Titel Verfahren zum Unwuchtausgleich an topfförmigen Rotoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unwuchtausgleich an topfförmigen Rotoren von elektrischen Maschinen, wobei mindestens ein Ausgleichsgewicht an einer Topfwand des Rotors befestigt wird, sowie ein entsprechendes Ausgleichsgewicht.

Stand der Technik

Im Stand der Technik erfolgt der Unwuchtausgleich an bekannten Rotoren durch das Reduzieren von Masse, beispielsweise durch Bohren oder Fräsen, oder durch das Hinzufügen von Masse, nämlich einem, Kleben, Klammern, Verbinden des Rotors mit Ausgleichsgewichten, bevorzugt genormten Ausgleichsgewichten, und/oder dem Ausfüllen von Hohlräumen. Die Beständigkeit des Unwuchtausgleichs muss hier bei höchsten mechanischen, thermischen und chemischen Anforderungen entsprechen. Bezüglich der Taktzeit zur Durchführung des Unwuchtausgleichs muss Serientauglichkeit bestehen, insbesondere durch kurze Taktzeit, ferner muss eine gewisse Resistenz gegenüber Verunreinigungen durch abgetragenes oder hinzugefügtes Material bestehen. Das Verfahren darf die Funktion des Rotors nicht beeinträchtigen, insbesondere dürfen Geräuschentwicklung und Magnetfeldausbildung nicht beeinträchtigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Unwuchtausgleich für topfförmige Rotoren von elektrischen Maschinen bereitzustellen, der die genannten Forderungen erfüllt und eine sehr kurze Taktzeit und preisgünstige, prozesssichere Durchführung ermöglicht.

Offenbarung der Erfindung Hierzu wird ein Verfahren zum Unwuchtausgleich an topfförmigen Rotoren von elektrischen Maschinen vorgeschlagen, wobei mindestens ein Ausgleichsgewicht an einer Topfwand des Rotors befestigt wird. Es ist vorgesehen, dass die Befestigung mittels Widerstandsbuckelschweißen erfolgt. Der Unwuchtausgleich erfolgt demzufolge nicht durch Reduktion von Masse an vorberechneten Stellen, also durch Bohren oder Fräsen oder andere insbesondere spanabhebende Bearbeitung. Der Unwuchtausgleich erfolgt vielmehr durch das Hinzufügen von Masse, nämlich durch das Befestigen des Ausgleichsgewichts an der Topfwand des Rotors, wobei diese Befestigung mittels Widerstandsbuckelschweißen erfolgt. Widerstandsbuckelschweißen ist ein Schweißverfahren für elektrisch leitfähige Werkstoffe auf Basis der Jouleschen Stromwärme eines durch die Verbindungsstelle fließenden elektrischen Stromes, wobei die Verbindungspartner im Bereich des Buckels, in dem die Anlage erfolgt, bis zum Aufschmelzen erhitzt werden. Nach dem Stromfluss entsteht durch die Wiedererstarrung der Schmelze eine Schweißverbindung im Stoffschluss. Die zur Verschweißung notwendige Stromdichte wird hierbei nicht durch zum Schweißen verwendete Elektroden, sondern durch die Formgebung der zu verschweißenden Bauteile erzielt.

Bevorzugt werden mindestens zwei Ausgleichsgewichte unter einem Spreizwinkel an der Topfwand befestigt. Bei Verwendung zweier Ausgleichsgewichte kann dem sogenannten Poka Yoke-Prinzip Rechnung getragen werden, wonach Einrichtungen und Vorrichtungen so zu gestalten sind, dass eine sofortige Fehleraufdeckung oder auch eine Fehlervermeidung erzielt wird. Der Gesamtunwuchtausgleich wird demzufolge durch zwei

