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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors, insbesondere für eine stromerregte elektrische Maschine, sowie einen Rotor für eine stromerregte elektrische Maschine.
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Um Wirbelstromverluste zu vermeiden, bestehen Blechpakete der in Rede stehenden Art aus dünnen, gestanzten Blechlamellen. Die Anordnung der Rotorwelle in einem derartigen Blechpaket erfolgt in der Regel mittels Pressfügen, wobei das Blechpaket erwärmt und die Rotorwelle abgekühlt wird. Dies ist nicht unproblematisch, da sich die Blechlamellen durch die beim Stanzen induzierten Spannungen beim Abkühlen verformen. Ohne eine Abstützung oder axiale Verspannung würde das Blechpaket in der Folge seitlich wegkippen oder ausbauchen. Um diesen unerwünschten Effekt zu kompensieren, werden derartige Blechpakete oftmals verschraubt oder mittels zusätzlicher Bauteile axial verspannt. Fertigungstechnisch ist dies allerdings aufwendig, erhöht die Kosten und beansprucht außerdem zusätzlichen Bauraum.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors sowie einen Rotor anzugeben, welche den vorgenannten Nachteil beseitigen und dabei einfach aufgebaut und kostengünstig realisierbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch einen Rotor gemäß Anspruch 7 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors, insbesondere für eine stromerregte elektrische Maschine, die Schritte:
- - Bereitstellen einer Vielzahl von Lammellenelementen und Anordnen der Lamellenelemente zu einem Lamellenpaket, wobei das Lamellenpaket eine Vielzahl von Stegen aufweist oder ausformt;
- - Stirnseitiges Anordnen von Endscheiben am Lamellenpaket, wobei die Endscheiben ausgelegt sind, das Lamellenpaket axial abzustützen;
- - Axiales Fixieren oder Vorspannen des Lamellenpakets durch Umwickeln der Stege bzw. der Endscheiben mit Leitermaterial;
- - Anordnen, insbesondere durch Pressfügen oder Querfügen, einer Rotorwelle in dem fixierten oder vorfixierten oder vorgespannten Lamellenpaket.
Vorteilhafterweise wird die rotorseitige Wicklung ganz oder zumindest teilweise vor dem Anordnen der Rotorwelle am Lamellenpaket angeordnet, um eine, insbesondere axiale, Vorspannung desselben zu erzielen. Mit anderen Worten wird der Aufbau, umfassend das Lamellenpaket sowie die stirnseitig angeordneten Endscheiben, durch die ganz oder zumindest bereichs- oder teilweise angeordnete Wicklung derart vorgespannt bzw. fixiert, insbesondere axial vorgespannt oder fixiert, dass beim Abkühlen des Lamellenpakets nach dem Fügen der Rotorwelle keine Verformungen auftreten.
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Zweckmäßigerweise wird die Rotorwelle mittels Pressfügen im Lamellenpaket angeordnet oder gefügt. Entsprechend wirkt zwischen der entsprechenden Öffnung des Lamellenpakets und der Rotorwelle eine Presspassung. Bevorzugt wird ein Querpressverband realisiert. Vor der Montage wird die Rotorwelle gekühlt und das Lamellenpaket entsprechend erwärmt. Etwaige auftretende Verformungen, insbesondere im Bereich der Stege des Lamellenpakets, werden effektiv durch die mittels der Wicklung aufgebrachte Vorspannung vermieden oder kompensiert.
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Als Leitermaterial kommt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform drahtförmiges Leitermaterial zur Anwendung, beispielsweise Kupferdraht mit einem runden, insbesondere beispielsweise kreisrunden, Querschnitt. Um eine gute Vorspannung zu erzielen, sind die Endscheiben zweckmäßigerweise entsprechend biegesteif ausgebildet. Bevorzugte Materialien sind Metallwerkstoffe, wie beispielsweise Aluminium oder dessen Legierungen. Abhängig vom Kostenziel können die Endscheiben bearbeitete (Metall-)Gussteile oder auch Frästeile sein. Auch nicht-metallische Werkstoffe, insbesondere auch Verbundwerkstoffe, beispielsweise kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, sind aufgrund der hohen erzielbaren Steifigkeiten gut geeignet. Entscheidend ist, durch die Wahl des Werkstoffs und die konstruktive Ausgestaltung die (Biege-)Steifigkeit derart (hoch) auszulegen, dass über die Wicklung eine ausreichende Vorspannung auf das Lamellenpaket aufgebaut werden kann.
