WO2018029263A1 - Verfahren zur montage einer rotorwelle eines elektromotors - Google Patents

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Tim KRAH
Gregor Beck
Hamit ÖRGEN
Roman Weinmeister
Kanwar Bir Singh SIDHU
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Thyssenkrupp Presta Teccenter Ag
Thyssenkrupp Ag
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    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/024—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies with slots
    • H02K15/028—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies with slots for fastening to casing or support, respectively to shaft or hub

Definitions

  • the invention relates to a method for mounting a rotor shaft of an electric motor.
  • a rotor shaft of an electric motor In this case, formed between two pressure plates with annular elements made of a soft magnetic material laminated cores on the rotor shaft between two existing on the rotor shaft pressure plates.
  • annular elements of a soft magnetic material laminated cores are held on the rotor shaft between two existing on the rotor shaft pressure plates.
  • the first and / or second thrust washer is / are pushed onto the rotor shaft parallel to the axis of rotation of the rotor shaft, preferably while maintaining a temperature difference between the rotor shaft and the pressure disc (s), in such a way that a plastic deformation in the region of formed elevations of the rotor shaft Surface structure comes.
  • At least one thrust washer and the rotor shaft is formed a positive and non-positive connection between the rotor shaft and at least one of the two pressure plates in the joining region.
  • the non-positive and positive connection is achieved in a joint area for each one of the pressure discs.
  • the plastic deformation and formation of positive and positive connection can be achieved without adherence to a temperature difference during pushing. When maintaining a temperature difference, however, an improvement in the conditions can be exploited.
  • either the first or second pressure plate is formed directly on the rotor shaft and the other pressure plate is pushed onto the rotor shaft after pushing the laminated cores to form the non-positive and positive connection.
  • first or second thrust washer is first followed by the laminated cores and, in turn, thereafter the respective other thrust washer is pushed onto the rotor shaft to form the frictional and positive connection and to fix the laminated cores between the thrust washers.
  • the sliding of the at least one thrust washer and the formation of the joint connection should be such that the annular elements of the laminated cores are pressed against each other.
  • a surface structure may advantageously be formed with a plurality of annular protrusions and depressions, which are formed perpendicular or at an angle between 30 ° and 60 ° with respect to the axis of rotation of the rotor shaft. Elevations and depressions may be aligned parallel to each other, so that aligned perpendicular to the axis of rotation of the rotor shaft groove-shaped depressions can be formed at an obliquely inclined angle with respect to the axis of rotation or intersecting groove-shaped depressions. With intersecting groove-shaped recesses, intervening ridged elevations can be formed.
  • a surface treatment may preferably by means of evacuation optionally be performed by sintering or other shaping process, which leads there to an increase in surface roughness.
  • a temperature difference between thrust washer (s) and rotor shaft should be kept. This can be achieved by heating the respective pressure disk and / or cooling the rotor shaft. Pressure disks can be heated inductively or in an oven. For example, a rotor shaft may be cooled by immersion in liquid nitrogen. The temperature difference should be sufficiently large. However, it must not adversely affect the material properties.
  • a height difference of at least 0.15 mm should be maintained in the radial direction in a joining region between the inner circumferential surface of a respective thrust washer or the outer surface of the rotor shaft.
  • the outer diameter of protrusions formed on the surface structure formed on a rotor shaft should be 0.3 mm larger than the outer diameter of the rotor shaft in the region of recesses.
  • the rotor shaft may for example be made of different metals, in particular steels and the thrust washer (s) for example of non-magnetic materials and / or light materials, in particular metal / non-metal, ceramics, special plastics or combinations of different materials "composite material”.
  • Annular elements for arranged in the direction of a pressure plate laminated cores which have a relation to the annular elements, with which interposed sheet packages are formed, may have a larger inner diameter.
  • the inner diameters of the annular elements arranged on the outer laminated cores can be adapted to the outer diameters of the flanges.
  • the thrust washer (s) should have an inner diameter and the rotor shaft in / in Area (s) have an outer diameter at ambient temperature, with which an interference fit, if necessary, after maintaining a temperature difference and then after the temperature compensation between the rotor shaft and thrust washer (s) can be formed.
  • the materials used for thrust washer (s) and rotor shaft as well as the length of the usable joining areas play a noteworthy role. In addition to a press fit and a form fit can be formed alone or in addition.
  • Figure 1 is a sectional view of a rotor shaft with it by means of two
  • the rotor shaft 1 was made of engineering steel (E355 + C), the magnetic core laminations forming the laminations 3.1 to 3.6 and the pressure plates 2 made of alloyed tempered steel (42CrMo4).
