DE60128214T2

DE60128214T2 - Rotor, rotoranordnung, verfahren und vorrichtung zur herstellung eines rotorelements

Info

Publication number: DE60128214T2
Application number: DE2001628214
Authority: DE
Inventors: Peter Kingswinford MAYBURY
Original assignee: European Electrical Laminations Ltd
Current assignee: European Electrical Laminations Ltd
Priority date: 2000-04-15
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: AU2001240910A1; HUP0300476A2; BR0110088A; EP1275192A1; GB2361362B; GB0009248D0; WO2001080401A1; ATE361574T1; EP1275192B1; US20040100158A1; DE60128214C5; DE60128214D1; US6952943B2; GB2361362A

Description

Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Herstellung von Elementen für elektrische Maschinen oder Motoren, wobei sich diese Bezeichnung auch auf Generatoren beziehen soll, und sie bezieht sich insbesondere auf Motoren des Typs, die einen feststehenden Stator aufweisen, der eine im wesentlichen hohle zylindrische Kammer bildet, und eine Rotoranordnung mit einer Welle, die dazu bestimmt ist, innerhalb des Stators gehalten zu sein, und eine Anzahl von Rotorteilen, die sich in radialer Richtung von der Welle erstrecken.
Ein herkömmliches Rotorteil für einen Motor ist aus einer Vielzahl von Rotorelementen aufgebaut, zweckmäßigerweise in der Form von Preßteilen aus Stahl, die zweckmäßigerweise eine Dicke von etwa 1 mm aufweisen und die in oder parallel zu einer Ebene liegen, die sich unter einem rechten Winkel zu der Achse des Rotors erstreckt.
Zweckmäßigerweise umfaßt jedes Rotorelement einen Grundkörperabschnitt und, in radialer Richtung außerhalb von dem Grundkörperabschnitt angeordnet, einen Polabschnitt, der eine erweiterte äußere Oberfläche aufweist, die einen Krümmungsradius hat, der geringfügig kleiner als der der Statoroberfläche ist, wobei sich ein kleiner Luftspalt zwischen der äußeren Oberfläche des Polabschnitts und der inneren Oberfläche des Stators befindet.
In zweckmäßiger Weise ist jedes Rotorelement einteilig in Form eines Preßteils beispielsweise aus einem Band aus Stahl hergestellt, wobei der Rotor durch eine Einspannvorrichtung zusammengesetzt wird, in der die Rotorelemente in einer gewünschten Orientierung aneinander befestigt werden.
Es wird angenommen, daß es vorteilhaft sein kann, wenn die Polabschnitte auf eine solche Weise gegeneinander versetzt werden, daß sie in ebener Draufsicht das Erscheinungsbild eines Winkels bieten. Eine solche Rotorbauart ist in der US-A-4616151 beschrieben.
Da allerdings bei einer solchen Bauart benachbarte Polabschnitte unterschiedliche Positionen in bezug auf den Grundkörperabschnitt haben, in Abhängigkeit von der Position des Rotorelements in einer Richtung in Längsrichtung der Welle, ist es nicht möglich, einen solchen Rotor durch das Aufeinanderstapeln einer Anzahl von identischen Elementen herzustellen, so daß man es als notwendig herausgefunden hat, um dieses gewünschte Erscheinungsbild eines Winkels zu erzielen, Polplatten getrennt von den Grundkörperplatten herzustellen, in zweckmäßiger Weise durch Stanzen, und diese durch Schweißen aneinander zu befestigen.
Während dies dadurch ausgeführt werden kann, daß die Polplatten einzeln an die Grundkörperplatten geschweißt werden, hat man es als zweckmäßig herausgefunden, die Polplatten und die Grundkörperplatten in einer geeigneten Einspannvorrichtung zusammenzusetzen und die Polplatten an den Grundkörperplatten durch Schweißen entlang einer Ecke der Grenzfläche auf zwei gegenüberliegenden Seiten zu befestigen.
Während dies die Möglichkeit schafft, einen Rotor mit dem gewünschten Winkelprofil relativ einfach unter Verwendung einer halbautomatischen Vorrichtung herzustellen, ist dies dennoch relativ kompliziert und hat eine Reduktion des Stroms des Flusses zu dem Polabschnitt zur Folge.
