Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Kommutatorläufer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie ein Kalibrierverfahren für den Kommutatorläufer der elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Elektrischen Maschinen haben in der Regel mindestens einen Grundkörper aus einem lamellierten, weichmagnetischen Blechpaket, der eine Wicklung trägt. Der Grundkörper ist dabei Teil eines Stators beziehungsweise Ständers und/oder Teil eines Läufers beziehungsweise Ankers, wobei die Leiter der Wicklung in Nuten des Blechpaktes isoliert eingesetzt und miteinander verschaltet sind. Stator und Läufer wirken dabei über einen sogenannten Arbeitsluftspalt elektromagnetisch zusammen. Zur Vermeidung von Schwingungsgeräuschen der Wicklung sowie von Leiterbewegungen durch Zentrifugalkräfte an hochdrehenden Läufern ist es erforderlich, die Leiter in den Nuten möglichst zuverlässig zu fixieren. Zu diesem Zweck ist es allgemein bekannt, die Leiter in den Nuten durch ein Imprägnierharz zu fixieren. Dieses Verfahren ist jedoch nicht nur umweltbelastend, sondern erfordert auch erhebliche Anlageinvestitionen sowie Folgeprozessschritte zum Entfernen des Imprägnierharzes an verschiedenen Bereichen der Maschine, wie zum Beispiel am Kommutator, an den Lagerstellen und am Außenumfang des Läufers.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es aus der DE 100 49 699 Al bekannt, die Leiter in den Nuten eines Läuferblechpaketes von elektrischen Maschinen durch Verformungen des die Nutschlitze beidseitig begrenzenden Materials auf den Nutgrund zu drücken und so in ihrer Lage zu fixieren. Hierbei wird das die Nutschlitze beidseitig begrenzende Material der zwischen benachbarten Nutschlitzen ausgebildeten Zahnköpfe an allen Nutschlitzen gleichmäßig stark verformt, so dass der Kommutatorläufer anschließend in einem weiteren Arbeitsgang durch Abdrehen der äußeren Oberfläche des Läuferblechpaketes derart zentrisch zur Mittelachse der Läuferwelle kalibriert wird, dass ein guter Rundlauf mit gleich großem Arbeitsluftspalt über den gesamten umfang des Läufers erzielt wird.

Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, die Fixierung der Leiter in den Nuten des Läufers derart zu gestalten, dass damit ein zusätzlicher Arbeitsgang für die Läufer- Kalibrierung entfallen kann, der in der Regel in einem Abdrehen des Lamellenpaketes besteht.

Vorteile der Erfindung

Durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 9 ergibt sich der Vorteil, dass mit der Fixierung der Läuferwelle beim Verformen der Zahnköpfe des Kommutatorläufers mittels Kalibrierstempel diese Verformung gezielt auf einen vorgegebenen Abstand zur Mittelachse der Läuferwelle erfolgt. Dadurch wird der Läufer bezogen auf die Mittelachse der Läuferwelle hochgenau kalibriert und ein guter Rundlauf erzielt. Mit dem Fixieren der Leiter in den Nuten wird somit gleichzeitig das Kalibrieren des Kommutatorläufers durchgeführt. Aufgrund der Unsymmetrien des Grundkörpers werden dabei die Verformungen des zunächst am Umfang vorstehenden Materials an den Zahnköpfen in den meisten Fällen über den Umfang des Läufers unterschiedlich groß sein. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass hiermit das bisher erforderliche Abdrehen des Läufer-Grundkörpers entfällt und dass sich die erfindungsgemäße Verformung der Zahnköpfe ohne größeren Aufwand in bestehende Fertigungslinien integrieren lässt. Dies bewirkt eine deutliche Verkürzung der Herstell-Prozesskette. Ferner lässt sich hiermit ein erheblich einfacheres Auswuchten des Läufers erzielen, da gegebenenfalls nur eine über die Länge des Läufers ungleiche MaterialVerteilung, insbesondere an den Wickelköpfen, ausgewuchtet werden muss. Gegenüber den bisherigen unter Umständen mehrmaligen Auswucht- Arbeitsgängen wird hierdurch die Ausschussrate bei der Läuferherstellung deutlich verringert. Bei weniger hohen Anforderungen an den Gleichlauf des Läufers kann nunmehr sogar ganz auf ein Auswuchten verzichtet werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der in den Hauptansprüchen angegebenen Merkmale.

Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ergibt sich bei elektrischen Maschinen, deren Grundkörper ein auf der Maschinenwelle angeordnetes, trommeiförmiges Läufer- Blechpaket ist. Um dort beim Verformen der Zahnköpfe ein Auffächern der Bleche an den beiden Stirnseiten des - A -

Blechpakets zu vermeiden, wird in vorteilhafter Weise vor dem Verformen des die Nutschlitze beidseitig begrenzenden Materials der Zahnköpfe des Blechpaketes von seinen beiden Stirnseiten her durch ein Spannwerkzeug axial festgespannt.

Da das Material des als Blechpaket ausgebildeten Grundkörpers eine bestimmte Verformungselastizität aufweist, wird in zweckmäßiger Weise vorgeschlagen, dass die Stirnfläche des Kalibrierstempels von außen in Radialrichtung bis auf den Umfang des Soll-Durchmessers des Grundkörpers zuzüglich eines Material bedingten elastischen Rückfederweges bewegt wird. Damit ist sichergestellt, dass alle radial außenliegenden Flächen des die Nutschlitze begrenzenden Materials der Zahnköpfe auf die Wellenachse des Kommutatorläufers zentriert werden, zu ihr einen gleich großen Abstand haben und damit nach dem elastischen Auffedern beim Zurückbewegen des Kalibrierstempels auf den Umfang des Soll-Durchmessers des Grundkörpers verformt sind.

In einfachster Weise wird dabei die Kalibrierung mit nur einem Kalibrierstempel durchgeführt, indem durch schrittweises Drehen des Kommutatorläufers die Nutschlitze nacheinander von dem einen Kalibrierstempel durch das Material der benachbarten Zahnköpfe zumindest teilweise geschlossen werden. Eine verbesserte Ausführung ergibt sich dadurch, dass durch schrittweises Drehen des Kommutatorläufers die Nutschlitze von zwei einander diametral gegenüberliegenden Kalibrierstempeln gleichzeitig durch das Material der benachbarten Zahnköpfe zumindest teilweise geschlossen werden.

Beste Ergebnisse bezüglich Kalibrierung und Rundlauf erhält man jedoch dadurch, dass alle Nutschlitze gleichzeitig durch eine entsprechende Anzahl von sternförmig angeordneten Kalibrierstempeln durch Verformen des benachbarten Materials der Zahnköpfe zumindest teilweise geschlossen werden. Dabei wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dafür gesorgt, dass alle gleichzeitig von außen in Radialrichtung nach innen zugestellten Kalibrierstempel in der Endphase der Umformung des Materials der Zahnköpfe an den Nutschlitzen spielfrei aneinander zur Anlage kommen.

In einfachster Weise werden beim Kalibrieren des Läufers die elektrischen Leiter in den Nuten durch den beziehungsweise durch die Kalibrierstempel lediglich bis auf den Nutgrund gedrückt und durch Verformen des Materials der Zahnköpfe zu beiden Seiten der Nutschlitze in den Nuten fixiert. Das zu verformende Material bildet dabei zunächst an den Zahnköpfen radial nach außen vorstehende Lappen, so dass die elektrischen Leiter in die Nuten des Blechpaketes mit ihren auf diese Weise erweiterten Nutschlitzen leichter eingesetzt werden können. Beim Kalibrieren werden dann diese Lappen vom Kalibrierstempel mehr oder weniger stark radial nach innen gedrückt. Am Außenumfang des Läufers ergeben sich dadurch an den Zahnköpfen über den Umfang gesehen mehr oder weniger breite Verformungsmarken.

In Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, die Nutschlitze mit einem mehrstufigen Kalibrierstempel teilweise zu verschließen, wobei in einem ersten Schritt ein Prägestempel in den offen Nutschlitz eingesetzt und der mindestens eine Leiter auf ganzer Nutlänge der Form der Nut entsprechend verformt wird und danach in einem zweiten Schritt mit einem Verstemm-Stempel das den Nutschlitzen benachbarte Material der Zahnköpfe verformt wird. In einfachster Weise ist dabei der Prägestempel als Vorsprung an der Stirnseite des Kalibrierstempels ausgebildet. Alternativ kann jedoch der Prägestempel auch innerhalb des Kalibrierstempels unabhängig axial verschiebbar ausgeführt sein, so dass beim Nutversteirunen der Prägestempel zuvor aus dem Nutschlitz zurückbewegt wird.

Bei elektrischen Maschinen mit einem nach diesem Verfahren hergestellten Kommutatorläufer ergibt sich folglich eine zuverlässige Fixierung der elektrischen Leiter in den Nuten, eine Kalibrierung sowie ein guter Rundlauf des Kommutatorläufers dadurch, dass die radial außenliegenden Flächen des die Nutschlitze beidseitig begrenzenden Materials der Zahnköpfe bis auf den Soll-Durchmesser des Grundkörpers mittels Kalibrierstempel verformt sind. Dabei haben alle vom Kalibrierstempel verformten Flächen bezogen auf die Wellenachse des Kommutatorläufers einen gleich großen Abstand.

Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Kommutatorläufer einer'-'elektrischen Maschine mit genutetem Blechpaket beim Kalibrieren, teilweise im Längsschnitt, Figur 2 einen Ausbruch des Blechpakets im Querschnitt mit Nuten, elektrischen Leitern und Zahnköpfen vor dem Kalibriervorgang, Figur 3 zeigt den gleichen Ausbruch des Blechpakets beim Kalibrieren mit einem Kalibrierstempel als erstes Ausführungsbeispiel, Figur 4 zeigt das Blechpaket im Querschnitt mit zwei einander gegenüberliegenden Kalibrierstempeln als zweites Ausführungsbeispiel und Figur 5 zeigt das Blechpaket im Querschnitt mit ringsum angeordneten Kalibrierstempeln als drittes Ausführungsbeispiel. Figur 6 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen Ausbruch des Blechpaketes im Querschnitt mit einem zweistufigen Kalibrierstempel vor dem Kalibriervorgang, Figur 7 zeigt den gleichen Ausbruch mit dem Zweistufen- Kalibrierstempel beim Kalibriervorgang und Figur 8 zeigt einen Ausschnitt der Blechpaket-Oberfläche mit den verformten Zahnköpfen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein mit 10 bezeichneter Kommutatorläufer einer elektrischen Maschine teilweise im Längsschnitt dargestellt, der im vorliegenden Beispiel als Läufer eines Startermotors für Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen dient. Der Läufer 10 hat ein aus Blechlamellen gepresstes, trommeiförmiges Blechpaket 11, welches als Grundkörper auf eine Läuferwelle 12 aufgepresst ist. Das Blechpaket 11 hat an seinem Außenumfang gleichmäßig verteilt angeordnete Nuten 13 mit länglichem Querschnitt, die axial zur Läuferwelle 12 verlaufen. Der Läufer 10 wirkt über einen Arbeitsluftspalt mit einem nicht dargestellten, das Blechpaket 11 ringförmig umgebenden Stator der elektrischen Maschine zusammen. In den Nuten 13 sind elektrische Leiter 14 einer Läuferwicklung 15 eingesetzt, die aus haarnadelförmig gebogenen Wicklungselementen besteht und deren freie Enden an den Anschlussfahnen 16 eines Trommelkommutators 17 angeschlossen sind. Die Nuten 13 sind jeweils zum Außenumfang des Blechpaketes 11 und somit zum Arbeitsluftspalt hin auf ihrer axialen Länge mit einem Nutschlitz 18 versehen.

