DE102014213593B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine aus Statorsegmenten (11), wobei die Vorrichtung mehrere ringförmig angeordnete Pressstempel (22, 35, 43, 53) und Mittel zur Bewegung der Pressstempel (22, 35, 43, 53) in radialer Richtung umfasst, wobei die Mittel zur Bewegung der Pressstempel (22, 35, 43, 53) so ausgelegt sind, dass die Pressstempel (22, 35, 43, 53) gleichzeitig bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bewegung der Pressstempel (22, 35, 43, 53) einen Rampenring (21) mit innenliegenden Rampen umfassen, wobei die Pressstempel (22) auf Rollen (23) gelagert sind, die entlang der Rampen in Umfangsrichtung des Rampenrings (21) beweglich angeordnet sind.

Description

• Gegenstand der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine, der aus mehreren Segmenten zusammengefügt ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stators.
• Stand der Technik
• Für elektrische Maschinen mittlerer und größerer Bauweise ist seit längerem eine segmentierte Statorbauweise bekannt. Derartige segmentierte Statoren bestehen aus einzelnen Statorsegmenten in Form von Blechpaketen. Diese segmentierte Bauweise ermöglicht einen größeren Leiter-Füllfaktor und damit auch bessere Motor-Leistungsdaten. Zudem bieten segmentierte Bleche aufgrund des geringeren Blechverschnitts eine kostengünstige Alternative zu der Herstellung aus einem Vollschnitt.
• Elektrische Antriebe mit aus Einzelpolen zusammengesetzten Statoren werden vorzugsweise für hohe Polzahlen angewendet. Bevorzugt werden diese beispielsweise für Radnabendirektantriebe. Aber auch in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieben werden derartige Elektromotoren eingesetzt.
• Elektrische Maschinen mit konzentriert bewickelten Elektropolen sind seit vielen Jahren bekannt. Beispielsweise kennt man Doppel-Schenkelpolmaschinen in langsam drehenden Maschinen, wie beispielsweise Wassergeneratoren. Die Elektropole sind dabei einzeln vorgefertigt bewickelt und werden durch Formschluss, beispielsweise mit einer Schwalbenschwanz-Verbindung, oder mit Hilfe von Bolzen und/oder Schrauben in einem Halterungskörper fixiert.
• Für diese bekannten Blechpakete werden vorab Bleche gestanzt, wobei jeder einzelne Stanz- und Paketiervorgang Fertigungstoleranzen unterworfen ist. In der Gesamtbetrachtung eines aus Einzelsegmenten zusammengefügten Stators können somit in Umfangsrichtung merkliche Toleranzen im Bereich einiger mm entstehen. Daher sind nach den erforderlichen Vorarbeiten (Isolieren, Aufbringen der Wicklungen, etc.) weitere Arbeiten zur Verdichtung der gefügten Statorsegmente erforderlich, um wiederum eine gute Verbindung zu dem umlaufenden Halterungskörper zu gewährleisten.
• Da ein guter Wärmeübergang zu dem kühlenden Halterungskörper nötig ist und nur geringer Bauraum vorhanden ist, wird häufig ein Presssitz aus segmentierten Blechpaketkörpern im Halterungskörper realisiert. Für diesen Presssitz werden die im Kreis angeordneten Blechpaketsegmente durch einen sich konisch verengenden Hohlzylinder in axialer Richtung hindurchgepresst, hierbei auf einen Solldurchmesser gebracht und – vorzugsweise noch im selben Arbeitsgang – aus dem Hohlzylinder in den Halterungskörper eingeschoben.
• Der Pressverband erlaubt allerdings nur begrenzte Toleranzen. Vor allem bei einer hohen Anzahl von Blechpaketsegmenten führen Bauteiltoleranzen zu starken Schwankungen des Stator-Durchmessers und dadurch zu Schwankungen der radialen Presskraft zwischen dem Ring aus Blechpaket-Segmenten und dem Halterungskörper, der diesen umschließen soll.
• Der Stator muss Momentenbelastungen bei hohen Temperaturen standhalten, wobei sich in diesem Fall das Gehäuse gegebenenfalls deutlich langsamer erwärmt und damit weniger ausdehnt als der Stator. Falls ein segmentierter Statorring beim Einpressen nicht ausreichend verdichtet worden ist, erfolgt bei hohen Temperaturen eine „Nachverdichtung” des Statorrings, der dann später bei niedrigerer Temperaturdifferenz keine ausreichende radiale Presskraft zum Stator erzeugt, um das Drehmoment zu übertragen. Generell gilt: Wenn die Vorverdichtung und/oder die Überdeckung im Presssitz zu gering ist, also die Pressung nach einigen Thermozyklen oder schon von Anfang an zu schwach ist, dann ist für spätere Anwendungen der elektrischen Maschine in einem breiten Temperaturbereich eine sichere Drehmomentübertragung nicht mehr gewährleistet, sobald die Extremtemperaturen erreicht sind.
• Wenn umgekehrt die Überdeckung im Presssitz zu hoch ist, dann können die radialen Presskräfte bei Extremtemperaturen derart steigen, dass die verwendeten Materialien überlastet und durch plastische Verformung geschädigt werden. Letzteres ist insbesondere bei dünnwandigen Halterungskörpern aus Aluminium der Fall.
• Bei einem Halterungskörper aus Leichtmetall wirkt sich zusätzlich das Problem der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten aus, so dass über den teilweise sehr breiten Betriebstemperaturbereich die Pressverbindung zusätzlich eingeschränkt oder belastet wird. Damit steigt die Bedeutung der engen Toleranz, mit der der Außendurchmesser des Stators hergestellt werden muss. Würde man den Halterungskörper dementsprechend aus einer Stahllegierung anstatt aus einer Leichtmetalllegierung aufbauen, dann ergäben sich hieraus wiederum Nachteile für Gewicht und Wärmeableitung.
• Ferner ist es generell notwendig, den Sekundärluftspalt am Joch möglichst nahe Null zu halten, da sich ansonsten die Motoreigenschaften verschlechtern.
• Zur Absicherung der Festigkeit des Pressverbands zwischen Halterungskörper und Statorring reicht es nicht aus, die Geometrien des Statorrings und des Halterungskörpers vor dem Einpressen zu messen, da die Festigkeit eines aus Segmenten zusammengesetzten Statorrings stark schwanken kann und damit kein ausreichend definierter Wert für die zwischen den Bauteilen wirkende Kraft ermittelt werden kann. Die radiale Presskraft bewirkt eine radiale Ausweitung des einstückigen Halterungskörpers, deren Erfassung Rückschlüsse auf die Kraftwirkung erlauben. Allerdings sind die Verformungswege extrem klein und erfordern eine sehr exakte und damit teure Messung. Weiter können die Kräfte während des Pressvorgangs gemessen werden. Allerdings ist dieser Messwert auch abhängig vom Reibkoeffizient zwischen der äußeren Statormantelfläche und dem konischen Einpressrohr, wobei der Reibkoeffizient insbesondere aufgrund von Verschleiß an den Werkzeugen stark schwanken kann. Diese Unsicherheit erfordert eine nachteilige Überdimensionierung der Bauteile und erhöhte Werkzeugwartungskosten.