Weiterhin ist es so, da identische Polplatten verwendet werden, daß die Mittelpunkte der Krümmung der äußeren Flächen der Polplatten, wenn sie zusammengesetzt sind, der Linie des Winkels folgen, anstatt daß sie, wie dies bei der herkömmlichen Konstruktion der Fall ist, Krümmungsmittelpunkte haben, die in einer radialen Ebene des Rotors liegen, wobei die Auswirkung hiervon, obwohl sie klein ist, eine Veränderung in dem Luftspalt in der Mitte bewirkt, im Vergleich zu dem Luftspalt an den Seiten des Rotors.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für die Herstellung von Elementen ausgehend von bandförmigem Material bereitgestellt, wobei die Elemente im Gebrauch gestapelt werden, um eine Anordnung von gestapelten Elementen für eine elektrische Maschine zu bilden, gemäß Anspruch 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Herstellen von Elementen unter Verwendung einer Vorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung bereitgestellt, gemäß Anspruch 7.
Auf diese Weise können Rotorelemente hergestellt werden, die Polabschnitte aufweisen, die um unterschiedliche Abstände relativ zu einer Mittellinie des Grundkörperabschnitts versetzt sind.
Bevorzugt ist der Teil des (ersten) Polabschnitts, der durch das erste Stanzelement hergestellt wird, derjenige Teil des Polabschnitts, der für alle Rotorelemente über den gesamten Bereich gemeinsam ist.
In bevorzugter Weise umfaßt die Stanzanordnung ein drittes Stanzelement zum Bereitstellen, durch Stanzen, eines Umfangsrands, der gekrümmt sein kann und eine gekrümmte äußere Oberfläche des Polabschnitts bildet, zwischen dem ersten Abschnitt eines Elements und einem zweiten Abschnitt eines Elements, das durch einen vorangehenden Stanzvorgang hergestellt worden ist.
In bevorzugter Weise sind die zweiten und dritten Stanzelemente integral ausgebildet, wobei das dritte Stanzelement beim Ausführen des Verfahrens sich zusammen mit dem zweiten Stanzelement bewegt.
Bevorzugt umfaßt die Vorrichtung ein Mittel, um alle Stanzelemente dazu zu veranlassen, gleichzeitig einen Stanzvorgang auszuführen.
Die Erfindung wird nachfolgend im Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Rotoranordnung zeigt;
2 eine Draufsicht auf eine modifizierte Form einer Rotoranordnung der Art, wie sie in 1 dargestellt ist, zeigt, in Form der bekannten „Winkel"-Anordnung;
3 eine Seitenansicht eines Rotorelements zeigt, das bei der Konstruktion verwendet wird, die in 2 dargestellt ist;
4a, 5a und 6a Ansichten einer Vorrichtung sind, die für die Herstellung der Elemente verwendet wird, gemäß der vorliegenden Erfindung;
4b, 5b und 6b Ansichten von Rotorelementen sind, die durch die Stanzanordnungen hergestellt worden sind, die in 4a, 5a und 6a dargestellt sind;
7 eine Draufsicht auf ein zweites Stanzelement der Vorrichtung zeigt; und
8 eine Ansicht zeigt, in der die aufeinanderfolgenden Stufen beim Ausstanzen eines Rotorelements gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt sind, ausgehend von bandförmigem Stahlmaterial.
1 zeigt eine herkömmliche Rotoranordnung mit einer Welle 6 und einer Anzahl von Rotorelementen 8, die mit der Welle zur Drehung mit dieser um die Achse A-A der Welle 6 verbunden sind, wobei jedes Rotorelement einen Grundkörperabschnitt 10 und einen Polabschnitt 12 aufweist. In herkömmlicher Weise haben die Rotorelemente typischerweise eine Dicke von 1 mm und sind bis zu einer gewünschten Dicke in der Längsrichtung aufeinandergestapelt, während die Polabschnitte 12 mit gekrümmten äußeren Oberflächen 13 versehen sind, die einen Krümmungsradius aufweisen, der geringfügig kleiner ist als der Krümmungsradius des Stators, in dem sie angebracht werden sollen, so daß ein kleiner Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator gebildet wird.
2 erläutert in schematischer Weise eine modifizierte Konstruktion eines Rotors, bei der, während die Grundkörperabschnitte in ihrer Position gehalten sind, die Polabschnitte 12 in beiden axialen Richtungen ausgehend von einer zentralen Ebene B-B mehr und mehr versetzt sind, um ein Erscheinungsbild nach Art eines Winkels zu erzeugen, wie sich anhand von 2 ergibt.