Mit Hilfe der Figur 1 wird nunmehr in Verbindung mit Figur 2 und 3 das Kalibrieren des Kommutatorläufers 10 näher erläutert. Dabei zeigt Figur 2 einen vergrößert dargestellten Ausbruch des Blechpaketes 11 im Querschnitt vor dem Fixieren der Leiter 14 in den Nuten 13 und Figur 3 zeigt den gleichen Ausbruch des Blechpaketes 11 beim Fixieren der Leiter 14 durch Verformung des die Nutschlitze 18 beidseitig begrenzenden Materials des Blechpaketes 11 mittels eines Kalibrierstempels 19. Am Blechpaket 11 sind zwischen den benachbarten Nuten 13 jeweils Zähne 20 angeordnet, deren äußeres Ende als Zahnkopf 21 ausgebildet ist. Die Zahnköpfe 21 haben in ihrer ursprünglichen Form gemäß Figur 2 beidseitig radial nach außen hochgestellte Lappen 22, welche die in ihrer ursprünglichen Form gemäß Figur 2 erweiterten Nutschlitze 18a beidseitig begrenzen.

Zum Kalibrieren des Kommutatorlaufers 10 werden nun zunächst an den freien Endabschnitten 12a, 12b der Läuferwelle 12 Stützringe 23 aufgesetzt, die in nicht dargestellter Weise von einer Kalibriervorrichtung 24 gehalten werden und somit die Läuferwelle 12 fixieren. Desweiteren wird nun das Blechpaket 11 von seinen beiden Stirnseiten her durch je ein Spannwerkzeug 25 aufgenommen, das sich in Richtung der Pfeile 27 axial bewegt und dabei das Blechpaket 11 axial festspannt. Dadurch wird sichergestellt, dass sich beim Kalibrieren des Blechpaketes deren äußere Blechlamellen nicht aufspreizen. In einem weiteren Schritt wird nun gemäß Figur 3 das die Nutschlitze 18 beidseitig begrenzende Material der Zahnköpfe 21 durch die Stirnfläche 19a des Kalibrierstempels 19 soweit von außen in Radialrichtung des Pfeiles 28 verformt, bis die Stempel-Stirnfläche 19a einen vorgegebenen Abstand X zur Mittelachse 29 der Läuferwelle 12 erreicht hat. Der Abstand X entspricht dabei nicht ganz dem halben Soll-Durchmesser des Blechpaketes 11, da aufgrund der materialbedingten Elastizität des Blechpaketes 11 beim Verformen die Stirnfläche 19a des Kalibrierstempels 19 in Radialrichtung von außen bis auf den Umfang des Läufer-Soll- Durchmessers zuzüglich eines elastischen Federweges bewegt wird. Mit dem Verformen der Zahnköpfe 21 werden gleichzeitig die lackisolierten, zunächst lose mit einer Nutisolation 30 in die Nuten 13 eingesetzten Leiter 14 von den Lappen 22 der Zahnköpfe 21 erfasst, zum Nutgrund hin gedrückt und schließlich in den Nuten 13 fixiert. Dabei wird der Nutschlitz 18 teilweise geschlossen. Um das elastische Auffedern des die Nutschlitz 18 beidseitig begrenzenden Materials der Lappen 22 beim Zurückbewegen des Kalibrierstempels 19 möglichst gering zu halten und um ferner sicher zu stellen, dass bei dieser Verformung die Lappen 22 der Zahnköpfe 21 zum Fixieren der Leiter 14 zur Nut hin gedrückt werden, ist an den Zähnen 20 unterhalb der Lappen 22 jeweils eine Einschnürung 31 ausgebildet, die ein gezieltes Umlegen der Lappen 22 auf den jeweils oberen Leiter 14 erleichtert.

