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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Maschinenbauelement zum Aufbau einer elektrischen Maschine, wie beispielsweise eines Elektromotors oder eines Generators, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Maschinenbauelements.
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Technischer Hintergrund
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Es sind zahlreiche Topologien für elektrische Maschinen bekannt. Je nach Anwendungsgebiet sind die Anforderungen an Drehmomentenkennlinien, Geräuschentwicklung, Drehmomentschwankungen, Rastmomente und dergleichen hoch. Ein Ansatz, die Geräuschentwicklung, die Momentenwelligkeit und das Rastmoment zu reduzieren, besteht darin, Zahnköpfe bzw. Polköpfe von Statoren bzw. Läufern zu schrägen, d.h. deren axiale Erstreckung mit einer Schrägung in Umfangsrichtung zu versehen. Dadurch verlaufen die Nutspalte zwischen den Zahnköpfen geneigt zur axialen Richtung.
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Bei Verwendung von geschrägten Statorzahnköpfen ist jedoch ein Aufbringen von Statorzahnwicklungen mit herkömmlichen Bewicklungswerkzeugen aufwändig, oder es kann nur ein geringer nicht akzeptabler Kupferfüllfaktor in den Statorzahnnuten zwischen benachbarten Statorzähnen erreicht werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine mit geschrägten Zahnköpfen zur Verfügung zu stellen, die insbesondere in einfacher Weise herstellbar ist, so dass das Maschinenbauelement mit geringen magnetischen Verlusten hergestellt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Herstellen einer Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Maschinenkomponente gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen einer bewickelten Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen von Einzellamellen mit Zahnstrukturen, wobei mindestens zwei der Einzellamellen verschiedene Zahnkopfstrukturen aufweisen;
- - Segmentieren der Einzellamellen in zusammenhängende Einzellamellensegmente, die durch Form- und Kraftschluss in der Form der Einzellamellen gehalten werden;
- - Stapeln der segmentierten Einzellamellen, so dass durch die verschiedenen Zahnkopfstrukturen eine unbewickelte Maschinenkomponente mit geschrägten Zahnköpfen gebildet wird;
- - Separieren der durch das Stapeln gebildeten unbewickelten Maschinenkomponente in Einzelsegmente;
- - Bewickeln der Einzelsegmente;
- - Zusammenfügen der Einzelsegmente zu der bewickelten Maschinenkomponente.
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Eine Idee des obigen Herstellungsverfahrens für eine Maschinenkomponente besteht in einer Folge von Einzelschritten, in denen der weichmagnetische Körper der Maschinenkomponente segmentiert in einem Folge-Verbund-Prozess hergestellt wird. Der weichmagnetische Körper wird dann in Einzelsegmente unterteilt, bewickelt und anschließend wieder zusammengesetzt wird. Dazu wird der weichmagnetische Körper der Maschinenkomponente durch Stapeln von Einzellamellen aufgebaut. Die Einzellamellen weisen eine ringförmige Jochstruktur und davon abstehende Zahnstrukturen auf, die jeweils Zahnschaftstrukturen und an den jeweiligen Zahnschaftstrukturen angebrachte Zahnkopfstrukturen umfassen. Die Einzellamellen werden mit mindestens zwei verschiedenen Formschnitten ausgebildet, wobei die Zahnkopfstrukturen zum Erreichen einer Schrägung der Zahnköpfe der Maschinenkomponente in Stapelrichtung der Einzellamellen auf den Zahnschaftstrukturen zueinander versetzt sind, so dass eine Schrägung bezüglich der axialen Richtung in Umfangsrichtung erreicht wird.
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Anschließend werden in einem weiteren Schritt des Folge-Verbund-Prozesses die Einzellamellen der Maschinenkomponente in Einzellamellensegmente mit jeweils einer Zahnstruktur separiert, dabei die Schnittkanten in verschiedene Richtungen senkrecht zum Schnittkantenverlauf abgebogen und durch äußeren Druck senkrecht zum Schnittkantenverlauf wieder zusammengesetzt, so dass die Einzellamellen zwar segmentiert sind aber durch Verspannung entlang der Schnittkanten zusammenhängen und als segmentierte Einzellamellen transportiert werden können. Durch das verlustfreie Separieren und die Verformung an den Schnittkanten zwischen den Einzellamellensegmenten werden dazu keine weiteren Fixierungsmaßnahmen zwischen den Einzellamellensegmenten benötigt, um ein nachfolgendes Stapeln der Einzellamellen durchzuführen.
