DE4239754C2 - Läufer für eine elektrische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Läufer für eine elektrische Maschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 (FR-PS 1 419 615).

Läufer, auch Rotor oder Anker genannt, bilden den rotierenden Teil einer elektrischen Maschine, der mit Hilfe eines Stroms in senkrecht zur Läuferachse angebrachten Wicklungen ein umlaufendes Magnetfeld erzeugt, auf das das Magnetfeld des Ständers, auch Stator genannt, ein Drehmoment ausüben kann (Motorbetrieb) oder das in den Ständerwicklungen eine Spannung induziert (Generator­ betrieb). Unter "Wicklungspaket" bzw. "Rotorpaket" werden nachstehend nicht nur gewickelte und gegeneinander durch Lackschichten isolierte Kupferdrähte verstanden; vielmehr sind damit auch vom Magnetfeld durchsetzte Läufer- Eisenteile gemeint, die aus Paketen gegeneinander durch Lackschichten oder Kunststoff-Folien isolierter dünner (Elektro-)Bleche oder, wie bei Kurzschlußläufern üblich, aus starken achsparallelen Leiterstäben bestehen, die in das Läufereisen eingelassen sind und an den Enden durch Leiterringe miteinander verbunden werden, so daß ein sogenannter Käfigläufer entsteht.

Bisher ist es bekannt, ein Rotorpaket beispielsweise auf eine konisch geformte Welle eines Elektromotors aufzupressen, die sich in ihrer Längsrichtung in ihrem Durchmesser erweitert. Damit wird der Nachteil in Kauf genommen, daß eine sehr schwer trennbare Verbindung zwischen Wicklungs- bzw. Rotorpaket und Welle geschaffen wird: nur mit enormen Kräften, die zur Verformung des Rotorpakets und/oder der Welle führen, können Rotorpaket und Welle wieder voneinander gelöst werden.

Ferner ist es bekannt, die Außenfläche oder den Außenmantel der Elektromotor-Welle mit einer Riffelung und dadurch mit einem Übermaß zu versehen. Das Wicklungspaket wird dann auf diese Riffelung aufgeschoben und aufgepreßt, wobei eine Art Verzahnung oder formschlüssiger Eingriff zustandekommt.

Ferner ist eine "Schrumpfmethode" zum Aufbringen des Wicklungspakets bekannt: In die zylindrische Innenbohrung eines Wicklungspakets ist eine Stahlbüchse eingeklemmt, die einen hohlzylindrischen Innenraum aufweist. Mit diesem hohlzylindrischen Innenraum wird die Stahlbüchse auf die Welle des Elektromotors aufgeschrumpft, nachdem zuerst das Läuferpaket samt darin eingeklemmter Stahlbüchse erwärmt und dann wieder abgekühlt worden ist. Durch die Abkühlung verliert die Stahlbüchse an Innendurchmesser und sitzt so fest auf der Elektromotor-Welle auf. Das Lösen des so aufgeschrumpften Wicklungspakets ist äußerst aufwendig: Über einen Hydraulikkanal für Ölzufuhr wird Fluid in einen Spalt zwischen Welle und Büchse eingebracht. Der Öldruck trifft auf einen radial gerichteten Ansatz bzw. eine Axialschulter, wodurch die Stahlbüchse in Achsrichtung herausgedrückt wird. Dieses Verfahren ist unter dem Stichwort "Ölpreßverfahren" im Maschinenbau allgemein bekannt.

Aus der FR-PS 1 419 615 ist es bekannt, das Rotorpaket eines elektrischen Motors an der Stirnseite mit einer teilweise konischen Aussparung zu versehen. Darin ist ein entsprechend konisches Kunststoffelement hineingeschoben und -gedrückt. Der Druck parallel zur Achse bzw. zur Welle wird mittels eines scheibenförmigen Druckrings erzeugt, der ebenso wie das hineingeschobene Kunststoffelement von der Motorwelle koaxial durchsetzt ist. Zur Sicherung des Druckrings gegen axiales Verrutschen auf der Welle besitzt letztere auf ihrer Außenfläche eine umlaufende Nut, in die ein scheibenringförmiger Klipp axial unverrückbar aufgenommen ist. Dieser liegt mit einer Stirnseite an dem Druckelement an.