• Die DE 10 2011 120 983 A1 beschreibt eine Vorrichtung für die Montage einer elektrischen Maschine, mit Hilfe deren die Wicklungen an einem segmentierten Stator effizient angebracht und verschaltet werden. Diese zeigt als gattungsbildende Schrift eine Vorrichtung zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine aus Statorsegmenten, wobei diese mehrere ringförmig angeordnete Pressstempel und Mittel zur Bewegung der Pressstempel in radialer Richtung umfasst, wobei die Mittel zur Bewegung der Pressstempel so ausgelegt sind, dass die Pressstempel gleichzeitig bewegt werden.
• Die DE 2 033 235 A beschreibt ein Verfahren zur Anbringung von Stator- bzw. Rotoreisen auf zuvor angeordneten Wickelspulen durch radiales Aufschieben, Aufgießen oder Aufsintern.
• Aufgabe der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine Vorrichtung bereitzustellen, um vorgefertigte Blechpaket-Segmente für den Stator einer elektrischen Maschine auf einfache und präzise Weise in einen Halterungskörper einzubringen und dabei gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte der elektrischen Maschine und eine über die Betriebszeit sichere Verbindung der Bauteile in einem breiten Temperaturbereich mit niedrigen Herstellkosten zu gewährleisten.
• Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren aufzuzeigen, Blechpaket-Segmente für den Stator einer elektrischen Maschine vorzufertigen und auf einfache und präzise Weise in einen Halterungskörper einzubringen, wobei gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte der elektrischen Maschine und eine über die Betriebszeit sichere Verbindung der Bauteile in einem breiten Temperaturbereich mit niedrigen Herstellkosten gewährleistet sein soll.
• Beschreibung der Erfindung
• Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorgesehen für das Montieren eines Stators aus mehreren Statorsegmenten, die mit Hilfe der Vorrichtung verdichtet werden.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst dafür ringförmig angeordnete Pressbacken die in radialer Richtung der Ringform beweglich ausgeführt sind. Die Anzahl der Pressbacken entspricht in einer bevorzugten Ausführungsform der Anzahl der zusammenzufügenden Statorsegmente bzw. Elektropolsegmente, kann jedoch auch von dieser Anzahl abweichen. In einer vorteilhaften Ausführungsform drücken die Pressbacken auf nahezu die gesamte äußere Mantelfläche bzw. Umfangsfläche, die von den Elektropolsegmenten ausgebildet wird.
• Die Vorrichtung dabei so ausgebildet, dass alle Elektropolsegmente zeitgleich bewegt werden können, so dass sich die Tangentialkräfte zwischen den aneinander anliegenden Segmenten über den Umfang des Statorrings weitgehend gleichmäßig aufbauen.
• Die Kraft, die auf die Pressbacken ausgeübt wird, um diese zu bewegen, kann auf verschiedene Weise mechanisch eingebracht werden. Erfindungsgemäß geschieht dies durch einen Rampenring. Dieser weist eine Anzahl von umlaufenden Rampen auf, die der Anzahl der Pressbacken entspricht. auf den Rampen laufen Rollen, auf denen die Pressbacken gelagert sind. Sobald sich die Rollen entlang der Rampensteigung bewegen, werden alle Pressbacken entsprechend der Steigung radial einwärts bewegt und die Elektropolsegmente werden gleichmäßig verdichtet.
• In einer weiteren möglichen Ausführungsform wird das Verdichten hydraulisch erzeugt. Hierzu umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen ringförmigen Hydraulikdruckraum in Gestalt eines Hohlzylinders. Die Innenwandung des Hohlzylinders weist axial verlaufende Streben und tangential dazwischenliegende Lücken auf. Diese Lücken werden von Federblechen in der inneren Hohlzylinderwandung geschlossen, wenn sie unter Druckbeaufschlagung aus dem Hydraulikdruckraum verformen. Die erfindungsgemäßen Pressbacken sind in dieser Ausführungsform mit den Federblechen verbunden und werden von Stegen geführt. Optional können separate Rückfederelemente vorgesehen sein.
• Zur Erzeugung der weitgehend in Richtung der Flächennormale auf die geblechten Kerne wirkenden Presskräfte können weitere mechanische Konstruktionslösungen eingesetzt werden. Bevorzugte Lösungen zeichnen sich dabei durch eine hohe Wiederholgenauigkeit aus, wofür es insbesondere notwendig ist, den Einfluss schwankender Reibungskräfte zu minimieren. Neben den hier beschriebenen elektromechanischen und hydraulischen Ausführungsformen sind u. a. am Umfang verteilte Piezo-Linearmotoren, Getriebe-Linearstellmotoren, magnetische Lineardirektantriebe, Pneumatikantriebe und dergleichen denkbar. Auch Hebel, die eine axiale oder tangentiale Bewegung eines Zentralelements in eine radiale Bewegung umsetzen, und weitere Radialkraft erzeugende Mechanismen sind einsetzbar.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Vorrichtung ein Anschlag vorgesehen, durch den die Radialbewegung der Pressbacken begrenzt wird, so dass die Pressbacken in ihrer Endposition mit ihrer inneren Mantelfläche einen exakten Kreis bilden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein radialer Anschlag durch einen zylindrischen Dorn gebildet, auf den die inneren Mantelflächen der Elektropolsegmente aufsetzen, sobald sie in die gewünschte Position bewegt wurden. Der Dorn ist radial innerhalb der zu verdichtenden Polsegmente angeordnet.