Es wird deutlich, daß bei der Anordnung, die in 2 dargestellt ist, die relative Position eines jeden Polabschnitts in bezug auf ein benachbartes Polelement unterschiedlich ist, in bezug auf die Mittellinie C/L des Grundkörperabschnitts 10, und daß daher die Rotorelemente nicht in zweckmäßiger Weise durch den herkömmlichen Stanzvorgang hergestellt werden können. Auf diese Weise ist es zweckmäßig, wie in 3 dargestellt ist, die die Veränderung des Orts der Polabschnitte 12 in bezug auf die Grundkörperabschnitte 8 erläutert, die Grundkörperabschnitte und die Polabschnitte getrennt herzustellen und diese aneinander zu befestigen, zweckmäßigerweise anschließend an das Zusammensetzen der Elemente in einer Einspannvorrichtung, durch Schweißnähte X, die an zwei Ecken von Grenzflächen zwischen den Polelementen und den Grundkörperelementen angeordnet sind.
4a zeigt eine perspektivische Ansicht, in der eine Stanzanordnung dargestellt ist, wobei auch bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung erläutert werden, die für die Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen von Rotorelementen verwendet werden, mit dem eine Rotoranordnung der bevorzugten Konstruktion in Form eines Winkels in zweckmäßiger Weise hergestellt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Anordnung, die in 4a dargestellt ist, eine Basisplatte 20, auf der ein erstes, ortsfestes Teil 22 gehalten ist, und benachbart zu diesem ein zweites, bewegliches Stanzelement 32.
Das Stanzelement 32 weist zwei Stanzöffnungen 24a, 24b auf, von denen jede eine Stanzoberfläche bildet, die einem Teil des Umfangs des Polabschnitts eines Rotorelements entspricht.
Das sich bewegende Stanzelement 32 weist Stanzöffnungen 34a, 34b auf, die jeweils eine Stanzoberfläche bilden, die einer Seite eines Grundkörperabschnitts 10 entspricht, wobei sich eine dritte Stanzöffnung 35 zwischen den beiden Stanzöffnungen 34a, 34b erstreckt.
Die Stanzanordnung weist ferner ein Mittel 36 auf, welches angetriebene Zahnräder 38 umfaßt, die mit Zahnstangen 40 in Eingriff bringbar sind, wobei das Stanzelement 32 schrittweise quer über die Basisplatte 20 vor und zurück bewegt werden kann.
Die Stanzanordnung umfaßt ein Mittel, das nicht dargestellt ist, zum Vorwärtsbewegen eines Stahlbands 50, das zweckmäßigerweise eine Dicke von 1 mm aufweist, quer über die Stanzanordnung während des Betriebs der Vorrichtung, wobei eine Führungseinrichtung vorgesehen ist, die in zweckmäßiger Weise durch Zapfen 52 gebildet wird, die mit vorab geformten Öffnungen 54 in dem Stahlstreifen in Eingriff bringbar sind, um den Streifen 50 exakt in bezug auf das ortsfeste Stanzelement 22 und das sich bewegende Stanzelement 32 zu positionieren.
Die Betriebsweise der Stanzanordnung wird nachfolgend beschrieben.
Stanzwerkzeuge, die nicht dargestellt sind, und die komplementär zu den ersten Stanzöffnungen 24a und 24b sind, entfernen Teile des Materials von dem Stahlstreifen, die den äußersten Rändern der Polelemente eines herkömmlichen Rotorelements entsprechen.
Der Streifen wird von der Position B zu der Position C vorwärtsbewegt, wobei auch auf 8 verwiesen sei, und ein Ausstanzelement 62, welches Ausstanzabschnitte 64a und 64b aufweist, die den Öffnungen 34a und 34b entsprechen, werden betätigt, um außerhalb der Ränder des Streifens auszustanzen, während ein drittes Ausstanzelement 65, welches einteilig mit den Ausstanzabschnitten 64a und 64b ist, in die überbrückende Öffnung 35 hineingeht.
Die Ausstanzelemente 64a und 64b wirken mit den Bereichen des Streifens zusammen, die durch die Ausstanzteile der ersten Stanzanordnung entfernt worden sind, und auf diese Weise wird ein vollständiges Rotorelement 72 an der Position D hergestellt.
