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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Wicklungsträger für eine elektrische Maschine
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Wicklungsträger hat
mehrere Polzähnen.
Benachbarte Polzähne
begrenzen zwischen sich wenigstens eine Nut begrenzen, die mit mindestens
jeweils einer Wicklung befüllbar
ist. Die wenigstens eine Nut hat einen Nutgrund, der zwischen zwei
Polzähnen
liegt. Der Übergang
zwischen den zwei Polzähnen
und dem Nutgrund ist verrundet ausgebildet und beträgt ein mehrfaches
der Dicke von Einzelblechen des Wicklungsträgers, der üblicherweise als Blechlamellenpaket
hergestellt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Stanzwerkzeuge für die Herstellung
der Einzelbleche eine längere
Standzeit haben.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Wicklungsträger für eine elektrische
Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1
hat den Vorteil, dass die Polzähne
leichter aufgebogen werden können,
wodurch ein gegenüber
einem Wicklungsträger vergleichbarer
Baugröße höherer Kupferfüllfaktor
erzielbar ist, wodurch eine höhere
Leistung erzielt werden kann.
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Wenn
an einem derartigen Wicklungsträger zumindest
der Übergang
vom zwischen zwei Polzähnen
liegenden Nutgrund zu den Polzähnen
im Wesentlichen scharfkantig ausgebildet ist, so ergibt sich ein
niedrigeres Widerstandsmoment der Polzähne. Dadurch wird die für das Biegen
notwendige Kraft reduziert. Bei Wicklungsträgern, bei denen die Polzähne jeweils
einen Zahnhals und einen Zahnkopf umfassen, wobei die Zahnköpfe quer
zu den Zahnhälsen
abstehende Abschnitte aufweisen, die Hinterschnitte von hinterschnittenen
Nuten bilden, wobei die Übergänge von
den Polzähnen
zu den Hinterschnitten scharfkantig ausgebildet sind, wird dieser Effekt
weiter verstärkt.
Zusätzlich
haben diese Maßnahmen
den Vorteil, dass durch eine bleibende Vergrößerung der Nutquerschnittsfläche ein
größeres Volumen
für Wicklungen
geschaffen wird.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist ein derartiger Wicklungsträger ein
Anker eines Innenläufers
oder der Stator eines Außenläufers, bei
dem die Polzähne
radial nach außen
gerichtet sind, da sich hier die Polzähne leicht aufbiegen lassen.
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Vorzugsweise
sind Übergänge mit
einem Übergangsradius
von unter 1mm vorgesehen, da hierbei auch schon eine gute Reduzierung
des Widerstandsmoments erzielt wird. Besser wird diese Reduzierung.
wenn Übergänge mit
einem Übergangsradius
von unter 0,5mm vorgesehen sind. Insgesamt gesehen ist es vorteilhaft,
wenn Übergänge mit
einem Übergangsradius
vorgesehen sind, der kleiner als die Dicke eines Einzelblechs des
Wicklungsträgers
ist. Am besten für
das Widerstandsmoment ist es jedoch, wenn keine Übergangsradien vorgesehen sind.
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Eine
elektrische Maschine mit einem derartigen Wicklungsträger hat
gegenüber
einer elektrischen Maschine vergleichbarer Baugröße aufgrund des höheren Kupferfüllfaktors
eine höhere
Leistung.
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Mit
einer Vorrichtung zum Herstellen des Wicklungsträgers, die wenigstens eine Einrichtung zum
Biegen wenigstens eines Polzahnes aufweist, lässt sich das Verfahren leicht
durchführen.
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Eine
zusätzliche
Verbesserung der Vorrichtung wird erreicht, wenn die Vorrichtung
wenigstens eine Einrichtung zum Biegen zweier benachbarter Polzähne aufweist.
Somit kann eine Nut noch weiter aufgebogen werden.
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Eine
weitere Verbesserung dieser Vorrichtung wird erreicht, wenn die
Vorrichtung mindestens eine Einrichtung aufweist, die zwei Polzähne zweier Nuten,
in die eine Wicklung eingelegt wird, biegt. Dadurch lassen sich
insbesondere Nuten, die paarweise eine Wicklung aufnehmen, leicht
aufbiegen.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der
Beschreibung.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen 1 eine elektrische Maschine im Querschnitt, 2 einen
Anker nach 1 und 3 den Anker
nach 1 auf einer stark vereinfacht dargestellten Vorrichtung
zum Durchführen des
Verfahrens.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In
der 1 ist eine rotierende elektrische Maschine 10 vereinfacht
in einem Querschnitt dargestellt. Die elektrische Maschine 10 kann
ein Elektromotor sein, der in einem Kraftfahrzeug beispielsweise
in einem Sitzversteller, Fensterheber, Wischerantrieb etc. verwendet
wird. Es kann sich jedoch auch um einen Generator handeln.
