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WO2012010446A2 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines ringförmigen maschinenelements, insbesondere zum einsatz in einer elektrischen maschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines ringförmigen maschinenelements, insbesondere zum einsatz in einer elektrischen maschine Download PDF

Info

Publication number
WO2012010446A2
WO2012010446A2 PCT/EP2011/061665 EP2011061665W WO2012010446A2 WO 2012010446 A2 WO2012010446 A2 WO 2012010446A2 EP 2011061665 W EP2011061665 W EP 2011061665W WO 2012010446 A2 WO2012010446 A2 WO 2012010446A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sheet metal
metal strip
sheet
cylindrical
helically
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/061665
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2012010446A3 (de
Inventor
Steven Andrew Evans
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to EP11730964.1A priority Critical patent/EP2596569A2/de
Priority to CN2011800354335A priority patent/CN103125062A/zh
Publication of WO2012010446A2 publication Critical patent/WO2012010446A2/de
Publication of WO2012010446A3 publication Critical patent/WO2012010446A3/de

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Classifications

    • 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
    • H02K15/024—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies with slots
    • H02K15/026—Wound cores

Definitions

  • the present invention relates generally to a method of manufacturing a machine element for an electric machine, and more particularly to a method of manufacturing an annular machine element.
  • Hohizylinderformige bodies are used in particular in electrical machines for the production of stators or Statorhalterept. Since magnetic alternating fields generally occur in electrical machines, it is often desirable to avoid such eddy currents to avoid eddy currents, i. layered, in particular by stacking of correspondingly shaped sheets to build up to prevent eddy currents occurring in the direction parallel to the axis of a direction of the cylindrical body.
  • a number of annular lamellae are punched out of a metal sheet and the individual annular lamellae are stacked on one another to produce the laminated ring.
  • the individual ring lamellae can be connected to each other either by stamped interconnections or by welding.
  • the advantage of this method is that a steel sheet can be used which has a high silicon content, whereby the hysteresis and eddy current losses are minimized when applying an alternating magnetic field can.
  • a disadvantage of this method is the high consumption of sheet material, especially when the cylindrical body has a very low ratio of its radial thickness to the outer diameter. This high proportion of punching waste and the resulting high material costs make this process unattractive.
  • a second method is to make a rectilinear sheet metal strip and wrap the stamped sheet metal strip around its edge to form the laminated ring.
  • the laminated ring is then wound helically or helically. Since the metal strips are punched in a straight line, they can be produced with very little stamping waste.
  • a disadvantage of this method is that only very ductile steel can be used as a material for the metal strip, since the strip is strongly deformed around the edge during the winding process in order to achieve the required annular geometry. Since, with a high silicon content in the material of the stamping sheet, its flexibility is greatly reduced, only steel sheets with a low silicon content can be used for this method to produce the cylindrical body. By using steel sheets with a low silicon content, the iron losses in the annular body when exposed to an alternating magnetic field are higher than in the method described above, which also makes this method unattractive.
  • a method for producing a cylindrical machine element is provided, in particular for an electrical machine. The method comprises the following steps:
  • Width direction which is parallel to the sheet main plane, having;
  • An idea of the above method is to produce a hollow cylindrical body of laminated construction from a helical sheet metal element, which can be made, for example, by stamping or laser cutting, by helical winding about its narrow edge. Due to the initial spiral shape of the sheet metal strip of the sheet metal element, this does not have to be deformed as much as a straight sheet metal strip, as described in the prior art. This means that even a less flexible steel can be used as material for the sheet metal element, such as steels with a higher silicon content, in order to reduce the iron losses in an alternating magnetic field.
  • the material consumption is considerably lower than when punching annular sheet metal elements, as known from the prior art, would be the case, thereby causing lower costs.
  • at least a part of the turns of the spirally wound sheet metal strip can be fixed to one another or to a carrier element by gluing, welding or clamping.
  • the sheet metal element may be provided with an inner radius of a first turn and an outer radius of a last turn, wherein a radius of the feature element is between the inner radius and the outer radius.
  • the sheet metal strip of the sheet metal element can be fixed with one end to the mold element, wherein for winding the sheet metal strip, the mold element is rotated, so that the spiral-shaped sheet metal strip winds on the mold element and thereby applies to the outer contour of the formula element.
  • a cylindrical machine element which is manufactured by the above method or can be produced.
  • a use of the above machine element is provided as a stator or stator of an electric machine.
  • an apparatus for producing a cylindrical machine element in particular for use in an electrical machine, is provided.