• Durch diesen radialen Anschlag werden die Blechpakete der Elektropolsegmente zusätzlich in radialer Richtung kalibriert. Dies bedeutet, dass deren Oberflächen geglättet werden und ein minimales (zuvor bewusst gewähltes) Übermaß des Materials durch eine geringe Stauchung der Bleche nahe der Oberfläche kompensiert wird. Wenn beispielsweise die radiale Bauhöhe der Elektropolsegmente 20 mm ausgehend von einem Toleranzband +/–0,04 mm auf eine Toleranz von +/–0,02 mm halbiert werden soll, wird durch die radial flächige Pressung die Rauigkeit an beiden radialen Mantelflächen (innenliegende und außenliegende Mantelfläche) der Blechpaketsegmente um bis zu 10 μm reduziert. Die untere Toleranzgrenze von 19,98 mm wird erreicht, indem das restliche Übermaß durch eine Stauchung der Bleche um ca. 10 μm an beiden Oberflächen abgebaut wird.
• Eine derartige Stauchung nutzt die in axialer Richtung zwischen den Blechen befindliche Luft, die ca. 2-% der Blechdicke entspricht. Bei der Stauchung wird somit die Blechdicke in den Randbereichen um bis zu 2% vergrößert. Da die Blechpakete beim Pressen in axialer Richtung durch Anschläge abgestützt werden, ändert sich die axiale Gesamtlänge der Blechpakete nur minimal, und die Stauchung reduziert lediglich die Luft im Blechpaket.
• Unabhängig davon, ob ein Anschlag die Radialbewegung der Pressbacken direkt begrenzt, oder ob der Anschlag über den Dorn erfolgt, werden die gleichen Effekte der Glättung und Stauchung beim Pressen auch an den tangentialen Grenzflächen im Jochbereich genutzt. Beim Zusammensetzen der Statorringe werden die Segmente zunächst auf einem Radius angeordnet, der ca. 0,1 bis 1% über dem Zielradius liegt.
• Der Zielradius beim Pressen liegt etwas innerhalb des angestrebten Endradius des Stators, um das Rückfedern auszugleichen, das sich aus der Elastizität des Elektroblechmaterials ergibt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieses Rückfedern durch einen Haltezylinder verhindert, der radial innerhalb des ringförmig angeordneten Segmente eingebracht wird und die Kerne der Elektropolsegmente nach innen zieht.
• Hierfür wird der vorab erwähnte radiale Anschlag (Dorn) magnetisierbar ausgeführt. Falls der radiale Anschlag über die Pressbacken direkt erfolgt, kann jedoch auch ein magnetisierbarer Haltezylinder als zusätzliches Bauteil vorgesehen sein.
• Der magnetisierbare Haltezylinder oder Haltedorn ist so ausgebildet, dass an seiner Oberfläche austretende Magnetfelder elektrisch erzeugt werden, die die Polsegmentkerne radial anziehen. Hierzu weist der Haltezylinder eine einphasige Wicklung auf, die temporär mit Gleichstrom beaufschlagt werden kann. Im Kontaktspalt werden Flussdichten bis nahe der Sättigungsflussstärke des Elektroblechs erzeugt.
• Wenn beispielsweise ein Elektropolsegment-Blechpaket eine Luftspaltoberfläche von 20 cm² (100 mm × 20 mm) aufweist und die Flussdichte in der Kontaktfläche 2T beträgt, dann beträgt die radiale Zugkraft ca. 3200 N.
• In einer ersten Ausführungsform weist der Haltezylinder eine Wicklung aus Kupferleitern auf, die in einem weichmagnetischen Körper aus Eisen-Kobalt-Blechen angeordnet sind. Der Spitzenstrom und damit die maximale radiale Zugkraft auf die Elektropolsegmente wird nur kurzzeitig zum radialen Zusammenziehen des segmentierten Statorrings genutzt, nämlich während des Aufschiebens des erwärmten Halterungskörpers auf den Statorring. Durch diesen Kurzzeitbetrieb wird der Haltezylinder nur gering erwärmt. Vorzugsweise wird dabei der Haltezylinder zusätzlich aktiv gekühlt.
• In einer zweiten Ausführungsform besteht die Wicklung des Haltezylinders aus einem gekühlten supraleitenden Material. Damit ist nur ein sehr geringer Querschnitt erforderlich, so dass der Großteil des Querschnitts für die Flussleitung zur Verfügung steht. Weiter bestehen die den Magnetfluss leitenden Bauteile in dem Haltedorn vorteilhaft aus einer Eisen-Kobalt-Legierung mit hoher Sättigungsflussdichte (beispielsweise größer 2,3T). Durch die Verwendung dieser Materialien wird erreicht, dass an der Oberfläche des Haltedorns ein besonders starkes Magnetfeld wirken kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Haltedorn keine Eigenerwärmung durch ohmsche Verluste entsteht. Vielmehr sorgt der sehr kalte Haltedorn für eine schnelle und deutliche Abkühlung der Elektropolsegmente, was sich ebenfalls positiv auf den Montagevorgang auswirkt.
• Wenn sich beispielsweise die Elektroblechpakete beginnend durch den Kältekontakt mit dem Haltedorn an ihrer inneren Mantelfläche in kurzer Zeit im Mittel über die Radialhöhe von 20 mm auch nur um 50°C abkühlen, so bedeutet dies, dass ihre radiale Höhe um 13 μm abnimmt. Hierdurch muss der Halterungskörper, in den der Stator eingeschoben werden soll, weniger stark erwärmt werden, um den gleichen Effekt (nämlich einen Schiebesitz durch Temperaturunterschiede bei der Montage) zu erzielen.
• Aufgrund der starken magnetischen Anpresskraft und der zuvor bereits geglätteten und gestauchten Blechpaketoberflächen erfolgt das Abkühlen des Halterungskörpers schnell und ermöglicht kurze Montagetaktzeiten von 0,5 bis 2 Minuten. Bei einer Kühlung mit flüssigem Stickstoff steht im Halterungskörper ein Temperaturhub von bis zu 60 K zur Verfügung. Wenn der Haltedorn eine große Masse und Wärmekapazität im Verhältnis zur Wärmekapazität der Summe der Elektropolsegmente aufweist, wirkt die Wärmekapazität des Haltedorns als Kältespeicher und die Kühlung des Haltedorns muss nur auf die mittlere Kühlleistung ausgelegt werden.
• Durch die Bauform des Halterungskörpers des Statorrings kann dessen Erwärmung gegebenenfalls deutlich zeit- und energieaufwändiger sein, als die kurzzeitige Abkühlung der Elektropolsegmente durch den ohnehin vorteilhaft gekühlten Haltedorn. Daher ist erfindungsgemäß eine Anordnung vorgesehen, mit Hilfe deren die Temperaturspreizung beim thermischen Aufschrumpfen des Halterungskörpers aufgeteilt werden kann auf ein Erwärmen des Halterungskörpers und ein Abkühlen des Statorrings:
  Für die thermische Realisierung des Schiebesitzes ist beispielsweise ein Temperaturunterschied von 150°C erforderlich. Bislang wurde der Statorring bei Raumtemperatur 25°C belassen und der Halterungskörper dementsprechend auf 175°C erwärmt. Eine solch deutliche Erwärmung ist mit einem gekühlten Haltezylinder nicht notwendig. Im folgenden Beispiel wird hierzu erläutert, dass die die Wärmekapazität des Halterungskörpers die der Statorkerne übersteigt:

