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Die Erfindung betrifft eine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gestaltete Rotorwelle einer elektrischen Maschine, das heißt eines Elektromotors oder Generators. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine.
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Eine Rotorwelle ist aus der
DE 22 01 443 A bekannt. Diese Rotorwelle ist als gewickeltes Rohrstück aufgebaut und Teil eines Rotors, welcher für einen reaktionsschnellen Gleichstrommotor geeignet sein soll.
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Die
DE 10 2018 115 244 A1 offenbart ein Verfahren zur Montage einer Rotorwelle für einen Elektromotor. In diesem Fall wird ein Blechpaket durch Hydroforming mit der Rotorwelle verbunden.
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Ein Verfahren zur Kühlung einer Rotorwelle eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug ist in der
DE 10 2018 101 641 B3 beschrieben. In diesem Fall werden Fliehkräfte für den Kühlflüssigkeitstransport genutzt.
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Die
JP 2002-210 019 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Spule für ein medizinisches Instrument. Dabei wird ein Drahtmaterial in eine kontinuierliche Spulenform aufgewickelt.
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Die US 2010 / 0 147 045 A1 offenbart eine flexible Bohrwelle und ein Verfahren zu deren Herstellung. Das Verfahren umfasst ein Wickeln von Draht zur Bildung einer Schraubenfeder und ein Aufbringen einer mechanischen Verformung auf den Draht, während dieser aufgewickelt wird.
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Die
DE 453 194 A beschreibt einen Schlauch für biegsame Wellen.
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Die
JP S57-183 239 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von kernlosen doppelzylindrischen Spulen durch spiralförmiges Wickeln von Litzenblech.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik insbesondere unter fertigungstechnischen Aspekten weiterentwickelte Rotorwelle für eine elektrische Maschine anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Rotorwelle mit den Merkmalen den Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle gemäß Anspruch 4. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt die Rotorwelle, und umgekehrt.
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Die Rotorwelle ist als tragende, rohrförmige, metallische Wicklung aus Draht aufgebaut und weist einen zum Tragen des Rotors der elektrischen Maschine vorgesehenen zylindrischen Mittelabschnitt sowie zwei an den Mittelabschnitt anschließende, gegenüber dem Mittelabschnitt verjüngte Endabschnitte auf.
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Die Verjüngung der Endabschnitte gegenüber dem Mittelabschnitt bedeutet, dass sowohl der Außendurchmesser eines jeden Endabschnitts geringer als der Außendurchmesser des Mittelabschnitts als auch der Innendurchmesser eines jeden Endabschnitts geringer als der Innendurchmesser des Mittelabschnitts ist. Vorzugsweise ist auch der Außendurchmesser eines jeden Endabschnitts geringer als der Innendurchmesser des Mittelabschnitts der Rotorwelle.
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Damit ist die Rotorwelle im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen besonders materialsparend herstellbar, was auch mit einem geringen Trägheitsmoment einhergeht. Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Wicklung um eine einlagige Wicklung. Die Wandstärke der Rotorwelle entspricht damit, soweit kein Materialabtrag während der Fertigung erfolgte, der Stärke des Drahtes, aus welchem die Wicklung geformt ist.
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Die Rotorwelle ist in folgenden Schritten herstellbar:
- - Wicklung eines Drahtes zu einem einlagigen, rohrförmigen Drahtrohling, welcher einen zylindrischen Mittelabschnitt sowie zwei an den Mittelabschnitt anschließende, gegenüber dem Mittelabschnitt verjüngte Endabschnitte aufweist, und Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen zwischen Windungen des Drahtrohlings,
- - mehrstufige spanende Bearbeitung der Oberfläche des Drahtrohlings, wobei an beiden Endabschnitten Abschnitte zur Halterung von Lagerringen erzeugt werden und an einem der Endabschnitte eine zur Übertragung eines Drehmoments vorgesehene Formschlusskontur, insbesondere in Form einer Verzahnung, erzeugt wird.
