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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung zweier Bauteile einer elektrischen Maschine, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine Verbindungsanordnung eines ersten Bauteils an einem zweiten Bauteil einer elektrischen Maschine, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits der
DE 10 2010 030 774 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei der Verbindungsanordnung ist das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil verbunden. Dabei ist das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil verschweißt. Mit anderen Worten ist das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil unter Ausbildung einer Schweißverbindung verbunden.
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Die
US 6 114 784 A offenbart eine elektrische Maschine, mit zwei Gehäuseelementen, welche durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden sind.
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Aus der
DE 20 63 360 A ist ein Verfahren zum Befestigen von Lagern an einem aufnehmenden Teil bekannt, bei welchem ein mit dem aufnehmenden Teil zu verbindender Teil des jeweiligen Lager mit dem aufnehmenden Teil durch Elektronenstrahlschwei-ßen verschweißt wird.
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Des Weiteren ist der
US 5 607 241 A eine Radlageranordnung eines Fahrzeugs bekannt zu entnehmen. Bei der Radlageranordnung ist ein Wellenteil in einem Nabenteil angeordnet und durch Elektronenstrahlschweißen mit dem Nabenteil verbunden. Dabei weist das Nabenteil eine Laufbahn für Wälzkörper eines Wälzlagers auf.
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Die
DE 10 2012 212 990 A1 offenbart eine Welle-Nabe-Verbindung eines Läufers eines Abgasturboladers, der ein Laufrad und eine Welle umfasst, die formschlüssig in eine Aufnahme einer Nabe des Laufrades eingreift, wobei das Laufrad mit der Welle stoffschlüssig verbunden ist.
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Außerdem offenbart die Veröffentlichung „Elektronenstrahlschweißen - Grundlagen einer faszinierenden Technik“ (Volker Adam et al., pro-beam AG & Co. KGaA, Planegg, 1. Auflage, 2011, S. 1-98), dass un- und niedriglegierte Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, hochlegierte Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt und Hochlegierte Stähle mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindungsanordnung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders vorteilhafte Verbindung der Bauteile realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Verbindungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte Verbindung der Bauteile realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eines der Bauteile einen ersten Verbindungsbereich mit einem Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von einschließlich 0,65 Gewichtsprozent bis einschließlich 1 Gewichtsprozent und das andere Bauteil einen zweiten Verbindungsbereich mit einem Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von einschließlich 0,41 Gewichtsprozent bis einschließlich 0,42 Gewichtsprozent aufweist, wobei die Bauteile in den jeweiligen Verbindungsbereichen mittels des Elektronenstrahlschweißens miteinander verbunden sind. Es wurde gefunden, dass durch den Einsatz des Elektronenstrahlschweißens auch Bauteile beziehungsweise Verbindungsbereiche mit hohen Kohlenstoffgehalten verschweißbar sind, welche mittels Laserstrahlschweißens nicht verschweißt werden können. Dadurch können die Kosten der elektrischen Maschine besonders gering gehalten werden. Dabei ist das erste Bauteil durch Elektronenschweißen mit dem zweiten Bauteil verbunden ist. Mit anderen Worten ist es im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen der Verbindungsanordnung vorgesehen, dass das erste Bauteil durch Elektronenstrahlschweißen mit dem zweiten Bauteil verschweißt und dadurch verbunden wird.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass eine Schweißverbindung zwischen den Bauteilen mittels konventioneller Schweißverfahren nicht realisierbar ist, da es bei konventionellen Schweißverfahren zu einem sehr hohen Energieeintrag in zumindest eines der Bauteile der elektrischen Maschine kommt. Daraus resultiert ein starker Verzug, was unerwünscht ist. Es wurde gefunden, dass der Einsatz von Laserschweißen beziehungsweise Laserstrahlschweißen möglich ist, um Bauteile zu schweißen und dabei gleichzeitig den Verzug gering zu halten. Es wurde doch ferner gefunden, dass es bei dem Einsatz von Laserschweißen zum Verschweißen der Bauteile zu Problemen hinsichtlich der Qualität der Verbindung zwischen den Bauteilen sowie hinsichtlich des realisierbaren Wirkungsgrads kommt. Darüber hinaus kommt es bei dem Einsatz von Laserstrahlschweißen zu Nachteilen bei der Schweißeignung von beispielsweise bei Kugellagern und Wellen, welche bei der elektrischen Maschine eingesetzt werden, üblichen Werkstoffe, sowie bei Mischverbindungen, wie sie zum Beispiel bei Gehäusesitzen üblich ist.