  • the device comprises:
  • a cylindrical, in particular circular cylindrical form element in order to wind the metal strip in a plurality of turns helically in the axial direction of the body, so that the turns of the metal strip lie in the thickness direction and the width direction of the sheet metal strip in a direction which is perpendicular to the axial Direction of the formula element;
  • FIGS 1 a and 1 b different embodiments of a spiral
  • Sheet metal element for producing a cylindrical body with lamellar construction
  • Figure 2 is a perspective view of a cylindrical
  • a lamellar body made of one of the spiral sheet members of Figures 1 a or 1 b;
  • FIGS. 3a to 3c show an arrangement of the spiral-shaped sheet-metal element on a spindle in order to wind it;
  • Figures 4a and 4b is an illustration of the tensioning device for winding the
  • Figure 5 is a detail view of the stamp of the application unit for
  • Figures 6a to 6e a detailed illustration of the method for winding the spiral-shaped sheet metal element on a spindle.
  • a method of manufacturing a cylindrical machine element such as a cylinder, will be described.
  • a stator or a stator holder described in lamella design.
  • An essential element for the manufacturing process consists in a sheet metal element 1, which has a sheet metal strip with a spiral geometry in a sheet main plane. Two embodiments of such sheet metal elements 1 are shown in Figures 1 a and 1 b.
  • the spiral-shaped sheet metal elements of Figures 1 a and 1 b differ in their production.
  • the spiral Sheet metal element 1 of Figure 1a is produced by punching, wherein between the individual tracks of the spiral-shaped sheet metal element 1, a distance due to the width of the punch blade occurs.
  • the radial distance for example when using a stamping process for producing the spiral-shaped sheet-metal element 1, is approximately 1 mm and corresponds to the thickness of the punching tool.
  • the spiral-shaped sheet metal element of Figure 1 b is produced by means of a laser cutting process, with which much narrower and more accurate cutting edges can be produced.
  • the radial distance between the tracks of the spiral-shaped sheet metal element in the radial direction is negligible and is only about 0.05 mm when using a laser cutting process.
  • the difference between the two geometries shown in FIGS. 1a and 1b is merely that the radial distance between two adjacent turns of the spiral sheet metal element 1 is different.
  • the spiral-shaped sheet metal element 1 will now over its inner edge, i. the directed to the center of the spiral geometry edge, wound on a preferably circular cylindrical spindle 2 as a molding element, wherein the winding is helical or helical.
  • the helical shape of the winding has an offset between adjacent turns in the axial direction of the spindle and not in the radial direction.
  • the offset preferably corresponds to the thickness of the sheet metal element 1, so that the individual layers of the turns of the sheet metal element 1 abut each other.
  • the deformation during winding of the sheet metal element 1 on the spindle 2 is considerably lower than when winding a straight sheet metal element or a straight sheet metal strip, as mentioned above.
  • the spiral-shaped sheet-metal element already has a curved contour.
  • steel with a higher silicon content can be used as the material for the sheet metal element 1 in order to minimize the iron losses, such as, for example, hysteresis losses and eddy current losses, which occur in a magnetic field. can see form alternating field. This can be advantageous for many applications, for example for electronically commutated electrical machines.
  • FIG. 2 shows a cylindrical body produced from the spiral-shaped sheet-metal elements of FIGS. 1 a or 1 b in a laminated construction, which has been produced by wrapping a circular-cylindrical spindle 2 with the inner edge of the spiral-shaped sheet metal element 1.
  • a plurality of such bodies can be placed on one another from a plurality of spiral-shaped sheet metal elements in order to lengthen the cylindrical body in the axial direction.
  • steel sheets classified as non-grain oriented have a slight magnetic preferential direction.
  • the steel sheet is slightly easier or faster to magnetize as compared to the right-angle direction.
  • the individual cylindrical bodies produced from a respective spiral sheet metal element can be rotated by a certain angle relative to one another before they are placed on one another. As a result, the preferred magnetic direction is also rotated, so that there is no more preferred magnetic direction in the finished cylindrical body.
  • the spindle with the spiral sheet metal element automatically the magnetic preferred direction with each turn, since the radius of each turn of the spiral-shaped sheet metal element varies.
  • the winding of the spindle with the spiral-shaped sheet metal element has the further advantage that the cylindrical body in one piece, ie from a single spiral Sheet metal element, can be constructed without a magnetic anisotropy must be taken into account.