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Die formschlüssigen Verbindungen zwischen den einzelnen Windungen des Drahtes können entweder bereits während des Wickelns oder erst nach der Abschluss des Wickelns hergestellt werden.
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In beiden Fällen ermöglicht das Wickeln des Rohlings aus Draht eine rationelle Herstellung eines endkonturnahen Rohlings, das heißt Drahtrohlings. Hierbei existiert ein hohes Maß an Freiheit der Formgebung. Im einfachsten Fall weist der gesamte Rohling, dessen Form bereits mit guter Näherung der Form der späteren Rotorwelle entspricht, über seine gesamte Länge eine einheitliche Wandstärke auf.
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Der Draht, aus welchem der Rohling gewickelt wird, weist in typischen Ausgestaltungen einen rechteckigen oder annähernd rechteckigen Querschnitt auf. Zum Rundbiegen des Drahts, insbesondere duktilen Stahldrahts, können Walzen mit variablem Abstand verwendet werden, wie grundsätzlich von der Herstellung von Federn her bekannt. Der Walzenabstand wird hierbei derart variiert, dass ein endkonturnaher Drahtwickel, das heißt Drahtrohling, in Form der späteren Rotorwelle entsteht. Fertigungsbedingt sind bei einem solchen Drahtwickel geringe Abstände zwischen den einzelnen Windungen gegeben. Optional wird das Wickeln durch einen formprägenden Wickelkern unterstützt oder ausschließlich auf diesem durchgeführt.
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Nach dem Wickeln des Drahts zum Rohling können die einzelnen Windungen auf einfache Weise durch Aufbringung einer Axialkraft aneinander angelegt werden. Das stoffschlüssige Verbinden der Windungen miteinander geschieht beispielsweise durch Schweißen. Während des Schweißens wird das Werkstück, das heißt der Drahtrohling, beispielsweise um seine eigene Achse gedreht und gleichzeitig entlang seiner Achse vorgeschoben. Alternativ kann das Schweißwerkzeug vorgeschoben werden.
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Das Schweißen kann mit oder ohne Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen erfolgen. Vorteilhaft sind verzugsarme Verfahren wie das Laser- oder Elektronenstrahlschweißen. Vorzugsweise wird der Querschnitt des Rohlings, welcher der Drahtstärke entspricht, annähernd oder vollständig durchgeschweißt.
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Alternativ zu einem spiralförmigen Verschweißen der Windungen des Drahtrohlings kommt auch ein Verschweißen lediglich in einzelnen Bereichen in Betracht. Solche Bereiche können linienförmig ausgebildet sein, wobei die Linien nicht zwangsläufig parallel zur Mittelachse des Drahtrohlings ausgerichtet sind. Auch das Setzen lediglich einzelner Schweißpunkte in beliebigem Muster ist möglich.
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Sofern keine spätere Wärmebehandlung der Rotorwelle vorgesehen ist, können die Windungen des Drahtrohlings auch durch Löten oder Kleben miteinander verbunden werden. Hierbei kann Lötzinn beziehungsweise Klebstoff bereits vor dem Wickeln des Rohlings auf die später in Kontakt stehenden Drahtflächen eingewalzt oder appliziert werden.
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Nachdem der Rohling verschweißt, geklebt oder gelötet ist, wird dieser in einem mehrstufigen spanenden Verfahren weiter bearbeitet. Das mehrstufige spanende Verfahren umfasst vorzugsweise mindestens einen Bearbeitungsschritt mit geometrisch definierter Zerspanung und mindestens einen Bearbeitungsschritt mit geometrisch nicht definierter Spanbildung. Hierbei wird der Drahtrohling im ersten Bearbeitungsschritt zunächst in einem Drehprozess grob überdreht. Anschließend kann, soweit die Verbindungen zwischen den Windungen dies hinsichtlich ihrer thermischen Belastbarkeit zulassen, eine Wärmebehandlung, beispielsweise durch Einsatzhärten, erfolgen. Schließlich erfolgt die abschließende Feinbearbeitung, insbesondere durch Schleifen. Alternativ erfolgt eine Fertigbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide, insbesondere durch Dreh-Bearbeitung.
