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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Rotor- und/oder Statorblechen durch Folgeschnitt bzw. im Folgeschnittverfahren, wobei die zu erzeugenden Rotor- und/oder Statorblechkonturen in einem mehrere Stanzschritte umfassenden Stanzprozess gestanzt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein für den Einbau in eine Presse bzw. Stanze vorgesehenes Folgeschneidwerkzeug zum Herstellen von Rotor- und/oder Statorblechen.
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Rotor- und Statorbleche für elektrische Maschinen können aus einem bereitgestellten Elektroblech durch einen mehrstufigen Stanzprozess, insbesondere in einem sogenannten Folgeschneidwerkzeug, hergestellt werden, wie bspw. in der
DE 1 602 514 A und
DE 23 48 902 B1 beschrieben. Diese Herstellweise eignet sich insbesondere für die Serien- und Großserienproduktion.
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Die
DE 10 2015 214 506 A1 beschreibt einen Rotor für eine Reluktanzmaschine sowie ein Verfahren zum Herstellen dieses Rotors. Der Rotor ist aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet, insbesondere aus einem in axialer Richtung gestapelten Stanzblechpacket. Im Rotor sind als Ausnehmungen ausgebildete Flusssperren angeordnet, die zur Erhöhung der mechanischen Stabilität mit Stabilisierungsstrukturen versehen sind. Diese Stabilisierungsstrukturen sind mit einem gegenüber dem Material des Rotorkörpers erhöhten magnetischen Widerstand ausgebildet. Die Erhöhung des magnetischen Widerstands der Stabilisierungsstrukturen kann durch eine lokale Gefügeumwandlung mit Hilfe eines Schmelzschweißverfahrens, zum Beispiel Laserstrahlschweißens, erreicht werden.
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Ergänzend wird auch noch auf die
DE 10 2007 008 653 A1 , die ein Umformverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung eines Umformverfahrens beschreibt, und die
DE 10 2010 050 844 A1 , die eine Laserbehandlung bei einem Werkstück aus einem nicht kornorientierten Elektrobandmaterial beschreibt, hingewiesen.
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Die zum Herstellen von Rotor- und/oder Statorblechen verwendeten Elektrobleche werden von den Blechherstellern vor allem hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften optimiert. Eine Optimierung der magnetischen Eigenschaften hat aber üblicherweise eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, wie bspw. der Festigkeit oder der Sprödigkeit bzw. Duktilität, zur Folge. Für den jeweiligen Anwendungsfall muss daher ein das ganze Blechstück einschließender Kompromiss aus magnetischen und mechanischen Eigenschaften gesucht und ein entsprechendes Elektroblech als Halbzeugware vom Blechhersteller bezogen werden. In der Regel sind dies nicht-kornorientierte und schlussgeglühte Elektrobleche, die mitunter auch bereits beschichtet sein können.
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Mit der Erfindung soll wenigstens ein mit dem Stand der Technik einhergehender Nachteil vermieden oder zumindest verringert werden.
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Dies gelingt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug entsprechend den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der folgenden Erfindungsbeschreibung und den Figuren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in den mehrere Stanzschritte bzw. Stanzstufen umfassenden Stanzprozess ein Laserbearbeitungsprozess integriert ist, um bereits beim (stanzenden) Herstellen der Rotor- und/oder Statorbleche durch lokales Erwärmen (der Rotor- und/oder Statorbleche) mittels Laserstrahl eine lokale Veränderung der Blechmikrostruktur herbeizuführen, wobei als Laserstrahlquelle ein Ultrakurzpulslaser verwendet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, d. h. sowohl der Stanzprozess als auch der Laserbearbeitungsprozess, wird bzw. werden bevorzugt in einem pressengebundenen Folgeschneidwerkzeug ausgeführt.