  • a surface structure was formed by rolling in two joining regions for each thrust washer 2 with parallel to each other and arranged at a distance of 0.8 mm groove-shaped recesses, which are aligned perpendicular to the axis of rotation of the rotor shaft 1.
  • the joint areas had a length which corresponds to the length of the pressure disks 2 in the direction of the axis of rotation of the rotor shaft 1, including the flanges 2.1 present on the pressure disks 2 in this example.
  • the groove-like recesses had a depth of 0.4 mm with respect to the protrusions and a width of 0.3 mm. Intermediate elevations had a width of 0.35 mm.
  • the largest outer diameter of the rotor shaft 1 was 84.4 mm in the joint regions and the smallest inner diameter of the pressure disks 2 was 84.1 mm.
  • the pressure discs 2 had a length in the entire usable joining range including the respective flange 2.1 of 21 mm.
  • the outer diameter of the flanges 2.1 was 95 mm.
  • the flanges 2.1 had a length parallel to the axis of rotation of 24 mm and the inner diameter of annular elements of the laminated cores 3.1 and 3.6, which are arranged directly on one of the pressure plates 2, was 96 mm.
  • the inner surfaces of the bores of the pressure plates 2 were machined by means of a broach, resulting in an increase in the surface roughness to a value of Rzl6.
  • the pushing can be controlled or regulated by means of pneumatically or hydraulically operated manipulators or by another linear drive can be achieved, which are not shown in Figure 1

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage einer Rotorwelle eines Elektromotors, bei dem mit kreisringförmigen Elementen aus einem weichmagnetischen Werkstoff gebildete Blechpakete auf der Rotorwelle zwischen zwei auf der Rotorwelle angeordneten Druckscheiben gehalten sind. Dabei wird wenigstens an einer ersten oder an einer zweiten Druckscheibe im hohlzylindrischen Bereich an einer inneren Mantelfläche oder an einer äußeren Oberfläche der Rotorwelle in einem Fügebereich eine von einem Gewinde abweichende Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen durch wenigstens eine spanende oder umformende Bearbeitung, ausgebildet und wenigstens die erste oder die zweite Druckscheibe wird koaxial zur Rotationsachse der Rotorwelle auf die Rotorwelle aufgeschoben, so dass eine plastischen Verformung im Bereich der ausgebildeten Erhebungen der Oberflächenstruktur erfolgt und eine kraftschlüssige und formschlüssige Verbindung im Fügebereich zwischen der Rotorwelle und mindestens einer der beiden Druckscheiben entsteht.

Description

Verfahren zur Montage einer Rotorwelle eines Elektromotors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage einer Rotorwelle eines Elektromotors. Dabei werden zwischen zwei Druckscheiben mit kreisringförmigen Elementen aus einem weichmagnetischen Werkstoff gebildete Blechpakete auf der Rotorwelle zwischen zwei auf der Rotorwelle vorhandenen Druckscheiben gehalten.
Üblicherweise werden Blechpakete durch den Einsatz von Schrauben und Schraubenmuttern an Rotorwellen zusammengedrückt und fixiert. Diese Art der Verbindung ist relativ aufwändig herstellbar und erfordert eine zusätzliche Sicherung gegenüber unerwünschtem Lösen der Verbindung, was den Aufwand durch erforderliche zusätzliche Prozessschritte erhöht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Aufwand bei der Montage zu reduzieren und die Sicherheit der Verbindung gegen unerwünschtes Lösen zu erhöhen.
Erfindungsgemä wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mit kreisringförmigen Elementen aus einem weichmagnetischen Werkstoff gebildete Blechpakete auf der Rotorwelle zwischen zwei auf der Rotorwelle vorhandenen Druckscheiben gehalten. Dabei wird an einer ersten und/oder zweiten Druckscheibe im hohlzylindrischen Bereich an der inneren Mantelfläche oder an der äußeren Oberfläche der Rotorwelle in einem Fügebereich eine von einem Gewinde abweichende Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen durch eine spanende und/oder umformende Bearbeitung, bevorzugt durch Rollierung ausgebildet.
Die erste und/oder zweite Druckscheibe wird/werden auf die Rotorwelle parallel zur Rotationsachse der Rotorwelle, bevorzugt bei Einhaltung einer Temperaturdifferenz zwischen Rotorwelle und der/den Druckscheibe(n) aufgeschoben, und zwar so dass es zu einer plastischen Verformung im Bereich ausgebildeter Erhebungen der Oberflächenstruktur kommt.
