WO2025113751A1 - Fertigungssystem und verfahren zur herstellung eines stators und/oder eines rotors einer elektrischen maschine sowie computerprogrammprodukt - Google Patents

Fertigungssystem und verfahren zur herstellung eines stators und/oder eines rotors einer elektrischen maschine sowie computerprogrammprodukt Download PDF

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WO2025113751A1
WO2025113751A1 PCT/DE2024/101015 DE2024101015W WO2025113751A1 WO 2025113751 A1 WO2025113751 A1 WO 2025113751A1 DE 2024101015 W DE2024101015 W DE 2024101015W WO 2025113751 A1 WO2025113751 A1 WO 2025113751A1
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holding tool
electrical sheets
temperature
electrical
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Marcel Röll
Moritz WAGENBLATT
Mathias HUBER
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
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    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/12—Impregnating, moulding insulation, heating or drying of windings, stators, rotors or machines

Definitions

  • the present invention relates to a manufacturing system for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine.
  • the invention further relates to a method for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine and to a computer program product.
  • Electric motors are increasingly being used to power motor vehicles, creating alternatives to combustion engines that require fossil fuels. Considerable efforts have already been made to improve the everyday suitability of electric drives and also to provide users with the same level of driving comfort they are accustomed to.
  • the stacked laminated cores, coated with the bonding varnish are placed in a special tool and heated.
  • This baking process serves to harden the bonding varnish and firmly bond the individual laminations together, which contributes to the structural integrity of the rotor.
  • the laminated cores with the hardened bonding varnish are transferred to a new tool.
  • the magnets which are essential for generating the magnetic poles in the rotor, can be inserted into the formed rotor body. This rotor body, now with the magnets The rotor body is then subjected to another heating process.
  • a special molding material typically a thermoplastic or thermoset, is introduced into the structure of the rotor body in the transfer molding process. This material helps to fix the magnets in the magnet pockets of the rotor body, seal the rotor, and ensure its geometric shape and mechanical strength.
  • the object of the invention is to provide a manufacturing system for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine that allows for particularly energy-efficient production of the rotor and/or stator. Furthermore, the object of the invention is to provide an energy-optimized method for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine. Furthermore, the object of the invention is to provide a correspondingly improved computer program product.
  • a manufacturing system for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine comprising:
  • a holding tool for receiving a plurality of stacked annular disk-shaped electrical sheets wherein the holding tool has a clamping mandrel for fixing the electrical sheets to the inner diameter of the clamping mandrel, as well as a base plate at a first axial end of the clamping mandrel and a cover plate at a second axial end, wherein an axial tension can be introduced into the electrical sheets arranged on the clamping mandrel via the base plate and/or the cover plate;
  • the manufacturing system according to the invention thus allows, in particular, the merging of the thermal processes in the two production steps of baking and transfer molding by means of the holding tool. This provides the advantage of providing a manufacturing system that avoids repeated heating of the rotor during its production, which leads to corresponding savings in energy costs and equipment investments and ultimately contributes to more efficient and cost-effective production of an electric machine.
  • a key element of the manufacturing system according to the invention is the holding tool, which can also be referred to as the tool core.
  • the holding tool comprises a clamping mandrel for securing the electrical sheets at its inner diameter, as well as a base plate and a cover plate, which can apply axial tension to the electrical sheets, for example, via spring elements.
  • This holding tool thus serves, among other things, for holding the electrical sheets, for handling between the bonding varnish tool and the transfer molding tool, and preferably also for shaping using an injection geometry for the molding process.
  • the transfer molding tool and/or the holding tool can be provided with a temperature sensor for determining the temperature of the electrical steel sheets, thus enabling very precise thermal management of the manufacturing process. It is particularly advantageous to arrange the temperature sensor in the holding tool, as it then "moves" through the process chain and no separate sensors need to be provided in the self-bonding varnish tool and/or transfer molding tool.
  • the holding tool comprises an injection molding geometry which, when inserted into the transfer molding tool, influences the shaping and/or the flow of the plastic during the transfer molding process. This can ensure that the electrical sheets 6 can remain in the holding tool during the process chain and not be transferred into a must be transferred to a separate injection molding tool.
  • the holding tool thus forms part of the transfer molding tool.
  • the object of the invention is further achieved by a method for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine, comprising the following steps:
  • a holding tool for receiving a plurality of stacked annular disk-shaped electrical sheets, wherein the holding tool has a clamping mandrel for fixing the electrical sheets to the inner diameter of the clamping mandrel, as well as a base plate at a first axial end of the clamping mandrel and a cover plate at a second axial end, wherein an axial tension can be introduced into the electrical sheets arranged on the clamping mandrel via the base plate and/or the cover plate; a) placing the electrical sheets onto the clamping mandrel of the holding tool; b) introducing an axial tension into the electrical sheets arranged on the clamping mandrel by means of the base plate and/or the cover plate; c) inserting the clamping mandrel into a baking varnish tool; wherein steps ac can be carried out in any desired order; d) setting the electrical sheets fixed to the holding tool to a baking varnish temperature; e) removing the holding tool from the baking varnish tool; f) inserting the
  • Electrical laminations can be stacked using various methods.
  • the electrical laminations can be designed as stacked laminations, in which the individual laminations are simply stacked on top of one another. This is the simplest and most cost-effective type of lamination, but it can lead to increased magnetic loss.
