Die Erfindung betrifft eine Umformvorrichtung zum Herstellen einer Rotorwelle für eine elektrische Maschine. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle für eine elektrische Maschine, eine Rotorwelle, einen Rotor für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zur Vibrationsanalyse eines Rotors.

Gerändelte Wellen sind beispielsweise aus dem Artikel von M. Lätzer et al. „Untersuchungen zum Übertragungsverhalten von Rändel Pressverbänden aus Stahl- Aluminium“, Forschung im Ingenieurwesen 79, Seiten 41 bis 65 (2015) bekannt. Der Artikel offenbart eine gerändelte Welle mit achsparallelen Rändelungen, die durch Umformen mittels eines Rändelrads oder mittels rekursiven Axialformens hergestellt sind. Mit einer solchen Welle kann durch einen schneidenden und/oder umformenden Fügevorgang eine formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung realisiert werden.

Ferner offenbart das Dokument US 2014/0035419 A1 eine Welle mit vier voneinander beabstandeten Rändelabschnitten, die durch glatte Abschnitte der Welle voneinander beabstandet sind. Dazu wird ein zweiteiliges Rändelwerkzeug verwendet, in welches die Welle eingeführt wird. Die beiden Teile des Rändelwerkzeugs werden senkrecht zur axialen Erstreckung der Welle linear zusammengepresst, sodass die äußere Oberfläche der Welle entsprechend geformt wird.

Nachteilig an einer solchen Umformvorrichtung, welche die Rändelabschnitte einpresst, ist, dass eine Deformierung der Welle durch die senkrecht zur Axialrichtung ausgeübte Pressenkraft auftritt. Dies beeinflusst das Rotationsverhalten der Welle negativ, beispielsweise durch Unwuchten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte, insbesondere deformationsarme und/oder aufwandsarm zu realisierende, Rotorwelle samt einer Möglichkeit zu ihrer Fertigung und Vibrationsanalyse anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Umformvorrichtung zum Herstellen einer gerändelten Rotorwelle für eine elektrische Maschine, umfassend ein Basiselement mit einer eine Mittelachse aufweisenden Durchgangsöffnung für die Rotorwelle und wenigstens drei Rändelwerkzeuge, die jeweils um eine tangential zur Mittelachse verlaufende Drehachse drehbar bezüglich des Basiselements gelagert sind und ein in die Durchgangsöffnung reichendes Rändelprofil aufweisen.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, eine der Zylindersymmetrie der herzustellenden Rotorwelle entsprechende Anordnung von wenigstens drei Rändelwerkzeugen vorzunehmen, sodass die Rotorwelle durch eine Relativbewegung eines zu rändelnden Wellenkörpers durch die Durchgangsöffnung der Umformvorrichtung ausgebildet werden kann. Dazu sind die Rändelwerkzeuge jeweils um die tangential zur Mittelachse verlaufende Drehachse drehbar gelagert, um die Rändel durch eine Drehbewegung in den Wellenkörper einzubringen. Vorteilhafterweise können so Deformationen der Welle durch ein herkömmlicherweise durchgeführtes Einpressen der Rändel vermieden werden, sodass sich das Rotationsverhalten der Welle verbessert. Gleichsam wird eine einfach und kostengünstig aufbaubare Umformvorrichtung bereitgestellt, die eine kostengünstige Fertigung ermöglicht.

Bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung genau drei Rändelwerkzeuge vorgesehen. Typischerweise sind höchstens zwölf, bevorzugt höchstens acht, besonders bevorzugt höchstens sechs Rändelwerkzeuge vorgesehen. Das Basiselement ist typischerweise plattenartig ausgebildet, beispielweise in Form einer Montageplatte. Die Rändelwerkzeuge sind bevorzugt als Rändelrollen ausgebildet. Es wird bei der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung besonders bevorzugt, wenn die Rändelwerkzeuge in Umfangsrichtung um die Mittelachse äquidistant zueinander angeordnet sind. Durch eine solche symmetrische Anordnung der Rändelwerkzeuge neutralisieren sich die hohen Umformkräfte auf die Rotorwelle ge- genseitig, sodass eine Deformation der Rotorwelle praktisch vollständig vermieden wird. Bevorzugt sind die Rändelwerkzeuge um jeweils 360 N in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet, wobei N die Anzahl der Rändelwerkzeuge ist. Bei der besonders bevorzugten Ausgestaltung mit drei Rändelwerkzeugen sind die Rändelwerkzeuge mithin um jeweils 120° in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung kann ferner vorgesehen sein, dass das Rändelprofil mehrere Zähne umfasst. Die Zähne sind typischerweise in Umfangsrichtung um die Drehachse des Rändelwerkzeugs umlaufend ausgebildet. Bevorzugt sind wenigstens zwei, besonders bevorzugt wenigstens drei Zähne je Rändelprofil vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass höchstens zehn Zähne, bevorzugt höchstens acht Zähne, besonders bevorzugt höchstens sechs Zähne je Rändelprofil vorgesehen sind. In bevorzugter Weiterbildung ist vorgesehen, dass radiale Einbuchtungen zwischen einem Paar benachbarter Zähne entlang eines Radius, der größer als ein Radius der Durchgangsöffnung ist, und/oder radiale Erhebungen der Zähne entlang eines Radius, der kleiner als ein Radius der Durchgangsöffnung ist, verlaufen. Während des Umformens mittels der Umformvorrichtung wird dann Wellen- material in die Einbuchtungen hinein verdrängt. Dadurch wird erreicht, dass die auf der Rotorwelle ausgebildeten Rändel sich radial weiter nach außen erstrecken als Abschnitte der Oberfläche der Rotorwelle, auf die keine Rändelwerkzeuge einwirken. Zusätzlich verläuft ein jeweiliger zu formender Rändelabschnitt dann ebenfalls bogenförmig. Dies erleichtert das schneidende und/oder umformende Ausbil- den einer Welle-Nabe-Verbindung an der Rotorwelle. Eine mechanisch besonders robuste Ausgestaltung ergibt sich, wenn bei der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung ein jeweiliges Rändelwerkzeug in einem Werkzeughalter angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist der Werkzeughalter am Basiselement befestigt. Insbesondere ist der Werkzeughalter mittels eines sich pa- rallel zur Mittelachse erstreckenden Befestigungselements, beispielsweise einer Schraube, am Basiselement befestigt.

Bevorzugt weist der Werkzeughalter ein feststehendes Achselement auf, welches das Rändelwerkzeug drehbar lagert. Dabei kann es sich beispielsweise um einen entlang der Drehachse verlaufenden Bolzen handeln.

Vorzugsweise weist der Werkzeughalter zwei Schenkelabschnitte auf, zwischen denen das Rändelwerkzeug angeordnet ist, und einen die Schenkelabschnitte verbindenden Verbindungsabschnitt. Der Werkzeughalter hat also im Wesentlichen eine U-Form. Zweckmäßigerweise erstreckt sich der Verbindungsabschnitt radial weiter außen als das Rändelwerkzeug. Vorzugsweise ist das Achselement in oder an den Schenkelabschnitten befestigt.

Es wird außerdem bevorzugt, wenn das Basiselement für jeden Werkzeughalter an einer Stirnseite, die senkrecht zur Mittelachse verläuft, eine Ausnehmung aufweist, in welcher der Werkzeughalter angeordnet ist. Die Ausnehmung kann mithin als mechanische Führung dienen, um die Position des Werkzeughalters - und damit mittelbar auch des Rändelwerkzeugs - zu definieren. Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Werkzeughalter gegen eine Wand der Ausnehmung zur Aufnahme von radialen Umform kräften abgestützt ist. Die Wand erstreckt sich dabei typischerweise tangential zur Mittelachse. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine Querbewegung des Werkzeughalters durch zwei parallel zur Radialrichtung verlaufende Wände der Ausnehmung gehemmt ist. Vorzugsweise sind die Rändelwerkzeuge durch Drehen ausgebildet. Dies ermöglicht eine aufwandsarme Fertigung der Rändelwerkzeuge und erhört die Ermüdungswiderständigkeit aufgrund von geringen Kerbspannungen. Dadurch wird gleichsam das übertragbare Drehmoment erhöht.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfah- ren zur Herstellung einer Rotorwelle für eine elektrische Maschine, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Umformvorrichtung, Bereitstellen eines Wellenkörpers, Durchführen einer Relativbewegung des Wellenkörpers und der Umformvorrichtung entlang der Mittelachse, sodass die Rändelwerkzeuge durch Umformen voneinander beabstandete achsparallele Rändelab- schnitte, die jeweils mehrere achsparallele Rändel umfassen, an der Oberfläche des Wellenkörpers ausbilden.