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Nach dem Stapeln der separierten Einzellamellen zu dem weichmagnetischen Körper werden diese axial aneinander fixiert und nachfolgend durch eine radial nach außen wirkende Kraft separiert. Nun können die so entstandenen Einzelsegmente, die gestapelte Einzellamellensegmente umfassen, bewickelt werden. Anschließend wird die Maschinenkomponente durch radiales Zusammendrücken der bewickelten Einzelsegmente zusammengesetzt.
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Da die Bewicklung auf separierten Einzelsegmenten erfolgt, können diese bei gleichen Bewicklungsparametern mit einer höheren Anzahl von Windungen versehen werden, so dass in der Zahnnut ein höherer Kupferfüllfaktor erreicht werden kann. Durch den verlustfreien Schnitt der Einzelsegmente (z.B. durch Stanzen) können diese beim Zusammensetzen quasi nahtlos zusammengefügt werden, so dass die elektromagnetischen Verluste an den Trennstellen zwischen den Einzelsegmenten gering sind.
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Die Einzellamellen können mit einem Stanzwerkzeug hergestellt werden, das einen beweglichen Kopfgeometriestempel für die Zahnkopfstruktur aufweist. Dadurch ist es möglich, die Zähne der Maschinenkomponente so herzustellen, dass diese nur im Zahlkopfbereich geschrägt sind. Dies wird erreicht, indem zwischen den Stanzungen der Einzellamellen der Kopfgeometriestempel in Umfangsrichtung verdreht wird und gleichzeitig Strukturen für die Paketierung unverändert an der gleichen Position bleiben. Dadurch kann der axiale Zusammenhalt der Blechlamellen gegenüber einer vollständig geschrägten Zahnlösung, d.h. der Zahn weist ebenfalls eine Schrägung auf, signifikant erhöht werden, da bei der nachfolgenden Bewicklung keine Tangentialkraft entsteht, die auf die Einzellamellen wirkt. Dadurch wird die Herstellbarkeit von Maschinenkomponenten mit geschrägten Zahnköpfen erleichtert, da keine Verdrehsteifigkeit zwischen den Einzellamellen benötigt wird. Die Schrägung ist bei obigem Verfahren nicht beschränkt, und es können sogar Hinterschneidungen an axialen Enden der Zahnschäfte bezüglich der Zahnköpfe erreicht werden, ohne die Leistungsfähigkeit der mit der Maschinenkomponente aufgebauten elektrischen Maschine zu beeinträchtigen.
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Weiterhin kann das Segmentieren der Einzellamellen durch einen verlustfreien Stanzprozess durchgeführt werden, wobei das Material der Einzellamellen an der Schnittkante in beide Richtungen senkrecht zur Schnittebene verformt wird, so dass die Einzellamellensegmente durch Form- und Kraftschluss in der Form Einzellamellen gehalten werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Einzellamellen durch einen Stanzprozess hergestellt werden, wobei ein Stanzwerkzeug einen verdrehbaren Stempelkranz mit Stanzstempel aufweist, der die Position von Nutöffnungen zwischen benachbarten Zahnkopfstrukturen bezüglich von Zahnschaftstrukturen definiert, wobei die variierenden Zahnkopfstrukturen der Einzellamellen durch Verdrehen des Stempelkranzes hergestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform können vor dem Stapeln der Einzellamellen diese um eine oder mehrere Zahnstrukturen bezüglich der Anordnung während des Stanzprozesses verdreht werden.
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Weiterhin können die Zahnstrukturen der Einzellamellen mit identischen Zahnschaftstrukturen für jede Zahnstruktur bereitgestellt werden, die durch Stapeln einen in axialer Richtung nicht geschrägten Zahnschaft bilden. So ermöglicht das obige Verfahren das Herstellen von Maschinenkomponenten, bei denen der Zahnschaft nicht geschrägt ist und lediglich der Zahnkopf eine Schrägung aufweist. Dies ermöglicht einen besseren Zusammenhalt der Einzellamellen, da tangentiale Kräfte aufgrund einer Bewicklung nicht auf die Einzellamellen wirken.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Zusammenfügen der bewickelten Einzelsegmente durch gleichmäßiges Zusammenführen der Einzelsegmente in radialer Richtung erfolgt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend einen weichmagnetischen Körper mit einem Joch und davon abstehenden Komponentenzähnen, wobei der weichmagnetische Körper aus einem Stapel von segmentierten und zusammenhängenden Einzellamellen gebildet ist und die Komponentenzähne jeweils einen ungeschrägten Zahnschaft und einen geschrägten Zahnkopf aufweisen, wobei der weichmagnetische Körper in durch Form- und Kraftschluss zusammenhängen Einzelsegmenten separiert ist.
