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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage zumindest eines Lamellen- oder Blechpaketes auf einer zumindest abschnittsweise eine Hohlwelle aufweisenden Welle eines Rotors für eine elektrische Maschine, wobei die Welle in eine insbesondere koaxiale Durchbrechung des Lamellen- oder Blechpaketes eingesetzt und dieses zwischen einem mit der Welle verbundenen ersten radialen Vorsprung und einem zweiten radialen Vorsprung in axialer Richtung eingespannt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen mit diesem Verfahren hergestellten Rotor für eine elektrische Maschine mit zumindest einem auf einer Welle angeordneten Lamellen- oder Blechpaket.
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Rotoren von elektrischen Maschinen umfassen häufig eine Rotorwelle bzw. bei großformatigen elektrischen Maschinen, wie zum Beispiel für Hybridantriebe von Kraftfahrzeugen, einen hohlzylindrischen Rotorträger, mehrere drehfest auf der Rotorwelle bzw. dem Rotorträger befestigte Lamellen- oder Rotorblechpakete zur Reduzierung ohmscher Verluste infolge von Wirbelströmen, sowie eine in Aufnahmenuten der Lamellen- oder Rotorblechpakete untergebrachte Rotorwicklung.
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Um die Lamellen- oder Rotorblechpakete mit der Rotorwelle oder dem Rotorträger zu verbinden und eine sichere Übertragung der Drehmomente von den Lamellen- oder Rotorblechpaketen auf die Rotorwelle oder den Rotorträger zu gewährleisten, finden bei der Fertigung von Rotoren für elektrische Maschinen heute zumeist Fügeverfahren Verwendung, bei denen die Lamellen- oder Rotorblechpakete sowohl kraft- als auch formschlüssig mit der Rotorwelle verbunden werden.
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Zur Herstellung einer zuverlässigen, das Drehmoment übertragenden Verbindung zwischen den Lamellen- oder Blechpaketen und der Welle werden bei den aus dem Stand der Technik bekannten Rotoren oft zusätzliche Elemente, wie axiale Zuganker, Formschlussmittel oder andere Hilfsmittel, wie Klebstoff, eingesetzt.
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Es sind auch Fügetechniken bekannt, bei denen die Lamellen- oder Blechpakete in Presspassung auf der Welle fixiert werden. So ist es bekannt, die Lamellen- oder Blechpakete thermisch aufzuschrumpfen, wobei die Welle gekühlt und das Lamellen- oder Blechpaket entsprechend erhitzt wird. Dieses thermische Fügen ist jedoch umständlich und mit einem großen Energie- und Zeitaufwand verbunden.
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Weiterhin sind Fügeverfahren bekannt, bei denen die Lamellen- oder Blechpakete rein mechanisch auf die Welle gepresst werden. Die Druckbeaufschlagung setzt jedoch eine große Stabilität des Lamellen- oder Blechpaketes voraus, die bei rein stanzpaketierten Lamellen nicht gegeben ist.
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Es ist weiterhin bekannt, ein Blechpaket auf einer Rotorwelle dadurch zu befestigen, dass nur ein Anfangsbereich und ein Endbereich, der zumindest jeweils ein Blechlaminat umfasst, durch Verstemmen auf der Rotorwelle befestigt werden. Insbesondere bei langen Blechpaketen und hohen Drehmomenten kann es passieren, dass sich die Blechlaminate zwischen dem Anfangs- und Endbereich verschieben, weil die Haltekräfte im Blechpaket nicht ausreichend groß sind.
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Weiterhin ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 039 186 A1 ein Rotor bekannt, bei dem das auf ein Trägerelement geschobene Blechpaket zwischen stirnseitig angeordneten Druckringen angeordnet ist, wobei die Druckringe über verschraubte Zuganker gegeneinander verspannt und auf die Welle aufgeschrumpft oder mit der Welle über eine andere Form von Welle-Nabe-Verbindung drehfest verbunden sind. In diesem Fall ist ein hoher Fertigungsaufwand nötig, um die Verbindung der Druckringe auf der Welle einerseits und deren gegenseitige Verspannung andererseits korrekt herzustellen.