  • FIGS. 3 a to 3 c, 4 a and 4 b and 5 schematically illustrate methods and devices for carrying out the method for producing a cylindrical body in a laminated construction.
  • Figures 3a to 3c show the initial position and the arrangement of the spiral-shaped sheet metal element 1 on a spindle, before the strip of the spiral-shaped sheet metal element is wound around the spindle 2.
  • the outer diameter of the spindle corresponds for example to the inner diameter of the desired cylindrical body.
  • the spiral-shaped plate member 1 is fixed on the spindle 2 at a point P and held in the vertical position by guides 3 shown in Fig. 3b.
  • the spiral-shaped sheet metal element 1 is then held at the point Q on a subsequent turn of the spiral-shaped sheet metal element and placed under tension with a force T, which acts tangentially to the lateral surface of the spindle 2. Under this tension, the point Q is moved to a position immediately past the point P while one complete revolution of the cylindrical spindle 2 is performed.
  • a lateral force F is exerted during this first turn of the cylindrical body, distributed over a region A around its circumference, as shown in FIG. 3c by the hatched area.
  • This distributed side force F keeps the spiral sheet metal element on its edge as it is wound around the edge under the tension T around the spindle. Without this side force F, the strip of the spiral sheet metal element would of course bend and lay flat on the surface of the spindle.
  • FIG. 4b shows a plan view of FIG. 4a.
  • point Q can be seen behind point P.
  • the strip is held at the point Q by an application unit 4 with two punches 5 which exert two forces F T on the strip. These two forces F T are large enough to hold strip 1 firmly in the correct position, but sufficiently low to allow the strip of strip of the spiral To allow sheet metal element 1 to slide between the two punches 5, when it is wound on the spindle 2.
  • FIG. 5 shows a cross section of the two punches 5 of the application unit 4 and the 5 sheet metal strip.
  • One of the punches 5 (in this case the left punch) is formed with a guide 6 to prevent the metal strip of the spiral sheet metal element 1 from moving laterally when it is wound.
  • the two punches 5 are positioned by a clamping arm, which compresses the punches 5 and exerts the tension T on the sheet metal strip of the spiral-shaped sheet metal element 1 when it is wound.
  • FIG. 6 shows the winding process in five stages.
  • FIG. 6a shows the initial position of the spiral sheet metal element 1 before the winding process starts.
  • the spindle 2 is rotated about its Z axis at a constant winding speed ⁇ , while at the same time the sheet metal element is moved in the Z direction at a constant linear velocity s.
  • the total linear offset d of the spindle in the Z-direction is equal to the required height of the cylindrical body minus the thickness of the spiral-shaped sheet metal element.
  • FIGS. 6b to 6d show the spiral-shaped sheet-metal element in the winding process. During this process, the unwound part of the spiral sheet metal element 1 is within guides. The sheet metal element 1 wound around the spindle 2 is then either by welding the body
  • the body can be thermally treated at a high temperature. This can also reduce the hysteresis losses that occur in the thus constructed

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines zylinderförmigen Maschinenelements, insbesondere für eine elektrische Maschine, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Blechelements (1), das einen sich spiralförmig in einer Blechhauptebene erstreckenden Blechstreifen mit einer Dicke in einer Dickenrichtung, die senkrecht zur Blechhauptebene verläuft, und einer Breite in Breitenrichtung, die parallel zur Blechhauptebene verläuft, aufweist; Wickeln des Blechstreifens in mehreren Windungen schraubenförmig bzw. wendelförmig um ein zylindrisches, insbesondere kreiszylindrisches Formelement (2) in dessen axialer Richtung, so dass die Windungen des Blechstreifens in Dickenrichtung aufeinander liegen und die Breitenrichtung des Blechstreifens in einer Richtung verläuft, die senkrecht ist zur axialen Richtung des Formelements (2); Lösen des gewickelten Blechstreifens von dem Formelement (2), um das Maschinenelement zu erhalten.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines ringförmigen Maschinenelements, insbesondere zum Einsatz in einer elektrischen Maschine
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Herstellungsverfahren für ein Maschinenelement für eine elektrische Maschine, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen Maschinenelements.
Stand der Technik
Hohizylinderformige Körper werden insbesondere in elektrischen Maschinen zur Herstellung von Statoren bzw. Statorhalterungen verwendet. Da in elektrischen Maschinen in der Regel magnetische Wechselfelder auftreten, ist es zur Vermeidung von Wirbelströmen häufig zweckmäßig, derartige ringförmige Körper laminiert, d.h. schichtenartig, insbesondere durch Stapelung von entsprechend geformten Blechen aufzubauen, um auftretende Wirbelströme in Richtung parallel zur Achse einer Richtung des zylinderförmigen Körpers zu unterbinden.