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Weiterhin können die Einzelsegmente durch eine Nut-Feder-Verbindung mit mikroskopisch kleinen Übermaßen aneinander gehalten sein.
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Insbesondere können die Einzelsegmente jeweils an der Verbindungsstelle zu einem benachbarten Einzelsegment in axialer Richtung stufenförmig ausgebildet sein. Durch diese Profilierung an den tangentialen Enden der Einzelsegmente kann sichergestellt werden, dass sich die Einzellamellen wieder ideal horizontal zueinander fügen und keine Jochspaltverluste durch axialen Versatz der Einzelsegmente zueinander entstehen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung auf eine Statoranordnung für eine elektrische Maschine mit nach innen weisenden Statorzähnen, die jeweils eine bezüglich axialer Richtung geschrägte Zahnkopfgeometrie aufweisen;
- 2a und 2b verschiedene perspektivische Ansichten eines Statorsegments zum Aufbau des Stators der 1;
- 3a - 3e vereinzelte Einzellamellensegmente mit unterschiedlichen Statorzahnstrukturen;
- 4 eine Darstellung der Verbindungsstelle zwischen zwei Statorsegmenten quer zur axialen Richtung;
- 5 eine Schnittansicht durch eine Verbindungsstelle zwischen zwei Statorsegmenten entlang der axialen Richtung;
- 6 eine Darstellung der variablen Zahnkopfgeometrien; und
- 7 beispielhafte Anordnungen von Stanzstempeln zum Stanzen von einzelnen Blechlamellen zum Aufbau des Stators der 1.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Statoranordnung 1 als eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine gezeigt. Die Statoranordnung 1 stellt eine mögliche Maschinenkomponente in Form eines weichmagnetischen Körpers dar, die mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren hergestellt werden kann.
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Die Statoranordnung 1 weist ein zylinderförmiges Joch 2 auf, das als Rückschlussbereich für den magnetischen Fluss dient. Von dem Joch 2 stehen in Umfangsrichtung beabstandet Statorzähne 3 (Komponentenzähne) in Richtung einer Innenausnehmung ab. In der Innenausnehmung soll ein Rotor der elektrischen Maschine angeordnet werden. Die Statorzähne 3 weisen jeweils einen sich radial nach innen erstreckenden Zahnschaft 31 auf, der an der Innenausnehmung mit einem Zahnkopf 32 endet. Der Zahnkopf 32 stellt ein zumindest einseitig über den Zahnschaft 31 in Umfangsrichtung überstehenden Teil des Statorzahns dar.
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Der Zahnschaft 31 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt quer zur radialen Richtung auf, wobei die Zahnköpfe 32 geschrägt sind, d.h. eine durch deren Enden in Umfangsrichtung definiert Kante verläuft bezüglich der axialen Erstreckung schräg bzw. geneigt. Dabei bleibt die Breite des jeweiligen Zahnkopfs 32 in Umfangsrichtung über die gesamte axiale Länge konstant und kann Nahe der axialen Enden der Statoranordnung 1 auch zu einem nur einseitigen Überstehen des Zahnkopfs 32 führen. Die Schrägung kann auch so ausgebildet sein, dass bezüglich des Zahnschaftes 31 ein Hinterschnitt 33 des Zahnkopfes 3 entsteht. Die Statoranordnung ist durch Stapeln von Einzellamellen 10 aufgebaut.
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Da das Bewickeln einer solchen Statoranordnung 1 durch die zwischen den Statorzähnen 3 gebildeten Statornuten 5 mit herkömmlichen Bewicklungstechniken nicht so durchführbar ist, dass man einen ausreichenden Kupferfüllfaktor erhält, ist vorgesehen, die Statoranordnung 1 zu segmentieren. In den 2a und 2b sind Einzelsegmente 21, die jeweils einen Statorzahn aufweisen, perspektivisch dargestellt.
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Dazu kann die Statoranordnung 1 aus Einzellamellen 10 (z.B. Blechlamellen aus Stanzblechen) durch Stapelung aufgebaut sein. Die Einzellamellen 10 weisen zum Aufbau des weichmagnetischen Körpers der Statoranordnung 1 entsprechend eine Jochstruktur 10a, Zahnschaftstrukturen 10b und Zahnkopfstrukturen 10c auf. Die Zahnkopfstrukturen 10c sind für unterschiedliche Einzellamellen 10 mit unterschiedlichen Blechschnitten versehen, um so nach dem Stapeln der Einzellamellen 10 die geschrägte Geometrie der Zahnköpfe zu erreichen.
