DE102006019314A1

DE102006019314A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Stabwicklung für den Stator einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102006019314A1
Application number: DE200610019314
Authority: DE
Inventors: Thomas Berger; Christoph Schwarzkopf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-10-31
Also published as: WO2007124985A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Stabwicklung 18 für den Stator 16 einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Klauenpolgenerators für Kraftfahrzeuge, vorgeschlagen mit jeweils einer Mehrzahl im Wickelkopf (45) radial übereinander angeordneten Leitersegmenten (36), deren Enden (42) durch ihre Form und/oder Anordnung im Kontaktierungsbereich eine definierte Schmelzzone (40) ausbilden und durch ein berührungsloses Schmelzschweißverfahren paarweise miteinander verbunden werden. Durch die Ausbildung einer definierten Schmelzzone zur engen Abgrenzung des Schweißbereiches kann bei Verwendung eines berührungslosen Schweißverfahrens die benötigte Wärmemenge zur Aufschmelzung der Schweißzone deutlich reduziert und damit der Wärmeeintrag in andere Bereiche der Wicklung (18) deutlich reduziert werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung einer Stabwicklung für den Stator einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Klauenpolgenerators für Kraftfahrzeuge, wie sie aus der EP 1 043 828 A bekannt sind. Diese Druckschrift offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungslosen Verschweißen der Enden einer Mehrzahl von Leitersegmenten der Wicklung einer elektrischen Maschine, wobei zwischen den zu verbindenden Enden der Leitersegmente keilförmige Metallteile eingefügt sind zur Positionierung der Leitersegmente und zur Verringerung der Aufheizung der Wicklung beim Schweißen. Der Schweißvorgang selbst wird in herkömmlicher Weise mit einem Inertgas-Schweißverfahren durchgeführt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren zeichnen sich aus durch eine neuartige Formgebung und Anordnung der zu verbindenden Enden der Leitersegmente im Wickelkopf der Statorwicklung, wobei im Kontaktierungsbereich der Leitersegmente eine definierte Schmelzzone ausgebildet wird zur gezielten und damit schnelleren Aufheizung dieses Bereiches, wodurch die beim Schweißvorgang benötigte Wärmemenge reduziert und hierdurch die Wärmebelastung der restlichen Wicklung verringert wird.
Eine erste vorteilhafte Gestaltungsmöglichkeit für die zu verschweißenden Enden der Leitersegmente ergibt sich dadurch, dass die Enden zur Schmelzzone hin verjüngt werden, wodurch die zum Aufschmelzen der Schweißzone benötigte Wärmemenge deutlich verringert werden kann. Eine andere sehr vorteilhafte Möglichkeit zur erfindungsgemäßen Gestaltung der Schweißzone besteht darin, dass die zu verbindenden Enden der Leitersegmente in der Schmelzzone eine Vertiefung bilden, in welcher der Schweißstrahl gezielt zur Schmelzzone hin geleitet wird, sodass nur wenig Verlustwärme in die übrigen Bereiche der Leitersegmente abfließt. Eine weitere zweckmäßige Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die zu verbindenden Leitersegmente unterschiedlich lang auszubilden, sodass im Schweißbereich am Ende des kürzeren Leitersegmentes eine Abstufung in der Form einer Kerbe entsteht, in welche der Schweißstrahl gezielt und mit geringem Wärmeabfluss in andere Bereiche eingeleitet werden kann.
Zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses und zur Verringerung der Erwärmung von benachbarten, am jeweils durchgeführten Schweißvorgang unbeteiligten Leitersegmenten ist es vorteilhaft, wenn die zu verbindenden Enden der Leitersegmente paarweise durch eine Isolierung von den Enden der Nachbarleiter getrennt werden. Eine derartige Isolierung aus wärmebeständigem Kunststoff oder aus Keramik kann zweckmäßigerweise bandförmig gestaltet werden und nach dem Biegeprozess der Leitersegmente im Bereich des Wickelkopfes in die Zwischenräume zwischen den zu verbindenden Leiterenden eingebracht werden.