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Zweckmäßigerweise führen die Endscheiben die Form des Lamellenpakets fort, weisen also entsprechend ebenfalls Stege auf. Zweckmäßigerweise stützen die Endscheiben das Lamellenpaket stirnseitig jeweils vollflächig ab.
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Bevorzugt weisen die Endscheiben Umlenkbereiche auf, welche ausgelegt sind, das Leitermaterial umzuleiten. Bevorzugt sind die Umlenkbereiche rund oder abgerundet ausgebildet, um ein sanfte Umwicklung zu ermöglichen. Dies ermöglicht auch das Wickeln unter Aufbringen einer hohen Vorspannung, ohne dass das Leitermaterial an Kanten oder dergleichen Schaden nimmt.
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Die Lamellenelemente sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus Elektroblech geformt. Die Formgebung erfolgt bevorzugt kostengünstig und prozesssicher mittels eines Trennverfahrens, insbesondere bevorzugt mittels Stanzen. Alternative Trennverfahren, insbesondere Verfahren zum Zerteilen, wie (Scher-)Schneiden, sind ebenfalls möglich. Den vorgenannten Verfahren ist gemeinsam, dass durch die Krafteinleitung in den Lamellenelementen Spannungen induziert werden, welche später zu einem unerwünschten Verformungsverhalten führen können. Entlang der Trenn, Schneid- oder Stanzkante weisen die Lamellenelemente einen Stanzgrat auf, welcher, entsprechend der Schneid- oder Stanzrichtung in eine bestimmte Richtung orientiert ist. Entlang dieser Richtung verformt sich das Lamellenelement beim Abkühlen. Dabei steht der Grat grundsätzlich im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene des Lamellenelements.
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Die Lammelenelemente können auch als Blechlamellen bezeichnet werden. Entsprechend ist das Lamellenpaket ein Blechpaket.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Ausrichten der Lamellenelemente im Lamellenpaket derart, dass der Stanzgrat bzw. die Stanzgrate entlang einer Vorzugsrichtung orientiert ist bzw. sind;
- - Vorsehen einer Aussparung in der Endscheibe, welche zur Vorzugsrichtung hin orientiert ist, um eine Verformung des Lamellenpakets im Bereich der Rotorwelle aufzunehmen.
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Mit Vorteil kann durch die durch die Wicklung aufgebrachte Vorspannung effektiv eine Verformung des Lamellenpakets im Bereich der Stege kompensiert werden. Da die Endscheiben nicht unendlich steif sind, ist es nicht möglich, das Lamellenpaket auch wellennah über die Endscheiben ausreichend vorzuspannen. Es hat sich in der Folge als äußerst effektiv erwiesen, in diesem Bereich eine geringe Verformung des Lamellenpakets zuzulassen. Dies wird zweckmäßigerweise dadurch erreicht, dass die Endscheibe, welche zur Verformungsrichtung des Lamellenpakets hin gerichtet ist, eine entsprechende Ausnehmung oder Aussparung aufweist, um diese Verformung aufzunehmen. Die vorgenannte Vorzugsrichtung ist insbesondere die Richtung, entlang derer sich eine Verformung ausbildet, wenn das Lamellenpaket abkühlt. Diese ergibt sich, wie bereits dargelegt, durch die Richtung des Stanzgrats bzw. der Stanzgrate.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Ausrichten der Lamellenelemente im Lamellenpaket derart, dass der Stanzgrat abwechselnd orientiert ist.
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Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass sich die Verformungen, zumindest bis zu einem gewissen Grad, innerhalb des Lamellenpakets kompensieren.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Lamellenpaket eine Vielzahl von Abschnitten, wobei jeder Abschnitt eine Vielzahl von Lamellenelementen umfasst. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Anordnen der Lamellenelemente derart, dass die Stanzgrate in den Abschnitten jeweils gleich orientiert sind;
- - Ausrichten der Abschnitte derart, dass die Stanzgrate in den Abschnitten abwechselnd orientiert sind.