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Im
Gehäuse 12 ist
ein Anker 14 angeordnet, der auf einer Welle 16 angeordnet
ist. Der Anker 14 mit oder ohne Welle 16 stellt
somit einen Wicklungsträger
für eine
elektrische Maschine 10 dar. Hergestellt ist der Anker 14 als
Lammellenpaket aus Blech oder aus sogenanntem SMC-Material (Soft
Magnetic Composite). Bei einem Lamellenpaket aus Blech beträgt die Dicke
eines Einzelblechs (entspricht Bezugszeichen 14) 0,5mm,
was eine Abweichungen im Zehntelmillimeterbereich einschließen kann.
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Der
Anker 14 weist mehrere Wicklungen 18 auf. Wegen
der besseren Übersichtlichkeit
ist in der 1 nur eine Wicklung 18 schematisch
dargestellt. Von einem kreisrunden Abschnitt 19 des Ankers 14 stehen
mehrere Polzähne 20 radial
nach außen
ab, die Nuten 21 zur Aufnahme der Wicklungen 18 begrenzen
bzw. bilden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich
im Einzelnen um acht Polzähne 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208. Korrespondierend
hierzu gibt es auch acht Nuten 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218.
Natürlich
sind auch andere Zahlen möglich.
Die Polzähne 20 umfassen
jeweils einen Zahnhals 22, der vom Abschnitt 19 ausgeht,
und einen Zahnkopf 24, der sich an den Zahnhals 22 anschließt. Zwischen
den Zahnhälsen 22 ist
jeweils am Außenumfang
des Abschnitts 19 der Nutgrund 25 einer Nut 21 ausgebildet.
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Der Übergang
vom Nutgrund 25 zu den Zahnhälsen 22 bzw. Polzähnen 20 ist
im Wesentlichen scharfkantig ausgebildet, d.h. er ist nicht wie üblich verrundet.
Im Idealfall ist der Übergang
vollkommen scharfkantig. Jedoch ist auch ein Übergangsradius von unter 1mm
noch akzeptabel, wobei ein Übergangsradius
von unter 0,5mm zu bevorzugen ist. Vorzugsweise ist der Übergang
zwar scharfkantig. Ein Radius, der kleiner ist als die Dicke eines
Einzelblech (auch Bezugszeichen 14) des Ankers 14, führt jedoch
auch schon zu guten Ergebnissen beim Biegen. Die Dicke liegt typischerweise
bei beispielsweise bei ca. 0,5mm, kann jedoch ein paar Zehntelmillimeter
mehr oder weniger betragen.
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Die
Nut 211 nimmt mit der Nut 214 paarweise eine gemeinsame
Wicklung 18 auf. Dies tun jeweils auch die Nuten 212 mit 215, 213 mit 216, 214 mit 217, 215 mit 218, 216 mit 211, 217 mit 212 und schließlich 218 mit 213.
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Die
Zahnhälse 22 sind
vorzugsweise gleichmäßig am Umfang
des Ankers 14 verteilt und stehen gerade ab, d.h. sie haben
keinen gekrümmten
Verlauf. Es ist aber auch denkbar, dass sie einen gekrümmten Verlauf
haben. Außerdem
haben die Zahnhälse 22 eine
im wesentlichen gleichbleibende Breite. Alternativ kann die Breite
aber auch variieren, d.h. von innen nach außen schmaler aber auch breiter
werden.
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Die
Zahnköpfe 24 weisen
quer zu den Zahnhälsen 22 abstehende
und voneinander weg weisende Abschnitte 28 auf. Die Abschnitte 28 bilden
Hinterschnitte 30, die die somit hinterschnittenen Nuten 21 begrenzen.
Außerdem
begrenzen die Abschnitte Nutschlitze 32, die eine Breite 34 haben.
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Der Übergang
von den Zahnhälsen 22 zu den
Hinterschnitten 30 ist im Wesentlichen scharfkantig ausgebildet,
d.h. er ist nicht wie üblich
verrundet. Im Idealfall ist der Übergang
vollkommen scharfkantig. Jedoch ist auch ein Übergangsradius von unter 1mm
noch akzeptabel, wobei ein Übergangsradius
von unter 0,5mm zu bevorzugen ist. Vorzugsweise ist der Übergang
zwar scharfkantig. Ein Radius, der kleiner ist als die Dicke eines
Einzelblechs (auch Bezugszeichen 14) des Ankers 14,
führt jedoch
auch zu guten Ergebnissen beim Biegen. Die Dicke liegt typischerweise
bei beispielsweise bei ca. 0,5mm, kann jedoch ein paar Zehntelmillimeter
mehr oder weniger betragen.
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Das
Verfahren zum Herstellen des Ankers 14 für den Elektromotor 10 wird
anhand der 2 näher erläutert.