  • a lamination stack arrangement can also be configured as a layered lamination, in which the laminations are arranged in layers, with each layer rotated by a specific angle. This reduces eddy current losses and improves magnetic behavior.
  • the electrical laminations using a segmented lamination, in which the laminations are divided into segmented parts that are then assembled into a complete stack, which can contribute to precise control of the magnetic properties and a reduction in eddy current losses. It would also be possible to design the electrical laminations as a bevel-cut or skew-cut lamination, in which the laminations are cut at an angle and then reassembled into a stack, which can reduce unwanted noise and vibration. Finally, it would also be possible to configure the laminated core arrangement as a step-lap stack, in which the laminations are arranged so that their ends overlap, thereby increasing mechanical stability and reducing magnetic losses.
  • the bonding varnish can be applied to the electrical steel sheets in various ways.
  • the bonding varnish is preferably applied to the electrical steel sheets using a method selected from the group of baptism methods, spraying methods, roller methods, impregnation methods, and/or powder coating methods.
  • the baptism process the stacked electrical sheets are dipped into the bonding varnish. After dipping, the excess varnish is drained off and the sheets are subjected to the thermal curing process, during which the varnish hardens and bonds the sheets together and insulates them.
  • the bonding varnish is sprayed onto the electrical sheets. This allows the varnish to be applied precisely to the desired areas. After the varnish has been applied, the stack of electrical sheets is thermally cured to ensure a strong bond and insulation.
  • the varnish is applied to the electrical sheets using rollers. This allows the varnish to be evenly distributed over the entire surface of the electrical sheets.
  • the thermal curing process follows to fix and insulate the sheets.
  • the impregnation process the stacked electrical sheets are soaked with the liquid bonding varnish so that the varnish penetrates into the spaces between the sheets.
  • the sheets are thermally cured, which hardens the paint and forms a solid, insulating layer between the sheets.
  • a powder coating is electrostatically applied to the electrical sheets and then thermally baked. This forms a continuous, insulating layer that effectively bonds the sheets.
  • the application of the bonding varnish to the electrical steel sheets preferably takes place before the electrical steel sheets fixed to the holding tool are heated to a bonding varnish temperature.
  • the application of the bonding varnish to the electrical steel sheets is preferably carried out before the clamping mandrel with the electrical steel sheets is inserted into a bonding varnish tool.
  • the self-bonding varnish tool comprises, in particular, a thermal energy source for heating the electrical steel sheets coated with the self-bonding varnish to the required temperature for curing the self-bonding varnish.
  • the self-bonding varnish tool can be an oven.
  • the bonding varnish is hardened by heating to join and insulate the electrical sheets.
  • the curing temperature of the The curing time of the self-bonding varnish depends on the specific type of varnish used and its chemical properties.
  • the curing temperature of the self-bonding varnish is preferably between 150°C and 200°C.
  • the temperature should be controlled as precisely as possible to ensure that the varnish cures evenly and that the desired mechanical and electrical properties are achieved. Therefore, it may be preferable for the self-bonding varnish tool and/or the holding tool to have a temperature sensor.
  • the curing process can take between a few minutes and several hours, again depending on the specific varnish formulation and process requirements.
  • a baking varnish can, for example, be selected from the group of epoxy resins, polyester resins, polyurethane resins, alkyd resins, silicone resins, acrylic resins, phenolic resins, melamine resins.
  • the holding tool can be removed from the self-bonding varnish tool at a temperature of the electrical steel sheets that is between 0.5 and 1.0 times the self-bonding varnish temperature. This can, in particular, achieve the effect that the heat content of the electrical steel sheets and/or the holding tool is still sufficiently high to reduce or even completely prevent a renewed introduction of thermal energy during the subsequent transfer molding.
  • the invention can also be further developed such that the insertion of the holding tool into a transfer molding tool occurs at a temperature of the electrical steel sheets that is between 0.5 and 1.0 times the baking varnish temperature.
  • the advantage of this embodiment is also that the thermal energy content of the electrical steel sheets and/or the holding tool from the baking of the electrical steel sheets is still sufficiently high that the introduction of additional thermal energy can be reduced or even completely eliminated.
  • the adjustment of the clamping elements fixed to the holding tool Electrical steel sheets are heated to a molding temperature that is lower than the bonding temperature. This eliminates the need for reheating and the introduction of thermal energy during transfer molding, which is naturally particularly energy-efficient and therefore particularly preferred.
  • the transfer molding tool and/or the holding tool has a temperature sensor for determining the temperature of the electrical sheets, and the plastic is only injected around the electrical sheets in the transfer molding tool when the temperature sensor sends a signal representing the molding temperature to a process control of the transfer molding tool.
  • the advantage that can be realized in this way is that very precise thermal management of the manufacturing process is enabled. It is particularly advantageous to arrange the temperature sensor in the holding tool, since it then "moves along" through the process chain and no separate sensors need to be provided in the self-bonding tool and/or transfer molding tool.
  • the object of the invention can also be achieved by a computer program product stored on a machine-readable carrier or computer data signal embodied by an electromagnetic wave, with a computer program code suitable for carrying out a method according to one of claims 4-9.