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Aus der
DE 1 950 586 A sind aufwendig konzipierte Rotoren offenbart, bei denen das Blechpaket fest zwischen zwei auf der Welle aufgeschraubten Muttern verspannt ist. Durch die Verspannung des Blechpaketes gegenüber der Welle wird eine hohe Biegesteifigkeit des Rotors erzeugt. Um eine Wärmeausdehnung des Blechpaketes zu kompensieren, sind zusätzliche Federelemente beschrieben, die zwischen dem Blechpaket und den Muttern angeordnet sind.
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Ein ähnlich konzipierter Rotor ist aus der
JP 2005-184957 A bekannt, wobei in diesem Fall axiale Nuten in der Welle vorgesehen sind, in denen das Blechpaket mit entsprechenden Vorsprüngen fixiert ist.
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Es sind beispielsweise aus der
DE 10 2011 012 429 A1 auch kraftschlüssige Presssitze von Blechpaketen auf einer in diesem Fall hohlen Welle bekannt.
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Die
WO 2015/172986 A1 beschreibt bereits ein Verfahren zur Montage von Blechen auf einer Hohlwelle eines Rotors zu schaffen, indem die mit radialem Spiel kraftfrei auf die Welle aufgesetzten Blechpakete des Rotors ausschließlich über eine axiale Pressung zwischen zwei auf der Welle aufsitzenden Druckscheiben kraftschlüssig gehalten werden. Hierzu wird eine Druckscheibe mittels einer kraft-formschlüssigen Fügeverbindung auf einem durch Bearbeitung aufgeweiteten Teilabschnitt der Welle gehalten.
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Die
DE 10 2007 032 138 A1 betrifft ein Verfahren zur Befestigung von mindestens einem Lamellen- oder Rotorblechpaket auf einer Rotorwelle einer elektrische Maschine, welches hierzu an einer inneren Umfangsfläche mit überstehenden Vorsprüngen versehen ist. Durch eine plastische Verformung der Vorsprünge beim Aufpressen auf die Rotorwelle wird das Lamellen- oder Rotorblechpaket ohne Formschluss mit der Rotorwelle verbunden.
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Bei der
WO 02/43222 A1 sind nur der Anfangs- und Endbereich eines Moduls aus mehreren Blechlaminaten durch plastisches Verformen auf der Rotorwelle befestigt, während der mittlere Bereich mit Spiel auf der Rotorwelle angeordnet ist.
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Als nachteilig bei dem beschriebenen Stand der Technik erweist sich, dass die Verformung der Lamellen zu einer unerwünschten Verformung und einer Verlagerung sowie zudem gegebenenfalls zu einer Beschädigung der Lamellen führen kann. Demgegenüber erfolgt bei der Verwendung von mit der Welle verbundenen Flanschen und Scheiben, zwischen denen die Lamellen axial eingespannt sind, lediglich eine rein axiale, kraftschlüssige Fixierung, die zudem oftmals mit einem erheblichen Montageaufwand aufgrund der hohen Anzahl der hierzu erforderlichen Bauteile verbunden ist.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein Rotor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine wesentlich vereinfachte Montage der Lamellen auf der Hohlwelle erreicht und zugleich deren Fixierung auf der Hohlwelle verbessert wird.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem der zweite Vorsprung an einer koaxial zu der Hohlwelle angeordneten Steckwelle angeordnet ist, welche in die Hohlwelle eingeführt und die Hohlwelle radial aufgeweitet wird, sodass die Steckwelle in der Hohlwelle klemmschlüssig fixiert wird. Hierdurch wird erstmals eine axiale Fixierung der Lamellen oder Blechpakete zwischen den beiden Vorsprüngen erreicht, indem die mit dem beispielsweise als Flansch ausgeführten zweiten Vorsprung ausgestattete Steckwelle in die Hohlwelle eingeführt wird, bis die gewünschte Klemmkraft zwischen den Vorsprüngen erreicht ist. Zugleich wird erfindungsgemäß jedoch auch die Hohlwelle radial aufgeweitet, sodass diese zugleich gegen den Randbereich der Durchbrechung der Lamellen oder Blechpakete anliegt und somit eine Kraftübertragung als Klemmkraft in radialer Richtung realisiert wird. Somit erfolgt nicht nur eine axiale und radiale Fixierung der Lamellen oder Blechpakete, sondern auch deren Zentrierung, wobei eine Beschädigung nahezu ausgeschlossen und die Montage zudem wesentlich erleichtert ist. Darüber hinaus wird so auch die Anzahl der zur Fixierung erforderlichen Bauteile wesentlich reduziert und der Montageprozess vereinfacht. Erfindungsgemäß erfolgt die Momentübertragung durch die Kombination aus axialem und radialem Kraft-/Formschluss, nämlich axial, indem die Lamellen- oder Blechpakete zwischen den flanschartigen radialen Vorsprüngen verspannt werden und radial, indem die Hohlwelle aufgeweitet wird.