Aus DE-GM 18 69 749 ist ein auf einer sich drehenden Welle angeordneter Rotor bekannt, der darauf mittels ringförmiger, die Welle umgebender Keile befestigt ist. Jeder von ihnen ist zwischen der Welle und einem kegelstumpfförmigen Sitz an jedem Ende des Rotors verkeilt. Die mit den Keilen in Eingriff stehenden Wellenteile sind aufgerauht, beispielsweise mittels geriffelter Abschnitte. Die Keile werden bei ihrem Eindrücken verformt, so daß sie sich der aufgerauhten Fläche der Welle anpassen. Dadurch wird ein Formschluß erzielt, durch den der Rotor in fester Lage sowohl in axialer als auch in winkliger Richtung hinsichtlich der Welle gehalten wird. Zur Herstellung dieser Verbindung zwischen Welle und Rotor wird eine externe Presse vorgeschlagen, deren Kolben eine Montagehülse auf den Keil in dessen konischen Sitz stößt, wodurch die Verformung des Keiles herbeigeführt wird. Dadurch verriegelt er sich mit der Riffelung auf der Welle.

Allerdings ist bei diesen bekannten Ausführungen eine Demontage nur schwer möglich: Dies kann stets nur durch Zerstörung der Fixierung des Sicherungsklipps bzw. der formschlüssigen Verbindung zwischen Keilring und Riffelung der Welle erfolgen. Für eine mehrmalige Wiederholbarkeit der Montage und der Lösung der Rotor-Wellenverbindung ohne Beeinträchtigung oder Zerstörung der baulichen Struktur ist bei den bekannten Fundstellen nichts vorgeschlagen. Außerdem erfordert die Montage aufwendige Zusatzeinrichtungen, beispielsweise eine separate Montagevorrichtung mit Presse.

Hieraus ergibt sich das der Erfindung zugrundeliegende Problem, bei einem Läufer eine Wicklungspaket-Wellenverbindung zu schaffen, die eine leichte und schnelle Montage bzw. Demontage des Wicklungspakets auf bzw. von der Läuferwelle ermöglicht, so daß insgesamt die Wartbarkeit der elektrischen Maschine erhöht wird. Gleichzeitig soll eine zuverlässige Übertragung der Drehmomente über die Wicklungspaket-/Wellenanordnung trotz der angestrebten, leicht lösbaren Verbindung zwischen Wicklungspaket und Läuferwelle gewährleistet sein.

Zur Lösung wird ein Läufer mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Anstelle der Hülse gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 kann eine sonstige rohrartig längliche, feste Hülle mit zum Ringhohlraum komplementären Querschnittsprofil verwendet werden, welche die Welle oder das Wicklungspaket fest umschließt.

Mit der erfindungsgemäßen Schaffung bestimmter Hülsen- Antriebsmittel bzw. -schiebeeinrichtungen läßt sich ein bequemes Einschieben bzw. Einrücken der Hülse in den Ringhohlraum ohne störenden manuellen Kraftaufwand, jedoch unter Gewährleistung des für die Drehmomentübertragung notwendigen Kraftschlusses ohne weiteres bewerkstelligen. Der Hülse läßt sich aufgrund der Erfindung leicht eine Bewegung in den Ringhohlraum erteilen. Die Verdreh-Sicherungseinrichtung fördert die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Drehmomente-Übertragung durch die Wicklungspaket/ Wellenverbindung.

