SI24532A - Adaptivo lasersko spajanje statorskih in rotorskih lamel - Google Patents

Abstract

Predmet izuma sta naprava in postopek adaptivnega laserskega spajanja statorskih in rotorskih lamel, ki omogoča manjšo porabo energije za spajanje posameznih lamel. Za zaznavanje točke spajanja se uporablja senzor (4), ki preko filtra (5) oddaja signal na prvi mikrokontroler (7), kjer pride do obdelave signala, ki je nato poslan na drugi mikrokontroler (8), ki poskrbi za pravilno proženje, zakasnitev ali modulacijo laserskega žarka. Programska oprema mikrokontrolerjev nam omogoča poljubno modulacijo kontinuirnega žarka preko nastavljivih parametrov oziroma proženje poljubnega števila posameznih bliskov na eno režo. Sistem omogoča uporabo tako bliskovnega kot tudi kontinuirnega laserskega izvora (11).

Description

Adaptivno lasersko spajanje statorskih in rotorskih lamel

Predmet izuma sta naprava in postopek adaptivnega laserskega spajanja statorskih in rotorskih lamel, ki sodi v področje varilnih laserskih tehnologij in se uporablja za spajanje posameznih tankih elektropločevin oziroma lamel v kompaktne statorske in rotorske pakete za uporabo v elektromotorjih.

Znane rešitve za spajanje statorskih in rotorskih lamel v kompaktne pakete se delijo na več različnih področij, odvisno od uporabljene tehnologije.

Posamezne lamele lahko spojimo v kompaktne pakete z uporabo t.i. interlocking sponk, ki jih opisujejo recimo patenti US6223417, US6018207 in EP0082537. Interlocking sponke imajo to slabost, da vplivajo na elektromagnetne lastnosti paketov in da pri tanjših debelinah lamel ne opravljajo svoje naloge. Poleg tega je potrebno izdelavo sponk vključiti v sam proces štancanja, zaradi česar so orodja za izdelavo posameznih lamel zahtevnejša.

Lamele lahko spojimo z uporabo posebnih dvokomponentnih lepil, kar je opisano v patentu WO/2013/135378 in EP1833145. Omenjeni postopek je zapleten, pakete pa je potrebno segreti nad določeno temperaturo.

Postopek, ki je podoben uporabi dvokomponentnih lepil, je uporaba elektropločevine premazane s posebnim lakom, ki pri povišani temperaturi in tlaku poveže posamezne lamele v kompakten paket. Podrobnosti omenjenega postopka so opisane v patentu W02006049935. Čeprav je postopek enostavnejši od uporabe dvokomponentnih lepil, je glavna slabost predvsem ta, da je potrebno pakete stisniti na določeno silo in jih segreti na določeno temperaturo za določen čas.

Posamezne lamele lahko spojimo z uporabo klasičnih načinov varjenja, običajno z uporabo TIG laserskega postopka. Slabost omenjenega postopka je v velikosti izdelanih zvarov, ki prav tako kot interlocking sponke občutno poslabšajo elektromagnetne lastnosti celotnega paketa. Pri

-2uporabi visokolegiranih elektropločevin pa je TIG postopek neuporaben, saj je spajanje otežkočeno zaradi višjih deležev silicija in aluminija v elektropločevini.

Uporaba laserja tako v kontinuirnem kot tudi bliskovnem načinu je še najboljša in najenostavnejša možnost spajanja posameznih lamel v kompaktne pakete. Pri tem se lasersko varjenje vedno začne na začetku in se neprekinjeno vari do konca paketa. Pri tem varjenje poteka prečno preko vseh lamel. Patenti, ki pokrivajo to področje, so recimo: US20130154434, JPS5538640. Slabosti omenjenega načina so, da zvar vpliva na elektromagnetne lastnosti paketa in da še vedno porabimo veliko energije za taljenje celotne stranske površine lamele.