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Im Gegensatz dazu eignet sich das Elektronenstrahlschweißen, um eine qualitativ hochwertige Verbindung der Bauteile mit einem hohen Wirkungsgrad zu realisieren, ohne dass es zu Nachteilen hinsichtlich der Schweißeignung der Bauteile kommt.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es ferner bekannt, dass beispielsweise bei elektrischen Maschinen zur Übertragung von Axialkräften üblicherweise Wälzlager eingesetzt werden, die axial auf einer Welle und/oder an einem Gehäuse der elektrischen Maschine formschlüssig oder kraftschlüssig fixiert beziehungsweise gesichert sind. Das formschlüssige beziehungsweise kraftschlüssige Fixieren sind Verbindungsarten, wobei diese herkömmlichen Verbindungsarten zeit- und somit kostenaufwendige Prozessschritte erfordern, die den Fertigungsfluss zum Herstellen der elektrischen Maschine insgesamt zeitlich verlängern beziehungsweise unterbrechen. Alternativ oder zusätzlich erfordern diese herkömmlichen Verbindungsarten zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise Spannringe, insbesondere axiale Spannringe, Hülsen und/oder Schraubelemente wie Schrauben oder Muttern. Diese zusätzlichen Bauteile müssen montiert werden, was zu einer hohen Anzahl an Prozessschritten führt.
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Daraus resultieren hohe Fertigungskosten. Im Rahmen der Prozessschritte müssen beispielsweise Sicherungsringe und Nuten für Sicherungsringe in der Welle beziehungsweise im Gehäuse vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich müssen axiale und/oder radiale Spannringe zum Einsatz kommen. Diese Nachteile können durch das Elektronenstrahlschweißen vermieden werden, sodass die Teileanzahl der Verbindungsanordnung und somit der elektrischen Maschine insgesamt gering gehalten werden kann. Somit können die Kosten und das Gewicht der elektrischen Maschine gering gehalten werden. Darüber hinaus kann die elektrische Maschine insgesamt zeit- und kostengünstig hergestellt werden. Durch den Einsatz von Elektronenstrahlschweißen zum Verbinden der Bauteile miteinander ist eine zeiteffiziente und zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Fertigung mit einer minimalen Anzahl an Bauteilen und Prozessschritten und mit hoher Qualität realisierbar.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist eines der Bauteile ein eine Laufbahn für Wälzkörper aufweisender Lagerring eines Wälzlagers. Durch den Einsatz des Elektronenstrahlschweißens kann eine besonders vorteilhafte Übertragung von Kräften und/oder Drehmomenten realisiert werden, sodass der beispielsweise als Innenring oder Außenring ausgebildete Lagerring sicher und dabei einfach und kostengünstig fixiert werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Lagerring in seiner axialen Richtung mittels des Elektronenstrahlschweißens an dem anderen Bauteil festgelegt ist. Durch den Einsatz von Elektronenstrahlschweißen lässt sich eine Verbindung zwischen dem Lagerring und dem anderen Bauteil realisieren, wobei diese Verbindung Kräfte, insbesondere Axialkräfte, betriebssicher aufnehmen und abstützen kann.
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Ein weiterer Vorteil des Elektronenstrahlschweißens ist, dass beim Elektronenstrahlschweißen keine Schutzgase wie bei einem konventionellen Schweißverfahren vorgesehen und erforderlich sind. Ferner kann das Elektronenstrahlschweißen mit einem besonders hohen Wirkungsgrad durchgeführt werden, wobei der Wirkungsgrad von Elektronenstrahlschweißen deutlich über dem des Laserstrahlschweißens liegt. Dadurch können die Betriebskosten durch das Betreiben einer Elektronenstrahlschweißanlage im Vergleich zu anderen Anlagen deutlich gesenkt werden. Ferner ist es möglich, mittels des Elektronenstrahlschweißens wenigstens eine sehr tiefe, parallele und auch schmale Schweißnaht bei einer gleichzeitig sehr hohen Schweißgeschwindigkeit zu erzeugen, sodass die Bauteile unter Ausbildung wenigstens einer Schweißnaht miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, werden.
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Ein beim Elektronenstrahlschweißen etwaig auftretender Verzug ist aufgrund der sehr geringen Nahtgröße und somit aufgrund des minimalen Wärmeeintrags auf ein Minimum begrenzt, was sich positiv auswirkt. Aus diesem Grund wird das Elektronenstrahlschweißen beispielsweise als letzter Schritt einer Fertigungskette zum Herstellen der elektrischen Maschine durchgeführt.
