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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Anker für eine elektrische
Maschine mit einer Welle und einem Nabenelement sowie ein Verfahren
zur Herstellung eines derartigen Ankers.
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Anker
für elektrische Maschinen sind aus dem Stand der Technik
in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Derartige Anker werden
beispielsweise in Kleinmotoren verwendet, welche im Bereich der
Fahrzeugtechnik beispielsweise als Antriebe für Scheibenwischer,
Fensterheber, Lüfter oder elektrische Sitzversteller verwendet
werden. Als Nabenelement wird dabei üblicherweise ein Blechpaket verwendet,
welches auf der Welle fixiert wird. Zur Fixierung wurde schon vorgeschlagen,
die Befestigung des Nabenelements auf der Welle mittels Klebstoff vorzunehmen,
wobei jedoch eine Dosierung und Handhabung des Klebstoffs sehr aufwendig
und kostenintensiv ist. Da der Anker üblicherweise eine
sehr dünne Welle im Bereich zwischen 4 und 8 mm aufweist
und eine Wellenlänge im Vergleich zum Durchmesser sehr
groß ist, ergibt sich eine geringe Knickstabilität
derartiger Wellen. Von daher sind insbesondere Fügeverfahren
mit Presspassung problematisch, da hierdurch unzulässige
Rundlauffehler entstehen können. Dies führt zu
unerwünschtem Nacharbeiten bzw. einem hohen Ausschussanteil.
Ferner kommt es insbesondere bei einer Stahl-Stahl-Paarung häufig
zum Fressen bzw. Verklemmen während des Fügevorgangs.
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Weiter
ist aus der
EP 1 340
306 B1 ein Anker mit einem Nabenbauteil aus einem Blechpaket
bekannt, bei dem mehrere Module aus mindestens drei Blechen vorgesehen
werden, wobei die jeweils äußersten Bleche durch
Verstemmen am gesamten Umfang des Blechs auf der Welle fixiert werden. Nachdem
ein Modul auf der Welle fixiert wurde, wird das nächste
Modul ebenfalls mittels Verstemmen an der Welle fixiert. Dieses
Verfahren ist jedoch sehr kostenintensiv und zeitaufwendig. Ferner
ergibt sich aufgrund des Ringverstemmens eine Aufweitung des Außendurchmessers
des Blechpakets zumindest an den verstemmten Blechen.
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Hierdurch
wird ein Luftspalt der elektrischen Maschine verändert,
wodurch sich negative Auswirkungen auf den Wirkungsgrad ergeben.
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Anker für eine elektrische
Maschine mit einer Welle und einem Nabenelement mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf,
dass er sehr einfach und kostengünstig herstellbar ist,
wobei trotzdem eine sichere Fixierung des Nabenelements auf der
Welle erfolgt. Die Welle kann dabei eine glatte Mantelfläche
ohne Rillen o. ä. aufweisen, so dass die Welle sehr kostengünstig
hergestellt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass das Nabenelement auf der Welle angeordnet wird und
anschließend das Verstemmen des Nabenelements an der Welle
erfolgt. Das Verstemmen erfolgt dabei derart, dass zwischen dem
Nabenelement und der Welle mindestens ein erster und ein zweiter
jeweils bogenförmiger Verstemmbereich am inneren Umfang
des Nabenelements erzeugt wird, welche das Nabenelement auf der
Welle fixieren. Die wenigstens zwei Verstemmbereiche sind dabei
in Umfangsrichtung voneinander beabstandet. Mit anderen Worten sind
wenigstens zwei bogenförmige Verstemmbereiche zwischen
dem Nabenelement und der Welle gebildet, wobei zwischen den Verstemmbereichen
freiliegende Bereiche vorgesehen sind, an denen keine Fixierung
des Nabenelements an der Welle erfolgt. Durch diese erfindungsgemäße
Maßnahme ist es möglich, dass höhere
Kräfte zwischen der Welle und dem Nabenelement übertragen
werden. Ferner ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verstemmen
eine geringere Verformung des Nabenelements in radial nach außen
gerichteter Richtung, so dass ein Spalt einer elektrischen Maschine
zwischen dem Nabenelement und einem Stator der elektrischen Maschine
wie berechnet erhalten wird. Dadurch kann insbesondere ein Ausschussanteil
signifikant reduziert werden. Ferner sind zum Verstemmen nur kleinere
Umformkräfte notwendig, so dass insbesondere auch ein Werkzeugverschleiß reduziert
wird. Ferner können geringere Rundlauffehler der Welle
aufgrund der definierten Fixierbereiche des Nabenelements an der
Welle erhalten werden.
