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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Blechpakets eines Rotors.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen, insbesondere Asynchronmaschinen, werden unter immer weiter steigenden Leistungsanforderungen entwickelt. Insbesondere bei hohen Drehzahlen entstehen dadurch hohe elektrische Verluste. Um diese Verluste zu reduzieren ist ein effizientes Motordesign notwendig. In Bezug auf den Rotor einer elektrischen Maschine sind es insbesondere offene axiale Nuten im Blechpaket des Rotors, die Effizienzvorteile gegenüber geschlossenen axialen Nuten bringen. Ein schwerwiegender Nachteil, der sich aus der Realisierung eines Rotors mit offenen axialen Nuten im Blechpaket ergibt, ist jedoch die reduzierte mechanische Integrität des Rotors.
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Die Dokumente
JP H05 - 83 908 A und
JP 2013 - 240 223 A beschreiben beispielsweise einen Rotor für eine elektrische Maschine, der ein zylinderförmiges Blechpaket umfasst, dass sich aus einer Vielzahl von axial geschichteten Blechen zusammensetzt. Das Blechpaket weist entlang seiner Umfangsfläche gleichmäßig verteilt eine Vielzahl von im Wesentlichen axialen Nuten auf. Die Nuten sind in einem ersten Endbereich und in einem zweiten Endbereich des Blechpakets zu der Umfangsfläche des Blechpakets hin geschlossen ausgebildet und in einem Zwischenbereich des Blechpakets, nämlich einem Bereich zwischen dem ersten Endbereich und dem zweiten Endbereich, zu der Umfangsfläche hin offen ausgebildet.
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Die Druckschrift
DE 11 2016 001 289 T5 offenbart einen Motorrotor, der einen Rotorkern umfasst. Der Rotorkern wird durch das Stapeln mehrere Stapelplatten gebildet, die erste Plattenelemente und zweite Plattenelemente umfassen. Der Rotorkern umfasst ein Wellenloch, in das eine Welle geführt ist, mehrere Rotorstäbe, die außerhalb des Wellenlochs angeordnet sind und zwar derart, dass sie entlang einer Umfangsrichtung des Rotors voneinander beabstandet sind, mehrere magnet-einbettenden Abschnitte, die zwischen den Rotorstäben ausgebildet sind sowie mehrere Permanentmagneten, die in die magnet-einbettenden Abschnitte eingeführt sind. Weiterhin beschreibt dieses Dokument ein Herstellungsverfahren für den Rotorkern, wobei in dem Stapelplattenmaterial mehrere zweite Spalte gebildet werden. In dem Zustand, in dem die zweiten Spalte in der Stapelplatte gebildet werden, können erste Spalte dadurch gebildet werden, dass selektiv Versteifungsabschnitte an den zweiten Spalten entfernt werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Blechpakets eines erfindungsgemäßen Rotors anzugeben, das sich insbesondere durch seine Einfachheit und Kosteneffizienz auszeichnet.
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Dieser Bedarf kann durch die Gegenstände der vorliegenden Erfindung gemäß dem Anspruch 1 gedeckt werden.
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Der aus dem Stand der Technik bekannte Rotor umfasst ein im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildetes Blechpaket, das eine Vielzahl von axial geschichteten, nämlich gestapelten und miteinander verbundenen, Blechen aufweist.
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Das Blechpaket weist entlang seiner Umfangsfläche gleichmäßig verteilt eine Vielzahl von sich im Wesentlichen axial erstreckenden Nuten auf.
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Die axialen Nuten sind in einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich des Blechpakets zu der Umfangsfläche des Blechpakets hin geschlossen, nämlich in eine radiale Richtung geschlossen, ausgebildet und in einem Zwischenbereich des Blechpakets, nämlich einem Bereich zwischen dem ersten Endbereich und dem zweiten Endbereich, zu der Umfangsfläche des Blechpakets hin offen, nämlich in radialer Richtung offen, ausgebildet.
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Unter der Begrifflichkeit „zylinderförmig“ ist in diesem Zusammenhang insbesondere eine kreiszylindrische Form, d.h. eine Ausbildung in Art und Form eines Kreiszylinders, zu verstehen. Eine „im Wesentlichen zylinderförmige“ Ausgestaltung des Blechpakets bezeichnet eine Ausgestaltung, die von einer exakten Zylinderform keine oder nur geringfügige Abweichungen aufweist.