Zur Herstellung solcher zylinderförmiger Körper in geschichteter Aufbauweise sind aus dem Stand der Technik zwei Verfahren bekannt. Gemäß einem ersten Verfahren wird eine Anzahl von Ringlamellen aus einem Blech gestanzt und die einzelnen Ringlamellen aufeinander gestapelt, um den laminierten Ring herzustellen. Die einzelnen Ringlamellen können entweder durch gestanzte Zwischenverbindungen oder durch Schweißen miteinander verbunden werden. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass ein Stahlblech verwendet werden kann, das einen hohen Siliziumanteil aufweist, wodurch die Hysterese- und Wirbelstromverluste bei Anliegen eines magnetischen Wechselfelds minimiert werden können. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der hohe Verbrauch von Blechmaterial, insbesondere wenn der zylinderförmige Körper ein sehr geringes Verhältnis seiner radialen Dicke zum Außendurchmesser aufweist. Dieser hohe Anteil an Stanzabfall und die daraus resultierenden hohen Materialkosten machen dieses Verfahren unattraktiv.
Ein zweites Verfahren besteht darin, einen geradlinigen Blechstreifen herzustellen und den gestanzten Blechstreifen um seine Kante zu wickeln, um den laminierten Ring zu bilden. Der laminierte Ring ist dann schraubenförmig bzw. wendeiförmig aufgewickelt. Da die Blechstreifen geradlinig gestanzt werden, können diese mit sehr geringem Stanzabfall hergestellt werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass nur sehr duktiler Stahl als Material für den Blechstreifen verwendet werden kann, da der Streifen während des Wicklungsprozesses um die Kante stark deformiert wird, um die erforderliche ringförmige Geometrie zu erreichen. Da bei einem hohen Siliziumanteil in dem Material des Stanzblechs dessen Biegsamkeit stark reduziert ist, können für dieses Verfahren nur Stahlbleche mit einem niedrigen Siliziumanteil verwendet werden, um den zylinderförmigen Körper herzustellen. Durch die Verwendung von Stahlblechen mit einem niedrigen Siliziumanteil sind die Eisenverluste in dem ringförmigen Körper, wenn dieser einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, höher als bei dem zuvor beschriebenen Verfahren, was dieses Verfahren ebenfalls unattraktiv macht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines rotationssymmetrischen Körpers in laminierter Aufbauweise zur Verfügung zu stellen, bei dem der Stanzabfall reduziert ist und bei dem Stahlbleche mit hohem Siliziumanteil verwendet werden können.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lamellenelement zum Aufbau eines rotationssymmetrischen Körpers in laminierter Aufbauweise zur Verfügung zu stellen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das zum Herstellen eines hohlzylindrischen Körpers gemäß Anspruch 1 sowie durch das Stanzblech und die Verwendung eines solchen Stanzblechs gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen eines zylinderförmigen Maschinenelements vorgesehen, insbesondere für eine elektrische Maschine. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines Blechelements, das einen sich spiralförmig in einer Blechhauptebene erstreckenden Blechstreifen mit einer Dicke in einer Di- ckenrichtung, die senkrecht zur Blechhauptebene verläuft, und einer Breite in
Breitenrichtung, die parallel zur Blechhauptebene verläuft, aufweist;
- Wickeln des Blechstreifens in mehreren Windungen schraubenförmig bzw. wendeiförmig um ein zylindrisches, insbesondere kreiszylindrisches Formelement in dessen axialer Richtung, so dass die Windungen des Blechstrei- fens in Dickenrichtung aufeinander liegen und die Breitenrichtung des Blechstreifens in einer Richtung verläuft, die senkrecht ist zur axialen Richtung des Formelements;
Entfernen des Formelements, um das Maschinenelement zu erhalten. Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, aus einem spiralförmigen Blechelement, das z.B. durch Stanzen oder Laserschneiden hergestellt werden kann, durch schraubenförmiges bzw. wendeiförmiges Wickeln um dessen schmale Kante einen hohlzylindrischen Körper in laminierter Aufbauweise herzustellen. Aufgrund der anfänglichen Spiralform des Blechstreifens des Blechelements muss dieser nicht so stark deformiert werden wie ein geradliniger Blechstreifen, wie im Stand der Technik beschrieben. Dies bedeutet, dass auch ein weniger biegsamer Stahl als Material für das Blechelement verwendet werden kann, wie beispielsweise Stähle mit einem höheren Siliziumanteil, um die Eisenverluste in einem magnetischen Wechselfeld zu reduzieren. Weiterhin ist aufgrund der spi- ralformigen Geometrie des Blechstreifens der Materialverbrauch erheblich geringer als dies beim Stanzen von ringförmigen Blechelementen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, der Fall wäre, wodurch geringere Kosten verursacht werden. Gemäß einer Ausführungsform kann zumindest ein Teil der Windungen des spiralförmig gewickelten Blechstreifens durch Kleben, Schweißen oder Verklemmen miteinander oder an einem Trägerelement fixiert werden.