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Auch damit kann zweckmäßigerweise eine Kompensation des Verformungsverhaltens kompensiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anordnen der Rotorwelle entlang der Vorzugsrichtung.
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Hierdurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass sich eventuell vorhandene Reibkräfte zwischen der Rotorwelle und dem Lamellenpaket beim thermischen Fügen in die gewünschte Richtung ausprägen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anordnen der Rotorwelle entlang einer Fügerichtung bis eine Soll-Position erreicht ist, wobei die Soll-Position, bezogen auf die Fügerichtung, vor der Endposition liegt.
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Zweckmäßigerweise wird die Verformung beim Anordnen der Rotorwelle berücksichtigt, sodass nach dem Abkühlen eine exakte Endposition erreicht wird. Die Axialverschiebung der Rotorwelle durch die Verformung des Lamellenpakets wird zweckmäßigerweise durch Vorhalten eines Ausgleichswerts im Fügewerkzeug beim Fügen der Rotorwelle kompensiert.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Radiales Vorfixieren des Lamellenpakets beim Umwickeln.
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Hierzu kann zweckmäßigerweise eine Welle in der Rotoröffnung angeordnet werden, welche zumindest temporär dazu dient, die Lamellenelemente radial zu positionieren.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Lamellenpaket (zusammen mit den Endscheiben) axial vorfixiert, um das Anordnen der Wicklung zu erleichtern.
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Die Erfindung betrifft auch einen Rotor, umfassend ein Lamellenpaket, welches durch eine Vielzahl von Lamellenelementen gebildet ist, wobei an dem Lamellenpaket stirnseitig Endscheiben angeordnet sind, und wobei zumindest eine Endscheibe eine Ausnehmung oder Aussparung aufweist, welche ausgelegt ist, eine axiale Verformung des Lamellenpakets aufzunehmen.
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Die Endscheiben weisen jeweils Stützflächen auf, welche zur stirnseitigen Anlage am Lamellenpaket ausgelegt sind. Im eingebauten Zustand sind die Stützflächen senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Rotorachse orientiert. Zweckmäßigerweise sind die Stützflächen eben oder flach bzw. planar ausgebildet. Die vorgenannte Ausnehmung oder Aussparung ist bevorzugt als wellennaher, ringförmiger, insbesondere kreisringförmiger, Rücksprung an der Stützfläche ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise ist das Lamellenpaket im Bereich seiner Stege durch die vor dem Anordnen der Rotorwelle aufgebrachte Wicklung axial vorgespannt. Zweckmäßigerweise kann auf zusätzliche Bauteile, wie Halter, Spannelemente, Verschraubungen etc. verzichtet werden. Ein derartiger Rotor ist hinsichtlich seines Bauraumbedarfs optimal. Zudem können durch Entfall zusätzlicher Bauteile Kosten sowie Gewicht eingespart werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Lamellenelemente einen Stanzgrat auf, wobei der Stanzgrat zu der Ausnehmung hin orientiert ist. Mit Vorteil kann damit die vorgenannte Ausnehmung die Verformung des Lamellenpakets im Bereich der Rotoröffnung wirkungsvoll aufnehmen.
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Die Erfindung richtet sich auch auf einen Elektromotor, umfassend einen Rotor, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Bevorzugt handelt es sich um eine stromerregte Synchronmaschine.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines Rotors mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine Ausführungsform eines Rotors in einer perspektivischen Ansicht;
- 2: eine Schnittansicht des in der 1 gezeigten Rotors.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Rotor mit einem Lamellenpaket 10, wobei dieses eine Vielzahl von Stegen 14 ausbildet. Stirnseitig an dem Lamellenpaket 10 sind jeweils Endscheiben 20 ausgebildet. Im Lamellenpaket 10 ist eine Rotorwelle 60 angeordnet. Die Anordnung erfolgt derart, dass die Rotorwelle 60 abgekühlt wird, während das Lamellenpaket 10 erwärmt wird. Insbesondere wenn es sich bei den Lamellenelementen um gestanzte Lamellenelemente handelt, kommt es beim Abkühlen zu Verformungen. Um diese zu kompensieren, wird das Lamellenpaket 10 bereits vor dem Anordnen der Rotorwelle 60 mit Leitermaterial umwickelt, vgl. die Wicklung 40. Es hat sich gezeigt, dass damit eine axiale Vorspannung erzielt werden kann, welche einem Verformen des Lamellenpakets, insbesondere im Bereich der Stege 14, entgegenwirkt. Ermöglicht wird dies insbesondere im Zusammenwirken mit den Endscheiben 14, welche zweckmäßigerweise entsprechend biegesteif ausgebildet sind.