  • Figure 1 shows the manufacturing system for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine in a first manufacturing step in a schematic representation
  • Figure 2 shows the manufacturing system for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine in a second manufacturing step in a schematic representation
  • Figure 3 shows the manufacturing system for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine in a third manufacturing step in a schematic representation
  • Figure 4 shows the manufacturing system for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine in a fourth manufacturing step in a schematic representation
  • Figure 5 shows the manufacturing system for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine in a fifth manufacturing step in a schematic representation
  • Figure 6 shows the manufacturing system for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine in a sixth manufacturing step in a schematic representation
  • Figure 7 shows the manufacturing system for producing a stator and/or a rotor of an electrical machine in a seventh manufacturing step in a schematic representation
  • Figure 8 shows a stator and/or a rotor of an electrical machine after an eighth manufacturing step in a schematic representation
  • Figure 9 shows an electrical machine with a rotor and a stator in a schematic axial section.
  • Figures 1-7 show a manufacturing system 1 for producing a stator 2 and/or a rotor 3 of an electrical machine 4 in various manufacturing steps.
  • Figure 1 shows a plurality of already punched and stacked annular electrical sheets 6, from which a stator 2 or a rotor 3 of an electrical machine 4 is to be produced.
  • Such an electrical machine 4 is shown as an example in Figure 9.
  • the manufacturing system 1 comprises a holding tool 5 for receiving the stacked annular disk-shaped electrical sheets 6, wherein the holding tool 6 has a clamping mandrel 7 for fixing the electrical sheets 6 to the inner diameter 8 of the clamping mandrel 7, as well as a base plate 10 at a first axial end 9 of the clamping mandrel 7.
  • the electrical sheets 6 are then placed on the clamping mandrel 7 of the holding tool 6 and rest axially on one side against the base plate 10. This state is shown in Figure 2.
  • a cover plate 12 is then arranged on the holding tool 5 at its second axial end 11, wherein an axial tension is introduced into the electrical sheets 6 arranged on the clamping mandrel 7 via the base plate 10 and/or the cover plate 11, which contributes to improved stacking of the electrical sheets 6.
  • the liquid baking varnish can then be applied to or introduced into the stack of electrical sheets 6.
  • the production system 1 further comprises a baking varnish tool 20, into which the holding tool 5 equipped with the wetted electrical sheets 6 is inserted and set to a baking varnish temperature so that the baking varnish cures thermally.
  • a baking varnish tool 20 into which the holding tool 5 equipped with the wetted electrical sheets 6 is inserted and set to a baking varnish temperature so that the baking varnish cures thermally.
  • the temperature sensor can then also determine when the electrical sheets 6 have cooled sufficiently from the baked enamel temperature that the molding temperature is reached, which is usually slightly below the baked enamel temperature.
  • the molding temperature is reached, the injection of the plastic 31 is triggered in the molding tool, and the electrical sheets are overmolded with the plastic 31.
  • the holding tool 5 After baking, the holding tool 5 is removed from the baking varnish tool 20 and inserted into a transfer molding tool 30, where it is adjusted to the molding temperature.
  • the electrical sheets 6 are then overmolded in the transfer molding tool 30 with a plastic 31, as can be seen in Figures 5-6.
  • the transfer molding tool 30 and/or the holding tool 5 can have a temperature sensor for determining the temperature of the electrical sheets 6.
  • Figures 5-6 also show that the holding tool 5 comprises an injection geometry which, when inserted into the transfer molding tool 30, influences the shaping and/or flow of the plastic during the transfer molding process.
  • the holding tool 5 with the electrical sheets 6 is removed from the transfer molding tool 30, as shown in Figure 7.
  • the rotor 3 or the stator 2 is removed from the holding tool 5, as shown in Figure 8.
  • the rotor 3 or the stator 2 can then be used in an electrical machine 4
  • a radial flux machine as shown in the figure 9 is outlined.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fertigungssystem (1 ) zur Herstellung eines Stators (2) und/oder eines Rotors (3) einer elektrischen Maschine (4), umfassend ein Haltewerkzeug (5) zur Aufnahme einer Mehrzahl von gestapelten ringscheibenförmigen Elektroblechen (6), wobei das Haltewerkzeug (6) einen Spanndorn (7) zur Fixierung der Elektrobleche (6) am Innendurchmesser (8) des Spanndorns (7) aufweist, sowie an einem ersten axialen Ende (9) des Spanndorns (7) eine Grundplatte (10) und an einem zweiten axialen Ende (11 ) eine Deckplatte (12), wobei über die Grundplatte (10) und/oder die Deckplatte (11 ) eine axiale Spannung in die an dem Spanndorn (7) angeordneten Elektrobleche (6) eintragbar ist; ein Backlack-Werkzeug (20) in welches das mit den Elektroblechen (6) bestückte Haltewerkzeug (5) einsetzbar und auf eine Backlacktemperatur einstellbar ist; ein Transfermoulding-Werkzeug (30) in welches das mit den elektroblechen (6) bestückte Haltewerkzeug (5) einsetzbar und auf eine Moulding-Temperatur einstellbar ist.

Description

Fertigungssystem und Verfahren zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine sowie Computerprogrammprodukt
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fertigungssystem zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine sowie ein Computerprogrammprodukt.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Im Herstellungsprozess von Rotoren für elektrische Maschinen, wie sie beispielsweise in Antriebssträngen von elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugen Verwendung finden, werden zunächst Elektrobleche gestanzt, die die Grundlage für die Stacks des Rotors bilden. Diese gestanzten Bleche werden dann sorgfältig gestapelt und es wird ein spezieller Backlack aufgetragen, der sowohl zur Isolation der einzelnen Bleche als auch zur Optimierung der magnetischen sowie mechanischen Eigenschaften des Stacks dient. Dieser Backlack kann beispielsweise durch eine Tauchimprägnierung oder Träufelimprägnierung auf den Stack aufgetragen bzw. in den Stack eingetragen wird.