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Man könnte daran denken, die Aufweitung der Hohlwelle dadurch zu erreichen, dass die darin eingefügte Steckwelle ihrerseits beispielsweise durch ein Innenhochdruckumformverfahren aufgeweitet wird. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Ausgestaltungsform der Erfindung, bei welcher die Steckwelle eine Außenfläche aufweist, welche zumindest abschnittsweise gegenüber einem Innendurchmesser der Hohlwelle ein Übermaß aufweist, sodass die Hohlwelle durch Einführen der Steckwelle radial aufgeweitet wird. Durch eine entsprechende Auslegung der Steckwelle und der Hohlwelle im Hinblick auf die gewünschte radiale Aufweitung einerseits und die damit verbundene axiale Einschubstrecke unter Berücksichtigung der axialen Dicke der Lamellen- oder Blechpakete andererseits wird so in einer vorbestimmten axialen Relativposition der Steckwelle gegenüber der Hohlwelle zugleich die axiale sowie auch die radiale Fixierung der Lamellen- oder Blechpakete sichergestellt.
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Hierzu hat es sich als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn die Steckwelle zumindest abschnittsweise eine konische Außenfläche und die Hohlwelle zumindest abschnittsweise eine konische Innenfläche aufweist, sodass sich in der nicht eingeschobenen Ruheposition der Steckwelle und der Hohlwelle zumindest abschnittsweise ein Übermaß des Außendurchmessers der Steckwelle gegenüber dem Innendurchmesser der Hohlwelle ergibt. Besonders bevorzugt hat die Hohlwelle in ihrer aufgeweiteten Gebrauchsposition eine zylindrische Form.
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Jeder der Vorsprünge könnte eine nahezu beliebige, als axialer Anschlag geeignete Formgebung aufweisen und gegebenenfalls auch in unterschiedlichen axialen Positionen auf der Hohlwelle festlegbar sein. Insbesondere erweist es sich als vorteilhaft, wenn zumindest ein Vorsprung konzentrisch zu der Welle angeordnet oder rotationssymmetrisch ausgeführt ist, um so eine unerwünschte Unwucht im Betrieb des Rotors aufgrund des Vorsprunges zu vermeiden.
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Die Steckwelle könnte massiv ausgeführt sein oder aber eine nicht rotationssymmetrische Querschnittsform aufweisen. Weiterhin könnte die Steckwelle ähnlich einer Keilwelle ausgeführt sein oder eine sternförmige Querschnittsform aufweisen. Besonders praxisgerecht ist es hingegen, wenn die Steckwelle als eine Hohlwelle ausgeführt ist. Hierdurch lässt sich ein geringes Gesamtgewicht der gesamten Anordnung erreichen. Zudem könnte in den Hohlraum der Steckwelle ein Spreiz- oder Klemmkörper zur Sicherung der Klemmverbindung zwischen der Hohlwelle und der Steckwelle eingefügt werden.
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Dabei hat es sich weiterhin als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn der zweite Vorsprung zugleich als Tiefenanschlag das teleskopische Einschieben in die Hohlwelle begrenzt. Hierdurch wird eine unerwünschte Überdehnung der Hohlwelle und damit der darauf fixierten Lamellen- oder Blechpakete vermieden. Selbstverständlich kann auch ein Fixier- oder Sicherungselement zur Festlegung der axialen Relativposition der Hohlwelle gegenüber der Steckwelle vorgesehen werden, welches ein unbeabsichtigtes Lösen der Verbindung verhindert.