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Die
Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
ist das Nabenelement ein Blechpaket, welches eine Vielzahl von Einzelblechen umfasst.
An einer zylindrisch glatten Welle wird das Blechpaket sowohl an einem
ersten Endbereich als auch zweiten Endbereich mittels des erfindungsgemäßen
Verstemmvorgangs fixiert. Die zwischen einem Anfangs- und einem
Endblech liegenden Bleche des Blechpakets werden dabei durch den
Verstemmvorgang nicht verformt, jedoch wird ihre Position im Blechpaket
aufgrund der Reibkräfte zwischen dem Anfangsblech und dem
Endblech des Blechpakets sichergestellt.
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Weiter
bevorzugt weist das Nabenelement eine kreisförmige Innenöffnung
auf und die Verstemmverbindung umfasst genau zwei oder genau drei
oder genau vier oder genau fünf oder genau sechs Verstemmbereiche.
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Gemäß einer
alternativen Ausgestaltung der vorlegenden Erfindung umfasst das
Nabenelement eine Innenöffnung mit wenigstens zwei radial
nach innen vorstehenden Verstemmabschnitten, wobei das Verstemmen
an diesen Verstemmabschnitten ausgeführt wird, so dass
die Verstemmverbindung im fixierten Zustand des Nabenelements auf
der Welle an den nach innen gerichteten Verstemmabschnitten des
Nabenelements ausgebildet ist. Das Verwenden der nach innen gerichteten
Verstemmabschnitte hat insbesondere den Vorteil, dass ein Verstemmwerkzeug
als durchgehender Ringverstemmstempel ausgebildet sein kann. Dabei
ist keine Ausrichtung des Verstemmstempels zum Nabenelement notwendig.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist
eine Umfangslänge eines Abstandes zwischen zwei benachbarten
Verstemmbereichen gleich oder größer als eine
Umfangslänge eines Verstemmbereichs. Dadurch wird sichergestellt,
dass die Belastung des Nabenelements während des Verstemmens
nicht überproportional an den Verstemmbereichen erfolgt
und insbesondere eine unerwünschte radial nach außen auftretende
Umformung des Nabenelements vermieden wird.
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Besonders
bevorzugt sind die Verstemmbereiche am Nabenelement gleichmäßig
entlang des Innenumfangs angeordnet. Dadurch kann ein symmetrisches
Nabenelement erhalten werden und es werden an allen Verstemmbereichen
gleiche Kräfte während des Verstemmens erreicht.
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Ferner
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines Ankers für eine elektrische Maschine, wobei der Anker
eine Welle und ein Nabenelement umfasst.
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Das
Verfahren umfasst die Schritte des Anordnens des Nabenelements auf
der Welle, insbesondere durch Aufschieben des Nabenelements auf die
Welle, und des Verstemmens des Nabenelements an der Welle mit mindestens
einem ersten und einem zweiten bogenförmigen Verstemmbereich, wobei
der erste und zweite Verstemmbereich in Umfangsrichtung voneinander
beabstandet sind.
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Besonders
bevorzugt erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren
das Verstemmen mittels eines Verstemmstempels, welcher wenigstens
zwei separat vorstehende Verstemmsegmente aufweist. Dadurch kann
eine Umformung des Nabenelements an zwei in Umfangsrichtung voneinander
beabstandeten Verstemmbereichen ausgeführt werden.
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Gemäß einer
alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens weist das Nabenelement eine Innenöffnung mit
radial nach innen vorstehenden Verstemmabschnitten auf und das Verstemmen
erfolgt an diesen Verstemmabschnitten. Zwischen den nach innen vorstehenden
Verstemmabschnitten sind materialfreie Bereiche, so dass die Verstemmverbindung
ebenfalls in Umfangsrichtung an wenigstens zwei voneinander beabstandeten Bereichen
erfolgt. Das Verstemmen erfolgt besonders bevorzugt mittels eines
ringförmigen Verstemmstempels, da dieser Stempel sehr einfach
herstellbar ist.
