WO2024038041A1 - Baueinheit für eine elektrische maschine sowie verfahren und werkzeugsystem zur herstellung einer solchen baueinheit - Google Patents

Baueinheit für eine elektrische maschine sowie verfahren und werkzeugsystem zur herstellung einer solchen baueinheit Download PDF

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WO2024038041A1
WO2024038041A1 PCT/EP2023/072446 EP2023072446W WO2024038041A1 WO 2024038041 A1 WO2024038041 A1 WO 2024038041A1 EP 2023072446 W EP2023072446 W EP 2023072446W WO 2024038041 A1 WO2024038041 A1 WO 2024038041A1
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WO
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sheet metal
holding force
lamella
holding
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PCT/EP2023/072446
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Thomas Basler
Benjamin GRIESCH
Patrik RIEDER
Daniel BACHSTÄDTER
Thomas Helm
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Hoffmann Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/146—Stator cores with salient poles consisting of a generally annular yoke with salient poles
    • H02K1/148—Sectional cores
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/022—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies with salient poles or claw-shaped poles

Definitions

  • the invention relates to a structural unit for an electrical machine, such as a rotor or in particular a stator, with a lamella pack composed of a plurality of sheet metal lamellas stacked one on top of the other in the direction of a longitudinal axis, which is assembled in the circumferential direction from several packet segments with lamella segments arranged in the circumferential direction and interlocking by means of lateral holding structures is.
  • the invention relates to a method and a tool system for producing such a structural unit, in which a punching arrangement for cutting sheet metal lamellas to be stacked on one another to form a lamina pack is present in a tool arrangement of a production system, the punching arrangement having a plurality of cutting stations with cutting units for cutting the Sheet metal lamellas in lamella segments which are assembled all around with side holding structures and which can be reassembled after disassembly and from necessary further cutting sections of the sheet metal lamellas, and furthermore a stacking device controlled by a control device for forming the lamina pack from stacked one on top of the other
  • sheet metal lamellas which are made up of package segments in the circumferential direction. The package segments of the disk package can be pulled apart for further processing.
  • a structural unit, a method and a tool system of this type are specified in CA 2 758 405 C.
  • a plate pack for forming a ferromagnetic core in particular a stator or rotor of an electric motor, is composed of package segments that are assembled all around, each of which is formed from plate segments stacked on top of one another in the direction of a longitudinal axis, with plate segments having differently contoured holding structures within the Package segments are arranged.
  • the package segments assembled to form the disk pack are held together by means of the holding structures formed laterally on the disk segments in the cutting process in the circumferential direction, which consist on the one hand of convex projections and on the other hand of concave recesses that are complementarily adapted to them.
  • Some of the holding structures are designed in such a way that they are plastically deformed by means of a stamp to exert a holding force, with other holding structures being designed to pass the stamp through.
  • Package segments with different contours are present in their holding structures under the package segments which are assembled in a circular manner with respect to the slat plane to form the slat pack.
  • various lamella segments with relevant holding structures are cut in a tool system using a cutting device and stacked in a stacking device to form package segments, which are joined together in a linear arrangement with their complementary holding structures, some of the joined holding structures being plastically deformed by means of the stamp and Finally, the linear arrangement of the package segments is assembled into the annular disk package.
  • EP 0 833 427 B1 also shows a structural unit, in particular a stator core for a rotating electrical machine made of sheet metal lamellas layered to form a lamina pack, which are composed of lamella segments with lateral holding structures in a ring.
  • a stator core for a rotating electrical machine made of sheet metal lamellas layered to form a lamina pack, which are composed of lamella segments with lateral holding structures in a ring.
  • slat segments are first cut and stacked in a tool system and the package segments formed in this way are put together.
  • lamella segments provided with different holding structures can also be present within the package segments. With such a structure, it is difficult to reliably ensure high precision of the structural unit.
  • DE 10 2017 201 178 A1 presents a structural unit for an electrical machine and a method for producing it, in which individual lamella segments are assembled into an annular sheet metal lamella by means of lateral holding structures and the sheet metal lamellas are stacked to form a lamina pack.
  • the plate pack formed in this way is then separated into its individual pack segments as a still unwound stator arrangement.
  • the holding structures arranged laterally in the circumferential direction also consist of a tongue-and-groove connection and the length of the projection and, if necessary, a bracing perpendicular to the surface plane of the individual slats are selected so that after the individual slat segments have been punched, they are brought back into the annular shape of the sheet metal slats can be so that when constructing the disk pack or the stator arrangement, the individual disk segments are held together by stacking.
  • the stator arrangement formed in this way and provided with tooth heads can be transported to a winding tool.
  • the unwound stator arrangement can be separated into its individual package segments, in particular by exerting a radial force in order to wind them and then using a mutually directed radial force to reassemble the individual package segments into the disk package or the stator arrangement using a joining tool.
  • the sheet metal slats, completely cut all around, carry contribute to a high level of precision of the assembly, but the joining and separating processes can have a detrimental effect on the joining forces.
  • EP 2 356 734 B2 shows an electric motor with a structural unit of a stator, which also has a disk pack assembled from several package segments with lateral holding structures.
  • EP 0 871 282 A1 shows plate packs made of sheet metal plates, which are formed from plate segments integrally connected to one another.
  • coil winding and needle winding are implemented in various forms (straight groove, oblique groove, individual teeth (either completely separate individual teeth or as a so-called pre-cut, ie not completely separate, but only cut stator teeth) and full cut).
  • the full-cut method has the fundamental advantage that the disk pack or the stator formed from it forms a (practically) perfect circle, which in turn has a positive effect on the air gap and the torque ripple.
  • the full cut has the major disadvantage that the stator teeth are difficult to access for the winding head and therefore the important copper filling factor does not reach the level of a plug-in winding or the winding of a segmented stator.
  • the segmented stator therefore offers a good alternative.
  • stator teeth are then separated while maintaining the order and then reassembled in the appropriate order after the winding has been completed (in practice, the pre-cut technology is also used without adhering to the order applied at the expense of worse torque ripple and possibly with a larger air gap). It is also possible to completely punch through the lamella segments or stator teeth and later join the stator teeth together while maintaining the order.
  • positive and non-positive connections are available, as can also be seen from the publications mentioned above. However, it is difficult to reliably maintain the positive and frictional connection, especially with different laminated cores, especially with different heights.
  • the present invention is based on the object of providing a structural unit for an electrical machine as well as a method and a tool system for producing one, with which the cohesion of package segments in a disk package can be maintained as precisely and reliably as possible.
  • the package segments forming the disk pack are constructed in the same way from at least two different disk segment groups A of A-lamella segments with the same contours and disk segment groups B of B-lamella segments with the same contours, the A- Lamella segments from the B-lamella segments in their holding structures in terms of their holding force at least in the radial direction in the plane of the sheet metal lamellas.
  • the holding force of the B-lamella segments is practically zero.
  • a sheet metal web is fed to a tool arrangement, from which sheet metal sheet A sheet metal lamellae with A-lamella segments joined together all around and B sheet metal lamellas with B-lamella segments joined together all around are cut out, with lateral holding structures of the A-lamella segments being separated from lateral holding structures of the B-lamella segments differ in their holding force, and A-sheet metal lamellas and B-sheet metal lamellas are automatically stacked on top of one another in the direction of a longitudinal axis in the direction of a longitudinal axis to form a disk pack, so that the radial holding force between the A-lamella segments and B- Slat segments layered package segments are in a predetermined holding force range.
  • the stacking device for arranging a number of A-sheet metal lamellas composed of A-lamella segments and one Number of B sheet metal lamellas composed of B lamella segments within a lamella pack is formed as specified by the control device, whereby the Number of A sheet metal slats and the number of B sheet metal slats is determined by the control device on the basis of a holding force to be maintained within a predetermined holding force range between the package segments.
  • An advantageous embodiment for the structural unit is that the A-lamella segments are each provided on one side in the circumferential direction with at least one undercut groove-like holding recess and on their other side in the circumferential direction with a complementary holding extension that is adapted to it and can be used with a coordinated holding force and that the B-lamella segments in the circumferential direction are each provided with at least one undercut groove-like shaped recess on one side in the circumferential direction and on their other side in the circumferential direction with a shaped extension that is adapted to it and can be used (practically) without holding force.
  • the slat segment groups A have at least two A slat segments and the slat segment groups B have at least two B slat segments and that each package segment comprises at least two slat segment groups A and at least two slat segment groups B, the slat segment groups A and slat segment groups B alternate within the package segments (in the same way).
  • an advantageous embodiment consists in particular in that only two different slat segments, namely A slat segments and B slat segments, are present within the package segment.
  • An advantageous embodiment of the method is that the holding force between the package segments is measured. Measuring the holding force can advantageously be used to check whether during the manufacturing process, e.g. B. after a separation process for applying a winding and reassembly, the holding force lies or remains within the holding force range to be maintained and the number of A-lamella segments exerting a holding force can be adjusted accordingly, in particular automatically by means of a control method via the control device.
  • Z For example, in borderline cases, in order to maintain the specified holding force range, only A sheet metal lamellas can be layered to form the lamina pack.
  • the holding force falls below the predetermined holding force range, the number of A-sheet metal lamellas is increased to such an extent and if the holding force range is exceeded, the number of A-sheet metal lamellas is reduced to such an extent that the holding force is in the predetermined holding force range, the increased Number of A sheet metal slats is compensated for by omitting B sheet metal slats and the reduced number of A sheet metal slats by adding B sheet metal slats if necessary in order to maintain a predetermined stacking height of the slat pack.
  • Various advantageous design options for automatic process control are that the holding force is measured during the manufacturing process after completion of a plate pack for each plate pack or randomly after completion of several plate packs for one plate pack and that the measurement results of the control device of Manually or (preferably) automatically fed.
  • the measurement of the holding force is carried out in the radial direction (perpendicular to the longitudinal axis) of the disk pack and includes a measurement of the separating force and/or a measurement of the joining force.
  • the measures are also advantageous in that the measurement of the holding force takes place after compression of the sheet metal lamellas of the lamina pack and that a measurement of the stack height is carried out before or after the measurement of the holding force or if there is no measurement of the holding force and stacking parallelism of the disk pack is carried out.
  • the tool system is advantageously designed for automatic process control in such a way that a measuring device for measuring the holding force between the package segments is integrated in the tool system, that the measured holding force is supplied or can be supplied to the control device by means of a transmission device and that the control device is designed in this way is that if the measured holding force deviates from the predetermined holding force range, the number of A sheet metal lamellas in the disk pack is increased or reduced so that the holding force lies in the predetermined holding force range, whereas the number of B sheet metal lamellas in the disk pack, vice versa, accordingly is reduced or enlarged to maintain a specified stack height.
  • the GE- Measured holding force within the process control can easily be used to regulate the process flow while maintaining the holding force in the specified holding force range. With the tool system designed in this way, different requirements can also be easily met, e.g. B. for various electrical machines with virtually no effort.
  • An advantageous embodiment of the tool system also consists in that the tool arrangement has a compressor unit for compressing the sheet metal lamellas stacked on top of one another to form the lamina pack, which is located upstream of the measuring device, if present, for measuring the holding force in the process sequence.
  • the tool system is advantageously designed in that the tool arrangement has a measuring arrangement, in particular assigned to the compressor unit, for measuring the stack height and/or the parallelism of the end faces of the disk pack.
  • a further advantageous embodiment of the tool system is that the measuring device for measuring the holding force has a withdrawal device and/or a joining device for measuring a separating force and/or joining force.
