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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wellensystem einer elektrischen Maschine, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zur Herstellung eines Wellensystems.
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In Wellensystemen ist je nach zu erfüllender Funktion eine Anforderung die axiale Sicherung von Wellenkomponenten auf der Welle. Dies kann in axialer Richtung über entsprechende Anschläge erfolgen.
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Insbesondere mit Bezug zu elektrischen Maschinen ist allgemein als Stand der Technik anzusehen, dass ein axialer Anschlag in einem Wellensystem über eine Wellenschulter oder einen Wellenflansch realisiert ist. Müssen Wellenkomponenten auf einen Abschnitt der Welle bis zu einem derartigen axialen Anschlag aufgeschoben werden, so ist die Verwendung bspw. einer Wellenmutter als zweiter axialer Anschlag ebenso als bekannt anzusehen. Über die Wellenmutter kann zusätzlich zur axialen Sicherung auch eine axiale Vorspannkraft aufgebracht werden. Alternativ sind sogenannte Sprengringe bekannt, die in Nuten eingebracht werden und so einen axialen Anschlag ausbilden.
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Die
JP2016201896A beschreibt ein Wellensystem einer elektrischen Maschine, bei dem ein Rotor auf einer Welle moniert ist, wobei der Rotor auf einer Seite einen Wellenflansch beziehungsweise eine Wellenschulter als axialen Anschlag aufweist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist ein Ring als axialer Anschlag auf der Welle montiert. Die Montage erfolgt dabei über einen Querpressverband, der durch die charakteristische Form des Rings in Kombination mit axialem Aufpressen realisiert ist.
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Die
EP2154767B1 beschreibt ein Wellensystem einer elektrischen Maschine, bei der ein Rotor auf einer Seite einen Wellenflansch als axialen Anschlag ausbildet. Auf der gegenüberliegenden Seite wird ein axialer Anschlag realisiert, indem ein ringförmiges Element mittels eines mehrteiligen Werkzeugs in eine umlaufende Nut der Welle verstemmt wird.
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Neben der axialen Sicherung kann eine weitere Anforderung die rotative Sicherung beziehungsweise das tangentiale bidirektionale Übertragen von Kräften zwischen Welle und Wellenkomponenten sein. Dies kann gemäß Stand der Technik beispielsweise durch Querpressverbände, Nuten, Profilwellen sowie sog. Passverzahnungen erfolgen.
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Die
DE2062419A1 zeigt eine Passverzahnung zur rotativen Sicherung von Blechpaketen eines Rotors. In der
JP60096164A2 sowie der
JP2014064409 A2 sind Profilwellen mit entsprechenden Gegenprofilen in den Wellenkomponenten beschrieben.
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Den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ist gemeinsam, dass zur Herstellung eines Wellensystems ein wesentlicher Kostenfaktor in der Realisierung der axialen Anschläge sowie der rotativen Sicherung liegt. Entweder bedarf es hoher Fertigungsaufwände oder es muss zu aufwändigen Montagevorrichtungen gegriffen werden.
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Ein Wellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 ist aus der
EP2154767B1 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein möglichst einfaches und kostengünstiges Wellensystem für eine elektrische Maschine umzusetzen.
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Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Maßnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt weist ein Wellensystem eine Welle mit einer in Umfangsrichtung umlaufenden Nut, eine Fixiereinrichtung sowie eine formschlüssige Verbindung auf. Die formschlüssige Verbindung ist durch eine Verformung der Fixiereinrichtung in die Nut realisiert. Die Fixiereinrichtung bildet einen ersten axialen Anschlag für eine Wellenkomponente aus. Die Fixiereinrichtung weist dabei einen zweiten axialen Anschlag auf.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die Fixiereinrichtung rohrförmig mit im Bereich der Verformung konstanter Wandungsdicke ausgebildet.
