DE102016215090A1

DE102016215090A1 - Verfahren zur Montage einer Rotorwelle eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102016215090A1
Application number: DE102016215090.1A
Authority: DE
Inventors: Gunther Martin; Tim Krah; Gregor Beck; Hamit Örgen; Roman Weinmeister; Kanwar Bir Singh Sidhu
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta TecCenter AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; Thyssenkrupp Dynamic Components Teccenter AG
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2018-02-15
Also published as: WO2018029263A1

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage einer Rotorwelle eines Elektromotors. Dabei werden zwischen zwei Druckscheiben mit kreisringförmigen Elementen aus einem weichmagnetischen Werkstoff gebildete Blechpakete auf der Rotorwelle zwischen zwei auf der Rotorwelle vorhandenen Druckscheiben gehalten.
Üblicherweise werden Blechpakete durch den Einsatz von Schrauben und Schraubenmuttern an Rotorwellen zusammengedrückt und fixiert. Diese Art der Verbindung ist relativ aufwändig herstellbar und erfordert eine zusätzliche Sicherung gegenüber unerwünschtem Lösen der Verbindung, was den Aufwand durch erforderliche zusätzliche Prozessschritte erhöht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Aufwand bei der Montage zu reduzieren und die Sicherheit der Verbindung gegen unerwünschtes Lösen zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mit kreisringförmigen Elementen aus einem weichmagnetischen Werkstoff gebildete Blechpakete auf der Rotorwelle zwischen zwei auf der Rotorwelle vorhandenen Druckscheiben gehalten. Dabei wird an einer ersten und/oder zweiten Druckscheibe im hohlzylindrischen Bereich an der inneren Mantelfläche oder an der äußeren Oberfläche der Rotorwelle in einem Fügebereich eine von einem Gewinde abweichende Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen durch eine spanende und/oder umformende Bearbeitung, bevorzugt durch Rollierung ausgebildet.
Die erste und/oder zweite Druckscheibe wird/werden auf die Rotorwelle parallel zur Rotationsachse der Rotorwelle, bevorzugt bei Einhaltung einer Temperaturdifferenz zwischen Rotorwelle und der/den Druckscheibe(n) aufgeschoben, und zwar so dass es zu einer plastischen Verformung im Bereich ausgebildeter Erhebungen der Oberflächenstruktur kommt.
Dadurch und in bevorzugter Weise nach einen Temperaturausgleich zwischen der mindestens einen Druckscheibe und der Rotorwelle wird eine kraft- und formschlüssigen Verbindung zwischen Rotorwelle und mindestens einer der beiden Druckscheiben im Fügebereich ausgebildet. Die kraft- und formschlüssige Verbindung wird in einem Fügebereich für jeweils eine der Druckscheiben erreicht. Die plastische Verformung und Ausbildung der kraft- und formschlüssigen Verbindung kann auch ohne die Einhaltung einer Temperaturdifferenz beim Aufschieben erreicht werden. Bei Einhaltung einer Temperaturdifferenz kann aber eine Verbesserung der Verhältnisse ausgenutzt werden.
In einer Alternative ist entweder die erste oder zweite Druckscheibe unmittelbar an der Rotorwelle ausgebildet und die jeweils andere Druckscheibe wird nach dem Aufschieben der Blechpakete zur Ausbildung der kraft- und formschlüssigen Verbindung auf die Rotorwelle aufgeschoben.
Bei einer zweiten Alternative wird zuerst die erste oder zweite Druckscheibe, nachfolgend daran werden die Blechpakete und wiederum nachfolgend daran wird die jeweils andere Druckscheibe zur Ausbildung der kraft- und formschlüssigen Verbindung sowie zur Fixierung der Blechpakete zwischen den Druckscheiben auf die Rotorwelle aufgeschoben.
Das Aufschieben der mindestens einen Druckscheibe und die Ausbildung der Fügeverbindung sollten so erfolgen, dass die kreisringförmigen Elemente der Blechpakete gegeneinander gepresst werden.
Eine Oberflächenstruktur kann vorteilhaft mit mehreren ringförmigen Erhebungen und Vertiefungen, die senkrecht oder einem Winkel zwischen 30 ° und 60° in Bezug zur Rotationsachse der Rotorwelle ausgebildet werden, gebildet werden. Erhebungen und Vertiefungen können dabei parallel zueinander ausgerichtet sein, so dass senkrecht zur Rotationsachse der Rotorwelle ausgerichtete rillenförmigen Vertiefungen, in einem schräg geneigten Winkel in Bezug zur Rotationsachse oder sich kreuzende rillenförmige Vertiefungen ausgebildet werden können. Bei sich kreuzenden rillenförmigen Vertiefungen können dazwischen angeordnete rombenförmige Erhebungen ausgebildet werden.
An der jeweils komplementären Oberfläche der Rotorwelle im Fügebereich oder der inneren Mantelfläche der Druckscheibe(n), an der keine Oberflächenstrukturierung ausgebildet worden ist, kann eine Oberflächenbearbeitung bevorzugt mittels Räumung ggf. durch Sintern oder ein anderes formgebendes Verfahren durchgeführt werden, was dort zu einer Erhöhung der Oberflächenrauheit führt.
