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Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswuchten von Läufern elektrischer Maschinen. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Reibschweißkörper und eine Wuchtscheibe zum Auswuchten von Läufern elektrischer Maschinen.
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Ein Läufer einer elektrischen Maschine verfügt über eine Welle und über ein auf der Welle positioniertes Blechpaket, wobei in Magnettaschen des Blechpakets Magnete positioniert sind. Die Magnete bilden Polpaare. Das Blechpaket des Läufers einer elektrischen Maschine kann als segmentiertes Blechpaket aus mehreren in Axialrichtung der Welle gesehen nebeneinander bzw. hintereinander positionierten Blechpaketsegmenten ausgebildet sein.
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Fertigungsabweichungen der einzelnen Baugruppen des Läufers führen trotz einer oftmals symmetrischen Bauweise des Läufers zu einer Unwucht. Überschreitet die Unwucht des Läufers einen Grenzwert, kommt es im Betrieb der elektrischen Maschine zu unerwünschten Vibrationen, Geräuschen oder einem vorzeitigen Ausfall.
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Zur Kompensation der Unwucht eines Läufers einer elektrischen Maschine ist es aus der Praxis bekannt, einen Läufer einer elektrischen Maschine auszuwuchten. Hierbei wird die Unwucht durch einen Massenausgleich am Läufer beseitigt.
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Der Massenausgleich beim Wuchten kann durch Wegnahme von Masse durch sogenanntes Negativ-Wuchten oder durch Hinzufügen von Masse als sogenanntes Positiv-Wuchten durchgeführt werden kann. Negativ-Wuchten wird auch als Subtraktives-Wuchten und Positiv-Wuchten auch als Additives-Wuchten bezeichnet.
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Bei aus der Praxis bekannten Verfahren zum Auswuchten eines Läufers einer elektrischen Maschine findet typischerweise Negativ-Wuchten Verwendung. Das Beschädigen des Läufers einer elektrischen Maschine beim Negativ-Wuchten ist jedoch für Hochleistungsmaschinen nicht tolerabel.
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Daher ist es aus der Praxis bekannt, zusätzlich zu den oben erwähnten Baugruppen der Welle, des Blechpakets sowie der Magnete am Läufer einer elektrischen Maschine eine Opfermasse bereitzuhalten, von der für das Negativ-Wuchten Masse weggenommen werden kann. Derartige Opfermassen für das Negativ-Wuchten werden auch als Wuchtscheiben bezeichnet.
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Um die Nachteile des Negativ-Wuchtens zu vermeiden, kann alternativ zum Auswuchten eines Läufers einer elektrischen Maschine auch Positiv-Wuchten ausgeführt werden. Beim Positiv-Wuchten wird punktuell Material auf den Läufer einer elektrischen Maschine aufgebracht, und zwar ausschließlich an solchen Stellen des Läufers, an denen es zur Minimierung der Unwucht erforderlich ist. Durch Positiv-Wuchten ausgewuchtete Läufer sind leichter als Läufer, die durch Negativ-Wuchten ausgewuchtet sind.
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Für Läufer von elektrischen Maschinen, die mit einer Drehzahl von mehr als 15.000 U/min oder gar mit einer Drehzahl von mehr als 17.000 U/min betrieben werden, sind sowohl die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Negativ-Wuchten als auch die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Positiv-Wuchten ungeeignet, und zwar insbesondere im Hinblick auf eine industrielle Fertigung solcher Läufer innerhalb kurzer Taktzeiten.
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EP 0 911 537 A1 offenbart ein Verfahren zum Auswuchten von Läufern elektrischer Maschinen, wobei jeder Läufer eine Welle und ein auf der Welle angeordnetes Blechpaket aufweist, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines auszuwuchtenden Läufers. Bereitstellen von Wuchtscheiben. Bereitstellen von Wuchtkörpern. Anordnen jeweils einer Wuchtscheibe auf der Welle des auszuwuchtenden Läufers an beiden axialen Enden des Blechpakets. Ermitteln eines Betrags und einer Orientierung einer Initialunwucht der Anordnung aus dem auszuwuchtenden Läufer und der auf demselben angeordneten Wuchtscheiben. Anbringen mindestens eines Wuchtkörpers auf mindestens einer der beiden Wuchtscheiben abhängig von der ermittelten Initialunwucht.
