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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Ankerwelle für eine elektrische Maschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit mehreren am Umfang der
Ankerwelle im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung verlaufenden Kerben,
die einen Kerbaufwurf bilden.
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Beim
Paketieren mittels Kerben werden mit einem zweiteiligen, U-förmigen Werkzeug
je zwei längs
verlaufende Kerben in die Ankerwelle eingebracht. Die Kerbung führt zu einem
Materialaufwurf, der den Außendurchmesser
der Ankerwelle im gekerbten Bereich vergrößert. Damit kann die Ankerwelle
in die Bohrung des Pakets fest eingepresst werden. Der Kerbaufwurf
verbindet jede Lamelle des Pakets fest mit der Ankerwelle. Durch
ein leichtes Eindringen des Kerbaufwurfs in die Bleche wird zudem ein
Formschluss erreicht, der die Verdrehmomente des Pakets deutlich
erhöht.
Die axiale Verschiebekraft des Pakets jedoch ist vor allem an den
Endlamellen meistens gering, weshalb diese in der Regel noch ringverstemmt
werden müssen.
Durch Kerben wird eine äußerst stabile
Verbindung geschaffen, die höchsten
Anforderungen an Wuchtgüte
und vibrationsarmen Lauf erfüllt.
Damit sind sehr geräuscharme
Motoren herstellbar. Allerdings müssen produktionstechnisch aufwändige Voraussetzungen
erfüllt werden,
um das Verfahren bei dünnen
und langen Wellen überhaupt
einsetzen zu können.
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Bei
der Herstellung müssen
beispielsweise die Toleranzen der Bohrung eng gewählt werden.
Die Aufwürfe
der Kerben müssen
ebenfalls eng toleriert sein; andernfalls übersteigen die Einpresskräfte die Knickkraft
der Welle. Aufgrund der engen Toleranzen ist das Einführen der
Welle schwierig. Aufgrund von Kaltverschweißungen von Wellenmaterial mit
dem Paketblech ist mit einer hohen Ausschussrate zu rechnen. Besonders
lange Pakete von beispielsweise eine Länge von ca. 50 mm neigen aufgrund
der langen Einpresswege besonders zu Kaltverschweißungen.
Durch die relativ hohen Einpresskräfte entstehen beim Einpressen
häufig
unzulässig
hohe Rundlauffehler an der Welle, die anschließend in einem weiteren Arbeitsgang
manuell oder maschinell gerichtet werden muss. Paketieren durch
Einpressen einer gekerbten Welle ist zwar das geeignete Verfahren
für die
Herstellung von geräuscharmen
und stoßunempfindlichen
Motoren. Allerdings muss ein erheblicher produktionstechnischer
Aufwand getrieben werden. Ausfälle
durch Ausknicken der Welle nach Fressen sind beim Einpressen hochwahrscheinlich.
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Kerben
mit Kerbaufwurf stehen im Gegensatz zu Rändeln, bei denen keine Kerbaufwürfe entstehen
sondern nur Vertiefungen durch Verdichten des Materials. Dadurch
ist eine Rändelung
für eine Ankerwelle,
auf der ein Ankerpaket befestigt werden soll, ungeeignet.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe die hohen Ausfallraten beim Paketieren
mit gekerbter, dünner und
langer Welle (beispielsweise 150 mm lang und 4 mm Durchmesser) sowie
großer
Paketlänge
deutlich zu minimieren. Außerdem
sollen die hohen Körperschallwerte
Kleinmotoren, insbesondere von kleinen Fensterhebermotoren, deutlich
reduziert werden.
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Vorteile der
Erfindung
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Durch
die erfindungsgemäße Ankerwelle
für eine
elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ergab sich
der Vorteil, dass die Unwucht der Anker direkt nach dem Einpressen
der Wellen in das Blechpaket deutlich reduziert wurde. Außerdem reduzierte
sich der Körperschall
der Motoren um 8 dBR gegenüber
Motoren mit Ankerstanzpaketen. Hierzu ist eine Ankerwelle für eine elektrische
Maschine vorgesehen mit mehreren am Umfang der Ankerwelle im Wesentlichen
parallel zur Längsrichtung der
Ankerwelle verlaufenden Kerben, die einen Kerbaufwurf bilden, wobei
die Kerben beziehungsweise die Kerbaufwürfe spitze Winkel bilden.
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Der
spitze Winkel kann so gebildet sein, dass jeweils benachbarte Kerbaufwürfe einen
Winkel von 1° bis
5° einschließen, wodurch
jede Lamelle sicher gehalten wird.