Tehnični problem, ki v vseh dosedanjih načinih in patentih ni zadovoljivo rešen je, da so vsi uporabljeni postopki za spajanje lamel v statorske ali rotoske pakete zahtevni, na primer uporaba lepila ali laka, vplivajo na elektromagnetne lastnosti, na primer pri laserskem in klasičnem varjenju ali interlocking-u, ali pa so neizvedljivi na tanjših lamelah kot na primer pri interlocking-u. Klasično lasersko spajanje je sicer najenostavnejši postopek, toda še vedno poteka varjenje po celotni stranski ploskvi statorskega ali rotorskega paketa. Na ta način se porabi mnogo več energije za izdelavo zvarov tudi na mestih, kjer varjenje ni potrebno in s tem se posledično vpliva na elektromagnetne lastnosti statorskega ali rotorskega paketa.

Naloga in cilj izuma adaptivnega laserskega spajanja statorskih in rotorskih lamel sta izdelati napravo in postopek, ki bo spajanje posameznih lamel izvajal le na mestu, kjer je spoj potreben, tj. na dotiku med posameznimi lamelami. Na ostalih delih stranske ploskve pa varjenja ne bo, s čimer se posredno pripomore k izboljšanju elektromagnetnih lastnosti statorskega ali rotorskega paketa. Spajanje je prav tako manj energijsko zahtevno, saj se material pretali le na določenih mestih oziroma je volumen pretaljenega materiala mnogo manjši.

PODROBEN OPIS IZUMA

Predložen izum bo opisan s pomočjo izvedbenega primera in slik, ki prikazujejo:

-3Slika 1 - prikazuje shemo naprave adaptivnega laserskega spajanja

Slika 2 - prikazuje programske nastavitve

Slika 3 - prikazuje nekatere možne oblike modulacije kontinuirnega laserskega žarka

Naprava adaptivnega laserskega spajanja statorskih in rotorskih lamel, kije predstavljena na sliki 1, je sestavljena iz treh glavnih sklopov. Prvi sklop vključuje senzor 4, ki opazuje/nadzoruje vzorec 1, to je statorski ali rotorski paket in oddaja analogni/digitalni signal na filter 5. Vzorec 1 se premika s pomočjo pomične mizice 2, ki sejo nadzira s procesnim računalnikom 3. Senzorje lahko katerikoli senzor, kot na primer laserski senzor, video kamera, itd., ki je sposoben brezdotično zaznati posamezne lamele oziroma reže med njimi. Senzor mora biti sposoben zaznati reže med posameznimi lamelami, ki so tipično velikostnega reda do 50 pm. Prva stopnja nadzora zaznavanja je izvedena preko osciloskopa 6 ali temu primerne naprave, ki je povezana na filter 5. Filter 5 poskrbi za odstranitev šuma v signalu senzorja 4. Pred uporabo je potrebno senzor 4 pravilno nastaviti. Pri nastavitvi, ki poteka ročno, se spreminja območje zaznavanja in se tako odstrani večji del signala, poudari pa se sprememba signala v območju reže. Drugi sklop predstavlja kontrolna enota 10, ki je sestavljena iz prvega mikrokontrolerja 7, drugega mikrokontrolerja 8 in releja 9 ali digitalno/analognega pretvornika 9a. Tretji sklop naprave pa predstavlja katerikoli bliskovni ali kontinuirni laser 11, ki ima omogočeno zunanje krmiljenje posameznih bliskov ali modulacijo kontinuirnega laserskega žarka preko kontrolne enote 10.

Naprava za zaznavanje točke spajanja torej uporablja senzor 4, ki preko filtra 5 oddaja signal na prvi mikrokontroler 7, kjer pride do obdelave signala, ki je nato poslan na drugi mikrokontroler 8, ki preko releja 9 ali digitalno/analognega pretvornika 9a poskrbi za pravilno proženje, zakasnitev ali modulacijo laserskega žarka in s tem do zvarjenja na točno določeni točki.