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Insbesondere sind für Verformung vorgesehenen Bereiche der Fixiereinrichtung in ihrer axialen Länge derart definiert, dass eine korrekte Verformung in allen sich durch Bauteiltoleranzen ergebenden axialen Einbausituationen auf der Welle möglich ist. Die sich daraus ergebende größere Länge des für Verformung vorgesehenen Bereichs wirkt sich positiv auf etwaige axiale Verformung der Stirnflächen der Fixiereinrichtung aus.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die formschlüssige Verbindung durch mehrere in Umfangsrichtung verteilte, radiale Verformungen der Fixiereinrichtung in die Nut realisiert.
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Von Vorteil ist es dabei, wenn die Verformungen radial und partiell erfolgen, beispielsweise durch entsprechende Metallstempel. Eine hohe Anzahl von Verformungen und eine damit verbundene Reduzierung einer zur Verformung notwendigen Kraft ist besonders vorteilhaft, da eine axiale Materialausdehnung an den Stirnflächen der Fixiereinrichtung minimiert und gleichmäßig verteilt wird, insbesondere dann, wenn diese als Hülsen ausgeführt sind. Durch eine Minimierung dieser axialen Verformung kann neben dem ersten Anschlag ein zweiter Anschlag realisiert werden, der auch als Anschlagfläche für beispielsweise Wälzlager nutzbar ist. Der Vorgang des Einbringens der Verformung wird auch als Verstemmen bezeichnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Welle eine in Umfangsrichtung umlaufende erste Nut und eine in Umfangsrichtung umlaufende zweite Nut auf. Weiter weist die Fixiereinrichtung eine erste Fixiereinrichtung und eine zweite Fixiereinrichtung auf, die jeweils die formschlüssige Verformung, den ersten Anschlag und den zweiten Anschlag aufweisen. Dabei weist die erste Fixiereinrichtung an einer ersten Stelle der Welle mit der ersten Nut die erste formschlüssige Verbindung auf. Weiter weist die zweite Fixiereinrichtung an einer zweiten Stelle der Welle mit der zweiten Nut die zweite formschlüssige Verbindung auf. Eine Wellenkomponente ist hierbei zwischen dem ersten axialen Anschlag der ersten Fixiereinrichtung und dem ersten axialen Anschlag der zweiten Fixiereinrichtung angeordnet.
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Vorteilhafterweise sind die erste Fixiereinrichtung und die zweite Fixiereinrichtung als Gleichbauteile ausgebildet.
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Die Passung der ersten Fixiereinrichtung kann als Übermaßpassung ausgelegt werden. Hierdurch wir eine exakte axiale Positionierung der Fixiereinrichtung und damit auch der Wellenkomponente ermöglicht. An der zweiten Fixiereinrichtung liegt bevorzugt eine leichte Spielpassung vor. Dies reduziert die Montagekraft und ein genaues Einstellen einer axialen Vorspannkraft ist möglich. Da es sich bei den Fixiereinrichtung um Gleichteile handelt, wird die Passung über entsprechende Wahl der Außendurchmesser der Welle eingestellt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Wellenkomponente mehrere Bauteile auf.
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Vorteilhafterweise ist die Wellenkomponente ein Rotorpaket einer elektrischen Maschine. Das Rotorpaket umfasst dabei eine erste Wuchtscheibe sowie ein erstes Blechpaket. Insbesondere kann das Rotorpaket weitere Elemente, wie weitere Rotorpakete sowie eine zweite Wuchtscheibe beinhalten.