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Der
spitze Winkel kann außerdem
dadurch gebildet sein, dass die Tiefe der Kerben an einem Ende größer ist
als am anderen Ende und dass die Höhe des Kerbaufwurfes an dem
einen Ende größer ist
als an dem anderen Ende, so dass der Grund der Kerbe und der Grat
der Kerbe den spitzen Winkel einschließen. Dadurch ergibt sich ein
konischer Verlauf entlang der Welle, was sich positiv auf den Einpressprozess
auswirkt. Vorzugsweise hat der Kerbgrund dabei eine Steigung von
0,01 mm auf 50 mm Länge.
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Der
spitze Winkel kann auch dadurch gebildet sein, dass nur die Ausläufe der
Kerben pfeilförmig sind,
wodurch am Kerbaufwurf eine Fase entsteht, die eine Spanbildung
beim Einpressen verhindert, denn Späne im Zwischenraum von Welle
und Kerbe sind Hauptursache für
das Fressen.
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Die
Ankerwelle mit den Kerben lässt
sich genauer und in nur einem Arbeitsgang fertigen, wenn die Kerbaufwürfe nur
an einer Seite der Kerben verlaufen. Hierbei ist es auch vorteilhaft,
dass die Kerbaufwürfe
benachbarter Kerben einander zugewandt oder abgewandt sind, was
zusätzlich
eine erleichterte visuelle Kontrolle ermöglicht.
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Dadurch,
dass die Kerbaufwürfe
verrundet sind, sind sie nicht spitz, womit die Neigung zur Spanbildung
reduziert wird.
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Vorzugsweise ändert sich
die sich die Teilung der Kerben über
den Umfang gesehen in Längsrichtung,
wodurch alle Blechlamellen einen definierten Kontakt mit der Ankerwelle
haben. Dies ist besonders gut dadurch gewährleistet, dass eine erste,
zweite, dritte und vierte Kerbe vorgesehen sind, dass die erste
Kerbe mit der zweiten Kerbe in bezug auf die Mittelachse der Ankerwelle
einen Winkel einschließt, wobei
der Winkel an einem Ende der Kerben kleiner und am anderen Ende
größer als
90° ist,
dass die zweite Kerbe mit der dritten Kerbe in bezug auf die Mittelachse
der Ankerwelle einen Winkel einschließt, wobei der Winkel an einem
Ende der Kerben größer und
am anderen Ende kleiner als 90° ist,
dass die dritte Kerbe mit der vierten Kerbe in bezug auf die Mittelachse
der Ankerwelle einen Winkel einschließt, wobei der Winkel an einem
Ende der Kerben kleiner und am anderen Ende größer als 90° ist, und dass der größere Winkel
vorzugsweise 91° und
der kleinere Winkel vorzugsweise 89° beträgt.
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Ein
Anker mit einem Ankerpaket und mit einer derartigen Ankerwelle hat
eine sehr geringe Unwucht. Eine elektrische Maschine mit einem derartigen
Anker hat einen reduzierten Körperschall.
Dies ist insbesondere im Fahrgastraum eines Pkw vorteilhaft.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der
Beschreibung.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
elektrische Antriebseinheit in einer Seitenansicht,
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2 einen
Anker mit einem Ausbruch,
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3 die
Ankerwelle in einer Stirnansicht,
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4 die
Ankerwelle in einer abgewickelten Darstellung,
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5 die
Ankerwelle in einer Seitenansicht,
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6 einen
Auslauf einer Kerbe gemäß dem Ausschnitt
IV aus 3 und
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7 einen
Teil der Querschnittsfläche
der Ankerwelle mit einer Kerbe.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In
der 1 ist eine elektrische Maschine beziehungsweise
Antriebseinheit 10 gezeigt, die bevorzugt Verwendung in
einem Kraftfahrzeug findet. Bei der Antriebseinheit 12 kann
es sich um einen Fensterheber, einen Schiebdachantrieb, einen Triebstrangsteller,
insbesondere Kupplungssteller, einen Sitzversteller oder dergleichen
handeln. Die Antriebseinheit 10 umfasst einen Elektromotor 12 und
kann zusätzlich
ein Getriebe 14 umfassen. Es kann sich jedoch auch um einen
Generator handeln. Außerdem
kann es sich um eine bürstenbehaftete oder
eine bürstenlose
bzw. elektronisch kommutierte elektrische Maschine handeln.
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In
der 2 ist der Anker 16 der elektrischen Maschine 10 in
einer aufgebrochen Darstellung gezeigt, wobei nur eine Hälfte des
Ankerpakets 18 gezeigt ist. Das Ankerpaket 18 ist
aus stanzpaketierten Lamellen 19 hergestellt. Die Wicklung
ist der besseren Deutlichkeit wegen nicht gezeigt. Das Ankerpaket 18 ist
mit einer zentralen Bohrung 20 auf die Ankerwelle 22 gesteckt.