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Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt im Wesentlichen eine Richtung entlang oder parallel zu der zentralen Rotationsachse des Rotors, wobei sich die axialen Nuten in einem beliebigen Winkel (außer 90°) in Bezug auf die axiale Richtung erstrecken können. Die Richtungsangabe „radial“ beschreibt eine Richtung normal auf die zentrale Drehachse des Rotors.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Blechpakets mit axial teilweise geschlossenen axialen Nuten wird ein Spagat zwischen mechanischer Stabilität und verringerten elektrischen Verlusten erreicht.
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Bei einer nicht erfindungsgemäßen elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um eine Asynchronmaschine umfassend einen Rotor entsprechend der vorliegenden Erfindung, wobei der Rotor als Käfigläufer ausgebildet ist.
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Der Käfigläufer weist bevorzugt zwei Kurzschlussringe sowie eine Vielzahl von Leiterstäben auf, wobei jeweils ein Kurzschlussring an jeweils einem axialen Ende des Blechpakets angeordnet ist und in jeweils einer axialen Nut des Blechpakets zumindest einer der Leiterstäbe teilweise angeordnet ist.
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Durch eine derartige Ausbildung ist es möglich die Leistungseffizienz einer elektrischen Maschine und/oder deren Drehzahl und/oder deren Betriebstemperatur durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Rotors mit hybriden Blechen, d.h. Blechen die in axialer Richtung nur teilweise geöffnet sind, zu erhöhen. Eine elektrische Maschine mit einem oben beschriebenen Rotor zeichnet sich somit durch eine höhere Leistungseffizienz durch verbesserte elektromagnetische Eigenschaften sowie durch das Ermöglichen von höheren Drehzahlen aus. Eine Kostenreduktion wird durch die Erreichung höherer Effizienzgarde realisiert.
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Ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Blechpakets eines zuvor beschriebenen Rotors umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- 1.) Ausstanzen der einzelnen Bleche des Blechpakets,
- 2.) Generierung/Ausstanzen zumindest einer Öffnung in jedem Blech, wobei die Öffnung derart hergestellt wird, dass sie in einem Teil der Bleche zur Umfangsfläche der jeweiligen Bleche hin geschlossen ist und in einem weiteren Teil der Bleche zur Umfangsfläche der jeweiligen Bleche hin offen ist und
- 3.) Stapeln und Fügen der einzelnen Bleche zu dem Blechpaket, so dass eine axiale Nut mit einem radial geschlossenen ersten Endbereich, einem radial geschlossenen zweiten Endbereich und einem radial offenen Zwischenbereich ausgebildet wird.
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Insbesondere der zweite Schritt dieses Verfahrens kann auf unterschiedliche Art erfolgen. So umfasst eine mögliche erste Ausführungsvariante des Verfahrens folgende Schritte:
- 1.) Ausstanzen der einzelnen Bleche des Blechpakets,
- 2.) Ausstanzen zumindest einer ersten Öffnung in jedem Blech, wobei die erste Öffnung zur Umfangsfläche des jeweiligen Blechs hin geschlossen ist,
- 3.) Ausstanzen zumindest einer zweiten Öffnung in einem Teil der Bleche, wobei die zweite Öffnung derart positioniert wird, dass die erste Öffnung durch die zweite Öffnung zur Umfangsfläche des jeweiligen Blechs hin geöffnet wird,
- 4.) Stapeln und Fügen einer Anzahl von Blechen mit ersten Öffnungen, wobei die ersten Öffnungen axial im Wesentlichen übereinander liegen und so eine axiale Nut ausgebildet wird, die zur Umfangsfläche des Blechpakets hin geschlossen ist,
- 5.) Stapeln und Fügen einer Anzahl von Blechen mit ersten Öffnungen und zweiten Öffnungen, wobei die ersten Öffnungen und zweiten Öffnungen axial im Wesentlichen übereinander liegen und so eine axiale Nut ausgebildet wird, die zur Umfangsfläche des Blechpakets hin offen ist und
- 6.) Stapeln und Fügen einer Anzahl von Blechen mit ersten Öffnungen, wobei die ersten Öffnungen axial im Wesentlichen übereinander liegen und so eine axiale Nut ausgebildet wird, die zur Umfangsfläche des Blechpakets hin geschlossen ist.