In Konkretisierung dieses Lösungsgedankens ist vorgesehen, daß das Wicklungspaket einen beispielsweise durch mittelaxiale Bohrung gebildeten Innen-Hohlraum aufweist, der sich wenigstens längs eines Teilabschnitts in seinem Durchmesser keilartig zur End- bzw. Stirnkante des Wicklungspakets hin erweitert, wobei in diesen Hohlraum die zumindest teilweise mit konstantem Außendurchmesser ausgeführte Welle einführbar ist und zwischen Welle und Wicklungspaket die Hülse eingeschoben werden kann, die mit einem zum keilförmigen oder konusartigen Durchmesser des Wicklungspaket- Innenhohlraums komplementären Außen­ durchmesser versehen ist. Es wird also eine Welle, beispielsweise eines Elektromotors, mit gleichmäßigem Außendurchmesser verwendet, auf die die Hülse mit ihrem sich konisch veränderndem (in Richtung zum Wicklungspaket sich verjüngenden) Durchmesser aufgeschoben werden kann.

Diese Hülse ist auf dem Außenmantel der Welle in Achsrichtung verschiebbar, insbesondere gleitbar, gelagert. Ferner wird ein Wicklungspaket mit Hohlachse verwendet, dessen Innendurchmesser zumindest teilweise entsprechend konisch verläuft. Dadurch entsteht ein hohler Ringraum zwischen Welle und Wicklungspaket, der sich konisch bzw. keilförmig zum Ende des Wicklungspakets hin erweitert. In diesen Ringraum bzw. Ringspalt kann die axial verschiebbar gelagerte, außen konische Hülse mit diversen Antriebsmitteln, z. B. Schraubverbindungen, hineingedrückt werden. Je fester die Hülse hineingedrückt wird, desto stabiler wird sie mit Kraftschluß im Ringspalt fixiert. Zum Lösen ist der umgekehrte Vorgang durchzuführen.

Im Rahmen der Erfindung kann anstelle der Innenwandung bzw. des Innenmantels der Wicklungspaket-Innenbohrung die Welle mit einem sich in Wellen-Endrichtung keilförmig vermindernden Außendurchmesser bzw. -mantel versehen sein, worauf das Wicklungspaket über seine Innenbohrung mit konstantem Durchmesser aufschiebbar ist; zwischen der Welle mit dem genannten konusförmigen Verlauf und dem Wicklungs­ paket ist die Hülse mit einem Innendurchmesser einschiebbar, der komplementär zum konusartigen Außen­ durchmesser der Welle gestaltet ist.

Mit Vorteil ist die Auflage der Hülse auf der Welle oder auf der Innenwandung (der Bohrung) des Wicklungspakets derart ausgeführt, daß eine gleitend verschiebbare Lagerung resultiert.

Die oben bereits angesprochenen diversen Hülsen- Antriebsmittel können in Ausbildung der Erfindung durch eine oder mehrere Schiebeeinrichtungen realisiert sein, die gegen die Welle und/oder das Wicklungspaket abgestützt sind und an der Hülse angreifen. In Konkretisierung dieses Gedankens ist das aus dem Ringhohlraum vorstehende Hülsenende mit einem Gewindeansatz versehen, auf dessen Außenseite ein Außengewinde eingeformt ist, so daß eine in das Außengewinde mit ihrem Innengewinde eingreifende, drehbare Abziehmutter in Anlage an die Stirnseite des Wicklungspakets und/oder der Welle schraubbar ist. Dann ist bei Weiterschrauben in die gleiche Drehrichtung eine weitere Axialbewegung der Abziehmutter blockiert; statt dessen wird die Hülse beim Weiterschrauben zunehmend von der axial festgelegten Abziehmutter aus dem Ring­ hohlraum herausgezogen, weil ihr durch die Abziehmutter- Schraubbewegung eine korrespondierende Axialbewegung, vom Wicklungspaket weggerichtet, erteilt wird. Mit dieser Erfindungsausbildung wird das Lösen der Wellen/Wicklungs­ paketverbindung sowie der zugehörigen Hülse in besonders leicht handhabbarer und komfortabler Weise gefördert.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen bzw. der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.

