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Die vorgeschlagene Lösung betrifft eine Rotoreinheit mit einem um eine Rotationsachse rotierbaren Rotorgrundkörper und einer mit dem Rotorgrundkörper verbundenen Auswuchtungsmasse zur Kompensation einer Unwucht des Rotorgrundkörpers.
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Zusätzlich betrifft die vorgeschlagene Lösung ein Auswuchtungsverfahren zum Auswuchten einer Rotoreinheit mit einem Rotorgrundkörper.
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Rotoreinheiten und Auswuchtungsverfahren sind aus der Praxis weithin bekannt. Unwuchten sind dabei in der Regel unerwünscht, da sie zu Wechselbelastungen an der Rotoreinheit selbst sowie an Baugruppen führen, in denen die Rotoreinheit verwendet wird. Aus einer Unwucht können unerwünschte Schwingungen und Geräusche resultieren.
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Bei einer Rotoreinheit kommt es dementsprechend darauf an, die Unwucht mittels der Auswuchtungsmasse vollständig oder zumindest so weit zu kompensieren, dass vorgegebene Unwuchtstoleranzen eingehalten werden. Dies kann unter Anwendung eines vorgenannten Auswuchtungsverfahrens erfolgen.
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In diesem Zusammenhang sind aus der Praxis sogenannte additive und sogenannte subtraktive Auswuchtungsverfahren bekannt. Ebenso ist es bekannt, ein Bauteil auszuwuchten, indem es verformt wird.
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Bei den additiven Verfahren wird eine eventuell vorhandene Unwucht dadurch ausgeglichen, dass Zusatzmaterial auf den Rotorgrundkörper aufgebracht wird. Es gilt also im Rahmen des Auswuchtungsverfahrens dieses Zusatzmaterial an- oder aufzubringen. Bekannte Verfahren haben dabei den Nachteil, dass entweder nur vergleichsweise kleine Auswuchtungsmassen aufgebracht werden können oder das Verfahren hohe manuelle Arbeitsanteile umfasst.
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Bei den subtraktiven Verfahren wird der Unwuchtsausgleich dadurch erreicht, dass Material vom Rotorgrundkörper abgenommen wird. Die zugehörigen Verfahren bewirken dabei üblicherweise auf den Rotorgrundkörper wirkende Reaktionskräfte, die insbesondere bei filigranen Rotorgrundkörpern zu dessen Beschädigung führen können. Ein weiterer Nachteil der subtraktiven Verfahren ist das Anfallen von abgetragenem Material, das in gewissen Bereichen der Rotoreinheit einen Fremdstoff darstellt. Somit besteht bei subtraktiven Auswuchtungsverfahren die Gefahr einer Verschmutzung der auszuwuchtenden Rotoreinheit.
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Bei Verformungsverfahren resultieren ebenfalls Reaktionskräfte auf den Rotorgrundkörper.
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Eine Aufgabe ist es daher, eine Rotoreinheit sowie ein zugehöriges Auswuchtungsverfahren zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile vermeiden oder zumindest reduzieren. Insbesondere sollen dabei Auswuchtungsmassen unterschiedlicher Größe automatisiert am Rotorgrundkörper befestigt werden können. Darüber hinaus sollen auf den Rotorgrundkörper wirkende Kräfte vermieden werden.
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Die Aufgabe wird durch eine Rotoreinheit gelöst, bei der die Auswuchtungsmasse eine am Umfang des Rotorgrundkörpers angebrachte, lokale Beschichtung ist.