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Vorzugsweise sind gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Hohlwelle und die Steckwelle relativ zueinander zumindest in einer eingeschobenen Gebrauchsposition drehfest angeordnet. Indem die Hohlwelle und die Steckwelle beispielsweise nach Art einer Passfeder verbunden sind, werden die im Betrieb des Rotors auftretenden Drehmomente zugleich auf die Hohlwelle und die Steckwelle und somit auf beide radialen Vorsprüngen übertragen. Hierzu ist der erste Vorsprung drehfest mit der Welle und/oder der zweite Vorsprung drehfest mit der Steckwelle verbunden.
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Eine weitere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Ausgestaltungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Hohlwelle und die Steckwelle rotationssymmetrisch ausgeführt sind, um so eine anderenfalls gegebenenfalls auftretende Unwucht zu vermeiden.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin noch durch eine elektrische Maschine mit einem mit diesem Verfahren hergestellten Rotor gelöst, bei dem die Steckwelle in der Gebrauchsposition zumindest abschnittsweise in die Hohlwelle eingesetzt und die Hohlwelle durch plastische oder elastische Verformung radial geweitet ist.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
- 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rotors;
- 2 eine geschnittene Seitenansicht des in der 1 gezeigten Rotors;
- 3 eine Explosionsdarstellung des in der 1 gezeigten Rotors.
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Der erfindungsgemäße Rotor 1 wird nachstehend anhand der 1 bis 3 näher erläutert. Der Rotor 1 besteht aus einer mit einer Hohlwelle 2 ausgestatteten Welle 3 und darauf fixierten Lamellenpaketen 4, die zwischen zwei als Flanschen ausgeführten radialen Vorsprüngen 5, 6 axial eingespannt und mit einer Fixierkraft Fa kraftschlüssig fixiert sind. Hierzu ist wie insbesondere in den 2 und 3 erkennbar der erste radiale Vorsprung 5 mit der Hohlwelle 2 und der zweite Vorsprung 6 mit einer koaxial in der Hohlwelle 2 angeordneten Steckwelle 7 verbunden, welche in die Hohlwelle 2 eingeführt wird und dadurch die Hohlwelle 2 radial aufweitet. Hierdurch wird zugleich die Steckwelle 7 in der Hohlwelle 2 klemmschlüssig fixiert sowie die Lamellenpakete 4 zwischen den Vorsprüngen 5, 6 axial eingespannt. Durch die radiale Erweiterung der Hohlwelle 2, auf deren Außenfläche 9 die Lamellenpakete 4 entsprechend der mit Übermaß ausgeführten Durchbrechung 8 beweglich sind, werden die Lamellenpakete 4 durch eine radiale Fixierkraft Fr kraftschlüssig fixiert. Die hierzu erforderliche radiale Aufweitung der Hohlwelle 2 wird ergänzend anhand der 2 beschrieben, in welcher eine überzeichnet dargestellte Ausgangsposition oder Ruheposition der Hohlwelle 2 gestrichelt dargestellt ist. Insbesondere weist die Hohlwelle 2 in der Ausgangsposition einen konischen Verlauf auf. Durch das Einführen der Steckwelle 7 wird diese radial bis zum Erreichen einer zylindrischen Form geweitet, wodurch zugleich die Lamellenpakete 4 auf der Außenfläche 9 der Hohlwelle 2 fixiert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Hohlwelle
- 3
- Welle
- 4
- Lamellenpaket
- 5
- Vorsprung
- 6
- Vorsprung
- 7
- Steckwelle
- 8
- Durchbrechung
- 9
- Außenfläche
- Fa
- Fixierkraft
- Fr
- Fixierkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007039186 A1 [0008]
- DE 1950586 A [0009]
- JP 2005184957 A [0010]
- DE 102011012429 A1 [0011]
- WO 2015/172986 A1 [0012]
- DE 102007032138 A1 [0013]
- WO 0243222 A1 [0014]