Diese zeigt in

Fig. 1 einen axialen (Längs-)Schnitt eines Elektromotors mit Ständer und Läufer-Wicklungspaket/Wellen­ verbindung, und

Fig. 2 eine perspektivisch vergrößerte und explosions­ artig auseinandergezogene Darstellung der Anstellmutter-Verdrehsicherung des Elektromotors gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 sind innerhalb eines Läufer-Elektromotor- Gehäuses 1 ein Ständerpaket 2, ein davon umgebenes Wicklungspaket 3 und eine davon umgebene Hohl-Welle 4 mit Hohlraum 4a angeordnet. Eine solche Antriebsanordnung eignet sich zum Einbau in eine Werkzeugmaschine als Direktantrieb für eine Arbeitsspindel. An den Wellenenden sind die Kugellager 5 ersichtlich, die die Rotation der Welle 4 ermöglichen. Auf die Welle 4, die über ihre gesamte Achslänge einen gleichmäßigen, konstanten Außendurchmesser aufweist, ist eine Hülse 6 mit konisch verlaufendem Außendurchmesser aufgeschoben. Wenn das Wicklungspaket 3 nicht im Wege stünde, könnte aufgrund ihrer gleitenden Lagerung die Hülse 6 über die gesamte Länge der Welle 4 verschoben werden. Der Außendurchmesser der Hülse 6 verjüngt sich zunehmend in Richtung zum Wicklungspaket 3.

Am Hülsenende 6a mit dem breitesten Durchmesser springt ein Gewindeansatz 7 axial vor, auf dessen Außenwandung ein Außengewinde 8 eingeformt ist. Dieses dient zum Abziehen der Hülse 6, indem mit dem Außengewinde 8 eine Abziehmutter, z. B. an einem separaten Werkzeug (nicht gezeichnet), in Eingriff gebracht wird.

Im Bereich des aus dem Ringhohlraum 34 zwischen Wicklungspaket 3 und Welle 4 vorstehenden Endes oder Gewindeansatzes 7 der Hülse 6 (wo der Außendurchmesser am breitesten ist) ist in den Außenmantel der Hohl-Welle 4 ebenfalls ein Außengewinde 9 eingeformt, welches zum Einpressen der konischen Hülse 6 in den Ringspalt zwischen Wicklungspaket 3 und Hohl-Welle 4 dient. Das Einpressen oder -schieben wird mit einer Anstellmutter 10 bewerk­ stelligt, deren Innengewinde mit dem Außengewinde 9 der Welle 4 kämmt bzw. in Eingriff steht. Wird der Anstellmutter 10 mit einem externen Werkzeug, z. B. Schraubschlüssel, eine Drehung erteilt, setzt sich deren Drehung in eine Linearbewegung 11 parallel zur Achsrichtung der Hohl-Welle 4 um. Die Linearbewegung 11 der Anstell­ mutter 10 führt dazu, daß deren der Hülse 6 zugewandte Stirnseite an die direkt gegenüberliegende Stirnseite der Hülse 6 in Anschlag gebracht wird und darauf drückt. Dadurch wird die linear verschiebbare, insbesondere auf der Welle 4 gleitbare Hülse 6 nach und nach in den Ringspalt 34 zwischen der Innenwandung des Wicklungspakets 3 und der Außenwandung der Welle 4 hineingedrückt und hineingepreßt.

Soll dieser Vorgang - um das Wicklungspaket 3 von der Welle 4 wieder zu lösen - umgekehrt werden, wird zunächst die Anstellmutter 10 von der Welle 4 entfernt. Dann wird die weitere (nicht gezeichnete) Abziehmutter in Eingriff mit dem Außengewinde 8 auf der konischen Hülse 6 gebracht. Beim Drehen stützt sich die Abziehmutter gegen die gegenüberliegende Stirnseite 3a des Wicklungspakets 3 ab, so daß der Hülse 6 eine der Linearbewegung 11 entgegengesetzte Bewegung erteilt wird. Dadurch wird der kraftschlüssige Zusammenhalt zwischen Hohl-Welle 4, konischer Hülse 6 und Wicklungspaket 3 nach und nach gelockert und schließlich aufgelöst.