  Bauteil	Wärmekapazität
  Halterungskörper aus 8 kg Aluminium	8 × 0,896 = 7,168 kJ/K
  Stator aus 12 kg Eisen + 3 kg Kupfer	15 × 0,452 = 6,78 kJ/K

• Anstatt einseitig für den notwendigen Temperaturunterschied von 150° 150 K × 7,168 kJ/K = 1075 kJ in den Halterungskörper einzubringen, wird somit erfindungsgemäß eine Anordnung vorgeschlagen, mit der beispielsweise der Halterungskörper nur um 80°C, mit 574 kJ erwärmt, und gleichzeitig der Stator um 70°C abgekühlt wird, indem 475 kJ Wärme entzogen werden.
• Nach der Montage gleichen sich die Temperaturen an, und der mögliche Wärmeüberschuss von rund 100 kJ führt nur zu einer Erwärmung auf eine Temperatur von ca. 40°C, die keine dauerhaft störenden Einflüsse hat. Durch diese „Aufteilung” der notwendigen Temperaturdifferenz wird der Montage-Takt verkürzt.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich damit durch den Vorteil aus, dass in einer Serienfertigung auf eine Kühlstrecke weitgehend verzichtet werden kann. Dies ist möglich, weil sich nach der automatisch und zügig vollzogenen Montage der erwärmte Halterungskörper an einem kalten Statorring schneller abkühlt, als dies im Fall der Temperaturspreizung allein über die Erwärmung des Halterungskörpers nach dessen Montage geschehen würde.
• Nachfolgend wird eine weitere Ausführungsform für eine Verdichtungsvorrichtung beschrieben, mit Hilfe deren der Verdichtungsschritt, während dessen die Elektrobleche geglättet und gestaucht werden, bereits nach dem Stanzen der Blechsegmente und deren Paketieren stattfindet.
• Anstelle eines Presswerkzeugs für den gesamten Statorring mit sehr vielen Elektropolsegmenten wird erfindungsgemäß ein Presswerkzeug vorgeschlagen, mit dem die einzelnen Polblechpakete separat behandelt werden. Bei dieser separaten Behandlung werden die Abmessungstoleranzen dergestalt reduziert, dass das Glätten und Stauchen der Blechpakete noch vor dem Isolieren erfolgt.
• Bei besonders hochwertigen Motoren ist es vorteilhaft, die an den Schnittkanten geglätteten und gestauchten Blechpakete vor dem Isolieren zusätzlich einer Wärmebehandlung zu unterziehen, so dass sich in den Randbereichen das Materialgefüge entspannt und dabei bessere magnetische Eigenschaften erhält. Wenn diese deformierenden Kräfte bereits vor dem Isolieren und Bewickeln auf die Oberflächen des Blechpakets aufgebracht werden, wird die Isolation nicht durch einen Pressvorgang belastet und möglicherweise geschädigt. Die Blechpakte können außerdem mit deutlich geringeren Toleranzen verarbeitet werden, wodurch auch das Umspritzen sehr geringer Wandstärken wesentlich erleichtert wird.
• Geringe Wandstärken sind insoweit vorteilhaft, als beispielsweise durch eine Halbierung der Isolierwandstärke von 0,4 mm auf 0,2 mm nicht nur der Wärmeübergangswiderstand der Isolierschicht halbiert wird, sondern gleichzeitig bei einer Nutkantenlänge von 50 mm auch der für die Stromleitung nutzbare Nutquerschnitt um 10 mm² steigt. Beide Effekte tragen spürbar zur Steigerung der Dauerleistung der elektrischen Maschine bei und sind damit äußerst erstrebenswert.
• Im Spritzgussverfahren müssen zur Erzeugung sehr kleiner Wandstärken die Einlegeteile sehr exakt im Werkzeug positioniert werden. Abmessungstoleranzen erschweren diese Ausrichtung.
• Ferner ist für das Spritzgussverfahren ein Kunststoff mit sehr gutem Fließverhalten vorteilhaft. Allerdings erschwert dessen Verwendung wiederum die Abdichtung derjenigen Bauteilflächen, die während des Umspritzens frei von Kunststoffmaterial bleiben sollen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet, dass die Segmentblechpakete nach dem Stanzen und Paketieren nur in tangentialer Richtung verdichtet werden. Dabei ist die Vorrichtung so ausgebildet, dass nur die tangentialen Flächen geglättet und gestaucht werden.
• Insbesondere die jochseitigen äußeren Mantelflächen behalten also ihre im Stanzprozess entstandene Rauigkeit.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen magnetisierbaren Haltedorn auf, mit Hilfe dessen der Statorring nach dem Isolieren, Wickeln, Montieren und Verschalten radial zusammengezogen wird. Der Haltedorn weist vorzugsweise eine einphasige Wicklung auf, die temporär mit Gleichstrom beaufschlagt werden kann.
• In einer Ausführungsform ist dieser Haltedorn als Bestandteil eines Spritzgusswerkzeugs ausgeführt, mit welchem die äußere Mantelfläche des Statorrings umspritzt wird und dabei optional Vertiefungen in der Kunststoffaußenfläche ausgebildet werden, die später als Kühlkanal für ein Kühlmittel genutzt werden.
• Durch das Beibehalten der Rauigkeit an der Jochmantelfläche der Elektropolsegmente wird eine dauerhafte Fixierung des Kunststoffes mit dem Blechpaket bewirkt. Gleichzeitig verbessert die Glättung und Stauchung der tangentialen Kontaktflächen kombiniert mit den starken magnetischen Zugkräften während des Spritzgussvorgangs den magnetischen Übergang zwischen benachbarten Elektropolsegment-Kernen. Vorzugsweise unterstützen im Kunststoffmantel beim Spritzen in Umfangsrichtung ausgerichtete Langfasern die Aufrechterhaltung niedriger magnetischer Übergangswiderstände über die Betriebszeit der elektrischen Maschine.
• Ergänzend wird die radiale Vorspannung (und werden damit die tangentialen Anpresskräfte) durch Halteringe an den Stirnflächen der Joche unterstützt, die stark erwärmt auf Stiftenden aufgepresst werden, die aus den Elektropolsegment-Kernen axial herausragen. Beim Abkühlen entwickeln diese die gewünschte Radialkraft nach innen. Das Aufpressen der Halteringe erfolgt nach dem Montieren des Statorrings mit Hilfe des magnetischen Haltedorns. Dies geschieht während eines ersten Bestromungsintervalls bzw. Magnetisierungsintervalls des Haltedorns und vor dem Schließen des Spritzgusswerkzeugs.
• Die Bestromung des magnetischen Haltedorns (und damit dessen radiale Zugkraft) wird nach dem Aufpressen der Halteringe reduziert und steigt mit Beginn des Einspritzvorgangs wieder an. Ein solches zweites Bestromungsintervall (Hochstromintervall) dauert etwa so lange wie der Einspritzvorgang. Anschließend wird der Magnetisierungsstrom wieder reduziert und steigt beim Entformen nochmals kurzzeitig an. Dieses bedarfsgerechte Einstellen des Magnetisierungsstroms gewährleistet, dass der aktiv gekühlte Haltedorn nicht zu stark aufgeheizt wird.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden verschiedene Bauteiltemperaturen eingestellt: Die aktive Kühlung des Haltedorns wird vorzugsweise durch eine Wärmepumpe unter Raumtemperatur eingestellt. Die Temperatur der Halteringe wird durch hochfrequente Induktionsgreifer geregelt. Der zugeführte Kunststoff wird durch Heizschläuche und/oder Heizelemente in den Werkzeugschalen erwärmt. Die Statorspulen werden durch gezielte Bestromung mit im Betrag und Frequenz einstellbaren Heizströmen erwärmt.