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Zunächst sind
die Polzähne 20 des
Ankers 14 nach der Herstellung des Blechstanzpakets noch in
der auch in 1 gezeigten Einbaustellung.
In der Einbaustellung kann der Anker 14 in den Elektromotor 10 gefügt werden.
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Vor
dem Befüllen
mit der Wicklung 18 allerdings, werden die direkt benachbarten
Polzähne 208 und 201 sowie 203 und 204 gespreizt.
Damit werden die von den Polzähnen 208 und 201 sowie 203 und 204 begrenzten
Nuten 211 sowie 214 vergrößert. Das Vergrößern der
Querschnittsfläche
der Nuten 211 und 214 erfolgt beispielsweise mit
einem Werkzeug, das in Ausnehmungen am Umfang der Polzähne 20 angreift,
wodurch eine mit Pfeilen 36 dargestellte Krafteinwirkung
erfolgen kann. Bei der 3 wird dies noch näher erläutert werden.
Die dann von den Polzähnen 20 erreichte
Stellung wird im Folgenden als Befüllstellung bezeichnet. Nun
kann die Wicklung 18 entweder durch Bewickeln selbst oder durch
das Einlegen einer vorgefertigten Luftspule erfolgen. Das Einlegen
einer Luftspule ist dann vorteilhaft, wenn die Nuten 21 nicht
hinterschnitten sind und es sich um Polzähne 20 ohne Zahnkopf 24 handelt. Bevorzugt
wird das Verfahren aber bei den dargestellten Polzähnen 20 angewandt,
die jeweils einen Zahnhals 22 und einen Zahnkopf 24 mit
den quer zum Zahnhals 22 abstehende Abschnitte 28 aufweisen,
die die Nutzschlitze 32 bilden. Hierbei wird zum Einlegen
der Wicklungen 18 im Wesentlichen zumindest die Breite 34 des
Nutzschlitzes 32 vergrößert.
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Da
die Querschnittsfläche
der Nuten 21 vergrößert ist,
kann eine größere Anzahl
an Windungen der Wicklungen 18 eingebracht werden. Nachdem die
Wicklung 18 eingelegt worden ist, wird die Krafteinwirkung
wieder weggenommen. Dadurch nähern sich
die Polzähne 201 und 208 sowie 204 und 205 wieder
einander an. Durch die Luft zwischen den Windungen der Wicklung 18 kann
die Wicklung 18 noch ein wenig zusammengepresst werden,
ohne das die Isolationsschicht der Kupferdrähte zerstört wird.
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Nach
den ersten Polzahnpaaren 208 und 201 sowie 203 und 204 wird
der Anker 14 um 360° geteilt
durch die Anzahl der Nuten 21 gedreht, d.h. 45° – sei es
im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeiger sinn, gemäß der 2 im Gegenuhrzeigersinn – und es werden
die Polzähne 201 und 202 sowie 204 und 205 in
die Befüllstellung
gebracht. Die dazwischen liegenden Nuten 212 sowie 215 werden
mit der Wicklung 18 versehen und wieder in die Einbaustellung
gebracht. Im Anschluss daran werden die Polzähne 202 und 203 sowie 205 und 206 gespreizt,
die dazwischen liegenden Nuten 213 sowie 216 mit
der Wicklung 18 versehen und ebenfalls wieder in die Einbaustellung
gebracht. Danach erfolgt noch der gleiche Vorgang mit den Polzähnen 203 und 204 sowie 207 und 208.
Es werden also alle Polzähne 20 sukzessive
in die Befüllstellung
gebogen und nach dem Einlegen der jeweiligen Wicklung 18 in
die Einbaustellung gebracht. So geht es noch vier Mal weiter, bis
in jeder Nut 21 die linke und rechte Seite bewickelt ist.
Somit ist letztendlich auch der ganze Anker 14 mit Wicklungen 18 versehen.
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Es
werden also die Polzähne 20 jeweils zweier
eine Wicklung aufnehmender Nuten 21 aufgebogen, dann die
Wicklungen 18 eingelegt und anschließend im Uhrzeigersinn oder
Gegenuhrzeigersinn die Polzähne 20 jeweils
der folgenden paarweise eine Wicklung 18 aufnehmenden Nuten 21 aufgebogen,
bis der Anker 14 vollständig
mit Wicklungen 18 versehen ist.
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Die
Polzähne 20 gehen
nach dem Wegnehmen der Krafteinwirkung wieder in ihre Einbaustellung
zurück.
Der Grund hierfür
ist, dass die Polzähne 20,
die jeweils gebogen werden, im elastischen Bereich gebogen werden
und nach dem Einlegen der Wicklung 18 durch Wegnehmen der
Krafteinwirkung aufgrund ihrer Eigenelastizität in die Einbaustellung zurückkehren
bzw. durch ihre Eigenelastizität
in die Einbaustellung zurückgebracht
werden.