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DE 10 2008 053 838 A1 offenbart ein weiters Verfahren zum Auswuchten von Läufern elektrischer Maschinen. Hier werden Wuchtgewichte mittels Rotationsreibschweißen auf einen Kurzschlussring des Läufers aufgebracht.
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Ambroziak, A. [et al.]: Friction Welding of Aluminium and Aluminium Alloys with Steel, In: Advances in Materials Science and Engineering, April 2014, Research Gate [online], DOI 10.1155/2014/981653 betrifft das Reibschweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen mit Stahl.
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Es besteht daher Bedarf an einem neuartigen Verfahren zum Auswuchten von Läufern elektrischer Maschinen, das insbesondere zum Auswuchten von schnelllaufenden elektrischen Maschinen innerhalb kurzer Taktzeiten während der Fertigung geeignet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren zum Auswuchten von Läufern elektrischer Maschinen sowie einen neuartigen Reibschweißkörper und eine neuartige Wuchtscheibe zum Auswuchten von Läufern elektrischer Maschinen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Auswuchten von Läufern elektrischer Maschinen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Auswuchten von Läufern elektrischer Maschinen umfasst zumindest die folgenden Schritte: Bereitstellen eines auszuwuchtenden Läufers einer elektrischen Maschine. Bereitstellen von Wuchtscheiben. Bereitstellen von Reibschweißkörpern, wobei der jeweilige Reibschweißkörper einen rotationssymmetrischen Grundkörper aufweist, wobei der jeweilige Reibschweißkörper eine an einer ersten Seite des Grundkörpers ausgebildeten Werkzeugankopplungseinrichtung aufweist, und wobei der jeweilige Reibschweißkörper eine an einer der ersten Seite des Grundkörpers gegenüberliegenden zweiten Seite des Grundkörpers ausgebildete Ausnehmung aufweist, die von einer ringförmigen Reibschweißfläche umgeben ist. Anordnen jeweils einer Wuchtscheibe auf der Welle des auszuwuchtenden Läufers an beiden axialen Enden des Blechpakets des auszuwuchtenden Läufers. Ermitteln eines Betrags und einer Orientierung einer Initialunwucht der Anordnung aus dem auszuwuchtenden Läufer und der auf demselben angeordneten Wuchtscheiben, wobei bezogen auf die beiden axialen Enden der Anordnung aus dem Läufer und den Wuchtscheiben jeweils ein Betrag und jeweils eine Orientierung der Initialunwucht ermittelt werden. Aufbringen mindestens eines Reibschweißkörpers auf mindestens einer der beiden Wuchtscheiben über Reibschweißen abhängig von der ermittelten Initialunwucht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Auswuchten von Läufern für schnelllaufende elektrische Maschinen innerhalb kurzer Taktzeiten. Erstmals werden sogenannte Wuchtscheiben nicht im Zusammenhang mit einem sogenannten Negativ-Wuchten genutzt, sondern vielmehr im Zusammenhang mit einem sogenannten Positiv-Wuchten. Hierzu wird auf mindestens eine der Wuchtscheiben mindestens ein Reibschweißkörper über Reibschweißen aufgebracht. Auf diese Art und Weise kann eine hohe Wuchtgüte innerhalb kurzer Taktzeiten und damit Fertigungszeiten realisiert werden.
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Die Reibschweißkörper können bei geringem Reibdruck innerhalb kürzester Zeit über Reibschweißen auf der Wuchtscheibe befestigt werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der jeweilige Reibschweißkörper beim Reibschweißen um eine Symmetrieachse desselben drehend angetrieben, wobei der jeweilige Reibschweißkörper beim Reibschweißen mit einem Reibschweißdruck von maximal 20 N/mm2 und mit einer Reibschweißzeit von maximal 2 Sekunden auf die jeweilige Wuchtscheiben aufgebracht wird. Auch dies ist für ein hochgenaues Wuchten von Vorteil.
