DE102018218322A1

DE102018218322A1 - Verfahren und Werkzeug zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102018218322A1
Application number: DE102018218322.8A
Authority: DE
Inventors: Holger Gräf
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2020-04-30
Also published as: CN111106723A; CN111106723B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine mit den Schritten:- Bereitstellen einer vorgefertigten Hohlwelle (200), welche eine Rotorwelle oder einen Rotorträger bildet, und Bereitstellen wenigstens eines vorgefertigten Rotorblechpakets (100);- axiales Positionieren des Rotorblechpakets (100) bzw. mehrerer Rotorblechpakete (100) auf der Hohlwelle (200);- Aufweiten der Hohlwelle (200) mittels Innenhochdruckumformen in einem Werkzeug, wodurch zwischen der Hohlwelle (200) und dem Rotorblechpaket (100) bzw. mehreren Rotorblechpaketen (100) eine verdrehsichere Welle-Nabe-Verbindung erzeugt wird, wobei Mittel vorgesehen sind, die beim Aufweiten der Hohlwelle (200) eine definierte Winkelausrichtung des Rotorblechpakets (100) bzw. mehrerer Rotorblechpakete (100) relativ zur Hohlwelle (200) und/oder relativ zueinander bewirken.Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung dieses Verfahrens geeignetes IHU-Werkzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine.
Eine elektrische Maschine (E-Maschine) ist ein Elektromotor oder ein elektrischer Generator. Die im Automobilbau für den Fahrantrieb und/oder zur Stromerzeugung verwendeten elektrischen Maschinen weisen für gewöhnlich einen Stator (bzw. Ständer) und einen darin drehbar bzw. rotierbar gelagerten Rotor (bzw. Läufer) auf. Der Rotor ist aus einer Rotorwelle bzw. einem Rotorträger und darauf verdrehsicher bzw. drehfest angeordneten Rotorblechen, die meistens zu Rotorblechpaketen zusammengefasst sind, gebildet. Die zumeist als Welle-Nabe-Verbindung ausgeführte Verdrehsicherung zwischen Rotorwelle bzw. Rotorträger und Rotorblechen bzw. Rotorblechpaketen gewährleistet eine sichere und dauerhafte gegenseitige Drehmitnahme und ermöglicht die Übertragung von Drehmomenten.
Die nächstliegende DE 10 2006 011 998 A1 zeigt und beschreibt einen Rotorträger (82) einer elektrischen Maschine (siehe 11 und 12, sowie Beschreibung Abs. 0044 und 0045). Der Rotorträger (82) weist einen Rohrabschnitt (86) auf. Der Rohrabschnitt (86) ist zur Aufnahme eines Blechpakets (102) ausgebildet. Es ist erforderlich, das Blechpaket (102) drehfest auf dem Rohrabschnitt (86) des Rotorträgers (82) abzustützen. Hierzu weist der Rohrabschnitt (86) in Umfangsrichtung verteilte und nach radial außen weisende Vorsprünge (108) auf, die in Ausnehmungen oder Axialnuten (110) an der Innenumfangsfläche des Blechpakets (102) eingreifen und auf diese Weise eine drehfeste Verbindung dieser Teile (86, 102) herstellen. Die Vorsprünge (108) werden durch plastische Verformung des Rohrabschnitts (86) durch Anwendung eines Innenhochdruckumformverfahrens erzeugt.
Zum Stand der Technik wird außerdem auch noch auf die DE 10 2016 212 004 A1 (siehe insbesondere Abs.0006) hingewiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine anzugeben, das schnell und einfach ausführbar ist und mit dem eine zuverlässige Verdrehsicherung zwischen Rotorwelle bzw. Rotorträger und Rotorblechen bzw. Rotorblechpaketen ausgebildet wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Werkzeug (IHU-Werkzeug). Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und den Figuren der Zeichnung.
