Beschreibung

Titel

ANKER FUR EINE ELEKTRISCHE MASCHINE, VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES ANKERS SOWIE STEMPEL ZUM VERSTEMMEN EINES NABENELEMENTS AN EINER WELLE

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Anker für eine elektrische Maschine mit einer Welle und einem Nabenelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Ankers.

Anker für elektrische Maschinen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen

Ausgestaltungen bekannt. Derartige Anker werden beispielsweise in Kleinmotoren verwendet, welche im Bereich der Fahrzeugtechnik beispielsweise als Antriebe für Scheibenwischer, Fensterheber, Lüfter oder elektrische Sitzversteller verwendet werden. Als Nabenelement wird dabei üblicherweise ein Blechpaket verwendet, welches auf der Welle fixiert wird. Zur Fixierung wurde schon vorgeschlagen, die Befestigung des Nabenelements auf der Welle mittels Klebstoff vorzunehmen, wobei jedoch eine Dosierung und Handhabung des Klebstoffs sehr aufwendig und kostenintensiv ist. Da der Anker üblicherweise eine sehr dünne Welle im Bereich zwischen 4 und 8 mm aufweist und eine Wellenlänge im Vergleich zum Durchmesser sehr groß ist, ergibt sich eine geringe Knickstabilität derartiger Wellen. Von daher sind insbesondere Fügeverfahren mit Presspassung problematisch, da hierdurch unzulässige

Rundlauffehler entstehen können. Dies führt zu unerwünschtem Nacharbeiten bzw. einem hohen Ausschussanteil. Ferner kommt es insbesondere bei einer Stahl- Stahl-Paarung häufig zum Fressen bzw. Verklemmen während des Fügevorgangs.

Weiter ist aus der EP 1 340 306 Bl ein Anker mit einem Nabenbauteil aus einem Blechpaket bekannt, bei dem mehrere Module aus mindestens drei Blechen vorgesehen werden, wobei die jeweils äußersten Bleche durch Verstemmen am gesamten Umfang des Blechs auf der Welle fixiert werden. Nachdem ein Modul auf der Welle fixiert wurde, wird das nächste Modul ebenfalls mittels Verstemmen an der Welle fixiert. Dieses Verfahren ist jedoch sehr kostenintensiv und zeitaufwendig. Ferner ergibt sich aufgrund des Ringverstemmens eine

Aufweitung des Außendurchmessers des Blechpakets zumindest an den verstemmten Blechen.

Hierdurch wird ein Luftspalt der elektrischen Maschine verändert, wodurch sich negative Auswirkungen auf den Wirkungsgrad ergeben.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Anker für eine elektrische Maschine mit einer Welle und einem Nabenelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass er sehr einfach und kostengünstig herstellbar ist, wobei trotzdem eine sichere Fixierung des Nabenelements auf der Welle erfolgt. Die Welle kann dabei eine glatte Mantelfläche ohne Rillen o.a. aufweisen, so dass die Welle sehr kostengünstig hergestellt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Nabenelement auf der Welle angeordnet wird und anschließend das Verstemmen des Nabenelements an der Welle erfolgt. Das Verstemmen erfolgt dabei derart, dass zwischen dem Nabenelement und der Welle mindestens ein erster und ein zweiter jeweils bogenförmiger Verstemmbereich am inneren Umfang des Nabenelements erzeugt wird, welche das Nabenelement auf der Welle fixieren. Die wenigstens zwei Verstemmbereiche sind dabei in Umfangsrichtung voneinander beabstandet. Mit anderen Worten sind wenigstens zwei bogenförmige Verstemmbereiche zwischen dem Nabenelement und der Welle gebildet, wobei zwischen den Verstemmbereichen freiliegende Bereiche vorgesehen sind, an denen keine Fixierung des Nabenelements an der Welle erfolgt. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme ist es möglich, dass höhere Kräfte zwischen der Welle und dem Nabenelement übertragen werden. Ferner ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verstemmen eine geringere Verformung des Nabenelements in radial nach außen gerichteter Richtung, so dass ein Spalt einer elektrischen Maschine zwischen dem Nabenelement und einem Stator der elektrischen Maschine wie berechnet erhalten wird. Dadurch kann insbesondere ein Ausschussanteil signifikant reduziert werden. Ferner sind zum Verstemmen nur kleinere Umformkräfte notwendig, so dass insbesondere auch ein Werkzeugverschleiß reduziert wird. Ferner können geringere Rundlauffehler der Welle aufgrund der definierten Fixierbereiche des Nabenelements an der Welle erhalten werden.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorzugsweise ist das Nabenelement ein Blechpaket, welches eine Vielzahl von Einzelblechen umfasst. An einer zylindrisch glatten Welle wird das Blechpaket sowohl an