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Die fertig bearbeitete Rotorwelle weist in vorteilhafter Ausgestaltung mehrere Funktionsbereiche auf, welche vor der Montage des Rotors der elektrischen Maschine keiner weiteren Bearbeitung bedürfen: Zum einen befindet sich an jedem Endabschnitt ein Lagerungsabschnitt, welcher zur Halterung eines Innenrings eines Lagers, insbesondere Wälzlagers, vorgesehen ist. Darüber hinaus ist unmittelbar durch die Wicklung vorzugsweise an genau einem der Endabschnitte ein Verzahnungsabschnitt gebildet, welcher als Passverzahnung zur drehmomentübertragenden Verbindung der Rotorwelle mit einem weiteren Maschinenelement geeignet ist. Darüber hinaus können weitere Konturen, beispielsweise Nuten für Sicherungsringe, in die Endabschnitte eingeformt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, Funktionsbereiche ohne Nachbearbeitung unmittelbar durch das Wickeln des Drahtes zu formen.
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Ein durch die Rotorwelle bereitgestellter Lagersitz kann sich auch am Innendurchmesser der Rotorwelle befinden, was insbesondere in Fällen mit beschränktem Bauraum in axialer Richtung von Vorteil sein kann. Die Lagerung, das heißt Wälzlagerung, ist in einem solchen Fall platzsparend in das Rotorpaket eingesetzt. Die Rotorwelle kann hierbei insgesamt im Wesentlichen zylindrisch geformt sein.
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Die Wicklung der Rotorwelle aus Draht bietet vielfältige Möglichkeiten der beanspruchungsgerechten Gestaltung, wobei lediglich ein geringes Zerspanungsvolumen anfällt. Der Draht, aus welchem die Rotorwelle gewickelt wird, weist nicht notwendigerweise einen exakt rechteckigen Querschnitt auf. Beispielsweise verjüngt sich der Querschnitt des Drahts nach außen, wobei sich „außen“ auf die Radialrichtung des gewickelten Rohlings bezieht. Durch den nach außen schmaler werdenden Querschnitt des Drahts ergeben sich an der Außenumfangsfläche des Drahtrohlings Freiräume, welche zum Einbringen von Schweißzusatzwerkstoffen oder sonstigen verbindenden Materialien genutzt werden können.
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Ist dagegen keine Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen oder eines nachträglich zwischen die Windungen einzubringenden Lotes vorgesehen, so sollte der Querschnitt des Drahts, wenn dieser gewickelt ist, nach Möglichkeit eine vollflächige Anlage zwischen den einzelnen Windungen ermöglichen. Die Verformung des Drahts an der Außenumfangsfläche des Rohlings sorgt in diesem Bereich für eine Querschnittsverringerung, verglichen mit dem Ausgangszustand des Drahts. Um diesen Effekt zu kompensieren, kann ein Draht mit im Ausgangszustand trapezförmigem Querschnitt verwendet werden, wobei die Trapezform derart ausgelegt ist, dass sich durch das Biegen des Drahts eine Annäherung an eine rechteckige Querschnittsform ergibt.
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Ebenso ist zur Herstellung des Rohlings ein Draht verwendbar, dessen Flanken Formschlusskonturen in Form von leistenförmigen Erhebungen und korrespondierenden Vertiefungen aufweisen, die sich innerhalb des fertiggestellten Rohlings mit den entsprechenden Konturen benachbarter Windungen verzahnen.
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Unabhängig von der Querschnittsgestaltung des Drahts kann dieser entweder als massiver oder als hohler Draht gestaltet sein. Im Fall eines hohlen Drahts kann durch diesen Kühlmedium oder Schmierstoff geleitet werden. Auch in Fällen, in denen ein hohler Draht nicht als Leitung für ein Fluid verwendet wird, trägt die hohle Gestaltung zu einem gewichtssparenden Aufbau der Rotorwelle bei.