Ausgleichsgewichte gebildet, nicht lediglich durch eines, das entsprechend seiner Positionierung besonders lagekritisch wäre. Bei Verwendung zweier Ausgleichsgewichte unter einem Spreizwinkel (relativ zur Drehachse des Rotors) ergibt sich eine deutlich geringere Fehleranfälligkeit in Hinblick auf die Anordnung der Ausgleichsgewichte. Ferner lässt sich mit nur wenigen, unterschiedlichen Normgewichten eine große Bandbreite an Unwuchtausgleichen darstellen. Es ist nicht für jeden Unwuchtfall ein eigenes, spezielles Gewicht erforderlich. Die Wuchtwirkung ergibt sich vielmehr als Funktion des Spreizwinkels bei gegebener Masse der Ausgleichsgewichte. Bevorzugt beträgt der Spreizwinkel zwischen etwas mehr als 0° und 180°. Der kleinstmögliche Spreizwinkel von etwas mehr als 0° ergibt sich dadurch, dass sich die beiden Ausgleichsgewichte nicht überlappen dürfen, sondern nebeneinander liegen, wodurch der kleinstmögliche Spreizwinkel von den Abmessungen der Ausgleichsgewichte abhängig ist. Bevorzugt werden hierzu zwei identische Ausgleichsgewichte verwendet, die als Normteile vorliegen. Die Wirkung hinsichtlich eines Unwuchtausgleichs ist bei kleinstmöglichem Spreizwinkel am höchsten und bei einem Spreizwinkel von 180° praktisch null. Im letzteren Fall heben sich die Wirkungen der beiden identischen Ausgleichsgewichte auf. Die Gesamtwirkung des Unwuchtausgleichs erfolgt hierbei in Richtung der Winkelhalbierenden des Spreizwinkels. Ist der Spreizwinkel beispielsweise δ, ergibt sich bei identischen Ausgleichsgewichten ein Unwuchtausgleich U _ges = 2 x U x cos δ/2. Werden beispielsweise zwei identische Stahlausgleichsgewichte von 5 g Gewicht verwendet, die beispielsweise Abmessungen von 22,9 x 14 x 1 ,5 mm aufweisen, und beträgt bei einem Radius von 93,5 mm die Unwucht U eines Bleches 467,5 gmm, kann durch Verändern des Spreizwinkels δ im Bereich von 10° bis 180° zwischen den beiden Gewichten eine Unwucht bis zu 930 gmm ausgeglichen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ausgleichsgewicht vor dem Schweißvorgang magnetisch gehalten. Das magnetische Halten des Ausgleichsgewichts für den Schweißvorgang erlaubt eine sehr kurze Taktzeit und macht zusätzliche Haltewerkzeuge wie Klammern oder Zangen entbehrlich. Das magnetische Halten kann auf eine solche Art und Weise geschehen, dass das Ausgleichsgewicht selbst magnetisiert ist und durch eigene Magnetwirkung an dem ferromagnetischen Rotortopf hält, bevorzugt aber wird das Ausgleichsgewicht durch ein mit mindestens einem Magneten versehenes Kunststoffteil positioniert und gehalten, das unter einer Schweißelektrode positioniert ist. Hierdurch kann insbesondere bewirkt werden, dass die Zuführung des Ausgleichsgewichts zur Verschweißung über oder mittels einer

Schweißelektrode erfolgt, nämlich durch das magnetische Gehaltenwerden. Erfolgt das Gehaltenwerden an der Schweißelektrode, ist darüber hinaus sichergestellt, dass keine unerwünschte Lageänderung zwischen Schweißelektrode und Ausgleichsgewicht mehr vorkommt. In einer bevorzugten Verfahrensausbildung ist vorgesehen, dass für Elektrodenflächen einer Schweißelektrode und einer Gegen kontaktelektrode ein mindestens das doppelte einer einen Widerstandsschweißbuckel ausbildenden Schweißkontaktfläche entsprechendes Maß gewählt wird. Dies bedeutet, dass die Schweiß- und Gegenkontaktelektroden zur Durchführung des