Vorzugsweise ist die Umformvorrichtung bei der Relativbewegung feststehend. Es kann aber auch der Wellenkörper bei der Relativbewegung feststehend sein. Es ist auch denkbar, bei der Relativbewegung sowohl die Umformvorrichtung als auch den Wellenkörper zu bewegen. Die Relativbewegung ist zweckmäßigerweise eine Linearbewegung.

Bevorzugt wird ein Wellenkörper verwendet, dessen Radius kleiner als der Radius der radialen Einbuchtungen zwischen einer Paar benachbarter Zähne ist und/oder größer als der Radius der radialen Erhebungen der Zähne ist. Mit anderen Worten können der Radius des Wellenkörpers und der Radius der radialen Erhebungen der Zähne überlappen. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Rotorwelle für eine elektrische Maschine, wobei die Rotorwelle durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten ist oder wenigstens drei voneinander beabstandete Rändelabschnitte aufweist, die jeweils mehrere achsparallele Rändel umfassen; wobei sich die Rändel radial weiter nach außen erstrecken als zwischen den Rändelab- schnitten liegende Abschnitte der Oberfläche der Rotorwelle. Die Rändelabschnitte erstrecken sich bevorzugt entlang eines Fügeabschnitts der Rotorwelle, der einen größeren Durchmesser als ein oder mehrere axial an den Fügeabschnitt anschließende weitere Abschnitte der Rotorwelle aufweist. Die Rotorwelle ist bevorzugt eine Hohlwelle. Die sich an den Fügeabschnitt anschließen- den weiteren Abschnitte sind typischerweise radial nach innen abgestuft.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Rotor für eine elektrische Maschine, umfassend eine erfindungsgemäße Rotorwelle und einen auf der Rotorwelle drehfest angeordneten Rotorkern.

Der Rotorkern ist zweckmäßigerweise ein Blechpaket. Vorzugsweise weist der Rotorkern eine Vielzahl von Magnettaschen auf, in denen vorzugsweise Permanentmagnete angeordnet sind. Der Rotorkern ist bevorzugt durch die Rändelabschnitte form- und/oder kraftschlüssig mit der Rotorwelle verbunden.

Es ist bei dem erfindungsgemäßen Rotor ferner vorteilhaft, wenn der Rotor mehrere Rotorpole aufweist und die Parität der Anzahl der Rotorpole und der Anzahl der Rändelabschnitte unterschiedlich ist. Dadurch kann im Wege der Vibrationsanalyse mittels einer Spektralanalyse erkannt werden, ob sich Vibrationen auf Un- wuchten des Rotorkerns oder auf Unwuchten der Rotorwelle zurückführen lassen. Denn aufgrund der unterschiedlichen Parität erzeugen Unwuchten der Rotorpole bzw. der Rändelabschnitte spektrale Anteile unterschiedlicher Ordnung.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird schließlich auch durch ein Ver- fahren zu Vibrationsanalyse eines Rotors gelöst, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Rotors, Rotieren des Rotors um seine Rotorwelle, Erfassen mechanischer Schwingungen wegen des Rotierens, Durchführen einer Spektralanalyse der erfassten mechanischen Schwingungen, wobei aus Spektralkomponenten gerader, insbesondere zweiter, Ordnung auf die Rotorpole als Vibrationsquelle und aus Spektralkomponenten ungerader, insbesondere dritter, Ordnung auf die Rotorwelle als Vibrationsquelle geschlossen wird. Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung;

Fig. 2 eine Draufsicht der in Fig. 1 gezeigten Umformvorrichtung;

Fig. 3 eine geschnittene Darstellung eines Rändelwerkzeugs und eines Werkzeughalters der in Fig. 1 gezeigten Umformvorrichtung;

Fig. 4 eine perspektivische Detailansicht eines Rändelprofils des Rändelwerkzeug;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Rotorwelle;

Fig. 6 eine geschnittene Darstellung der in Fig. 5 gezeigten Rotorwelle;

Fig. 7 eine Detailansicht eines Rändelabschnitts in Fig. 5 gezeigten Rotorwelle; und

Fig. 8 eine geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Rotors.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Umformvorrichtung 1 zum Herstellen einer gerändelten Rotorwelle für eine elektrische Maschine, wobei Fig. 1 eine perspektivische Ansicht und Fig. 2 eine Draufsicht ist.