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Dabei wird unter einer Beschichtung eine Schicht aus formlosem Stoff verstanden, die fest am Rotorgrundkörper haftet. Um eine Unwucht ausgleichen zu können, ist die Beschichtung mit einer gewissen Unregelmäßigkeit am Umfang des Rotorgrundkörpers angebracht. Das bedeutet, dass die Beschichtung hinsichtlich der Lokalisierung am Umfang unregelmäßig sein kann und/oder an verschiedenen Stellen eine unterschiedliche Schichtdicke aufweisen kann. Das Aufbringen einer Beschichtung bewirkt dabei vergleichsweise kleine oder gar keine auf den Rotorgrundkörper wirkenden Kräfte. Eine Gefahr, den Rotorgrundkörper durch das Aufbringen der Auswuchtungsmasse zu beschädigen oder beeinträchtigen, besteht also nicht. Somit kann eine derartige Auswuchtungsmasse auch auf sehr filigrane Rotorgrundkörper aufgebracht werden. Ferner kann eine Beschichtung automatisiert auf den Rotorgrundkörper aufgebracht werden. Im Unterschied zu bekannten Auswuchtungsmassen besteht die Beschichtung aus vergleichsweise kleinen Partikeln, sodass ein Unwuchtsausgleich mit einer vergleichsweise hohen Präzision erfolgen kann, indem die Partikel entsprechend fein dosiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform basiert das Aufbringen der Beschichtung im Wesentlichen auf kinetischer Energie von Partikeln eines die Auswuchtungsmasse bildenden Beschichtungswerkstoffes. Es wird also insbesondere keine oder zumindest nicht vornehmlich thermische Energie zum Aufbringen der Auswuchtungsmasse verwendet. Auf diese Weise wird eine thermische Beeinflussung des Rotorgrundkörpers durch das Aufbringen der Beschichtung ausgeschlossen. Eine mechanische Beeinflussung des Rotorgrundkörpers wird auf ein Minimum beschränkt.
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Beispielsweise ist die Beschichtung mittels eines Kaltgasspritzverfahrens aufgebracht. Beim Kaltgasspritzen, das in englischer Sprache als „Cold Spraying“ bezeichnet wird, wird ein die Auswuchtungsmasse bildender Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit hoher Geschwindigkeit auf das Trägermaterial, also auf den Rotorgrundkörper aufgebracht. Dazu werden die Pulverpartikel in einen Gasstrahl eingebracht, der die Pulverpartikel auf eine gewünschte Zielgeschwindigkeit beschleunigt. Durch den Aufprall der Pulverpartikel auf dem Trägermaterial verbinden sich dann die Pulverpartikel mit diesem. Dabei ist erreichbar, dass trotz des Aufspritzens der Pulverpartikel mit hoher Geschwindigkeit nur äußerst geringe Kräfte auf den Rotorgrundkörper wirken. Dies liegt unter anderem an der extrem geringen Masse der einzelnen Pulverpartikel. Darüber hinaus kann die Auswuchtungsmasse besonders präzise eingestellt werden, indem die aufgebrachte Pulvermenge genau bestimmt wird. Dies ist auf einfache Weise möglich, beispielsweise durch eine Mengendosierung oder Maskierung. Ein weiterer Vorteil des Kaltgasspritzverfahrens liegt darin, dass es am Rotorgrundkörper keinen thermischen Verzug oder lokale Veränderungen der magnetisch leitenden Eigenschaften verursacht. Insbesondere finden weder im Rotorgrundkörper noch im mittels des Kaltgasspritzverfahrens aufgebrachten Beschichtungswerkstoff Phasenumwandlungen statt, was daran liegt, dass die Prozesstemperatur des Kaltgasspritzens unterhalb einer Schmelztemperatur des aufgespritzten Werkstoffs und des Werkstoffs des Rotorgrundkörpers liegt. Ferner ist das Kaltgasspritzverfahren automatisiert durchführbar, sodass die Beschichtung automatisiert aufgebracht werden kann. Somit kann eine derartige Rotoreinheit schnell, einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Selbstverständlich können auch vom Kaltgasspritzverfahren verschiedene Beschichtungsverfahren genutzt werden, um die Beschichtung aufzubringen.
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Nachdem der Verbindungsmechanismus zwischen den aufgebrachten Pulverpartikeln und dem Trägermaterial, also dem Rotorgrundkörper dem Verbindungsmechanismus der Partikel eines Sinterbauteils ähnelt, kann alternativ auch davon gesprochen werden, dass die Beschichtung aufgesintert ist.
