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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Lamellenpaket eines Rotors oder eines Stators für eine elektrische Maschine sowie Verfahren zum Fertigen eines solchen Lamellenpakets.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische Maschinen werden für vielfältige Zwecke eingesetzt. Beispielsweise werden elektrische Maschinen als Antrieb und/oder Generator in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzt.
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Im Allgemeinen besitzt eine elektrische Maschine einen Stator und einen relativ zu diesem Stator drehbaren Rotor. Sowohl der Stator als auch der Rotor können einen Grundkörper aufweisen, in dem Ausnehmungen vorgesehen sind, die unterschiedlichen Zwecken dienen. Beispielsweise können bei einer Synchronmaschine in Ausnehmungen Permanentmagnete oder Spulen von Elektromagneten eingepasst sein. Bei Asynchronmaschinen können in Ausnehmungen Komponenten eines Kurzschlusskäfigs aufgenommen sein. Ferner können Ausnehmungen in dem Grundkörper vorgesehen sein, durch die Kühlmittel geleitet werden kann, um den Stator bzw. Rotor während des Betriebs zu kühlen.
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Der Grundkörper des Stators bzw. des Rotors kann als Paket in Form eines Stapels aus einer Vielzahl nebeneinander gestapelter dünner Blechlamellen zusammengesetzt sein. Jede Blechlamelle kann dabei als dünnes Metallblech, beispielsweise mit einer Dicke von weniger als 0,4mm, ausgebildet sein.
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Beispiele von Lamellenpaketen für einen Rotor oder einen Stator werden in
DE 10 2011 078 054 A1 ,
WO 2013/075783 A2 und
US 2013/0221772 A1 beschrieben.
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Herkömmlich werden die Blechlamellen zunächst mithilfe geeignet ausgebildeter Matrizen in Form gestanzt und anschließend paketiert, d.h. nebeneinander gestapelt und miteinander verbunden. Um benachbarte Blechlamellen aneinander zu fixieren, werden diese meist mithilfe eines geeignet ausgebildeten Presswerkzeugs verpresst. Das Presswerkzeug verformt dabei die Blechlamelle lokal, sodass verpresste Bereiche miteinander pressgefügt werden, jedoch ohne dass Material freigestanzt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, ein Lamellenpaket für einen Rotor oder einen Stator einer elektrischen Maschine einfach und kostengünstig fertigen zu können. Insbesondere kann bei der Fertigung eine Anzahl von Fertigungsschritten verringert werden. Außerdem kann eine Funktionalität von ausgebildeten Ausnehmungen in einem Grundkörper eines Rotors bzw. eines Stators verbessert werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Lamellenpaket eines Rotors oder Stators für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, welches ein Paket aus mehreren hintereinander gestapelten Blechlamellen aufweist. In jeder der Blechlamellen sind dabei Ausnehmungen zur Bildung eines Kühlkanals ausgebildet und die Ausnehmungen benachbarter Blechlamellen sind fluchtend miteinander ausgerichtet. Das Lamellenpaket zeichnet sich dadurch aus, dass benachbarte Blechlamellen in Bereichen angrenzend jeweils an eine der Ausnehmungen miteinander pressgefügt sind.
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Unter „angrenzend“ kann in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass sich die pressgefügten Bereiche direkt an die zugehörige Ausnehmung anschließen, d.h. dass zwischen der Ausnehmung und dem pressgefügten Bereich vorzugsweise kein unverpresster Bereich verbleibt. Ein pressgefügter Bereich kann sich dabei, insbesondere abhängig von der Größe der Ausnehmung und der Dicke der zu verpressenden Blechlamellen, beispielsweise in einer Umgebung von 0 bis 1 mm oder 0 bis 3 mm um eine Ausnehmung herum erstrecken.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen eines Lamellenpakets eines Rotors oder Stators für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, welches durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: zunächst werden mehrere Blechlamellen bereitgestellt; dann wird eine ergänzende Blechlamelle auf eine benachbarte Blechlamelle, in der bereits eine Ausnehmung zur Bildung eines Kühlkanals freigestanzt ist, gestapelt; anschließend wird eine Ausnehmung zur Bildung des Kühlkanals in der ergänzenden Blechlamelle fluchtend mit der Ausnehmung in der benachbarten Blechlamelle freigestanzt. Das Freistanzen wird hierbei derart durchgeführt, dass die ergänzende Blechlamelle in einem Bereich angrenzend an die Ausnehmung mit der benachbarten Blechlamelle pressgefügt wird.