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Alternativ
ist es auch möglich,
dass die Polzähne 20,
die aufgebogen werden, statt im elastischen Bereich im plastischen
Bereich gebogen werden – oder
mit Anteilen im elastischen und plastischen Bereich – und nach
dem Einlegen der Wicklung 18 durch ein Umkehren der Krafteinwirkung 36 durch
plastisches Verformen in die Einbaustellung zurückgebracht werden. Da die Polzähne 20 durch das
Aufbiegen im plastischen Bereich weiter gespreizt werden als im
elastischen Bereich, wird auch die Querschnittsfläche der
Nuten 21 jeweils größer, wodurch
mehr Windungen der Wicklung 18 Platz finden.
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Neben
den direkt benachbarten Polzähnen 20 können auch
Polzähne 20,
zwischen denen mindestens ein weiterer Polzahn 20 angeordnet
ist, aufgebogen werden, indem der Abstand zwischen ihnen vergrößert wird.
Beispielsweise können
die Polzähne 201 und 203 aufgebogen
werden, wobei der Polzahn 202 zunächst nicht gebogen wird. Gleichzeitig
können
auch die Polzähne 205 und 207 gebogen
werden, wobei der Polzahn 206 ebenfalls zunächst nicht gebogen
wird. Im vorliegenden Zusammenhang werden diese Polzähne als
indirekt benachbart angesehen. Dann wird eine Wicklung 18 in
die Nuten 211 sowie 214 und gleichzeitig eine
Wicklung 18 in die Nuten 218 und 215 eingelegt.
Danach wird der Anker 14 im Uhrzeiger oder Gegenuhrzeigersinn
um 360° geteilt
durch die Anzahl der Nuten 21, d.h. 45° weitergedreht. Allerdings muss
der Anker 14 durch das doppelte Bewickeln nur noch drei
Mal gedreht werden.
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Wesentlich
ist, dass wenigstens einer der Polzähne 20, die eine Nut 21 begrenzen,
vor dem Befüllen
der Nut 21 mit der Wicklung 18 durch eine Krafteinwirkung
in eine Befüllstellung
gebogen wird, so dass die Querschnittsfläche der wenigstens einen Nut 21,
die er begrenzt, vergrößert wird,
dass dann die Wicklung 18 in die Nut 21 eingelegt
wird und dass anschließend
der wenigstens eine der benachbarten Polzähne 20 aus der Befüllstellung
in die Einbaustellung gebracht werden.
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In
der 3 ist gezeigt, wie die Polzähne 201, 208 und 203, 204 mit
zwei Zangen 38, 40 einer nur symbolisch und als
Ausbruch bzw. teilweise angedeuteten Vorrichtung 42 zum
Durchführen
des beschriebenen Verfahrens aufgebogen werden. Die Vorrichtung 42 sollte
wenigstens eine Einrichtung 38, 40 zum Biegen
wenigstens eines Polzahnes 20 aufweisen, denn es ist auch
möglich,
dass beispielsweise nur der Polzahn 201 alleine gebogen
wird. Vorzugsweise hat die Vorrichtung 42 aber wenigstens eine
Einrichtung in Form beispielsweise eines Teils, wie eines Hakens,
der Zange 38 oder 40 zum Biegen zweier benachbarter
Polzähne 201 und 208 der
Nut 211. Besser ist es jedoch, wenn die Vorrichtung 42 – wie gezeigt – mindestens
eine Einrichtung 38, 40 aufweist, die zwei Polzähne 201 und 208 sowie 203 und 204 zweier
Nuten 211 und 214, in die paarweise eine Wicklung 18 eingelegt
wird, biegt. Die Zangen 38, 40 können auch
die Polzähne 201 und 207 sowie 203 und 204 aufbiegen,
wobei die Polzähne 204 und 208 gerade
stehen bleiben, so dass in die Nuten 211 und 214 sowie 218 und 215 je
eine Wicklung 18 eingelegt werden kann. Natürlich werden
die anderen Nuten 21, wie oben beschrieben, dann nacheinander
bewickelt. Die Fixierung des Ankers 14 kann beispielsweise über die
Welle 16 erfolgen.
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Die
Erfindung ist nicht nur auf Wicklungsträger in Form des Ankers 14 beschränkt. Wie
sich unmittelbar aus der Darstellung ergibt, kann es sich statt
eines Ankers auch um einen Ständer
bzw. Stator eines Außenläufermotors
oder Generators handeln. Ferner müssen die Polzähne nicht
wie gezeigt radial nach außen
zeigen. Beispielsweise können
sie von einem größeren runden
Abschnitt 19 nach innen zeigen, wie dies beispielsweise
bei Statoren von Generatoren oder elektronisch kommutierten Elektromotoren
der Fall ist.