einem ersten Endbereich als auch zweiten Endbereich mittels des erfindungsgemäßen Verstemmvorgangs fixiert. Die zwischen einem Anfangs- und einem Endblech liegenden Bleche des Blechpakets werden dabei durch den Verstemmvorgang nicht verformt, jedoch wird ihre Position im Blechpaket aufgrund der Reibkräfte zwischen dem Anfangsblech und dem Endblech des Blechpakets sichergestellt.

Weiter bevorzugt weist das Nabenelement eine kreisförmige Innenöffnung auf und die Verstemmverbindung umfasst genau zwei oder genau drei oder genau vier oder genau fünf oder genau sechs Verstemmbereiche.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Nabenelement eine Innenöffnung mit wenigstens zwei radial nach innen vorstehenden Verstemmabschnitten, wobei das Verstemmen an diesen Verstemmabschnitten ausgeführt wird, so dass die Verstemmverbindung im fixierten Zustand des Nabenelements auf der Welle an den nach innen gerichteten Verstemmabschnitten des Nabenelements ausgebildet ist. Das Verwenden der nach innen gerichteten Verstemmabschnitte hat insbesondere den Vorteil, dass ein Verstemmwerkzeug als durchgehender Ringverstemmstempel ausgebildet sein kann. Dabei ist keine Ausrichtung des Verstemmstempels zum Nabenelement notwendig.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Umfangslänge eines Abstandes zwischen zwei benachbarten Verstemmbereichen gleich oder größer als eine Umfangslänge eines Verstemmbereichs. Dadurch wird sichergestellt, dass die Belastung des Nabenelements während des Verstemmens nicht überproportional an den Verstemmbereichen erfolgt und insbesondere eine unerwünschte radial nach außen auftretende Umformung des Nabenelements vermieden wird.

Besonders bevorzugt sind die Verstemmbereiche am Nabenelement gleichmäßig entlang des Innenumfangs angeordnet. Dadurch kann ein symmetrisches Nabenelement erhalten werden und es werden an allen Verstemmbereichen gleiche Kräfte während des

Verstemmens erreicht.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Ankers für eine elektrische Maschine, wobei der Anker eine Welle und ein Nabenelement umfasst.

Das Verfahren umfasst die Schritte des Anordnens des Nabenelements auf der Welle, insbesondere durch Aufschieben des Nabenelements auf die Welle, und des Verstemmens des Nabenelements an der Welle mit mindestens einem ersten und einem zweiten bogenförmigen Verstemmbereich, wobei der erste und zweite Verstemmbereich in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind.

Besonders bevorzugt erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren das Verstemmen mittels eines Verstemmstempels, welcher wenigstens zwei separat vorstehende Verstemmsegmente aufweist. Dadurch kann eine Umformung des Nabenelements an zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Verstemmbereichen ausgeführt werden.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Nabenelement eine Innenöffnung mit radial nach innen vorstehenden Verstemmabschnitten auf und das Verstemmen erfolgt an diesen Verstemmabschnitten.

Zwischen den nach innen vorstehenden Verstemmabschnitten sind materialfreie Bereiche, so dass die Verstemmverbindung ebenfalls in Umfangsrichtung an wenigstens zwei voneinander beabstandeten Bereichen erfolgt. Das Verstemmen erfolgt besonders bevorzugt mittels eines ringförmigen Verstemmstempels, da dieser Stempel sehr einfach herstellbar ist.