Das erste erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor eine Rotorwelle oder einen Rotorträger und wenigstens ein mittels Welle-Nabe-Verbindung darauf verdrehsicher angeordnetes Rotorblechpaket aufweist, umfasst zumindest die folgenden Schritte:

- Bereitstellen einer vorgefertigten Hohlwelle, welche die Rotorwelle oder den Rotorträger bildet, und Bereitstellen wenigstens eines vorgefertigten, d. h. gestapelten, Rotorblechpakets;
- axiales Positionieren des Rotorblechpakets (bzw. der Rotorblechpakete) auf der Hohlwelle;
- (plastisches) Aufweiten der Hohlwelle mittels Innenhochdruckumformen (IHU) in einem Werkzeug (IHU-Werkzeug), wodurch zwischen der Hohlwelle und dem Rotorblechpaket (bzw. den Rotorblechpaketen) eine verdrehsichere Welle-Nabe-Verbindung erzeugt wird, wobei Mittel vorgesehen sind, die beim Aufweiten der Hohlwelle durch Innenhochdruckumformen eine definierte Winkelausrichtung bzw. Winkellage des Rotorblechpakets (bzw. der Rotorblechpakete) relativ zur Hohlwelle herbeiführen bzw. bewirken.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann also ein Rotor mit einem oder mehreren Rotorblechpaketen, die zur Rotorwelle bzw. zum Rotorträger eine definierte Winkelausrichtung (womit eine Drehwinkelausrichtung bzw. -lage gemeint ist) aufweisen, hergestellt werden. Die Winkelausrichtung kann im Hinblick auf bestimmte vorgefertigte oder beim Innenhochdruckumformen miterzeugte Wellenmerkmale (wie bspw. eine Längsnut, ein Vierkant, ein Sechskant oder dergleichen) erfolgen. Das Innenhochdruckumformen ist als solches aus dem Stand der Technik bekannt, wozu auf entsprechende Fachliteratur oder z. B. auch auf den Wikipedia-Artikel zum „Innenhochdruckumformen“ verwiesen wird.
Das zweite erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor eine Rotorwelle oder einen Rotorträger und mehrere mittels Welle-Nabe-Verbindung darauf verdrehsicher angeordnete Rotorblechpakete aufweist, umfasst zumindest die folgenden Schritte:

- Bereitstellen einer vorgefertigten Hohlwelle, welche eine Rotorwelle oder einen Rotorträger bildet, und Bereitstellen mehrerer vorgefertigter Rotorblechpakete;
- axiales Positionieren der Rotorblechpakete auf der Hohlwelle;
- (plastisches) Aufweiten der Hohlwelle mittels Innenhochdruckumformen (IHU) in einem Werkzeug (IHU-Werkzeug), wodurch zwischen der Hohlwelle und den Rotorblechpaketen eine verdrehsichere Welle-Nabe-Verbindung erzeugt wird, wobei Mittel vorgesehen sind, die beim Aufweiten der Hohlwelle durch Innenhochdruckumformen eine definierte Winkelausrichtung der Rotorblechpakete (relativ) zueinander herbeiführen bzw. bewirken.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann also ein Rotor mit mehreren Rotorblechpaketen, die zueinander eine definierte Winkel- bzw. Drehwinkelausrichtung aufweisen, hergestellt werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Rotorblechpakete zueinander einen sogenannten Winkelversatz aufweisen, sodass sich eine sogenannte Rotorschrägung ergibt, wie in der DE 10 2016 212 004 A1 beschrieben. Eine solche Schrägung wird auch als Verschränkung bezeichnet. Mit der Erfindung ist eine präzise Rotorschrägung vergleichsweise einfach herstellbar.
Beide Verfahren ermöglichen die schnelle und vergleichsweise einfache Herstellung einer Rotorwelle mit zuverlässiger sowie gewichts- und auch bauraumneutraler Verdrehversicherung und mit unterschiedlichsten Materialkombinationen. Ferner werden Wärmeverzüge, die sich bspw. beim Verschweißen, Verlöten oder Aufschrumpfen ergeben können, vermieden. Außerdem entfallen ein Aufheizen und Abkühlen, wodurch sich auch energetisch Vorteile ergeben.
Die beiden Verfahren können auch miteinander kombiniert werden, derart, dass Mittel vorgesehen sind, die eine Winkelausrichtung mehrerer Rotorblechpakete relativ zur Hohlwelle und relativ zueinander bewirken. Nach der Entnahme der Rotorwelle aus dem Werkzeug können weitere Fertigungsschritte ausgeführt werden, wie bspw. Anbringen von Magneten oder Aufbringen einer Rotorwicklung, Auswuchten, Isolieren und dergleichen. Die hergestellte Rotorwelle wird insbesondere in einem Elektroantrieb eines Kraftfahrzeugs verwendet.
Bei den Mitteln zur Winkelausrichtung handelt es sich bevorzugt um werkzeugseitige Formschlusselemente (wenigstens ein Formschlusselement), die insbesondere innerhalb einer Werkzeugkavität angeordnet sind, und um korrespondierende rotorblechpaketseitige Formschlusselemente (wenigstens ein Formschlusselement), die insbesondere am Außenumfang des (vorgefertigten) Rotorblechpakets bzw. der (vorgefertigten) Rotorblechpakete angeordnet sind, wobei diese Formschlusselemente zusammenwirken und durch formschlüssigen Eingriff für das bzw. für jedes Rotorblechpaket eine definierte Winkelausrichtung relativ zur Hohlwelle oder relativ zueinander erzwingen. Bevorzugt funktionieren diese korrespondierenden Formschlusselemente nach dem Nut-Feder-Prinzip, wozu am Außenumfang des Rotorblechpakets bzw. der Rotorblechpakete wenigstens eine vorgefertigte Nut vorgesehen ist, in die eine werkzeugseitige Feder eingreifen kann.