  • the subject matter of the invention further comprises a stator of a rotating electrical machine with a structural unit, a stator tooth being formed on each package segment and winding spaces with insertable or inserted windings being arranged between the stator teeth of adjacent package segments.
  • Fig. 1 shows a section of a plate pack with two package segments joined together in the circumferential direction, each consisting in the same way of two different plate segment groups A and B stacked on top of one another in the direction of the longitudinal axis of the plate pack with A-plate segments or A-plate segments that are the same within the group but differ from group to group B-lamella segments are formed, in a perspective view pulled apart in the longitudinal direction between the groups,
  • FIG. 3 shows the package segments according to FIG. 2 in their assembled state in the direction of rotation in a perspective view
  • FIG. 4 shows a top view of two A-lamella segments joined together in the circumferential direction with holding structures of a geometry A with holding extension and holding recess, which are marked in more detail,
  • FIG. 5 shows a top view of two B-lamella segments joined together in the circumferential direction with more detailed identification of their holding structures of a geometry B with a mold extension and mold recess,
  • FIG. 6 shows a cutting unit for sheet metal lamellas with cutting elements for forming holding structures of the lamella segments in a perspective view
  • 7 shows a further cutting unit for cutting further cutting contours of the sheet metal lamellas in a perspective view
  • 8 shows a punching tool structure with parts of a tool frame in plan view
  • FIG. 9 shows a schematic view of a tool arrangement of a tool system for producing a disk pack in a top view
  • Fig. 10 is a schematic view of a production system for the production of disk packs and
  • 11 shows a measuring device for measuring the holding force between the package segments of a disk package
  • 12A and 12B show a measuring device for measuring the roundness of a disk pack, in particular a stator.
  • FIG. 1 to 3 show a section of a disk pack 1 with two package segments 10 to illustrate the construction principle of a disk pack in various representations in a perspective view.
  • the disk pack 1 forms z.
  • B the laminated core of a stator of a rotating electrical machine, for example an electric motor.
  • the package segments are assigned to individual stator teeth and in the present case each have a radially inwardly directed stator tooth with a tooth head and winding spaces 11 located between the stator teeth for receiving a stator winding (not shown).
  • the package segments 10 are joined together via holding structures and can be separated from one another with a certain pull-off force directed radially in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the disk package 1 in order to then close the winding as much as possible easy to apply to the stator teeth. Thereafter the package segments 10 are reassembled to form the disk package 1 or stator with a radially inwardly directed joining force, the holding structures being designed such that they exert sufficient holding force to ensure reliable function of the electrical machine.
  • the package segments 10 of the disk pack 1 are, as clearly shown in FIG 1, and a lamella segment group B 3, which exerts practically no or, compared to the lamella group A 2, a significantly lower one (e.g. at most half or at most 60% or 80% of the holding force).
  • the lamella segment groups A 2 and B 3 are stacked alternately on top of each other.
  • each lamella segment group comprises several lamella segments that are identical to one another, namely the lamella segment group A 2 A-lamella segments 20 which exert a holding force with their holding structures, and the lamella segment group B 3 with their holding structures no or at most a significantly lower holding force (e.g. B-lamella segments 30 exert at most half or at most 60% or 80% of the holding force of the A-lamella segments).
  • an A-lamella segment group A 2 with two A-lamella segments 20 is arranged facing the upper end face, underneath a lamella segment group B 3 with six B-lamella segments 30, and below this there is alternately a lamella segment group A 2 with two A slat segments 20 and a slat segment group B 3 with six B slat segments 30 as well as a further slat segment group A 2 with two A slat segments 20 and a slat segment group B 3 with six B slat segments.
  • Slat segments 30 and finally towards the lower end face a slat segment group A 2 with two A-slat segments 20.
  • the number of slat segment groups A 2 and the number of A-slat segments 20 arranged within the slat segment group A 2 are selected so that the holding force between the Package segments 10 is within a predetermined holding force range.
  • the holding force can be predetermined by measurement and/or simulation through the construction of the holding structures on the A-lamella segments 20 (and possibly the B-lamella segments 30), but is advantageously measured within the production process by means of a measuring device (if necessary additionally), as further below explained in more detail.
  • the number of A-lamella segments 20 within the lamella segment group A 2 of the respective package segments 10 and the number of lamella segment groups A 2 within the package segments 10 can be varied in order to maintain the holding force between the package segments 10 within the predetermined holding force range. From slat segment group A 2 to slat segment group A 2 within a package segment 10, the number of A slat segments 20 can remain the same or vary.
  • the structure of the package segments 10 forming the disk package 1 with the disk segment groups A 2 and B 3 stacked in the direction of the longitudinal axis of the disk package 1 is the same from package segment 10 to package segment 10, that is, the package segments 10 are made up of disk segment groups A 2 and B 3 in the same way with respective A-lamella segments 20 and B-lamella segments 30 constructed the same.
  • the stack height of the disk pack 1 can be varied (without or without a significant change in the holding force), so that a predetermined dimension of the disk pack 1 or one The stator constructed from it can be adhered to precisely.
  • the two package segments 10 shown in Fig. 1 are shown in an arrangement pulled apart in the circumferential direction and compactly stacked one on top of the other in the longitudinal direction with the lamella segment groups A 2 and B 3.
  • the two package segments 10 shown in Fig. 2 are shown in an arrangement assembled in the circumferential direction.
  • the holding forces exerted between the package segments 10 act both as pull-out forces (separating forces) when the package segments 10 are pulled apart and as joining forces when the package segments 10 are joined together to form the disk package 1.
  • FIG. 4 and 5 show exemplary holding structures of a geometry A of two assembled A-lamella segments 20 (Fig. 4) and a geometry B of two assembled B-lamella segments 30 (Fig. 5).
  • the holding structure has the geometry A of the A-lamella segments
  • the holding recess 22 is designed as an undercut U-shaped groove, the groove opening of which lies approximately in a radial plane perpendicular to the lamella plane in or near the entrance area is narrower than its clear width towards the groove base, while the complementary holding extension
  • the holding force can therefore be precisely predetermined depending on the geometry and material, e.g. B. through simulation and/or (primarily) through measurement. Similar geometries that produce a holding force are also possible (e.g. circular section shape).
  • the B-lamella segments 30, are designed in such a way that when the mutually complementary holding elements of the holding structure are inserted, there is no holding force or at most a very small, at least significantly lower (e.g. at most half as large) holding force as with the A-lamella segments 20.
  • the holding extensions 21 and holding recesses 22 according to FIG. 4 and the shaped extensions 31 and shaped recesses 32 according to FIG. 5 are advantageously rounded in their opening area and in the transition area to the groove base.
  • the holding extensions 21 and shaped extensions 31 as well as the holding recesses 22 and shaped recesses 32 are similarly shaped, so that in the event of (small) axial displacement of the sheet metal lamellas, as can occur during a winding process, assembling the package segments is not made more difficult.
  • the individual sheet metal laminations are produced in a full cut in an advantageous procedure, in which the required cutting contours for the air gap and the free spaces for the winding or the tooth contour and, if necessary, other contours to be cut and also the dividing lines between the individual lamination segments Sheet metal lamellas are completely cut in an appropriately designed cutting unit, in particular in an automatic punching machine.
  • a cutting unit 4 is shown as an example in FIG. 6.
  • the cutting unit 4 includes cutting punches 40 for producing the holding structures and adjacent contour sections, as well as a cutting insert 41, extractors 42, transfer bolts 43, a transfer plate 44 and a compression spring 45.
  • the sheet metal lamellas with the A-lamella segments 20 assembled in a ring shape as well as the sheet metal lamellas with the B sheet metal lamella segments 30 assembled in a ring shape result in a high precision of the sheet metal lamellas and the lamella pack 1 stacked from them due to the complete cutting of the sheet metal lamellas by means of the two appropriately designed cutting units 4
  • a stator constructed with this an extremely small gap is created when joining after the winding has been applied, which can be maintained precisely. This is important because external influences can cause the slats to be axially offset from one another (e.g. due to the winding tension).
  • the ratio of the number of A-lamella segments 20 to the number of B-lamella segments 30 depends on the required holding force, in particular the radial pull-off force is freely adjustable.
  • a relevant control or regulation of the arrangement of the A-lamella segments 20 and B-lamella segments 30 when constructing the disk pack 1 can be specified by the relevant design of a control device of the production system.
  • Free cuts for the above-mentioned design of the disk pack are therefore advantageously not located directly on the outer diameter of the disk pack 1.
  • the continuous outside diameter is also advantageous for applying a marking to the lateral surface. If the free cuts for the separation points of the lamella segments are not directly on the outer diameter, longer free cuts are possible in order to enable the holding extensions 21 or mold extensions 31 to be bent out in a way that protects the material.
  • the undercut is then only on the inside of the relevant slat segment. This means that when the sheet metal lamellae are axially offset, there are no radial thrusts that have a negative impact on the outer diameter of the lamina pack 1 or the stator.
  • Fig. 7 shows schematically a cutting punch 50 for the winding spaces 11 and a pre-cutting punch 51 for free cuts on the outer diameter. The free cuts are required to carry out the shearing process.
  • Fig. 8 shows schematically a punching tool structure 6 with a tool frame that has frame columns 60 and a base plate 61. Sheet metal to be cut or punched is fed via a belt inlet 62 to a module 63 designed for processing.
  • the individual cutting modules are mainly used for handling.
  • the modular design is not yet common in punch packing.
  • the immersion depth of the entire punching tool can be secured via spacer elements 64.
  • a clamp 65, displacement inserts 66, 67 represent a precise displacement mechanism for the modules.
  • the tool arrangement shown in Fig. 9 has a cutting device with a catch hole 70 and an index punch 71, as is known per se.
  • An air gap cutting station 72 is used for high-precision cutting of an air gap.
  • the changing rooms and a pre-cut are then cut in a changing room and pre-cut cutting station 73.
  • Catchers and lifters 74 are provided for further processing.
  • cutting stations 75 and 76 with the relevant cutting units are available, which in the present case form the essential main cutting processes of the invention.
  • the production system 8 is designed, for example, to build parts of an electrical machine with a rotor and stator and includes an automatic punching machine 80, a rotor conveyor belt 81, a stator conveyor belt 82, a first robot unit 83 on the rotor conveyor belt 81 and a second robot unit 84 on Stator conveyor belt 82, a measuring and post-compression unit 85 on the rotor conveyor belt 81, another measuring and post-compression unit 86 on the stator conveyor belt 82, a third robot unit 87 in the rotor line, labeling units 88 for the lateral and end faces, a fourth robot unit 89 in the stator line as well as conveyor units 890, 891 for blisters in the rotor and stator line.
  • the degree of automation of the process line can be adjusted. Laser marking is optional.
  • the rotor conveyor belt 19 carries the rotor under the tool
  • the stator conveyor belt 20 takes the stator under the tool.
  • the robot units 21, 22 are preferably designed as SCARA robots, which place the parts from the respective conveyor belt oriented onto the linear conveyor unit.
  • the measuring and booster units 85 and 86 compress the relevant disk packs of the rotor or stator and measure their height and parallelism.
  • the robot units 87, 89 which are also designed as SCARA robots, place the compacted loads disc packs of the rotor or stator into the provided blister packs or KLT containers, which are positioned over the relevant conveyor units 890, 891.
  • the automatic punching machine 80 which is designed in particular as a high-performance punching machine, the individual sheet metal lamellas are completely punched through.
  • the holding forces between the package segments 10 of the disk package 1 are measured at defined intervals during production in an assigned measuring station, whereby the feed to the same can take place automatically.
