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Die Erfindung betrifft das Fügen bzw. die Befestigung von Blechpaketen auf Wellen oder in Gehäusen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Rotorblechpaket für eine elektrische Maschine sowie ein Statorblechpaket für eine elektrische Maschine. Weitere Ansprüche sind auf eine elektrische Maschine mit dem Rotorblechpaket bzw. mit dem Statorblechpaket gerichtet.
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Es ist bekannt, ein Blechpaket, welches aus mehreren Blechlaminaten besteht, auf einer Rotorwelle oder in einem Gehäuse durch Aufpressen zu fixieren, um auf diese Weise einen Anker für eine elektrische Maschine herzustellen, bzw. den Stator in einem Gehäuse zu fixieren. Dabei besteht zwischen jedem Blechlaminat und der Rotorwelle bzw. dem Gehäuse ein Formschluss und ein Kraftschluss. Es ist weiterhin bekannt, ein Blechpaket auf einer Rotorwelle dadurch zu befestigen, dass nur ein Anfangsbereich und ein Endbereich, welche zumindest jeweils ein Blechlaminat umfassen, durch Verstemmen auf der Rotorwelle zu befestigen. Insbesondere bei langen Blechpaketen und hohen Drehmomenten kann dabei jedoch das Problem auftreten, dass sich die Blechlaminate zwischen dem Anfangsbereich und dem Endbereich verschieben, weil die Haltekräfte im Blechpaket nicht ausreichend groß sind.
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Insbesondere bei einer großen Anzahl von Blechlaminaten, d.h. bei einem entsprechend langen Blechpaket, ist es zudem schwierig, diese in einem Schritt auf der Rotorwelle bzw. in einem Gehäuse ohne Beschädigung von Blechlaminaten und/oder der Rotorwelle bzw. des Gehäuses zu befestigen. Dabei werden häufig sogenannte gestufte Rotorwellen verwendet, welche jedoch in der Herstellung aufwendig und teuer sind.
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Die
EP 1 340 306 B1 widmet sich dem Problem, dass sich bei einem Anker, der aus Blechlaminaten besteht und bei dem nur ein Anfangs- und ein Endbereich des durch die Blechlaminate gebildeten Blechpakets durch Presspassung auf einer Rotorwelle befestigt sind, bei sehr hohen Drehmomenten die Blechlaminate zwischen dem Anfangs- und dem Endbereich verschieben können. Zur Lösung dieses Problems schlägt die
EP 1 340 306 B1 einen Anker vor, der aus mehreren Modulen besteht, wobei jedes Modul einen Anfangs- und einen Endbereich aufweist, wobei das Modul auf der Rotorwelle derart befestigt ist, dass auch bei sehr hohen Drehmomenten die Haltekraft für die Blechlaminate zwischen den Anfangsbereichen und den Endbereichen so groß ist, dass diese sich nicht verschieben.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rotorblech und ein Statorblechpaket für eine elektrische Maschine bereitzustellen, welche kostengünstig, einfach und haltbar auf einer Rotorwelle bzw. in einem Gehäuse befestigt werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein Kern der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass einzelne Bleche von Blechpaketen für die Befestigung auf einer Welle bzw. für die Befestigung innerhalb eines Gehäuses neben Laschen und Nuten auch zurückgesetzte Bereiche aufweisen. Die zurückgesetzten Bereiche sind speziell dafür definiert, um sehr lange Rotorblechpakete auf einer Welle fügen zu können bzw. um Statoren mit großen Durchmessern in Gehäusen fügen zu können. Dabei sind die zurückgesetzten Bereiche vorteilhafter Weise mit Spiel zur Welle bzw. zum Gehäuse ausgeführt.
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Beim Fügen bzw. Befestigen werden die einzelnen Bleche im Bereich der Laschen plastisch verformt, wohingegen im Bereich der Nuten keine Verformung stattfindet. Bei dem gestapelten Blechpaket wechseln sich von Blech zu Blech Laschen und Nuten ab, wobei die Nuten einen notwendigen Raum zur plastischen Verformung der Laschen bereitstellen. In den zurückgesetzten Bereichen findet ebenfalls keine plastische Verformung der einzelnen Bleche statt. Die Ausführung der zurückgesetzten Bereiche mit geringem Spiel zur Welle bzw. zum Gehäuse unterstützt die sichere Führung im Montageprozess und verhindert ein Verkanten.