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Der Querschnitt des Drahts ist nicht notwendigerweise über dessen gesamte Länge konstant. Beispielsweise werden Abschnitte der Rotorwelle mit hoher Beanspruchung mit einem in Radialrichtung - bezogen auf die zylindrische Form der Rotorwelle - dickeren Draht ausgeführt als Abschnitte der Rotorwelle mit geringerer Beanspruchung.
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Sofern die Rotorwelle unterschiedlich profilierte Drahtabschnitt aufweist, können derartige Abschnitte im Zuge der Fertigung von verschiedenen Drahtrollen abgetrennt und aneinander gesetzt werden. Alternativ ist es möglich, einen Draht zu erzeugen, welcher in Form eines „tailored wire“ unterschiedliche Drahtquerschnitte in einem einzigen Drahtstrang aufweist, so dass Ansatzstellen, wie sie bei Nutzung verschiedener Drähte notwendig sind, entfallen. Eine Vorrichtung zum Walzen eines solchen Drahts mit abschnittsweise unterschiedlichen Querschnitten kann in die Anlage zur Herstellung der Rotorwelle integriert werden. Auf diese Weise sind sämtliche Schritte von der Formung des Drahts bis zur Endbearbeitung von Lagersitzen und einer Verzahnung in ein und derselben Fertigungsanlage realisiert.
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Die Rotorwelle ist insbesondere für die Verwendung in einem permanentmagneterregten Elektromotor eines Elektrofahrzeugs geeignet. Aufgrund der einteiligen, beanspruchungsgerechten Gestaltung ist gegenüber herkömmlichen hohlen Wellen von Elektromotoren eine Gewichtseinsparung in der Größenordnung von 50 % gegeben. In typischen Ausgestaltungen handelt es sich bei der Rotorwelle um ein Stahlteil, welches nicht als Teil des Magnetkreises des Elektromotors zum Einsatz kommt. An der gesamten Umfangsfläche der Rotorwelle, das heißt sowohl innerhalb des Mittelabschnitts als auch innerhalb der an diesen anschließenden Endabschnitte, befinden sich in bevorzugter Ausgestaltung keinerlei Öffnungen, etwa in Form von Schlitzen oder Bohrungen.
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Die geschlossenwandige, einstückige Ausführung der Rotorwelle begünstigt eine besonders dünnwandige und zugleich mechanische hoch belastbare Bauform. Gleichzeitig sorgt die Fertigung der Rotorwelle aus Stahl im Vergleich zu Wellen aus Aluminium für besonders geringe temperaturbedingte Abmessungsänderungen, auch bei der Verwendung in einem Elektromotor mit hoher Leistungsdichte. Optional ist eine weitere Welle, bei welcher es sich entweder ebenfalls um eine Hohlwelle oder um eine massive Welle handelt, konzentrisch innerhalb der Rotorwelle angeordnet.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 einen zur Herstellung einer Rotorwelle vorgesehenen Drahtrohling,
- 2 ein Detail des Drahtrohlings nach 1,
- 3 den Drahtrohling im geschweißten Zustand,
- 4 ein Detail der Anordnung nach 3,
- 5 bis 7 den zu einer Rotorwelle weiter verarbeiteten Drahtrohling,
- 8 bis 13 verschiedene Querschnitte von Drähten, welche zur Herstellung einer Rotorwelle geeignet sind,
- 14 in schematisierter Darstellung eine Rotorwelle samt Rotor eines Elektromotors.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile und Konturen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine Rotorwelle 1 ist zur Verwendung in einem Elektromotor vorgesehen, welcher beispielsweise als Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommt. Die Rotorwelle 1 trägt einen lediglich in 14 andeutungsweise dargestellten Rotor 24, welcher mit Magneten 25 bestückt ist. Bei den Magneten 25 handelt es sich um Permanentmagnete, welche in einem Blechpaket, das die Rotorwelle 1 umgibt, aufgenommen sind. Der Rotor 24 ist Teil eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Alternativ kommt die Verwendung der Rotorwelle 1 in einem Asynchronmotor in Betracht, wobei die Rotorwelle 1 in diesem Fall einen Rotor trägt, der mit Leiterstäben und Kurzschlussringen versehen ist.