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Die Erfindung ermöglicht die lokale Anpassung von mechanischen und/oder magnetischen Eigenschaften in den Rotor- und/oder Statorblechen bei deren Herstellung im Folgeschnittverfahren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt, dass die Blecheigenschaften der hergestellten Rotor- und/oder Statorbleche gezielt und lokal den Anforderungen entsprechend modifiziert werden können, indem durch lokales Erwärmen und gegebenenfalls unmittelbar folgendes Abschrecken (z. B. durch gezielte Kühlung, bspw. mittels Gebläse, durch die Umgebungsluft und/oder durch die Werkzeugelemente folgender Stanzschritte bzw. -stationen) eine Änderung der Blechmikrostruktur, womit insbesondere das Gefüge bzw. die Gefügezusammensetzung gemeint ist, realisiert wird.
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Ferner kann einer beim Stanzen durch plastische Verformung in schnitt- bzw. stanzkantennahen Bereichen induzierten Verschlechterung (Degradation) magnetischer und/oder mechanischer Eigenschaften gezielt entgegengewirkt werden. So kann bspw. durch die lokale Wärmebehandlung mittels Laserstrahl insbesondere in den durch das Stanzen plastisch zu verformenden oder bereits verformten Bereichen eine homogene Kornstruktur generiert werden.
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Durch das lokale Erwärmen und gegebenenfalls Abschrecken wird insbesondere eine Kornfeinung (des Gefüges) erzielt, die zu einer mechanischen Festigkeitserhöhung des Blechmaterials bei gleichzeitiger Degradation magnetischer Eigenschaften führt. Dies soll ausschließlich in den Bereichen der Rotor- und/oder Statorbleche zur Anwendung kommen, in denen diese Kombination von Eigenschaften erwünscht ist, bspw. in Stegen, wie nachfolgend noch näher erläutert. Ein Stanzprozess mit einem integrierten Laserbearbeitungsprozess zur Kornfeinung ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
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Bevorzugt wird durch den Laserbearbeitungsprozess eine Kornstruktur mit einer gegenüber dem Ausgangselektroblechmaterial (im Anlieferungszustand) deutlich kleineren Korngröße erzielt (sogenannte Kornfeinung), wobei die erzielte Kornstruktur dann insbesondere auch versetzungsreich bzw. versetzungsreicher ist. Weil die kleineren Körner mit gestörtem Kornaufbau eine geringere Sättigungsmagnetisierung aufweisen und sich mechanisch duktiler verhalten, können die Stegbreiten der Stege (s. u.) verringert werden, was bei gleicher mechanischer Belastbarkeit zu einem verringerten Magneteinsatzgewicht führen kann.
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Die Erfindung ermöglicht eine Optimierung magnetischer Flusseigenschaften, eine lokale Verbesserung mechanischer Eigenschaften, daraus resultierende Gewichtseinsparungen und auch eine Reduzierung von Produktkosten.
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Bevorzugt wird zur Führung bzw. Lenkung des Laserstrahls ein Spiegelscanner (Remote-Kopf) verwendet (sogenannter Laser-Remote-Prozess). Dies ermöglicht auch bei größeren Bereichen eine kurze Prozesszeit, da hohe Laser-Verfahrgeschwindigkeiten erreicht werden können. Bevorzugt werden Überfahrgeschwindigkeiten von 0,1 m/s bis 50 m/s realisiert. Idealerweise ist pro Bereich nur eine Überfahrt vorgesehen. Die angestrebte Prozesszeit für ein Statorblech liegt unter 5 Sekunden.
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Erfindungsgemäß wird als Laserstrahlquelle, insbesondere in einem Remote-Prozess, ein Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) verwendet. Damit kann eine hohe lokale Wärmeeinbringung in kurzer Zeit realisiert werden, was wiederum auch zu hohen Abkühlraten mit entsprechenden Abkühleffekten führt. Der Laserstrahl kann einen Fokusdurchmesser (Spotgröße) zwischen 1 µm bis 50 µm aufweisen. Die Laserleistung liegt bevorzugt in einem Bereich von 10 W bis 1,5 kW (1500 Watt). Der Wellenlängenbereich beträgt vorzugsweise 1000 µm bis 1100 µm. Die Pulsdauer des Lasers liegt bevorzugt zwischen 1 fs (Femtosekunde) und 500 ps (Picosekunde).