  • the measurement results are imported directly into a control device of the production system 8. In this way, regulation of the radial holding forces or withdrawal and/or joining forces is carried out during production or can be carried out automatically.
  • a stacking device with an integrated rotating unit within the tool arrangement 7 stacks the annular sheet metal lamellas in a controlled or regulated arrangement to form the lamina pack 1.
  • the disk packs 1 or the stators formed from them are passed on to the compressor unit 86 or (in the case of a rotor) 85 by means of the conveyor technology.
  • the height of the disk pack can be measured using the relevant measuring unit, whereby the number of disks can be regulated during the manufacturing process. In this way, individual sheet metal slats can be added or removed as needed.
  • the parallelism of the disk pack 1 can be measured to ensure precise function.
  • the integrated control of the number of A-lamella segments 20 enables a precise adjustment of the radial holding force, whereby the measured holding force is compared with a predetermined holding force and the number of A-lamella segments 20 is automatically selected so that the holding force is within the predetermined holding force range lies.
  • the pull-out force (separation force) between the package segments 10 is taken as a basis.
  • the holding force between the package segments 10 of the disk package 1 can therefore be independent of tool wear, material strength and/or the height of the disk pack 1 can be set within a fixed range. This contributes significantly to a consistently high quality of the disk pack 1 and thus also of a stator or the electrical machine constructed from it.
  • Fig. 11 shows the structure of a measuring device 9 for measuring the holding forces between the package segments 10 of a disk package 1.
  • the holding forces in particular separating forces between two diametrically opposite pairs of package segments 10, are measured simultaneously and half the value of this separating force as the holding force between two package segments 10 assumed.
  • This measurement result is fed to the control device for regulating the number of A-lamella segments 20.
  • the number of B-lamella segments is adjusted accordingly in order to maintain a predetermined stacking height of the disk pack 1.
  • the two halves of the disk pack 1 are pressed together again and the entire disk pack 1 is rotated by a division of the pack segments 10. Then the test is repeated until all dividing lines are checked.
  • the determination of the measured holding force can be based on a statistical determination (e.g. averaging, exclusion if deviations from an average are too high, or the like).
  • the joining forces for joining the package segments 10 together can also be measured by means of the measuring device 9 when the relevant halves of the disk package 1 are pressed together.
  • the integrated measurement of both the radial pull-off and/or joining forces as well as the stack height and parallelism of the disk pack 1 enables precise compliance with the required holding forces, namely the pull-off and/or joining forces.
  • FIG. 11 the structure of the measuring device 9 with a separating device is shown schematically.
  • a first guide unit 90 has a guide rail 900 (e.g. in the form of a dovetail guide) and a second guide unit 93 has a further guide rail 930 (e.g. also a dovetail guide).
  • a lower pair of clamping jaws 92 and an upper pair of clamping jaws 91 are guided on the guide rails 900 and 930.
  • the second, upper in FIG. 11, guide unit 93 is suspended floating via a suspension means 94.
  • the joining force for joining the two halves of the disk pack 1 or the relevant pack segments 10 can also be measured in the opposite direction to the pull-out direction.
  • the measurement of the outer diameter and the roundness of the disk pack 1, as shown in FIGS. 12A and 12B, can be carried out, for example.
  • the presented inventive structure of the structural unit for an electrical machine with the plate pack designed in this way the presented method for producing the structural unit and the production system with the tool system for producing the structural unit contribute significantly to increasing the precision of the structural unit and electrical machines equipped with it and make it possible a flexible adjustment of the production process.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Baueinheit sowie auf ein Verfahren und ein Werkzeugsystem zur Herstellung einer solchen für eine elektrische Maschine, wie Rotor oder insbesondere Stator, mit einem aus einer Vielzahl in Richtung einer Längsachse aufeinander geschichteter Blechlamellen zusammengesetzten Lamellenpaket (1), welches in Umlaufrichtung aus mehreren Paketsegmenten (10) mit in Umlaufrichtung angeordneten, mittels seitlicher Haltestrukturen ineinandergreifenden Lamellensegmenten zusammengefügt ist. Eine hohe Präzision der Baueinheit bei flexibler Anpassung des Produktionsprozesses für verschiedene Anforderungen wird dadurch erhalten, dass die das Lamellenpaket (1) bildenden Paketsegmente (10) in gleicher Weise aus mindestens zwei verschiedenen Lamellensegmentgruppen A (2) von untereinander gleich konturierten A-Lamellensegmenten (20) und Lamellensegmentgruppen B (3) von untereinander gleich konturierten B-Lamellensegmenten (30) geschichtet aufgebaut sind, wobei sich die A-Lamellensegmente (20) von den B-Lamellensegmenten (30) in ihren Haltestrukturen bezüglich ihrer Haltekraft in zumindest radialer Richtung in der Ebene der Blechlamellen unterscheiden.

Description

Baueinheit für eine elektrische Maschine sowie Verfahren und Werkzeugsystem zur Herstellung einer solchen Baueinheit
Die Erfindung bezieht sich auf eine Baueinheit für eine elektrische Maschine, wie Rotor oder insbesondere Stator, mit einem aus einer Vielzahl in Richtung einer Längsachse aufeinander geschichteter Blechlamellen zusammengesetzten Lamellenpaket, welches in Umlaufrichtung aus mehreren Paketsegmenten mit in Umlaufrichtung angeordneten, mittels seitlicher Haltestrukturen ineinandergreifenden Lamellensegmenten zusammengefügt ist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren sowie auf ein Werkzeugsystem zur Herstellung einer solchen Baueinheit, bei dem in einer Werkzeuganordnung einer Produktionsanlage eine Stanzanordnung zum Schneiden von zu einem Lamellenpaket aufeinander zu schichtenden Blechlamellen vorhanden ist, wobei die Stanzanordnung mehrere Schneidstationen mit Schneideinheiten zum Schneiden der Blechlamellen in umlaufend mit seitlichen Haltestrukturen auseinandernehmbar zusammengefügte und nach Auseinandernehmen wieder zusammenfügbare Lamellensegmente und von erforderlichen weiteren Schneidabschnitten der Blechlamellen aufweist, und weiterhin eine von einer Steuerungseinrichtung gesteuerte Stapelvorrichtung zum Bilden des Lamellenpakets aus aufeinander gestapelten Blechlamellen vorhanden ist, das sich in Umlaufrichtung aus Paketsegmenten zusammensetzt. Zur Weiterverarbeitung können die Paketsegmente des Lamellenpakets auseinandergezogen werden.
Eine Baueinheit, ein Verfahren und ein Werkzeugsystem dieser Art sind in der CA 2 758 405 C angegeben. Bei dieser bekannten Baueinheit ist ein Lamellenpaket zum Bilden eines ferromagnetischen Kems, insbesondere eines Stators oder Rotors eines elektrischen Motors, aus umlaufend zusammengefügten Paketsegmenten zusammengesetzt, die jeweils aus in Richtung einer Längsachse aufeinandergestapelten Lamellensegmenten gebildet sind, wobei Lamellensegmente mit unterschiedlich kon- turierten Haltestrukturen innerhalb der Paketsegmente angeordnet sind. Die zu dem Lamellenpaket zusammengefügten Paketsegmente werden mittels der in Umlaufrichtung seitlich an den Lamellensegmenten im Schneidprozess ausgebildeten Haltestrukturen, die einerseits aus konvexen Vorsprüngen und andererseits aus daran komplementär angepassten konkaven Ausnehmungen bestehen, zusammengehalten. Einige der Haltestrukturen sind dabei so ausgebildet, dass sie mittels eines Stempels zum Ausüben einer Haltekraft plastisch deformiert werden, wobei andere Haltestrukturen zum Durchführen des Stempels ausgestaltet sind. Unter den bezüglich der Lamellenebene kreisförmig zu dem Lamellenpaket zusammengefügten Paketsegmenten sind in ihren Haltestrukturen unterschiedlich konturierte Paketsegmente vorhanden. Bei der Herstellung der Baueinheit werden in einem Werkzeugsystem mittels einer Schneideinrichtung verschiedene Lamellensegmente mit betreffenden Haltestrukturen geschnitten und in einer Stapelvorrichtung zu Paketsegmenten gestapelt, die in einer linearen Anordnung mit ihren komplementären Haltestrukturen aneinandergefügt werden, wobei einige der zusammengefügten Haltestrukturen mittels des Stempels plastisch deformiert werden und schließlich die lineare Anordnung der Paketsegmente zu dem ringförmigen Lamellenpaket zusammengefügt wird. Die im Lamellenpaket endseitig angeordneten Paketsegmente weisen dabei einen hinsichtlich der Haltestrukturen der gestapelten Lamellensegmente anderen Aufbau auf als die dazwischen angeordneten Paketsegmente. Auch die EP 0 833 427 B1 zeigt eine Baueinheit, insbesondere auch einen Statorkern für eine rotierend arbeitende elektrische Maschine aus zu einem Lamellenpaket geschichteten Blechlamellen, die aus Lamellensegmenten mit seitlichen Haltestrukturen ringförmig zusammengesetzt sind. Auch hierbei werden zunächst Lamellensegmente in einem Werkzeugsystem geschnitten und gestapelt und die so gebildeten Paketsegmente zusammengefügt. Innerhalb der Paketsegmente können bei einem Ausführungsbeispiel auch mit unterschiedlichen Haltestrukturen versehene Lamellensegmente vorhanden sein. Bei einer solchen Aufbauweise ist es schwierig, eine hohe Präzision der Baueinheit zuverlässig zu gewährleisten.
In der DE 10 2017 201 178 A1 werden eine Baueinheit für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zu seiner Herstellung vorgestellt, bei der einzelne Lamellensegmente mittels seitlicher Haltestrukturen zu einer ringförmigen Blechlamelle zusammengefügt sind und die Blechlamellen zu einem Lamellenpaket gestapelt werden. Anschließend wird das so gebildete Lamellenpaket als noch unbewickelte Statoranordnung in seine einzelnen Paketsegmente separiert. Dabei bestehen die in Umlaufrichtung seitlich angeordneten Haltestrukturen ebenfalls in einer Nut-Feder- Verbindung und die Länge des Vorsprungs und gegebenenfalls eine Verspannung senkrecht zur Flächenebene der Einzellamellen sind so gewählt, dass nach dem Stanzen der einzelnen Lamellensegmente diese wieder in die ringförmige Form der Blechlamellen gebracht werden können, so dass beim Aufbau des Lamellenpakets bzw. der Statoranordnung durch Stapelung die einzelnen Lamellensegmente aneinandergehalten werden. Dadurch kann die so gebildete, mit Zahnköpfen versehene Statoranordnung zu einem Bewicklungswerkzeug transportiert werden. Die unbewickelte Statoranordnung kann in ihre einzelnen Paketsegmente aufgetrennt werden, insbesondere durch Ausüben einer radialen Kraft, um sie zu bewickeln und anschließend durch eine zueinander gerichtete radiale Kraft die einzelnen Paketsegmente mit Hilfe eines Fügewerkzeugs wieder zu dem Lamellenpaket bzw. der Statoranordnung zusammenzufügen. Die rundum vollständig geschnittenen Blechlamellen tra- gen zu einer hohen Präzision der Baueinheit bei, jedoch können sich die Füge- und Trennvorgänge auf die Fügekräfte nachteilig auswirken.
Die EP 2 356 734 B2 zeigt einen Elektromotor mit einer Baueinheit eines Stators, die ebenfalls ein aus mehreren Paketsegmenten mit seitlichen Haltestrukturen zusammengefügtes Lamellenpaket aufweist.