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Die Auswuchtungsmasse kann mehrere Feststoffpartikel umfassen, die über einen Formschluss mit dem Rotorgrundkörper und/oder untereinander verbunden sind, insbesondere wobei die Feststoffpartikel stoffschlussfrei mit dem Rotorgrundkörper und/oder untereinander verbunden sind. Die Feststoffpartikel können auch als Pulverpartikel bezeichnet werden. Durch das Auftreffen auf einer Oberfläche des Rotorgrundkörpers treten die Feststoffpartikel unter Ausnutzung ihrer kinetischen Energie teilweise in diese ein und verklemmen sich dadurch am Rotorgrundkörper. Gleiches gilt, wenn Feststoffpartikel auf bereits am Rotorgrundkörper vorliegende Feststoffpartikel auftreffen. Aufgrund der geringen Abmessungen der Feststoffpartikel kann man in diesem Zusammenhang auch von Mikroformschluss sprechen. Insbesondere werden also die Festkörperpartikel im Zuge des Aufbringens auf den Rotorgrundkörper nicht aufgeschmolzen. Dennoch werden sie zuverlässig am Rotorgrundkörper gehalten.
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Auch kann die Auswuchtungsmasse mehrere Feststoffpartikel umfassen, die über eine Kaltverschweißung mit dem Rotorgrundkörper und/oder untereinander verbunden sind. Zum Ausbilden einer Kaltverschweißung werden die Feststoffpartikel im Zuge des Auftreffen auf den Rotorgrundkörper plastisch verformt und derart nahe an die Oberfläche des Rotorgrundkörpers gebracht, dass zwischen den Atomen der Feststoffpartikel und den Atomen des Rotorgrundkörper Anziehungskräfte wirken. Diese halten die Feststoffpartikel am Rotorgrundkörper. Dieser Effekt wirkt auch zwischen Feststoffpartikeln, die in mehreren Schichten aufeinander liegen. Die Feststoffpartikel werden also zuverlässig am Rotorgrundkörper gehalten, ohne dass diese dafür aufgeschmolzen werden müssen.
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Aufgrund der Größe der Feststoffpartikel kann in diesem Zusammenhang auch von Mikroverschweißungen oder, genauer, Mikrokaltverschweißungen gesprochen werden.
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Gemäß einer Alternative ist der Rotorgrundkörper eine Rotorwelle, eine Rotorglocke einer elektrischen Maschine, ein Läufer einer elektrischen Maschine oder ein Lüfterrad. Es lassen sich also alle diese Bauteile durch die oben beschriebene Auswuchtungsmasse hinsichtlich einer Unwucht kompensieren. Wie bereits erläutert kann dies in automatisierter Form erfolgen. Die genannten Bauteile lassen sich also auf einfache Weise präzise auswuchten. Störende Geräusche und Schwingungen werden so vermieden.
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Die Auswuchtungsmasse kann auch an einer Basis-Auswuchtungsmasse angebracht sein, wobei die Basis-Auswuchtungsmasse am Rotorgrundkörper angebracht ist. Es wird also mittels der Auswuchtungsmasse ein Rotorgrundkörper ausgewuchtet, dessen Unwucht bereits zumindest im Groben mittels der Basis-Auswuchtungsmasse kompensiert wurde. Dabei kann die Basis-Auswuchtungsmasse mittels aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren am Rotorgrundkörper befestigt werden. Das Aufbringen der Auswuchtungsmasse kann also auch als Feinauswuchtung bezeichnet werden. Es lassen sich somit Rotoreinheiten generieren, die besonders engen Unwuchtstoleranzen genügen.
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Vorzugsweise weist der Rotorgrundkörper einen Metallwerkstoff, einen Kunststoffwerkstoff, einen Glaswerkstoff oder einen Keramikwerkstoff auf. Der Rotorgrundkörper kann dabei aus einem dieser Werkstoffe hergestellt werden. Besonders bevorzugt ist der Rotorgrundkörper aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Somit kann der Rotorgrundkörper im Wesentlichen alle gängigen Werkstoffe umfassen oder aus diesen bestehen.