Das Kalibrieren eines Kommutatorläufers 10 mittels Kalibrierstempel 19 kann auf verschiedene Weise erfolgen. Nach dem ersten Ausführungsbeispiel ist gemäß Figur 3 nur ein einziger Kalibrierstempel 19 vorgesehen, mit dem durch ein schrittweises Drehen des Kommutatorläufers 10 in Richtung des Pfeiles 32 die Nutschlitze 18 nacheinander von dem einen Kalibrierstempel 19 durch das Material der Lappen 22 der benachbarten Zahnköpfe 21 teilweise geschlossen werden. Die Verformkräfte des Kalibrierstempels 19 werden dabei von den Stützringen 23 aufgenommen, in die die Endabschnitte der Läuferwelle 12 eingesetzt sind. Die Stützkraft ist dabei in Figur 3 durch den Pfeil 33 dargestellt. Damit ist zugleich sichergestellt, dass das Blechpaket 11 zur Mittelachse der Läuferwelle 12 kalibriert wird.

Figur 4 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel den Querschnitt durch den Kommutatorlaufer 10, wobei dort in einer nicht näher dargestellten Kalibriervorrichtung zwei einander diametral gegenüberliegende Kalibrierstempel 19 vorgesehen sind. Das Blechpaket 11 befindet sich hier zwischen den zwei Kalibrierstempeln 19 und ist ebenfalls an den Endabschnitten der Läuferwelle 12 über die Stützringe 23 bezüglich der Mittelachse 29 der Läuferwelle 12 fixiert. Dort werden die Nutschlitze 18 durch schrittweises Drehen des Kommutatorläufers 10 mit den einander gegenüberliegenden Kalibrierstempeln 19 durch das Verformen des Materials der benachbarten Zahnköpfe 21 teilweise geschlossen. Auch hier wird jeder Kalibrierstempel 19 auf den vorgegebenen Abstand X der Stempel-Stirnfläche 19a zur Mittelachse 29 der Läuferwelle 12 in Richtung des Pfeiles 28 radial nach innen gedrückt.

Figur 5 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel den Querschnitt durch das Blechpaket 11, bei dem das Kalibrieren des Kommutatorläufers 10 sowie das Fixieren der elektrischen Leiter 14 in ihren Nuten 13 gleichzeitig über den ganzen Umfang des Kommutatorläufers 10 erfolgt, indem dort alle Nutschlitze 18 gleichzeitig durch eine entsprechende Anzahl von sternförmig angeordneten Kalibrierstempeln 19 durch Verformen des Materials der benachbarten Zahnköpfe 21 teilweise geschlossen werden. Dabei ist erkennbar, dass in der Endphase der Umformung des Materials der Zahnköpfe 21 an den Nutschlitzen 18 alle von außen in Radialrichtung nach innen zugestellten Kalibrierstempel 19 spielfrei aneinander zur Anlage kommen. Dadurch wird mit der Kalibrierung bezogen auf die Mittelachse 29 der Läuferwelle 12 ein hochgenauer Rundlauf des Kommutatorläufers 10 erreicht.

Die Figuren 6 und 7 zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel einen Ausbruch des Blechpaketes 11 im Querschnitt und in vergrößerter Darstellung, bei dem ein gegenüber den bisherigen Ausführungen abgewandelter Kalibrierstempel 34 verwendet wird, der mehrstufig arbeitet. Der Kalibrierstempel 34 hat an seiner vorderen Stirnfläche einen über die gesamte Länge des Blechpaketes 11 vorspringenden Kopf 35, der als Prägestempel dient. Beidseitig dazu zurückgesetzt hat der Kalibrierstempel 34 Schultern 36, die als Verstemm-Stempel für die Nutschlitze 18 dienen. Zum Kalibrieren des Kommutatorläufers 10 wird der Kalibrierstempel 34 in Richtung des Pfeiles 28 von außen in Radialrichtung auf den darunter liegenden Nutschlitz 18 des Blechpaketes 11 bewegt. Dabei ragt gemäß Figur 6 der Kopf 35 in den Nutschlitz 18.