In einem nächsten Schritt werden die gestapelten und mit dem Backlack benetzten Blechpakete in ein spezielles Werkzeug gelegt und erhitzt. Dieser Backprozess dient dazu, den Backlack zu härten und die einzelnen Bleche fest miteinander zu verbinden, was zur strukturellen Integrität des Rotors beiträgt. Nachdem dieser Prozess abgeschlossen und die Stacks abgekühlt sind, werden die Blechpakete mit dem ausgehärteten Backlack in ein neues Werkzeug transferiert. In diesem Stadium des Prozesses können dann beispielsweise auch die Magnete in den gebildeten Rotorkörper eingefügt werden, die für die Erzeugung der magnetischen Pole im Rotor unerlässlich sind. Dieser Rotorkörper, jetzt mit den Magneten ausgestattet, wird dann erneut einem Erhitzungsprozess unterzogen. Anschließend wird im Transfermolding-Prozess ein spezielles Moldingmaterial, typischerweise ein Thermoplast oder Duroplast, in die Struktur des Rotorkörpers eingeführt. Dieses Material hilft, die Magnete in den Magnettaschen des Rotorkörpers zu fixieren, den Rotor zu versiegeln und seine geometrische Form und mechanische Festigkeit zu gewährleisten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fertigungssystem zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine bereitzustellen, dass eine besonders energiesparende Herstellung des Rotors und/oder Stators erlaubt. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein energetisch optimiertes Verfahren zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine bereitzustellen. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung ein entsprechend verbessertes Computerprogrammprodukt bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fertigungssystem zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine, umfassend:
- Ein Haltewerkzeug zur Aufnahme einer Mehrzahl von gestapelten ringscheibenförmigen Elektroblechen, wobei das Haltewerkzeug einen Spanndom zur Fixierung der Elektrobleche am Innendurchmesser des Spanndoms aufweist, sowie an einem ersten axialen Ende des Spanndoms eine Grundplatte und an einem zweiten axialen Ende eine Deckplatte, wobei über die Grundplatte und/oder die Deckplatte eine axiale Spannung in die an dem Spanndom angeordneten Elektrobleche eintragbar ist;
- Ein Backlack-Werkzeug in welches das mit den Elektroblechen bestückte Haltewerkzeug einsetzbar und auf eine Backlacktemperatur einstellbar ist;
Ein Transfermoulding-Werkzeug in welches das mit den elektroblechen bestückte Haltewerkzeug einsetzbar und auf eine Moulding-Temperatur einstellbar ist. Das erfindungsgemäße Fertigungssystem erlaubt somit insbesondere das Zusammenführen der thermischen Prozesse in den beiden Produktionsschritten Backen und Transfermolden durch das Haltewerkzeug. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass ein Fertigungssystem bereitgestellt werden kann, bei dem ein mehrfaches Erwärmen des Rotors während seiner Fertigung vermieden wird, was zu entsprechenden Einsparungen bei Energiekosten und Anlageninvestitionen führt und letztendlich zu einer effizienteren und kostengünstigeren Produktion einer elektrischen Maschine beiträgt.
Ein Wesentliches Element des erfindungsgemäßen Fertigungssystems ist das Haltewerkzeug, das auch als Werkzeugkern bezeichnet werden kann. Das Haltewerkzeug umfasst einen Spanndorn zu Fixierung der Elektrobleche an seinem Innendurchmesser sowie eine Grundplatte und eine Deckplatte, welche beispielsweise über Federelemente eine axiale Spannung auf die Elektrobleche aufbringen kann. Dieses Haltewerkzeug dient somit u.a. zum Aufnehmen der Elektrobleche, zum Handling zwischen Backlack-Werkzeug und Transfermolding- Werkzeug, sowie bevorzugt auch zur Formgebung mittels einer Anspritzgeometrie für den Molding-Prozess.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Transfermoulding-Werkzeug und/oder das Haltewerkzeug einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der Elektrobleche aufweist, so dass ein sehr genaues thermisches Management des Fertigungsprozesses ermöglicht wird. Es ist besonders günstig, den Temperatursensor in dem Haltewerkzeug anzuordnen, da dieser dann durch die Prozesskette „mitwandert“ und keine separaten Sensoren in dem Backlack-Werkzeug und/oder Transfermoulding-Werkzeug vorgesehen werden muss.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Haltewerkzeug eine Anspritzgeometrie umfasst, die in einem in das Transfermoulding-Werkzeug eingesetzten Zustand die Formgebung und/oder den Fluss des Kunststoffs während des Transfermoulding-Prozesses beeinflusst. Es kann hierdurch erreicht werden, dass die Elektrobleche 6 während der Prozesskette in dem Haltewerkzeug verbleiben können und nicht in ein separates Spritzgusswerkzeug überführt werden müssen. Das Haltewerkzeug bildet somit einen Teil des Transfermoulding-Werkzeugs aus.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine, umfassend die folgenden Schritte:
- Bereitstellung eines Haltewerkzeugs zur Aufnahme einer Mehrzahl von gestapelten ringscheibenförmigen Elektroblechen, wobei das Haltewerkzeug einen Spanndom zur Fixierung der Elektrobleche am Innendurchmesser des Spanndoms aufweist, sowie an einem ersten axialen Ende des Spanndoms eine Grundplatte und an einem zweiten axialen Ende eine Deckplatte, wobei über die Grundplatte und/oder die Deckplatte eine axiale Spannung in die an dem Spanndom angeordneten Elektrobleche eintragbar ist; a) Aufsetzen der Elektrobleche auf den Spanndom des Haltewerkzeugs ; b) Einbringen einer axialen Spannung mittels der Grundplatte und/oder der Deckplatte in die an dem Spanndom angeordneten Elektrobleche ; c) Einsetzen des Spanndoms in ein Backlack-Werkzeug ; wobei die Schritte a-c in einer beliebigen Reihenfolge ausführbar sind; d) Einstellen der an dem Haltewerkzeug fixierten Elektrobleche auf eine Backlacktemperatur; e) Entnahme des Haltewerkzeug aus dem Backlack-Werkzeug ; f) Einsetzen des Haltewerkzeugs in ein Transfermoulding-Werkzeug ; g) Einstellen der an dem Haltewerkzeug fixierten Elektrobleche auf eine Moulding-Temperatur; wobei die Schritte e-g in einer beliebigen Reihenfolge ausführbar sind; h) Umspritzen der Elektrobleche in dem Transfermoulding-Werkzeug mit einem Kunststoff.