Die Umformvorrichtung umfasst ein Basiselement 2 in Form einer Montageplatte. Das Basiselement weist eine Durchgangsöffnung 3 mit einer Mittelachse 4 für die Rotorwelle und drei als Drehteile ausgebildete Rändelwerkzeuge 5 auf. Die Rändelwerkzeuge 5 sind jeweils um eine tangential zur Mittelachse 4 verlaufende Drehachse 6 drehbar bezüglich des Basiselements 1 gelagert und weisen ein in die Durchgangsöffnung 3 reichendes Rändelprofil 7 auf. Die Rändelwerkzeuge 5 sind in Umfangsrichtung um die Mittelachse 4 äquidistant zueinander angeordnet, mithin um einen Winkel von 120° zueinander versetzt.

Fig. 3 ist eine geschnittene Darstellung eines der Rändelwerkzeuge 5 und eines Werkzeughalters 8 entlang einer Schnittebene A-A in Fig. 2. Fig. 4 ist eine per- spektivische Detailansicht des Rändelprofils 7.

Ersichtlich weist das Rändelprofil 7 mehrere Zähne 10 auf, wobei vorliegend exemplarisch fünf Zähne 10 vorgesehen sind. Zwischen einem jeweiligen Paar benachbarter Zähne 10 befinden sich radiale Einbuchtungen 11, die entlang eines Radius TR verlaufen, der größer als ein Radius der Durchgangsöffnung 3 ist. Entsprechende radial äußere Erhebungen 12 der Zähne verlaufen entlang eines Radius Gk, der kleiner als ein Radius der Durchgangsöffnung 3 ist. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Rändel bei der zu fertigenden Rotorwelle weiter nach außen erstrecken als nicht von den Rändelwerkzeuge 5 erfasste Bereiche der Ro- torwelle, indem Wellenmaterial, in das Zähne 10 einwirken, radial nach außen bis zu den Einbuchtungen 11 hin verdrängt wird.

Wieder mit Bezug zu Fig. 1 und Fig. 2 ist ein jeweiliges Rändelwerkzeug 5 in einem der insgesamt drei Werkzeughalter 8 angeordnet. Der Werkzeughalter 8 ist mittels eines Befestigungsmittels 13, hier exemplarisch einer Schraube, am Basiselement befestigt. Der Werkzeughalter 8 weist ein feststehendes Achselement 14 (siehe auch Fig. 3) auf, welches das Rändelwerkzeug 5 drehbar lagert. Vorliegend ist das Achselement 14 exemplarisch durch ein Bolzen ausgebildet. Der Werkzeughalter 8 selbst weist zwei Schenkelabschnitte 15, 16 auf, zwischen denen das Rändelwerkzeug 5 angeordnet ist, und einen die Schenkelabschnitte 15, 16 verbindenden Verbindungsabschnitt 17. Dabei durchdringt das Befestigungsmittel 13 den Verbindungsabschnitt 17. Der Werkzeughalter 8 hat mithin eine U-Form, wobei das Achselement 14 an den Schenkelabschnitten 15,

16 befestigt ist. Im Basiselement 2 ist daneben für jeden Werkzeughalter 8 an einer Stirnseite 19, die senkrecht zur Mittelachse 4 verläuft, eine Ausnehmung 18 vorgesehen, in welcher der Werkzeughalter 8 angeordnet ist. Die Ausnehmung 18 dient dabei als mechanische Führung, um die Position des Werkzeughalters 8 und damit mittelbarauch die Position des Rändelwerkzeugs 5 zu definieren. Der Werkzeughalter 8 wird dabei gegen eine Wand 20 der Ausnehmung 18 abgestützt, die tangential zu Mittelachse 4 verläuft, um radiale Umformkräfte aufzunehmen. Au- ßerdem werden Querbewegung des Werkzeughalters 8 durch zwei parallel zur Radialrichtung verlaufende Wände 21, 22 gehemmt.