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Weiter
bevorzugt erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren
das Verstemmen gleichzeitig an einem ersten axialen Endbereich und
einem zweiten axialen Endbereich des Nabenelements. Dadurch kann
eine sichere Fixierung des Nabenelements an der Welle erreicht werden.
Ferner kann, wenn das Nabenelement eine Vielzahl von Blechen umfassendes
Blechpaket ist, dieses durch Verstemmen des ersten und letzten Bleches
an der Welle fixiert werden.
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Weiter
bevorzugt wird das Verstemmen beim erfindungsgemäßen
Verfahren am ersten und zweiten Verstemmbereich gleichzeitig ausgeführt.
Dadurch wird insbesondere eine symmetrische Krafteinleitung in das
Nabenelement erreicht, was zu einer gleichzeitigen Umformung am
Nabenelement führt.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen Stempel zum Verstemmen eines Nabenelements
an einer Welle, umfassend einen Stempelkörper mit einer
mittigen Öffnung sowie mindestens ein erstes und ein zweites
vorstehendes Verstemmsegment. Die Verstemmsegmente sind dabei auf
einem Kreisbogen um die mittige Öffnung des Stempels herum
angeordnet. Wenn somit der erfindungsgemäße Stempel mit
dem auf der Welle zu verstemmenden Nabenelement in Kontakt kommt,
kommen zuerst die wenigstens zwei vorstehenden Verstemmsegmente
mit dem Nabenelement in Kontakt und der Verstemmvorgang beginnt
an lediglich zwei bogenförmigen Verstemmbereichen am Nabenelement.
Zwischen den beiden Verstemmbereichen sind Bereiche, welche nicht
umgeformt werden. Somit ist das Verstemmelement an wenigstens zwei
voneinander separierten Bereichen mit der Welle verstemmt.
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Besonders
bevorzugt ist der erfindungsgemäße Stempel derart
ausgebildet, dass ein Verstemmsegment des Stempels eine nach innen
gerichtete Segmentfläche, eine nach außen gerichtete Rückfläche
und eine Verstemmkante umfasst. Die beiden nach innen bzw. nach
außen gerichteten Flächen laufen dabei an der
Verstemmkante zusammen und bilden die Verstemmkante. Die Verstemmkante ist
dabei bogenförmig gebildet. Besonders bevorzugt ist dabei
in einer Schnittebene senkrecht zur Verstemmkante ein Winkel von
90° zwischen den beiden Flächen gebildet. Dadurch
erhalten die beiden Flächen eine Neigung von jeweils 45° bezüglich
einer Bewegungsrichtung des Stempels während des Verstemmvorgangs.
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Besonders
bevorzugt weist der Stempel vier separate Verstemmsegmente auf,
welche symmetrisch an der mittigen Öffnung des Stempels
angeordnet sind.
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Gemäß einer
bevorzugten alternativen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der
Stempel als Verstemmsegmente Kegel, welche entlang des Umfangs um
die mittige Öffnung des Stempels herum auf einer Kreislinie
angeordnet sind. Die Kegel sind dabei in gleichen Abständen
in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben.
In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines Ankers gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II von 1,
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3 eine
schematische Schnittansicht eines Ankers gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine
schematische, perspektivische Ansicht eines Stempels, welcher zum
Verstemmen bei dem in 3 gezeigten Anker verwendet
wird,
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5 eine
schematische, perspektivische Ansicht eines alternativen Stempels,
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6 eine
schematische, geschnittene Teilansicht des Stempels von 5 während
des Verstemmens, und
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7 eine
schematische Teilansicht eines anderen Stempels während
des Verstemmens.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein
Anker für eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren
zu dessen Herstellung im Detail beschrieben.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Anker 1 eine
Welle 2 und ein Nabenelement 3. Das Nabenelement 3 ist
ein Blechpaket und umfasst eine Vielzahl von Blechen, wobei das
Bezugszeichen 3a ein Anfangsblech, das Bezugszeichen 3b ein
Endblech und das Bezugszeichen 3c mehrere Zwischenbleche
bezeichnet, welche zwischen dem Anfangsblech 3a und dem
Endblech 3b angeordnet sind. Das Anfangsblech 3a und
das Endblech 3b sind mittels einer Verstemmverbindung 4 jeweils
an der Welle 2 befestigt. Die Zwischenbleche 3c halten
aufgrund von in Axialrichtung wirkenden Reibkräften aufgrund der
Verstemmung des Anfangsblechs 3a und des Endblechs 3b. 2 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie II-II von 1. Wie aus 2 ersichtlich
ist, ist am Nabenelement 3 eine Verstemmverbindung 4 ausgebildet.