Weiterhin kann das Blechelement mit einem Innenradius einer ersten Windung und einem Außenradius einer letzten Windung bereitgestellt werden, wobei ein Radius des Formelements zwischen dem Innenradius und dem Außenradius liegt.
Der Blechstreifen des Blechelements kann mit einem Ende an dem Formelement fixiert werden, wobei zum Wickeln des Blechstreifens das Formelement gedreht wird, so dass sich der spiralförmige Blechstreifen auf das Formelement wickelt und sich dabei an die Außenkontur des Formelements anlegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein zylinderförmiges Maschinenelement vorgesehen, das durch das obige Verfahren hergestellt ist oder herstellbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Verwendung des obigen Maschinenelements als Stator oder Statorträger einer elektrischen Maschine vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Herstellen eines zylinderförmigen Maschinenelements, insbesondere zur Verwendung in einer elektrischen Maschine, vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst:
ein zylindrisches, insbesondere kreiszylindrisches Formelement, um den Blechstreifen in mehreren Windungen schraubenförmig bzw. wendeiförmig in axialer Richtung des Körpers zu wickeln, so dass die Windungen des Blechstreifens in Dickenrichtung aufeinander liegen und die Breitenrichtung des Blechstreifens in einer Richtung verläuft, die senkrecht ist zur axialen Richtung des Formelements;
ein Aufbringelement zum Aufwickeln eines Blechelements, das einen sich spiralförmig in einer Blechhauptebene erstreckenden Blechstreifen mit einer Dicke in einer Dickenrichtung, die senkrecht zur Blechhauptebene verläuft, und einer Breite in Breitenrichtung, die parallel zur Blechhauptebene verläuft, aufweist, wobei das Aufbringelement Stempel aufweist, die den Blechstreifen beim Wickeln auf das Formelement verdrehsicher halten und einen Schlupf in Erstre- ckungsrichtung des Blechstreifens zum Wickeln gewährleisten. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figuren 1 a und 1 b verschiedene Ausführungsformen eines spiralförmigen
Blechelements zur Herstellung eines zylinderförmigen Körpers mit lamellenartigem Aufbau;
Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines zylinderförmigen
Körpers mit lamellenartigem Aufbau, der aus einem der spiralförmigen Blechelemente der Figuren 1 a oder 1 b hergestellt ist;
Figuren 3a bis 3c eine Anordnung des spiralförmigen Blechelements an einer Spindel, um diese zu bewickeln;
Figuren 4a und 4b eine Darstellung der Spannvorrichtung zum Wickeln der
Spindel;
Figur 5 eine Detailansicht der Stempel der Aufbringeinheit zum
Aufwickeln des spiralförmigen Blechelements;
Figuren 6a bis 6e eine detaillierte Darstellung des Verfahrens zum Wickeln des spiralförmigen Blechelements auf eine Spindel.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Maschinenelements, wie z.B. eines Stators oder einer Statorhalterung, in Lamellenauf- bauweise beschrieben.
Ein wesentliches Element für das Herstellungsverfahren besteht in einem Blechelement 1 , das einen Blechstreifen mit einer spiralförmigen Geometrie in einer Blechhauptebene aufweist. Zwei Ausführungsformen derartiger Blechelemente 1 sind in den Figuren 1 a und 1 b gezeigt. Die spiralförmigen Blechelemente der Figuren 1 a und 1 b unterscheiden sich in ihrer Herstellungsweise. Das spiralförmige Blechelement 1 der Figur 1 a wird durch Stanzen hergestellt, wobei zwischen den einzelnen Bahnen des spiralförmigen Blechelements 1 ein Abstand aufgrund der Breite der Stanzschneide auftritt. Der radiale Abstand beträgt beispielsweise bei Verwendung eines Stanzprozesses zur Herstellung des spiralförmigen Blech- elements 1 etwa 1 mm und entspricht der Dicke des Stanzwerkzeugs.