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Die Einzellamellen werden ferner vor dem Stapeln in Einzellamellensegmente 11 mit jeweils einer Statorzahnstruktur 12 vereinzelt, wie beispielsweise aus den Ansichten der 3a - 3e zu erkennen ist. Die Einzellamellensegmente 11 weisen für verschiedene Einzellamellen 10 unterschiedliche Zahnkopfstrukturen 10c auf, d.h. die Einzellamellensegmente derselben Einzellamelle weisen identische Zahnkopfstrukturen auf.
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Die Einzellamellensegmente 11 werden durch einen verlustfreien Schnitt mit einer vorbestimmten Geometrie der Schnittkante 13 hergestellt, beispielsweise durch einen Stanzprozess. Der Schnitt erfolgt so, dass die Kanten der separierten Teile in unterschiedlichen Richtungen senkrecht zum Verlauf der Schnittkante 13 umgebogen werden. Die zuvor separierten Einzellamellensegmente 11 werden anschließend wieder gefügt, so dass die abgebogenen Schnittkanten durch Verspannung in Richtung der Ebene der Erstreckung der Einzellamelle 10 aneinander halten. Auf diese Weise kann man zusammenhängende segmentierte Einzellamellen 10 erhalten, die aufgrund der Schnittkantengeometrie aneinanderhängen.
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Aufgrund der vorbestimmten Schnittkantengeometrie halten die Einzellamellensegmente 11 jedoch durch Verspannung und plastischer Verformung zunächst weiter zusammen, so dass durch Stapelung der segmentierten Einzellamellen 10 die unbewickelte Statoranordnung 1 als Maschinenkomponente, wie sie in 1 gezeigt ist, hergestellt werden kann.
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Anschließend wird die unbewickelte Statoranordnung 1 in Einzelsegmente 12 separiert. Diese Einzelsegmente 12 sind beispielhaft in den 2a und 2b dargestellt.
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In 4 ist die Schnittkantengeometrie, die im Wesentlichen eine Nut-Feder-Verbindung darstellt. Benachbarte Einzellamellensegmente 11 weisen einen hervorstehenden Abschnitt 11a auf, der in einer entsprechenden Ausnehmung 11b eines benachbarten Einzellamellensegments 11 aufgenommen wird. Die Länge des Vorsprungs und ggfs eine Verspannung senkrecht zur Flächenebene der Einzellamellen 10 sind so gewählt, dass nach dem Stanzen die Einzellamellensegmente 11 diese wieder in die ringförmige Form der Einzellamellen 10 gebracht werden können, so dass beim Aufbau der Statoranordnung 1 durch Stapelung die Einzelsegmente 12 aneinandergehalten sind. Dadurch ist die Statoranordnung 1 transportfähig und kann zu einem Bewicklungswerkzeug transportiert werden.
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Die Schnittkantengeometrie der einzelnen Einzellamellensegmente 11 wird durch einen materialverlustfreien Schnitt erreicht, bei der die Bereiche an den Schnittkanten beider Teile in verschiedene Richtungen senkrecht zur Schnittebene gebogen wird. Beim anschließenden Zusammenfügen der Einzellamellensegmente 11 zu den Einzellamellen 12 werden die korrespondierenden Teile der Schnittkantengeometrie durch Verspannung miteinander verbunden, so dass diese ineinander verkeilt sind und durch die plastische Verformung aneinandergehalten werden. Somit sind keine weiteren Fixierungsmaßnahmen zwischen den einzelnen Einzellamellensegmenten 11 notwendig. Die Schnittkantengeometrie kann Formen aufweisen, bei denen der Vorsprung rechteckig, kreisförmig, dreieckig oder dergleichen ausgeformt ist, solange die Schnittkantengeometrie ein Zusammenfügen der Einzelsegmente 12 nicht behindert.
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Das Stapeln der segmentierten Einzellamellen 10 kann durch ein Gegeneinanderverdrehen der Blechlamellen erfolgen. Da diese in einem Schneidwerkzeug hergestellt werden, weist die Länge in Umfangsrichtung jedes Einzellamellensegments Toleranzen auf, so dass beim Verdrehen der Einzellamellen 10 vor dem Stapeln ein zahnförmiges Ineinandergreifen, wie es ausschnittsweise in 5 dargestellt ist, erreicht wird. Das Verdrehen der Einzellamellen 10 um eine definierte Anzahl von Zähnen bzw. einen entsprechenden Winkel, kann sich die Geometrie nach einer bestimmten Anzahl von gestapelten Blechlamellen wiederholen, z.B. wiederholt sich bei einer 18-zahnigen Statoranordnung, bei der jeweils zwei Segmente pro Lamelle weitergedreht werden, die Statorzahngeometrie nach jeder neunten Blechlamelle.