Wie sich anhand von 7 ergibt, weisen die überbrückende Öffnung 35 und der entsprechende Ausstanzabschnitt 65 Oberflächen auf, die mit Krümmungsradien R1 und R2 versehen sind, wobei der Radius R1 gleich dem gewünschten Krümmungsradius der äußeren Oberflächen der Polelemente ist, während der Radius R2 gleich dem Radius der unteren Oberfläche des Rotors ist.
Es sei selbstverständlich darauf verwiesen, daß die Ausstanzelemente von beiden Stanzanordnungen gleichzeitig betätigt werden. Anschließend an jeden einzelnen Stanzvorgang wird das Antriebsmittel 36 betätigt, um eine schrittweise Bewegung der Stanzplatte 32 in einer gewünschten Richtung zu veranlassen, um einen Versatz des Polabschnitts von der Mittellinie C/L des Grundkörperabschnitts zu erzeugen, wobei sich eine solche Bewegung schrittweise bis zu einem Maximum in einer Richtung bewegt und sich in der entgegengesetzten Richtung bis zu einer Ausgangsstellung zurückbewegt. Auf diese Weise sind die Rotorelemente, die durch die Arbeitsweise der Vorrichtung erzeugt werden, wie sie in 4 dargestellt ist, in der richtigen Folge aufeinandergestapelt.
Allerdings kann, wenn dies gewünscht wird, eine Anzahl von Rotorelementen hergestellt werden, wobei sich die zweite Stanzanordnung an ein und derselben Stelle befindet, vor einer schrittweisen Bewegung, und das Ausstanzen einer Vielzahl von Rotorelementen in dieser versetzten Position erfolgt.
Während 4a zeigt, daß die zweiten und dritten Stanzanordnungen bis in eine maximale Position in einer Richtung bewegt worden sind, zeigt 5a die zweite Stanzanordnung, die in der entgegengesetzten Richtung bis in eine Position des maximalen Versatzes bewegt worden ist, während 6a die zweite Stanzanordnung in einer mittleren Stellung zeigt, wobei die Rotorelemente, die durch die Stanzanordnung in diesen Rotorstellungen hergestellt sind, in 4b, 5b und 6b dargestellt sind.
Da das Ausstanzelement 65, das die gekrümmte äußere Oberfläche des Polelements erzeugt, zusammen mit den gekrümmten inneren Oberflächen des Grundkörperabschnitts durch die dritte Stanzanordnung hergestellt wird, insbesondere dadurch, daß das Ausstanzelement 65 in die Stanzöffnung 35 bewegt wird, bleibt die Mittellinie des Krümmungsradius der Polabschnitte notwendigerweise im wesentlichen auf der Mittellinie C/L des Grundkörperabschnitts, wobei insbesondere auf 7 verwiesen sei, obwohl sich der Versatz des Polabschnitts um einen Schritt ausgehend von der theoretischen Position unterscheidet.
Auf diese Weise bleibt die Mittellinie der äußeren Oberfläche konstant, obwohl die Polelemente gestapelt werden, wenn die Rotorelemente korrekt aneinander befestigt werden, und der Luftspalt zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche des Stators bleibt konstant, trotz der Tatsache, daß eine winkelartige Anordnung von Polyelementen eingesetzt wird.
Auf diese Weise kann man sich die Vorteile der winkelartigen Anordnung ohne die Nachteile der Veränderung in der Dicke des Luftspalts in der axialen Richtung der Rotoranordnung zunutze machen.
In der vorliegenden Beschreibung hat „umfaßt" die Bedeutung von „enthält oder besteht aus", und „umfassend" hat die Bedeutung von „enthaltend oder bestehend aus".
Die Merkmale, die in der vorstehenden Beschreibung offenbart sind, oder in den folgenden Ansprüchen oder in den beigefügten Zeichnungen, und die in ihren speziellen Formen oder in Form eines Mittels zum Ausführen der offenbarten Funktion dargelegt sind, oder ein Verfahren oder Prozeß zum Erreichen des gewünschten Ergebnisses, je nachdem, können einzeln oder in einer beliebigen Kombination von solchen Merkmalen, wobei sie innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche fallen, zur Realisierung der Erfindung in unterschiedlichen Ausführungsformen davon eingesetzt werden.