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Die jeweilige Wuchtscheibe weist einen Innenring aus einem ersten metallischen Werkstoff und einen Außenring aus einem vom ersten metallischen Werkstoff verschiedenen zweiten metallischen Werkstoff auf, wobei der Innenring eine Ausnehmung mit einem Innendurchmesser aufweist, der an einen Außendurchmesser einer Welle eines auszuwuchtenden Läufers angepasst ist, wobei der Außenring einen Außendurchmesser aufweist, der an einen Außendurchmesser eines Blechpakets eines auszuwuchtenden Läufers angepasst ist, wobei der Außenring und der Innenring über in Umfangsrichtung beabstandete Stege aus dem zweiten metallischen Werkstoff oder einem dritten metallischen Werkstoff verbunden sind.
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Eine derartige Wuchtscheibe ist im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als Träger für Reibschweißkörper besonders bevorzugt. Über den Innenring kann die Wuchtscheibe besonders vorteilhaft auf der Welle des auszuwuchtenden Läufers montiert werden, bevorzugt über einen Presssitz. Auf dem Außenring der jeweiligen Wuchtscheibe können Reibschweißkörper über Reibschweißen vorteilhaft befestigt werden. Weder der Außenring noch die sich zwischen dem Außenring und dem Innenring erstreckenden Stege beeinflussen die magnetischen Eigenschaften des Läufers.
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Der Reibschweißkörper zum Auswuchten von Läufern elektrischer Maschinen ist in Anspruch 11 definiert. Der Reibschweißkörper weist einen rotationssymmetrischen Grundkörper auf, wobei an einer ersten Seite des Grundkörpers eine Werkzeugankopplungseinrichtung ausgebildet ist, und wobei an einer der ersten Seite des Grundkörpers gegenüberliegenden zweiten Seite des Grundkörpers, die von einer ringförmigen Reibschweißfläche umgeben ist, eine Ausnehmung ausgebildet ist.
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Derartige Reibschweißkörper sind für das erfindungsgemäße Verfahren besonders bevorzugt. Dieselben können bei geringem Reibdruck innerhalb kürzester Zeit über Reibschweißen auf der Wuchtscheibe befestigt werden.
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Die Wuchtscheibe zum Auswuchten von Läufern elektrischer Maschinen ist in Anspruch 12 definiert.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines ausgewuchteten Läufers einer elektrischen Maschine;
- 2 eine schematische Draufsicht auf einen Wuchtkörper zusammen mit auf dem Wuchtkörper aufgebrachten Reibschweißkörpern;
- 3 einen Querschnitt durch den Wuchtkörper 2 entlang der Schnittlinie III-III und
eine schematische Draufsicht auf einen Reibschweißkörper;
- 4 eine schematische Seitenansicht eines Reibschweißkörpers.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswuchten von Läufern elektrischer Maschinen, insbesondere solcher Läufer elektrischer Maschinen, die im Betrieb mit Drehzahlen von mehr als 15.000 U/min, insbesondere von mehr als 17.000 U/min, rotieren.
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Bei derartigen elektrischen Maschinen handelt es sich um elektrische Maschinen, die als Antriebsaggregate in Hochleistungsfahrzeugen zum Einsatz kommen.
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Um einen Läufer einer solchen elektrischen Maschine auszuwuchten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, neben einem auszuwuchtenden Läufer 10 der elektrischen Maschine, der eine Welle 11 und ein auf der Welle 11 angeordnetes Blechpaket 12 aufweist, auch Wuchtscheiben 13 und Reibschweißkörper 14 bereitzustellen.
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Auf der Welle 11 eines auszuwuchtenden Läufers 10 wird an beiden axialen Enden 12a, 12b des Blechpakets 12 jeweils eine Wuchtscheibe 13 angeordnet.
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Für die Anordnung aus dem auszuwuchtenden Läufer 10 und der auf der Welle 11 desselben angeordneten Wuchtscheiben 13 werden ein Betrag und eine Orientierung einer Initialunwucht ermittelt, wobei bezogen auf die beiden axialen Enden 12a, 12b der Anordnung auf dem Läufer 10 und den Wuchtscheiben 13 jeweils ein Betrag und jeweils eine Orientierung der Initialunwucht ermittelt werden.