In der EP 0 871 282 A1 sind Lamellenpakete aus Blechlamellen gezeigt, die aus integral miteinander verbundenen Lamellensegmenten gebildet sind.
In der CN 104874756 B, der CN 107008962 A und der CN 108262519 B sind Schneidverfahren und Schneideinrichtungen für Lamellen gezeigt.
Wie auch aus vorstehend genannten Druckschriften hervorgeht, sind zahlreiche Topologien, Geometrien und Fertigungsverfahren für elektrische Maschinen bekannt. Je nach Anwendungsgebiet sind die Anforderungen an Drehmomente, Leistung, Geräuschentwicklung, Drehmomentschwankungen, Rastmomente und Materialverwendung stark unterschiedlich. Als wichtigste Leistungsindikatoren werden Geräuschentwicklung, Gewicht und Effizienz des Antriebs angesehen. Beeinflussende Größen sind hierbei Rundheit des Stators, Stromstärke, Widerstand, Impedanz des Systems, Kupferfüllfaktor, Anzahl der Pole, Luftspalt zwischen Stator und Rotor, Länge der aktiven Teile (Stator, Rotor), Eisenfaktor und Lamellendicke. Hierbei kommt der Maximierung der elektrischen Leitfähigkeit durch einen hohen Kupferfüllfaktor (und damit einer hohen Leistungsdichte) sowie der Minimierung des Luftspalts eine besondere Bedeutung zu (s. auch Fräger, C., Amrhein, W. Handbuch Elektrische Kleinantriebe. Band 2: System komponenten, Auslegung. 5. Auflage 2021 ; VDI, 2015. Drehende elektrische Maschinen. Teil 2-1 : Standardverfahren zur Bestimmung der Verluste und des Wirkungsgrades aus Prüfungen). Die zugrunde liegende Wickeltechnik spielt hierbei ebenfalls eine große Rolle, da sie die Leistungsindikatoren maßgeblich beeinflusst. Die Steckwicklung bietet in der Regel den höchsten Kupferfüllfaktor, ist aber limitiert in der Skalierung und die Fertigungseinrichtungen sind vergleichsweise teuer. Weitere Techniken sind die Spulenwicklung und die Nadelwicklung, welche in verschiedenen Ausprägungen (gerade Nut, schräge Nut, Einzelzähne (entweder vollständig getrennte Einzelzähne oder als sogenannter Pre-Cut, d. h. nicht komplett getrennte, sondern nur angeschnittene Statorzähne) und Vollschnitt) realisiert werden.
Um eine Verringerung der Wirbelströme im Eisenkern zu erreichen wird dieser aus einzelnen Blechlamellen hergestellt. Die einzelnen Blechlamellen werden dabei über sogenannte Interlockingklammern, d. h. Prägungen auf der Oberfläche der Lamellen zusammengehalten. Techniken zur Verbindung von Lamellenebenen sind u. a. in der DE 10 2012 224 153 A1 und in Liu, L.-H. and Liu L.-C. (2017). Analysis of interlocking performances on non-oriented electrical steels. AIP Advances 8, 056605 (2018) beschrieben.
Das Vollschnittverfahren hat den prinzipiellen Vorteil, dass das Lamellenpaket bzw. der aus ihm gebildete Stator einen (praktisch) perfekten Kreis abbildet, was wiederum eine positive Auswirkung auf den Luftspalt und die Momentenwelligkeit hat. Allerdings hat der Vollschnitt den großen Nachteil, dass die Statorzähne für den Wickelkopf nur schwer zugänglich sind und daher der wichtige Kupferfüllfaktor nicht an das Niveau einer Steckwicklung oder die Wicklung eines segmentierten Stators heranreicht. Der segmentierte Stator bietet daher eine gute Alternative. Allerdings besteht eine Schwierigkeit darin, die einzelnen, durch die gestapelten, segmentierten Blechlamellen gebildete Paketsegmente bzw. die dadurch gebildeten einzelnen Statorzähne zu einem möglichst runden Kreis nach vollzogener Wicklung wieder zusammenzuführen, um einen geringen Luftspalt und geringe Momentenwelligkeit zu erhalten. Wird die komplette Segmentierung ohne Einbehaltung der Stanzreihenfolge der Statorzähne vorgenommen, ist es nahezu nicht möglich einen perfekt runden Kreis zu erzeugen. Außerdem ist in der Regel ein zusätzlicher Schweißprozess notwendig, um die einzelnen Statorzähne wieder zu verbinden. Bei der sogenannten Pre-Cut-Technologie wird ein Vorstanzen vorgenommen und später im Prozess werden die Zähne dann unter Beibehaltung der Reihenfolge getrennt und nach vollzogener Wicklung wieder in entsprechender Reihenfolge zusammengefügt (in der Praxis wird die Pre-Cut-Technologie auch ohne Einhaltung der Reihenfolge angewandt zu Lasten einer schlechteren Momentenwelligkeit und gegebenenfalls mit größerem Luftspalt). Ein komplettes Durchstanzen der Lamellensegmente bzw. Statorzähne und späteres Zusammenfügen der Statorzähne ist unter Beibehaltung der Reihenfolge ebenfalls möglich. Hierzu stehen formschlüssige und kraftschlüssige Verbindungen zur Verfügung, wie auch aus den vorstehend genannten Druckschriften hervorgeht. Jedoch ist es schwierig, den Form- und Kraftschluss insbesondere bei unterschiedlichen, vor allem auch unterschiedlich hohen Blechpaketen zuverlässig einzuhalten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Baueinheit für eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren und ein Werkzeugsystem zum Herstellen einer solchen bereitzustellen, mit der der Zusammenhalt von Paketsegmenten in einem Lamellenpaket möglichst präzise und zuverlässig eingehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer Baueinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , bei einem Verfahren zu deren Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 sowie bei einem Werkzeugsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Bei der Baueinheit ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die das Lamellenpaket bildenden Paketsegmente in gleicher Weise aus mindestens zwei verschiedenen Lamellensegmentgruppen A von untereinander gleich konturierten A-Lamellenseg- menten und Lamellensegmentgruppen B von untereinander gleich konturierten B- Lamellensegmenten geschichtet aufgebaut sind, wobei sich die A-Lamellensegmente von den B-Lamellensegmenten in ihren Haltestrukturen bezüglich ihrer Haltekraft in zumindest radialer Richtung in der Ebene der Blechlamellen unterscheiden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass dabei die Haltekraft der B-Lamellensegmente praktisch null ist. Mit diesen Maßnahmen lässt sich eine Haltekraft bzw. Abzugs- und Fügekraft in dem Lamellenpaket bzw. dem daraus gebildeten Stator zuverlässig vorgeben und kontrollieren.
Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass einer Werkzeuganordnung eine Blechbahn zugeführt wird, aus der Blechbahn A-Blechlamellen mit umlaufend aneinandergefügten A-Lamellensegmenten und B-Blechlamellen mit umlaufend aneinandergefügten B-Lamellensegmenten ausgeschnitten werden, wobei sich seitliche Haltestrukturen der A-Lamellensegmente von seitlichen Haltestrukturen der B-Lamellensegmente in ihrer Haltekraft unterscheiden, und A-Blechlamellen und B-Blechlamellen automatisch in von einer Steuerungseinrichtung vorgegebener Abfolge in Richtung einer Längsachse zu einem Lamellenpaket aufeinander geschichtet werden, so dass die radiale Haltekraft zwischen den aus den A-Lamellensegmenten und B- Lamellensegmenten geschichteten Paketsegmenten in einem vorgegebenen Haltekraftbereich liegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Werkzeugsystems ist vorgesehen, dass zum Schneiden der Lamellensegmente zwei verschiedene Schneidstationen vorhanden sind, von denen die eine zum Schneiden von A-Lamellensegmenten ausgebildet ist, deren seitlichen ineinandergreifenden Haltestrukturen zum Ausüben radialer Haltekräfte ausgebildet sind, und die andere Schneidestation zum Schneiden von B- Lamellensegmenten ausgebildet ist, deren seitlichen ineinandergreifenden Haltestrukturen zum Ausüben geringerer Haltekräfte als die Haltestrukturen der A- Lamellensegmente bis hin zu praktisch keinen Haltekräften ausgebildet sind, und dass die Stapelvorrichtung zum Anordnen einer Anzahl von aus A- Lamellensegmenten zusammengesetzten A-Blechlamellen und einer Anzahl von aus B-Lamellensegmenten zusammengesetzten B-Blechlamellen innerhalb eines Lamellenpakets nach Vorgabe durch die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, wobei die Anzahl der A-Blechlamellen und die Anzahl der B-Blechlamellen auf Basis einer einzuhaltenden Haltekraft innerhalb eines vorgegebenen Haltekraftbereichs zwischen den Paketsegmenten von der Steuerungseinrichtung bestimmt wird. Die Anzahl der A-Blechlamellen und erforderlichenfalls auch der B-Blechlamellen wird nachgesteuert oder nachgeregelt, wenn die Haltekraft zwischen den Paketsegmenten nicht (bzw. nicht mehr) in dem vorgegebenen Haltekraftbereich liegt.
Mittels des so eingerichteten Werkzeugsystems und des so durchgeführten Verfahrens zur Herstellung der Baueinheit wird ein gut an unterschiedliche Anforderungen anpassbarer und zuverlässig kontrollierbarer Herstellungsprozess für die Baueinheit erreicht.
Eine für die Baueinheit vorteilhafte Ausgestaltung besteht dabei darin, dass die A- Lamellensegmente in Umlaufrichtung jeweils auf ihrer einen Seite mit mindestens einer hinterschnittenen nutartigen Halteausnehmung und auf ihrer in Umlaufrichtung anderen Seite mit einem daran angepassten und mit einer abgestimmten Haltekraft einsetzbaren komplementären Haltefortsatz versehen sind und dass die B- Lamellensegmente in Umlaufrichtung jeweils auf ihrer in Umlaufrichtung einen Seite mit mindestens einer hinterschnittenen nutartigen Formausnehmung und auf ihrer in Umlaufrichtung anderen Seite mit einem daran angepassten und (praktisch) ohne Haltekraft einsetzbaren Formfortsatz versehen sind.
Weitere Vorteile der Baueinheit ergeben sich dadurch, dass die Lamellensegmentgruppen A mindestens zwei A-Lamellensegmente und die Lamellensegmentgruppen B mindestens zwei B-Lamellensegmente aufweisen und dass jedes Paketsegment mindestens zwei Lamellensegmentgruppen A und mindestens zwei Lamellensegmentgruppen B umfasst, wobei sich die Lamellensegmentgruppen A und Lamellensegmentgruppen B innerhalb der Paketsegmente (in gleicher Weise) abwechseln. Hierbei besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung insbesondere darin, dass lediglich zwei verschiedene Lamellensegmente, nämlich A-Lamellensegmente und B- Lamellensegmente, innerhalb des Paketsegments vorhanden sind.