Die Anstellmutter 10 steht in Wirkungsverbindung mit einer Verdrehsicherung, die mittels einer Ringscheibe 12, beispielsweise aus Blech, realisiert ist. Diese Ringscheibe ist (vgl. Fig. 2) an ihrem radial äußersten Rand mit zackenbildenden Ausnehmungen 13 versehen, die jeweils die Abstände von radial nach außen vorspringenden, in Umfangsrichtung aneinandergereihten Lappen 14 zueinander bilden. Ferner hat die Ringscheibe 12 an ihrem Innenrand eine radial nach innen vorstehende Nase 15, die zum Einrücken in die achsparallele, das Außengewinde 9 der Welle 4 durchsetzende Nut 16 ausgebildet ist. Dadurch läßt sich eine Arretierung bzw. Drehblockierung der Ringscheibe 12 in Umfangsrichtung herbeiführen. Hierzu wird die Ringscheibe 12 mit ihrer Nase 15 in der Nut 16 entlang des zweiten Außengewindes 9 auf der Welle 4 bis an die gegenüberliegende Stirnseite der Hülse 6 entlanggeschoben. Dann wird der radial äußerste Abschnitt der Ringscheibe 12 beispielsweise mit einem Hammer in axiale Richtung umgebogen bzw. umgeklopft. Dabei gerät wenigstens ein durch Ausnehmungen 13 begrenzter Zacken oder Lappen 14a der Ringscheibe 12 in Eingriff mit einer gegenüberliegenden Nut 17, die achsparallel verlaufend in der radial äußeren Umfangsfläche der Anstellmutter 10 ausgebildet ist. Durch diesen Eingriff kommt auch eine Verdrehsicherung für die Anstellmutter 10 gegenüber der Welle 4 zustande.

Die Erfindung ist nicht auf das gezeichnete Ausführungs­ beispiel beschränkt: so ist es denkbar, die gezeichnete Wicklungspaket-Hülsen-Hohl-Wellen-Verbindung 3, 4, 6 auch am entgegengesetzten Ende des Wicklungspakets 3 (wo keine Hülse gezeichnet ist) zusätzlich vorzusehen.

Ferner ist im Rahmen der Erfindung eine Umkehrung des mit der Zeichnung konkretisierten Prinzips denkbar: die Welle 4 wird mit einem Außenkonus versehen, der zu einer konischen Verengung der Welle bzw. Verminderung von deren Außendurchmesser zum Ausgang bzw. Ende des Wicklungspakets hin führt. Mit anderen Worten, der vom Wicklungspaket umgebene Teil der Welle wird mit zunehmender Nähe zum Stirnende des Wicklungspakets hin immer dünner.

Entsprechend dieser prinzipgetreuen Umkehrung wird dann eine Hülse vorgesehen, deren Innendurchmesser konisch verläuft, d. h. sich komplementär zum konischen Abschnitt des Außenumfangs der Welle mit zunehmender Nähe zur Stirnendkante des Wicklungspakets hin vermindert, verengt bzw. verjüngt. Infolgedessen braucht sich beim Wicklungspaket kein Abschnitt mehr zum Ende hin konisch zu erweitern, vielmehr kann die Innenbohrung des Wicklungspakets über die gesamte axiale Länge hin konstant bleiben - analog zum obigen Ausführungsbeispiel, wonach der Außendurchmesser der Hohl-Welle über die axiale Länge konstantgehalten ist.