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Abhängig von dem Betrag und der Orientierung der so ermittelten Initialunwucht wird mindestens ein Reibschweißkörper 14 auf mindestens eine der beiden Wuchtscheiben 13 über Reibschweißen aufgebracht.
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Nach dem Aufbringen des mindestens einen Reibschweißkörpers 14 kann eine Restunwucht des Läufers 10 ermittelt und abhängig hiervon ein weiterer Reibschweißkörper 14 aufgebracht werden.
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Der jeweilige Reibschweißkörper 14 wird beim Reibschweißen mit einem definierten Reibschweißdruck von maximal 20 N/mm2 mit einer Reibschweißzeit von maximal zwei Sekunden auf die jeweilige Wuchtscheibe 13 aufgebracht, wobei hierbei der jeweilige Reibschweißkörper 14 um eine Symmetrieachse desselben drehend angetrieben wird.
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2 und 3 zeigen unterschiedliche Ansichten einer erfindungsgemäßen Wuchtscheibe 13, die beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Auswuchten von Läufern einer elektrischen Maschine genutzt wird, wobei 2 weiterhin drei Reibschweißkörper 14 zeigt, die über Reibschweißen auf die Wuchtscheibe 13 aufgebracht sind.
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Die Wuchtscheibe 13 verfügt über einen Innenring 13a aus einem ersten metallischen Werkstoff und über einen Außenring 13b aus einem vom ersten metallischen Werkstoff verschiedenen zweiten metallischen Werkstoff. Zwischen dem Innenring 13a und dem Außenring 13b erstrecken sich Stege 13c, die entweder aus dem zweiten metallischen Werkstoff, aus welchem auch der Außenring 13b besteht, oder aus einem dritten metallischen Werkstoff bestehen.
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Der Innenring 13b der Wuchtscheibe 13 definiert eine Ausnehmung 13d mit einem Innendurchmesser di13, der an einen Außendurchmesser da11 der Welle 11 des auszuwuchtenden Läufers 10 angepasst ist. Dabei sind diese Durchmesser di13 und da11 vorzugsweise derart aufeinander angepasst, dass die jeweilige Wuchtscheibe 13 am jeweiligen axialen Ende 12a, 12b des Blechpakets 12 auf der Welle 11 über einen Presssitz und demnach unter Ausbildung eines Pressverbands zwischen Welle 11 und jeweiliger Wuchtscheibe 13 angeordnet werden kann.
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Der Außenring 13b der jeweiligen Wuchtscheibe 13 verfügt über einen Außendurchmesser da13, der an den Außendurchmesser da12 des Blechpakets 12 des auszuwuchtenden Läufers 10 angepasst ist. Insbesondere sind diese beiden Außendurchmesser da13 und da12 gleich groß.
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Wie bereits ausgeführt, sind die Stege 13c, die sich zwischen den Innenring 13a und dem Außenring 13b der Wuchtscheibe 13 erstrecken, in Umfangsrichtung voneinander beabstandet, sodass zwischen den einzelnen Stegen 13c Ausnehmungen 13e ausgebildet sind.
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Eine derartige Wuchtscheibe 13 verfügt über ein geringes Gewicht, eine geringe axiale Abmessung und eignet sich daher besonders bevorzugt für das erfindungsgemäße Verfahren zum Auswuchten von Läufern schnelllaufender elektrischer Maschinen.
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Der erste metallische Werkstoff, aus welchem der Innenring 13a besteht, verfügt gegenüber dem zweiten metallischen Werkstoff, aus welchem der Außenring 13b besteht, und gegenüber dem ggf. vorhandenen dritten metallischen Werkstoff, aus welchem ggf. die Stege 13c bestehen, über ein relativ hohes E-Modul, eine relativ hohe Streckgrenze und über eine relativ hohe Härte. Bei dem ersten metallischen Werkstoff handelt es sich dabei insbesondere um einen entsprechenden Stahl, der als ferromagnetischer Stahl ausgeführt sein kann.
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Der zweite metallische Werkstoff und der ggf. dritte metallische Werkstoff sind aus einem paramagnetischen Metall gefertigt, vorzugsweise aus einem Alum iniumwerkstoff.