Die Verstemmverbindung 4 umfasst einen ersten Verstemmbereich 5 und
einen zweiten Verstemmbereich 6. Die beiden Verstemmbereiche 5, 6 sind
um 180° einander gegenüberliegend angeordnet und
verlaufen bogenförmig entlang des Umfangs der Welle 2.
Dabei ist in Umfangsrichtung zwischen den beiden Verstemmbereichen 5, 6 jeweils ein
nichtverstemmter Bereich 7 vorgesehen. Die Länge
der nichtverstemmten Bereiche 7 ist dabei in Umfangsrichtung
gleich wie eine Länge der Verstemmbereiche 5 und 6 in
Umfangsrichtung. Die Länge der Verstemmbereiche 5, 6 in
Umfangsrichtung ist dabei ausreichend, um das Nabenelement sicher
an der Welle 2 zu fixieren, ohne dass es zu Überbelastungen
am Werkstück bzw. am Werkzeug während des Verstemmvorgangs
kommt. Während des Verstemmens verdrängt der Stempel
dabei das Material des Nabenelements konzentrisch nach innen, wodurch der
Stempel selbst eine rückgerichtete Kraft von innen nach
außen erfahrt. An den Verstemmbereichen können
höhere Kräfte zwischen Welle und Nabenelement 3 übertragen
werden, ohne dass eine Beschädigung des Ankers auftritt.
Ferner ergibt sich durch die Segmentierung des Werkzeugs und damit
der Segmentierung der Verstemmbereiche eine geringere Verformung
des Nabenelements 3, so dass auch eine kleinere bzw. keine
Aufweitung des Außendurchmessers des Nabenelements auftritt.
Dadurch kann ein kleinerer Luftspalt zwischen dem Anker und einem
Stator ermöglicht werden, das den Wirkungsgrad der elektrischen
Maschine erhöht. Ferner kann die Welle ohne Rillen o. ä.
glatt hergestellt werden, so dass sich auch geringere Rundlauffehler
der Welle ergeben, da diese keine Nachbearbeitung zur Herstellung
von Rillen oder gerändelten Bereich erfährt.
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Der
Verstemmvorgang wird dabei vorzugsweise gleichzeitig mittels zweier
Stempel von beiden Seiten des Blechpakets am ersten Endbereich am Anfangsblech 3a und
am zweiten Endbereich am Endblech 3b ausgeführt.
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3 zeigt
schematisch eine Schnittansicht eines Ankers 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Nabenelement 3 des zweiten
Ausführungsbeispiels ist ebenfalls ein Blechpaket, wobei
zwischen dem Nabenelement 3 und der Welle 2 drei
Verstemmbereiche 8, 9 und 10 angeordnet
sind. Die drei Verstemmbereiche 8, 9, 10 weisen in
Umfangsrichtung eine gleiche Bogenlänge auf und sind jeweils
in einem Winkel von 120° zueinander versetzt angeordnet.
Die drei Verstemmbereiche 8, 9, 10 sind
dabei am Nabenelement an radial nach innen gerichteten, vorstehenden
Abschnitten 11, 12, 13 gebildet. Zwischen
den radial nach innen vorstehenden Abschnitten 11, 12, 13 sind
Ausnehmungen 14, 15, 16 am Nebenelement 3 gebildet.
Eine Länge der Ausnehmungen 14, 15, 16 entspricht
dabei jeweils einer Länge der radial nach innen vorstehenden Bereiche 11, 12, 13 in
Umfangsrichtung.
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Der
Vorteil des Ankers des zweiten Ausführungsbeispiels ist
dabei, dass zum Verstemmen ein Stempel 20 wie in 4 gezeigt
verwendbar ist. Der Stempel 20 ist ein ringförmiger
Stempel mit einem Verstemmring 21 und einer Durchgangsöffnung 22. Der
Verstemmring 21 ist konzentrisch zur Durchgangsöffnung 22 angeordnet.