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Die Wuchtscheibe kann vorteilhafterweise aus Blech gestanzt werden. Der Innenbereich der Wuchtscheibe kann getopft gestaltet sein. Diese Topfung stellt im Bauteilverbund ein Federelement dar und kann neben Bauteiltoleranzen auch eine größer werdende Vorspannkraft kompensieren, die sich durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Komponenten im Betrieb ergeben kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine elektrische Maschine ein Wellensystem gemäß dem zuvor beschriebenen Aspekt und den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zur Herstellung eines Wellensystems vorzugsweise gemäß dem zuvor beschriebenem Aspekt oder dessen zuvor beschriebenen Ausgestaltungen die folgenden Schritte auf: Aufschieben der ersten Fixiereinrichtung auf die Welle bis zu einer vorbestimmten Position derart, dass die erste Fixiereinrichtung über der ersten Nut befindlich ist; Verformen beziehungsweise Verstemmen der ersten Fixiereinrichtung in die erste Nut, so dass die erste formschlüssigen Verbindung ausgebildet ist; Aufbringen der Wellenkomponente auf die Welle; Aufschieben der zweiten Fixiereinrichtung auf die Welle bis zu einer vorbestimmten Position oder bis zur Erreichung einer vorbestimmten axialen Vorspannkraft derart, dass die zweite Fixiereinrichtung über der zweiten Nut befindlich ist; Verformen beziehungsweise Verstemmen der zweiten Fixiereinrichtung in die zweite Nut, so dass die zweite formschlüssige Verbindung ausgebildet ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine perspektivische Schnittdarstellung sowie eine Projektion der Schnittdarstellung des Wellensystems,
- 2 eine Aufsicht auf die Welle des Wellensystems aus 1,
- 3 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Details des Wellensystems, aus Figur, und
- 4 eine Aufsicht auf eine Variante des Wellensystems nach 1.
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Nachfolgend erfolgt die Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung sowie eine Projektion der Schnittdarstellung des Wellensystems 1 aus 1. Das Wellensystem 1 umfasst eine Welle 2, welche einen ersten Wellenabschnitt 2.1 und einen zweiten Wellenabschnitt 2.2 aufweist.
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In dem ersten Abschnitt ist eine Wellenkomponente 3 auf die Welle 2 aufgebracht. Die Wellenkomponente 3 umfasst dabei eine erste Wuchtscheibe 3.1, eine zweite Wuchtscheibe 3.2 sowie ein erstes Blechpaket 3.3 und ein zweites Blechpaket 3.4. Die Wuchtscheiben 3.1, 3.2 sind getopft ausgeführt, so dass Kühlmittel aus einem Kühlsystem 4 über Kühlkanäle 4.1 und zugehörige Bohrungen 4.2 aus der Welle 1 in Richtung der Blechpakete 3.3, 3.4 geführt werden kann. Ein weiterer Vorteil der getopften Ausführung ist in einer Federwirkung der Wuchtscheiben 3.1, 3.2 zu sehen, wodurch aufgrund einer charakteristischen Federkennlinie in Kombination mit der axialen Position der zweiten Wuchtscheibe 3.2 eine definierte axiale Vorspannkraft aufgebracht sowie Toleranzen aufgrund thermischer Ausdehnung ausgeglichen werden können.
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Der erste Wellenabschnitt 2.1 umfasst ein in axialer Richtung verlaufendes, in radialer Richtung nach innen ausgebildetes Profil 2.1.4 mit einem in einem ersten Bereich 2.1.1 konstanten Querschnitt, welches auf einer Seite des Wellenabschnitts in Richtung des zweiten Wellenabschnitts 2.2 in axialer Richtung offen ist, siehe auch 2.
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Die Wellenkomponente 3 ist auf den ersten Wellenabschnitt aus Richtung des zweiten Wellenabschnitt 2.2 aufgeschoben und mittels eines zum konstanten Querschnitt des ersten Bereichs 2.1.1 korrespondierenden Gegenprofils gegen Rotation gesichert und dazu ausgebildet, Kräfte in Umfangsrichtung bidirektional von der Wellenkomponente 3 zu der Welle 2 zu übertragen.
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An den ersten Bereich 2.1.1 schließt sich ein zweiter Bereich 2.1.2 an, in dem das Profil 2.1.4 eine Verjüngung 2.1.4.2 aufweist, welche in der Darstellung von 3 verdeutlicht ist.