• Über die derart eingestellten Bauteiltemperaturen und den Temperaturgradienten zwischen den Bauteilen wird einerseits der Spritzgussvorgang unterstützt und andererseits eine radiale Vorspannung in der Baugruppe eingestellt, die dem segmentierten Stator langzeitstabil über viele Thermozyklen gute magnetische Werte sichert.
• Gelöst wird die Aufgabe ferner durch das Verfahren nach Patentanspruch 4, das teilweise bereits in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert wurde und nachfolgend in den Zeichnungen weiter konkretisiert wird.
• Beschreibung der Figuren
• Es zeigen:
• 1 Verfahrensablauf gemäß dem Stand der Technik
• 2 Verfahrensablauf gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung
• 3 Verfahrensablauf gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung
• 4 Verfahrensablauf gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung
• 5 Querschnitt durch einen 24-poligen segmentierten Statorring mit einer Verdichtungsvorrichtung mit Rampenring
• 6 Querschnitt durch einen 24-poligen segmentierten Statorring mit einer hydraulischen Verdichtungsvorrichtung
• 7 Querschnitt durch einen Kern eines Elektropolsegments eingelegt in eine hydraulischen Verdichtungsvorrichtung der 6
• 8 Ausschnitt einer weiteren Variante der Verdichtungsvorrichtung
• 9 Ausschnitt einer weiteren Variante der Verdichtungsvorrichtung
• 10, 11 Verformung der Elektrobleche im Verdichtungsschritt
• 12 Querschnitt durch einen magnetisierbaren Dorn mit Kupferwicklung
• 13 Querschnitt durch einen magnetisierbaren Dorn mit Supraleiterwicklung
• 14 Ausschnitt einer Vorrichtung zum Verdichten einzelner Zahnkern-Blechpakete mit radialem Einpressen
• 15 Ausschnitt einer Vorrichtung zum Verdichten einzelner Zahnkern-Blechpakete mit axialem Einpressen
• 16 Ausschnitt einer Vorrichtung zum Verdichten einzelner Zahnkern-Blechpakete mit tangentialer Pressung
• 1 zeigt den Ablauf für die Montage eines segmentierten Statorrings in eine Halterungsstruktur gemäß dem Stand der Technik. Eine der Zahnteilung entsprechende Anzahl von Stator-Kernsegmenten wird gestanzt und anschließend paketiert. Anschließend werden die Kernsegmente isoliert. Dies geschieht entweder durch die Montage vorgefertigter Spulenkörper oder durch direktes Umspritzen der Kernsegmente. Die isolierten Kernsegmente werden anschließend mit Draht bewickelt, wobei Mehrspindel- oder Linearwickelmaschinen zum Einsatz kommen können. Die bewickelten Elektropolsegmente werden danach zu einem Statorring montiert, der gegenüber dem Zieldurchmesser des fertigen Stators noch ein geringes Aufmaß aufweist. Die Verschaltung erfolgt meist noch vor dem Einpressen in den Halterungskörper, da für Fügeoperationen der Drahtenden mehr Bauraum zur Verfügung steht und die flexiblen Spulenenden die geringe Radialbewegung beim Pressen gut ausgleichen können. Praktisch kann die Verschaltung aber auch nach dem Einpressen erfolgen. Das axiale Einpressen erfolgt vorzugsweise mittels eines Hohlzylinders mit sich leicht konisch verengender innerer Mantelfläche. Nach derartigem Einpressen folgt bei stark belasten Elektroantrieben noch ein Gießprozess, während dessen der Statorring an seinen axialen Enden komplett mit einer Gussmasse eingeschlossen wird, die auch einen guten Wärmekontakt zum Kühlmantel aufweist.
• 2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die ersten vier Arbeitsschritte stimmen dabei mit dem in 1 gezeigten Verfahren überein. Anschließend erfolgt das Verdichten jedoch in einer Vorrichtung mit rein radial wirkender Verdichtung. Eine entsprechende Vorrichtung ist in den 5 bis 9 gezeigt. Dabei werden, beispielsweise über radial angeordnete Pressbacken, alle Elektropolsegmente gleichzeitig und gleichmäßig radial nach innen gepresst. Dies kann beispielsweise mechanisch über einen Rampenring weg- und summenkraftgesteuert erfolgen, wie dies mit der Vorrichtung aus 5 möglich ist.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird ein Dorn als innerer radialer Anschlag genutzt. Vorzugsweise wird dafür ein magnetisierbarer Haltedorn gewählt, wobei beim Zurücknehmen der äußeren radialen Anpresskraft im Haltedorn ein Magnetfeld durch das Einschalten eines Haltestroms aufgebaut wird. Die magnetischen Haltekräfte fixieren die Elektropolsegmente am Dorn, während die Pressvorrichtung radial entspannt und anschließend axial abgeschoben wird.
• Vorzugsweise bereits im gleichen Arbeitsschritt wird axial ein erwärmter Halterungskörper auf den Statorring aufgeschoben. Sobald dieser seine Endposition eingenommen hat, wird der Strom im Haltedorn ausgeschaltet und der Statorring federt etwas auseinander, und zwar gegen den sich abkühlenden Halterungskörper.
• Durch den metallischen Kontakt mit den deutlich kühleren Elektropolsegmenten des Statorrings kühlt auch der Halterungskörper schnell ab und erzeugt dabei den gewünschten Presssitz des Statorrings im Halterungskörper.
• 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird der Verdichtungsschritt einschließlich einer Glättung und Stauchung der Oberflächen bereits nach dem Stanzen und Paketieren der einzelnen Zahnblechpakete durchgeführt. Hiervon profitiert der nachfolgende Isolierprozess – also beispielsweise das Umspritzen der Blechpakete mit Kunststoff – und es können dünnere Isolierschichten erzeugt werden. Nach dem Bewickeln der Elektropolsegmente und deren Anordnung zu einem Statorring erfolgt vorzugsweise auch das Verschalten der Spulenenden, wobei auch Spulenketten zum Einsatz kommen können. Das Verschalten kann auch erst nach dem Aufschieben des Halterungskörpers erfolgen, sofern der Halterungskörper für das Verschalten ausreichend Bauraum lässt.
• Charakteristisch für diese zweite Ausführungsform ist, dass die bereits verdichteten Elektropolsegmente im Statorring nur noch mit radial nach innen ziehenden Magnetkräften vom Dorn tangential aneinander gepresst werden. Auf ein radial von außen wirkendes Presswerkzeug kann verzichtet werden. Parallel zum radialen Zusammenziehen wird der Statorring vom Haltedorn vorzugsweise auch gekühlt, so dass die Erwärmung des Halterungskörpers auf nicht sehr hohe Temperaturen für die angestrebte Temperaturdifferenz ausreicht. Der Haltedorn weist hierfür eine aktive Kühlung mit einem flüssigen Kühlmittel und eine hohe Wärmekapazität auf. Letztere hilft den Temperaturanstieg in der Einschaltzeit des Magnetisierungsstroms klein zu halten. Nach dem Ausschalten des Magnetisierungsstroms kühlt der Haltedorn wieder ab, während der Statorring vom wärmeren Halterungskörper erwärmt wird. Dieses Auseinanderdriften der Temperaturen von Haltedorn und Statorring erleichtern es, den Haltedorns aus den nunmehr im Halterungskörper sitzenden Statorring herauszuziehen.