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Die Schritte des Aufstapelns einer ergänzenden Blechlamelle und des anschließenden gezielten Freistanzens können dabei mehrfach wiederholt werden, bis ein Lamellenpaket zusammengestapelt und pressgefügt ist, dass einen Grundkörper eines Rotors oder eines Stators bilden kann.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Bei der Fertigung von Lamellenpaketen wurden bisher stets zuerst die einzelnen Blechlamellen in eine geeignete Form gestanzt und anschließend wurden die gestanzten Blechlamellen gestapelt und miteinander gefügt.
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Es wird nun vorgeschlagen, die Prozessschritte des Freistanzens und Fügens miteinander zu kombinieren. Insbesondere wurde erkannt, dass es vorteilhaft sein kann, ein Lamellenpaket dadurch aufzubauen, dass auf eine oberste Blechlamelle eines bereits aufgebauten Teils des Lamellenpakets eine weitere, ergänzende Blechlamelle gestapelt wird. Die ergänzende Blechlamelle ist zunächst noch nicht bzw. nicht vollständig in Form gestanzt. An der benachbarten Blechlamelle anlagernd wird die ergänzende Blechlamelle dann freigestanzt, d.h. es wird durch einen Stanzvorgang eine Ausnehmung erzeugt. Das Freistanzen erfolgt dabei derart, dass in der ergänzenden Blechlamelle Bereiche so freigestanzt werden, dass diese mit bereits zuvor freigestanzten Bereichen der benachbarten Blechlamelle fluchten und im fertigen Blechpaket einen durchgehenden Kühlkanal bilden können.
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Der Vorgang des Freistanzens und insbesondere ein dabei verwendetes Werkzeug sollen dabei speziell angepasst werden, sodass nicht nur Material aus der Blechlamelle entfernt wird, um die Ausnehmung zu bilden, sondern gleichzeitig, d.h. im gleichen Arbeitsschritt, die ergänzende Blechlamelle in Bereichen angrenzend an eine Ausnehmung derart an die benachbarte Blechlamelle gepresst wird, dass die beiden Blechlamellen miteinander pressgefügt werden.
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Unter Pressfügen kann in diesem Zusammenhang eine mechanische Verbindungstechnik verstanden werden, bei der zu verbindende Teile so bearbeitet werden, dass nach einem Fügen an den Verbindungsstellen eine Presspassung entsteht. Durch die Presspassung können Längs- und/oder Querkräfte zwischen den pressgefügten Teilen kraftschlüssig übertragen werden. Die Pressfügung kann hierbei insbesondere als Längspressverband ausgeführt sein.
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Einerseits können durch das kombinierte Freistanzen und gleichzeitige Pressfügen benachbarter Blechlamellen Arbeitsschritte eingespart werden. Ein Aufbauen des Lamellenpakets kann vereinfacht werden und eventuell Anforderungen an Fertigungstoleranzen verringert werden.
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Andererseits wurde es als besonders vorteilhaft erkannt, dieses kombinierte Freistanzen und Pressfügen gezielt bei der Ausbildung derjenigen Ausnehmungen einzusetzen, welche später in der fertigen elektrischen Maschine Kühlkanäle innerhalb des Rotors bzw. des Stators bilden sollen.