Die Elektrobleche können mittels verschiedener Verfahren paketiert werden. Beispielsweise können die Elektrobleche als Stapelpaketierung ausgeführt werden, bei der die einzelnen Blechlamellen einfach übereinander gestapelt sind. Dies ist die einfachste und kostengünstigste Art der Paketierung, jedoch kann sie zu einem erhöhten magnetischen Verlust führen. Um diese zu reduzieren, kann eine Blechpaketanordnung auch als eine Schichtpaketierung konfiguriert sein, bei der die Blechlamellen in Schichten angeordnet sind, wobei jede Schicht um einen bestimmten Winkel gedreht ist. Dadurch werden Wirbelstromverluste reduziert und das magnetische Verhalten verbessert. Auch ist es denkbar, die Elektrobleche mittels einer Segmentpaketierung zu paketieren, bei der die Blechlamellen in segmentierte Teile unterteilt sind, die dann zu einem vollständigen Paket zusammengesetzt werden, was zu einer präzisen Kontrolle der magnetischen Eigenschaften und zu einer Verringerung der Wirbelstromverluste beitragen kann. Auch wäre es möglich die Elektrobleche als eine Schrägschnitt- oder Skew- Paketierung auszuführen, bei welcher die Blechlamellen schräg geschnitten und dann wieder zu einem Paket zusammengesetzt werden, wodurch unerwünschte Geräusche und Vibrationen verringert werden können. Schließlich wäre es auch möglich, die Blechpaketanordnung als eine Step-Lap-Paketierung zu konfigurieren, bei der dann die Blechlamellen so angeordnet sind, dass deren Enden überlappen, wodurch die mechanische Stabilität erhöht und magnetische Verluste reduziert werden können.
Das Aufbringen des Backlacks auf die Elektrobleche kann auf verschiedene Weise erfolgen. Bevorzugt wird der Backlack auf die Elektrobleche aufgetragen mittels eines Verfahren ausgewählt aus der Gruppe der Taufverfahren, Sprühverfahren, Rollenverfahren, Tränkverfahren und/oder Pulverbeschichtungsverfahren. Beim Taufverfahren werden die gestapelten Elektrobleche in den Backlack getaucht. Nach dem Tauchen wird der überschüssige Lack abgetropft, und die Bleche werden dem thermischen Härteprozess unterzogen, bei dem der Lack aushärtet und die Bleche zusammenhält und isoliert. Bei einem Sprühverfahren wird der Backlack auf die Elektrobleche gesprüht. Hierbei kann der Lack präzise auf die gewünschten Bereiche aufgetragen werden. Nach dem Aufträgen des Lacks wird der Stapel von Elektroblechen thermisch gehärtet, um eine feste Verbindung und Isolation zu gewährleisten. Beim Rollenverfahren wird der Lack mit Hilfe von Rollen auf die Elektrobleche aufgetragen. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Lacks über die gesamte Oberfläche der Elektrobleche. Nach dem Aufträgen des Lacks erfolgt der thermischer Härteprozess, um die Bleche zu fixieren und zu isolieren. Beim Tränkverfahren werden die gestapelten Elektrobleche mit dem flüssigen Backlack getränkt, sodass der Lack in die Zwischenräume zwischen den Blechen eindringt. Nach der Tränkung werden die Bleche thermisch gehärtet, wodurch der Lack aushärtet und eine solide, isolierende Schicht zwischen den Blechen bildet. In einem Pulverbeschichtungsverfahren wird ein Pulverlack elektrostatisch auf die Elektrobleche aufgebracht und anschließend thermisch eingebrannt. Dies bildet eine durchgehende, isolierende Schicht, die die Bleche effektiv verbindet.
Es versteht sich, dass das Aufbringen des Backlacks auf die Elektrobleche bevorzugt vor dem Einstellen der an dem Haltewerkzeug fixierten Elektrobleche auf eine Backlacktemperatur erfolgt. Bevorzugt wird das Aufbringen des Backlacks auf die Elektrobleche vor dem Einsetzen des Spanndoms mit den Elektroblechen in ein Backlack-Werkzeug durchgeführt.
