eines Blechpakets 1 realisiert werden, ohne dass ein zusätzlicher Klebstoff oder ein zusätzliches Verstemmelement oder dergleichen notwendig ist. Die Fixierung der Magnetelemente 3 erfolgt dabei während der Abkühlung der Schweißnähte 4. Hierbei sind pro Magnettasche 2 vorzugsweise zwei Schweißnähte, insbesondere an den Eckbereichen 11, 12, vorgesehen. Die Schweißnähte 4 verlaufen dabei über die gesamte axiale Länge des Blechpakets 1. Dadurch erfüllen die Schweißnähte 4 ferner auch noch die Funktion von Paketiernähten, so dass die Vielzahl der Einzelbleche 10 durch die Schweißnähte 4 miteinander verbunden sind.
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Die Schweißnähte 4 sind dabei derart vorgesehen, dass diese nicht in Kontakt mit dem Magnetelement 3 kommen. Dadurch wird eine Beschädigung der Magnetelemente 3 vermieden. Da ferner die Schweißnähte 4 aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt werden, kann eine gezielte Führung des magnetischen Flusses im Blechpaket ermöglicht werden. Hierzu werden die Schweißnähte 4 in Form von austenitischen Nähten vorgesehen, so dass es möglich ist, ein lokal vorhandenes, austenitisches Gefüge mit geringem magnetischem Fluss zu erzeugen. Dadurch können insbesondere unerwünschte Streuflüsse reduziert werden.
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Erfindungsgemäß kommt es somit durch den Wärmeeintrag und das Schrumpfen der Schweißnaht 4 zu Schweißeigenspannungen, woraus ein Verzug des Bauteils resultiert. Diese Folgen des Schweißvorgangs sind üblicherweise unerwünscht, werden erfindungsgemäß aber gezielt für das Vorsehen einer Klemmverbindung 9 zwischen dem Magnetelement 3 und den Magnettaschen 2 verwendet. Die Schweißnähte 4 am Außenumfang des Blechpakets 1 erzeugen dabei insbesondere tangentiale Schrumpfspannungen (Pfeile A), aus welchen dann der Schweißverzug (Pfeile B in 4) resultiert. Die Magnetelemente 3 können dabei kraftlos oder mit leichter Vorpressung oder mit Übergangspassung in die Magnettaschen 2 eingelegt werden und somit kommt es nicht zur Beschädigung der Magnetelemente 3, insbesondere wenn diese zusätzlich noch eine Korrosionsschutzschicht aufweisen. In 3 ist zur Verdeutlichung des kraftlosen Einlegens noch exemplarisch ein Luftspalt 7 eingezeichnet, welcher nach Vorsehen der Schweißnähte 4 nicht mehr vorhanden ist. Weiterhin kann erfindungsgemäß ein hoher Magnetnutzungsgrad erreicht werden, da nach Vorsehen der Schweißnähte 4 kein Spalt zwischen dem Magnetelement 3 und dem Blechpaket 1 vorhanden ist. Das erfindungsgemäße Blechpaket eignet sich dabei ferner insbesondere für eine Massenproduktion, da das Vorsehen der Schweißnaht relativ einfach automatisiert werden kann und alle Schweißnähte 4 insbesondere gleichzeitig oder auch nacheinander hergestellt werden können.