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Zum Realisieren des Elektronenstrahlschweißens kommt wenigstens ein Elektronenstrahl zum Einsatz, mittels welchem die Bauteile insbesondere unter Ausbildung der Schweißnaht verschweißt werden. Dabei kann der Elektronenstrahl beim Schweißen besonders kleiner Nähte exakt abgelenkt werden, indem beispielsweise kleine elektrische Felder angelegt werden. Somit müssen die Bauteile während des Schweißvorgangs nicht zwingend bewegt werden, da sich der Elektronenstrahl beispielsweise von selbst bewegt. Besonders vorteilhaft ist das Verfahren in einer Massenfertigung anwendbar, da es bei einer sehr hohen Schweißgeschwindigkeit eine besonders hohe und vor allem auch gleichbleibende Qualität der Schweißnähte ermöglicht. Dies bedeutet, dass durch den Einsatz von Elektronenstrahlschweißen eine besonders hohe Anzahl an Verbindungsanordnungen zeit- und somit kostengünstig herstellbar ist.
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Da die Kosten beim Elektronenstrahlschweißen vergleichsweise niedrig sind, ist es auch möglich, die elektrische Maschine besonders kostengünstig herzustellen. Beim Elektronenstrahlschweißen ist ferner eine hohe Energiedichte, insbesondere des Elektronenstrahls, realisierbar. Diese hohe Energiedichte erlaubt das Verschweißen zumindest nahezu aller, auch höchstschmelzender Metalle. Ferner erlaubt die hohe Energiedichte die Herstellung von Mischverbindungen durch das Verschweißen unterschiedlicher Materialien, beispielsweise Stahl und Bronze, wie zum Beispiel bei Rillenkugellagern in Gussgehäusen und Gussbuchsen oder Buchsen aus ME-Metallen oder auch unterschiedlicher Stahllegierungen, zum Beispiel Vergütungsstählen.
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Ein weiterer Vorteil des Elektronenstrahlschweißens insbesondere im Vergleich zum Laserstrahlschweißen ist die Qualität der Schweißverbindung zwischen den Bauteilen. Mit anderen Worten kann im Vergleich zum Laserstrahlschweißen mittels des Elektronenstrahlschweißens eine wesentlich höhere Qualität der Schweißverbindung realisiert werden. Im Rahmen des Elektronenstrahlschweißens wird ein Vakuumprozess durchgeführt. Dabei führt der Vakuumprozess zu oxidationsfreien Verbindungen von jeweiligen Oberflächen der Bauteile. Vor allem ist die Schweißeignung von Werkstoffen, insbesondere Lagerwerkstoffen und auch einiger Wellenwerkstoffe, beim Elektronenstrahlschweißen besser als beim Laserstrahlschweißen. So sind üblicherweise alle handelsüblichen Strahlsorten zum Laserstrahlschweißen geeignet, wenn der Kohlenstoffanteil 0,25 Gewichtsprozent nicht überschreitet. Bei Kohlenstoffanteilen zwischen 0,25 Gewichtsprozent und 0,35 Gewichtsprozent treten aber bereits Spannungsrisse auf, die das Schweißergebnis verschlechtern. Höhere Anteile an Kohlenstoff verschlechtern das Ergebnis zunehmend. Diese Einschränkung hinsichtlich des Kohlenstoffgehalts liegt beim Elektronenstrahlschweißen nicht oder nicht in diesem Grad vor.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das andere Bauteil eine Welle, welche über das Wälzlager an einem Gehäuse der elektrischen Maschine drehbar gelagert ist. Das Wälzlager kann als Rillenkugellager, Kugellager, Kegelrollenlager oder als anderes Wälzlager ausgebildet sein und ermöglicht eine besonders reibungsarme Lagerung der Welle an dem Gehäuse, wobei die Welle um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuse drehbar ist.