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Zwischen dem erstem Bereich 2.1.1 und dem zweiten Bereich 2.1.2 ist eine in Umfangsrichtung umlaufende Nut 2.1.3 eingebracht, die eine erste Nutflanke 2.1.3.1 im ersten Bereich 2.1.1 und eine zweite Nutflanke 2.1.3.2 im zweiten Bereich 2.1.2 ausbildet. Aufgrund der Verjüngung 2.1.4.2 (siehe 3) bildet die zweite Nutflanke 2.1.3.2 einen axialen Anschlag des Profils 2.1.4 im zweiten Bereich 2.1.2 aus, beziehungsweise stellt einen axialen Anschlag für das korrespondierende Gegenprofil der Wellenkomponente 3 dar. In der vorliegenden Ausführungsform ist dies durch die erste Wuchtscheibe 3.1 im Zusammenwirken mit der zweiten Nutflanke 2.1.3.2 realisiert.
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Auf der der ersten Wuchtscheibe 3.1 gegenüberliegenden Seite steht die zweite Wuchtscheibe 3.2 an einer Fixiereinrichtung 2.2.1 an. Die Fixiereinrichtung 2.2.1 stellt somit einen Anschlag im zweiten Wellenabschnitt 2.2 in axialer Richtung für die Wellenkomponente 3 dar.
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Im Bereich des zweiten Wellenabschnitts 2.2 weist die Welle 2 eine umlaufende Nut 2.2.3 auf. Die Fixiereinrichtung 2.2.1 bildet mit der Nut 2.2.3 durch Verformung 2.3 (siehe 3) der Fixiereinrichtung 2.2.1 in die Nut 2.2.3 eine formschlüssige Verbindung 2.2.2 aus.
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Die Fixiereinrichtung 2.2.1 ist als Hülse aus einem rohrförmigen Material ausgeführt. Die Materialstärke ist in der gezeigten Ausführungsform als konstant in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung anzusehen, so dass von einer konstanten Wandungsdicke gesprochen werden kann. Die axiale Erstreckung der Hülse ist dabei so gewählt, dass Fertigungstoleranzen beispielsweise von Welle 2 und Wellenkomponente 3 kompensiert werden und somit die Fixiereinrichtung 2.2.1 derart über der Nut 2.2.3 angeordnet ist, dass die formschlüssige Verbindung 2.2.2 zuverlässig erfolgt.
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Die Fixiereinrichtung 2.2.1 weist einen ersten axialen Anschlag 2.2.4.1 für die Wellenkomponente 3, in der konkreten Ausführung für die zweite Wuchtscheibe 3.2 auf, sowie einen zweiten axialen Anschlag 2.2.4.2, welcher auf der dem ersten axialen Anschlag 2.2.4.1 gegenüberliegenden Seite der Fixiereinrichtung 2.2.1 angeordnet ist. Der zweite axiale Anschlag 2.2.4.2 dient dabei als Anschlag für eine weitere nicht dargestellte Wellenkomponente.
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Ist die weitere Wellenkomponente axial zu fixieren, so sind im zweiten Wellenabschnitt 2.2 eine erste Nut 2.2.3.1 sowie eine zweite Nut 2.2.3.2 in die Welle 2 eingebracht. Weiter weist der zweite Wellenabschnitt 2.2 eine erste Fixiereinrichtung 2.2.1.1 und eine zweite Fixiereinrichtung 2.2.1.2 auf. Die erste Fixiereinrichtung 2.2.1.1 bildet dabei an einer ersten Stelle der Welle 2 mit der ersten Nut 2.2.3.1 die erste formschlüssige Verbindung 2.2.2.1 aus. Die zweite Fixiereinrichtung 2.2.1.2. bildet an einer zweiten Stelle der Welle mit der zweiten Nut 2.2.3.2 die zweite formschlüssige Verbindung 2.2.2.2 aus. Zwischen den Fixiereinrichtungen 2.2.1.1, 2.2.1.2 ist dann die weitere Wellenkomponente angeordnet. In einer Variante der Ausführungsform kann dies beispielsweise ein Lagerelement oder ein Rotationslagesensor sein.