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Eine Dimensionierung der zurückgesetzten Bereiche beeinflusst dabei eine Montagekraft beim Aufpressen des Blechpakets auf die Welle bzw. beim Einpressen des Blechpakets in das Gehäuse. Auf diese Weise kann man ein optimales Losdrehmoment bzw. Losbrechmoment des Blechpakets auf der Welle bzw. des Blechpakets im Gehäuse bei minimaler Montagekraft beim Aufpressen bzw. Einpressen erzielen. Die zurückgesetzten Bereiche ermöglichen weiterhin ein Aufpressen von Rotorblechpaketen großer Länge und großen Durchmessern auf Rotorwellen von elektrischen Maschinen bzw. ein Einpressen von Statorblechpaketen großer Länge und großen Durchmessern in Gehäusen von elektrischen Maschinen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Rotorblechpaket für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Das Rotorblechpaket umfasst eine Vielzahl in einer Stapelrichtung deckungsgleich aufeinander gestapelter Rotorbleche. Unter „deckungsgleich“ kann in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass Wicklungsnuten der Rotorbleche miteinander fluchten oder dass die Rotorbleche derart übereinanderliegen, dass in der Gesamtheit ein hohlzylindrisches Rotorblechpaket entsteht.
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Jedes der Rotorbleche weist eine zentrale Bohrung zur Befestigung auf einer Rotorwelle der elektrischen Maschine auf und der Durchmesser der zentralen Bohrung variiert derart, dass in Umfangsrichtung Laschen, Nuten und zurückgesetzte Bereiche gebildet werden. Dabei ist der Durchmesser im Bereich der Nuten und der zurückgesetzten Bereiche größer als der Durchmesser der Rotorwelle, und der Durchmesser im Bereich der Laschen ist kleiner als der Durchmesser der Rotorwelle. Weiterhin sind die Laschen und Nuten von benachbarten Rotorblechen in Umfangsrichtung derart versetzt zueinander angeordnet, dass bei einem Aufschieben der Rotorbleche auf die Rotorwelle die Laschen durch die Rotorwelle plastisch verformt werden können, dabei in die Nuten gebogen werden können und kraftschlüssig an der Rotorwelle befestigt werden können.
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Mittels der Laschen, der Nuten und der zurückgesetzten Bereiche kann kostengünstig und prozesssicher eine sichere Verbindung zwischen der Rotorwelle und dem Rotorblechpaket hergestellt werden. Durch die plastische Verformung kann eine besonders günstige, nämlich eine glatte Welle eingesetzt werden und beim Montieren kann über die Fügekraft bzw. Biegekraft eine vollständige Überwachung stattfinden. Eine Herstellung der einzelnen Rotorbleche ist dabei in einem Stanzwerkzeug mit relativ geringen Zusatzinvestitionen möglich. Das Fügen bzw. Befestigen kann einfach und energiesparend ohne Wärmebehandlung stattfinden, und eine Übertragung hoher Drehmomente kann über das gesamte Toleranzband gewährleistet werden. Weiterhin sind für eine axiale Positionierung keine Absätze oder dergleichen notwendig. Bezüglich weiteren Effekten und Vorteilen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem Kern der Erfindung verwiesen.
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Gemäß einer Ausführungsform machen die Bereiche der zurückgesetzten Bereiche bis zu 50% des Umfangs der zentralen Bohrung aus. Diese Ausführungsform ermöglicht insbesondere eine notwendige Montagekraft beim Aufbringen von verhältnismäßig langen Blechpaketen auf die Welle besonders niedrig zu halten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei den Rotorblechen um Gleichteile. Die einzelnen Rotorbleche weisen den gleichen Zuschnitt auf, insbesondere den gleichen Innendurchmesser. Dadurch kann die Anzahl der Typen von Rotorblechen reduziert werden. Weiterhin kann die Gefahr einer Verwechslung von unterschiedlichen Blechlaminaten in der Reihenfolge bei ihrem Aufeinanderstapeln besonders sicher vermieden werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst ein Rotorblechpaket nach dem ersten Aspekt der Erfindung und eine Rotorwelle, wobei die Laschen und Nuten von benachbarten Rotorblechen in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, die Laschen eines Rotorblechs jeweils in eine Nut eines unmittelbar benachbarten Rotorblechs gebogen sind, und die Laschen kraftschlüssig an der Rotorwelle befestigt sind.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Statorblechpaket für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Das Statorblechpaket umfasst eine Vielzahl in einer Stapelrichtung deckungsgleich aufeinander gestapelter Statorbleche, wobei jedes der Statorbleche einen Außenumfang zur Befestigung in einem Gehäuse der elektrischen Maschine aufweist.