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Der beschriebene Rotor bzw. die beschriebene elektrische Maschine lassen sich herstellungstechnisch durch einfache sowie kostenreduzierte Adaption von bestehenden Prozessen herstellen. In der oben beschriebenen ersten Ausführungsvariante des Verfahrens werden die Bleche in einem zweiten Schritt alle mit derselben Öffnung versehen, die in gestapelter Form der einzelnen Bleche eine radial geschlossene axiale Nut in dem Blechpaket ergeben. Durch das abermalige Stanzen eines Teils der Bleche entsprechend dem dritten Schritt des oben beschriebenen Verfahrens wird der radial offene Zwischenbereich der axialen Nut in dem Blechpaket generiert. Eine alternative Möglichkeit zur Generierung der erfindungsgemäßen axialen Nut kann mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens generiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- 1.) Ausstanzen der einzelnen Bleche des Blechpakets,
- 2.) Ausstanzen zumindest einer Öffnung in jedem Blech, wobei der Stanzstempel radial geführt wird, sodass in einem Teil der Bleche zur Umfangsfläche der jeweiligen Bleche hin eine radial geschlossene Öffnung ausgebildet wird und in einem weiteren Teil der Bleche zur Umfangsfläche der jeweiligen Bleche hin eine radial offene Öffnung ausgebildet wird und
- 3.) Stapeln und Fügen der einzelnen Bleche zu dem Blechpaket, so dass eine axiale Nut mit einem radial geschlossenen ersten Endbereich, einem radial geschlossenen zweiten Endbereich und einem radial offenen Zwischenbereich ausgebildet wird.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die axiale Nut hergestellt, indem ein Stanzstempel auf den Blechen radial geführt wird und so die Bleche für die beiden Endbereiche des Blechpakets sowie den Zwischenbereich des Blechpakets entsprechend hergestellt werden können. Aus der Herstellung des Blechpakets nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein kontinuierlicher axialer Verlauf der zumindest einen axialen Nut erzielt. Weiterhin kann der Querschnitt der axialen Nut über deren gesamte axiale Erstreckung gleichbleiben, was die magnetischen Verluste minimiert. Zudem können die Kurzschlussringe an den axialen Enden des Rotors radial weiter innen angeordnet werden und somit kleiner ausgeführt werden, was sich zum einen in einer verbesserten mechanischen Festigkeit und zum anderen in minimierten magnetischen Verlusten wiederspiegelt.
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Im Allgemeinen sei angemerkt, dass bei sämtlichen Verfahren zur Herstellung des Blechpakets schaltbare Stanzeinsätze verwendbar sind, diese werden nach Bedarf beispielsweise pneumatisch dazu- oder weggeschaltet. Vermittels derartiger Stanzeinsätze können mehrere Stanzschritte in einem Vorgang erfolgen, d.h. die einzelnen Stanzschritte müssen nicht in zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt werden, sondern können zeitlich parallel ausgeführt werden. Es entsteht dadurch kein zusätzlicher Aufwand.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigt eine isometrische Ansicht eines Rotors aus dem Stand der Technik.
- 2 zeigt eine isometrische Ansicht eines Blechpakets eines Rotors aus dem Stand der Technik.
- 3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines mittels einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Blechpakets eines Rotors.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In 1 ist ein beispielhaften Rotor 1 entsprechend dem Stand der Technik dargestellt. In 2 ist ein Blechpaket 2, wie es in dem Rotor 1 gemäß 1 verbaut ist, dargestellt.
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Der Rotor 1 ist als Käfigläufer ausgebildet und fest auf einer um eine zentrale Rotationsachse 10 drehbaren Rotorwelle 11 angeordnet. Der Rotor 1 weist einen ersten Kurzschlussring 8, einen zweiten Kurzschlussring 9, eine Vielzahl von Leiterstäben (nicht dargestellt) und das Blechpaket 2 auf (1).