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Weiterhin hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das andere Bauteil ein Gehäuse ist, an welchem die Welle der elektrischen Maschine über das Wälzlager drehbar gelagert ist. Das Elektronenstrahlschweißen kann erfindungsgemäß somit zum Verschweißen des beispielsweise als Innenring oder Außenring ausgebildeten Lagerrings mit einer Welle oder einem Gehäuse der elektrischen Maschine zum Einsatz kommen, ohne dass es zu einem unerwünschten, übermäßigen Verzug der Bauteile kommt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Welle in ihrer radialen Richtung über das Wälzlager an dem Gehäuse abgestützt ist. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte und kostengünstige Lagerung realisiert werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass eines der Bauteile eine Nabe und das andere Bauteil einen zumindest teilweise in der Nabe angeordneten Wellenteil aufweist, welcher unter Ausbildung einer Welle-Nabe-Verbindung mittels des Elektronenstrahlschweißens drehfest mit dem einen Bauteil verbunden ist. Es wurde gefunden, dass sich das Elektronenstrahlschweißen auch besonders vorteilhaft eignet, um eine stoffschlüssige Welle-Nabe-Verbindung zwischen den Bauteilen der elektrischen Maschine zu realisieren. Diese Welle-Nabe-Verbindung kann dabei kostengünstig und ohne übermäßigen Verzug hergestellt werden.
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Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das eine Bauteil eine Riemenscheibe oder ein Zahnrad und das andere Bauteil eine Welle ist, welche über den Wellenteil mittels des Elektronenstrahlschweißens drehfest mit dem einen Bauteil, das heißt der Riemenscheibe oder dem Zahnrad, verbunden ist. Durch den Einsatz des Elektronenstrahlschweißens kann eine besonders feste Verbindung zwischen den Bauteilen realisiert werden, sodass auch hohe Drehmomente zwischen den Bauteilen übertragen werden können.
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Zur Erfindung gehört auch eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Verbindungsanordnung, bei welcher ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil der elektrischen Maschine durch Elektronenstrahlschweißen verbunden ist;
- 2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der elektrischen Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 4 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der elektrischen Maschine gemäß einer vierten Ausführungsform;
- 5 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der elektrischen Maschine gemäß einer fünften Ausführungsform; und
- 6 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der elektrischen Maschine einer sechsten Ausführungsform.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete elektrische Maschine, welche beispielsweise Bestandteil eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, ist. Beispielsweise ist die elektrische Maschine 10 Bestandteil eines Antriebstrangs zum Antreiben des Kraftwagens. Hierbei ist die elektrische Maschine 10 beispielsweise als Traktionsmaschine und demzufolge zum Antreiben des Kraftwagens ausgebildet, sodass der Kraftwagen beispielsweise als Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug ausgebildet ist.
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Die elektrische Maschine 10 umfasst ein in 1 ausschnittsweise erkennbares Gehäuse 12, an welchem ein Stator 14 festgelegt ist. Die elektrische Maschine 10 umfasst ferner einen Rotor 16, welcher an dem Gehäuse 12 um eine Drehachse 18 relativ zu dem Gehäuse 12 und relativ zu dem Stator 14 drehbar gelagert ist. Der Rotor 16 umfasst eine Welle 20 sowie ein Blechpaket 22, welches auf der Welle 20 angeordnet und drehfest mit der Welle 20 verbunden ist. Da das Blechpaket 22 Bestandteil des Rotors 16 ist, wird das Blechpaket 22 auch als Rotorblechpaket bezeichnet.
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Ferner umfasst der Rotor 16 vorliegend ein Rad in Form einer Riemenscheibe 24, welche ebenfalls drehfest mit der Welle 20 verbunden ist. Infolge der drehfesten Verbindung können Drehmomente zwischen der Welle 20 und dem Blechpaket 22 beziehungsweise zwischen der Welle 20 und der Riemenscheibe 24 übertragen werden.
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Die Riemenscheibe 24 ist vorliegender Bestandteil eines Umschlingungstriebs, welcher als Riementrieb ausgebildet ist. Der Riementrieb umfasst ein in 1 nicht dargestelltes Umschlingungsmittel in Form eines Riemens. Im fertig hergestellten Zustand des Riementriebs umschlingt der Riemen die Riemenscheibe 24 zumindest teilweise, sodass beispielsweise die Welle 20 und somit der Rotor 16 insgesamt über die Riemenscheibe 24 von dem Umschlingungsmittel antreibbar sind. Ferner ist es denkbar, dass das Umschlingungsmittel über die Riemenscheibe 24 von dem Rotor 16 antreibbar ist.
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Der Umschlingungstrieb umfasst ferner beispielsweise eine in 1 nicht erkennbare, weitere Riemenscheibe, welche mit einer weiteren Welle des Kraftwagens drehfest verbunden sein kann. Dabei umschlingt der Riemen auch die weitere Riemenscheibe zumindest teilweise, sodass beispielsweise die weitere Welle über den Riemen von dem Rotor 16 und somit von der elektrischen Maschine 10 antreibbar ist und/oder sodass der Rotor 16 und somit die elektrische Maschine 10 über den Riemen von der weiteren Welle antreibbar sind.