Dagegen wird das spiralförmige Blechelement der Figur 1 b mit Hilfe eines Laserschneidverfahrens hergestellt, mit dem viel schmalere und exaktere Schneidkanten hergestellt werden können. In diesem Fall ist der radiale Abstand zwischen den Bahnen des spiralförmigen Blechelements in radialer Richtung vernachlässigbar und beträgt bei Verwendung eines Laserschneidprozesses lediglich etwa 0,05 mm. Mit anderen Worten, der Unterschied zwischen den beiden Geometrien, die in den Figuren 1 a und 1 b gezeigt sind, besteht lediglich darin, dass der radiale Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen des spiralförmigen Blechelements 1 unterschiedlich ist.
Das spiralförmige Blechelement 1 wird nun über dessen Innenkante, d.h. die zum Mittelpunkt der spiralförmigen Geometrie gerichtete Kante, auf eine vorzugsweise kreiszylindrische Spindel 2 als Formelement gewickelt, wobei die Wicklung schraubenförmig bzw. wendeiförmig erfolgt. Die Schraubenform bzw. die Wendelform der Wicklung weist einen Versatz zwischen benachbarten Windungen in axialer Richtung der Spindel auf und nicht in radialer Richtung. Der Versatz entspricht vorzugsweise der Dicke des Blechelements 1 , damit die einzelnen Lagen der Windungen des Blechelements 1 aneinander anliegen.
Aufgrund der spiralförmigen Ausbildung des Blechelements 1 ist die Verformung beim Wickeln des Blechelements 1 auf die Spindel 2 erheblich geringer als beim Wickeln eines geradlinigen Blechelements bzw. eines geradlinigen Blechstreifens, wie eingangs erwähnt. Dies liegt daran, dass das spiralförmige Blechele- ment bereits eine gekrümmte Kontur aufweist. Aus diesem Grunde ist es nicht notwendig, dass das Material des Blechelements 1 so biegsam ist wie das Material des geradlinigen Blechstreifens gemäß dem Stand der Technik. Aus diesem Grunde kann als Material für das Blechelement 1 Stahl mit einem höheren Siliziumanteil verwendet werden, um die Eisenverluste, wie beispielsweise Hystere- severluste und Wirbelstromverluste, zu minimieren, die sich in einem magneti- sehen Wechselfeld ausbilden können. Dies kann für viele Anwendungen vorteilhaft sein, beispielsweise für elektronisch kommutierte elektrische Maschinen.
Ein weiterer Vorteil der spiralförmigen Geometrie der spiralförmigen Blechelemente der Figuren 1 a und 1 b besteht darin, dass bei ihrer Herstellung weniger Materialverschnitt entsteht, wodurch der Materialverbrauch verringert werden kann und geringere Kosten entstehen.
In Figur 2 ist ein aus den spiralförmigen Blechelementen der Figuren 1 a oder 1 b hergestellter zylinderförmiger Körper in laminierter Aufbauweise dargestellt, der durch Umwickeln einer kreiszylindrischen Spindel 2 mit der Innenkante des spiralförmigen Blechelements 1 hergestellt worden ist.
Beim Aufbau des zylinderförmigen Körpers mit lamellenartiger Aufbauweise gemäß Figur 2 können zum Verlängern des zylinderförmigen Körpers in axialer Richtung mehrere derartige Körper aus mehreren spiralförmigen Blechelementen aufeinander gesetzt werden. Es ist bekannt, dass selbst Stahlbleche, die als Non-Grain-Oriented klassifiziert sind, eine leichte magnetische Vorzugsrichtung aufweisen. In dieser Vorzugsrichtung ist das Stahlblech in geringem Maß einfacher bzw. schneller zu magnetisieren als im Vergleich dazu der rechtwinkligen Richtung. Um diese magnetische Vorzugsrichtung (Anisotropie) in einem zylinderförmigen Körper, der aus mehreren spiralförmigen Blechelementen hergestellt worden ist, zu eliminieren, können die einzelnen aus jeweils einem spiralförmigen Blechelement hergestellten zylinderförmigen Körper um einen bestimmten Winkel zueinander rotiert werden, bevor diese aufeinander aufgesetzt werden. Dadurch wird auch die magnetische Vorzugsrichtung verdreht, so dass in dem fertig gestellten zylinderförmigen Körper keine magnetische Vorzugsrichtung mehr vorliegt.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird weiterhin während des Bewickeins der Spindel mit dem spiralförmigen Blechelement automatisch die magnetische Vorzugsrichtung mit jeder Windung versetzt, da der Radius jeder Windung des spiralförmigen Blechelements variiert. Somit hat das Bewickeln der Spindel mit dem spiralförmigen Blechelement den weiteren Vorteil, dass der zylinderförmige Körper einstückig, d.h. aus einem einzigen spiralförmi- gen Blechelement, aufgebaut werden kann, ohne dass eine magnetische Anisotropie in Kauf genommen werden muss.