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2 zeigt den aus der 1 bekannten Rotor in einer Schnittansicht. Zu erkennen ist insbesondere das Lamellenpaket 10. Gebildet wird dies durch eine Vielzahl von einzelnen, dünnen Lamellenelementen, welche allerdings in dieser Darstellung nicht erkennbar sind. Das Lamellenpaket 10 weist eine Öffnung 12 auf, in welcher die Rotorwelle 60 angeordnet ist. Diese ist insbesondere als Hohlwelle ausgebildet, welche einen Anordnungsbereich 62 umfasst. Dieser Anordnungsbereich 62 ist zweckmäßigerweise ausgelegt, einen Drehmoment in den Rotor ein- oder abzuleiten. In der hier gezeigten Ausführungsform ist der Anordnungsbereich als Keilverzahnung ausgebildet. Die Rotorwelle 60 erstreckt sich entlang einer Rotorachse R. Endseitig an dem Lamellenpaket 10 sind die Endscheiben 20 angeordnet, wobei diese ebenfalls jeweils eine Öffnung 64 aufweisen, durch welche die Rotorwelle 60 hindurchdringt. Die Endscheiben 20 weisen jeweils Stützflächen 24 auf, welche zur stirnseitigen Anlage am Lamellenpaket 10 ausgebildet sind. Die Bezugszeichen 26 bezeichnen die Umlenkbereiche der Endscheiben 20, an welchen die Wicklung anliegt und umgelenkt wird. In der hier gezeigten Ausführungsform weist die linke Endscheibe 20 im Bereich der Stützfläche 24 eine Ausnehmung 22 auf, welche ausgelegt ist, eine Verformung des Lamellenpakets 10 in diesem Bereich aufzunehmen. Die Lamellenelemente, welche, wie erwähnt, in der hier gezeigten Ausführungsform nicht erkennbar sind, sind derart angeordnet, dass deren Stanzgrate zu der vorgenannten Ausnehmung 22 hin ausgerichtet sind. Beim Abkühlen baucht sich das Lamellenpaket 10 im Bereich der Öffnung 12 zu der Ausnehmung 22 hin aus. Durch Vorhalten dieses Ausgleichsraumes kommt es zu keinen weiteren Verspannungen innerhalb der gesamten Anordnung, umfassend die Endscheiben 20 sowie das Lamellenpaket 10. Die Geometrie des Endzustand bleibt vorteilhafterweise orthogonal zur Rotorachse R. Die Anordnung der Rotorwelle 60 erfolgt zweckmäßigerweise entlang einer Fügerichtung F. Es hat sich gezeigt, dass sich damit eventuell vorhandene Reibkräfte zwischen der Rotorwelle 60 und dem Lamellenpaket 10 beim thermischen Fügen in die gewünschte Richtung ausprägen. Durch das Verformungsverhalten des Lamellenpakets 10 gibt es eine Axialverschiebung der Rotorwelle 60 im Lamellenpaket 10 beim Abkühlen. Die Axialverschiebung wird zweckmäßigerweise durch Vorhalten eines Ausgleichswerts im Fügewerkzeug beim Fügen der Rotorwelle 60 kompensiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lamellenpaket
- 12
- Öffnung
- 14
- Steg
- 20
- Endscheibe
- 22
- Ausnehmung
- 24
- Stützfläche
- 26
- Umlenkbereich
- 40
- Wicklung
- 60
- Rotorwelle
- 62
- Anordnungsbereich
- 64
- Öffnung
- R
- Rotorachse
- F
- Fügerichtung