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Ferner umfasst die elektrische Maschine 10 wenigstens ein Wälzlager 26, welches vorliegend als Kugellager, insbesondere Rillenkugellager, ausgebildet ist. Über das Wälzlager 26 ist der Rotor 16 an dem Gehäuse 12 um die Drehachse 18 relativ zu dem Gehäuse 12 drehbar gelagert. Diese drehbare Lagerung des Rotors 16 erfolgt über die Welle 20, auf welcher das Wälzlager 26 angeordnet ist.
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Das Wälzlager 26 umfasst beispielsweise einen ersten Lagerring in Form eines Außenrings 28. Ferner umfasst das Wälzlager 26 einen zweiten Lagerring in Form eines Innenrings 30. Ferner umfasst das Wälzlager 26 Wälzkörper 32, welche vorliegend als Kugeln ausgebildet sind. Die Lagerringe weisen jeweilige Laufbahnen 34 beziehungsweise 36 auf. Über das Wälzlager 26 ist der Rotor 16, insbesondere die Welle 20, in radialer Richtung der Welle 20 an dem Gehäuse 12 abgestützt.
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Dabei ist beispielsweise der Innenring 30 drehfest mit der Welle 20 verbunden, sodass sich der Innenring 30 mit der Welle 20 um die Drehachse 18 mitdreht. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Außenring 28 drehfest mit dem Gehäuse 12 verbunden ist. Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Innenring 30 in seiner axialen Richtung, welche mit der axialen Richtung der Welle 20 zusammenfällt, an der Welle 20 festgelegt ist. Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Außenring 28 in seiner axialen Richtung, welche mit der axialen Richtung der Welle 20 zusammenfällt, an dem Gehäuse 12 festgelegt ist.
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Wird die Welle 20 um die Drehachse 18 relativ zu dem Gehäuse 12 und somit relativ zu dem Außenring 28 gedreht, so wälzen die Wälzkörper 32 an den Laufbahnen 34 und 36 ab. Dadurch ist eine besonders reibungsarme Lagerung des Rotors 16, insbesondere der Welle 20, an dem Gehäuse 12 realisiert.
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Das Gehäuse 12, die Welle 20, das Blechpaket 22, die Riemenscheibe 24, der Außenring 28 und der Innenring 30 sind jeweilige Bauteile der elektrischen Maschine 10. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, kann zumindest eines dieser Bauteile mit zumindest einem anderen der Bauteile durch Elektronenstrahlschweißen verschweißt und dadurch verbunden sein, wodurch eine besonders einfache, kosten- und wirkungsgradgünstig herzustellende sowie feste Verbindung, insbesondere stoffschlüssige Verbindung, realisierbar ist.
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1 zeigt die elektrische Maschine 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Bei der ersten Ausführungsform ist die Riemenscheibe 24 mit der Welle 20 unter Ausbildung wenigstens einer Schweißnaht 38 mittels Elektronenstrahlschweißens verbunden, wodurch eine stoffschlüssige Welle-Nabe-Verbindung zwischen der Welle 20 und der Riemenscheibe 24 realisiert ist. Durch diese stoffschlüssige Welle-Nabe-Verbindung ist die Riemenscheibe 24 drehfest mit der Welle 20 verbunden, sodass Drehmomente zwischen der Riemenscheibe 24 und der Welle 20 übertragen werden können. Dabei ist die Riemenscheibe 24 ein Nabenteil und weist eine Nabe 40 auf, welche vorliegend als Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Die Welle 20 weist dabei einen Wellenteil 42 auf, welcher durch einen Längenbereich der Welle 20 gebildet ist.
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Aus 1 ist erkennbar, dass der Wellenteil 42 zumindest teilweise in der Nabe 40 angeordnet ist. Hierzu wird beispielsweise der Wellenteil 42 in axialer Richtung der Welle 20 in die Nabe 40 eingesteckt. Dadurch ist die Riemenscheibe 24 auf der Welle 20, insbesondere auf dem Wellenteil 42, angeordnet. Im Rahmen der Herstellung der Welle-Nabe-Verbindung wird der Wellenteil 42 unter Ausbildung der Schweißnaht 38 mittels des Elektronenstrahlschweißens drehfest mit der Riemenscheibe 24 verschweißt und dadurch verbunden. Im Rahmen des Verschweißens der Riemenscheibe 24 mit dem Wellenteil 42 kann der so genannte Tiefschweißeffekt genutzt werden.