Weiter bevorzugt erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren das Verstemmen gleichzeitig an einem ersten axialen Endbereich und einem zweiten axialen Endbereich des Nabenelements. Dadurch kann eine sichere Fixierung des Nabenelements an der Welle erreicht werden. Ferner kann, wenn das Nabenelement eine Vielzahl von Blechen umfassendes Blechpaket ist, dieses durch Verstemmen des ersten und letzten Bleches an der Welle fixiert werden.

Weiter bevorzugt wird das Verstemmen beim erfindungsgemäßen Verfahren am ersten und zweiten Verstemmbereich gleichzeitig ausgeführt. Dadurch wird insbesondere eine symmetrische Krafteinleitung in das Nabenelement erreicht, was zu einer gleichzeitigen Umformung am Nabenelement führt.

Die Erfindung betrifft ferner einen Stempel zum Verstemmen eines Nabenelements an einer Welle, umfassend einen Stempelkörper mit einer mittigen öffnung sowie mindestens ein erstes und ein zweites vorstehendes Verstemmsegment. Die Verstemmsegmente sind dabei auf einem Kreisbogen um die mittige öffnung des Stempels herum angeordnet. Wenn somit der erfindungsgemäße Stempel mit dem auf der

Welle zu verstemmenden Nabenelement in Kontakt kommt, kommen zuerst die wenigstens zwei vorstehenden Verstemmsegmente mit dem Nabenelement in Kontakt und der Verstemmvorgang beginnt an lediglich zwei bogenförmigen Verstemmbereichen am Nabenelement. Zwischen den beiden Verstemmbereichen sind Bereiche, welche nicht umgeformt werden. Somit ist das Verstemmelement an wenigstens zwei voneinander separierten Bereichen mit der Welle verstemmt.

Besonders bevorzugt ist der erfindungsgemäße Stempel derart ausgebildet, dass ein Verstemmsegment des Stempels eine nach innen gerichtete Segmentfläche, eine nach außen gerichtete Rückfläche und eine Verstemmkante umfasst. Die beiden nach innen bzw. nach außen gerichteten Flächen laufen dabei an der Verstemmkante zusammen und bilden die Verstemmkante. Die Verstemmkante ist dabei bogenförmig gebildet. Besonders bevorzugt ist dabei in einer Schnittebene senkrecht zur Verstemmkante ein Winkel von 90° zwischen den beiden Flächen gebildet. Dadurch erhalten die beiden Flächen eine Neigung von jeweils 45° bezüglich einer Bewegungsrichtung des Stempels während des Verstemmvorgangs.

Besonders bevorzugt weist der Stempel vier separate Verstemmsegmente auf, welche symmetrisch an der mittigen öffnung des Stempels angeordnet sind.

Gemäß einer bevorzugten alternativen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Stempel als Verstemmsegmente Kegel, welche entlang des Umfangs um die mittige öffnung des Stempels herum auf einer Kreislinie angeordnet sind. Die Kegel sind dabei in gleichen Abständen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet.

Zeichnung

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines Ankers gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 2 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie II-II von Figur 1 ,

Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines Ankers gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 4 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Stempels, welcher zum Verstemmen bei dem in Figur 3 gezeigten Anker verwendet wird,

Figur 5 eine schematische, perspektivische Ansicht eines alternativen Stempels,

Figur 6 eine schematische, geschnittene Teilansicht des Stempels von Figur 5 während des Verstemmens, und

Figur 7 eine schematische Teilansicht eines anderen Stempels während des

Verstemmens.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ein Anker für eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung im Detail beschrieben.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst der Anker 1 eine Welle 2 und ein Nabenelement 3. Das Nabenelement 3 ist ein Blechpaket und umfasst eine Vielzahl von Blechen, wobei das Bezugszeichen 3a ein Anfangsblech, das Bezugszeichen 3b ein Endblech und das Bezugszeichen 3c mehrere Zwischenbleche bezeichnet, welche zwischen dem Anfangsblech 3a und dem Endblech 3b angeordnet sind. Das Anfangsblech 3 a und das Endblech 3b sind mittels einer Verstemmverbindung 4 jeweils an der Welle 2 befestigt. Die Zwischenbleche 3c halten aufgrund von in Axialrichtung wirkenden Reibkräften aufgrund der Verstemmung des Anfangsblechs 3a und des Endblechs 3b. Figur 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II von Figur 1. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist am Nabenelement 3 eine Verstemmverbindung 4