Claims

Vorrichtung zum Herstellen von Elementen (8) aus bandförmigem Material, wobei die Elemente (8) im Gebrauch aufeinander gestapelt werden, um eine Anordnung von gestapelten Elementen (8) für eine elektrische Maschine zu bilden, wobei jedes Element (8) Grundkörper- (10) und Polabschnitte (12) aufweist, die integral ausgebildet sind, wobei die Maschine eine Stanzanordnung aufweist, die mit einem ersten Stanzelement (22) versehen ist, zum Bereitstellen durch Ausstanzen zumindest von Teilen der Grundkörperabschnitte (10) eines jeden Elements, und ein zweites Stanzelement (32) zum Bereitstellen durch Ausstanzen der Polabschnitte (12) eines jeden Elements (8), und dadurch gekennzeichnet, daß die Stanzelemente (22, 32) für Grundkörper und Pole relativ zueinander bewegbar sind, zwischen aufeinanderfolgenden Stanzvorgängen, wenn die Grundkörper- und Polabschnitte (10, 12) der Elemente (8) gebildet werden, wobei eine schrittweise Einstellung der Position des zweiten Stanzelements (32) relativ zu dem ersten Stanzelement (22) so ausgeführt wird, daß während jeder der Grundköperabschnitte (10) der Elemente (8) entlang einer gemeinsamen Mittellinie gebildet wird, der Polabschnitt (12) eines jeden der aufeinanderfolgenden Elemente (8) schrittweise relativ zu dem Polabschnitt (12) eines jeden entsprechenden vorangehenden Elements (8) in Bezug auf die genannte gemeinsame Mittellinie des Grundkörperabschnitts (10) versetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Stanzelement (22) relativ zu einem Grundkörper (20) der Maschine ortsfest gehalten wird, und daß das zweite Stanzelement (32) schrittweise zwischen aufeinanderfolgenden Ausstanzvorgängen relativ zu dem ersten Stanzelement (22) und dem Grundkörper (20) bewegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der ersten und zweiten Stanzelemente (22, 32) ein zugehöriges Ausstanzelement aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stanzanordnung ein drittes Stanzelement (35) zum Bereitstellen durch Ausstanzen eines Umfangsrands zwischen dem Grundkörperabschnitt (10) eines Elements (8) und einem Polabschnitt (12) eines Elements, das durch einen vorangehenden Ausstanzvorgang gebildet worden ist, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsrand des Polabschnitts gekrümmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten und dritten Stanzelemente (32, 35) integral sind.
Verfahren zum Herstellen von Elementen (8) unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ausgehend von bandförmigen Material, wobei die Elemente (8) im Gebrauch aufeinander gestapelt werden, um eine Anordnung von gestapelten Elementen (8) für eine elektrische Maschine zu bilden, wobei jedes Element (8) Grundkörper- (10) und Polabschnitte (12) aufweist, die integral ausgebildet sind, wobei die Maschine eine Stanzanordnung aufweist, die mit einem ersten Stanzelement (22) versehen ist, zum Bereitstellen durch Ausstanzen zumindest von Teilen der Grundkörperabschnitte (10) eines jeden Elements, und ein zweites Stanzelement (32) zum Bereitstellen durch Ausstanzen der Polabschnitte (12) eines jeden Elements (8), und dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren umfaßt, die ersten und zweiten Stanzelemente (22, 32) relativ zueinander zu bewegen, zwischen aufeinanderfolgenden Stanzvorgängen, wenn die Grundkörper- und Polabschnitte (10, 12) der Elemente (8) gebildet werden, wobei eine schrittweise Einstellung der Position des zweiten Stanzelements (32) relativ zu dem ersten Stanzelement (22) so ausgeführt wird, daß während jeder der Grundköperabschnitte (10) der Elemente (8) entlang einer gemeinsamen Mittellinie gebildet wird, der Polabschnitt (12) eines jeden der aufeinanderfolgenden Elemente (8) schrittweise relativ zu dem Polabschnitt (12) eines jeden entsprechenden vorangehenden Elements (8) in Bezug auf die genannte gemeinsame Mittellinie versetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stanzanordnung ein drittes Stanzelement (35) umfaßt, und daß das Verfahren umfaßt, durch Ausstanzen unter Verwendung des dritten Stanzelements einen Umfangsrand zu bilden, zwischen dem Grundkörperabschnitt (10) eines Elements (8) und einem Polabschnitt (12) eines Elements, das durch einen vorangehenden Ausstanzvorgang hergestellt worden ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Stanzelement (35) mit dem zweiten Stanzelement (32) schrittweise zwischen aufeinanderfolgenden Ausstanzvorgängen bewegt wird.