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Wie
schon in der 2 angedeutet, hat die Ankerwelle 22 mehrere,
am Umfang der Ankerwelle 22 im Wesentlichen parallel zu
ihrer Längsrichtung verlaufende
Kerben 24. Die Kerben 24 bilden einen Kerbaufwurf 26 (7).
Dadurch erhöht
sich der Durchmesser an den Stellen des Kerbaufwurfs partiell, wodurch
beim Einstecken der Ankerwelle 22 eine Presspassung entsteht.
Statt Kerbaufwurf 26 kann auch von Materialanhäufung gesprochen
werden.
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Wie
aus den 3 und 4 deutlicher
hervorgeht, sind eine erste, zweite, dritte und vierte Kerbe 24.1, 24.2, 24.3 und 24.4 vorgesehen.
Die erste Kerbe 24.1 schließt mit der zweiten Kerbe 24.2 in
bezug auf die Mittelachse 28 der Ankerwelle 22 einen Winkel 30.1 ein.
Der Winkel 30.1 ist an einem Ende 32 der Kerben 24.1 und 24.2 kleiner
und am anderen Ende 34 größer als 90°. Die zweite Kerbe 24.2 schließt mit der
dritten Kerbe 24.3 in bezug auf die Mittelachse 28 der
Ankerwelle 22 auch einen Winkel 30.2. Der Winkel 30.2 ist
am Ende 32 der Kerben 24.2 und 24.3 größer und
am anderen Ende 34 kleiner als 90°. Die dritte Kerbe 24.3 schließt mit der
vierten Kerbe 24.4 in bezug auf die Mittelachse 28 der Ankerwelle 22 ebenfalls
einen Winkel 30.3 ein. Der Winkel 30.3 ist am
Ende 32 der Kerben 24.3 und 24.4 kleiner
und am anderen Ende 34 größer als 90°. Zur besseren Verdeutlichung
sind die Winkel 30 in den 3 und 4 stark übertrieben
dargestellt. Im Normalfall ist der schräge Verlauf der Kerben 24 mit dem
Auge unter Umständen
nur schwer erkennbar. Vorzugsweise beträgt der jeweils kleinere Betrag
des Winkels 30.1, 30.2, 30.3 89° und der
größere Betrag 91°, wobei herstellungsbedingte
Toleranzen von einigen Winkelgraden eingeschlossen sind. Die herstellungsbedingten
Toleranzen wirken sich so aus, dass sich die Winkel 30.1, 30.2, 30.3 in
einer Bandbreite von ungefähr
89,5° bis
90,5° bewegen
können,
wobei in dieser Bandbreite fertigungsbedingte Abweichungen von einigen
Winkelminuten auftauchen können. Im
Stall dessen Verlauf verläuft
der Winkel von 85° bis
95°, wobei
auch hier fertigungsbedingte Abweichungen von einigen Winkelminuten
oder gar Winkelgraden auftauchen können. Allgemein gesagt ändert sich
die Teilung der Kerben 24 über den Umfang gesehen in Längsrichtung
der Ankerwelle 22. Natürlich
kann auch eine andere Anzahl an Kerben 24, beispielsweise
2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 etc., vorgesehen sein.
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Durch
den beschriebenen Verlauf der Kerben 24 und der Kerbaufwürfe 26 werden
spitze Winkel gebildet, die das Einfügen der Ankerwelle 22 in die
Bohrung 20 erleichtern und den Halt des Ankerpakets 18 auf
der Welle verbessern. Der spitze Wickel, der durch die jeweils benachbarten
Kerben 24 beziehungsweise Kerbaufwürfe 26 am Umfang der Ankerwelle 22 gebildet
oder eingeschlossen wird, liegt vorzugsweise in einem Bereich von
1° bis 5°.
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In
der 3 sind symbolisch ferner noch vier Kerbkanten 36 eine
Kerbwerkzeugs dargestellt und mit zwei aufeinander zeigenden Pfeilen 38, 39 die Richtung,
aus denen die Kanten 36 gegen die Ankerwelle 22 gedrückt werden.