Widerstandsbuckelschweißens solche geometrischen Verhältnisse hinsichtlich ihrer Kontaktflächen aufweisen, dass die Kontaktflächen mindestens dem doppelten der der Verschweißung dienenden Kontaktfläche entspricht, wobei die der Verschweißung dienende Kontaktfläche, also die Schweißkontaktfläche, durch den deformierten Kugelabschnitt des Widerstandsschweißbuckels definiert ist. Auf diese Weise wird vermieden, dass es zu einer unerwünschten Erwärmung im Bereich des Elektroden beziehungsweise der Kontaktflächen der Elektroden kommt, da die Elektroden nur der Stromzuführung und der Krafteinbringung, nicht aber der direkten Hitzeeinbringung dienen. Die Hitzeentwicklung entsteht ausschließlich am Widerstandsschweißbuckel. Hierdurch wird eine genaue, definierte Lage der Schweißstelle erzielt und überdies sichergestellt, dass eine innige Verbindung bei vorgegebener Kraftaufbringung auf den erhitzten Widerstandsschweißbuckel im Zuge des Schweißvorgangs zu dem gewünschten, innigen Stoffschluss führt. Auf diese Weise wird die Prozesssicherheit und Haltbarkeit der Verschweißung sichergestellt.

Weiter wird ein Ausgleichsgewicht für einen Unwuchtausgleich an topfförmigen Rotoren von elektrischen Maschinen vorgeschlagen, wobei das Ausgleichsgewicht an einer Topfwand des Rotors befestigbar ist. Es ist vorgesehen, dass das Ausgleichsgewicht mindestens einen Widerstandsschweißbuckel aufweist. Das Ausgleichgewicht sieht mit dem mindestens einen Widerstandsschweißbuckel demzufolge mindestens eine geometrisch genau definierte Sektion vor, in der die Schweißverbindung mittels Widerstandsschweißen erfolgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass es den Widerstandsschweißbuckel mittig aufweist. Der Widerstandsschweißbuckel ist demzufolge mittig des Ausgleichsgewichts, insbesondere in seiner geometrischen Mitte bezüglich einer Flächenausdehnung, angeordnet. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Ausgleichsgewicht eine gebogene, der Kontur der Topfform angepasste Fläche aufweist. Hierdurch wird ein Einschmiegen in eine Innenmantelfläche (Topfinnenwand) des Rotors, nämlich im Bereich der inneren Topfwand, ermöglicht, ohne dass unerwünschte Freiräume und unerwünschte Abstände auftreten, die zu einer verminderten Wirkung des Unwuchtausgleichs führen könnten.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Ausgleichsgewicht als Plättchen ausgebildet. Ein Plättchen ist hierbei eine solche geometrische Ausbildung, die im Wesentlichen flächig erstreckt ist, also relativ zu Länge und Breite eine nur geringe Höhe (Stärke) aufweist. Hierdurch lässt sich das Widerstandsbuckelschweißen besonders leicht und schnell durchführen; ferner wird relativ wenig vom Bauraum im Innendurchmesser des Rotors in Anspruch genommen.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht das Ausgleichsgewicht aus Stahl. Beispielsweise kommen bevorzugt genormte Ausgleichsgewichte aus Stahl in Form von Stahlplättchen in Gewichten von etwa 3 g und etwa 5 g zum Einsatz, wobei diese beispielsweise Abmessungen von 15 x 18 x 1 ,5 oder 14 x 23 x 2,0 mm haben. Derartige Stahlplättchen lassen sich sehr leicht und billig und mit großer Serienkonstanz herstellen. Sie benötigen als Ausgleichsgewichte wenig Bauraum im Inneren des Rotors und sind in der vorstehend beschriebenen Verfahrensweise prozesstechnisch sicher und günstig beherrschbar. Für die gängigen Anwendungsfälle lassen sich hierbei alle relevanten Unwuchten an topförmigen Rotoren elektrischer Maschinen ausgleichen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus Kombinationen derselben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 eine Prinzipdarstellung des Unwuchtausgleichs mit zwei unter einem Spreizwinkel an der Topfwand befestigten

Ausgleichsgewichten,

Figur 2 ein erfindungsgemäßes Ausgleichsgewicht in Schnittdarstellung in

Höhe des Schweißbuckels und

Figur 3 eine Anwendungsdarstellung im Moment des Verschweißens des

Ausgleichsgewichts mit der Rotorwand.