Claims (9)

1. Läufer (3, 4) für eine elektrische Maschine, mit einem Rotor- bzw. Wicklungspaket (3) und einer dieses tragenden Welle (4), wobei diese einander koaxial umgebend angeordnet sind, mit einem zwischen Welle (4) und Wicklungspaket (3) begrenzten Ringhohlraum (34), der sich zur stirnseitigen Endkante bzw. Stirnfläche des Wicklungspakets (3) und/oder der Welle (4) hin konusartig erweitert, und mit einer Hülse (6) mit zum Ringhohlraum (34) derart komplementärem Querschnitt, daß sie in den Ringhohlraum (34) einschiebbar (11) und darin kraftschlüssig fixierbar ist, gekennzeichnet durch ein Außen- oder Innengewinde (9), das auf dem Außenmantel der Welle (4) beziehungsweise auf der Innenwandung eines Innenhohlraums des Wicklungspakets (3) derart angeordnet ist, daß mittels einer darauf mit ihrem Innen- beziehungsweise Außengewinde kämmend drehbaren Anstellmutter (10) mit ihrer einen Stirnseite Druck auf das Hülsen-Stirnende (6a) ausübbar ist, das deren Einschiebrichtung (11) entgegengesetzt ist, und durch eine gegen Verdrehung wirkende Sicherungseinrichtung (12, 13, 14a, 15, 16, 17), die form- und/oder kraftschlüssig in Eingriff mit einerseits der Welle (4) und/oder dem Wicklungspaket (3) und andererseits der Anstellmutter (10) bringbar ist.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wicklungspaket (3) einen Innen-Hohlraum aufweist, der sich wenigstens teilweise in seinem Durchmesser konusartig zur End- bzw. Stirnkante oder -seite (3a) des Wicklungspakets (3) hin erweitert, in den Hohlraum die Welle (4) mit konstantem Außendurchmesser einführbar ist, und zwischen Welle (4) und Wicklungspaket (3) die Hülse (6) mit einem Außendurchmesser komplementär zum konusartigen Durchmesser des Wicklungspaket-Innenhohlraums einschiebbar ist.

3. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle wenigstens teilweise einen sich in Wellen- Endrichtung konusartig vermindernden Außendurchmesser aufweist, auf die Welle das Wicklungspaket über einen zugehörigen Innen-Hohlraum mit konstantem Durchmesser schiebbar ist, und zwischen Welle und Wicklungspaket die Hülse mit einem Innendurchmesser komplementär zum konusartigen Außendurchmesser der Welle einschiebbar ist.

4. Läufer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Hülse (6) zwischen Welle (4) und Wicklungspaket (3), gegebenenfalls auf dem Wellenaußenmantel und/oder Wicklungspaket-Innenmantel, gleitend verschiebbar (11) gelagert ist.

5. Läufer nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Schiebeeinrichtungen (9, 10) für die Hülse (6), die gegen die Welle (4) und/oder das Wicklungspaket (3) abgestützt an der Hülse (6) angreifen.

6. Läufer nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein aus dem Ringhohlraum (34) vorstehendes Hülsenende, an dem ein Gewindeansatz (7) mit einem Außengewinde (8) angeformt ist, so daß eine darauf kämmend drehbare Abziehmutter in Anlage an die Stirnseite (3a) des Wicklungspakets (3) und/oder der Welle (4) bringbar ist.

7. Läufer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungseinrichtung mit einer an der Welle (4) und/oder dem Wicklungspaket (3) in Umfangsrichtung arretierten Ringscheibe (12), die zur Anlage an der Anstellmutter (10) ausgebildet ist und eine oder mehrere Vorsprünge (14, 14a) aufweist, und mit wenigstens einer Aussparung, Vertiefung und/oder vorzugsweise achsparallelen Nut (17) in der Anstellmutter (10) realisiert ist, in die einer (14a) der Vorsprünge (14) einrückbar ist.

8. Läufer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (4) auf ihrem Außenumfang eine etwa achsparallele Vertiefung oder Nut (16) aufweist, in die ein komplementärer Arretieransatz (15) am Innenumfang der Ringscheibe (12) einrückbar ist.

9. Läufer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe (12) aus bleibend verformbarem Material, beispielsweise Blech, hergestellt ist und an seinem Außenumfang einen oder mehrere der Vorsprünge (14) im Abstand (13) voneinander aufweist.