ausgebildet. Die Verstemmverbindung 4 umfasst einen ersten Verstemmbereich 5 und einen zweiten Verstemmbereich 6. Die beiden Verstemmbereiche 5, 6 sind um 180° einander gegenüberliegend angeordnet und verlaufen bogenförmig entlang des Umfangs der Welle 2. Dabei ist in Umfangsrichtung zwischen den beiden Verstemmbereichen 5, 6 jeweils ein nichtverstemmter Bereich 7 vorgesehen. Die Länge der nichtverstemmten Bereiche 7 ist dabei in Umfangsrichtung gleich wie eine Länge der Verstemmbereiche 5 und 6 in Umfangsrichtung. Die Länge der Verstemmbereiche 5, 6 in Umfangsrichtung ist dabei ausreichend, um das Nabenelement sicher an der Welle 2 zu fixieren, ohne dass es zu überbelastungen am Werkstück bzw. am Werkzeug während des Verstemmvorgangs kommt. Während des Verstemmens verdrängt der Stempel dabei das Material des Nabenelements konzentrisch nach innen, wodurch der Stempel selbst eine rückgerichtete Kraft von innen nach außen erfährt. An den Verstemmbereichen können höhere Kräfte zwischen Welle und Nabenelement 3 übertragen werden, ohne dass eine Beschädigung des Ankers auftritt. Ferner ergibt sich durch die Segmentierung des Werkzeugs und damit der Segmentierung der Verstemmbereiche eine geringere Verformung des Nabenelements 3, so dass auch eine kleinere bzw. keine Aufweitung des Außendurchmessers des Nabenelements auftritt. Dadurch kann ein kleinerer Luftspalt zwischen dem Anker und einem Stator ermöglicht werden, das den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht. Ferner kann die Welle ohne Rillen o.a. glatt hergestellt werden, so dass sich auch geringere Rundlauffehler der Welle ergeben, da diese keine Nachbearbeitung zur Herstellung von Rillen oder gerändelten Bereich erfährt.

Der Verstemmvorgang wird dabei vorzugsweise gleichzeitig mittels zweier Stempel von beiden Seiten des Blechpakets am ersten Endbereich am Anfangsblech 3a und am zweiten Endbereich am Endblech 3b ausgeführt.

Figur 3 zeigt schematisch eine Schnittansicht eines Ankers 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Nabenelement 3 des zweiten Ausführungsbeispiels ist ebenfalls ein Blechpaket, wobei zwischen dem Nabenelement 3 und der Welle 2 drei Verstemmbereiche 8, 9 und 10 angeordnet sind. Die drei Verstemmbereiche 8, 9, 10 weisen in Umfangsrichtung eine gleiche Bogenlänge auf und sind jeweils in einem Winkel von 120° zueinander versetzt angeordnet. Die drei Verstemmbereiche 8, 9, 10 sind dabei am Nabenelement an radial nach innen gerichteten, vorstehenden Abschnitten 11, 12, 13 gebildet. Zwischen den radial nach innen vorstehenden Abschnitten 11, 12, 13 sind Ausnehmungen 14,

15, 16 am Nebenelement 3 gebildet. Eine Länge der Ausnehmungen 14, 15, 16 entspricht dabei jeweils einer Länge der radial nach innen vorstehenden Bereiche 11, 12, 13 in Umfangsrichtung.