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Die beiden Kurzschlussringe 8, 9 sind im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Der erste Kurzschlussring 8 ist an einem ersten axialen Ende 12 des Blechpakets 2 angeordnet. Der zweite Kurzschlussring 9 ist an einem zweiten axialen Ende 13 des Blechpakets 2 angeordnet (1).
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Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu der zentralen Rotationsachse 10 des Rotors 1. Die Richtungsangabe „radial“ beschreibt eine Richtung normal auf die zentrale Rotationsachse 10 des Rotors 1.
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In diesem Zusammenhang ist unter der Begrifflichkeit „axiales Ende“ im Wesentlichen die jeweilige Stirnseite des Blechpakets 2 zu verstehen.
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Das Blechpaket 2 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und umfasst eine Vielzahl von axial geschichteten Blechen. Weiterhin weist das Blechpaket 2 eine Vielzahl von axialen Nuten 4 auf. Die axialen Nuten 4 sind entlang einer Umfangsfläche 3 des Blechpakets 2 gleichmäßig verteilt ausgebildet (1, 2).
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Das Blechpaket lässt sich in drei Bereiche unterteilen, nämlich einem ersten Endbereich 5, einem zweiten Endbereich 6 und einem Zwischenbereich 7. Der erste Endbereich 5 erstreckt sich ausgehend von dem ersten axialen Ende 12 des Blechpakets 2 in axialer Richtung zum zweiten Ende 13 des Blechpakets 2. Der zweite Endbereich 6 erstreckt sich ausgehend von dem zweiten axialen Ende 13 des Blechpakets 2 in axialer Richtung zum ersten Ende 12 des Blechpakets. Der Zwischenbereich 7 erstreckt sich in axialer Richtung zwischen dem ersten Endbereich 5 und dem zweiten Endbereich 6 (1, 2).
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Im ersten Endbereich 5 des Blechpakets 2 wie auch im zweiten Endbereich 6 des Blechpakets 2 sind die axialen Nuten 4 zu der Umfangsfläche 3 des Blechpakets 2 hin geschlossen ausgebildet. Im Zwischenbereich 7 sind die axialen Nuten 4 zu der Umfangsfläche 3 des Blechpakets 2 hin offen ausgebildet (1, 2). D.h. in dem ersten Endbereich 5 und dem zweiten Endbereich 6 des Blechpakets 2 sind die axialen Nuten 4 in radialer Richtung geschlossen ausgebildet und in dem Zwischenbereich 7 des Blechpakets 2 sind die axialen Nuten 4 in radialer Richtung offen ausgebildet.
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Die axialen Nuten 4 dienen der teilweisen Aufnahme von jeweils zumindest einem Leiterstab (nicht dargestellt). Die Leiterstäbe erstrecken sich somit in axialer Richtung durch das Blechpaket (2), wobei sie sich axial über das erste axiale Ende 12 des Blechpakets 2 und das zweite axialen Ende 13 des Blechpakets 2 hinaus erstrecken. Die Kurzschlussringe 8, 9 verbinden die axial aus den axialen Nuten 4 tretenden Leiterstäbe elektrisch.
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Bei einer gedachten elektrischen Maschine, nämlich einer Asynchronmaschine, mit dem beispielhaften erfindungsgemäßen Rotor 1, befindet sich radial außerhalb des Rotors 1, beabstandet durch einen Luftspalt, ein Stator, der an seinen jeweiligen Stirnseiten Wickelköpfe eines Wicklungssystems aufweist (nicht dargestellt).
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Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung des Blechpakets 2 des Rotors 1 umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- 1.) Ausstanzen der einzelnen Bleche des Blechpakets 2,
- 2.) Generierung zumindest einer Öffnung in jedem Blech, wobei die Öffnung derart hergestellt wird, dass sie in einem Teil der Bleche zur Umfangsfläche der jeweiligen Bleche hin geschlossen ist und in einem weiteren Teil der Bleche zur Umfangsfläche der jeweiligen Bleche hin offen ist und
- 3.) Stapeln und Fügen der einzelnen Bleche zu dem Blechpaket 2, so dass eine axiale Nut 4 mit einem radial geschlossenen ersten Endbereich 5, einem radial geschlossenen zweiten Endbereich 6 und einem radial offenen Zwischenbereich 7 ausgebildet wird.
