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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blechpaket, insbesondere ein Rotorblechpaket, beispielsweise für eine permanenterregte Synchronmaschine, eine stromerregte Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine, einen Elektromotor sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Blechpakets.
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Für die Herstellung von Rotoren und Statoren elektrischer Maschinen werden in der Regel Blechpakete verwendet. Gegenüber der Vollmaterialbauweise haben Blechpakete unter anderem den Vorteil, dass sie Wirbelströme verhindern und so den Wirkungsgrad erhöhen. Die Blechpakete von Rotoren permanenterregter Synchronmaschinen weisen zur Anordnung der Magnete entsprechende Ausnehmungen bzw. Öffnungen auf. Vor dem Hintergrund der immer weiter steigenden Anforderungen, insbesondere was die Drehzahl der Rotoren betrifft, sind gerade diese Bereiche allerdings äußerst problematisch. Im Betrieb ergeben sich unterschiedliche Kerbformen, welche zu einem lokalen Plastifizieren trotz benachbarter Stützeffekte führen können. Es besteht die Gefahr, dass bei hohen Drehzahlen Unwuchten auftreten, welche zu Lagerschäden etc. führen können.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Blechpakete, insbesondere von Rotoren, derart weiterzuentwickeln, dass sie die immer weiter steigenden Anforderungen bestmöglich erfüllen können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Blechpaket gemäß Anspruch 1, durch einen Elektromotor gemäß Anspruch 8 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Blechpaket, insbesondere ein Rotorblechpaket für eine elektrische Maschine, beispielsweise für eine permanenterregte Synchronmaschine, eine stromerregte Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine, eine Vielzahl von Blechelementen oder Blechlamellen, welche entlang einer Längsrichtung angeordnet bzw. gestapelt oder paketiert sind, wobei die Blechelemente - jeweils - eine Walzrichtung oder allgemein ein richtungsabhängiges Festigkeitsverhalten aufweisen, und wobei die Blechelemente derart zueinander ausgerichtet sind, dass die Walzrichtung aufeinanderfolgender Blechelemente abwechselnd entlang einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung ausgerichtet ist. Zweckmäßigerweise weisen also aufeinanderfolgende Blechelemente eine wechselnde Walzrichtung auf. Dabei bedeutet „abwechselnd“, dass das jeweils übernächste Blechelement wieder die gleiche Orientierung aufweist. Die gewalzten Blechelemente haben in Walzrichtung eine geringere statische Blechfestigkeit (Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung) als quer dazu. Durch die vorgeschlagene Anordnung der Blechelemente wird dies berücksichtigt, wodurch mit Vorteil Blechpakete realisiert werden können, beispielsweise für Rotoren von elektrischen Maschinen, welche höchsten Belastungen Stand halten.
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Besonders vorteilhaft ist zwischen der ersten und zweiten Richtung ein Winkel von 90°, oder zumindest in etwa von 90°, beispielsweise in einem Bereich von 85-95°, eingestellt. Mit Vorteil ist also eine wechselnde Anordnung der Blechelemente längs und quer zur Walzrichtung vorgesehen. Hintergrund ist, dass an Kerben, welche längs zur Walzrichtung bereits bei lokalen Beanspruchungen plastifizieren, ein benachbartes Blechelement gewisse Überbeanspruchungen abfangen kann, da dieses im Kerbgrund höhere Streckgrenzen aufweist und somit im elastischen Werkstoffverhalten verharrt. Mit anderen Worten können benachbarte oder aneinander angrenzende Blechelemente einander stützen. Vorteilhafterweise kommt es in der Folge zu weniger plastischem Fließen aufgrund vorherrschender Abfangeffekte und damit zu einer Reduzierung der Unwucht im Rotor. Außerdem kommt es zu einem gleichmäßigen bzw. gleichmäßigeren plastischen Fließen über das jeweilige Blechpaket. Aufgrund gleicher plastischer Bereiche über den gesamten Rotor verteilt, resultiert dies in weniger Unwucht. Weniger Unwucht resultiert in weniger Belastung von Teilen und Komponenten wie Lagern etc. und damit in einer höheren Lebensdauer des entsprechenden Bauteils, beispielsweise des Rotors. Zweckmäßigerweise wird durch die wechselnde Anordnung ein Blechpaket mit „quasi-transversalisotropen“ Eigenschaften, vorteilhafterweise in radialer Richtung, erzielt, trotz der anisotropen Eigenschaften der einzelnen Blechelemente.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Blechpaket eine Vielzahl von Ausnehmungen, wobei die Ausnehmungen zur Anordnung von Magneten, insbesondere von Permanentmagneten, ausgelegt sind. Die Ausnehmungen sind zweckmäßigerweise als Öffnungen ausgebildet, wobei deren Größe und Form von der Größe und Form der anzuordnenden Magnete abhängt. Gemäß einer Ausführungsform sind sie jeweils paarweise angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Ausnehmungen paarweise V-förmig angeordnet. Das „V“ ist dabei radial nach außen geöffnet. Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen den paarweise, V-förmig angeordneten Ausnehmungen ein Winkel von z. B. 60° eingestellt. In diesem Fall handelt es sich um sechs Paare von Ausnehmungen, wodurch sich der Winkel von 60° zwischen den Paaren ergibt.