Der Vorteil des Ankers des zweiten Ausfuhrungsbeispiels ist dabei, dass zum Verstemmen ein Stempel 20 wie in Figur 4 gezeigt verwendbar ist. Der Stempel 20 ist ein ringförmiger Stempel mit einem Verstemmring 21 und einer Durchgangsöffhung 22. Der Verstemmring 21 ist konzentrisch zur Durchgangsöffhung 22 angeordnet. Da das Nabenelement 3 die Ausnehmungen 11, 12, 13 aufweist, wird beim Zustellen des Stempels 20 in Richtung des Nabenelements während des Verstemmvorgangs nur ein Verstemmen an den Verstemmbereichen 8, 9 und 10 ausgeführt. Um vor dem Verstemmen das Nabenelement 3 einfach auf die Welle 2 aufschieben zu können, ist ein ausreichendes Spiel zwischen dem Außendurchmesser der Nabe und dem Innendurchmesser des Nabenelements 3 gegeben. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.

Figuren 5 und 6 zeigen einen Stempel 20 gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, ist der Stempel 20 als Ringstempel mit einer Durchgangsöffhung 22 ausgebildet. Der Stempel 20 umfasst ferner vier in Axialrichtung des Stempels 20 vorstehende Segmente 23. Zwischen den Segmenten 23 ist jeweils in Umfangsrichtung eine Ausnehmung 24 ausgebildet. Ein übergang zwischen einem

Segment 23 und der Ausnehmung 24 ist dabei bogenförmig ausgebildet. Der bogenförmige übergang der Segmente 23 in die Ausnehmung 24 ist dabei mit einem relativ großen Radius gewählt, was zu deutlichen Reduzierungen der Belastungen des Stempels während des Verstemmvorgangs führt.

Figur 6 zeigt schematisch den Verstemmvorgang, wenn der Stempel 20 in Richtung des Pfeils A in das Nabenelement 3 bewegt wird. Wie aus den Figuren 5 und 6 ersichtlich ist, weist jedes der Segmente 23 eine abgerundete und leicht sich verjüngende Segmentfläche 23 a und eine im Wesentlichen linear ausgebildete Rückfläche 23b auf. Die Segmentfläche 23 a und die Rückfläche 23b bilden an der Stelle, an der sie ineinanderlaufen, eine bogenförmige

Verstemmkante 25. Durch die Bewegung des Stempels wird Material des Nabenelements 3 in Richtung des Pfeils B radial auf die Welle 2 zu verdrängt, wodurch die Verstemmverbindung zwischen dem Nabenelement 3 und der Welle 2 ausgebildet wird.

Figur 7 zeigt eine Schnittansicht eines Stempels 20 gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung. Der Stempel 20 ist ähnlich wie der in Figur 5 gezeigte Stempel aufgebaut, und weist ebenfalls vier Segmente 23 auf. Dabei bilden die nach innen gerichteten Segmentflächen 23a und die Rückflächen 23b bei einem Schnitt senkrecht durch die Verstemmkante 25 jeweils einen Winkel α von 90° zwischen sich. Dadurch wird Material des Nabenelements 3 ebenfalls im Wesentlichen in Richtung des Pfeils B radial zur Welle 2 verformt, wobei jedoch durch die in Absolutwerten gleiche Neigung der Segmentflächen 23a und der Rückflächen 23b in einem Winkel von 45° zur Verstemmrichtung A des Stempels 20 sich die Kräfte am Stempel 20 im Wesentlichen aufheben. Hierdurch wird eine besonders geringe Belastung des Stempels erreicht.

Zu allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass durch die erfindungsgemäße Idee des segmentweisen Verstemmens des Nabenelements 3 an der Welle 2 eine sichere Verbindung zwischen Welle und Nabenelement mittels Verstemmen erreicht wird, ohne dass sich insbesondere die radialen Abmessungen des Nabenelements aufgrund des

Verstemmvorgangs ändern. Dadurch kann insbesondere ein genaues Spaltmaß zwischen dem Anker und einem Stator der elektrischen Maschine eingehalten werden. Ferner kann die Welle 2 einfach und kostengünstig als glatte Welle hergestellt werden. Der erfindungsgemäße Anker wird insbesondere im Bereich von Fahrzeugen, beispielsweise als elektrischer Antrieb für Scheibenwischer, elektrische Fensterheber, elektrische Sitzversteller oder als Lüfterantrieb verwendet. Dadurch kann die vorliegende Erfindung bei hohen Stückzahlen angewandt werden, was sich positiv auf die Kosten einer derartigen elektrischen Maschine auswirkt.