Das Backlack-Werkzeug umfasst insbesondere eine thermische Energiequelle zur Erwärmung der mit dem Backlack benetzen Elektrobleche auf die erforderliche Backlack-Temperatur zum Aushärten des Backlacks. So kann in einer einfachsten Ausgestaltung das Backlack-Werkzeug ein Ofen sein.
Beim thermischen Aushärten des Backlacks in dem Backlack-Werkzeug, auch als "Baken" bezeichnet, wird der Backlack durch Erhitzen gehärtet, um die Elektrobleche zusammenzufügen und zu isolieren. Die Aushärtungstemperatur des Backlacks hängt von der spezifischen Art des verwendeten Lacks und seinen chemischen Eigenschaften ab. Bevorzugt liegt die Aushärtungstemperatur des Backlacks zwischen 150°C und 200°C. Während des Aushärtungsprozesses sollte die Temperatur möglichst präzise kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass der Lack gleichmäßig aushärtet und die gewünschten mechanischen und elektrischen Eigenschaften erreicht werden. Daher kann es bevorzugt sein, dass das Backlack- Werkzeug und/oder das Haltewerkzeug einen Temperatursensor aufweisen/aufweist. Der Aushärtungsprozess kann zwischen einigen Minuten bis zu mehreren Stunden dauern, auch hier abhängig von der spezifischen Lackformulierung und den Prozessanforderungen.
Ein Backlack kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Epoxidharze, Polyesterharze, Polyurethanharze, Alkydharze, Silikonharze, Acrylharze, Phenolharze, Melaminharze.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Entnahme des Haltewerkzeug aus dem Backlack-Werkzeug bei einer Temperatur der Elektrobleche erfolgt, die zwischen 0, 5-1 ,0 mal der Backlacktemperatur beträgt. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass der Wärmeinhalt der Elektrobleche und/oder des Haltewerkzeugs noch hinreichend hoch ist, um ein erneutes Einbringen von thermischer Energie während des nachfolgenden Transfermouldings zu reduzieren oder gar vollständig zu verhindern.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Einsetzen des Haltewerkzeugs in ein Transfermoulding-Werkzeug bei einer Temperatur der Elektrobleche erfolgt, die zwischen 0,5-1 ,0 mal der Backlacktemperatur beträgt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist ebenfalls, dass der thermische Energiegehalt der Elektrobleche und/oder des Haltewerkzeugs aus dem Backen der Elektrobleche noch so hoch ist, dass das Einbringen von zusätzlicher thermischer Energie reduziert oder darauf sogar vollständig verzichtet werden kann.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Einstellen der an dem Haltewerkzeug fixierten Elektrobleche auf eine Moulding-Temperatur erfolgt, die kleiner ist als die Backlacktemperatur. Hierdurch kann auf ein erneutes Aufheizen und einbringen von thermischer Energie während des Transfermouldings verzichtet werden, was energetisch natürlich besonders günstig und daher besonders bevorzugt ist.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Transfermoulding-Werkzeug und/oder das Haltewerkzeug einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der Elektrobleche aufweist und das Umspritzen der Elektrobleche in dem Transfermoulding-Werkzeug mit dem Kunststoff erst erfolgt, wenn durch den Temperatursensor eine die Moulding- Temperatur repräsentierendes Signal an einer Prozesssteuerung des Transfermoulding-Werkzeugs anliegt. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass ein sehr genaues thermisches Management des Fertigungsprozesses ermöglicht wird. Es ist besonders günstig, den Temperatursensor in dem Haltewerkzeug anzuordnen, da dieser dann durch die Prozesskette „mitwandert“ und keine separaten Sensoren in dem Backlack- Werkzeug und/oder Transfermoulding-Werkzeug vorgesehen werden muss.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass nach dem Aufsetzen der Elektrobleche auf den Spanndorn des Haltewerkzeugs und vor dem Einbringen einer axialen Spannung mittels der Grundplatte und/oder der Deckplatte in die an dem Spanndom angeordneten Elektrobleche eine Mehrzahl von Permanentmagneten in die entsprechenden Magnettaschen der Elektrobleche eingesetzt werden.
Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst werden durch ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit einem Computerprogrammcode, der geeignet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4-9.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Es zeigt:
Figur 1 das Fertigungssystem zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine bei einem ersten Fertigungsschritt in einer schematischen Darstellung,
Figur 2 das Fertigungssystem zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine bei einem zweiten Fertigungsschritt in einer schematischen Darstellung,
Figur 3 das Fertigungssystem zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine bei einem dritten Fertigungsschritt in einer schematischen Darstellung,
Figur 4 das Fertigungssystem zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine bei einem vierten Fertigungsschritt in einer schematischen Darstellung,
Figur 5 das Fertigungssystem zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine bei einem fünften Fertigungsschritt in einer schematischen Darstellung,
Figur 6 das Fertigungssystem zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine bei einem sechsten Fertigungsschritt in einer schematischen Darstellung,
Figur 7 das Fertigungssystem zur Herstellung eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine bei einem siebten Fertigungsschritt in einer schematischen Darstellung,
Figur 8 einen Stator und/oder einen Rotor einer elektrischen Maschine nach einem achten Fertigungsschritt in einer schematischen Darstellung, Figur 9 eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator in einer schematischen Axialschnittdarstellung.
