WO2017108967A1

WO2017108967A1 - Elektrische arbeitsmaschine

Info

Publication number: WO2017108967A1
Application number: PCT/EP2016/082203
Authority: WO
Inventors: Guido Kochsiek
Original assignee: Iprotec Maschinen- Und Edelstahlprodukte Gmbh
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2017-06-29
Also published as: DE202016008922U1; US20180358864A1; JP2019503643A; EP3394962A1; CN108432101A; RU2018124639A

Abstract

Um elektrische Arbeitsmaschinen hinsichtlich ihres Aufbaus und der Montage zu vereinfachen und hinsichtlich der Leistung zu verbessern, wird mit der Erfindung vorgeschlagen eine elektrische Arbeitsmaschine mit zur Übertragung von Drehmomenten vorgesehenen Elementen, bei welcher wenigstens ein Elementenpaar als Unrundverbindung ausgebildet ist, auszustatten.

Description

Elektrische Arbeitsmaschine

Elektrische Arbeitsmaschinen sind Elektromotoren, Stromgeneratoren und dergleichen.

Innerhalb des Elektromotors oder auch bei Stromgeneratoren sind eine Reihe von Verbindungen enthalten, die Drehmoment übertragen müssen. Je nach Motorart kommen unterschiedliche Motorkonzepte zum Einsatz. In allen Motoren sind aber auf der Motorwelle Komponenten erforderlich, die für den Antrieb des Motors beziehungsweise für die Stromerzeugung beim Generator verantwortlich sind. Diese müssen mit der Motor- /Generatorwelle dauerhaft verdrehfest verbunden werden. In bestimmten Motoren sind weitere Komponenten erforderlich, die ebenfalls auf der Motorwelle verdrehfest verbunden werden müssen. Bei den mit der Motorwelle zu verbindenden Komponenten handelt es sich zum Beispiel um Kollektor, Anker( -Wicklung), Läuferblechpaket, Kommutator, etc.

Die meisten Verbindungen im Generator und Eiektromotorenbau werden als Steckverzahnung, Passfederverbindung oder als Schrumpfverbindung ausgeführt.

Insbesondere die Schrumpfverbindungen sorgen für einen hohen Montageaufwand mit entsprechenden Kosten (Erwärmung oder Abkühlung der Bauteile, ungünstige Handhabung von heißen oder kalten Bauteilen, hohe Energiekosten bei der Montage, möglicher Verzug der Bauteile bei Erhitzung, hohes Beschädigungspotenzia! bei unsachgemäßer Erhitzung) und technischen Nachteilen bei der Montage (Verlust von Lauf beim Fügen langer Verbindungen durch zu schnei! Abkühlung während der Montage). Eine Korrektur-Demontagemöglichkeit ist nicht mehr möglich, wenn die Schrumpfverbindung einmal abgekühlt ist. Im Servicefall ist keine zerstörungsfreie Demontage möglich.

Andere Verbindungen (Steckverzahnungen, Passfederverbindungen) haben technische Nachteile und nutzen den Bauraum meistens nicht optimal aus. Steckverzahnungen veriieren zum Beispiel den Lauf wenn sie gehärtet werden müssen. Passfederverbindungen gehören zu den schlechtesten Verbindungsarten der Industrie (Unwucht, Kerbwirkung, teure Herstellung, teure Montage, ungünstiges Drehmomentverhalten, Umkehrspiel).

Der vorliegenden Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, elektrische Arbeitsmaschinen hinsichtlich ihres Aufbaus und der Montage zu vereinfachen.

Zur L ö s u n g dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine elektrische Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 vor. In der folgenden Beschreibung sind weitere eigenständige erfinderische Lösungen aufgezeigt.

Das Ziel dieser Erfindung ist es die Fertigungsabläufe zu optimieren, die Fertigungskosten zu reduzieren und die Verbindungen derart zu optimieren, dass Bauraum beziehungsweise Gewicht eingespart werden kann, sowie Montagevorteile erzielt werden können und die Servicefreundlichkeit erhöht wird.