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Alternativ oder zusätzlich sind die Ausnehmungen als Nuten ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind dadurch entsprechende Stege gebildet. Gemäß einer Ausführungsform ist das Blechpaket ein Rotor einer oder für eine permanenterregte Synchronmaschine mit eingebetteten Permanentmagneten. Alternativ kann beispielsweise auch ein Rotor einer stromerregten Synchronmaschine oder einer Asynchronmaschine ein derartiges Blechpaket aufweisen. Grundsätzlich ist die vorgeschlagene Anordnung nicht auf einen bestimmten Typ eines Blechpakets beschränkt, kann also auch für Statoren von elektrischen Maschinen oder andere Arten von Spulen verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Winkel, um welchen die Blechelemente abwechselnd zueinander versetzt sind, von der Nutteilung oder von der Lage und/oder Anzahl und/oder Orientierung der Ausnehmungen abhängig. Insbesondere orientiert sich also der Winkel an der Nutteilung oder einem Abstand der Ausnehmungen. Dabei wird unter „Nutteilung“ der Abstand oder Winkel von der Mitte einer Nut bis zur Mitte der benachbarten Nut verstanden. Dieser kann, abhängig von der Bauform, die unterschiedlichsten Werte annehmen. Gemäß einer Ausführungsform entspricht ein Winkel, um welchen die Blechelemente abwechselnd zueinander versetzt sind, der Nutteilung oder einem Vielfachen davon. Dies gilt analog in Bezug auf die Ausnehmungen. Sind beispielsweise sechs Paare von Ausnehmungen, beispielsweise zur Anordnung von Magneten, umfänglich gleich beabstandet in einem Winkel von 60° angeordnet, beträgt der Winkel, um welchen die Blechelemente abwechselnd zueinander versetzt sind, ebenfalls beispielsweise 60°, oder ein Vielfaches davon.
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Dabei gilt, dass sich der Winkel, um welchen die Blechelemente abwechselnd zueinander versetzt sind, auch wenn er sich beispielsweise an einer Nutteilung orientiert, gemäß einer Ausführungsform zweckmäßigerweise 90° annähert. In Bezug auf die Nutteilung kann dies erreicht werden, wenn der Versatzwinkel der Blechelemente beispielsweise einem Vielfachen der Nutteilung entspricht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Blechpaket ein Rotor einer elektrischen Maschine oder ein Bestandteil eines Rotors einer elektrischen Maschine. Gemäß einer Ausführungsform ist der Rotor einer elektrischen Maschine, beispielsweise einer permanenterregten Synchronmaschine, einer stromerregten Synchronmaschine oder einer Asynchronmaschine, aus einer Vielzahl von Blechpaketen zusammengesetzt.
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Die Erfindung betrifft auch einen Elektromotor, umfassend zumindest ein erfindungsgemäßes Blechpaket.
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Bevorzugt ist der Elektromotor ein permanent- oder stromerregter Synchronmotor, oder ein Asynchronmotor, umfassend einen Rotor, wobei der Rotor zumindest ein erfindungsgemäßes Blechpaket aufweist.
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Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines Blechpakets, insbesondere eines Rotorblechpakets, umfassend die Schritte:
- - Walzen eines Ausgangsmaterials entlang einer Walzrichtung;
- - Formen einer Vielzahl von Blechelementen aus dem gewalzten Ausgangsmaterial;
- - Zusammensetzen der Blechelemente zu einem Blechpaket derart, dass die Walzrichtung aufeinanderfolgender oder angrenzender Blechelemente abwechselnd entlang einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung ausgerichtet ist.
Bevorzugt ist zwischen der ersten und zweiten Richtung ein Winkel von 90° oder in etwa von 90° eingestellt. Das Ausgangsmaterial ist gemäß einer Ausführungsform Elektroblech. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die im Zusammenhang mit dem Blechpaket erwähnten Vorteile und Merkmale in gleicher Weise für das Verfahren gelten sowie umgekehrt.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Einbringen von Ausnehmungen in das Ausgangsmaterial oder in das oder die Blechelemente vor dem Zusammensetzen unter Berücksichtigung des Winkels mit einer Vorrichtung;
- - Positionieren der Vorrichtung und/oder des Ausgangsmaterials oder des oder der Blechelemente zum Berücksichtigen des Winkels.