Dadurch und in bevorzugter Weise nach einen Temperaturausgleich zwischen der min- destens einen Druckscheibe und der Rotorwelle wird eine kraft- und formschlüssigen Verbindung zwischen Rotorwelle und mindestens einer der beiden Druckscheiben im Fügebereich ausgebildet. Die kraft- und formschlüssige Verbindung wird in einem Fügebereich für jeweils eine der Druckscheiben erreicht. Die plastische Verformung und Ausbildung der kraft- und formschlüssigen Verbindung kann auch ohne die Einhaltung einer Temperaturdifferenz beim Aufschieben erreicht werden. Bei Einhaltung einer Temperaturdifferenz kann aber eine Verbesserung der Verhältnisse ausgenutzt werden.
In einer Alternative ist entweder die erste oder zweite Druckscheibe unmittelbar an der Rotorwelle ausgebildet und die jeweils andere Druckscheibe wird nach dem Aufschieben der Blechpakete zur Ausbildung der kraft- und formschlüssigen Verbindung auf die Rotorwelle aufgeschoben.
Bei einer zweiten Alternative wird zuerst die erste oder zweite Druckscheibe, nachfolgend daran werden die Blechpakete und wiederum nachfolgend daran wird die jeweils andere Druckscheibe zur Ausbildung der kraft- und formschlüssigen Verbindung sowie zur Fixierung der Blechpakete zwischen den Druckscheiben auf die Rotorwelle aufgeschoben.
Das Aufschieben der mindestens einen Druckscheibe und die Ausbildung der Fügeverbindung sollten so erfolgen, dass die kreisringförmigen Elemente der Blechpakete gegeneinander gepresst werden.
Eine Oberflächenstruktur kann vorteilhaft mit mehreren ringförmigen Erhebungen und Vertiefungen, die senkrecht oder einem Winkel zwischen 30 ° und 60° in Bezug zur Rotationsachse der Rotorwelle ausgebildet werden, gebildet werden. Erhebungen und Vertiefungen können dabei parallel zueinander ausgerichtet sein, so dass senkrecht zur Rotationsachse der Rotorwelle ausgerichtete rillenförmigen Vertiefungen, in einem schräg geneigten Winkel in Bezug zur Rotationsachse oder sich kreuzende rillenförmige Vertiefungen ausgebildet werden können. Bei sich kreuzenden rillenförmigen Vertiefungen können dazwischen angeordnete rombenförmige Erhebungen ausgebildet werden.
An der jeweils komplementären Oberfläche der Rotorwelle im Fügebereich oder der inneren Mantelfläche der Druckscheibe(n), an der keine Oberflächenstrukturierung ausgebildet worden ist, kann eine Oberflächenbearbeitung bevorzugt mittels Räumung ggf. durch Sintern oder ein anderes formgebendes Verfahren durchgeführt werden, was dort zu einer Erhöhung der Oberflächenrauheit führt.
Während des Aufschiebens der Druckscheibe(n) sollte eine Temperaturdifferenz zwischen Druckscheibe(n) und Rotorwelle eingehalten werden. Dies kann durch eine Erwärmung der jeweiligen Druckscheibe und/oder eine Kühlung der Rotorwelle erreicht werden. Druckscheiben können dabei induktiv oder in einem Ofen erwärmt werden. Eine Rotorwelle kann beispielsweise mittels Eintauchen in flüssigen Stickstoff gekühlt werden. Die Temperaturdifferenz sollte ausreichend groß sein. Sie darf jedoch die Materialeigenschaften nicht negativ beeinflussen.
Zwischen Erhebungen und Vertiefungen der ausgebildeten Oberflächenstruktur sollten in einem Fügebereich zwischen innerer Mantelfläche einer jeweiligen Druckscheibe oder der äußeren Oberfläche der Rotorwelle eine Höhendifferenz von mindestens 0.15 mm in radialer Richtung eingehalten sein. Dies bedeutet, dass der äußere Durchmesser von Erhebungen, die an der Oberflächenstruktur, die an einer Rotorwelle ausgebildet ist, 0.3 mm größer als der äußere Durchmesser der Rotorwelle im Bereich von Vertiefungen sein sollte.
Die Rotorwelle kann beispielsweise aus verschiedenen Metallen insbesondere Stählen und die Druckscheibe(n) beispielsweise aus nicht magnetischen Stoffen und/oder leichten Materialien, insbesondere Metall/ nicht Metall, Keramik, spezielle Kunststoffe oder Kombinationen aus verschiedenen Stoffen„Werkstoffverbund" hergestellt worden sein.