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Die Auswuchtungsmasse weist bevorzugt einen Metallwerkstoff, einen Keramikwerkstoff oder einen Verbundwerkstoff auf. Insbesondere besteht sie aus einem Metallwerkstoff, einem Keramikwerkstoff oder einem Verbundwerkstoff und/oder wird aus einem solchen Werkstoff hergestellt. Mögliche Materialien sind in diesem Zusammenhang Metalle und deren Legierungen, insbesondere Magnesium, Aluminium, Titan, Nickel, Kupfer, Tantal, Niob, Silber, Gold, Nickel-Chrom, Bronze, Aluminium-Legierungen, Titan-Legierungen und sogenannte MCrAIY-Werkstoffe. Für den Wuchtungseffekt ist allerdings lediglich die applizierte Masse entscheidend, weshalb Materialien mit vergleichsweise hoher Dichte bevorzugt sind, z. B. Eisen, CrNi-Legierungen, rostfreier Stahl und Kupfer.. Ebenso können Verbundwerkstoffe und Keramikwerkstoffe verwendet werden. Im Falle der Verbundwerkstoffe wird üblicherweise eine duktile Matrix gewählt, in die ein Hartstoff eingebettet ist.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein Auswuchtungsverfahren der eingangs genannten Art gelöst, das den folgenden Schritt umfasst:
Aufbringen einer Auswuchtungsmasse in Form einer lokalen Beschichtung am Umfang des Rotorgrundkörpers. Wie bereits erwähnt resultieren aus einem solchen Verfahren nur vergleichsweise geringe, auf den Rotorgrundkörper wirkende Kräfte. Zudem ist ein solches Verfahren leicht zu automatisieren.
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Dabei wird die Beschichtung bevorzugt mittels eines Kaltgasspritzverfahrens aufgebracht.
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In diesem Zusammenhang können mehrere Feststoffpartikel als Beschichtung auf den Rotorgrundkörper aufgespritzt werden und über einen Formschluss mit dem Rotorgrundkörper und/oder untereinander verbunden werden.
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Alternativ oder zusätzlich können mehrere Feststoffpartikel als Beschichtung auf den Rotorgrundkörper aufgespritzt werden und über eine Kaltverschweißung mit dem Rotorgrundkörper und/oder untereinander verbunden werden.
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Beispielsweise werden die Feststoffpartikel mit einer Aufprallgeschwindigkeit auf den Rotorgrundkörper aufgespritzt, die betragsmäßig kleiner ist als eine für das Material des Rotorgrundkörpers spezifische Erosionsgeschwindigkeit. Dabei wird unter der spezifischen Erosionsgeschwindigkeit diejenige Geschwindigkeit verstanden, bei der die auf der Oberfläche des Rotorgrundkörpers auftreffenden Feststoffpartikel nicht mehr an dieser haften bleiben, sondern von der Oberfläche des Rotorgrundkörpers Material abtragen. Die Erosionsgeschwindigkeit ist dabei unter anderem von der Materialduktilität abhängig.
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Hierbei sollte eine gewisse Mindest-Aufprallgeschwindigkeit der Feststoffpartikel auf dem Rotorgrundkörper vorliegen. Auch die Mindest-Aufprallgeschwindigkeit, die auch als kritische Geschwindigkeit bezeichnet wird, ist spezifisch für jeden Werkstoff. Dabei bezeichnet die Mindest-Aufprallgeschwindigkeit diejenige Geschwindigkeit, bei der ein auf den Rotorgrundkörper aufprallender Feststoffpartikel nicht mehr von diesem abprallt, sondern daran haften bleibt. Die Mindest-Aufprallgeschwindigkeit kann für jede Anwendung experimentell oder theoretisch, beispielsweise unter Nutzung einer Simulation ermittelt werden.
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Im Sinne eines zuverlässig am Rotorgrundkörper haftenden Feststoffpartikels sollte die Aufprallgeschwindigkeit somit zwischen der kritischen Geschwindigkeit und der Erosionsgeschwindigkeit liegen. In diesem Bereich lassen sich die Feststoffpartikel dauerhaft am Rotorgrundkörper anbringen.