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Beim Elektronenstrahlschweißen werden Elektronen an einer Kathode durch thermische Emission freigesetzt, mittels einer hohen elektrischen Spannung von beispielsweise bis zu 150 kV (Kilovolt) beschleunigt und zu einem kleinen Fleck beziehungsweise Punkt mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,1 mm bis 1 mm (Millimeter) auf eine zu verschweißende Oberfläche des jeweiligen Bauteils fokussiert. Diese Oberfläche wird auch als Werkstückoberfläche bezeichnet. Die Elektronen geben dabei ihre kinetische Energie zum größten Teil in Form von Wärme an das jeweilige Bauteil, welches auch als Werkstück bezeichnet wird, ab, und zwar in einer so hohen Leistungsdichte von beispielsweise mehr als 106 Watt pro Quadratzentimeter, dass der Werkstoff des jeweiligen Bauteils an einer Strahlauftreffstelle nicht nur schmilzt, sondern auch verdampft.
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Zum Elektronenstrahlschweißen wird wenigstens ein Elektronenstrahl verwendet, welcher an der Strahlauftreffstelle auf die Oberfläche auftrifft. Durch das Verdampfen des Werkstoffes entsteht ein von schmelzflüssigem Material ummantelter Dampfkanal. Dieser Dampfkanal ermöglicht es, dem Elektronenstrahl bei entsprechender Leistung auf diese Weise Werkstückdicken von mehr als 100 mm zu durchdringen, was im Vergleich zum Lichtbogenschweißen beziehungsweise zum Prinzip des Wärmeleitschweißens als Tiefschweißeffekt bezeichnet wird. Bewegt sich nun das Werkstück relativ zum Elektronenstrahl beziehungsweise umgekehrt, fließt die Schmelze um den Dampfkanal und der Schmelzmantel erstarrt zu einer für das Elektronenstrahlschweißen typisch schmalen Verbindungsnaht in Form der Schweißnaht 38. Daraus folgen extrem geringe Schrumpfungen und Verzüge nicht nur gegenüber dem Lichtbogen- und Widerstandschweißverfahren, sondern auch im Vergleich zum Laserstrahlschweißen.
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Durch das Elektronenstrahlschweißen ist die Riemenscheibe 24 mit der Welle 20 nicht nur drehfest verbunden, sondern die Riemenscheibe 24 ist auch in axialer Richtung an der Welle 20 fixiert beziehungsweise festgelegt. Dabei ist der Innenring 30 in axialer Richtung auf einer ersten Seite an einem Bund 44 der Welle 20 abgestützt. Auf einer der ersten Seite in axialer Richtung gegenüberliegenden zweiten Seite ist der Innenring 30 an der Riemenscheibe 24 abgestützt, sodass der Innenring 30 zwischen dem Bund 44 und der Riemenscheibe 24 fixiert und somit an der Welle 20 festgelegt ist.
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Ferner ist es bei der ersten Ausführungsform vorgesehen, dass der Außenring 28 mit dem Gehäuse 12 unter Ausbildung wenigstens einer Schweißnaht 46 mittels Elektronenstrahlschweißens verschweißt und dadurch verbunden ist. Hierdurch ist der Außenring 28 beispielsweise drehfest mit dem Gehäuse 12 verbunden. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, dass der Außenring 28 durch das Elektronenstrahlschweißen in axialer Richtung in einem Gehäuse 12 festgelegt ist.
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Dies bedeutet, dass bei der ersten Ausführungsform ein Gehäuselagersitz des Außenrings 28 durch Elektronenstrahlschweißen geschweißt ist. Somit ist der Außenring 28 ein erstes Bauteil, wobei das Gehäuse 12 ein zweites Bauteil ist, das durch Elektronenstrahlschweißen mit dem ersten Bauteil verbunden ist. Im Folgenden wird eine konstruktive Möglichkeit zur Positionierung der durch Elektronenstrahlschweißen miteinander zu verschweißenden Bauteile beschrieben: Werden beispielsweise rotationssymmetrische Bauteile durch das Elektronenstrahlschweißen miteinander verschweißt, ist eine enge Spielpassung wie H7-h6 oder H6-h5 vorteilhaft. Dies erleichtert auch den Montageprozess, da zum Beispiel für allgemeine Fälle der Gehäuselagersitz für Festlager eine schwer zu fügende Übermaßpassung H7-k4 oder H7-p6 ist.