In einem ersten Schritt werden nun die Leiter 14 auf ganzer Nutlänge vom Kopf 35 in eine dem Nutquerschnitt sich anpassende Form geprägt. Bei der weiteren Stempelbewegung in Radialrichtung werden sodann gemäß Figur 7 in einem zweiten Schritt mit den beidseitigen Schultern 36 die Lappen 22 der Zahnköpfe 21 zu beiden Seiten des Nutschlitzes 18 erfasst und gegen den oberen Leiter 14 gedrückt. Dabei wird der Nutschlitz 18 teilweise geschlossen und die Leiter 14 werden in der Nut 13 fixiert. Auch hier wird der Kalibrierstempel 34 zum Kalibrieren des Kommutatorläufers 10 exakt bis auf den vorgegebenen Abstand der die Stirnfläche des Stempels bildenden Schultern 36 zur Mittelachse der Läuferwelle zugestellt, so dass beim Zurückfahren des Stempels die außenliegenden Flächen der Lappen 22 über die ganze Länge des Blechpaketes 11 auf dem Umfang des Soll-Durchmessers vom Kommutatorläufer 10 liegen. Mit dem Verprägen der Leiter 14 in einem mehrstufigen Arbeitsgang zum Kalibrieren des Kommutatorläufers 10 wird ein höherer Nutfüllfaktor erreicht und damit das sogenannte Leistungsgewicht der elektrischen Maschine verbessert.

In Abwandlung des Kalibrierstempels 34 nach Figur 6 und 7 ist es ebenso möglich, anstelle des Kopfes 35 einen unabhängig vom Kalibrierstempel arbeitenden Prägestempel zu verwenden, der im Kalibrierstempel 35 geführt wird und zunächst die Leiter 14 in der Nut 13 verprägt. Danach kann dann der Prägestempel zurückgezogen werden und mit dem anschließenden Verformen der Lappen 22 durch die Schultern 36 des Kalibrierstempels 34 können gegebenenfalls die Nutschlitze 18 nahezu vollständig geschlossen werden.

Da das Lamellen-Blechpaket 11 auf den mittleren Abschnitt der Läuferwelle 12 aufgepresst wird, ergeben sich üblicherweise axiale Toleranzen zwischen Läuferwelle und Blechpaket, so dass sich auch über die axiale Länge des Blechpaketes leichte Versetzungen der Blechlamellen zueinander ergeben. Mit der erfindungsgemäßen Verformung des Materials der Zahnköpfe 21 zu beiden Seiten der Nutschlitze 18 können nunmehr die Form- und Lagetoleranzen der Blechlamellen bezogen auf die Lagerstellen der Läuferwelle eliminiert und damit ein hochgenauer Rundlauf mit gegebenenfalls geringen Unwuchten erzielt werden.

Figur 8 zeigt in einem Ausschnitt die Oberfläche des Blechpaketes 11 mit mehreren verformten Zahnköpfen 21, mit denen die Nutschlitze 18 beim Kalibrieren teilweise verschlossen würden. Dabei ist erkennbar, dass die beim Kalibrieren durch die Kalibrierstempel 19 beziehungsweise 34 entstandenen Verformmarken 37 der Nutköpfe 21 zu beiden Seiten Nutschlitze 18 sowohl über die axiale Länge des Blechpaketes 11 als auch und insbesondere über dessen Umfang unterschiedlich breit ausgebildet sind. Diese Verformmarken 37 bilden radial außenliegende Flächen der Lappen 22 an den Zahnköpfen 21, die bis auf den Soll-Durchmesser des Blechpaketes 11 verformt sind.