Ključne faze postopka, ki vključujejo procesiranje in obdelavo posameznih signalov, ki krmilijo pozicioniranje senzorja 4, ustrezno proženje laserskih bliskov ali zakasnitev ali modulacijo laserskega žarka, so predstavljene v nadaljevanju. Vzorec 1 je sestavljen iz večjega števila

-4posameznih lamel, ki so običajno debele med 0,2 in 0,65 mm. Med posameznimi lamelami je tanka reža, običajno debeline med 10 do 20 % osnovne debeline lamel. Režo se zazna s senzorjem 4, ki mora biti pravilno nastavljen. Pri tem je najpomembnejše, da se na senzorju 4 pravilno nastavi območje zaznavanja, ki opravlja nalogo prvega filtra. Senzor 4 oddaja analogni ali digitalni signal na filter 5, ki poskrbi za odstranitev višjih frekvenc. Tako pripravljen signal nadziran s pomočjo osciloskopa 6 ali osciloskopu podobne naprave, ki omogoča grafični prikaz signala, se pošlje v kontrolno enoto 10. Prvi mikrokontroler 7 v kontrolni enoti 10 sprejme signal. S posebno programsko opremo mikrokontroler 7 poskrbi za spremembo analognega signala v digitalnega pod določenimi pogoji, ki so vnaprej predpisani in pridobljeni na podlagi testiranja različnih debelin posameznih lamel. Programsko lahko nastavljamo prag in hitrost spremljanja signala ter zakasnitev po zadnji spremembi signala. Mikrokontroler 7 nato pošlje digitalni signal na mikrokontroler 8, ki poskrbi za zakasnitev prvotnega signala. Zakasnitev je potrebna zato, da se lahko pravilno pozicionira senzor 4 glede na režo v vzorcu 1, tako da se položaj senzorja 4 in položaj reže ujemata oziroma, da resnično zazna pravilno režo, in ne ene pred ali ene za položajem zaznavanja. Problem nastane zato, ker se meritve in proženja laserja ne izvajajo soosno v isti napravi.

Mikrokontroler 8 pa glede na naloženo programsko opremo opravlja še eno nalogo. V prvi različici, ki se uporablja pri uporabi bliskovnega laserja, mikrokontroler 8 signala ne spreminja več in poskrbi za pravilno proženje laserskih bliskov preko releja 9. Rele 9 je povezan s prožilnim sistemom na laserju 11, ki sproža posamezne bliske. Bliski povzročijo pretalitev materiala na mestu udarca bliska in posledično točkovno varjenje.

V drugi različici, ki je uporabljana za uporabo kontinuimega laserja, pa mikrokontroler 8 digitalni signal prejet iz mikrokontrolerja 7 spremeni v moduliran kontinuirni signal in ga pošlje na digitalno-analogni pretvornik 9a. Modulacija signala je izvedena preko vnaprej predpisanih parametrov, ki so nastavljeni programsko in omogočajo poljubne oblike modulacije. Parametri, ki jih je mogoče spreminjati, vključujejo nastavitev začetka varjenja (Pl, P3), konca varjenja (P2,

-5Ρ4), zakasnitev (D), spodnjo mejo laserske moči (Al) in zogrnjo mejo laserske moči (A2). Slika 2 prikazuje nastavljive parametre, medtem ko slika 3 prikazuje nekaj možnih oblik modulacije signala. Digitalno-analogni pretvornik 9 podobno kot rele 9 nato vpliva na kontinuirni laserski žarek in ga spreminja v skladu s programskimi nastavitvami. Za potrebe dodatnega nadzora pravilnega delovanja celotnega sistema sta drugi mikrokontroler 8 in rele 9 ali digitalno-analogni pretvornik 9a povezana z osciloskopom 6 ali drugo napravo, ki omogoča grafični prikaz signala.