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Das Gehäuse 12 weist einen Gehäuselagersitz auf, in welchem der Außenring 28 sitzt beziehungsweise an welchem der Außenring 28 abgestützt ist. Bei der ersten Ausführungsform ist der Gehäuselagersitz geschweißt. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass durch die Welle 20 ein Wellenlagersitz gebildet ist, in welchem der Innenring 30 sitzt beziehungsweise an welchem der Innenring 30 abgestützt ist. Dabei ist es denkbar, dass alternativ oder zusätzlich der Wellenlagersitz durch Elektronenstrahlschweißen geschweißt ist, sodass beispielsweise der Innenring 30 mittels Elektronenstrahlschweißens mit der Welle 20 verbunden ist. Dadurch ist der Innenring 30 beispielsweise mit der Welle 20 drehfest verbunden und/oder in axialer Richtung der Welle 20 an dieser festgelegt.
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Der Gehäuselagersitz ist durch einen Werkstoff, aus welchem das Gehäuse 12 gebildet ist, gebildet, wobei der Wellenlagersitz durch einen Werkstoff, aus welchem die Welle 20 gebildet ist, gebildet ist. Der Gehäuselagersitz beziehungsweise der Wellenlagersitz kann wegen hoher Kohlenstoffanteile der zumeist verwendeten Werkstoff mittels des Elektronenstrahlschweißens ohne Verzug, Spannungsrisse in oxidfreien Verbindungen der Oberflächen und mit geringen Kosten geschweißt werden. Der jeweilige Lagerring, insbesondere wenn das Wälzlager 26 als Rillenkugellager ausgebildet ist, ist beispielsweise aus einem Werkstoff wie 100Cr13 oder X65Cr13 gebildet. Dabei weist beispielsweise der Werkstoff 100Cr13 einen Kohlenstoffgehalt von 1 Gewichtsprozent auf, wobei der Werkstoff X65Cr13 beispielsweise an den Kohlenstoffgehalt von 0,65 Gewichtsprozent aufweist. Ferner ist es denkbar, dass die Welle 20 aus einem Werkstoff wie 41CrS4 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,41 Gewichtsprozent oder 42CrMoS4 mit 0,42 Gewichtsprozent gebildet ist.
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Aus 1 ist erkennbar, dass sich das Elektronenstrahlschweißen ebenso eignet, um bei elektrischen Maschinen kostengünstig Welle-Nabe-Verbindungen herzustellen. Im Stand der Technik werden zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung kraftschlüssige Verbindungen bevorzugt. Diese herkömmliche Verbindungsart erfordert entweder aufwendige Prozessschritte, die den Fertigungsfluss zeitlich verlängern beziehungsweise unterbrechen, oder zusätzliche Bauteile, die die Anzahl der Prozessschritte vergrößern und die Fertigungskosten erhöhen. Bei diesen Prozessschritten handelt sich beispielsweise um Gewindeschneiden und der Einsatz von Schrauben und Ringspannscheiben beziehungsweise Ringfederspannelemente.
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Eine Welle-Nabe-Verbindung ist wegen der hohen Kohlenstoffanteile der zumeist verwendeten Werkstoffe mittels Elektronenstrahlschweißens ohne Verzug, Spannungsrisse in oxidfreien Verbindungen der Oberflächen und mit geringen Kosten schweißbar. Beispielsweise ist die Riemenscheibe 24 aus dem Werkstoff C45E mit einem Kohlenstoffteil von 0,5 Gewichtsprozent gebildet. Dieser Werkstoff kann mittels des Elektronenstrahlschweißens besonders gut verschweißt werden. Zudem lassen sich zum Schweißen der Lagersitze und beim Herstellen der Welle-Nabe-Verbindungen bei elektrischen Maschinen durch den Einsatz von Elektronenstrahlschweißen wirtschaftliche Vorteile erzielen.
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Die Technologie des Elektronenstrahlschweißens bietet gegenüber anderen Schweißverfahren wie beispielsweise Lichtbogenschweißen, Laserschweißen etc. etliche Vorteile wie zum Beispiel niedrigste spezifische Wärmeeinbringungen gegenüber allen anderen Schweißverfahren, schmalste Schmelzzonen mit dem geringsten Verzug der Bauteile, insbesondere beim Fügen in einem engen Toleranzbereich, extrem geringe Schrumpfungen und Verzüge nicht nur gegenüber dem Lichtbogen- und Widerstandsschweißverfahren, sondern auch im Vergleich zum Laserstrahlschweißen. Durch den beschriebenen Tiefschweißeffekt können geringe Fertigungszeiten und hohe Fertigungsraten realisiert werden. Ferner können übliche Schweißzusatzwerkstoffe, beispielsweise bei einer I-Naht ohne Spalt, entfallen ebenso wie Schutzgase, da in einem Vakuum geschweißt wird.