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Die Rotorwelle 1 ist komplett aus einem Draht 11, nämlich Stahldraht, einlagig gewickelt. Aus dem Draht 11 wird zunächst ein Drahtrohling 12 gewickelt, welcher in den 1 und 2 dargestellt ist. Die einzelnen Windungen des Drahtrohlings 12, das heißt der Wicklung, sind mit 13 bezeichnet. Zwischen den einzelnen Windungen 13 existieren in diesem Bearbeitungszustand Spalte 14.
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Nach dem Wickeln wird der Drahtrohling 12, soweit erforderlich, durch eine Bearbeitungsmaschine komprimiert, das heißt näherungsweise auf die Länge der späteren Rotorwelle 1 gebracht. Die einzelnen Windungen 13 des Drahtrohlings 12 werden miteinander verschweißt. Eine mit 15 bezeichnete Schweißnaht, allgemein als Füllung bezeichnet, ist in 4 erkennbar. Der gesamte, mit 16 bezeichnete, geschweißte Rohling, welcher ebenso wie der noch nicht geschweißte Rohling 12 eine Wicklung darstellt, ist in 3 abgebildet.
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In der weiteren, mehrstufigen, spanenden Bearbeitung wird der bereits endkonturnah gefertigte Rohling 16 zur Rotorwelle 1 weiterverarbeitet. Wie bereits beim ungeschweißten Drahtrohling 12 und beim geschweißten Rohling 16 erkennbar, weist die Rotorwelle 1 einen zylindrischen Mittelabschnitt 2 und zwei Endabschnitte 3, 4 mit gegenüber dem Mittelabschnitt 2 reduziertem Durchmesser auf. Die Reduzierung bezieht sich sowohl auf die Innendurchmesser als auch auf die Außendurchmesser der Abschnitte 2, 3, 4.
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Jeder Endabschnitt 3, 4 weist einen Lagerungsabschnitt 5, 6 auf, welcher als Sitz für einen Innenring eines Wälzlagers fungiert. Ausschließlich im zweiten Endabschnitt 4 wird ein Verzahnungsabschnitt 9 erzeugt, welcher zur drehmomentübertragenden Verbindung zwischen der Rotorwelle 1 und einem weiteren rotierenden Element nutzbar ist. Der Verzahnungsabschnitt 9 ist unmittelbar durch den Draht 11 gebildet und wird ebenso wie die Lagerungsabschnitte 5, 6 allgemein als Funktionsabschnitt bezeichnet. Innerhalb der Funktionsabschnitte 5, 6, 9 befinden sich verschiedene Nuten 7, 8, 10, welche zur Halterung von Sicherungsringen nutzbar sind.
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Der Draht 11, aus welchem die Rotorwelle 1 nach 5 gefertigt ist, weist einen rechteckigen Querschnitt auf, wie in 8 dargestellt. Diejenige Oberfläche des Drahts 11, welche die spätere Außenumfangsfläche der Rotorwelle 1 einschließlich der Funktionsabschnitte 5, 6, 9 bildet, wird als äußere Oberfläche 17 bezeichnet. Der äußeren Oberfläche 17 liegt eine innere Oberfläche 18 gegenüber. Die beiden die Oberflächen 17, 18 miteinander verbindenden Flanken des Drahts 11 sind mit 19, 20 bezeichnet.
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Eine weitere mögliche Querschnittsform eines Drahts 11 ist in 9 skizziert. In diesem Fall entsteht ein dünnwandigerer Drahtrohling 12, 16 und dementsprechend auch eine dünnwandigere Rotorwelle 1. In nicht dargestellter Weise kann innerhalb einer einzigen Rotorwelle 1 ein erster Draht 11 mit dem in 8 gezeigten quadratischen Querschnitt mit einem zweiten Draht 11 mit der in 9 dargestellten, rechteckigen, nicht quadratischen Querschnittsform verbunden sein. Hierbei wird der stärkere Querschnitt gemäß 8 für mechanisch besonders stark belastete Bereiche der Rotorwelle 1 oder für Bereiche, in denen im Vergleich zu anderen Bereichen ein relativ hohes Zerspanungsvolumen anfällt, verwendet. Insbesondere handelt es sich bei diesen Bereichen um die Funktionsabschnitte 5, 6, 9.