Die Figuren 3a bis 3c, 4a und 4b sowie 5 stellen schematisch Verfahren und Vor- richtungen zum Durchführen des Verfahrens zum Herstellen eines zylinderförmigen Körpers in laminierter Aufbauweise dar.
Die Figuren 3a bis 3c zeigen die Anfangsposition und die Anordnung des spiralförmigen Blechelements 1 auf einer Spindel, bevor der Streifen des spiralförmigen Blechelements um die Spindel 2 gewickelt ist. Der Außendurchmesser der Spindel entspricht beispielsweise dem Innendurchmesser des gewünschten zylinderförmigen Körpers. Zunächst wird das spiralförmige Blechelement 1 auf der Spindel 2 an einem Punkt P fixiert und in der vertikalen Position durch Führungen 3, die in Figur 3b gezeigt sind, gehalten. Das spiralförmige Blechelement 1 wird dann an dem Punkt Q auf einer nachfolgenden Windung des spiralförmigen Blechelements gehalten und mit einer Kraft T unter Spannung gesetzt, die tangential zur Mantelfläche der Spindel 2 angreift. Unter dieser Spannung wird der Punkt Q auf eine Position unmittelbar hinter dem Punkt P bewegt, während eine vollständige Umdrehung der zylinderförmigen Spindel 2 durchgeführt wird.
Eine Seitenkraft F wird während dieser ersten Windung des zylinderförmigen Körpers ausgeübt, verteilt über einen Bereich A um ihren Umfang, wie in Figur 3c durch den schraffierten Bereich dargestellt ist. Diese verteilte Seitenkraft F hält das spiralförmige Blechelement auf seiner Kante, wenn es um die Kante unter der Spannung T um die Spindel gewickelt wird. Ohne diese Seitenkraft F würde der Streifen des spiralförmigen Blechelements sich natürlich umbiegen und flach auf die Oberfläche der Spindel legen.
Die Figuren 4a und 4b zeigen ausführlicher, wie das spiralförmige Blechelement gehalten und unter Spannung gesetzt werden kann. Figur 4b zeigt eine Draufsicht auf Figur 4a. In dieser Draufsicht kann man Punkt Q hinter dem Punkt P sehen. Der Streifen wird an dem Punkt Q durch eine Aufbringeinheit 4 mit zwei Stempeln 5 gehalten, die zwei Kräfte FT auf den Streifen ausüben. Diese zwei Kräfte FT sind groß genug, um den Streifen 1 fest in der korrekten Position zu halten, aber ausreichend niedrig, um dem Blechstreifen des spiralförmigen Blechelements 1 zu ermöglichen, zwischen den beiden Stempeln 5 zu gleiten, wenn dieser auf die Spindel 2 gewickelt wird.
Figur 5 zeigt einen Querschnitt der zwei Stempel 5 der Aufbringeinheit 4 und des 5 Blechstreifens. Einer der Stempel 5 (in diesem Fall der linke Stempel) ist mit einer Führung 6 geformt, um zu vermeiden, dass sich der Blechstreifen des spiralförmigen Blechelements 1 in seitlicher Richtung bewegt, wenn dieser gewickelt wird. Die beiden Stempel 5 werden durch einen Spannarm positioniert, der die Stempel 5 zusammendrückt und die Spannung T auf den Blechstreifen des spi- 10 ralförmigen Blechelements 1 ausübt, wenn dieser gewickelt wird.
Figur 6 zeigt den Wicklungsprozess in fünf Stufen. Figur 6a zeigt die Anfangsposition des spiralförmigen Blechelements 1 , bevor der Wicklungsprozess startet. Während des Wicklungsprozesses wird die Spindel 2 mit einer konstanten Wil s ckelgeschwindigkeit ω um ihre Z-Achse gedreht, während gleichzeitig das Blechelement mit einer konstanten Lineargeschwindigkeit s in Z-Richtung bewegt wird. Der gesamte lineare Versatz d der Spindel in Z-Richtung ist gleich der erforderlichen Höhe des zylinderförmigen Körpers abzüglich der Dicke des spiralförmigen Blechelements.
