-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Rotorwelle. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Rotorwelle für eine E-Maschine, z. B. einen Elektromotor.
-
Auf einer Rotorwelle einer E-Maschine befindet sich meist ein Blechpaket, das je nach Ausgestaltung beispielsweise einen Kurzschlusskäfig oder Permanentmagnete trägt. In der Regel besteht das Blechpaket aus gestapelten Blechen, die elektrisch gegeneinander isoliert sind, um den elektrischen Widerstand in axialer Richtung zu erhöhen. Damit sollen Wirbelströme reduziert und energetische bzw. thermische Verluste verringert werden. Solche Rotorwellen werden heutzutage überwiegend einteilig, gelegentlich auch mehrteilig hergestellt, siehe z. B. die Druckschriften
DE 10 2017 001 987 A1 ,
DE 10 2017 122 122 A1 oder
EP 3 316 456 B1 .
-
Die Übertragung des Drehmoments zwischen der Rotorwelle und dem darauf befindlichen Blechpaket wird im Stand der Technik üblicherweise dadurch realisiert, dass sich in der Rotorwelle umfänglich verteilt mehrere Nuten befinden, in die das Blechpaket formschlüssig eingreift. Da die Nuten in der Regel spanabhebend erzeugt werden, ergeben sich die Nachteile der erhöhten Herstellungskosten. Zudem wird die Wandstärke der üblicherweise hohlen Welle herabgesetzt und generell die Festigkeit der Welle reduziert.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle sowie eine entsprechend hergestellte Rotorwelle vorzugschlagen, die sich durch eine höhere Festigkeit sowie durch geringere Herstellungskosten auszeichnet.
-
Gemäß einer ersten Lehre löst die Erfindung die Aufgabe durch ein Verfahren zum Erzeugen einer Rotorwelle, wobei das Verfahren zumindest folgenden Schritt aufweist: dass in einem - z. B. aus einem Stahl oder einer Stahllegierung bestehenden - Rohling umformtechnisch - insbesondere durch eine Kaltumformung - genau zwei oder genau vier sich jeweils entlang einer Längsachse des Rohlings erstreckende Längsnuten zur drehmomentübertragenden Verbindung mit mindestens einem Blechpaket erzeugt werden.
-
Bei der Erfindung werden in der Rotorwelle somit nur zwei oder nur vier Nuten (hier als Längsnuten bezeichnet) eingebracht, mit denen z. B. bei der Montage einer E-Maschine das Blechpaket formschlüssig verbunden wird. Mehr als zwei bzw. mehr als vier Nuten sind somit nicht vorgesehen. Die Nuten werden dabei nicht spanabhebend, sondern umformtechnisch erzeugt. Vorzugsweise wird eine Kaltumformung verwendet. Durch die Umformtechnik stellt sich eine höhere Festigkeit ein, da z. B. auch die Faserverläufe vollständig erhalten bleiben. Die Längsnuten liegen sich dabei in einer Ausgestaltung entlang der Längsachse der Rotorwelle jeweils paarweise radial gegenüber. In einer alternativen Ausgestaltung besteht ein Winkelversatz zwischen den Längsnuten.
-
In einer Ausgestaltung sind bei den vier Längsnuten die Längsnuten beispielweise um 90° zueinander versetzt.
-
Eine Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Längsnuten durch Axialformen erzeugt werden. Beim Axialformen werden der Rohling und eine Matrize in axialer Richtung, also in Richtung der Längsachse des Rohlings, relativ zueinander bewegt (siehe z. B. die
EP 3 316 456 B1 ). Es sind jedoch auch andere Verfahren möglich.
-
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Längsnuten so erzeugt werden, dass sie jeweils zwei Seitenflächen und eine Fußfläche zwischen den jeweils zwei Seitenflächen aufweisen. Im Schnitt zeigen sich die Längsnuten somit nicht in der Art eines Keils, bei welchem zwei Flanken sich in einem Punkt treffen, sondern es zeigt sich jeweils eine dreiteilige Form mit zwei Seiten und einem Fußbereich. In einer Ausgestaltung schließen die Fußfläche und jeweils eine Seitenfläche der zwei Seitenflächen jeweils einen rechten Winkel ein. Es sind jedoch auch andere Winkel realisierbar. Die Längsnut entspricht in dieser Ausgestaltung somit im Schnitt quasi einem einseitig offenen Rechteck.