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Die Vorrichtung kann eine Vorrichtung zum Stanzen sein oder eine Vorrichtung zum Laserschneiden. Alternative Verfahren zum Formen der Blechelemente, insbesondere Trennverfahren oder formgebende Verfahren, sind ebenfalls möglich. Das Blechpaket kann gemäß einer Ausführungsform durch Stanzpaketieren geformt werden. Daneben können die Blechpakete genietet, geschweißt, geklebt und/oder verbacken werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Blechpakets mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Darstellung eines Rotors einer elektrischen Maschine;
- 2: den Aufbau einer Ausführungsform eines Blechpakets, umfassend eine Vielzahl von Blechelementen mit unterschiedlich orientierter Walzrichtung.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Rotor einer elektrischen Maschine, hier beispielsweise einer permanenterregten Synchronmaschine, umfassend ein Blechpaket 10 sowie eine Rotorwelle 12, wobei sich diese entlang einer Längsrichtung L erstrecken. Bevorzugt handelt es sich bei dem Rotor beispielsweise um einen Rotor einer permanenterregten Synchronmaschine. Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Rotor nicht nur ein Blechpaket, sondern eine Vielzahl von Blechpaketen, welche entlang der Längsrichtung L aneinander angeordnet sind, beispielsweise fünf oder sechs.
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2 zeigt vier Blechelemente 20, welche zusammengesetzt einen Abschnitt eines Blechpakets, beispielsweise für einen Rotor einer elektrischen Maschine, formen. Zu erkennen ist, dass die Blechelemente 20 jeweils eine Vielzahl von Ausnehmungen 40 aufweisen. Diese sind in der hier dargestellten Ausführungsform paarweise V-förmig angeordnet und dienen der Anordnung (hier nicht gezeigt) von Permanentmagneten. Diese werden entlang der Längsrichtung L in die Ausnehmungen eingeschoben. Jedes der Blechelemente 20 weist eine Walzrichtung W auf. Zweckmäßigerweise sind die Blechelemente 20 derart zueinander angeordnet, dass eine wechselnde Anordnung von Blechelementen 20 längs und quer zur Walzrichtung eingestellt ist. Beispielsweise ist das oberste Blechelement 20 derart orientiert, dass deren Walzrichtung W entlang der ersten Richtung R1 orientiert ist. Das nachfolgende darunter liegende Blechelement 20 weist eine Orientierung auf, bei der dessen Walzrichtung W entlang der zweiten Richtung R2 orientiert ist etc. Die beiden Richtungen R1 und R2 sind vorliegend, wie bei der Angabe der Walzrichtung üblich, als Doppelpfeile skizziert. Zwischen der ersten Richtung R1 und der zweiten Richtung R2 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Winkel α in einem Bereich von 90° bzw. in etwa 90° eingestellt. Hintergrund ist, dass an Kerben, welche längs zur Walzrichtung bereits bei lokalen Beanspruchungen plastifizieren, benachbarte Blechelemente etwaige Überbeanspruchungen abfangen können, da diese im Kerbgrund höhere Streckgrenzen aufweisen und somit im elastischen Werkstoffverhalten verharren. In der Folge kann das plastische Fließen aufgrund vorherrschender Abfangeffekte reduziert werden. Zudem kann insgesamt ein gleichmäßigeres plastisches Fließen über das jeweilige Blechelement 20 bzw. über das gesamte Blechpaket hinweg erzielt werden. Das Ergebnis ist eine Anhebung der „Fließgrenze“ des Rotors durch gezielte Nutzung stützender Wirkung benachbarter Blechelemente mit lokal günstigerer Orientierung. Dies wirkt sich insbesondere vorteilhaft auf den Rundlauf aus und kommt so direkt der Lebensdauer des Produkts zugute. Alternativ könnte der Winkel, um welchen die Blechelemente 20 abwechselnd zueinander versetzt sind, im hier vorliegenden Fall, beispielsweise auch 60° betragen, womit er sich an Lage und Anzahl der Ausnehmungen 40 orientiert. Die vorgenannten Vorteile gelten entsprechend.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Blechpaket
- 12
- Rotorwelle
- 20
- Blechelement
- 40
- Ausnehmungen
- L
- Längsrichtung
- W
- Walzrichtung
- α
- Winkel