Auf diese Weise ergibt sich, wie in 7 gezeigt,
dass die Kerbaufwürfe 26 nur
an einer Seite der Kerben 24 verlaufen. Im Übrigen ist
in der 7 auch zu erkennen, dass die Kerbaufwürfe 26 verrundet
sind. Dies lässt
sich durch ein Verrunden der Kanten 36 erzielen. Außerdem ergibt sich
hieraus eine Vorrichtung zur Herstellung der Kerben 24 der
Ankerwelle 22, wobei die Vorrichtung vier Kerbkanten 36 aufweist,
die nur aus zwei Richtungen 38, 39 an die Ankerwelle 22 verfahrbar
sind und Kerben 24, die im Wesentlichen um 90° zueinander
versetzt angeordnet sind, in die Welle 22 einprägen. Dadurch
ist die Vorrichtung einfach im Aufbau aber erlaubt die Herstellung
der Kerben 24 und Kerbaufwürfe 26 in engen Toleranzen.
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In
der Abwicklung der 4 sind mit gestrichelten Linien
die Kerbaufwürfe 26 angedeutet,
wenn die Kanten 36, wie in der 3 dargestellt,
gegen die Ankerwelle 22 gedrückt werden. Mit punktierten
Linien sind ebenfalls Kerbaufwürfe 26 angedeutet,
die sich ergeben, wenn die Kanten um 90° um die Mittelachse 28 verdreht
an die Ankerwelle 22 gedrückt werden. Daraus ergibt sich
unmittelbar, dass die Kerbaufwürfe 26 benachbarter
Kerben 24 entweder einander zugewandt oder voneinander
abgewandt sind.
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Bei
der Herstellung der Kerben 24 und der Kerbaufwürfe 26 drücken die
Kanten 36 nicht in einer direkten Linie zur Mittelachse 28 an,
sondern unter einem Winkel von ca. 45° Grad, was die weiter oben beschriebene
Ausbildung der Kerbaufwürfe 26 auf nur
einer Seite der Kerbe 24 zur Folge hat.
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In
der 5 ist eine weitere Möglichkeit der Bildung eines
spitzen Winkels gezeigt. Die Tiefe 40 der Kerben 24 ist
an einem Ende 32 größer als
am anderen Ende 34. Dadurch ergibt sich, dass die Höhe 42 des
Kerbaufwurfes 26 an dem Ende 34 größer ist als
an dem Ende 32. Da die Tiefe 40 mit der Höhe 42 korrespondiert,
sind in dem Schaubild der 5 beide
gemeinsam dargestellt. Dadurch schließen der Kerbgrund 44 und
der Kerbgrat 46 (7) den spitzen
Winkel ein. Es genügt,
wenn nur der Kerbgrat 46 in der Höhe ansteigt, da sich dadurch
eine partielle Konizität
der Welle ergibt. Die Herstellung ist jedoch einfacher durch die
Kerben 24. Vorzugsweise hat der Kerbgrund 44 ein
Gefälle
und der Kerbgrat 46 eine Steigung von 0,01 mm auf 50 mm
Länge 48 der
Kerbe, wobei fertigungsbedingte Abweichungen von einigen Prozent
eingeschlossen sind.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Ausbildung eines spitzen Winkels ist noch in der 6 gezeigt. Hierbei
sind die Ausläufe 50 an
den Enden 32, 34 der Kerben 24 pfeilförmig ausgebildet.
Dadurch bilden sich an den Ausläufen
der Kerbgrate 46 Fasen. Durch die Vermeidung der Spanbildung
wird somit ebenfalls die Herstellung erleichtert. Dieses Merkmal kann
auch für
Ankerwelle 22 für
elektrische Maschinen 10 vorgesehen sein mit mehreren am
Umfang der Ankerwelle 22 im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung
der Ankerwelle verlaufenden Kerben, die einen Kerbaufwurf 26 bilden,
wobei die Ausläufe an
den Enden der Kerbgrate eine Fase bildet.
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Nach
der Herstellung der Kerben 24 und Kerbaufwürfe 26 wird
die Welle 22 entlang der in den 4 und 5 mit
Pfeilen dargestellten gezeigten Einpressrichtungen 52 in
das Ankerpaket 18 eingepresst. Dabei steigt die Höhe der Kerbaufwürfe 26 entgegen
der Einpressrichtung 52 an.
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Die
Ankerwelle 22 ist vorzugsweise nur an ihren äußeren Bereichen
gehärtet,
wo sie später auch
gelagert ist. Im Bereich der Kerben 24 ist sie jedoch ungehärtet.
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Zwar
können
die Maßnahmen
zur Bildung der spitzen Winkel separat durchgeführt werden, da sie getrennt
ihre Vorteile erbringen. Ihre Kombination ergibt jedoch die besten
Resultate hinsichtlich der Herstellbarkeit beziehungsweise des Körperschalls der
fertigen Motoren.