-
Eine Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Längsnuten so erzeugt werden, dass jeweils nur eine Seitenfläche der zwei Seitenflächen als Funktionsfläche dient. Die jeweils andere Seitenfläche wird somit nicht zu einer Funktionsfläche bearbeitet und/oder als solche erzeugt. Die Funktion besteht darin, dass an der jeweiligen Seitenfläche das Blechpaket fixiert wird. Somit wird das Blechpaket also nur an jeweils einer Seite und nicht an beiden Seiten einer Längsnut fixiert. Die Breite der Nuten kann beispielweise eine Toleranz aufweisen. Diese Ausgestaltung wird also beispielsweise durch eine optimierte Werkzeugauslegung realisiert. Die einseitige Fixierung hat den Vorteil, dass in dem Fall, dass in der Anwendung eine Änderung der Drehrichtung stattfindet, sich insbesondere kein Umkehrspiel einstellt.
-
In einer Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass - vorzugweise bei der weiteren Verarbeitung der Rotorwelle bzw. der Erzeugung des Elektromotors - das Blechpaket jeweils nur an einer Seitenfläche der zwei Längsnuten fixiert wird.
-
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Längsnuten so erzeugt werden, dass die als Funktionsflächen dienenden Seitenflächen in einem Schnitt senkrecht zur Längsachse sich entweder nur auf der rechten oder nur auf der linken Seite befinden. Diese Ausgestaltung bezieht sich auf die vorangehende Ausgestaltung, in welcher nur eine Seitenfläche als Funktionsfläche ausgeführt ist. Mit anderen Worten: Im Schnitt durch die Rotorwelle senkrecht zur Längsachse befinden sich die Funktionsflächen übereinander, wobei dabei auch ein Versatz gegeben sein kann. Ist beispielsweise bei der oberen Längsnut die linke Seitenfläche als Funktionsfläche ausgestaltet, so ist bei der unteren Längsnut ebenfalls die linke Seitenfläche eine Funktionsfläche (gesehen jeweils von der Draufsicht auf den Schnitt). In einer alternativen Ausgestaltung befinden sich im Schnitt die Funktionsflächen oben rechts und unten rechts. Dabei handelt es sich in einer Ausgestaltung um die nur zwei Längsnuten oder um die zwei Paare der vier Längsnuten.
-
Eine Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Längsnuten so erzeugt werden, dass die Fußflächen plane - insbesondere planparallele - Flächen sind. In dieser Ausgestaltung werden die Längsnuten so erzeugt, dass sie jeweils eine flache Fußfläche aufweisen. Der Rohling und damit auch die Rotorwelle hat in einer Ausgestaltung eine kreiszylindrische Außenform. Die Fußfläche folgt daher in dieser Ausgestaltung nicht der Außenform, sondern ist un-gekrümmt, d.h. flach oder plan. Die Fußflächen können alternativ anders ausgeformt sein.
-
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Längsnuten so erzeugt werden, dass ein Außendurchmesser des Rohlings nach dem Erzeugen der Längsnuten im Wesentlichen gleich einem Außendurchmesser des Rohlings vor dem Erzeugen der Längsnuten ist. Das Umformen bewirkt in dieser Ausgestaltung somit keine Änderung des Außendurchmessers. Wird in einer Ausgestaltung die Rotorwelle aus einer hohlen Welle erzeugt, so werden die Längsnuten vorzugsweise so erzeugt, dass das bei der Erzeugung der Längswellen verdrängte Material in den Innenraum der Rotorwelle hineinragt.
-
Gemäß einer zweiten Lehre löst die Erfindung die Aufgabe durch eine Rotorwelle für eine E-Maschine, bei der es sich beispielweise um einen Elektromotor handelt, wobei die Rotorwelle genau zwei oder genau vier sich jeweils entlang einer Längsachse erstreckende Längsnuten zur drehmomentübertragenden Verbindung mit mindestens einem Blechpaket aufweist. Die Rotorwelle ist vorzugsweise nach einer zuvor oder im Folgenden genannten Ausgestaltungen des Verfahrens erzeugt worden. Da die Ausführungen entsprechend auch für die Rotorwelle gelten, wird hier auf eine Wiederholung verzichtet. Die Erfindung bezieht sich dabei auch auf eine Rotorwelle mit einem Blechpaket, das über die exakt zwei oder exakt vier Längsnuten mit der Rotorwelle für das Übertragen eines Drehmoments verbunden worden ist. Sind vier Längsnuten vorhanden, so sind diese zu zwei Paaren gruppiert. Die Längsnuten der Paare liegen sich dabei im Schnitt jeweils einander gegenüber.
-
Eine Ausgestaltung der Rotorwelle besteht darin, dass die Längsnuten jeweils zwei Seitenflächen und eine Fußfläche zwischen den jeweils zwei Seitenflächen aufweisen.
-
Eine Ausgestaltung der Rotorwelle besteht darin, dass das Blechpaket jeweils nur an einer Seitenfläche - und daher nicht an beiden - der zwei Seitenflächen fixiert ist. Die der Fixierung dienenden Seitenflächen lassen sich daher als Funktionsflächen bezeichnen. Vorzugsweise liegen die beiden Funktionsflächen - gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung - in einem Schnitt jeweils beide entweder auf der rechten oder auf der linken Seite.