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Herkömmlich wurden in den Blechlamellen zunächst die Ausnehmungen freigestanzt, welche später die Kühlkanäle bilden sollten, und anschließend wurden die Blechlamellen derart gestapelt, dass die Ausnehmungen fluchtend miteinander positioniert waren und somit den Kühlkanal bildeten. Ein Pressverfügen benachbarter Blechlamellen erfolgte erst anschließend. Insbesondere erfolgte das Pressfügen in Bereichen fern der zuvor freigestanzten Ausnehmungen. Dies hatte insbesondere zur Folge, dass die Blechlamellen zwar dort, wo sie miteinander pressgefügt wurden, plastisch deformiert waren, nicht jedoch in Bereichen direkt angrenzend an die Ausnehmungen. In den Bereichen direkt angrenzend an die Ausnehmungen lagen die benachbarten Blechlamellen daher zwar nahe beieinander, waren jedoch nicht miteinander gefügt. Wenn durch einen Kühlkanal, der durch solche Ausnehmungen gebildet war, Kühlmittel geleitet werden sollte, bestand daher ein Risiko, dass Kühlmittel zwischen benachbarte Blechlamellen eindringt und dort gegebenenfalls nachteilig wirkt. Beispielsweise kann Öl mit Wicklungen oder Isolationen chemisch reagieren und diese schädigen. Ein Eindringen von Kühlmittel zwischen die Blechlamellen kann auch zu Stömungsverlusten führen. Um solchermaßen bewirkte Nachteile zu verhindern, wurde daher in bestimmten Anwendungen bisher in die fluchtenden Ausnehmungen zusätzliche eine Röhre eingeschoben, durch die dann das Kühlmittel geleitet wurde. Diese Röhre stellt jedoch ein zusätzliches Bauteil dar und bedingt somit erhöhte Kosten, Gewicht und Komplexität.
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Bei dem hierin vorgeschlagenen Konzept, Ausnehmungen für Kühlkanäle derart freizustanzen, dass gleichzeitig auch ein Pressfügen in angrenzenden Bereichen stattfindet, werden die Bereiche angrenzend an eine Ausnehmung leicht zur benachbarten Blechlamelle hin gebogen und/oder verformt und es kommt zu einer lokalen Presspassung mit angrenzenden Bereichen der benachbarten Blechlamelle. Durch die plastische Verformung und die Presspassung kommen die benachbarten Blechlamellen daher insbesondere in den Bereichen direkt angrenzend an die den Kühlkanal bildenden Ausnehmungen in sehr engen Kontakt. Wird später Kühlmittel durch den Kühlkanal geleitet, ist somit ein Risiko, dass Kühlmittel in signifikanten Mengen zwischen benachbarte Blechlamellen gelangt und dort nachteilig oder gar schädigend wirkt, sehr viel geringer als bei herkömmlich gefertigten Lamellenpaketen.
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Ein Risiko von Korrosion oder chemischen Reaktionen kann weiter reduziert werden, indem nicht oder schwach korrodierende Kühlmittel wie z.B. Öle anstatt stark korrodierender Kühlmittel wie Wasser verwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil kann dadurch entstehen, dass sich durch das Stanzpaketieren der Blechlamellen im Kühlkanal eine benetzte Oberfläche durch eine Aneinanderreihung von Stanzkanten und damit eine Kühlfläche vergrößert. Das kann vorteilhaft für eine Kühlwirkung sein.
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Die in den Blechlamellen vorzusehenden Ausnehmungen können an unterschiedlichen Positionen und mit unterschiedlichen Geometrien freigestanzt werden.
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Beispielsweise können die Ausnehmungen als ausgestanzte Löcher in einer Blechlamelle ausgebildet werden. Mit anderen Worten können die Ausnehmungen im Innenbereich einer Blechlamelle, d.h. entfernt von deren Rand, als Loch freigestanzt werden, sodass die Ausnehmung rundherum von Material der Blechlamelle umgeben ist. Die Ausnehmung kann hierbei beispielsweise eine runde, eckige, insbesondere viereckige, sternförmige oder sonstige regelmäßige oder unregelmäßige Kontur aufweisen.
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Alternativ können die Ausnehmungen als ausgestanzte Bereiche an einem Rand der Blechlamelle ausgebildet werden. Mit anderen Worten können die Ausnehmungen an dem äußeren oder inneren Umfang einer Blechlamelle, d.h. direkt an deren Rand, freigestanzt werden, sodass die Ausnehmung nur in Teilbereichen, nicht aber rundherum, von Material der Blechlamelle umgeben ist. Die Ausnehmung kann hierbei wiederum beispielsweise eine halbrunde, eckige, insbesondere viereckige, sternförmige oder sonstige regelmäßige oder unregelmäßige Kontur aufweisen.