Das Werkzeug kann eine Einrichtung, wie bspw. einen Schieber oder dergleichen, aufweisen, mit der die Rotorblechpakete beim Aufweiten der Hohlwelle in axialer Richtung zusammengedrückt bzw. gegeneinander gepresst werden. Dadurch kann ein axiales Wegwandern sowie eine Spaltbildung zwischen den Rotorblechpaketen verhindert werden.
Ferner kann das Werkzeug eine Kavität aufweisen, in die zunächst die bereitgestellten Rotorblechpakete eingesetzt und dabei so zueinander zentriert (und gegebenenfalls auch gleich winkelausgerichtet) werden, dass deren Innenausnehmungen bzw. Zentralausnehmungen einen Kanal bilden, in den dann die Hohlwelle eingeschoben wird. D. h., die im Werkzeug angeordneten Rotorblechpakete bilden einen die Hohlwelle (Wellenrohling) zentrierenden Kanal, was auch als Selbstzentrierung bezeichnet werden kann.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Innenausnehmung des Rotorblechpakets bzw. die Innenausnehmungen der Rotorblechpakete mit einer Verzahnungskontur oder einer Trilobularkontur ausgebildet ist/sind, an die sich die Hohlwelle beim Aufweiten form- bzw. konturfolgend anlegt, sodass sich ein sicherer Kraft- und Formschluss und eine verdrehsichere Welle-Nabe-Verbindung ausbildet. Dabei wird ein sehr hohes Qualitätsniveau erreicht.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in den schematischen Figuren der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

1 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine.
2 zeigt eine Schnittdarstellung gemäß dem in 1c angegebenen Schnittverlauf (A-A).

1a zeigt den Unterkasten eines IHU-Werkzeugs 300, der eine als taschenartige Vertiefung ausgebildete Kavität bzw. Gravur 310 aufweist. In diese Kavität 310 werden mehrere vorgefertigte Rotorblechpakete 100a, 100b, 100c eingesetzt, wie in 1b gezeigt. Ein Rotorblechpaket 100 kann z. B. aus 10 bis 50 gestapelten Rotorblechen bestehen. Die Kavität 310 ist so ausgebildet, dass alle Rotorblechpakete 100a, 100b, 100c darin formschlüssig aufgenommen werden. Dabei werden die Rotorblechpakete 100a, 100b, 100c so zueinander zentriert, dass deren Innenausnehmungen 110 fluchten und einen geraden Kanal bilden, in den dann eine vorgefertigte Hohlwelle 200 eingeschoben wird, wie in 1c gezeigt. Aufwendige Montagevorrichtungen werden hierfür nicht benötigt. Die Hohlwelle 200 ist bspw. aus Stahl gebildet und weist z. B. eine Wanddicke von 1,5 mm bis 3 mm auf, kann aber auch dicker sein. Das Werkzeug 300 kann so ausgebildet sein, dass eine exakte axiale Positionierung der Hohlwelle 200 ermöglicht wird. Die Hohlwelle 200 wird dann nach dem Schließen des IHU-Werkzeugs 300 durch Aufsetzen eines Oberkastens mittels Innenhochdruckumformen (IHU), wie mit den Pfeilen p veranschaulicht, aufgeweitet, wobei sich die Hohlwelle 200 form- bzw. konturfolgend an die z. B. verzahnte oder trilobulare Innenkontur der Innenausnehmungen 110 anlegt, sodass sich ein Kraft- und Formschluss ergibt und sich eine drehfeste bzw. verdrehsichere Welle-Nabe-Verbindung ausbildet, wie in 2 angedeutet.
Das Werkzeug 300 kann Schieber 330 oder dergleichen aufweisen, mit denen die Rotorblechpakete 100a, 100b, 100c beim Aufweiten der Hohlwelle 200 durch Innenhochdruckumformen in Axialrichtung zusammengedrückt werden können, wie in 1c angedeutet.