Ausführungsform(en) der Erfindung

Figur 1 zeigt in prinzipieller Darstellung die Funktionsweise eines Unwuchtausgleichs U an einem topfförmigen Rotor 1 für eine nicht dargestellte elektrische Maschine, beispielweise einen Motorgenerator eines Hybridantriebs. Ausgehend von einer Drehachse 2 des Rotors 1 sind an dessen Topfwand 3 zwei gleich ausgebildete Ausgleichsgewichte 4 aufgebracht, die als Normteile 5 für eine besonders vereinfachte, prozesssichere und reproduktionsfähige Austauschfertigung hergestellt sind. Die Messung des Rotors 1 hat zuvor eine Unwucht ergeben, die durch den dargestellten gesamten Unwuchtausgleich U _ges auszugleichen ist. Die Anbringung nur eines Ausgleichsgewichts 4 zur alleinigen Bewirkung des gesamten Unwuchtausgleichs U _ges ist störanfällig in Hinblick auf schon kleine Abweichungen von der Sollposition an der Topfwand 3. Aus diesem Grund wird unter Anwendung der Poka Yoke-Prinzipien die Fehlertoleranz dieses Verfahrens erhöht, indem zwei Einzelunwuchtausgleiche U1 , U2 mittels zweier Ausgleichsgewichte 4, die identisch ausgebildet sind, vorgenommen werden. Gleichzeitig ergibt sich der Unwuchtausgleich U _ges als Funktion des Spreizwinkels bei gegebenen, identischen Ausgleichsgewichten. Die Richtung, in der der gesamte Unwuchtausgleich U _ges erfolgen muss, um den Rotor 1 unwuchtfrei zu bekommen, ist hierbei die Winkelhalbierende eines Spreizwinkels δ, in dem die beiden Ausgleichsgewichte 4 zur Bewirkung der Einzelunwuchtausgleiche U1 , U2 an einer Topfwandinnenseite 6 der Topfwand 3 anzubringen sind. Nach dem Messen der gesamten Unwucht erfolgt eine Aufteilung des entsprechenden, zu diesem Unwuchtausgleich erforderlichen theoretischen Einzelgewichts auf mindestens zwei Vektoren mit dem entsprechenden Spreizwinkel δ, so dass die gewünschte Gegenwirkung, nämlich der gesamte Unwuchtausgleich U _ges , zur festgestellten Unwucht erzielt wird. Der Spreizwinkel δ ergibt sich hierbei in Abhängigkeit von der gemessenen Unwucht und dem erforderlichen gesamten Unwuchtausgleich U _ges und den als Normteile 5 zur Verfügung stehenden Ausgleichsgewichten 4, wobei berücksichtigt werden muss, dass die Ausgleichsgewichte 4 in einem Spreizwinkel δ von maximal 180° angebracht werden können, wobei dann der zu erzielende gesamte

Unwuchtausgleich U _ges minimal, nämlich nahe null oder null ist (weil sich die Ausgleichsgewichte 4 dann diametral an der Topfinnenwand 6 gegenüberliegen). Es ergibt sich für die Ausbildung des gesamten Unwuchtausgleichs U _ges der Zusammenhang U _ges = 2 x U x cos δ/2.

Die Ausgleichsgewichte 4 werden an der Topfwandinnenseite 6 mittels eines Schweißverfahrens dauerhaft befestigt, insbesondere durch Widerstandsbuckelschweißen. Hierzu weisen die einzelnen Ausgleichsgewichte 4 an ihrer zur Topfwandinnenseite 6 gerichteten Ausgleichsgewichtsaußenseite 7 einen Widerstandsschweißbuckel 8 auf, der beim Verschweißen eine stoffschlüssige Verbindung mit der Topfwand 3 eingeht und das Ausgleichsgewicht 4 sicher an der vorgesehenen Stelle hält.