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Beide Fixiereinrichtungen 2.2.1.1, 2.2.1.2 weisen dabei jeweils einen ersten Anschlag 2.2.4.1 und einen zweiten Anschlag 2.2.4.2 auf.
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2 zeigt eine Aufsicht auf die Welle 2 des Wellensystems 1 aus 1. Die Welle 2 umfasst zwei Wellenabschnitte 2.1 und 2.2. Im ersten Wellenabschnitt 2.1 ist das in axialer Richtung ausgeprägte Profil 2.1.4 ersichtlich. Das Profil 2.1.4 wird durch radial umlaufende Kühlkanäle 4.1 des Kühlsystems 4 unterbrochen, welche über Bohrungen 4.2 einen Kühlmittelfluss ermöglichen.
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Im zweiten Wellenabschnitt 2.2, welcher unmittelbar an den ersten Wellenabschnitt 2.1 anschließt, sind die erste Nut 2.2.3.1 und die zweite Nut 2.2.3.2 ersichtlich. Im zweiten Bereich 2.1.2 des ersten Wellenabschnitts 2.1 ist die Verjüngung 2.1.4.2 des Profils 2.1.4 ersichtlich, in der Aufsicht oberhalb der Nut 2.1.3 befindlich. Die Verjüngung 2.1.4.2 entsteht aufgrund des Fertigungsprozesses der Profilbahnen 2.1.4.1 beispielsweise beim Herausfahren eines Profilfräsers. Insbesondere ist die Verjüngung 2.1.4.2 als eine Verringerung der Profilbreite in Umfangsrichtung sowie eine Verringerung der Profiltiefe in radialer Richtung ausgebildet.
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Weiter weist der erste Bereich 2.1.1 einen ersten Kopfkreisdurchmesser der Welle 2 und der zweite Bereich 2.1.2 einen zweiten Kopfkreisdurchmesser der Welle 2 auf, wobei der zweite Kopfkreisdurchmesser größer ist als der erste Kopfkreisdurchmesser.
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Die Nut 2.1.3 bilde eine erste Nutflanke 2.1.3.1 im ersten Bereich 2.1.1 sowie eine zweite Nutflanke 2.1.3.2 im zweiten Bereich 2.1.2 aus. Aufgrund der Verjüngung 2.1.4.2 bildet die zweite Nutflanke 2.1.3.2 eine axiale Begrenzung des Profils 2.1.4 im zweiten Bereich 2.1.2 aus, beziehungsweise stellt einen axialen Anschlag für das korrespondierende Gegenprofil der Wellenkomponente 3 dar. Der größere Kopfkreisdurchmesser im zweiten Bereich 2.1.2 vergrößert dabei zusätzlich die Fläche des axialen Anschlags.
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3 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung eines Details des Wellensystems aus 1 zur Verdeutlichung der Zusammenbausituation.
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4 eine Aufsicht auf eine Variante des Wellensystems 1 nach 1 und 2. Zur axialen Fixierung der Wellenkomponente 3 sind in der Variante eine erste Fixiereinrichtung 2.2.1.1 und eine zweite Fixiereinrichtung 2.2.1.2 vorgesehen. Hierbei steht die erste Wuchtscheibe 3.1 an einen ersten Anschlag 2.2.4.1 der ersten Fixiereinrichtung 2.2.1.1 an. Die erste Fixiereinrichtung 2.2.1.1 bildet eine erste formschlüssige Verbindung 2.2.2.1 mit einer ersten Nut 2.2.3.1 der Welle 2 aus. Die erste formschlüssige Verbindung 2.2.2.1 ist dabei über mehrere radiale Verformungen 2.3 der ersten Fixiereinrichtung 2.2.1.1 in die erste Nut 2.2.3.1 ausgeführt.