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Die Auswuchtungsmasse kann auch an einer Basis-Auswuchtungsmasse angebracht werden, wobei die Basis-Auswuchtungsmasse am Rotorgrundkörper angebracht wird.
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Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.
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Hierbei zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Rotoreinheit, die als Rotorglocke ausgebildet ist und mittels einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Auswuchtungsverfahrens ausgewuchtet wurde;
- 2 die Rotoreinheit aus 1 in einer Längsschnittansicht;
- 3 eine zweite Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Rotoreinheit, die als Rotorwelle ausgebildet ist und mittels einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Auswuchtungsverfahrens ausgewuchtet wurde;
- 4 eine dritte Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Rotoreinheit, die als Läufer einer elektrischen Maschine ausgebildet ist und mittels einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Auswuchtungsverfahrens ausgewuchtet wurde;
- 5 eine vierte Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen Rotoreinheit, die als Lüfterrad ausgebildet ist und mittels einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Auswuchtungsverfahrens ausgewuchtet wurde;
- 6 einen Ausschnitt einer vorgeschlagenen Rotoreinheit, bei der die Auswuchtungsmasse an einer Basis-Auswuchtungsmasse angebracht ist;
- 7 die Rotoreinheit aus 1 während des Ablaufs eines vorgeschlagenen Auswuchtungsverfahrens;
- 8 schematisch ein Diagramm, das im Zusammenhang mit einem vorgeschlagenen Auswuchtungsverfahren die Anlagerungseffizienz von Feststoffpartikeln in Abhängigkeit einer Aufprallgeschwindigkeit derselben zeigt;
- 9 schematisch und in einer vergrößerten Darstellung die Anhaftung von Feststoffpartikeln bei unterschiedlichen Aufprallgeschwindigkeiten.
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1 zeigt eine Rotoreinheit 10, die als Rotorglocke einer elektrischen Maschine ausgebildet ist und einen um eine Rotationsachse 12 rotierbaren Rotorgrundkörper 14 umfasst.
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Dieser weist eine schematisch dargestellte Unwucht 16 auf, die durch eine Auswuchtungsmasse 18 kompensiert ist. Vorliegend ist der Rotorgrundkörper 14 aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Für die Auswuchtungsmasse wird eine Kupferlegierung verwendet.
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Die Auswuchtungsmasse 18 ist derart bemessen und am Rotorgrundkörper 14 positioniert, dass sie bei einer Rotation des Rotorgrundkörpers 14 um die Rotationsachse 12 die Auswirkungen der Unwucht 16 kompensiert, d.h. im Idealfall vollständig ausgleicht.
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Dabei ist die Auswuchtungsmasse 18 eine am Umfang des Rotorgrundkörpers 14 angebrachte, lokale Beschichtung. Sie umfasst dabei mehrere Feststoffpartikel 20, die über einen Formschluss mit dem Rotorgrundkörper 14 und/oder untereinander verbunden sind. Alternativ oder zusätzlich sind die Feststoffpartikel 20 über eine Kaltverschweißung mit dem Rotorgrundkörper 14 und/oder untereinander verbunden. Dabei existiert insbesondere keine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Feststoffpartikeln 20 untereinander und/oder dem Rotorgrundkörper 14, zu deren Herstellung die Feststoffpartikel 20 aufgeschmolzen werden müssen. Die Verbindung kann also bei vergleichsweise geringen Temperaturen erfolgen.
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Der Rotorgrundkörper 14 muss nicht als Rotorglocke ausgebildet sein, sondern kann auch eine Rotorwelle (vgl. 3), ein Läufer einer elektrischen Maschine (vgl. 4) oder ein Lüfterrad (vgl. 5) sein. Die Auswuchtungsmasse 18 ist in allen Alternativen in gleicher Weise am Rotorgrundkörper 14 angebracht.
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Dabei kann die Auswuchtungsmasse 18 direkt am Rotorgrundkörper 14 anhaften. Alternativ kann am Rotorgrundkörper 14 bereits eine Basis-Auswuchtungsmasse 22 vorgesehen sein, auf die die Auswuchtungsmasse 18 aufgebracht wird (siehe 6).