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Optional sind die verschiedenen Querschnittsvarianten nach den 8 und 9 durch ein und denselben Drahtstrang realisiert. Das Walzen des Drahtes 11, welcher einen über seine Länge variierenden Querschnitt aufweist, erfolgt in diesem Fall durch eine Anlage, welche der Wickelvorrichtung, in der der Drahtrohling 12 erzeugt wird, unmittelbar vorgeschaltet ist.
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Die 10 zeigt einen trapezförmigen Querschnitt eines Drahts 11, wobei die Trapezform überhöht dargestellt ist. Dargestellt ist der noch nicht zum Drahtrohling 12 aufgewickelte Draht 11. Die äußere Oberfläche 17 ist in diesem Zustand breiter als die innere Oberfläche 18. Durch das Wickeln erfolgt ein Abstrecken des Drahts 11 an der Außenumfangsfläche des Drahtrohlings 12, was mit einer Verminderung der Breite der äußeren Oberfläche 17 gleichbedeutend ist. Hierdurch nähert sich die Querschnittsform des Drahts 11 in gewünschter Weise der Rechteckform an.
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Die Querschnittsgestaltung des Drahts 11 nach 11 eignet sich besonders für die Herstellung eines geschweißten Rohlings 16. In diesem Fall sind an die äußere Oberfläche 17 grenzende Abschnitte der Flanken 19, 20 derart schräg gestellt, dass sich der Querschnitt des Drahts 11 zur äußeren Oberfläche 17 hin verengt. Hierdurch verbleiben auch bei auf Block zusammengedrücktem Drahtrohling 12 Spalte 14, welche durch eine Schweißnaht 15 ausgefüllt werden können.
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Der in 12 dargestellte Draht 11 ist als hohler Draht ausgeführt. Ein Hohlraum innerhalb des Drahts 11 ist mit 21 bezeichnet und kann zur Durchleitung von Kühlmittel oder Schmiermittel genutzt werden, womit der gesamte Draht 11 eine Flüssigkeitsleitung bildet. Die äußere Kontur des Drahts 11 nach 12 entspricht dem Ausführungsbeispiel nach 8. Alternativ kann der Draht 11 nach 12 beispielsweise entsprechend 10 oder 11 profiliert sein.
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Beim in 13 dargestellten Draht 11 handelt es sich wiederum um einen massiven Draht, wobei auch in diesem Fall ein nicht dargestellter Hohlraum 21, das heißt Kanal, den Draht 11 durchziehen kann. Im Fall von 13 weist jede Flanke 19, 20 eine konkave beziehungsweise konvexe Formschlusskontur 22, 23 auf, womit innerhalb der fertiggestellten Rotorwelle 1 ein Formschluss zu benachbarten Windungen 13 hergestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotorwelle
- 2
- Mittelabschnitt
- 3
- erster Endabschnitt
- 4
- zweiter Endabschnitt
- 5
- Lagerungsabschnitt
- 6
- Lagerungsabschnitt
- 7
- Nut
- 8
- Nut
- 9
- Verzahnungsabschnitt
- 10
- Nut im Verzahnungsabschnitt
- 11
- Draht
- 12
- Drahtrohling, Wicklung
- 13
- Windung
- 14
- Spalt
- 15
- Füllung, Schweißnaht
- 16
- geschweißter Rohling
- 17
- äußere Oberfläche
- 18
- innere Oberfläche
- 19
- Flanke
- 20
- Flanke
- 21
- Hohlraum
- 22
- Formschlusskontur
- 23
- Formschlusskontur
- 24
- Rotor
- 25
- Magnet