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Die zweite Wuchtscheibe 3.2 steht an einen ersten Anschlag 2.2.4.1 der zweiten Fixiereinrichtung 2.2.1.2 an. Die zweite Fixiereinrichtung 2.2.1.2 bildet eine zweite formschlüssige Verbindung 2.2.2.2 mit einer zweiten Nut 2.2.3.2 der Welle 2 aus. Die zweite formschlüssige Verbindung 2.2.2.2 ist dabei über mehrere radiale Verformungen 2.3 der zweiten Fixiereinrichtung 2.2.1.2 in die zweite Nut 2.2.3.2 ausgeführt. Beide Fixiereinrichtungen 2.2.1.1, 2.2.1.2 weisen einen ersten Anschlag 2.2.4.1 und einen zweiten Anschlag 2.2.4.2 auf.
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Die Fixiereinrichtungen 2.2.1.1, 2.2.1.2 sind jeweils als Hülse aus einem rohrförmigen Material ausgeführt. Die Materialstärke ist in der vorliegenden Ausführungsform als konstant in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung anzusehen, so dass von einer konstanten Wandungsdicke gesprochen werden kann.
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Bei der Herstellung der dargestellten Variante des Wellensystems 1 wird die erste Fixiereinrichtung 2.2.1.1 aufgeschoben, bis eine vorbestimmte Position erreicht ist. Dabei ist die erste Fixiereinrichtung 2.2.1.1 derart über der ersten Nut 2.2.3.1 angeordnet, dass mittels einer Verformung 2.3 der Fixiereinrichtung 2.2.1.1 in die erste Nut 2.2.3.1 eine erste formschlüssige Verbindung 2.2.2.1 ausgebildet ist. Anschließend wird die Wellenkomponente 3 auf die Welle 2 aufgeschoben. Die zweite Fixiereinrichtung 2.2.1.2 wird anschließend bis zu einer vorbestimmten Position oder bis zur Erreichung einer vorbestimmten axialen Vorspannkraft aufgeschoben, so dass die zweite Fixiereinrichtung 2.2.1.2 derart über der zweiten Nut 2.2.3.2 angeordnet ist, dass mittels einer Verformung 2.3 der Fixiereinrichtung 2.2.1.2 in die zweite Nut 2.2.3.2 eine zweite formschlüssige Verbindung 2.2.2.2 ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellensystem
- 2
- Welle
- 2.1
- erster Wellenabschnitt
- 2.1.1
- erster Bereich
- 2.1.2
- zweiter Bereich
- 2.1.3
- Nut
- 2.1.3.1
- erste Nutflanke
- 2.1.3.2
- zweite Nutflanke
- 2.1.4
- Profil
- 2.1.4.1
- Profilbahn
- 2.1.4.2
- Verjüngung
- 2.2
- zweiter Wellenabschnitt
- 2.2.1
- Fixiereinrichtung
- 2.2.1.1
- erste Fixiereinrichtung
- 2.2.1.2
- zweite Fixiereinrichtung
- 2.2.2
- formschlüssige Verbindung
- 2.2.2.1
- erste formschlüssige Verbindung
- 2.2.2.2
- zweite formschlüssige Verbindung
- 2.2.3
- Nut
- 2.2.3.1
- erste Nut
- 2.2.3.2
- zweite Nut
- 2.2.4.1
- erster Anschlag
- 2.2.4.2
- zweiter Anschlag
- 2.3
- Verformung
- 3
- Wellenkomponente
- 3.1
- erste Wuchtscheibe
- 3.2
- zweite Wuchtscheibe
- 3.3
- erstes Blechpaket
- 3.4
- zweites Blechpaket
- 4
- Kühlsystem
- 4.1
- Kühlkanal
- 4.2
- Bohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2016201896 A [0004]
- EP 2154767 B1 [0005, 0009]
- DE 2062419 A1 [0007]
- JP 60096164 A2 [0007]
- JP 2014064409 A2 [0007]