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Um die Ausnehmungen auszubilden und gleichzeitig die Pressfügung zu bewirken, kann die Ausnehmung mithilfe eines speziellen Werkzeuges freigestanzt werden, welches an einem distalen Ende eine scharfkantige Stanzkante mit einem ersten Querschnitt aufweist und welches proximal entfernt von dem distalen Ende eine verrundete Schulter mit einem zweiten Querschnitt aufweist.
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Die scharfkantige Stanzkante kommt bei einem Stanzvorgang zuerst in Kontakt mit der Blechlamelle und stanzt eine Ausnehmung mit einer gewünschten Geometrie frei. Erst anschließend, bei einem weiteren Niederdrücken des Werkzeuges, kommt die verrundete Schulter in Kontakt mit der Blechlamelle. Aufgrund der Verrundung wird der Rand der zuvor ausgestanzten Ausnehmung nun verbogen und gegen die darunter befindliche Blechlamelle gepresst, sodass es zu der gewünschten Pressfügung kommt. Der erste Querschnitt im Bereich der scharfkantigen Stanzkante kann dabei vorteilhafterweise eine kleinere Fläche aufweisen als der zweite Querschnitt im Bereich der verrundeten Schulter.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Insbesondere sind Merkmale teilweise mit Bezug auf ein Herstellungsverfahren und teilweise mit Bezug auf das fertig hergestellte Lamellenpaket beschrieben. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt ein Lamellenpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine.
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2(a) bis (d) veranschaulichen in Schnittansichten Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fertigen eines Lamellenpakets.
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3 zeigt die Kontur eines Werkzeugs, welches bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fertigen eines Lamellenpakets verwendet werden kann.
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4 und 5 zeigen eine Draufsicht und eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lamellenpakets.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Lamellenpaket 1, welches einen Grundkörper eines Rotors einer elektrischen Maschine bilden kann. Das Lamellenpaket 1 umfasst eine Vielzahl dünner Blechlamellen 3, welche axial hintereinander gestapelt sind. In jeder der Blechlamellen 3 sind verschiedene Ausnehmungen 5, 9, 11 ausgebildet. Annähernd rechteckige Ausnehmungen nahe eines Umfangs oder Randes 25 des Lamellenpakets 1 dienen zur späteren Aufnahme beispielsweise von Permanentmagneten 7. Radial weiter innen sind runde Ausnehmungen 9 vorgesehen, die axial durchgehende Kühlkanäle bilden und durch die im Betrieb Kühlfluid geleitet werden kann. Zentral ist eine große Ausnehmung 11 vorgesehen, um eine Welle des Rotors aufzunehmen.
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Um das Lamellenpaket 1 zu fertigen, werden die Blechlamellen 3 sukzessive hintereinander gestapelt. Dabei wird jede Blechlamelle 3 zur Bildung der den Kühlkanal bildenden Ausnehmungen 9 freigestanzt und gleichzeitig mit der benachbarten Blechlamelle 3 pressgefügt.
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Ein entsprechender Fertigungsvorgang ist in 2 veranschaulicht.
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2(a) zeigt einen Stapel 13 mit bereits freigestanzten und miteinander pressgefügten Blechlamellen 3. Direkt angrenzend an eine Ausnehmung 9 sind die Blechlamellen 3 leicht aus einer Ebene heraus verbogen, was sich aus dem nachfolgend beschriebenen Fertigungsvorgang ergibt.
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Auf den Stapel 13 wird dann eine ergänzende, noch nicht fertig freigestanzte Blechlamelle 3‘ gestapelt, wie in 2(b) veranschaulicht.
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Mit einem speziellen Werkzeug 15 wird anschließend in der ergänzenden Blechlamelle 3‘ eine Ausnehmung 9 freigestanzt. Das Werkzeug 15 wird dabei so positioniert, dass diese Ausnehmung 9 mit den Ausnehmungen 9 der benachbarten Blechlamelle 3 fluchtet. Wie in 2(c) dargestellt, wird bei diesem Freistanzen die ergänzende Blechlamelle 3‘ zunächst nur klassisch mit einer an einem distalen Ende des Werkzeugs 15 vorgesehenen Stanzkante 17 gestanzt, d.h. Material wird lokal entfernt, ohne jedoch die Blechlamelle 3‘ in angrenzenden Bereichen signifikant zu verformen.