Kreisringförmige Elemente für in Richtung einer Druckscheibe angeordnete Blechpakete, die einen gegenüber den kreisringförmigen Elementen, mit denen dazwischen angeordnete Blechpakete gebildet sind, können einen größeren Innendurchmesser aufweisen. An den Druckscheiben in Richtung der äußeren Blechpakete weisend können dann den Fügebereich vergrößernde Flansche ausgebildet worden sind, und die Innendurchmesser der an den äußeren Blechpaketen angeordneten kreisringförmigen Elemente an die Außendurchmesser der Flansche angepasst sein. Dadurch lässt sich die Länge des/der Fügebereiche(s) erhöhen, was zu einer Erhöhung der Festigkeit der Verbindung zwischen Druckscheibe(n) und Rotorwelle führt. Bereits ohne diese Verlängerung kann ein Sicherheitsfaktor > 1 erreicht werden.
Die Druckscheibe(n) sollte(n) einen Innendurchmesser und die Rotorwelle im/in Füge- bereich(en) einen Außendurchmesser bei Umgebungstemperatur aufweisen, mit dem eine Presspassung ggf. nach Einhaltung einer Temperaturdifferenz und dann nach dem Temperaturausgleich zwischen Rotorwelle und Druckscheibe(n) ausgebildet werden kann. Dabei spielen die eingesetzten Werkstoffe für Druckscheibe(n) und Rotorwelle sowie die Länge der nutzbaren Fügebereiche eine zu beachtende Rolle. Neben einer Presspassung kann auch eine Formpassung allein oder zusätzlich ausgebildet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
Figur 1 eine Schnittdarstellung einer Rotorwelle mit daran mittels zweier
Druckscheiben fixierten Blechpaketen.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel wurden sechs Blechpakete 3.1 bis 3.6 zwischen zwei Druckscheiben 2 an der innen hohlen Rotorwelle 1 fixiert. Die Rotorwelle 1 war aus Maschinenbaustahl (E355+C), die die Blechpakete 3.1 bis 3.6 bildenden kreisringförmigen Elemente aus weichmagnetische Legierung (Elektroblech) und die Druckscheiben 2 aus legiertem Vergütungsstahl (42CrMo4) hergestellt.
An der radial äußeren Oberfläche der Rotorwelle 1 wurde durch Rollierung in zwei Fügebereichen für jeweils eine Druckscheibe 2 eine Oberflächenstruktur mit parallel zueinander ausgerichteten und in einem Abstand von 0.8 mm zueinander angeordnete rillenförmige Vertiefungen ausgebildet, die senkrecht zur Rotationsachse der Rotorwelle 1 ausgerichtet sind. Die Fügebereiche hatten eine Länge die der Länge der Druckscheiben 2 in Richtung der Rotationsachse der Rotorwelle 1 inklusive der an den Druckscheiben 2 bei diesem Beispiel vorhandenen Flansche 2.1 entspricht. Die rillenförmi- gen Vertiefungen hatten eine Tiefe von 0.4 mm in Bezug zu den Erhebungen und eine Breite von 0.3 mm. Dazwischen angeordnete Erhebungen hatten eine Breite von 0.35 mm.
Der größte Außendurchmesser der Rotorwelle 1 betrug in den Fügebereichen 84.4 mm und der kleinste Innendurchmesser der Druckscheiben 2 betrug 84.1 mm.
Die Druckscheiben 2 hatten eine Länge im gesamten nutzbaren Fügebereich inklusive des jeweiligen Flansches 2.1 von 21 mm. Der Außendurchmesser der Flansche 2.1 betrug 95 mm. Die Flansche 2.1 hatten eine Länge parallel zur Rotationsachse von 24 mm und der Innendurchmesser von kreisringförmigen Elementen der Blechpakete 3.1 und 3.6, die unmittelbar an einer der Druckscheiben 2 angeordnet sind, betrug 96 mm.
Die innere Oberfläche der Bohrungen der Druckscheiben 2 wurden mittels eines Räumwerkzeuges bearbeitet, was zu einer Erhöhung der Oberflächenrauheit auf einen Wert von Rzl6 führte.