Eine Ausgestaltungsvariante besteht dabei z. B. darin, dass innerhalb eines Paketsegments mindestens zwei Lamellensegmentgruppen A relativ zueinander und/oder mindestens zwei Lamellensegmentgruppen B relativ zueinander und/oder mindestens eine Lamellensegmentgruppe A relativ zu mindestens einer Lamellensegmentgruppe B eine unterschiedliche Anzahl von A-Lamellensegmenten bzw. B- Lamellensegmenten aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Haltekraft zwischen den Paketsegmenten gemessen wird. Mit der Messung der Haltekraft kann vorteilhaft kontrolliert werden, ob während des Herstellungsprozesses, z. B. nach einem Trennvorgang zum Aufbringen einer Wicklung und erneutem Zusammenfügen, die Haltekraft innerhalb des einzuhaltenden Haltekraftbereichs liegt bzw. bleibt und die Anzahl der eine Haltekraft ausübenden A-Lamellensegmente kann entsprechend angepasst werden, insbesondere automatisch mittels eines Regelungsverfahrens über die Steuerungseinrichtung. Z: B. können im Grenzfall zur Einhaltung des vorgegebenen Haltekraftbereichs auch lediglich A-Blechlamellen zu dem Lamellenpaket geschichtet werden.
Für einen automatischen Prozessablauf ist dabei vorteilhaft vorgesehen, dass bei Unterschreiten des vorgegebenen Haltekraftbereichs die Anzahl der A-Blechlamellen soweit erhöht und bei Überschreiten des Haltekraftbereichs die Anzahl der A- Blechlamellen soweit verringert wird, dass die Haltekraft in dem vorgegebenen Haltekraftbereich liegt, wobei die erhöhte Anzahl der A-Blechlamellen durch Weglassen von B-Blechlamellen und die verringerte Anzahl von A-Blechlamellen durch Hinzufügen von B-Blechlamellen erforderlichenfalls ausgeglichen wird, um eine vorgegebene Stapelhöhe des Lamellenpakets beizubehalten. Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten für eine automatische Prozessführung, insbesondere für eine Reglung des Prozessablaufs, bestehen darin, dass die Messung der Haltekraft während des Herstellungsprozesses nach Fertigstellung eines Lamellenpakets für jedes Lamellenpaket oder stichprobenartig nach Fertigstellung mehrerer Lamellenpakete für ein Lamellenpaket erfolgt und dass die Messergebnisse der Steuerungseinrichtung von Hand oder (vorzugsweise) automatisch zugeführt werden.
Vorteilhafte Verfahrensvarianten bestehen darin, dass die Messung der Haltekraft in radialer Richtung (rechtwinklig zur Längsachse) des Lamellenpakets durchgeführt wird und eine Messung der Trennkraft und/oder eine Messung der Fügekraft umfasst.
Für die Ausbildung des Bauteils und eine genaue Prozessführung sind des Weiteren die Maßnahmen von Vorteil, dass die Messung der Haltekraft nach einer Kompression der Blechlamellen des Lamellenpakets erfolgt und dass vor oder nach der Messung der Haltekraft oder bei gegebenenfalls ausbleibender Messung der Haltekraft eine Messung der Stapelhöhe und Stapelparallelität des Lamellenpakets durchgeführt wird.
Das Werkzeugsystem ist für die automatische Prozessführung vorteilhaft in der Weise ausgebildet, dass in dem Werkzeugsystem eine Messeinrichtung zum Messen der Haltekraft zwischen den Paketsegmenten integriert ist, dass die gemessene Haltekraft mittels einer Übertragungseinrichtung der Steuerungseinrichtung zugeführt wird bzw. zuführbar ist und dass die Steuerungseinrichtung so ausgebildet ist, dass bei Abweichung der gemessenen Haltekraft von dem vorgegebenen Haltekraftbereich die Anzahl der A-Blechlamellen in dem Lamellenpaket so vergrößert oder verkleinert wird, dass die Haltekraft in dem vorgegebenen Haltekraftbereich liegt, wogegen die Anzahl der B-Blechlamellen in dem Lamellenpaket, umgekehrt, entsprechend verkleinert oder vergrößert wird um eine vorgegebene Stapelhöhe einzuhalten. Die ge- messene Haltekraft innerhalb der Prozessführung kann so zur Regelung des Prozessablaufs unter Einhaltung der Haltekraft in dem vorgegebenen Haltekraftbereich einfach genutzt werden. Mit dem so ausgebildeten Werkzeugsystem lassen sich auch auf einfache Weise unterschiedliche Anforderungen z. B. für verschiedene elektrische Maschinen praktisch ohne großen Aufwand erfüllen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Werkzeugsystems besteht ferner darin, dass die Werkzeuganordnung eine Verdichtereinheit zum Komprimieren der zu dem Lamellenpaket aufeinandergestapelten Blechlamellen aufweist, die der gegebenenfalls vorhandenen Messeinrichtung zum Messen der Haltekraft im Prozessablauf vorgelagert ist.
Ferner ist das Werkzeugsystem vorteilhaft dadurch ausgebildet, dass die Werkzeuganordnung eine, insbesondere der Verdichtereinheit zugeordnete, Messanordnung zur Messung der Stapelhöhe und/oder der Parallelität der Stirnseiten des Lamellenpakets aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Werkzeugsystems besteht darin, dass die Messeinrichtung zum Messen der Haltekraft eine Abzugsvorrichtung und/oder eine Fügevorrichtung zum Messen einer Trennkraft und/oder Fügekraft aufweist.
Der Erfindungsgegenstand umfasst des Weiteren einen Stator einer rotierend arbeitenden elektrischen Maschine mit einer Baueinheit, wobei an jedem Paketsegment ein Statorzahn ausgebildet ist und zwischen den Statorzähnen benachbarter Paketsegmente Wickelräume mit einbringbaren oder eingebrachten Wicklungen angeordnet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Ausschnitt eines Lamellenpakets mit zwei in Umlaufrichtung zusammengefügten Paketsegmenten, die jeweils in gleicher Weise aus zwei verschiedenen in Richtung der Längsachse des Lamellenpakets aufeinander gestapelten Lamellensegmentgruppen A und B mit innerhalb der Gruppe gleichen, aber von Gruppe zu Gruppe verschiedenen A-Lamellensegmenten bzw. B-Lamellensegmenten gebildet sind, in perspektivischer, in Längsrichtung zwischen den Gruppen auseinandergezogener Darstellung,
Fig. 2 zwei in Umlaufrichtung auseinandergezogene Paketsegmente mit in Längsrichtung aufeinanderliegenden Lamellensegmentgruppen A und B in perspektivischer Darstellung,
Fig. 3 die Paketsegmente nach Fig. 2 in ihrem in Umlaufrichtung zusammengefügten Zustand in perspektivischer Darstellung,
Fig. 4 eine Draufsicht zweier in Umlaufrichtung zusammengefügter A- Lamellensegmente mit näher gekennzeichneten Haltestrukturen einer Geometrie A mit Haltefortsatz und Halteausnehmung,
Fig. 5 eine Draufsicht zweier in Umlaufrichtung zusammengefügter B- Lamellensegmente mit näherer Kennzeichnung Ihrer Haltestrukturen einer Geometrie B mit Formfortsatz und Formausnehmung,
Fig. 6 eine Schneideinheit für Blechlamellen mit Schneidelementen zum Ausbilden von Haltestrukturen der Lamellensegmente in perspektivischer Ansicht,
Fig. 7 eine weitere Schneideinheit zum Schneiden weiterer Schneidkonturen der Blechlamellen ausschnittsweise in perspektivischer Ansicht, Fig. 8 einen Stanzwerkzeugaufbau mit Teilen eines Werkzeuggestells in Draufsicht,
Fig. 9 eine schematische Ansicht einer Werkzeuganordnung eines Werkzeugsystems zur Herstellung eines Lamellenpakets in Draufsicht,
Fig. 10 eine schematische Ansicht einer Produktionsanlage zur Fertigung von Lamellenpaketen und
Fig. 11 eine Messeinrichtung zum Messen der Haltekraft zwischen den Paketsegmenten eines Lamellenpakets und
Fig. 12A und 12B eine Messvorrichtung zur Messung der Rundheit eines Lamellenpakets, insbesondere Stators.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen Ausschnitt eines Lamellenpakets 1 mit zwei Paketsegmenten 10 zur Verdeutlichung des Aufbauprinzips eines Lamellenpakets in verschiedenen Darstellungen in perspektivischer Ansicht. Das Lamellenpaket 1 bildet z. B. das Blechpaket eines Stators einer rotierend arbeitenden elektrischen Maschine, beispielsweise eines Elektromotors. Die Paketsegmente sind dabei einzelnen Statorzähnen zugeordnet und weisen vorliegend jeweils einen radial nach innen gerichteten Statorzahn mit Zahnkopf und zwischen den Statorzähnen liegenden Wickelräumen 11 zum Aufnehmen einer (nicht gezeigten) Statorwicklung auf. In ihrem von dem Zahnkopf radial nach außen gelegenen Bereich, vorliegend dem Statorjoch, sind die Paketsegmente 10 über Haltestrukturen zusammengefügt und können mit einer gewissen, in einer zur Längsachse des Lamellenpakets 1 rechtwinklig liegenden Ebene radial gerichteten Abzugskraft voneinander getrennt werden, um dann die Wicklung möglichst einfach auf den Statorzähnen aufbringen zu können. Danach werden die Paketsegmente 10 wieder zum Lamellenpaket 1 bzw. Stator mit einer radial nach innen gerichteten Fügekraft zusammengefügt, wobei die Haltestrukturen so ausgebildet sind, dass sie eine genügende Haltekraft ausüben, um eine zuverlässige Funktion der elektrischen Maschine zu gewährleisten.
Die Paketsegmente 10 des Lamellenpakets 1 sind, wie in Fig. 1 verdeutlichend dargestellt, aus zwei in Richtung der Längsachse des Lamellenpakets 1 aufeinandergestapelten Lamellensegmentgruppen aufgebaut, nämlich einer Lamellensegmentgruppe A 2, die mit Haltestrukturen versehen sind, welche eine bestimmte Haltekraft in radialer Richtung des Lamellenpakets 1 ausüben, und einer Lamellensegmentgruppe B 3, welche praktisch keine bzw. im Vergleich zu der Lamellengruppe A 2 eine deutlich geringere (z. B. höchstens die halbe oder allenfalls 60 % oder 80 % der Haltekraft) ausübt. Dabei sind die Lamellensegmentgruppen A 2 und B 3 abwechselnd aufeinandergestapelt.
Jede Lamellensegmentgruppe umfasst je nach zu erzeugender Haltekraft mehrere untereinander gleiche Lamellensegmente, nämlich die Lamellensegmentgruppe A 2 eine Haltekraft mit ihren Haltestrukturen ausübende A-Lamellensegmente 20, und die Lamellensegmentgruppe B 3 eine mit ihren Haltestrukturen keine oder allenfalls eine wesentlich geringere Haltekraft (z. B. höchstens die Hälfte oder allenfalls 60 % oder 80 % der Haltekraft der A-Lamellensegmente) ausübende B-Lamellensegmente 30.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der oberen Stirnseite zugewandt zunächst eine A-Lamellensegmentgruppe A 2 mit zwei A-Lamellensegmenten 20, darunter eine Lamellensegmentgruppe B 3 mit sechs B-Lamellensegmenten 30 angeordnet und darunter folgen abwechselnd wiederum eine Lamellensegmentgruppe A 2 mit zwei A-Lamellensegmenten 20 und eine Lamellensegmentgruppe B 3 mit sechs B-Lamellensegmenten 30 sowie eine weitere Lamellensegmentgruppe A 2 mit zwei A-Lamellensegmenten 20 und eine Lamellensegmentgruppe B 3 mit sechs B- Lamellensegmenten 30 und abschließend zur unteren Stirnseite hin noch eine Lamellensegmentgruppe A 2 mit zwei A-Lamellensegmenten 20. Dabei ist die Anzahl der Lamellensegmentgruppen A 2 und die Anzahl der innerhalb der Lamellensegmentgruppe A 2 angeordneten A-Lamellensegmente 20 so gewählt, dass die Haltekraft zwischen den Paketsegmenten 10 innerhalb eines vorgegebenen Haltekraftbereichs liegt.