Die Erfindung schlägt vor, wenigstens eine der Verbindungen zur Drehmomentübertragung so auszubilden, dass die zu verbindenden Elemente - üblicherweise Welle/Nabeanordnungen - einen unrunden Querschnitt aufweisen. Man spricht von sogenannten Unrundverbindungen, im speziellen Fall von Polygonverbindungen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Undrundverbindungen" ganz allgemein für nicht runde Elemente, d.h. solche die keinen kreisrunden Querschnitt haben, verwendet. Polygonverbindungen wiederum sind spezielle Unrundverbindungen, diese können beispielsweise Konturen hervorbringen, die als Zykloiden bezeichnet werden. Dazu gehören Hypozykloiden, Epizykloiden, verkürzte und verlängerte und dgl.

Darunter versteht man durch neuartige Fertigungstechnologien, insbesondere das Unrunddrehen gefertigter Elemente. Diese haben keinen kreisrunden Querschnitt, sondern einen davon abweichenden Querschnitt, der auch Vieleckig sein kann. Es ist offensichtlich, dass eine beispielweise achteckige Nabe einerseits, die ein achteckiges Ende einer Welle aufnimmt, eine deutlich einfachere Montage und Wartung ermöglicht, darüber hinaus aber auch eine deutlich bessere Drehmomentübertragung. Bei der Herstellung durch die neuartigen Unrund-Drehverfahren wird ebenfalls der Materialbedarf zur Herstellung reduziert, ebenso wie eine schnellere Bearbeitungszeit ermöglicht. Darüber hinaus wird weniger Herstellungsenergie benötigt.

Diese Verbindungen zeichnen sich aus durch: Unwuchtfreiheit, Spielfreiheit, Selbstzentrierung, geringe Kerbwirkung, optimales Drehmomentverhalten auf kleinstem Bauraum, einfache Montage, hohe Laufqualität auch bei gehärteten Verbindungen.

Durch den Einsatz von polygonalen Stufen oder konischen Polygonverbindungen lassen sich nahezu alle Verbindungen im Elektromotor beziehungsweise Generator als

Unrundverbindungen ausführen.

Für den Ersatz der Schrumpfverbindungen sind polygonale (unrunde) Stufenverbindungen besonders geeignet, da das Erwärmen beziehungsweise Abkühlen der Bauteile nicht erforderlich ist. Die Montage kann stark vereinfacht werden. Alternativ kann ein konisches Unrundprofil zum Einsatz kommen. Durch den Einsatz von Unrundverbindungen kann die Verbindungslänge reduziert werden und Bauraum eingespart werden oder Bauraum für zusätzliche Funktionen (z.B. Passungen, ... ) freigegeben werden.

Die Vorteile einer solchen Verbindung sind: stark vereinfachte Montage mit deutlich geringeren Kosten (keine Erwärmung der Bauteile erforderlich), Verkürzung der Verbindungslänge durch unrunden Formschluss statt rundem Reibschluss bzw. durch unrunden Form- und Reibschluss, Gewinn von Bauraum, Reduzierung von Gewicht (Energieeffizienz, besserer Wirkungsgrad, bessere Leistung), hohe Laufqualität (keine Unwucht) nach der stark vereinfachten Montage. Bauteile können demontiert und anschließend wieder montiert werden (deutlich günstigere Reparaturkosten eines Motors).

Der Einsatz von polygonalen/unrunden Verbindungen im Elektromotor beziehungsweise Generator führt zu erheblichen Verbesserungen und erhöht die Betriebssicherheit des Antriebs, da in allen Verbindungen formschlüssige Verbindungen eingesetzt werden können. Durch den Einsatz von Unrundverbindungen eröffnen sich dem Motorentwickler weitere Möglichkeiten auf gleichem Bauraum mehr Leistung, beziehungsweise mehr Funktionalität unterzubringen. Durch den Einsatz von Unrundverbindungen können die Fertigungskosten erheblich reduziert werden, die Energieeffizienz steigt.