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Der Durchmesser des Außenumfangs variiert dabei derart, dass in Umfangsrichtung Laschen, Nuten und zurückgesetzte Bereiche gebildet werden, wobei der Durchmesser im Bereich der Nuten und der zurückgesetzten Bereiche kleiner ist als ein Innendurchmesser des Gehäuses, und der Durchmesser im Bereich der Laschen größer ist als der Innendurchmesser des Gehäuses. Weiterhin sind die Laschen und Nuten von benachbarten Statorblechen in Umfangsrichtung derart versetzt zueinander angeordnet, dass bei einem Einschieben bzw. Einpressen der Statorbleche in das Gehäuse die Laschen durch das Gehäuse plastisch verformt werden können, dabei in die Nuten gebogen werden können und kraftschlüssig an dem Gehäuse befestigt werden können.
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Mittels der Laschen, der Nuten und der zurückgesetzten Bereiche kann kostengünstig und prozesssicher eine sichere Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Statorblechpaket hergestellt werden. Eine Herstellung der einzelnen Statorbleche ist dabei in einem Stanzwerkzeug mit relativ geringen Zusatzinvestitionen möglich. Das Fügen bzw. Befestigen kann einfach und energiesparend ohne Wärmebehandlung stattfinden. Weiterhin sind für eine axiale Positionierung keine Absätze oder dergleichen notwendig. Bezüglich weiteren Effekten und Vorteilen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem Kern der Erfindung verwiesen.
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Gemäß einer Ausführungsform machen die Bereiche der zurückgesetzten Bereiche mindestens 40% des Außenumfangs der einzelnen Statorbleche aus. Diese Ausführungsform ermöglicht insbesondere eine notwendige Montagekraft beim Einpressen des Blechpakets in das Gehäuse relativ niedrig zu halten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei den Statorblechen um Gleichteile. Die einzelnen Statorbleche weisen den gleichen Zuschnitt auf, insbesondere den gleichen Außendurchmesser. Dadurch kann die Anzahl der Typen von Statorblechen reduziert werden. Weiterhin kann die Gefahr einer Verwechslung von unterschiedlichen Blechlaminaten in der Reihenfolge bei ihrem Aufeinanderstapeln besonders sicher vermieden werden.
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Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst ein Statorblechpaket nach dem dritten Aspekt der Erfindung und ein Gehäuse, wobei die Laschen und Nuten von benachbarten Statorblechen in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, die Laschen eines Statorblechs jeweils in eine Nut eines unmittelbar benachbarten Statorblechs gebogen sind, und die Laschen kraftschlüssig an dem Gehäuse befestigt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Gehäuse ein Aluminiumdruckgussgehäuse oder ein Stahlgehäuse. Tiefgezogene Stahlgehäuse eignen sich besonders gut zur plastischen Verformung der Laschen und zur kraftschlüssigen Verbindung zwischen den Laschen und dem Gehäuse. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt:
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1 eine Draufsicht auf ein Rotorblechpaket eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotorblechpakets,
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2 eine vergrößerte Ansicht der Nabe des Rotorblechpakets nach 1,
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3 eine Draufsicht auf ein weiteres Rotorblech eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotorblechpakets,
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4 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Statorblechpakets,
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5 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des Statorblechpakets nach 4,
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6 eine vergrößerte Draufsicht eines Teils des Statorblechpakets nach 4,
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7 eine Draufsicht auf das Statorblechpaket nach 4, und
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8 eine perspektivische Ansicht der Nabe des Rotorblechpakets nach 1 als Bestandteil eines Rotorblechpakets.
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1 zeigt ein Rotorblech 1, welches im Längsschnitt ringförmig ist. Das Rotorblech 1 umfasst eine Vielzahl äquidistant entlang eines Außenumfangs 2 des Rotorblechs 1 verteilter Wicklungsnuten 3. Weiterhin umfasst das Rotorblech 1 eine zentrale Bohrung 4 zur Befestigung des Rotorblechs 1 auf einer Rotorwelle 5, deren Außendurchmesser in 1 mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist. Die Rotorwelle 5 ist ein Bestandteil einer nicht weiter dargestellten elektrischen Maschine.