Das Aufschieben kann gesteuert oder geregelt mittels pneumatisch oder hydraulisch betriebener Manipulatoren oder durch einen anderen Linearantrieb erreicht werden, die in Figur 1 nicht gezeigt sind

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Montage einer Rotorwelle eines Elektromotors, bei dem mit kreisringförmigen Elementen aus einem weichmagnetischen Werkstoff gebildete Blechpakete (3.1, bis 3.x) auf der Rotorwelle (1) zwischen zwei auf der Rotorwelle (1) angeordneten Druckscheiben (2) gehalten sind, dabei
wird wenigstens an einer ersten oder an einer zweiten Druckscheibe (2) im hohlzylindrischen Bereich an einer inneren Mantelfläche oder
an einer äußeren Oberfläche der Rotorwelle (1) in einem Fügebereich eine von einem Gewinde abweichende Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen durch wenigstens eine spanende oder umformende Bearbeitung, ausgebildet und wobei
wenigstens die erste oder die zweite Druckscheibe (2) koaxial zur Rotationsachse der Rotorwelle (1) auf die Rotorwelle (1) aufgeschoben wird oder werden, so dass
eine plastischen Verformung im Bereich der ausgebildeten Erhebungen der Oberflächenstruktur erfolgt und
eine kraftschlüssige und formschlüssige Verbindung im Fügebereich zwischen der Rotorwelle (1) und mindestens einer der beiden Druckscheiben (2) entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die erste oder zweite Druckscheibe (2) unmittelbar an der Rotorwelle (1) ausgebildet ist und die jeweils andere Druckscheibe (2) nach dem Aufschieben der Blechpakete (3.1, bis 3.x) zur Ausbildung der kraft- und formschlüssigen Verbindung auf die Rotorwelle (1) aufgeschoben wird, oder zuerst die erste oder zweite Druckscheibe (2), nachfolgend daran die Blechpakete (3.1, bis 3.x) und wiederum nachfolgend daran die jeweils andere Druckscheibe (2) zur Ausbildung der kraft- und formschlüssigen Verbindung sowie zur Fixierung der Blechpakete (3.1, bis 3.x) zwischen den Druckscheiben (2) auf die Rotorwelle (1) aufgeschoben wird/werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenstruktur mit mehreren ringförmigen Erhebungen und Vertiefungen, die senkrecht oder in einem Winkel zwischen 30 ° und 60° in Bezug zur Rotationsachse der Rotorwelle (1) ausgerichtet sind, ausgebildet wird.
4. Verfahren nacheinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche der Rotorwelle (1) im Fügebereich oder an der inneren Mantelfläche der Druckscheibe(n) (2) eine Oberflächenbearbeitung be- vorzugtjnittels Räumung durchgeführt wird, wenn dort keine Oberflächenstruktur ausgebildet worden ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim koaxialen Aufschieben der ersten und/oder zweiten Druckschei- be(n) (2) eine Temperaturdifferenz zwischen Rotorwelle (1) und der ersten und/oder zweiten Druckscheibe(n) (2) eingehalten wird.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufschiebens der Druckscheibe(n) (2) eine Temperaturdifferenz zwischen Druckscheibe(n) (2) und Rotorwelle (1) eingehalten wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Erhebungen und Vertiefungen der ausgebildeten Oberflächenstruktur in einem Fügebereich zwischen innerer Mantelfläche einer jeweiligen Druckscheibe (2) oder der äußeren Oberfläche der Rotorwelle (1) eine Höhendifferenz von mindestens 0.15 mm in radialer Richtung eingehalten wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kreisringförmige Elemente für in Richtung einer Druckscheibe (2) angeordnete Blechpakete (3.1 und 3.x), die einen gegenüber den kreisringförmigen Elementen, mit denen dazwischen angeordnete Blechpakete (3.2 bis 3.x-l) gebildet sind, einen größeren Innendurchmesser aufweisen, eingesetzt werden und an den Druckscheiben (2) in Richtung der äußeren Blechpakete (3.1 und 3.x) weisend den Fügebereich vergrößernde Flansche (2.1) ausgebildet worden sind, und die Innendurchmesser der an den äußeren Blechpaketen (3.1 und 3.x) angeordneten kreisringförmigen Elemente an die Außendurchmesser der Flansche (2.1) angepasst sind.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckscheibe(n) (2) einen Innendurchmesser und die Rotorwelle (2) im/in Fügebereich(en) einen Außendurchmesser bei Umgebungstemperatur aufweisen, mit dem eine Presspassung und/oder eine Formpassung ausgebildet wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Presspassung nach dem Temperaturausgleich zwischen Druckscheibe(n) (2) und Rotorwelle (1) ausgebildet wird.
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