• In 4 wird eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die Verfahrensschritte bis zur Montage des Statorrings stimmen dabei mit der zweiten Ausführungsform überein, allerdings wird auf das radiale Verdichten bewusst verzichtet, um die raue äußere Mantelfläche beizubehalten.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Statorbaugruppe wird wie in allen vorab beschriebenen Varianten optional durch Eingießen oder Umspritzen des Stators abgeschlossen. Allerdings entfällt das axiale Aufschieben eines hohlzylindrischen Halterungskörpers über die äußere Mantelfläche des vom Haltedorn fixierten Statorrings in dieser dritten Ausführungsform gemäß 4. Vielmehr werden vorzugsweise nur dünne Halteringe an den axialen Stirnflächen des Jochbereichs auf Stifte aufgepresst, die aus dem Joch herausragen. Diese Halteringe weisen beim Aufpressen vorteilhaft eine erhöhte Temperatur auf und erzeugen beim Abkühlen bzw. dem Temperaturangleich an den kühleren Statorring eine radial nach innen gerichtete Kraft über die Stiftenden auf die Elektropolsegmente.
• Die Stifte sind vorzugsweise in jedem Zahnsegment annähernd auf der tangentialen Mittellinie nahe am Außendurchmesser angeordnet. In Blechpaketen mit kurzer axialer Länge können durchgängige Stifte in vorteilhafter Weise Stanzpaketiernoppen zumindest im Jochbereich ersetzen. Die Stifte werden unmittelbar nach dem Stanzen der Einzelbleche und noch vor dem Verdichten der tangentialen Kontaktflächen gesetzt.
• Das Verschalten kann auch nach dem Aufpressen der Halteringe erfolgen. Über die Kontakte der Statorwicklung wird der Statorring durch einen hochfrequenten Strom schnell erwärmt und dabei eine (Spritz-)Gussform geschlossen in der der gesamte Statorring – außer an der inneren Luftspaltoberfläche – von einer gefüllten Kunststoffmasse umschlossen wird. Hierbei entstehen an der Außenfläche des Kunststoffvolumens Vertiefungen, die in einer bevorzugten Ausführungsform als Kühlkanäle genutzt werden. Während des Umspritzens kann ein magnetisierbarer Dorn als Teil des Gusswerkzeugs die Abdichtung an der inneren Mantelfläche unterstützen, wobei der Erregerstrom der starken radial wirkenden Magnetfelder während des Gießvorgangs eingeschaltet wird. Im Haltedorn des Gusswerkzeugs kann die Erregerwicklung konventionell mit Kupfer ausgeführt werden.
• In 5 wird die Vorrichtung 20 zur Verdichtung des Statorrings 10 durch rein radial wirkende Kräfte mit Hilfe eines Rampenrings 21 dargestellt. Von den 24 bewickelten Elektropolsegmenten 11 ist nur der Blechschnitt ohne Isolation und Spule dargestellt. Jedes Elektropolsegment 11 wird von einem Pressstempel 22 nach innen gedrückt, wobei jeder Pressstempel 22 radial außen über eine Lagerrolle 23 die Presskraft von einem verdrehbarem Rampenring 21 erfährt. Lagerrollen 23 und Pressstempel 22 sind über einen Bolzen 24 miteinander verbunden der an seinen axialen Enden in einem Langloch des Gehäuses (nicht dargestellt) geführt wird. Um die Reibkräfte in der Mechanik zu minimieren, erfolgt die radiale Führung in den Langlöchern über Gleitschichten oder über kleinere Lagerrollen innerhalb des Langlochs. Der Rampenring 21 ist über reibarme Dünnringlager mit dem Gehäuse verbunden und weist an seiner äußeren Mantelfläche eine Zahnung auf. Durch Öffnungen des Gehäuses greifen kleinere Zahnräder elektromechanischer Antriebe in die Außenzahnung des Rampenrings 21 an mindestens zwei am Umfang gleichmäßig verteilten Stellen ein. Aufgrund des mehrfachen Zahneingriffes kompensieren sich die radial wirkenden Kräfte der Stirnradgetriebestufen wie in einem Planetengetriebe, und der radial sehr steife Rampenring 21 überträgt nur sehr geringe Radialkräfte über die Dünnringlager auf das stationäre Gehäuse. Dank der in den Wälzlagern der Pressvorrichtung 20 wiederholgenau auftretenden Reibkräfte kann die Presskraft über das Drehmoment der Stellantriebe genau ermittelt werden. Die Messung der Kraft als Funktion des Wegs dient zur Prozessüberwachung und sichert die Qualität des anschießend realisierten Pressverbands zwischen dem segmentierten Statorring 10 und dem nicht dargestellten Halterungskörper.
• In 6 wird alternativ zum Rampenring eine hydraulische Verdichtungsvorrichtung 30 gezeigt, wobei die Hydraulikflüssigkeit in einem ringförmigen Druckraum 31 radial außerhalb des Statorrings 10 in einem Hohlzylinder angeordnet ist. Die radial innere Wand des Hohlzylinders weist axial verlaufende Streben 32 mit großem Querschnitt auf. Die Streben 32 bilden unter einander tangential verlaufende Aussparungen 33, in denen dünnere Bleche 34 aus Federstahl die Abdichtung des Druckraums 31 sicherstellen – z. B. durch stabile Schweißnähte an ihren Rändern. Beim Druckaufbau durch einen externen Druckerzeuger werden alle Federbleche 34 vom gleichen Druck in ähnlicher Weise verformt und geben die Kraft radial nach innen auf Pressstempel 35 weiter, die von den Streben 32 des Hohlzylinders geführt werden. Wird der Druck zurückgenommen, ziehen sich die Federbleche 34 elastisch in ihre Ausgangsposition zurück und nehmen dabei die Pressstempel 35 mit, mit denen sie in der Kontaktflächenmitte mechanisch verbunden sind – z. B. durch Schweißpunkte. Das Rückfedern kann auch durch zusätzliche Federelemente zwischen den Hohlzylinderstreben und den Pressstempeln 35 unterstützt werden. Neben der elastischen Verformung des Federstahls entstehen in der hydraulischen Verdichtungsvorrichtung 30 nahezu keine Reibkräfte, wodurch die Presskraft direkt und wiederhohlgenau mit dem Hydraulikdruck korreliert. Der Bewegungsweg der Pressstempel 35 wird über hochgenaue Wegsensoren in der Vorrichtung erfasst, wobei vorzugsweise die Anzahl der Wegsensoren, der Pressstempel 35 und der Elektropolsegmente 11 im Statorring 10 gleich ist.
• 7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der hydraulischen Verdichtungsvorrichtung 30 gemäß 6.
• 8 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Verdichtungsvorrichtung. Erkennbar ist der außenliegende Werkzeugring 41, der nur um wenige Grad drehbar ist. Über Stößel 42 ist dieser mit radial geführten Stempeln 43 verbunden. Sobald der Werkzeugring 41 in der Darstellung um wenige Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird, werden die Stempel 43 radial einwärts gedrückt.