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In einer besonders bevorzugten Dimensionierung verfügt der Innenring 13a über eine axiale Dicke X1 zwischen 5 mm und 10 mm, der Außenring 13b verfügt über eine axiale Dicke X2 vorzugsweise zwischen 3 mm und 5 mm. Der Innenring 13a verfügt vorzugsweise über eine radiale Höhe Y1 von zwischen 15 mm und 20 mm, der Außenring 13b verfügt vorzugsweise über eine radiale Höhe Y2 von zwischen 10 mm und 15 mm.
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Wie am besten 3 entnommen werden kann, verfügt die jeweilige Wuchtscheibe 13 über eine Rückseite 13f, die im auf der Welle 11 des Läufers 10 montierten Zustand an dem Blechpaket 12 zur Anlage kommt, sowie über eine dieser Seite 13f gegenüberliegende Vorderseite 13g. Im Bereich dieser Vorderseite 13g, nämlich im Bereich des Außenrings 13b, erfolgt das Aufbringen des mindestens einen Reibschweißkörpers 14 über Reibschweißen.
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Im Bereich der Vorderseite 13g sind die Stege 13c gewölbt konturiert, im Bereich der Rückseite 13f hingegen eben. Im Bereich der Vorderseite 13g und der Rückseite 13f sind Innenring 13a und Außenring 13b jeweils eben konturiert.
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Die aus den unterschiedlichen metallischen Werkstoffen bestehenden Abschnitte der jeweiligen Wuchtscheibe 13 können über eine Schweißverbindung miteinander verbunden sein.
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In 2 sind auf dem Außenring 13b der Wuchtscheibe 13 drei Reibschweißkörper 14 aufgebracht, wobei 3 und 4 Details solcher Reibschweißkörper 14 zeigen. Der jeweilige Reibschweißkörper 14 verfügt über einen rotationssymmetrischen Grundkörper 14a, wobei an einer ersten Seite 14b des Grundkörpers 14 eine Werkzeugankopplungseinrichtung 14c und an einer gegenüberliegenden zweiten Seite 14d eine Ausnehmung 14e ausgebildet ist.
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Über die Werkzeugankopplungseinrichtung 14c, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Polygonkopf ausgebildet ist, kann der Reibschweißkörper 14 von einem Werkzeug ergriffen und während des Reibschweißvorgangs drehend angetrieben werden.
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Ferner kann der jeweilige Reibschweißkörper 14 über die Werkzeugankopplungseinrichtung 14c mit dem definierten Reibschweißdruck an die Vorderseite 13g der Wuchtscheibe 13 im Bereich des Außenrings 13b gedrückt werden.
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Die Ausnehmung 14e an der zweiten Seite 14d des jeweiligen Reibschweißkörpers 14 ist von einer ringförmigen Reibschweißfläche 14f umgeben, an welcher letztendlich die Reibschweißverbindung zwischen dem jeweiligen Reibschweißkörper 14 und der jeweiligen Wuchtscheibe 13 erfolgt.
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Wie 3 und 4 entnommen werden kann, ist in den Reibschweißkörper 14 eine mittige Bohrung 14g eingebracht, die sich ausgehend von der an der zweiten Seite 14d des Grundkörpers 14a ausgebildeten Ausnehmung 14e durch den Reibschweißkörper 14 hindurch bis zu der an der ersten Seite 14b ausgebildeten Werkzeugankopplungseinrichtung 14c erstreckt. Diese Bohrung 14g ermöglicht ein Entweichen von Luft und Verschmutzungen beim Reibschweißen.
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Die Reibschweißkörper 14d verfügen über einen Außendurchmesser da14, der maximal der radialen Höhe Y2 des Außenrings 13b der Wuchtscheibe entspricht. Der Außendurchmesser da14 kann z. B. zwischen 10 mm und 13 mm betragen. Eine axiale Dicke X14 der Reibschweißkörper 14 beträgt vorzugsweise zwischen 4 mm und 6 mm.
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Es ist möglich Reibschweißkörper 14 mit unterschiedlichen Abmessungen bereitzuhalten, um ein besonders genaues Auswuchten des Läufers 10 zu ermöglichen.
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Die Reibschweißkörper 14 bestehen aus einem paramagnetischen Metall, insbesondere aus paramagnetischem Stahl.