Als weitere eigenständige erfindungsgemäße Lösung wird vorgeschlagen, das Abtriebs- Wellenende ebenfalls unrund auszuführen. Wenn ohnehin Unrundverbindungen zum Einsatz kommen kann diese Verbindung in einer Aufspannung mit gefertigt werden, was sich positiv auf die Fertigungsqualität und die Fertigungskosten auswirkt. Gleiches gilt für die Bearbeitung von runden Sektionen der Motorwelle (z.B. Lagersitzen) und Unrundverbindungen in einer Aufspannung um die Laufqualität zwischen den einzelnen Sektionen zu verbessern. Dadurch lassen sich höhere Drehzahlen am fertigen Produkt erzielen. Die technischen Vorteile einer Unrundverbindung auch am Abtriebs-Wellenende sind: keine Unwucht, Selbstzentrierung, kompaktere Bauform bei gleichem Leistungsvermögen, Spielfreiheit, etc.

Darüber hinaus wird als ebenfalls eigenständige erfindungsgermäße Lösung vorgeschlagen, das Lüfterrad eines Motors/Generators ebenfalls polygonal/unrund mit der Welle zu verbinden. Auch hier bietet sich ein Unrund-Stufendesign oder konisches Unrundprofil als Verbindungsform an.

Gemäß der Erfindung sind verlängerte Trochoiden besonders interessant, wenn es um die Verbindung von Blechpaketen und Rotorwelle geht. Dies insbesondere deshalb, weil das Gegenstück ein Blechteil ist.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit durch die Verwendung von Unrunddrehverfahren aus. Dieses erlaubt eine große Präzision, so dass Verbindungen geschaffen werden können, die nicht mehr spielbehaftet sind, wie dies beispielsweise bei Steckverzahnungen der Fall ist. Auch entstehen keine Unwuchten wie beispielsweise bei Passfederverbindungen. Durch das Unrunddrehverfahren lassen sich verdreh steife, sichere Übermaßverbindungen herstellen. Das Fügen lässl sich ohne Erwärmung oder Abkühlung umsetzen, insbesondere bei der Verwendung eines Stufendesigns, konischen Verbindungen oder vergleichbaren Verbindungen sind sefbstzentrierend und im Vergleich zu herkömmlichen Steckzahnverbindungen können diese aufrgund besserer Kraftübertragungseigenschaften in einem geringeren Bauraum untergebracht werden oder erlauben bei gleichem Bauraum eine höhere Betriebssicherheit und/oder die Übertragung größerer Kräfte. Die Verbindungselemente (Welle und Nabe) können nach dem gleichen Verfahren hergestellt werden.

Insbesondere bei der Verbindung von Blechpaket zur Rotorweife können erweiterte Formen verwendet werden, beispielsweise eine verlängerte Trochoide, weil das Gegenstück, d.h. das Blechpaket, nicht spanend hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß können die einzelnen Elemente einer polygonalen Verbindung aus unterschiedlichen Materialien gebildet werden, wodurch sich ebenfalls Vereinfachungen und Verbesserungsmöglichkeiten ergeben.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine unrunde Welle-Nabe-Verbindung im

Abtriebswellenbereich eines Elektromotors

Fig. 1 a mit Bezug auf die Welle-Nabe-Verbindung nach Fig. 1 eine

Kraftverteilungskurve;

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine unrunde Welle-Nabe-Verbindung zwischen

Blechpaket und Motorwelle (Rotor);

Fig. 2a mit Bezug auf die Welle-Nabe-Verbindung nach Fig. 2 eine

Kraftverteilungskurve und

Fig. 3 in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße unrunde Welle-Nabe- Verbindung in Blickrichtung III nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist eine Welle-Nabe-Verbindung mit einem von einer Weile 1 bereitgestellten Nabensitz 2 und einer vom Nabensitz 2 aufgenommenen Nabe eines Bauteils 5, beispielsweise ein Zahnrad, gezeigt. Der Nabensitz 2 und die Nabe des Bauteils 5 bilden eine Polygon-Verbindung aus, das heißt der Nabensitz 2 weist eine im Querschnitt polygonale Außenkontur auf, wobei das Bauteil 5 über eine beispielsweise als Bohrung ausgebildete Aufnahme mit einer zur Außenkontur des Nabensitzes 2 korrespondierend ausgebildete Innenkontur verfügt. Das zum Einsatz kommende Polygonprofil kann beispielsweise ein Fünf-Eck sein. Grundsätzlich gilt natürlich, dass das Polygonprofil als Unrundprofil über bedarfsgemäß entsprechend viele Ecken verfügen kann. Die Erfindung ist insofern nicht auf ein Fünf-Eck Polygonprofil beschränkt.