Ferner sind Mittel vorgesehen, die beim Aufweiten der Hohlwelle 200 durch Innenhochdruckumformen eine definierte Winkelausrichtung der Rotorblechpakete 100a, 100b, 100c relativ zur Hohlwelle 200 bzw. der daraus gebildeten Rotorwelle und/oder eine definierte Winkelausrichtung der Rotorblechpakete 100a, 100b, 100c zueinander bewirken. In den Außenumfangsflächen der Rotorblechpakete 100a, 100b, 100c sind z. B. Axialnuten 120 ausgebildet, in die beim Aufsetzen des Oberkastens jeweils ein werkzeugseitiges Formschlusselement (Feder) 320 eingreift und die Winkelausrichtung bewirkt und sichert, wie in 2 angedeutet. Solche werkzeugseitigen Formschlusselemente 320 können auch im Unterkasten des Werkzeugs 300 vorgesehen sein, sodass bereits beim Einsetzen der Rotorblechpakete 100a, 100b, 100c eine Ausrichtung der Winkellage erfolgen kann.
Für jedes Rotorblechpaket 100a, 100b, 100c kann eine andere Winkelausrichtung vorgegeben werden, derart, dass die Rotorblechpakete 100a, 100b, 100c einen Winkelversatz W aufweisen und sich eine sogenannte Rotorschrägung bzw. Verschränkung ergibt. Ein solcher Winkelversatz W ist für das Aufweiten der Hohlwelle 200 unerheblich, da sich diese beim Innenhochdruckumformen unbeachtlich der jeweiligen Winkelausrichtung konturfolgend an die zugehörige Innenkontur bzw. Innenumfangsfläche (Nabe) der Innenausnehmung 110 jedes Rotorblechpakets 100 anlegt.
Bezugszeichenliste

100: Rotorblechpaket
110: Innenausnehmung
120: Nut
200: Hohlwelle
300: Werkzeug
310: Kavität
320: Formschlusselement (Feder)
330: Schieber
F: Kraft
W: Winkelversatz
p: Druck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006011998 A1 [0003]
DE 102016212004 A1 [0004, 0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer vorgefertigten Hohlwelle (200), welche eine Rotorwelle oder einen Rotorträger bildet, und Bereitstellen wenigstens eines vorgefertigten Rotorblechpakets (100) ; - axiales Positionieren des Rotorblechpakets (100) auf der Hohlwelle (200); - Aufweiten der Hohlwelle (200) mittels Innenhochdruckumformen in einem Werkzeug (300), wodurch zwischen der Hohlwelle (200) und dem Rotorblechpaket (100) eine verdrehsichere Welle-Nabe-Verbindung erzeugt wird, wobei Mittel vorgesehen sind, die beim Aufweiten der Hohlwelle (200) eine definierte Winkelausrichtung des Rotorblechpakets (100) relativ zur Hohlwelle (200) bewirken.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer vorgefertigten Hohlwelle (200), welche eine Rotorwelle oder einen Rotorträger bildet, und Bereitstellen mehrerer vorgefertigter Rotorblechpakete (100a, 100b, 100c); - axiales Positionieren der Rotorblechpakete (100a, 100b, 100c) auf der Hohlwelle (200); - Aufweiten der Hohlwelle (200) mittels Innenhochdruckumformen in einem Werkzeug (300), wodurch zwischen der Hohlwelle (200) und den Rotorblechpaketen (100a, 100b, 100c) eine verdrehsichere Welle-Nabe-Verbindung erzeugt wird, wobei Mittel vorgesehen sind, die beim Aufweiten der Hohlwelle (200) eine definierte Winkelausrichtung der Rotorblechpakete (100a, 100b, 100c) zueinander bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Mitteln zur Winkelausrichtung um werkzeugseitige Formschlusselemente (320) und um korrespondierende rotorblechpaketseitige Formschlusselemente handelt, die zusammenwirken und für das bzw. für jedes Rotorblechpaket (100; 100a, 100b, 100c) eine definierte Winkelausrichtung erzwingen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (300) eine Einrichtung (330) aufweist, mit der die Rotorblechpakete (100a, 100b, 100c) beim Aufweiten der Hohlwelle (200) in axialer Richtung zusammengedrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (300) eine Kavität (310) aufweist, in die die Rotorblechpakete (100a, 100b, 100c) eingesetzt und dabei zueinander zentriert werden, sodass deren Innenausnehmungen (110) einen Kanal bilden, in den dann die Hohlwelle (200) eingeschoben wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenausnehmung (110) des Rotorblechpakets (100) bzw. die Innenausnehmungen (110) der Rotorblechpakete (100a, 100b, 100c) mit einer Verzahnungskontur oder einer Trilobularkontur ausgebildet ist/sind, an die sich die Hohlwelle (200) beim Aufweiten konturfolgend anlegt.
IHU-Werkzeug (300) zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine mit einem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass werkzeugseitige Mittel (320) vorgesehen sind, die beim Aufweiten der Hohlwelle (200) eine definierte Winkelausrichtung des Rotorblechpakets (100) bzw. der Rotorblechpakete (100a, 100b, 100c) ermöglichen.