Während des Aufschiebens der Druckscheibe(n) sollte eine Temperaturdifferenz zwischen Druckscheibe(n) und Rotorwelle eingehalten werden. Dies kann durch eine Erwärmung der jeweiligen Druckscheibe und/oder eine Kühlung der Rotorwelle erreicht werden. Druckscheiben können dabei induktiv oder in einem Ofen erwärmt werden. Eine Rotorwelle kann beispielsweise mittels Eintauchen in flüssigen Stickstoff gekühlt werden. Die Temperaturdifferenz sollte ausreichend groß sein. Sie darf jedoch die Materialeigenschaften nicht negativ beeinflussen.
Zwischen Erhebungen und Vertiefungen der ausgebildeten Oberflächenstruktur sollten in einem Fügebereich zwischen innerer Mantelfläche einer jeweiligen Druckscheibe oder der äußeren Oberfläche der Rotorwelle eine Höhendifferenz von mindestens 0.15 mm in radialer Richtung eingehalten sein. Dies bedeutet, dass der äußere Durchmesser von Erhebungen, die an der Oberflächenstruktur, die an einer Rotorwelle ausgebildet ist, 0.3 mm größer als der äußere Durchmesser der Rotorwelle im Bereich von Vertiefungen sein sollte.
Die Rotorwelle kann beispielsweise aus verschiedenen Metallen insbesondere Stählen und die Druckscheibe(n) beispielsweise aus nicht magnetischen Stoffen und/oder leichten Materialien, insbesondere Metall/ nicht Metall, Keramik, spezielle Kunststoffe oder Kombinationen aus verschiedenen Stoffen „Werkstoffverbund“ hergestellt worden sein.
Kreisringförmige Elemente für in Richtung einer Druckscheibe angeordnete Blechpakete, die einen gegenüber den kreisringförmigen Elementen, mit denen dazwischen angeordnete Blechpakete gebildet sind, können einen größeren Innendurchmesser aufweisen. An den Druckscheiben in Richtung der äußeren Blechpakete weisend können dann den Fügebereich vergrößernde Flansche ausgebildet worden sind, und die Innendurchmesser der an den äußeren Blechpaketen angeordneten kreisringförmigen Elemente an die Außendurchmesser der Flansche angepasst sein. Dadurch lässt sich die Länge des/der Fügebereiche(s) erhöhen, was zu einer Erhöhung der Festigkeit der Verbindung zwischen Druckscheibe(n) und Rotorwelle führt. Bereits ohne diese Verlängerung kann ein Sicherheitsfaktor > 1 erreicht werden.
Die Druckscheibe(n) sollte(n) einen Innendurchmesser und die Rotorwelle im/in Fügebereich(en) einen Außendurchmesser bei Umgebungstemperatur aufweisen, mit dem eine Presspassung ggf. nach Einhaltung einer Temperaturdifferenz und dann nach dem Temperaturausgleich zwischen Rotorwelle und Druckscheibe(n) ausgebildet werden kann. Dabei spielen die eingesetzten Werkstoffe für Druckscheibe(n) und Rotorwelle sowie die Länge der nutzbaren Fügebereiche eine zu beachtende Rolle. Neben einer Presspassung kann auch eine Formpassung allein oder zusätzlich ausgebildet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 eine Schnittdarstellung einer Rotorwelle mit daran mittels zweier Druckscheiben fixierten Blechpaketen.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel wurden sechs Blechpakete 3.1 bis 3.6 zwischen zwei Druckscheiben 2 an der innen hohlen Rotorwelle 1 fixiert. Die Rotorwelle 1 war aus Maschinenbaustahl (E355+C), die die Blechpakete 3.1 bis 3.6 bildenden kreisringförmigen Elemente aus weichmagnetische Legierung (Elektroblech) und die Druckscheiben 2 aus legiertem Vergütungsstahl (42CrMo4) hergestellt.
An der radial äußeren Oberfläche der Rotorwelle 1 wurde durch Rollierung in zwei Fügebereichen für jeweils eine Druckscheibe 2 eine Oberflächenstruktur mit parallel zueinander ausgerichteten und in einem Abstand von 0.8 mm zueinander angeordnete rillenförmige Vertiefungen ausgebildet, die senkrecht zur Rotationsachse der Rotorwelle 1 ausgerichtet sind. Die Fügebereiche hatten eine Länge die der Länge der Druckscheiben 2 in Richtung der Rotationsachse der Rotorwelle 1 inklusive der an den Druckscheiben 2 bei diesem Beispiel vorhandenen Flansche 2.1 entspricht. Die rillenförmigen Vertiefungen hatten eine Tiefe von 0.4 mm in Bezug zu den Erhebungen und eine Breite von 0.3 mm. Dazwischen angeordnete Erhebungen hatten eine Breite von 0.35 mm.
Der größte Außendurchmesser der Rotorwelle 1 betrug in den Fügebereichen 84.4 mm und der kleinste Innendurchmesser der Druckscheiben 2 betrug 84.1 mm.
Die Druckscheiben 2 hatten eine Länge im gesamten nutzbaren Fügebereich inklusive des jeweiligen Flansches 2.1 von 21 mm. Der Außendurchmesser der Flansche 2.1 betrug 95 mm. Die Flansche 2.1 hatten eine Länge parallel zur Rotationsachse von 24 mm und der Innendurchmesser von kreisringförmigen Elementen der Blechpakete 3.1 und 3.6, die unmittelbar an einer der Druckscheiben 2 angeordnet sind, betrug 96 mm.
Die innere Oberfläche der Bohrungen der Druckscheiben 2 wurden mittels eines Räumwerkzeuges bearbeitet, was zu einer Erhöhung der Oberflächenrauheit auf einen Wert von Rz16 führte.
Das Aufschieben kann gesteuert oder geregelt mittels pneumatisch oder hydraulisch betriebener Manipulatoren oder durch einen anderen Linearantrieb erreicht werden, die in 1 nicht gezeigt sind

Claims

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