Die Figuren 1-7 zeigen ein Fertigungssystem 1 zur Herstellung eines Stators 2 und/oder eines Rotors 3 einer elektrischen Maschine 4 in verschiedenen Fertigungsschritten.
Figur 1 zeigt eine Mehrzahl von bereits gestanzten und gestapelten ringförmigen Elektroblechen 6, aus welchen ein Stator 2 oder ein Rotor 3 einer elektrischen Maschine 4 hergestellt werden soll. Eine derartige elektrische Maschine 4 ist exemplarisch in der Figur 9 gezeigt.
Das Fertigungssystem 1 umfasst ein Haltewerkzeug 5 zur Aufnahme der gestapelten ringscheibenförmigen Elektrobleche 6, wobei das Haltewerkzeug 6 einen Spanndom 7 zur Fixierung der Elektrobleche 6 am Innendurchmesser 8 des Spanndoms 7 aufweist, sowie an einem ersten axialen Ende 9 des Spanndoms 7 eine Grundplatte 10. Die Elektrobleche 6 werden dann auf den Spanndom 7 des Haltewerkzeugs 6 aufgesetzt und liegen axial einseitig an der Grundplatte 10 an. Dieser Zustand ist in der Figur 2 gezeigt.
An dem Haltewerkzeug 5 wird dann in diesem Zustand an seinem zweiten axialen Ende 11 eine Deckplatte 12 angeordnet, wobei über die Grundplatte 10 und/oder die Deckplatte 11 eine axiale Spannung in die an dem Spanndom 7 angeordneten Elektrobleche 6 eingebracht wird, was zu einer verbesserten Paketierung der Elektrobleche 6 beiträgt. In diesem, in der Figur 3 zu sehenden Fertigungszustand, kann dann das Auf- bzw. Einbringen des flüssigen Backlacks auf bzw. in den Stapel der Elektrobleche 6 erfolgen.
Wie man anhand der Figur 4 erkennt, verfügt das Fertigungssystem 1 ferner über ein Backlack-Werkzeug 20, in welches das mit den benetzten Elektroblechen 6 bestückte Haltewerkzeug 5 eingesetzt und auf eine Backlacktemperatur eingestellt wird, so dass der Backlack thermisch aushärtet. Nach dem Aufsetzen der Elektrobleche 6 auf den Spanndom 7 des Haltewerkzeugs 6 und vor dem Einbringen einer axialen Spannung mittels der Grundplatte 10 und/oder der Deckplatte 11 in die an dem Spanndom 7 angeordneten Elektrobleche 6 wird eine Mehrzahl von Permanentmagneten in die entsprechenden Magnettaschen der Elektrobleche 6 eingesetzt. Dies ist möglich, da der mit den Permanentmagneten bestückte Stapel von Elektroblechen 6 während der nachfolgenden Prozessschritte, insbesondere bis und während des Transfermouldings, in dem Haltewerkzeug 5 verbleibt. Durch den Temperatursensor kann dann auch ermittelt werden, wann die Elektrobleche 6 so weit von der Backlack-Temperatur abgekühlt sind, dass die Molding-Temperatur erreicht ist, welche üblicherweise leicht unter der Backlacktemperatur liegt. Bei Erreichen der Moulding-Temperatur wird dann im Moldingwerkzeug die Injektion des Kunststoffs 31 ausgelöst und die Elektrobleche von dem Kunststoff 31 umspritzt.
Das Haltewerkzeug 5 wird also nach dem Backen aus dem Backlack-Werkzeug 20 entnommen und in ein Transfermoulding-Werkzeug 30 eingesetzt und dort auf die Moulding-Temperatur eingestellt. Dann erfolgt ein Umspritzen der Elektrobleche 6 in dem Transfermoulding-Werkzeug 30 mit einem Kunststoff 31 , was in den Figuren 5-6 zu sehen ist. Für eine thermische Prozesskontrolle kann das Transfermoulding- Werkzeug 30 und/oder das Haltewerkzeug 5 einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der Elektrobleche 6 aufweisen. Den Figuren 5-6 ist auch entnehmbar, dass das Haltewerkzeug 5 eine Anspritzgeometrie umfasst, die in einem in das Transfermoulding-Werkzeug 30 eingesetzten Zustand die Formgebung und/oder den Fluss des Kunststoffs während des Transfermoulding- Prozesses beeinflusst.
Nach dem Transfermoulding wird das Haltewerkzeug 5 mit den Elektroblechen 6 dem Transfermoulding-Werkzeug 30 entnommen, was in der Figur 7 gezeigt ist. Abschließend wird dann der Rotor 3 oder der Stator 2 aus dem Haltewerkzeug 5 entnommen, so wie es in der Figur 8 zu sehen ist.