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Die Verzahnung unterstützt die Verschränkung der Einzelsegmente 21, so dass diese einen besseren Zusammenhalt aufweisen.
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Wie in 6 dargestellt, werden die Einzelsegmente 21 können dabei so gestaltet sein, dass die in Umfangsrichtung gerichtete Kante des Zahnkopfes 32 über eine Fläche des Winkelsegments des Jochbereichs des Einzelsegments 12 übersteht. Weiterhin kann die Kante auch in radialer Richtung über den Zahnschaft 31 verlaufen, vorzugsweise bis zu 10% der gesamten axialen Länge. Diese Hinterschneidung des Zahnschaftes 31 hat in der Regel keine nennenswerte Auswirkung auf den elektromagnetischen Fluss, solange sie sich auf weniger als 10% der Gesamtzahl der Blechlamellen der Statoranordnung 1 betrifft und weniger als 10% der Breite des Zahnschaftes 31 ausmacht.
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Anschließend kann die unbewickelte Statoranordnung 1 in die Einzelsegmente 12 aufgetrennt werden, insbesondere durch Ausüben einer radialen Kraft auf jedes der Einzelsegmente 12. Die so erhaltenen Einzelsegmente 12 werden bewickelt und anschließend durch eine zueinander gerichtete radiale Kraft die Einzelsegmente 12 mithilfe eines Fügewerkzeugs wieder zusammengeführt, so dass sich diese zu der Statoranordnung 1 zusammenfügen. Insgesamt sieht das Herstellungsverfahren vor, eine Statoranordnung 1 unbewickelt bereitzustellen, diese zum Bewickeln aufzutrennen, zu bewickeln und anschließend in einem Fügewerkzeug wieder zusammenzusetzen.
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Auf diese Weise kann eine Statoranordnung 1 geschaffen werden, die sich blechverlustarm zusammen mit einem Rotor stanztechnisch herstellen lässt. Weiterhin kann die Statoranordnung 1 gut transportiert werden, ohne dass die Gefahr des Auseinanderfallens der Einzelstatorsegmente 11 besteht. Weiterhin können die Zahnköpfe 32 einer solchen Statoranordnung 1 beschränkt werden, wobei die Zahnschäfte 31 ungeschrägt, d.h. einen achsparallelen Verlauf aufweisen. Dadurch wird der axiale Zusammenhalt der Einzellamellen 10 gegenüber einer Anordnung mit einem geschrägten Zahnschaft 31 erheblich verbessert, da beim Spulen- oder Nadelwickeln keine Tangentialkraft auf die Einzellamellen 10 auftritt. Durch die Segmentierung in die Einzelsegmente 12 kann die Bewicklung auf den einzelnen Statorzähnen erfolgen, was mit herkömmlichen Bewicklungsvorrichtungen in einfacher Weise möglich ist. Dadurch sind sehr hohe Kupferfüllfaktoren für die bewickelte Statoranordnung 1 erreichbar. Durch das Verzahnungsprofil, das durch das Verdrehen der Einzellamellen 10 entsteht, können die Einzellamellen 10 wieder ideal zueinander finden, und es entstehen keine Jochspaltverluste durch axialen Versatz der Einzellamellen 10 zueinander.
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In 7 ist eine mögliche Herstellung einer Einzellamelle 10 mit der variablen Zahnkopfstruktur 10c dargestellt. Die Einzellamellen 10 werden mit Hilfe eines Stanzwerkzeugs aus drei Stanzstempeln 51, 52, 53 hergestellt. Der erste Stanzstempel 51 dient zur Stanzung der Nutstruktur zwischen den Zahnschaftstrukturen. Der zweite Stanzstempel 52 dient zum Ausstanzen der Innenausnehmung und der Außenkontur der Zahnkopfstrukturen. Der dritte Stanzstempel 53 ist mit einem verdrehbaren Stempelkranz ausgebildet, der die spätere Nutöffnung zwischen den Zahnkopfstrukturen 10c definiert. Durch variables Verdrehen des Stempelkranzes bezüglich der Statorzahnstrukturen kann das Maß des Vorstehens der Zahnkopfstrukturen 10c über die betreffenden Zahnschaftstrukturen 10b in Umfangsrichtung bestimmt werden. Durch entsprechendes Verdrehen des Stempelkranzes kann damit auch ein Hinterschnitt über die Zahnschaftstrukur 10b bewirkt werden, um die oben beschriebene Geometrie zu erhalten.