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Insbesondere der zweite Schritt des Verfahrens kann auf unterschiedliche Art erfolgen. So umfasst eine mögliche erste Ausführungsvariante des Verfahrens die folgenden Schritte:
- 1.) Ausstanzen der einzelnen Bleche des Blechpakets 2,
- 2.) Ausstanzen zumindest einer ersten Öffnung in jedem Blech, wobei die erste Öffnung zur Umfangsfläche des jeweiligen Blechs hin geschlossen ist,
- 3.) Ausstanzen zumindest einer zweiten Öffnung in einem Teil der Bleche, wobei die zweite Öffnung derart positioniert wird, dass die erste Öffnung durch die zweite Öffnung zur Umfangsfläche des jeweiligen Blechs hin geöffnet wird,
- 4.) Stapeln und Fügen einer Anzahl von Blechen mit ersten Öffnungen, wobei die ersten Öffnungen axial im Wesentlichen übereinander liegen und so eine axiale Nut 4 ausgebildet wird, die zur Umfangsfläche 3 des Blechpakets 2 hin geschlossen ist,
- 5.) Stapeln und Fügen einer Anzahl von Blechen mit ersten Öffnungen und zweiten Öffnungen, wobei die ersten Öffnungen und zweiten Öffnungen axial im Wesentlichen übereinander liegen und so eine axiale Nut 4 ausgebildet wird, die zur Umfangsfläche 3 des Blechpakets 2 hin offen ist und
- 6.) Stapeln und Fügen einer Anzahl von Blechen mit ersten Öffnungen, wobei die ersten Öffnungen axial im Wesentlichen übereinander liegen und so eine axiale Nut 4 ausgebildet wird, die zur Umfangsfläche 3 des Blechpakets 2 hin geschlossen ist.
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In der ersten Ausführungsvariante des Verfahrens werden die Bleche in einem zweiten Schritt alle mit derselben Öffnung versehen, die in gestapelter Form der einzelnen Bleche eine radial geschlossene axiale Nut 4 in dem Blechpaket 2 des Rotors 1 ergeben. Durch das abermalige Stanzen eines Teils der Bleche entsprechend dem dritten Schritt des oben beschriebenen Verfahrens wird der radial offene Zwischenbereich 7 der axialen Nut 4 generiert.
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Eine alternative Möglichkeit zur Generierung der axialen Nut 4 kann mittels einer zweiten Ausführungsvariante des Verfahrens generiert werden (3). Die zweite Ausführungsvariante umfasst die folgenden Schritte:
- 1.) Ausstanzen der einzelnen Bleche des Blechpakets,
- 2.) Ausstanzen zumindest einer Öffnung in jedem Blech, wobei der Stanzstempel radial geführt wird, sodass in einem Teil der Bleche zur Umfangsfläche der jeweiligen Bleche hin eine radial geschlossene Öffnung ausgebildet wird und in einem weiteren Teil der Bleche zur Umfangsfläche der jeweiligen Bleche hin eine radial offene Öffnung ausgebildet wird und
- 3.) Stapeln und Fügen der einzelnen Bleche zu dem Blechpaket 2, so dass eine axiale Nut 4 mit einem radial geschlossenen ersten Endbereich 5, einem radial geschlossenen zweiten Endbereich 6 und einem radial offenen Zwischenbereich 7 ausgebildet wird.
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In der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die axiale Nut 4 hergestellt, indem ein Stanzstempel auf den Blechen radial geführt wird und so die Bleche für die beiden Endbereiche 5, 6 des Blechpakets 2 sowie den Zwischenbereich 7 des Blechpakets 2 entsprechend hergestellt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Blechpaket
- 3
- Umfangsfläche (des Blechpakets)
- 4
- Axiale Nut
- 5
- Erster Endbereich (des Blechpakets)
- 6
- Zweiter Endbereich (des Blechpakets)
- 7
- Zwischenbereich (des Blechpakets)
- 8
- Erster Kurzschlussring
- 9
- Zweiter Kurzschlussring
- 10
- Zentrale Rotationsachse (des Rotors)
- 11
- Rotorwelle
- 12
- Erstes axiales Ende
- 13
- Zweites axiales Ende