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Die zentrale Bohrung 4 ist als Formbohrung ausgeführt und umfasst insgesamt sechs Nuten 6, insgesamt neun Laschen 7 und insgesamt drei zurückgesetzte Bereiche 8. Aus Gründen der besseren Übersicht ist jeweils nur eine Nut 6, eine Lasche 7 und ein zurückgesetzter Bereich 8 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Nuten 6, die Laschen 7 und die zurückgesetzten Bereiche 8 werden dadurch ausgebildet, dass der Durchmesser der zentralen Bohrung 4 nicht konstant ist, sondern in Umfangsrichtung bereichsweise variiert.
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Ausgehend von der in 1 mit einem Bezugszeichen versehenen Lasche 7 schließt sich im Uhrzeigersinn die in 1 mit einem Bezugszeichen versehene Nut 6 an. Der Durchmesser der zentralen Bohrung 4 ist im Bereich der Lasche 7 kleiner als der Durchmesser der Rotorwelle 5 und im Bereich der Nut 6 größer als der Durchmesser der Rotorwelle 5. An die Nut 6 schließen sich im Uhrzeigersinn eine zweite Lasche, eine zweite Nut und eine dritte Lasche an. An die dritte Lasche schließt sich wiederum im Uhrzeigersinn ein erster zurückgesetzter Bereich 8 an, wobei der Durchmesser der zentralen Bohrung 4 im Bereich des ersten zurückgesetzten Bereichs 8 größer ist als der Durchmesser der Rotorwelle 5. Der Durchmesser der zentralen Bohrung 4 kann im Bereich der ersten Nut und der zweiten Nut sowie im Bereich des ersten zurückgesetzten Bereichs 8 den gleichen Durchmesser aufweisen, dies ist jedoch nicht zwingend.
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Die vorstehend beschriebene Abfolge von Nuten 6, Laschen 7 und zurückgesetztem Bereich 8 wiederholt sich in Umfangsrichtung noch 2 weitere Male, wobei der Durchmesser der zentralen Bohrung 4 im Bereich der Nuten 6, Laschen 7 und den zurückgesetzten Bereichen 8 wie vorstehend beschrieben ist.
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In 2 ist zu sehen, dass hinter dem Rotorblech 1 aus 1 ein weiteres identisches Rotorblech 1 angeordnet ist. Eine Vielzahl dieser identischen Rotorbleche 1 ist deckungsgleich in einer Stapelrichtung L senkrecht zur Zeichenebene zu einem Rotorblechpaket 9 gestapelt. Die unmittelbar hintereinander angeordneten Rotorbleche 1 sind gemäß 2 in einer Umfangsrichtung der Rotorbleche 1 derart verdreht zueinander angeordnet, dass in axialer Richtung bzw. in Stapelrichtung L die Laschen 7 eines ersten Rotorblechs 1 jeweils über einer Nut 6 eines unmittelbar benachbarten zweiten Rotorblechs 1 liegen. Wenn die Rotorbleche 1 des Rotorblechpakets 9 auf die Rotorwelle 5 aufgepresst werden, verformt die Rotorwelle 5 die Laschen 7 derart plastisch, dass die Laschen 7 des ersten Rotorblechs 1 in axialer Richtung bzw. in Stapelrichtung L in jeweils eine Nut 6 auf dem unmittelbar benachbarten zweiten Rotorblech 1 hineingebogen werden. Durch diese plastische Verformung werden die Rotorbleche 1 über ihre Laschen 7 kraftschlüssig mit der Rotorwelle 5 verbunden. Weiterhin werden durch das Eingreifen der Laschen 7 in die Nuten 6 die Rotorbleche 1 untereinander in ihrer Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden.
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3 zeigt ein Rotorblech 1, welches ähnlich ausgestaltet ist wie das Rotorblech 1 nach 1 und sich durch eine Ausgestaltung bzw. Verteilung der Nuten 6, Laschen 7 und zurückgezogenen Bereiche 8 von dem Rotorblech 1 nach 1 unterscheidet. Weiterhin kann das Rotorblech 1 nach 3 in ähnlicher Weise gestapelt, kraftschlüssig mit einem Rotorblech 5 verbunden und formschlüssig mit weiteren identischen Rotorblechen 1 verbunden werden, wie dies durch 2 dargestellt ist.
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Das Rotorblech 1 nach 3 umfasst insgesamt vier Nuten 6, acht Laschen 7 und vier zurückgezogene Bereiche 8. Der Durchmesser der zentralen Bohrung 4 kann im Bereich der Nuten 6, der Laschen 7 und der zurückgezogenen Bereiche 8 Werte aufweisen, wie dies im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist. Gemäß 3 folgen im Uhrzeigersinn auf eine erste Lasche 7 jeweils eine Nut 6, eine zweite Lasche 7 und ein zurückgezogener Bereich 8. Diese Abfolge von Laschen 7, Nut 6 und zurückgezogenem Bereich 8 wiederholt sich in Umfangsrichtung des Rotorblechs 1 insgesamt vier Mal.