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Rotor- und/oder Statorbleche durch Stege, insbesondere radiale Stege, getrennte Aussparungen bzw. Ausnehmungen aufweisen und beim Laserbearbeitungsprozess gezielt an diesen Stegen, insbesondere nur an den Stegen, eine lokale Veränderung der Blechmikrostruktur herbeigeführt wird. Vorrangiges Ziel dabei ist es, im Bereich der Stege eine homogene Kornstruktur mit kleinerer Korngröße zu erzeugen (Kornfeinung), die zu verbesserten dynamischen und/oder statischen mechanischen Eigenschaften führt. Dieses hat zur Folge, dass entweder die Stege schmaler ausgeführt werden können und/oder die Lebensdauer entsprechend zunimmt und/oder die Belastbarkeit der Stege, bspw. im Hinblick auf höhere Rotordrehzahlen, zunimmt.
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Ein Laserbearbeitungsprozess kann, insbesondere im Folgeschneidwerkzeug, zwischen zwei Stanzschritten bzw. Stanzstufen, unmittelbar vor dem ersten Stanzschritt, d. h. vorgelagert, und/oder unmittelbar nach dem letzten Stanzschritt, d. h. nachgelagert, erfolgen. Prinzipiell kann auch ein mehrfaches Laserbearbeiten, bspw. vor jedem Stanzschritt oder nach jedem zweiten Stanzschritt etc., vorgesehen sein.
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Das erfindungsgemäße Folgeschneidwerkzeug umfasst:
- - mehrere Stanzstationen bzw. Stanzstufen, in denen die zu erzeugenden Rotor- und/oder Statorblechkonturen durch aufeinanderfolgende Stanzschritte gestanzt werden; und
- - wenigstens eine Lasereinrichtung, mit der die Rotor- und/oder Statorbleche beim Herstellen, insbesondere zwischen zwei Stanzstationen, mittels Laserstrahl lokal erwärmt werden können, um eine lokale Veränderung der Blechmikrostruktur herbeizuführen, wobei die Lasereinrichtung einen Ultrakurzpulslaser und bevorzugt auch einen Spiegelscanner umfasst, wie vorausgehend erläutert.
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Bei der Erfindung steht insbesondere eine lokale Kornfeinung durch thermische Modifikation des Blechgefüges im Vordergrund, um daraus Rotor- und/oder Statorbleche bereits bei ihrer Herstellung lokal zu modifizieren, insbesondere um eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Diese lokale Kornfeinung wird bevorzugt durch ein vorgegebenes Prozessfenster von Laserparametern (wie oben angegeben) und/oder durch geeignete Überfahrgeschwindigkeiten (wie oben angegeben) realisiert, um eine hohe Intensität im Bereich von z. B. > 100 W/cm3 zu erreichen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung kann sein, die Elektrobleche hinsichtlich einer bereits aufgebrachten Beschichtung nahezu beschädigungsfrei zu verarbeiten, da diese Beschichtung eine elektrisch isolierende Wirkung hat, deren Bedeutung für die magnetischen Eigenschaften wichtig ist (Reduzierung von Wirbelstromverlusten). Dies kann durch Anpassen der Laserparameter und/oder der Überfahrgeschwindigkeit, welche die Einwirkzeit bestimmt, erfolgen.
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Die Erfindung kann auch in anderen elektroblechverarbeitenden Anwendungen, bspw. bei der Herstellung von Transformatorblechen, angewendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
- 1 zeigt einen Quadranten eines Rotorblechs.
- 2 zeigt einen Quadranten eines Statorblechs.
- 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Folgeschneidwerkzeug zum Herstellen von Rotor- und/oder Statorblechen wie in 1 oder 2 gezeigt.
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1 zeigt ein aus Elektroblech gebildetes Rotorblech bzw. eine sogenannte Rotorlamelle 100 mit Aussparungen bzw. Ausnehmungen 110 und radialen Stegen 120. 2 zeigt analog ein Statorblech bzw. eine Statorlamelle 200 mit Aussparungen bzw. Ausnehmungen 210 und radialen Stegen 220. Die nutartigen Aussparungen 110 bzw. 210 bilden im Blechpaket Taschen zur Aufnahme von Magneten oder Wicklungen.