Der Rotor 3 oder der Stator 2 können dann in einer elektrischen Maschine 4
Verwendung finden, beispielsweise einer Radialflussmaschine, wie sie in der Figur 9 skizziert ist.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezuqszeichenliste
1 Fertigungssystem
2 Stator
3 Rotor
4 elektrische Maschine
5 Haltewerkzeug
6 Elektrobleche
7 Spanndom
8 Innendurchmesser
9 Ende
10 Grundplatte
11 Ende
12 Deckplatte
20 Backlack-Werkzeug
30 Transfermoulding-Werkzeug
31 Kunststoff

Claims

Ansprüche
1 . Fertigungssystem (1 ) zur Herstellung eines Stators (2) und/oder eines Rotors (3) einer elektrischen Maschine (4), umfassend: dadurch gekennzeichnet, dass ein Haltewerkzeug (5) zur Aufnahme einer Mehrzahl von gestapelten ringscheibenförmigen Elektroblechen (6), wobei das Haltewerkzeug (6) einen Spanndom (7) zur Fixierung der Elektrobleche (6) am Innendurchmesser (8) des Spanndorns (7) aufweist, sowie an einem ersten axialen Ende (9) des Spanndoms (7) eine Grundplatte (10) und an einem zweiten axialen Ende (11 ) eine Deckplatte (12), wobei über die Grundplatte (10) und/oder die Deckplatte (11 ) eine axiale Spannung in die an dem Spanndom (7) angeordneten Elektrobleche (6) eintragbar ist; ein Backlack-Werkzeug (20) in welches das mit den Elektroblechen (6) bestückte Haltewerkzeug (5) einsetzbar und auf eine Backlacktemperatur einstellbar ist; ein Transfermoulding-Werkzeug (30) in welches das mit den elektroblechen (6) bestückte Haltewerkzeug (5) einsetzbar und auf eine Moulding- Temperatur einstellbar ist.
2. Fertigungssystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Transfermoulding-Werkzeug (30) und/oder das Haltewerkzeug (5) einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der Elektrobleche (6) aufweist.
3. Fertigungssystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Haltewerkzeug (5) eine Anspritzgeometrie umfasst, die in einem in das Transfermoulding-Werkzeug (30) eingesetzten Zustand die Formgebung und/oder den Fluss des Kunststoffs während des Transfermoulding-Prozesses beeinflusst.
4. Verfahren zur Herstellung eines Stators (2) und/oder eines Rotors (3) einer elektrischen Maschine (4), umfassend die folgenden Schritte:
• Bereitstellung eines Haltewerkzeugs (5) zur Aufnahme einer Mehrzahl von gestapelten ringscheibenförmigen Elektroblechen (6), wobei das Haltewerkzeug (6) einen Spanndom (7) zur Fixierung der Elektrobleche (6) am Innendurchmesser (8) des Spanndoms (7) aufweist, sowie an einem ersten axialen Ende (9) des Spanndoms (7) eine Grundplatte (10) und an einem zweiten axialen Ende (11 ) eine Deckplatte (12), wobei über die Grundplatte (10) und/oder die Deckplatte (11 ) eine axiale Spannung in die an dem Spanndom (7) angeordneten Elektrobleche (6) eintragbar ist; a) Aufsetzen der Elektrobleche (6) auf den Spanndom (7) des Haltewerkzeugs (6); b) Einbringen einer axialen Spannung mittels der Grundplatte (10 und/oder der Deckplatte (11 ) in die an dem Spanndom (7) angeordneten Elektrobleche (6); c) Einsetzen des Spanndoms (7) in ein Backlack-Werkzeug (20);
• wobei die Schritte a)-c) in einer beliebigen Reihenfolge ausführbar sind; d) Einstellen der an dem Haltewerkzeug (5) fixierten Elektrobleche (6) auf eine Backlacktemperatur; e) Entnahme des Haltewerkzeug (5) aus dem Backlack-Werkzeug (20); f) Einsetzen des Haltewerkzeugs (5) in ein Transfermoulding-Werkzeug (30); g) Einstellen der an dem Haltewerkzeug (5) fixierten Elektrobleche (6) auf eine Moulding-Temperatur;
• wobei die Schritte e)-g) in einer beliebigen Reihenfolge ausführbar sind; h) Umspritzen der Elektrobleche (6) in dem Transfermoulding-Werkzeug (30) mit einem Kunststoff.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme des Haltewerkzeug (5) aus dem Backlack-Werkzeug (20) bei einer Temperatur der Elektrobleche (6) erfolgt, die zwischen 0,5-1 ,0 mal der Backlacktemperatur beträgt;
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsetzen des Haltewerkzeugs (5) in ein Transfermoulding-Werkzeug (30) bei einer Temperatur der Elektrobleche (6) erfolgt, die zwischen 0,5-1 ,0 mal der Backlacktemperatur beträgt;
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der an dem Haltewerkzeug (5) fixierten Elektrobleche (6) auf eine Moulding-Temperatur erfolgt, die kleiner ist als die Backlacktemperatur;
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Transfermoulding-Werkzeug (30) und/oder das Haltewerkzeug (5) einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der Elektrobleche (6) aufweist und das Umspritzen der Elektrobleche (6) in dem Transfermoulding-Werkzeug (30) mit dem Kunststoff erst erfolgt, wenn durch den Temperatursensor eine die Moulding-Temperatur repräsentierendes Signal an einer Prozesssteuerung des Transfermoulding-Werkzeugs (30) anliegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufsetzen der Elektrobleche (6) auf den Spanndom (7) des
Haltewerkzeugs (6) und vor dem Einbringen einer axialen Spannung mittels der Grundplatte (10 und/oder der Deckplatte (11 ) in die an dem Spanndom (7) angeordneten Elektrobleche (6) eine Mehrzahl von Permanentmagneten in die entsprechenden Magnettaschen der Elektrobleche (6) eingesetzt werden.
10. Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit einem Computerprogrammcode, der geeignet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4-9.
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