Wie die Darstellung nach Fig. 1 erkennen lässt, sind der Nabensitz 2 und das davon aufgenommene Bauteil 5 in Längsrichtung 1 1 der Welle 1 gleich lang bzw. mit Bezug auf die Blattebene nach Fig. 1 gleich breit ausgebildet. Mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 1 ist der Nabensitz 2 linksseitig wie rechtsseitig jeweils durch einen Anschlussbereich 3 bzw. einen Anschlussbereich 4 begrenzt, welche Anschlussbereiche 3 und 4 im Unterschied zum Nabensitz 2 im Querschnitt kreisförmig ausgebildet sind.

Wie die Darstellung nach Fig. 2 erkennen lässt, verfügt der Nabensitz 2 im gezeigten Ausführungsbeispiel über zwei weitere Radialabsätze 9 und 10, so dass insgesamt ein dreistufiger Nabensitz 2 mit den drei Stufen I, II und III ausgebildet ist. Die Nabe des Bauteils 5 ein Blechpaket, ist zur erfindungsgemäßen Mehrstufigkeit des Nabensitzes 2 entsprechend ausgebildet.

Die einzelnen Stufen I, II und III des Nabensitzes sind mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 2 gleich breit, das heißt mit Bezug auf die Längsrichtung 1 der Motorwelle 1 gleich lang ausgebildet.

Der die zweite Stufe II des Nabensitzes 2 bildende Radialabsatz 9 überragt die erste Stufe I des Nabensitzes 2 in radialer Richtung je nach Ausführungsform und Anwendungsfall um wenigstens einige μιτι bis hin zu mehreren Millimetern. In gleicher Weise überragt die durch den Radialabsatz 10 ausgebildete dritte Stufe III die durch den Radialabsatz 9 bereitgestellte zweite Stufe II des Nabensitzes 2 in radialer Richtung.

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung in Blickrichtung III nach Fig. 2. Aus dieser Darstellung sind die einzelnen Radialabsätze 9 und 10 bzw. die einzelnen Stufen I, II und III des Nabensitzes gut zu erkennen. Es ist aus dieser Darstellung insbesondere ersichtlich, dass der Nabensitz 2 ein fünf-eckiges Polygonprofil ausbildet, wohingegen die sich an den Nabensitz 2 mit Bezug auf die Darstellung nach Fig. 2 links- wie rechtsseitig anschließenden Anschlussbereiche 3 und 4 im Querschnitt kreisförmig ausgebildet sind.

Wenn im Beiastungsfalf eine Kraft beispielsweise mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 2 rechtsseitig des Bauteils 5 auf dasselbe wie in Fig. 3 anhand des Kraftpfeils F gezeigt einwirkt, so ergibt sich eine Beanspruchung der Welle 1 im Bereich des Nabensitzes 2, wie sie beispielhaft in Fig. 2a gezeigt ist. Fig. 2a zeigt ein Diagramm, das die Kraft- bzw. Spannungsverteilung 8 im Bereich des Nabensitzes 2 der Welle 1 zeigt, wobei die in die Welle 1 eingeleitete Kraft auf der y-Achse 7 über die Axialerstreckung des Nabensitzes 2 gemäß x-Achse 6 abgetragen ist. Wie diesem Diagramm entnommen werden kann, ergibt sich ein Kraft- bzw. Spannungsverlauf 8, der mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 2 je Stufe I, II und III des Nabensitzes 2 von links nach rechts anwächst. Die maximale Beanspruchung ergibt sich jeweils mit Bezug auf die Zeichnungsebene nach Fig. 2 rechtsseitig einer jeden Stufe I, II und III des Nabensitzes 2.