Für hier beschriebene Anwendungsfälle können beispielsweise folgende geometrische Randbedingungen, Massen und Prozessparameter Anwendung finden:

Als Ausgleichsgewichte 4 kommen Stahlgewichte mit 3 g und 5 g zum Einsatz, die in etwa Abmessungen von 15 x 18 x 1 ,5 oder 14 x 23 x 2 mm aufweisen, also als Plättchen 9 ausgebildet sind. Als Widerstandsschweißbuckel 8 kommt ein Kugelabschnitt mit einem Kugeldurchmesser von 7 bis 8 mm, insbesondere 7,4 mm, einem Innendurchmesser von 5,5 mm, und einer Höhenerhebung über die Plättchenoberseite von 1 bis 1 ,5 mm, vorzugsweise 1 ,22 mm zum Einsatz. Figur 2 zeigt ausschnittsweise vergrößert im Querschnitt auf Höhe des Widerstandschweißbuckels 8 ein Ausgleichsgewicht 4, das als Plättchen 9 ausgebildet ist. Dieses liegt in einer zur Verdeutlichung dargestellten Kontur 10 der Topfwand 3 an. Das Plättchen 9 weist zur besseren Passung nach Verschweißung eine der Kontur 10 der Topfwand 3 angepasste Fläche 11 auf, aus der, in Richtung der Topfwand 3, sich der Widerstandsschweißbuckel 8 erhebt. Dieser kann beispielsweise durch Umformen, insbesondere auch Kaltumformen wie etwa Stanzen, von der der Fläche gegenüberliegenden Rückseite 12 des Plättchens 9 mit einem entsprechenden Werkzeug unter Ausbildung einer Vertiefung 13 ausgebildet sein. Wesentlich ist, dass die Fläche 11 eine der Kontur 10 der Topfwand 3, insbesondere Topfinnenwand 6, angepasste Formgebung aufweist, damit nach dem Verschweißen, wenn also der Widerstandsschweißbuckel 8 mit der Topfwand 3 eine stoffschlüssige, innige Verbindung eingegangen ist, eine möglichst vollflächige Anlage des Plättchens 9 an der Topfwand 3 sichergestellt ist.

Figur 3 zeigt das Ausgleichsgewicht 4, nämlich das Plättchen 9 im Moment des Schweißvorgangs, wobei das Plättchen 9 von seiner Rückseite 12 her mit einer Schweißelektrode 14 bestromt wird, wobei eine Gegenelektrode 15 von der Topfwand 3 die Stromableitung vornimmt. Das Plättchen 9 wird unterhalb der Schweißelektrode 14 in unmittelbarer Gegenüberlage/Anlage zur Topfwand 3 von einem Kunststoffteil 16 gehalten, wobei das Kunststoffteil 16 insbesondere der winkelgerechten Positionierung des Plättchens 9 unterhalb der Schweißelektrode 14 und relativ zur Topfwand 3 dient. Die Haltekraft zum Halten des Plättchens 9 wird von einem Magneten 17, bevorzugt Elektromagnet 18 aufgebracht. Bei Bestromung des Plättchens 9 über die Schweißelektrode 14 wird gleichzeitig eine Schweißkraft F auf das Plättchen 9 über die Schweißelektrode 14 aufgebracht, wodurch sich das Plättchen im Bereich des nunmehr angeschmolzenen Widerstandsschweißbuckels 8 mit der in diesem Bereich ebenfalls angeschmolzenen Topfwand 3 verbindet. Die

Elektrodenflächen von Schweißelektrode 14 und Gegenelektrode 15 sind so gewählt, dass sie mindestens doppelt so groß sind wie die durch den Widerstandsbuckel in Anlage zur Topfwand 3 ausgebildete Schweißkontaktfläche 19. Hierdurch wird eine unerwünschte Erwärmung der Topfwand 3 und/oder des Plättchens 9 in anderen Bereichen als der Schweißkontaktfläche 19 vermieden. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Schweißverbindung tatsächlich nur im Bereich der Schweißkontaktfläche 19 (wie durch den Widerstandsschweißbuckel 8 vorgegeben) zustande kommt.