20
Die Figuren 6b bis 6d zeigen das spiralförmige Blechelement im Wicklungsprozess. Während dieses Prozesses befindet sich der nicht gewickelte Teil des spiralförmigen Blechelements 1 innerhalb von Führungen. Das um die Spindel 2 gewickelte Blechelement 1 wird dann entweder durch Schweißen des Körpers
25 entlang der Außenfläche an vorbestimmten Stellen oder durch eine Art von
Klemmvorrichtung zusammen gehalten. Der zylinderförmige Körper wird dann von der Spindel 2 abgezogen. Um mechanischen Stress in dem Körper zu reduzieren, kann der Körper thermisch bei einer hohen Temperatur behandelt werden. Dies kann auch die Hystereseverluste reduzieren, die in dem so aufgebau-
30 ten zylinderförmigen Körper in einem magnetischen Wechselfeld erzeugt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Herstellen eines zylinderförmigen Maschinenelements, insbesondere für eine elektrische Maschine, mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Blechelements (1 ), das einen sich spiralförmig in einer Blechhauptebene erstreckenden Blechstreifen mit einer Dicke in einer
Dickenrichtung, die senkrecht zur Blechhauptebene verläuft, und einer Breite in Breitenrichtung, die parallel zur Blechhauptebene verläuft, aufweist;
- Wickeln des Blechstreifens in mehreren Windungen schraubenförmig bzw. wendeiförmig um ein zylindrisches, insbesondere kreiszylindrisches
Formelement in dessen axialer Richtung, so dass die Windungen des Blechstreifens in Dickenrichtung aufeinander liegen und die Breitenrichtung des Blechstreifens in einer Richtung verläuft, die senkrecht ist zur axialen Richtung des Formelements (2);
- Entfernen des gewickelten Blechstreifens von dem Formelement (2), um das Maschinenelement zu erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Blechelement (1 ) aus einer Blechplatte gestanzt oder durch Laserschneiden ausgeschnitten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest ein Teil der Windungen des schraubenförmig bzw. wendeiförmig gewickelten Blechstreifens durch Kleben, Schweißen oder Verklemmen miteinander oder an einem Trägerelement fixiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Blechelement (1 ) mit einem Innenradius einer ersten Windung und einem Außenradius einer letzten Windung bereitgestellt wird, wobei ein Radius des Formelements (2) zwischen dem Innenradius und dem Außenradius liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Blechstreifen des Blechelements (1 ) mit einem Ende an dem Formelement (2) fixiert wird, wo- bei zum Wickeln des Blechstreifens das Formelement (2) gedreht wird, so dass sich der spiralförmige Blechstreifen auf das Formelement (2) schraubenförmig bzw. wendeiförmig wickelt und sich dabei an die Außenkontur des Formelements (2) anlegt.
Zylinderförmiges Maschinenelement, das durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt ist oder herstellbar ist.
Verwendung des Maschinenelements nach Anspruch 6 als Stator oder Statorträger einer elektrischen Maschine.
Vorrichtung zum Herstellen eines zylinderförmigen Maschinenelements, insbesondere zur Verwendung in einer elektrischen Maschine, umfassend:
- ein zylindrisches, insbesondere kreiszylindrisches Formelement (2), um einen Blechstreifen in mehreren Windungen schraubenförmig bzw. wendeiförmig in axialer Richtung des Formelements (2) zu wickeln, so dass die Windungen des Blechstreifens in Dickenrichtung aufeinander liegen und die Breitenrichtung des Blechstreifens in einer Richtung verläuft, die senkrecht ist zur axialen Richtung des Formelements (2);
- ein Aufbringelement (4) zum Aufwickeln eines Blechelements (1 ), das einen sich spiralförmig in einer Blechhauptebene erstreckenden Blechstreifen mit einer Dicke in einer Dickenrichtung, die senkrecht zur Blechhauptebene verläuft, und einer Breite in Breitenrichtung, die parallel zur Blechhauptebene verläuft, aufweist,
wobei das Aufbringelement (4) Stempel (5) aufweist, die den Blechstreifen beim Wickeln auf das Formelement (2) verdrehsicher halten und einen Schlupf in Erstreckungsrichtung des Blechstreifens zum Wickeln gewährleisten.
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