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Das Werkzeug 15 wird dann, wie in 2(d) veranschaulicht, weiter hin zu der ergänzenden Lamelle 3‘ verlagert. Dabei ist das Werkzeug 15 derart ausgebildet, dass es mit einer Schulter 19 in Anlage mit einem Bereich 21 angrenzend an die zuvor freigestanzte Ausnehmung 9 kommt. Bei einem weiteren Niederpressen des Werkzeugs 15 verformt diese Schulter 19 die ergänzende Blechlamelle 3‘ in dem Bereich 21 lokal. Dabei werden die ergänzende Blechlamelle 3‘ und die benachbarte Blechlamelle 3 in dem Bereich 21 derart stark miteinander verpresst, dass es durch Pressfügen zu einer Presspassung kommt.
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In 3 ist das Werkzeug 15 vergrößert dargestellt. An dem distalen Ende befindet sich eine scharfkantige Stanzkante 17. Die Stanzkante 17 ist derart scharfkantig, dass Material auf einer Blechlamelle 3 freigestanzt werden kann. Im dargestellten Beispiel in die Stanzkante 17 im Querschnitt rund und weist einen Durchmesser d1 auf. An die Stanzkante 17 schließt sich ein zylindrischer Bereich 23 an.
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Proximal entfernt von der Stanzkante 17 befindet sich die Schulter 19. Im Bereich der Schulter 19 vergrößert sich der Durchmesser des Werkzeugs auf einen Durchmesser d2. Im Bereich der Schulter 19 ist das Werkzeug 15 somit konisch. Die Schulter ist dabei verrundet, d.h. sie weist keine Kanten auf, die scharf genug wären, um eine Blechlamelle freizustanzen. Die Kontur der Verrundung ist geeignet angepasst, so dass es bei einem Aufpressen der Schulter 19 auf den Bereich 21 der ergänzenden Blechlamelle 3‘ zu einem Pressfügen mit der benachbarten Blechlamelle 3 kommt. Weiter proximal der Schulter 19 kann das Werkzeug 15 wieder eine zylindrische Form aufweisen.
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Während in 2 eine Ausführungsform dargestellt ist, bei der Ausnehmungen 9 als Löcher entfernt vom Rand 25 der Blechlamellen 3 erzeugt werden, wird in den 4 und 5 eine Ausführungsform dargestellt, bei der Bereiche 27 am Rand 25 der Blechlamellen 3 freigestanzt werden, um dort als Kühlkanal wirkende Ausnehmungen 9 zu bilden. Die Ausnehmungen 9 können beispielsweise als Statoraußennuten ausgebildet sein. Angrenzend an die freigestanzten Bereich 27 und somit angrenzend an die Ausnehmungen 9 befindet sich wiederum ein Bereich 21, in dem die Blechlamellen 3 jeweils leicht hin zu benachbarten Blechlamellen 3 verbogen und mit diesen pressgefügt sind. Mit anderen Worten kann eine oder mehrere Außenflanken einer von den Ausnehmungen 9 gebildeten Nut zur Paketierung in die jeweils darunter liegende Blechlamelle 3 verformt sein.
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Das beschriebene Lamellenpaket 1 sowie das zu dessen Herstellung beschriebene Fertigungsverfahren können verschiedene Vorteile aufweisen. Dadurch, dass ein Freistanzen und ein Pressfügen in einem gemeinsamen Vorgang durchgeführt wird, kann ein Fertigungsprozess vereinfacht werden. Eine Anzahl von Fertigungsschritten und hierbei notwendigen Werkzeugen kann verringert werden. Dies kann insgesamt zu einer Vereinfachung der Fertigung und zu einer Reduzierung damit verbundener Kosten führen. Außerdem kann der durch die Ausnehmungen erzeugte Kühlkanal aufgrund des Pressfügens dichter sein, sodass gegebenenfalls auf zusätzlich aufzunehmende Röhren verzichtet werden kann.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011078054 A1 [0005]
- WO 2013/075783 A2 [0005]
- US 2013/0221772 A1 [0005]