Die Haltekraft kann durch die Konstruktion der Haltestrukturen an den A- Lamellensegmenten 20 (und gegebenenfalls der B-Lamellensegmente 30) durch Messung und/oder Simulation vorbestimmt werden, wird vorteilhaft jedoch innerhalb des Produktionsprozesses mittels einer Messeinrichtung (gegebenenfalls zusätzlich) gemessen, wie weiter unten noch näher erläutert. Je nach aufzubringender Haltekraft kann also die Anzahl der A-Lamellensegmente 20 innerhalb der Lamellensegmentgruppe A 2 der jeweiligen Paketsegmente 10 und die Anzahl der Lamellensegmentgruppen A 2 innerhalb der Paketsegmente 10 variiert werden, um die Haltekraft zwischen den Paketsegmenten 10 innerhalb des vorgegebenen Haltekraftbereichs einzuhalten. Von Lamellensegmentgruppe A 2 zu Lamellensegmentgruppe A 2 innerhalb eines Paketsegments 10 kann die Anzahl der A-Lamellensegmente 20 gleich bleiben oder variieren.
Der Aufbau der das Lamellenpaket 1 bildenden Paketsegmente 10 mit den in Richtung der Längsachse des Lamellenpakets 1 gestapelten Lamellensegmentgruppen A 2 und B 3 ist von Paketsegment 10 zu Paketsegment 10 jeweils gleich, d. h. die Paketsegmente 10 sind in gleicher Weise aus Lamellensegmentgruppen A 2 und B 3 mit jeweiligen A-Lamellensegmenten 20 und B-Lamellensegmenten 30 gleich aufgebaut. Durch Anordnung von mehr oder weniger Lamellensegmentgruppen B 3 und/oder von mehr oder weniger B-Lamellensegmenten 30 lässt sich die Stapelhöhe des Lamellenpakets 1 (ohne bzw. ohne wesentliche Änderung der Haltekraft) variieren, sodass sich eine vorgegebene Abmessung des Lamellenpakets 1 bzw. eines daraus aufgebauten Stators exakt einhalten lässt. Bei dem Aufbau des Lamellenpakets 1 kann es vorteilhaft sein, wenn das Lamellenpaket 1 auf seinen beiden Stirnseiten mit Lamellensegmentgruppen A 2 abgeschlossen ist. Auch kann es vorteilhaft sein im mittleren Bereich mindestens eine Lamellensegmentgruppe A 2 zum Ausüben einer Haltekraft anzuordnen.
In Fig. 2 sind die beiden in Fig. 1 gezeigten Paketsegmente 10 in in Umfangsrichtung auseinandergezogener und in Längsrichtung mit den Lamellensegmentgruppen A 2 und B 3 kompakt aufeinandergestapelter Anordnung gezeigt. In Fig. 3 sind die beiden in Fig. 2 gezeigten Paketsegmente 10 in in Umfangsrichtung zusammengefügter Anordnung gezeigt. Die zwischen den Paketsegmenten 10 ausgeübten Haltekräfte wirken sich sowohl als Auszugskräfte (Trennkräfte) beim Auseinanderziehen der Paketsegmente 10 als auch als Fügekräfte beim Zusammenfügen der Paketsegmente 10 zu dem Lamellenpaket 1 aus.
Die Fig. 4 und 5 zeigen beispielhaft Haltestrukturen einer Geometrie A zweier zusammengefügter A-Lamellensegmente 20 (Fig. 4) und einer Geometrie B zweier zusammengesetzter B-Lamellensegmente 30 (Fig. 5).
Wie Fig. 4 zeigt, besitzt die Haltestruktur der Geometrie A der A-Lamellensegmente
20 auf einer in Umfangsrichtung liegenden Seite einen Haltefortsatz 21 und auf seiner in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Seite eine zu dem Haltefortsatz 21 komplementäre Halteausnehmung 22, so dass zwei A-Lamellensegmente 20 mit ihrem Halteansatz 21 und ihrer Halteausnehmung 22 fixierend aneinandergefügt werden können. Die Halteausnehmung 22 ist dabei als hinterschnittene U-förmige Nut ausgebildet, deren etwa in einer radialen Ebene senkrecht zur Lamellenebene liegende Nutöffnung im bzw. nahe dem Eingangsbereich enger ausgebildet ist als ihre zum Nutgrund hin liegende lichte Weite, während der komplementäre Haltefortsatz
21 zu seinem freien Ende hin eine entsprechend größere Abmessung aufweist als seine im Ansatzbereich des A-Lamellensegments 20 liegende Ausdehnung. D. h. der Eingangsbereich der Halteausnehmung 22 bzw. der Ansatzbereich des Haltefortsatzes 21 besitzt eine geringere Ausdehnung X als der anschließende hinterschnittene Nutbereich der Halteausnehmung 22 bzw. der zum freien Ende hin liegende Bereich des Haltefortsatzes 21 , sodass sich beim Zusammenfügen von Haltefortsatz 21 und Halteausnehmung 22 eine die Haltekraft ausübende Klemmwirkung ergibt. Somit kann die Haltekraft geometrieabhängig und materialabhängig exakt vorbestimmt werden, z. B. durch Simulation und/oder (vornehmlich) durch Messung. Auch ähnliche eine Haltekraft ergebende Geometrien sind möglich (z. B. Kreisabschnittform).
Die B-Lamellensegmente 30 sind hingegen so ausgebildet, dass sich beim Einfügen der zueinander komplementären Halteelemente der Haltestruktur keine oder allenfalls eine sehr geringe, jedenfalls wesentlich geringere (z. B. höchstens halb so große) Haltekraft wie bei den A-Lamellensegmenten 20 ergibt. Dies wird dadurch erreicht, dass bei den B-Lamellensegmenten 30 eine in Umlaufrichtung zeigende nutförmige Formausnehmung 32, z. B. ebenfalls in U-Form, keine Hinterschneidung, d. h. keinen verengten Öffnungsbereich und ein dazu komplementärer Formfortsatz 31 gegenüber seinem Ansatzbereich an dem B-Lamellensegment 30 zu seinem freien Ende hin nicht erweitert ist, sondern z. B. zueinander parallele oder sich verjüngende Flanken aufweist entsprechend den Nutflanken der Formausnehmung 32. Beispielsweise können die Flanken der Formausnehmung 32 und des Formfortsatzes 31 in einer Weite X parallel zueinander verlaufen, wie in Fig. 5 gezeigt. Zum möglichst ruckfreien Auseinanderziehen und Zusammenfügen und aus Herstellungsgründen der Paketsegmente 10 sind die Haltefortsätze 21 und Halteausnehmungen 22 nach Fig. 4 und die Formfortsätze 31 und Formausnehmungen 32 nach Fig. 5 in ihrem Öffnungsbereich und im Übergangsbereich zum Nutgrund hin vorteilhaft gerundet ausgebildet. Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Haltefortsätze 21 und Formfortsätze 31 sowie die Halteausnehmungen 22 und Formausnehmungen 32 ähnlich geformt sind, so dass bei (geringer) axialer Verschiebung der Blechlamellen, wie sie durch einen Wickelvorgang auftreten kann, ein Zusammensetzen der Paketsegmente nicht erschwert wird. Zur Herstellung der Lamellenpakete 1 werden die einzelnen Blechlamellen in einer vorteilhaften Vorgehensweise im Vollschnitt hergestellt, bei dem die erforderlichen Schneidkonturen für den Luftspalt und die Freiräume für die Wicklung bzw. die Zahnkontur und gegebenenfalls weiteren zu schneidende Konturen und zudem die Trennlinien zwischen den einzelnen Lamellensegmenten der Blechlamellen in einer entsprechend ausgebildeten Schneideinheit, insbesondere in einem Stanzautomat, vollständig geschnitten werden. Um Blechlamellen herzustellen, die den A-Lamellenseg- menten 20 zum einen und den B-Lamellensegmenten 30 zum anderen entsprechen, werden vorliegend zwei mit entsprechenden Schneidgeometrien A und B versehene Schneideinheiten 4 in der betreffenden Werkzeuganordnung 7 bzw. Produktionsanlage 8 (vgl. Fig. 9 und 10) verwendet. Eine Schneideinheit 4 ist beispielhaft in Fig. 6 dargestellt. Die Schneideinheit 4 umfasst dabei Schneidstempel 40 für die Herstellung der Haltestrukturen und angrenzender Konturabschnitte, sowie einen Schneideinsatz 41 , Ausheber 42, Übertragungsbolzen 43, eine Übertragungsplatte 44 und eine Druckfeder 45.
Die Blechlamellen mit den ringförmig zusammengefügten A-Lamellensegmenten 20 sowie auch die Blechlamellen mit den ringförmig zusammengesetzten B-Blech- lamellensegmenten 30 ergeben durch den vollständigen Schnitt der Blechlamellen mittels der beiden entsprechend ausgebildeten Schneideinheiten 4 eine hohe Präzision der Blechlamellen und des aus ihnen gestapelten Lamellenpakets 1. Bei einem damit aufgebauten Stator entsteht beim Fügen nach Aufbringen der Wicklung ein äußerst geringer Spalt, der präzise eingehalten werden kann. Dies ist wichtig, da durch äußere Einflüsse ein axialer Versatz der Lamellen zueinander entstehen kann (z. B. durch den Wickelzug). Bei z. B. (wie bei herkömmlichen Verfahren nach dem Stand der Technik ebenfalls üblich) lediglich teilweise geschnittenen, d. h. nicht komplett durchgeschnittenen Pre-Cuts, verbleibt ein Undefiniertes, teilweise vorstehendes Restbruchgefüge, das sich nicht mehr spaltfrei fügen lässt, wodurch die wichtige Rundheit nicht mehr gegeben bzw. erheblich beeinträchtigt ist. Die Haltefortsätze 21 bzw. Formfortsätze 31 als ausgestellte Flügel werden in der betreffenden Schneideinheit 4 nach dem Schneidvorgang mit Hilfe des Aushebers 42 wieder direkt in ihre Ausgangslage zurück und plan gedrückt. Der Ausheber 42 wird über die Federkraft der Druckfeder 45 (Schraubendruckfeder), die Übertragungsplatte 44 und den Übertragungsbolzen 43 betätigt und erzeugt eine plane Blechlamelle bzw. (im Falle eines Stators) Statorlamelle. Beide Bearbeitungsschritte, also sowohl das Schneiden als auch das Zurückdrücken erfolgen in derselben Station, nämlich der betreffenden Schneideinheit 4, womit wirtschaftlich vorteilhaft eine zusätzliche Planierstation bei beiden Schneideinheiten 4 (sowohl für die Geometrie A als auch für die Geometrie B) eingespart wird.
Wesentlich für den Aufbau des aus den A-Lamellensegmenten 20 und den B- Lamellensegmenten 30 gebildeten Lamellenpakets 1 ist, dass das Verhältnis der Anzahl der A-Lamellensegmente 20 zu der Anzahl der B-Lamellensegmente 30 in Abhängigkeit der geforderten Haltekraft, insbesondere der radialen Abzugskraft frei einstellbar ist. Eine betreffende Steuerung bzw. Regelung der Anordnung der A- Lamellensegmente 20 und B-Lamellensegmente 30 beim Aufbau des Lamellenpakets 1 kann dabei durch die betreffende Ausbildung einer Steuerungseinrichtung der Produktionsanlage vorgegeben werden.