• 9 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Verdichtungsvorrichtung, die der Variante aus 8 ähnelt. Erkennbar ist wiederum ein außenliegender Werkzeugring 51, der jedoch starr fixiert ist nur um wenige Grad drehbar ist. Über Paare von Stößeln 52 ist dieser mit radial geführten Stempeln 53 verbunden. Jedes Paar von Stößeln 52 ist untereinander über einen Kniehebel 54 verbunden. Sobald der Kniehebel 54 in der Darstellung um wenige Grad im Uhrzeigersinn gedreht wird, werden die Stempel 53 radial einwärts gedrückt. Durch Wälzlager in den Hebelenden wird der Reibungseinfluss für eine hohe Wiederholgenauigkeit vorteilhaft minimiert.
• Mit axial hintereinander angeordneten, gegenläufigen Hebelscheiben kann zusätzlich die Tangentialkraft auf die Pressbacken weitgehend kompensiert werden.
• Die 10 und 11 zeigen das Verdichten der Blechpakete in den oberflächennahen Bereichen:
  10 zeigt einen Querschnitt durch den Randbereich eines gestanzten und paketierten Blechpakets, das in typischer Weise an den lamellierten Oberflächen eine signifikante Rauigkeit aufgrund des Stanzeinzugs und des Stanzgrats an den Schnittkanten 13 aufweist. Weiter erzeugen Unebenheiten und Dickenschwankungen der Bleche 12 Spalte 14 zwischen den Blechen 12, woraus sich ein Stapelfaktor von 96 bis 98% ergibt.
• Bei dem in 11 dargestellten Verdichtungsvorgang mithilfe eines Presswerkzeugs, wie beispielsweise der in 5 dargestellten Pressbacken 22, gleichen die (gehärteten und ebenen) Pressbacken 22 beim Drücken zunächst die Unebenheiten in der Schnittfläche 12 aus. Wenn dieser Vorgang nicht ausreicht, um das Sollmaß zu erreichen, werden die Bleche 12 nahe der Oberfläche gestaucht. Hierzu werden die Blechpakete zuvor in Stapelrichtung und in der Richtung quer zum abschließenden Pressen eingeklemmt (nicht dargestellt). Beim Stauchen vergrößert sich die Blechdicke minimal und schließt die Spalte 14, so dass sich der Stapelfaktor im Randbereich auf größer 98 bis hin zu 100% erhöht.
• In 12 erkennt man einen magnetisierbaren Haltedorn 60 mit einer Kupferwicklung inmitten eines Statorrings 10. Dargestellt sind bewickelte Elektropolsegmente 11. Die gesamte thermische Masse des Haltedorns 60 kann über Kühlkanale 63 in der Halteachse auf ein niedriges Temperaturniveau gekühlt werden. Die Erregerspule 61 nutzt eine große Nut bis nahe des Außendurchmessers und weist vorzugsweise verdichtete Spulen mit vielen Windungen auf. Die flussführenden Kerne 62 bestehen beispielsweise aus Eisen-Kobalt-Blechen und sind gegebenenfalls in Umfangsrichtung segmentiert.
• In 13 erkennt man einen magnetisierbaren Haltedorn 70 mit einer supraleitenden Wicklung inmitten eines Statorrings 10. Dargestellt sind bewickelte Elektropolsegmente 11. Diese werden wird über äußere Kühlkanäle 74 und über innere Kühlkanäle 73 in der Halteachse des Haltedorns 70 aktiv gekühlt. Die gesamte thermische Masse des Haltedorns 70 kann hierdurch auf ein niedriges Temperaturniveau gekühlt werden. Die Erregerspule 71 weist vorzugsweise wenige Windungen aus supraleitendem Draht auf. Die flussführenden Kerne 72 bestehen beispielsweise aus Eisen-Kobalt-Blechen und sind gegebenenfalls in Umfangsrichtung segmentiert.
• Die Kühlkanäle 74 befinden sich radial außerhalb der Erregerspule 71 nahe der äußeren Mantelfläche, so dass ein Wärmeeintrag radial von außen direkt vom Kühlmedium aufgenommen werden kann. Der Leiterquerschnitt der Erregerwicklung kann sehr klein ausgeführt werden, wenn HAT-Supraleiter eingesetzt werden und das Kühlmedium aus flüssigem Stickstoff besteht. Diese vorteilhafte Ausführungsform des magnetisierbaren Haltedorns 70 ermöglicht eine besonders hohe Magnetflussdichte an der Oberfläche zum Statorring 10, wobei die flussführenden Kerne 72 des Haltedorns 70 vorzugsweise aus Blechen einer Kobalt-Eisenlegierung mit einer Sättigungsflussdichte ≥ 2,3T bestehen. Die Magnetkreise des Haltedorns 70 schließen sich radial außerhalb des Haltedorns 70 direkt in den anliegenden Zahnköpfen der Elektropolsegmente. Hierbei werden die Polkerne im Volumen nahe der Kontaktfläche in die Sättigung getrieben und lokal radiale Anzugskräfte von über 150 N/cm² erzeugt. Ergänzend zu den äußeren Kühlkanälen 74 fließt das Kühlmedium vorzugsweise auch radial innerhalb des magnetisch genutzten Bereichs durch Kühlkanäle 73 des Haltedorns 70, der dort aus einem Material mit besonders hoher Wärmekapazität pro Volumen gebildet wird. Die hohe Wärmekapazität des Haltedorns 70 hilft, die Temperatur der Wicklung auch bei temporär starkem Wärmeeintrag weitgehend konstant zu halten.
• Die 14 bis 16 zeigen eine Verdichtungsvorrichtung 80 zur Verdichtung einzelner Zahnkern-Blechpakete zur Durchführung eines Arbeitsschritts direkt nach dem Stanzen und Paketieren. Die erfindungsgemäße Verdichtungsvorrichtung 80 besteht aus mehreren Pressbacken, die in alle drei Raumrichtungen Druck auf das Blechpaket ausüben können.
• Zunächst wird in 14 und 15 der stanzpaketierte Zahnkern radial und axial eingespannt, wobei die Reihenfolge wechseln kann. Optional ist in der tangentialen Zahnmitte in der Manteloberfläche des Jochs eine Vertiefung 15 vorgesehen, die eine exakte tangentiale Ausrichtung im Presswerkzeug ermöglicht. Der Zahnkopf wird vorzugsweise durch radial hervorstehende Erhöhungen 82 des Pressbackens 81 beim radialen Einspannen gegenüber dem Pressbacken 83 tangential ausgerichtet.
• Bei geringem Radialdruck erfolgt in der ausgerichteten Position das axiale Fixierpressen durch einen weiteren Pressbacken 84, wie in 15 dargestellt. Danach kann wiederum der radiale Pressdruck (14) weiter erhöht werden.
• Abschließend erfolgt mithilfe der in 16 dargestellten Pressbacken 85, 86 eine tangentiale Pressung, bei der die Kontaktflächen im Jochbereich und die Nutwände im Bereich der Zahnhälse jeweils durch zwei getrennte Pressbacken 85, 86 geglättet und gestaucht werden. Beim tangentialen Pressen werden vorzugsweise zwei Pressbackenpaare verwendet, wobei die beiden Pressbacken 85 für die Nutwandfläche (am Zahnhals) zuerst den Druck aufbauen und dabei das Blechpaket im Jochbereich radial abstützen. Durch das Trennen der Pressbackenpaare, jeweils bestehend aus den Pressbacken 85 oder 86 kann die Presskraft am Zahnhals und an den tangentialen Kontaktflächen im Jochbereich unterschiedlich eingestellt werden. Der Umformgrad der Oberfläche ist dabei im Bereich des Zahnhalses geringer und dient lediglich der Reduktion der Rauigkeit, um in einem nachfolgenden Spritzgießprozess dünnere Isolierschichten zu ermöglichen. Die höchsten Flächenpresskräfte erzeugen die Pressbacken auf den Kontaktflächen des Jochbereichs. Dort werden durch stärkere Glättungs- und Stauchungseffekte die Toleranzen minimiert.
• Bezugszeichenliste