Da das Nabenelement 3 die Ausnehmungen 11, 12, 13 aufweist,
wird beim Zustellen des Stempels 20 in Richtung des Nabenelements
während des Verstemmvorgangs nur ein Verstemmen an den
Verstemmbereichen 8, 9 und 10 ausgeführt.
Um vor dem Verstemmen das Nabenelement 3 einfach auf die
Welle 2 aufschieben zu können, ist ein ausreichendes
Spiel zwischen dem Außendurchmesser der Nabe und dem Innendurchmesser
des Nabenelements 3 gegeben. Ansonsten entspricht dieses
Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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5 und 6 zeigen
einen Stempel 20 gemäß einem weiteren
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie aus 5 ersichtlich
ist, ist der Stempel 20 als Ringstempel mit einer Durchgangsöffnung 22 ausgebildet.
Der Stempel 20 umfasst ferner vier in Axialrichtung des
Stempels 20 vorstehende Segmente 23. Zwischen
den Segmenten 23 ist jeweils in Umfangsrichtung eine Ausnehmung 24 ausgebildet.
Ein Übergang zwischen einem Segment 23 und der
Ausnehmung 24 ist dabei bogenförmig ausgebildet.
Der bogenförmige Übergang der Segmente 23 in
die Ausnehmung 24 ist dabei mit einem relativ großen
Radius gewählt, was zu deutlichen Reduzierungen der Belastungen
des Stempels während des Verstemmvorgangs führt.
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6 zeigt
schematisch den Verstemmvorgang, wenn der Stempel 20 in
Richtung des Pfeils A in das Nabenelement 3 bewegt wird.
Wie aus den 5 und 6 ersichtlich
ist, weist jedes der Segmente 23 eine abgerundete und leicht
sich verjüngende Segmentfläche 23a und
eine im Wesentlichen linear ausgebildete Rückfläche 23b auf.
Die Segmentfläche 23a und die Rückfläche 23b bilden
an der Stelle, an der sie ineinanderlaufen, eine bogenförmige
Verstemmkante 25. Durch die Bewegung des Stempels wird
Material des Nabenelements 3 in Richtung des Pfeils B radial
auf die Welle 2 zu verdrängt, wodurch die Verstemmverbindung
zwischen dem Nabenelement 3 und der Welle 2 ausgebildet wird.
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7 zeigt
eine Schnittansicht eines Stempels 20 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Stempel 20 ist ähnlich
wie der in 5 gezeigte Stempel aufgebaut,
und weist ebenfalls vier Segmente 23 auf. Dabei bilden
die nach innen gerichteten Segmentflächen 23a und
die Rückflächen 23b bei einem Schnitt
senkrecht durch die Verstemmkante 25 jeweils einen Winkel α von
90° zwischen sich. Dadurch wird Material des Nabenelements 3 ebenfalls
im Wesentlichen in Richtung des Pfeils B radial zur Welle 2 verformt,
wobei jedoch durch die in Absolutwerten gleiche Neigung der Segmentflächen 23a und
der Rückflächen 23b in einem Winkel von
45° zur Verstemmrichtung A des Stempels 20 sich
die Kräfte am Stempel 20 im Wesentlichen aufheben.
Hierdurch wird eine besonders geringe Belastung des Stempels erreicht.
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Zu
allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt,
dass durch die erfindungsgemäße Idee des segmentweisen
Verstemmens des Nabenelements 3 an der Welle 2 eine
sichere Verbindung zwischen Welle und Nabenelement mittels Verstemmen
erreicht wird, ohne dass sich insbesondere die radialen Abmessungen
des Nabenelements aufgrund des Verstemmvorgangs ändern.
Dadurch kann insbesondere ein genaues Spaltmaß zwischen
dem Anker und einem Stator der elektrischen Maschine eingehalten
werden. Ferner kann die Welle 2 einfach und kostengünstig
als glatte Welle hergestellt werden. Der erfindungsgemäße
Anker wird insbesondere im Bereich von Fahrzeugen, beispielsweise
als elektrischer Antrieb für Scheibenwischer, elektrische Fensterheber,
elektrische Sitzversteller oder als Lüfterantrieb verwendet.
Dadurch kann die vorliegende Erfindung bei hohen Stückzahlen
angewandt werden, was sich positiv auf die Kosten einer derartigen elektrischen
Maschine auswirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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