Prinzipiell möglich, aber aufgrund von Nachteilen hinsichtlich Präzision vorliegend als weniger vorteilhaft angesehen, wäre auch eine Schneidvorrichtung, in der nicht die vollständigen Blechlamellen, sondern lediglich die A-Lamellensegmente 20 in einer Schneidstation und die B-Lamellensegmente 30 in einer betreffenden weiteren Schneidstation geschnitten und die in gleicher Weise gestapelten A- Lamellensegmente 20 und B-Lamellensegmente 30 als zunächst getrennte Paketsegmente 10 z. B. nach Aufbringen der Wicklung zusammengefügt werden. Insbesondere für die Anwendung zum Aufbau eines Stators ist vorteilhaft, wenn der Außendurchmesser des Lamellenpakets 1 durchgängig gleichbleibt. Dies führt insgesamt zu einer höheren Tragfähigkeit und besseren Kraftverteilung in einer Statorhülse als bei nicht durchgängigem Statoraußendurchmesser. Freischnitte für die genannte Ausbildung des Lamellenpakets liegen deshalb vorteilhafterweise nicht direkt am Außendurchmesser des Lamellenpakets 1. Neben der Tragfähigkeit eines so aufgebauten Stators an den Trennstellen ist der durchgängige Außendurchmesser auch von Vorteil für die Aufbringung einer Kennzeichnung auf der Mantelfläche. Liegen die Freischnitte für die Trennstellen der Lamellensegmente nicht direkt am Außendurchmesser, sind längere Freischnitte möglich, um ein matenalschonendes Ausbiegen der Haltefortsätze 21 bzw. Formfortsätze 31 zu ermöglichen. Dabei liegt dann der Hinterschnitt nur an der Innenseite des betreffenden Lamellensegments. Damit ergeben sich bei einem axialen Versatz der Blechlamellen keine radialen Schübe, die negative Auswirkungen auf den Außendurchmesser des Lamellenpakets 1 bzw. des Stators haben. Abb. 7 stellt schematisch einen Schneidstempel 50 für die Wickelräume 11 sowie einen Vorschneidstempel 51 für Freischnitte am Außendurchmesser dar. Die Freischnitte werden zum Ausführen des Schervorgangs benötigt.
Die Schneideinheiten 4 sowie weiteren Schneideinheiten 5 sind vorteilhaft als Stanzwerkzeuge in einem Aufbau mit einzelnen Modulen ausgeführt. Fig. 8 zeigt schematisch einen Stanzwerkzeugaufbau 6 mit einem Werkzeuggestell, das Gestellsäulen 60 und eine Grundplatte 61 aufweist. Zu schneidendes bzw. stanzendes Blech wird über einen Bandeinlauf 62 einem zur Bearbeitung ausgebildeten Modul 63 zugeführt. Die einzelnen Schneidmodule dienen hauptsächlich der Handhabung. Die Modulbauweise ist bezogen auf das Stanzpaketieren bisher nicht üblich. Die Eintauchtiefe des gesamten Stanzwerkzeuges kann über Distanzelemente 64 gesichert werden. Eine Klammer 65, Verschiebeeinsätze 66, 67 stellen einen präzisen Verschiebemechanismus für die Module dar. Die in Fig. 9 gezeigte Werkzeuganordnung weist eine Schneideinrichtung mit einem Fängerloch 70 und einen Indexstempel 71 auf, wie an sich bekannt. Zum hochpräzisen Schneiden eines Luftspalts dient eine Luftspalt-Schneidstation 72. In einer Wickelraum- und Vorschnittschneidstation 73 werden anschließend die Wickelräume und ein Vorschnitt geschnitten. Für die weitere Bearbeitung sind Fänger und Heber 74 vorgesehen. Zum Schneiden der A-Lamellensegmente 20 und der B- Lamellensegmente 30 sind Schneidstationen 75 bzw. 76 mit den betreffenden Schneideinheiten vorhanden, die vorliegend die wesentlichen Hauptschneidprozesse der Erfindung bilden.
Die Fig. 10 zeigt schematisch eine Produktionsanlage 8, in der das erfindungsgemäße Produktionskonzept umgesetzt wird. Die Produktionsanlage 8 ist beispielsweise zum Aufbau von Teilen einer elektrischen Maschine mit Rotor und Stator ausgebildet und umfasst einen Stanzautomat 80, ein Rotor-Förderband 81 , ein Stator- Förderband 82, eine erste Robotereinheit 83 am Rotor-Förderband 81 und eine zweite Robotereinheit 84 am Stator-Förderband 82, eine Mess- und Nachverdichtereinheit 85 am Rotor-Förderband 81 , eine weitere Mess- und Nachverdichtereinheit 86 am Stator-Förderband 82, eine dritte Robotereinheit 87 in der Rotorlinie, Beschriftungseinheiten 88 für Mantel- und Stirnfläche, eine vierte Robotereinheit 89 in der Statorlinie sowie Fördereinheiten 890, 891 für Blister in der Rotor- bzw. Statorlinie. Je nach Stückzahl kann der Automatisierungsgrad der Prozesslinie angepasst werden. Die Laser-Beschriftung ist optional.
Das Rotor-Förderband 19 führt den Rotor unter dem Werkzeug ab, das Stator- Förderband 20 führt den Stator unter dem Werkzeug ab. Die Robotereinheiten 21 , 22 sind vorzugsweise als SCARA-Roboter ausgebildet, die die Teile vom jeweiligen Förderband orientiert auf die lineare Fördereinheit setzen. Die Mess- und Nachverdichtereinheiten 85 bzw. 86 verdichten die betreffenden Lamellenpakete des Rotors bzw. des Stators und messen deren Höhe sowie Parallelität. Die ebenfalls als SCARA-Roboter ausgebildeten Robotereinheiten 87, 89 setzen die verdichteten La- mellenpakete des Rotors bzw. des Stators in vorgesehene Blister oder KLT-Behälter, die über die betreffenden Fördereinheiten 890, 891 positioniert werden.
In dem Stanzautomaten 80, der insbesondere als Hochleistungsstanzautomat ausgebildet ist, werden die einzelnen Blechlamellen komplett durchgestanzt. Die Haltekräfte zwischen den Paketsegmenten 10 des Lamellenpakets 1 werden in definierten Abständen während der Produktion in einer zugeordneten Messstation gemessen, wobei die Zuführung zu derselben automatisch erfolgen kann. Die Messergebnisse werden direkt in eine Steuerungseinrichtung der Produktionsanlage 8 eingespielt. Auf diese Weise wird eine Regelung der radialen Haltekräfte bzw. Abzugs- und/oder Fügekräfte während der Produktion durchgeführt bzw. automatisch durchführbar. Dabei stapelt eine Stapelvorrichtung mit einer integrierten Dreheinheit innerhalb der Werkzeuganordnung 7 die ringförmigen Blechlamellen in gesteuerter oder geregelter Anordnung zu dem Lamellenpaket 1 . Die Weitergabe der Lamellenpakete 1 bzw. der daraus gebildeten Statoren erfolgt mittels der Fördertechnik zu der Verdichtereinheit 86 bzw. (bei einem Rotor) 85. Mittels der betreffenden Messeinheit kann die Höhe des Lamellenpakets gemessen werden, wodurch die Lamellenanzahl während des Herstellungsprozesses geregelt werden kann. Auf diese Weise können einzelne Blechlamellen je nach Bedarf hinzugefügt oder weggenommen werden. Zusätzlich kann die Parallelität des Lamellenpakets 1 gemessen werden, um eine präzise Funktion zu gewährleisten.
Durch die integrierte Regelung der Anzahl von A-Lamellensegmenten 20 wird eine genaue Einstellung der radialen Haltekraft ermöglicht, wobei die gemessene Haltekraft mit einer vorgegebenen Haltekraft verglichen wird und die Anzahl der A- Lamellensegmente 20 automatisch so gewählt wird, dass die Haltekraft innerhalb des vorgegebenen Haltekraftbereichs liegt. Zum Messen der Haltekraft wird insbesondere die Auszugskraft (Trennkraft) zwischen dem Paketsegmenten 10 zugrunde gelegt. Die Haltekraft zwischen den Paketsegmenten 10 des Lamellenpakets 1 kann somit unabhängig von einem Werkzeug-Verschleiß, der Materialfestigkeit und/oder der Höhe des Lamellenpakets 1 innerhalb einem festen Bereich eingestellt werden. Dies trägt wesentlich zu einer gleichbleibend hohen Qualität des Lamellenpakets 1 und damit auch eines daraus aufgebauten Stators bzw. der elektrischen Maschine bei.
Fig. 11 zeigt den Aufbau einer Messeinrichtung 9 zur Messung der Haltekräfte zwischen den Paketsegmenten 10 eines Lamellenpakets 1. Dabei werden die Haltekräfte, insbesondere Trennkräfte zwischen zwei diametral gegenüberliegenden Paaren von Paketsegmenten 10 gleichzeitig gemessen und der halbe Wert dieser Trennkraft als Haltekraft zwischen zwei Paketsegmenten 10 angenommen. Dieses Messergebnis wird der Steuerungseinrichtung zur Regelung der Anzahl der A- Lamellensegmente 20 zugeführt. Dabei wird die Anzahl der B-Lamellensegmente entsprechend angepasst, um eine vorgegebene Stapelhöhe des Lamellenpakets 1 einzuhalten.
Nach der Messung der Trennkraft bzw. Haltekraft mittels der Messeinrichtung 9 werden die beiden Hälften des Lamellenpakets 1 wieder zusammengedrückt und das ganze Lamellenpaket 1 um eine Teilung der Paketsegmente 10 gedreht. Dann wird die Prüfung wiederholt, bis alle Trennlinien geprüft sind. Der Bestimmung der gemessenen Haltekraft kann eine statistische Ermittlung (z. B. Mittelwertbildung, Ausschluss bei zu hohen Abweichungen von einem Mittelwert oder dgl.) zugrunde gelegt werden. Ferner können auch die Fügekräfte zum Zusammenfügen der Paketsegmente 10 mittels der Messeinrichtung 9 beim Zusammendrücken der betreffenden Hälften des Lamellenpakets 1 gemessen werden. Die integrierte Messung sowohl der radialen Abzugs- und/oder Fügekräfte als auch der Stapelhöhe und Parallelität des Lamellenpakets 1 ermöglicht ein genaues Einhalten der geforderten Haltekräfte, nämlich der Abzugs- und/oder Fügekräfte.
In Fig. 11 ist der Aufbau der Messeinrichtung 9 mit einer Trennvorrichtung schematisch dargestellt. Eine erste Führungseinheit 90 weist eine Führungsschiene 900 (z. B. in Form einer Schwalbenschwanzführung) auf und eine zweite Führungseinheit 93 weist eine weitere Führungsschiene 930 (z. B. ebenfalls eine Schwalbenschwanzführung) auf. Auf den Führungsschienen 900 und 930 sind ein unteres Klemmbackenpaar 92 bzw. ein oberes Klemmbackenpaar 91 geführt. Die zweite, in Fig. 11 obere, Führungseinheit 93 ist über ein Aufhängmittel 94 schwimmend aufgehängt. Zwischen dem oberen Klemmbackenpaar 91 und dem unteren Klemmbackenpaar 92 ist jeweils eine Hälfte des Lamellenpakets 1 mit den betreffenden Paketsegmenten 10 eingeklemmt, sodass die beiden Hälften des Lamellenpakets 1 durch Ausüben einer Zugkraft an dem oberen Klemmbackenpaar 91 über die zweite Führungseinheit 93 mit dem Aufhängemittel 94 unter Messung der Abzugskraft (Trennkraft) zwischen den beiden Hälften des Lamellenpaket 1 bzw. der Trennstellen zwischen den betreffenden Paketsegmenten 10 mittels der Messeinrichtung 9 gemessen werden kann. Entsprechend kann auch die Fügekraft zum Zusammenfügen der beiden Hälften des Lamellenpakets 1 bzw. der betreffenden Paketsegmente 10 in der entgegengesetzten Richtung zur Auszugsrichtung gemessen werden.