Konkretno je potek varjenja opisan na primeru varjenja statorskega paketa. Na pomično mizico 2 se vpne vzorec 1, ki je statorski paket. Senzor 4 v tem trenutku zaznava samo polno površino. Požene se program na procesnem računalniku 3, ki poskrbi za konstantni premik pomične mizice 2 iz enega položaja, ki se začne na začetku vpenjalne priprave, do drugega položaja, ki se konča na drugi strani statorskega paketa 1 oziroma na koncu statorskega paketa 1. Zaradi premikanja statorskega paketa 1 je senzor 4 na napravo pritrjen tako, da zazna režo nekaj 10 ms pred položajem varjenja. Torej senzor 4 prehiteva varilni laser 11, da je vmes omogočena obdelava signala prejetega iz senzorja 4. V trenutku, ko senzor 4 zazna režo med lamelami na statorskem paketu, se spremeni oblika izhodnega signala na senzorju 4. Signal potuje od senzorja 4 preko filtra 5 na mikrokontroler 7, kjer se pretvori v digitalni signal. Digitalni signal potuje na mikrokontroler 8, kjer ga ustrezno zakasnimo in/ali moduliramo, nato pa signal potuje na rele 9 ali digitalno/analogni pretvornik 9a, ki kontrolira laser. Izhodni signal nato proži posamezne bliske ali pa modulira kontinuirni signal. Celotni cikel se ponavlja približno 10.000-krat na sekundo, tako da lahko varjenje poteka brez prekinitev pri pomikanju statorskega vzorca 1.

Claims (4)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Postopek adaptivnega laserskega spajanja statorskih in rotorskih lamel, kjer lasersko spajanje posameznih lamel poteka samo na stiku dveh medsebojnih lamel, označen s tem, da vključuje:

   - zaznavanje posamezne reže med lamelami s senzorjem (4) v realnem času;

   - na podlagi signala senzorja (4) proženje posameznega laserskega bliska ali

   -na podlagi signala senzorja (4) izvedba programske modulacije signala z vnaprej določenimi parametri in se z moduliranim signalom krmili kontinuirni laserski žarek, pri čemer zaznavanje posamezne reže s senzorjem (4) v realnem času vključuje nastavitev območja zaznavanja senzorja (4), prenos signala s senzorja (4) preko filtra (5) na mikrokontroler (7) v kontrolni enoti (10), ki spremeni analogni signal v digitalnega pod pogoji, ki so vnaprej predpisani in pridobljeni na podlagi testiranja različnih debelin posameznih lamel, pošiljanje digitalnega signala na mikrokontroler (8), ki zakasni prvotni signal za pravilno pozicioniranje senzorja (4) glede na režo v vzorcu (1) in se proženje posameznega laserskega bliska ali krmiljenje kontinuirnega laserskega žarka krmili preko mikrokrokontrolerja (8) v kontrolni enoti (10).
2. 2. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da se proženje posameznega laserskega bliska izvaja preko releja (9), ki je povezan s prožilnim sistemom na laserju (11).
3. 3. Postopek po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da se programska modulacija signala izvede preko mikrokontrolerja (8) v kontrolni enoti (10), ki digitalni signal prejet iz mikrokontrolerja (7) zakasni in spremeni v moduliran kontinuirni signal in ga pošlje na digitalno-analogni pretvornik (9a), ki krmili kontinuirni laserski žarek.
4. 4. Postopek po predhodnih zahtevkih, označen s tem, da se nastavitev območja zaznavanja senzorja (4) izvede ročno pred uporabo, s spreminjanjem območja zaznavanja senzorja (4) preko osciloskopa (6) ali podobne naprave, ki omogoča grafični prikaz signala in ki je povezana na filter (5), pri čemer se odstrani večji del signala, poudari pa se sprememba signala v območju reže.

   • »

   -75. Naprava za adaptivno lasersko spajanje, označena s tem, da je sestavljena iz treh sklopov, pri čemer prvi sklop vključuje senzor (4), filter (5) in osciloskop (6) povezan na filter (5), drugi sklop predstavlja kontrolna enota (10), ki vključuje prvi mikrokontroler (7), drugi mikrokontroler (8) in rele (9) ali digitalno/analogni pretvornik (9a) in tretjega sklopa, ki vključuje bliskovni ali kontinuirni laser (11), ki ima omogočeno zunanje krmiljenje posameznih bliskov ali modulacijo kontinuirnega laserskega žarka preko kontrolne enote (10).