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Rotorwelle 50.

Die Rotorwelle 50 weist drei voneinander beabstandete Rändelabschnitte 51 auf, von denen in Fig. 5 zwei verdeckt sind. Die Rändelabschnitte 51 werden im Rahmen eines Verfahren zur Herstellung der Rotorwelle 50 durch Bereitstellung einer der Umformvorrichtung 1 entsprechenden Umformvorrichtung (hier jedoch mit neun Zähnen 10) und eines ungerändelten Wellenkörpers erzeugt. Dabei wird eine Relativbewegung des Wellenkörpers und der Umformvorrichtung 1 entlang der Mittelachse 4 durchgeführt wird, sodass die Rändelwerkzeuge 5 durch Umformen die voneinander beabstandeten achsparallelen Rändelabschnitte 51 erzeugen. Zwischen den Rändelabschnitten 51 befinden sich ungerändelte Abschnitte 52.

Die Rändelabschnitte 51 sind dabei lediglich auf einem zur Ausbildung einer Welle-Nabe-Verbindung vorgesehenen Fügeabschnitt 53 der Welle 50 ausgebildet. An beide Enden des Fügeabschnitts 53 schließen sich axial weitere Ab- schnitte 54, 55 der Rotorwelle 50 an. Die Abschnitte 54, 55 sind radial nach innen gestuft. In Fig. 5 ist ferner zu erkennen, dass die Rotorwelle 50 eine Hohlwelle ist. Fig. 6 ist eine geschnittene Darstellung der in Fig. 5 gezeigten Rotorwelle 50.

In ihren ungerändelten Abschnitten 52 weist die Rotorwelle 50 im Fügeabschnitt 53 ein Radius rs auf. Dieser Radius rs ist kleiner als der in Fig. 3 gezeigte Radius TR und größer als der in Fig. 3 gezeigt Radius r«. Mit anderen Worten überlappen sich die Radii rs und GK.

Fig. 7 ist eine Detailansicht eines Rändelabschnitts 51. Ersichtlich weist jeder Rändelabschnitt 51 eine Vielzahl von Rändeln 53 auf, wobei ein Rändelwinkel im vorliegenden Beispiel 90° beträgt. Durch die zuvor beschriebene Wahl der Radii und GK wird erreicht, dass durch bloßes Umformen die Rän- del 53 weiter nach außen reichen und sich weiter nach innen erstrecken als der Radius rs.

Fig. 8 ist eine geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Rotors 100.

Der Rotor 100 umfasst die Rotorwelle 50 und einen durch ein Blechpaket ausgebildeten Rotorkern 101. Die Rotorwelle 50 und der Rotorkern 101 sind durch eine im Fügeabschnitt 53 ausgebildete Welle-Nabe-Verbindung form- und kraftschlüssig miteinander verbunden. Zum Herstellen der Welle-Nabe-Verbindungen wird die Rotorwelle 50 in Axialrichtung in den Rotorkern 101 eingeführt, sodass die Rändelabschnitte 53 durch Umformen und/oder Schneiden Material des Rotorkerns 101 verdrängen.

Innerhalb des Rotorkerns 101 sind eine Vielzahl von Permanentmagneten (nicht gezeigt) angeordnet, die eine gerade Anzahl, beispielsweise vier oder acht, Rotorpole des Rotors 100 ausbilden. Ersichtlich ist die Parität der Anzahl der Rotorpole ungleich der Anzahl der Rändelabschnitte 51 , welche vorliegend drei beträgt.

Beim rotierenden Betrieb des Rotors 100 können so im Rahmen eines Verfahrens zur Vibrationsanalyse mechanische Schwingungen während des Rotierens erfasst werden, welche einer Spektralanalyse unterzogen werden. Aufgrund der unterschiedlichen Parität kann anhand von Spektralkomponenten zweiter Ordnung auf die Rotorpole als Vibrationsquelle und aus Spektralkomponenten dritter Ordnung auf die Rotorwelle 50 als Vibrationsquelle geschlossen werden.