Ferner kann die Messung des Außendurchmessers und der Rundheit des Lamellenpakets 1 , wie in den Fig. 12A und 12B gezeigt, z. B. über einen in einer Innenform einer separaten Messvorrichtung 95 befindlichen konischen Spannring 96 mit jeweils außen konischen Segmenten zum zentrischen und runden Spannen eines Lamellenpakets 1 bzw. Stators ermöglicht werden. Zum Öffnen der Segmente befindet sich z. B. eine Ösenform im Ring bzw. an den Segmenten.
Der vorgestellte erfindungsgemäße Aufbau der Baueinheit für eine elektrische Maschine mit dem so ausgebildeten Lamellenpaket, das vorgestellte Verfahren zum Herstellen der Baueinheit sowie die Produktionsanlage mit dem Werkzeugsystem zur Herstellung der Baueinheit tragen wesentlich zur Erhöhung der Präzision der Baueinheit und damit ausgestatteter elektrischer Maschinen bei und ermöglichen dabei eine flexible Anpassung des Produktionsprozesses.

Claims

Ansprüche
1 . Baueinheit für eine elektrische Maschine, wie Rotor oder insbesondere Stator, mit einem aus einer Vielzahl in Richtung einer Längsachse aufeinander geschichteter Blechlamellen zusammengesetzten Lamellenpaket (1 ), welches in Umlaufrichtung aus mehreren Paketsegmenten (10) mit in Umlaufrichtung angeordneten, mittels seitlicher Haltestrukturen ineinandergreifenden Lamellensegmenten zusammengefügt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die das Lamellenpaket (1 ) bildenden Paketsegmente (10) in gleicher Weise aus mindestens zwei verschiedenen Lamellensegmentgruppen A (2) von untereinander gleich konturierten A-Lamellensegmenten (20) und Lamellensegmentgruppen B (3) von untereinander gleich konturierten B-Lamellensegmenten (30) geschichtet aufgebaut sind, wobei sich die A-Lamellensegmente (20) von den B-Lamellensegmenten (30) in ihren Haltestrukturen bezüglich ihrer Haltekraft in zumindest radialer Richtung in der Ebene der Blechlamellen unterscheiden.
2. Baueinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die A-Lamellensegmente (20) in Umlaufrichtung jeweils auf ihrer einen Seite mit mindestens einer hinterschnittenen nutartigen Halteausnehmung (22) und auf ihrer anderen Seite mit mindestens einem daran angepassten und mit einer abgestimmten Haltekraft einsetzbaren komplementären Haltefortsatz (21 ) versehen sind und dass die B-Lamellensegmente (30) in Umlaufrichtung jeweils auf ihrer einen Seite mit mindestens einer nutartigen Formausnehmung (32) und auf ihrer anderen Seite mit einem daran angepassten und ohne Haltekraft einsetzbaren Formfortsatz (31 ) versehen sind. Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellensegmentgruppen A (2) mindestens zwei A-Lamellensegmente (20) und die Lamellensegmentgruppen B (3) mindestens zwei B- Lamellensegmente (30) aufweisen und dass jedes Paketsegment (10) mindestens zwei Lamellensegmentgruppen A (2) und mindestens zwei Lamellensegmentgruppen B (3) umfasst, wobei sich die Lamellensegmentgruppen A (2) und Lamellensegmentgruppen B (3) innerhalb der Paketsegmente (10) in gleicher weise abwechseln. Baueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Paketsegments (10) mindestens zwei Lamellensegmentgruppen A (2) relativ zueinander und/oder mindestens zwei Lamellensegmentgruppen B (3) relativ zueinander und/oder mindestens eine Lamellensegmentgruppe A (2) relativ zu mindestens einer Lamellensegmentgruppe B (3) eine unterschiedliche Anzahl von A-Lamellensegmenten (20) bzw. B- Lamellensegmenten (30) aufweisen. Verfahren zum Herstellen einer Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem
- einer Werkzeuganordnung (7) eine Blechbahn zugeführt wird,
- aus der Blechbahn A-Blechlamellen mit umlaufend aneinandergefügten A- Lamellensegmenten (20) und B-Blechlamellen mit umlaufend aneinandergefügten B-Lamellensegmenten (30) ausgeschnitten werden, wobei sich seitli- ehe Haltestrukturen der A-Lamellensegmente (20) von seitlichen Haltestrukturen der B-Lamellensegmente (30) in ihrer Haltekraft unterscheiden,
- und A-Blechlamellen und B-Blechlamellen automatisch in von einer Steuerungseinrichtung vorgegebener Abfolge in Richtung einer Längsachse zu einem Lamellenpaket (1 ) aufeinandergeschichtet werden oder B- Blechlamellen vollständig weggelassen werden, so dass die Haltekraft zwischen den aus den A-Lamellensegmenten (20) und B-Lamellensegmenten (30) bzw. ohne B-Lamellensegmenten (30) geschichteten Paketsegmenten (10) in einem vorgegebenen Haltekraftbereich liegt. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltekraft zwischen den Paketsegmenten (10) gemessen wird. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten des vorgegebenen Haltekraftbereichs die Anzahl der A- Blechlamellen soweit erhöht und bei Überschreiten des Haltekraftbereichs die Anzahl der A-Blechlamellen soweit verringert wird, dass die Haltekraft in dem vorgegebenen Haltekraftbereich liegt, wobei die erhöhte Anzahl der A- Blechlamellen durch Weglassen von B-Blechlamellen und die verringerte Anzahl von A-Blechlamellen durch Hinzufügen von B-Blechlamellen ausgeglichen wird, um eine vorgegebene Stapelhöhe des Lamellenpakets (1 ) beizubehalten. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Haltekraft während des Herstellungsprozesses nach Fertigstellung eines Lamellenpakets (1 ) für jedes Lamellenpaket (1 ) oder stichprobenartig nach Fertigstellung mehrerer Lamellenpakete (1 ) für ein Lamellenpaket (1 ) erfolgt und dass die Messergebnisse der Steuerungseinrichtung von Hand oder automatisch zugeführt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Haltekraft in radialer Richtung des Lamellenpakets (1 ) durchgeführt wird und eine Messung der Trennkraft und/oder eine Messung der Fügekraft umfasst.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Haltekraft nach einer Kompression der Blechlamellen des Lamellenpakets (1 ) erfolgt und dass vor oder nach der Messung der Haltekraft oder bei gegebenenfalls ausbleibender Messung der Haltekraft eine Messung der Stapelhöhe und Stapelparallelität des Lamellenpakets (1 ) durchgeführt wird.
11 . Werkzeugsystem zur Herstellung einer Baueinheit für eine elektrische Maschine, wie Stator oder Rotor insbesondere nach Anspruch 1 , bei dem in einer Werkzeuganordnung (7) einer Produktionsanlage (8) eine Stanzanordnung zum Schneiden von zu einem Lamellenpaket (1 ) aufeinander zu schichtenden Blechlamellen vorhanden ist, wobei die Stanzanordnung mehrere Schneidstationen (72, 73, 75,76) mit Schneideinheiten (4, 5) zum Schneiden der Blechlamellen in umlaufend mit seitlichen Haltestrukturen auseinandernehmbar zusammengefügte und nach Auseinandernehmen wieder zusammenfügbare Lamellensegmente und von erforderlichen weiteren Schneidabschnitten der Blechlamellen aufweist, und weiterhin eine von einer Steuerungseinrichtung gesteuerte Stapelvorrichtung zum Bilden des Lamellenpakets (1 ) aus aufeinander gestapelten Blechlamellen vorhanden ist, das sich in Umlaufrichtung aus Paketsegmenten (10) zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schneiden der Lamellensegmente zwei verschiedene Schneidstationen (75, 76) vorhanden sind, von denen die eine (z. B. 75) zum Schneiden von A-Lamellensegmenten (20) ausgebildet ist, deren seitlichen ineinandergreifenden Haltestrukturen zum Ausüben radialer Haltekräfte ausgebildet sind, und die andere Schneidstation (z. B. 76) zum Schneiden von B-Lamellensegmenten (30) ausgebildet ist, deren seitlichen ineinandergreifenden Haltestrukturen zum Ausüben geringerer Haltekräfte als die Haltestrukturen der A-Lamellen- segmente bis hin zu praktisch keinen Haltekräften ausgebildet sind, und dass die Stapelvorrichtung zum Anordnen einer Anzahl von aus A- Lamellensegmenten (20) zusammengesetzten A-Blechlamellen und einer Anzahl von aus B-Lamellensegmenten (30) zusammengesetzten B-Blechlamellen innerhalb eines Lamellenpakets (1 ) nach Vorgabe durch die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, wobei die Anzahl der A-Blechlamellen und die Anzahl der B-Blechlamellen auf Basis einer einzuhaltenden Haltekraft innerhalb eines vorgegebenen Haltekraftbereichs zwischen den Paketsegmenten (10) von der Steuerungseinrichtung bestimmt wird. Werkzeugsystem nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Werkzeugsystem eine Messeinrichtung (9) zum Messen der Haltekraft zwischen den Paketsegmenten integriert ist, dass die gemessene Haltekraft mittels einer Übertragungseinrichtung der Steuerungseinrichtung zugeführt wird und dass die Steuerungseinrichtung so ausgebildet ist, dass bei Abweichung der gemessenen Haltekraft von dem vorgegebenen Haltekraftbereich die Anzahl der A-Blechlamellen in dem Lamellenpaket (10) so vergrößert oder verkleinert wird, dass die Haltekraft in dem vorgegebenen Haltekraftbereich liegt, wogegen die Anzahl der B-Blechlamellen in dem Lamellenpaket (10), umgekehrt, entsprechend verkleinert oder vergrößert wird. 13. Werkzeugsystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuganordnung (7) eine Verdichtereinheit (85) zum Komprimieren der zu dem Lamellenpaket (10) aufeinandergestapelten Blechlamellen aufweist, die der gegebenenfalls vorhandenen Messeinrichtung zum Messen der Haltekraft im Prozessablauf vorgelagert ist.
14. Werkzeugsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuganordnung (7) eine, insbesondere der Verdichtereinheit (85) zugeordnete, Messanordnung zur Messung der Stapelhöhe und/oder der Parallelität der Stirnseiten des Lamellenpakets (10) aufweist.
15. Werkzeugsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (9) zum Messen der Haltekraft eine Abzugsvorrichtung und/oder eine Fügevorrichtung zum Messen einer Trennkraft und/oder Fügekraft aufweist.
16. Stator einer rotierend arbeitenden elektrischen Maschine mit einer Baueinheit nach Anspruch 1 , wobei an jedem Paketsegment (10) ein Statorzahn ausgebildet ist und zwischen den Statorzähnen benachbarter Paketsegmente (10) Wickelräume mit einbringbaren oder eingebrachten Wicklungen angeordnet sind.
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