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Das Rotorblech 100 und das Statorblech 200 wird fortlaufend durch Stanzen in einem mehrschrittigen bzw. mehrstufigen Folgeschnittverfahren hergestellt und dabei mit einem in den Stanzprozess integrierten Laserbearbeitungsprozess mittels Laserstrahl lokal an den Stegen 120, 220 erwärmt und dadurch wärmebehandelt, um an den Stegen 120, 220 oder zumindest im Bereich dieser Stege 120, 220 eine Veränderung der Blechmikrostruktur bzw. des Blechgefüges zu bewirken. Der Laserstrahl wird direkt auf die betreffenden Bereiche gerichtet. Insbesondere soll dabei an den Stegen 120, 220 ein Kornfeinung des Gefüges und eine damit einhergehende Festigkeitssteigerung erreicht werden. Die an den Stegen 120, 220 durch kleine Korngröße mechanisch optimierte Kornstruktur führt andererseits zu einem Anstieg der Eisenverluste, d.h. die notwendige Energie zur Ummagnetisierung steigt lokal an. Diese Eigenschaftskombination ist speziell im Bereich der vergleichsweise dünnen Stege 120, 220, vor allem im Rotorblech 100, erstrebenswert. Eine Reduktion der Sättigungsmagnetisierung bei gleichzeitiger Optimierung der mechanischen Eigenschaften kann auch zur Einsparungen von Magneten genutzt werden.
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3 zeigt schematisch ein Folgeschneidwerkzeug 300 für eine Presse bzw. Stanze. Das Werkzeug 300 weist ein Werkzeugoberteil und ein Werkzeugunterteil auf, sowie beispielhaft vier Stanzstationen bzw. Stanzstufen 310, 320, 330, 340, mit denen im Pressentakt an einem in Pfeilrichtung durchgeführten Elektroblechband aufeinanderfolgende Stanzschritte zur Herstellung von Rotorblechen 100 und/oder Statorblechen 200 ausgeführt werden. (Aus dem Stand der Technik sind Folgeschneidwerkzeuge zur gleichzeitigen Herstellung von Rotor- und Statorblechen bekannt.)
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Das Werkzeug 300 weist eine Lasereinrichtung auf, zu der ein im Werkzeugunterteil (alternativ im Werkzeugoberteil) beispielhaft zwischen der zweiten Stanzstufe 320 und der dritten Stanzstufe 330 angeordneter Spiegelscanner (Remote-Kopf) 350 gehört, der mit einem nicht gezeigten Ultrakurzpulslaser verbunden ist. Damit kann das Gefüge des vom Blechhersteller hinsichtlich magnetischer Eigenschaften optimierten Elektroblechmaterials lokal im Bereich der Stege 120, 220 durch einen Laserbearbeitungsprozess so verändert werden, dass eine festigkeitssteigernde Kornfeinung eintritt, wie zuvor beschrieben. Dieser Laserbearbeitungsprozess wird insbesondere unmittelbar vor dem Ausstanzen bzw. Freischneiden der Stege 120, 220 in der folgenden (dritten) Stanzstation 330 durchgeführt. Die Abkühlung oder gegebenenfalls sogar Abschreckung kann direkt durch Werkzeugelemente der folgenden (dritten) Stanzstation 330 bewirkt werden.
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Die Lasereinrichtung kann auch dazu genutzt werden, durch kurzes punkt- bzw. spotweises Erwärmen des Elektroblechs, insbesondere bei der Bewegung zwischen den Stanzstationen, gezielt solche Eigenspannungen im Blechmaterial zu erzeugen, die sich vorteilig auf nachfolgende Stanzschritte auswirken.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Rotorblech
- 110
- Aussparungen
- 120
- Stege
- 200
- Statorblech
- 210
- Aussparungen
- 220
- Stege
- 300
- Folgeschneidwerkzeug
- 310
- Stanzstation
- 320
- Stanzstation
- 330
- Stanzstation
- 340
- Stanzstation
- 350
- Spiegelscanner