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Ferner ermöglicht das Elektronenstrahlschweißen die Nutzung des Tiefschweißeffekts. Weitere Vorteile sind: Die Möglichkeit des Schweißens von Werkstoffpaarungen, die mit anderen Schweißverfahren nicht schweißgeeignet sind; Möglichkeit der Vor- und Nachbehandlung der Schweißnaht in einem Arbeitsgang, insbesondere bei dem Einsatz von Mehrprozesstechnik; sehr hohe Wirtschaftlichkeit, da hohe Schweißgeschwindigkeiten möglich sind, insbesondere bei großen Nahttiefen und überwiegend ohne Zusatzwerkstoff gearbeitet wird; Energieeinsparung durch hohen energetischen Wirkungsgrad gegenüber Laserschweißverfahren und konventionellen Schweißverfahren; direkte Erfassung der prozessrelevanten Parameter, da es sich um elektrische Kenngrößen handelt (Online-Dokumentation); beliebige Wiederholbarkeit eingestellter Schweißparameter wegen hoher Reproduzierbarkeit der Einstelldaten und sichere Prozesskontrolle bereits während des Schweißens (Qualitätskontrolle in Echtzeit durch rückgestreute Elektronen). Die Kombination der realisierbaren Vorteile ergibt deutliche Kosteneinsparungen gegenüber herkömmlichen Schweißverfahrens.
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Bei der industriellen Anwendung des Elektronenstrahlschweißens werden die Werkstücke beziehungsweise Bauteile überwiegend in einer Vakuumkammer bearbeitet. Dies führt generell zu sauberen Werkstücken und einer besseren Qualität der Schweißnaht gegenüber anderen Schweißverfahren. Durch industriell erprobte Schleusenkonzepte geht das Arbeiten unter Vakuum nicht zu Lasten der Produktionszeit. Das Elektronenstrahlschweißen bietet den Vorteil, die Strahlleistung so zu verteilen, dass auch unterschiedliche Metalle mit stark voneinander abweichenden Wärmeleitfähigkeiten und Schmelzpunkten gut geschweißt werden können, ohne dass das niedriger schmelzende Metall beeinträchtigt wird.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der elektrischen Maschine 10. Bei der zweiten Ausführungsform ist die Welle 20 mit dem Blechpaket 22 unter Ausbildung wenigstens einer Schweißnaht 48 mittels Elektronenstrahlschweißens verbunden. Dadurch ist die Welle 20 drehfest mit dem Blechpaket 22 verbunden. Bei dieser Verschweißung des Blechpakets 22 und der Welle 20 kann der zuvor beschriebene Tiefschweißeffekt genutzt werden.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der elektrischen Maschine 10. Bei der dritten Ausführungsform ist das Gehäuse 12 als Tiefziehteil, das heißt durch Tiefziehen ausgebildet. Durch das Wälzlager 26 ist beispielsweise ein Festlager ausgebildet, welches in axialer Richtung an dem Gehäuse 12 und/oder der Welle 20 festgelegt ist. Bei der dritten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Gehäuselagersitz geschweißt ist, sodass beispielsweise der Außenring 28 durch Elektronenstrahlschweißen mit dem Gehäuse 12 verschweißt ist. Dadurch ist der Außenring 28 in axialer Richtung an dem Gehäuse 12 festgelegt.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform, bei welcher der Außenring 28 unter Ausbildung einer Schweißnaht 50 durch Elektronenstrahlschweißen mit dem Gehäuse 12 verschweißt ist. Die Schweißnaht 50 ist bei der vierten Ausführungsform als Stoßnaht ausgebildet.
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5 zeigt eine fünfte Ausführungsform der elektrischen Maschine 10, bei welcher die Schweißnaht 50 als Überlappnaht ausgebildet ist. Dabei ist eine I-Naht am Überlappstoß vorgesehen.
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Schließlich zeigt 6 eine sechste Ausführungsform, bei welcher die Schweißnaht 50 als Überlappnaht mit I-Naht am Überlappstoß ausgebildet ist.