10

Statorring

11

Elektropolsegment

12

Blech

13

Schnittfläche

14

Spalt

15

Vertiefung

20

Vorrichtung zum Herstellen eines Stators

21

Rampenring

22

Pressstempel

23

Lagerrolle

24

Bolzen

30

Vorrichtung zum Herstellen eines Stators

31

Druckraum

32

Streben

33

Aussparungen

34

Federbleche

35

Pressstempel

40

Vorrichtung zum Herstellen eines Stators

41

Werkzeugring

42

Stößel

43

Stempel

51

Werkzeugring

52

Stößel

53

Stempel

60

Haltedorn

61

Erregerspule

62

flussführender Kern

63

Kühlkanal

70

Haltedorn

71

Erregerspule

72

flussführender Kern

73

innerer Kühlkanal

74

äußerer Kühlkanal

80

Verdichtungsvorrichtung

81, 83

Pressbacken (radial)

82

Erhöhung

84

Pressbacken (axial)

85, 86

Pressbacken (tangential)

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine aus Statorsegmenten (11), wobei die Vorrichtung mehrere ringförmig angeordnete Pressstempel (22, 35, 43, 53) und Mittel zur Bewegung der Pressstempel (22, 35, 43, 53) in radialer Richtung umfasst, wobei die Mittel zur Bewegung der Pressstempel (22, 35, 43, 53) so ausgelegt sind, dass die Pressstempel (22, 35, 43, 53) gleichzeitig bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bewegung der Pressstempel (22, 35, 43, 53) einen Rampenring (21) mit innenliegenden Rampen umfassen, wobei die Pressstempel (22) auf Rollen (23) gelagert sind, die entlang der Rampen in Umfangsrichtung des Rampenrings (21) beweglich angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Pressstempel (22, 35, 43) in einer inneren Endposition ihrer radialen Bewegung einen Kreis ausbilden, wobei die innere Endposition durch einen Anschlag begrenzt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Anschlag durch einen magnetisierbaren Haltedorn (60, 70) gebildet wird.
4. Verfahren zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine, der ringförmig angeordnete Elektropolsegmente (11) umfasst, mit mindestens folgenden Schritten: – Herstellen von Elektropolsegmenten (11), – Isolieren der Elektropolsegmente (11), – Bewickeln der Elektropolsegmente (11), – Ringförmiges Anordnen der Elektropolsegmente (11), – Radiales Verdichten der Elektropolsegmente (11), – Fixieren der verdichteten Elektropolsegmente (11) auf einem magnetisierbaren Haltedorn (60, 70), – Einschieben der fixierten Elektropolsegmente (11) in einen erwärmten Halterungskörper – Entnahme des Haltedorns (60, 70)
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das radiale Verdichten ein Glätten der Blechkanten der Elektropolsegmente und ein Vergrößern der Blechdicke im oberflächennahen Bereich umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das radiale Verdichten durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 erfolgt.

Images