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4 bis 7 zeigen ein Statorblechpaket 10, welches im Längsschnitt ringförmig ist und aus einer Vielzahl identischer einzelner Statorbleche 11 in einer Stapelrichtung L gestapelt ist. Jedes Statorblech 11 umfasst jeweils eine Vielzahl äquidistant entlang eines Innenumfangs des Statorblechs 11 verteilter Wicklungsnuten 12. Weiterhin umfasst das Statorblech 11 einen Außenumfang 13 zur Befestigung des Statorblechs 11 in einem Gehäuse 14, dessen Innendurchmesser in 6 mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist. Das Gehäuse 14 ist ein Bestandteil einer nicht näher dargestellten elektrischen Maschine, welche weiterhin insbesondere ein Rotorblechpaket 9 und eine Rotorwelle 5 nach 1 bis 3 umfassen kann.
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Der Außenumfang 13 umfasst insgesamt neun Nuten 15, insgesamt zwölf Laschen 16 und drei zurückgesetzte Bereiche 17. Aus Gründen der besseren Übersicht ist jeweils nur eine Nut 15, eine Lasche 16 und ein zurückgesetzter Bereich 17 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Nuten 15, die Laschen 16 und die zurückgesetzten Bereiche 17 werden dadurch ausgebildet, dass der Außendurchmesser der Statorbleche 11 nicht konstant ist, sondern in Umfangsrichtung bereichsweise variiert. Ausgehend von der in 4 mit einem Bezugszeichen versehenen Lasche 16 schließt sich im Uhrzeigersinn die in 4 mit einem Bezugszeichen versehene Nut 15 an. Der Außendurchmesser des Statorblechs 11 ist im Bereich der Lasche 16 größer als der Innendurchmesser des Gehäuses 14 und im Bereich der Nut 15 kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses 14 (6). An die Nut 15 schließen sich im Uhrzeigersinn eine zweite Lasche, eine zweite Nut, eine dritte Lasche, eine dritte Nut und eine vierte Lasche an. An die vierte Lasche schließt sich wiederum im Uhrzeigersinn ein erster zurückgesetzter Bereich 17 an, wobei der Außendurchmesser des Statorblechs 11 im Bereich des ersten zurückgesetzten Bereichs 17 kleiner ist als der Innendurchmesser des Gehäuses 14. Der Außendurchmesser des Statorblechs 11 kann im Bereich der ersten Nut 15, der zweiten Nut und der dritten Nut sowie im Bereich des ersten zurückgesetzten Bereichs 17 jeweils den gleichen Durchmesser aufweisen, dies ist jedoch nicht zwingend.
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Die vorstehend beschriebene Abfolge von Nuten 15, Laschen 16 und zurückgesetztem Bereich 17 wiederholt sich in Umfangsrichtung noch zwei weitere Male, wobei der Außendurchmesser des Statorblechs 11 im Bereich der Nuten 15, Laschen 16 und den zurückgesetzten Bereichen 17 wie vorstehend beschrieben ist.
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Wie aus 4 bis 7 ersichtlich, ist eine Vielzahl der identischen Statorbleche 11 deckungsgleich in der Stapelrichtung zu dem Statorblechpaket 10 gestapelt. Die unmittelbar aufeinander angeordneten Statorbleche 11 sind dabei in einer Umfangsrichtung der Statorbleche 11 derart verdreht zueinander angeordnet, dass in axialer Richtung bzw. in Stapelrichtung L die Laschen 16 jeweils über einer Nut 15 liegen. Wenn die Statorbleche 11 des Statorblechpakets 10 in das Gehäuse eingepresst werden, verformt das Gehäuse 14 die Laschen 16 derart plastisch, dass die Laschen 16 eines Statorblechs 11 in axialer Richtung bzw. in Stapelrichtung L in jeweils eine Nut 15 eines unmittelbar benachbarten Statorblechs 11 hineingebogen werden. Durch diese plastische Verformung werden die Statorbleche 11 über ihre Laschen 16 kraftschlüssig mit dem Gehäuse 14 verbunden. Weiterhin werden durch das Eingreifen der Laschen 16 in die Nuten 15 die Statorbleche 11 untereinander in ihrer Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1340306 B1 [0004, 0004]