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Die Basis-Auswuchtungsmasse 22 kann mittels bekannter Verfahren am Rotorgrundkörper 14 angebracht sein. Beispielsweise ist die Basis-Auswuchtungsmasse 22 ein am Rotorgrundkörper 14 angeklebtes Metallelement.
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Die Auswuchtungsmasse 18, die ja als Beschichtung ausgeführt ist, wird mittels eines Kaltgasspritzverfahrens auf den Rotorgrundkörper 14 aufgebracht. Dafür kann eine Kaltgasspritzvorrichtung 24 genutzt werden, die einen Gasstrom bereitstellt, in den die aufzubringenden Feststoffpartikel 20 eingebracht werden. Mit anderen Worten wird in den Gasstrom die Auswuchtungsmasse 18 in Pulverform eingebracht. Mittels der Kaltgasspritzvorrichtung 24 werden die Feststoffpartikel 20 dann auf den Rotorgrundkörper 14 aufgespritzt, sodass sich die vorgenannten Verbindungsmechanismen, d. h. der Formschluss und/oder die Kaltverschweißung, ergeben.
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Für eine zuverlässige Verbindung der Feststoffpartikel 20 mit dem Rotorgrundkörper 14 ist die Aufprallgeschwindigkeit der Feststoffpartikel 20 auf einer Oberfläche des Rotorgrundkörpers 14 maßgeblich. Dies ist in den 8 und 9 illustriert, wobei sich die mit a), b) und c) bezeichneten Geschwindigkeiten in 8 auf die mit a), b) und c) bezeichneten Darstellungen in 9 beziehen.
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Treffen die Feststoffpartikel 20 mit einer mit a) bezeichneten Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Rotorgrundkörpers 14 auf, die unterhalb einer sogenannten kritischen Geschwindigkeit vK liegt, so kommt es zu keiner oder nur sporadischen Verbindungen zwischen den Feststoffpartikeln 20 und dem Rotorgrundkörper 14. Dieser Geschwindigkeitsbereich ist also zum Generieren der lokalen Beschichtung ungeeignet.
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Falls die Feststoffpartikel 20 mit einer mit b) bezeichneten Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Rotorgrundkörper 14 auftreffen, die oberhalb der kritischen Geschwindigkeit vK , jedoch unterhalb einer sogenannten Erosionsgeschwindigkeit ve liegt, so treten die auftreffen Feststoffpartikel 20 aufgrund ihrer kinetischen Energie teilweise in die Oberfläche des Rotorgrundkörpers 14 ein und bleiben dort unter Ausbildung einer Formschlussverbindung und/oder einer Kaltschweißverbindung haften.
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Das Kaltspritzverfahren wird also in einem Aufprallgeschwindigkeitsbereich oberhalb der kritischen Geschwindigkeit vK und unterhalb der Erosionsgeschwindigkeit ve durchgeführt. Oberhalb der Erosionsgeschwindigkeit ve , also beispielsweise bei einer mit c) bezeichneten Geschwindigkeit, treffen die Feststoffpartikel 20 mit derart hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Rotorgrundkörper 14 auf, dass sie von dort Material abtragen. In diesem Geschwindigkeitsbereich kann also ebenfalls keine Beschichtung generiert werden.
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Die kritische Geschwindigkeit vK und die Erosionsgeschwindigkeit ve sind materialspezifisch.
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9d) illustriert eine Auswuchtungsmasse 18, die mehrere Schichten an Feststoffpartikeln 20 umfasst, von denen nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die vorgenannten Effekte gelten dabei in gleicher Weise für Verbindungen zwischen benachbarten Feststoffpartikeln.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rotoreinheit
- 12
- Rotationsachse
- 14
- Rotorgrundkörper
- 16
- Unwucht
- 18
- Auswuchtungsmasse
- 20
- Feststoffpartikel
- 22
- Basis-Auswuchtungsmasse
- 24
- Kaltgasspritzvorrichtung