An dieser Stelle sei betont, dass die Figuren 1 a und 2a lediglich der anschaulichen Erläuterung dienen und in keiner Weise wissenschaftlich-technisch korrekt sein sollen.

Die Kraftspitzen definieren darüber hinaus eine durchschnittliche Kraft, die etwa dem Mittelwert zwischen 0 und F_max entspricht. Diese durchschnittliche Kraft ist das Maß für die Leistungsfähigkeit der Welle-Nabe-Verbindung und dieser Mittelwert ist als gestrichelte Linie eingezeichnet.

Bei einer Welle-Nabe-Verbindung nach dem Stand der Technik ergibt sich eine Kraft- bzw. Spannungsverteilung 8, wie sie in Fig. 1 a gezeigt ist. Bei einem Vergleich der Diagramme nach Fig. 1 a und Fig. 2a ergibt sich, dass entweder die insgesamt in den Nabensitz 2 eingeleitete Kraft gleich groß ist, dass aber eine Kraftverteilung hinsichtlich der maximal wirkenden Kraft auf die einzelnen Stufen I, II und III des Nabensitzes 2 nach der erfindungsgemäßen Ausgestaltung erreicht ist. Oder andersherum ist die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung höher belastbar und kann eine größere durchschnittliche Kraft übertragen. Damit ergibt sich im Ergebnis, dass bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform eine im Vergleich zum Stand der Technik bei gleicher Krafteinleitung minimierte Maximalbelastung auf die Welle 1 einwirkt. Die Minimierung der Maximalbelastung wird dadurch erreicht, dass eine Verteilung der Maximalkräfte und/oder -Spannungen auf die einzelnen Stufen I, II und III des Nabensitzes 2 nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform stattfindet. Aufgrund dieser Spannungsverteilung kann eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte, das heißt verringerte Kontaktkorrosion erreicht werden. Oder alternativ kann die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung als deutlich leistungsfähiger angesehen werden, d. h., sie stellt in jeder Hinsicht eine erhebliche Verbesserung dar. Durch gezielte unterschiedliche Übermaße in den Stufen lassen sich weitere Optimierungen hinsichtlich der Funktion der Verbindung erzielen.

Die Anwendung dieser Welle-Nabe-Technik auf die drehmomentübertragenden Verbindungen in einer elektrischen Arbeitsmaschine ist Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung. Es zeigt sich aus den allgemeinen Darstellungen anhand der Ausführungsbeispiele, welche Vorteile sich hier für elektrische Arbeitsmaschinen ergeben.

Bezugszeichenliste

1 Motorwelle

2 Nabensitz/Weile-Nabe-Verbindung

3 Anschlussbereich

4 Anschlussbereich

5 Bauteil

6 x-Achse

7 y-Achse

8 Kraftverteilung

9 Radialabsatz

10 Radialabsatz

1 1 Längsrichtung

I Stufe

II Stufe

III Stufe

Kraft

Maximalkraft

Claims

Patentansprüche

1 . Elektrische Arbeitsmaschine mit zur Übertragung von Drehmomenten vorgesehenen Elementen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Element einen Verbindungsbereich mit einem umrunden Querschnitt aufweist.

2. Elektrische Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebs-Wellenende einen unrunden Querschnitt aufweist.

3. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit unrundem Querschnitt unter Verwendung eines Unrunddrehverfahrens hergestellt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit un rundem Querschnitt unter Verwendung eines Undrunddrehverfahrens in der gleichen Aufspannung zum Drehen runder Bereiche hergestellt ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit unrundem Querschnitt eine zykloide Kontur aufweist.

6. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit unrundem Querschnitt polygonal ist und über die Länge Stufen unterschiedlichen Durchmesser aufweist.

7. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit unrundem Querschnitt konisch ausgebildet ist.

8. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Vielzahl von Elementen mit Bereichen mit unrundem Querschnitt aufweist.