-
Eine Ausgestaltung der Rotorwelle sieht vor, dass jeweils nur eine Seitenfläche der zwei Seitenflächen als Funktionsfläche dient.
-
Eine Ausgestaltung der Rotorwelle besteht darin, dass die als Funktionsflächen dienenden Seitenflächen um die Längsachse umlaufend unmittelbar miteinander benachbart sind.
-
Eine Ausgestaltung der Rotorwelle sieht vor, dass die Fußflächen plane - insbesondere planparallele - Flächen sind. In alternativen Ausgestaltungen sind die Fußflächen nicht plan ausgeführt.
-
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Rotorwelle auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 eine räumliche Darstellung einer Rotorwelle mit zwei Längsnuten,
- 2 einen Schnitt durch die Rotorwelle der 1 entlang der Längsachse,
- 3 einen vergrößerten Teil der 2, und
- 4 den Schnitt der 3 mit einem Blechpaket.
-
Die 1 zeigt den Rohling 1, der bereits durch ein Umformverfahren zu einer Rotorwelle umgeformt worden ist. Das hier zeichnerisch vordere Ende des Rohlings 1 ist mit einer Verzahnung versehen, die im eingebauten Zustand der Drehmomentübertragung dient. Zu erkennen ist auf der - hier oberen - Seite des Rohlings 1 eine der zwei Längsnuten 2, die sich entlang der Längsachse 10 des Rohlings 1 erstrecken. Die andere Längsnut 2 liegt gegenüber, sodass sie hier nicht zu erkennen ist.
-
Die 2 zeigt einen Schnitt durch die Rotorwelle 1 der 1 senkrecht zur Längsachse 10, sodass die beiden Längsnuten 2 gut zu sehen sind. Es handelt sich hier um eine hohle Welle, in welche die beiden Nuten 2 umformtechnisch so eingebracht worden sind, dass sich der Außendurchmesser des Rohlings im Wesentlichen nicht geändert hat. Das Material wurde daher nur seitlich verdrängt. Die Längsnuten 2 sind dabei so (insbesondere durch den sog. „gezielten Teilungsfehler“) erzeugt worden, dass eine Drehmomentumkehr spielfrei erfolgen kann. Dabei dient jeweils eine Längsnut 2 für die Drehmomentübertragung in eine Richtung, sodass pro Längsnut 2 nur eine Funktionsfläche vorgesehen ist.
-
Die 3 zeigt den vergrößerten Ausschnitt um die obere Längsnut 2 der 2. Die Längsnut 2 verfügt über zwei Seitenflächen 21, 22 und eine dazwischen befindliche Fußfläche 23. Die Seitenflächen 21, 22 und die Fußfläche 23 sind dabei - in der beispielhaft in den Abbildungen gezeigten Ausführung - plan - also krümmungsfrei - ausgeführt. Zur Außenseite sind nur die oberen Enden der Seitenflächen 21, 22 leicht abgerundet. Insbesondere die Fußfläche 23 verfügt nicht über eine Krümmung, wie sie die Außenfläche des kreiszylindrischen Rohlings 1 gut erkennbar aufweist. Die hier rechts befindliche Seitenfläche 22 ist als Funktionsfläche ausgeführt. Die Funktion bezieht sich dabei auf das Übertragen eines Drehmoments auf das - hier nicht dargestellte - Blechpaket. Da hier die rechte Seitenfläche 22 als Funktionsfläche ausgeführt ist, ist - vgl. 2 - die darunter befindliche Seitenfläche der unteren Längsnut 2 ebenfalls als Funktionsfläche ausgestaltet. Die beiden anderen Seitenflächen 21 sind nicht als Funktionsflächen ausgeführt. Jede Funktionsfläche ist dabei einer Drehrichtung der Rotorwelle 1 im eingebauten Zustand zugeordnet. Zu erkennen ist, wie das durch das Erzeugen der Längsnut 2 verdrängte Material in den inneren Hohlraum der Welle hineinragt.
-
Die 4 zeigt den Ausschnitt der Rotorwelle der 3 mit einem darauf befestigten Blechpaket 3, welches in die Längsnut 2 hineinragt. Das Blechpaket 3 ist dabei nur an der - hier zeichnerisch rechts befindlichen - als Funktionsfläche ausgestalteten Seitenfläche 22 fixiert. Die weitere Fixierung des Blechpakets 3 ist an der - hier nicht dargestellten - fluchtend unterhalb der Seitenfläche 22 vorgesehenen Seitenfläche realisiert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102017001987 A1 [0002]
- DE 102017122122 A1 [0002]
- EP 3316456 B1 [0002, 0008]