Hinsichtlich der verfahrenstechnischen Ausgestaltung des berührungslosen Schweißverfahrens ist es weiterhin besonders vorteilhaft, als Energiestrahl einen Elektronenstrahl oder einen Laserstrahl zu verwenden oder mit einem WIG(Wolfram-Inert-Gas)-Schweißverfahren zu arbeiten, insbesondere mit einem Mikro-Plasmaverfahren mit einem Pilotlichtbogen zum Zünden des Schweißlichtbogens. Hierbei bietet die Verwendung eines Elektronenstrahls als Energiestrahl den Vorteil einer geringen Gefügebeeinflussung in der Schweißzone. Der Laserstrahl als Energiestrahl bietet den Vorteil, dass mit geringer Energiezufuhr und damit geringer thermischer Belastung der Umgebung der Schweißzone eine sichere Schweißverbindung mit ausreichender Tiefe der Schmelzzone erreicht wird.
Das WIG-Schweißverfahren, insbesondere in der Form des Plasmaschweißens, bietet den Vorteil eines kostengünstigen, berührungslosen Schweißverfahrens mit hoher Wärmeleistung und damit kurzer Schweißzeit, wobei der Schutzgasmantel die Schmelzzone gegen die Atmosphäre und somit gegen unerwünschte Reaktionen, insbesondere gegen Oxidationen in der Schmelzzone abschirmt. Hierbei bietet das Mikro-Plasmaverfahren die Möglichkeit, die Schweißenergie besonders exakt und eng zu bündeln und damit die Wärmebelastung des den Schweißbereich umgebenden Materials zu verringern. Durch die Verwendung eines Schweißbrenners mit Pilotlichtbogen wird die Zündung des eigentlichen Schweißlichtbogens erleichtert und beschleunigt.
Der Materialauftrag und die Aufheizung des Schweißbereiches werden noch weiter verbessert und beschleunigt, wenn der Energiestrahl beim Schweißen auf einen Zusatzwerkstoff gerichtet wird, welcher beim Abtropfen auf den Schweißbereich zusätzlich zu der primären Erwärmung des Schweißbereiches durch seine Restwärme den Schweißvorgang noch weiter beschleunigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine perspektivische Ansicht eines Stators mit einer Stabwicklung mit für den Schweißvorgang vorgeformten Enden der Leitersegmente,
2 einen Teilschnitt durch das Blechpaket des Stators mit radial verlaufenden Nuten mit jeweils vier übereinander angeordneten Leitersegmenten,
3a eine schematische Schnittdarstellung mit vier im Wickelkopf des Stators übereinander angeordneten, paarweise verschweißten Leitersegmenten,
3b eine schematische Darstellung einer Wellenwicklung mit einer Schweißverbindung eines Leiterpaares,
4 eine Anordnung mit vier im Wickelkopf radial übereinander angeordneten und paarweise miteinander zu verbindenden, im Schweißbereich verjüngten Leitersegmenten,
5 eine Anordnung mit sechs im Wickelkopf radial übereinander angeordneten und paarweise miteinander zu verbindenden Leitersegmenten, welche im Schweißbereich eine vertiefte Schmelzzone ausbilden,
6 eine Anordnung mit vier im Wickelkopf übereinander angeordneten und paarweise miteinander zu verbindenden Leitersegmenten, wobei unterschiedlich lange Leitersegmente im Schweißbereich eine stufenförmige Schmelzzone in der Form einer Kerbe ausbilden,
7 eine Anordnung gemäß 6, wobei im Schweißbereich ein Zusatzwerkstoff in den Schweißstrahl eingebracht wird, und
8 eine Anordnung der Leitersegmente entsprechend den 6 und 7, wobei die berührungslose Schweißung durch eine WIG-Plasmaschweißeinrichtung mit Zündlichtbogen erfolgt.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine perspektivische, schematisierte Darstellung eines Stators 16 einer elektrischen Maschine, wie er beispielsweise in einem Klauenpolgenerator für Kraftfahrzeuge verwendet wird. An der inneren Oberfläche des Stators 16 sind Pole 32 und Nuten 34 erkennbar, in denen jeweils vier Leitersegmente 36 radial übereinander angeordnet sind. Die Leitersegmente sind in bekannter Weise an der Unterseite des Stators 16 haarnadelförmig umgebogen und um jeweils eine Polteilung geschränkt. Ihre gleich langen, freien Enden 42 ragen an der Oberseite des Stators 16, ebenfalls um eine Polteilung geschränkt, aus den Nuten 34 heraus und sind in vier konzentrischen Reihen angeordnet. Hierbei liegen nach dem Zusammenbau der elektrischen Maschine die freien Enden 42 im antriebsseitigen Wickelkopf 45 des Stators, während die haarnadelförmigen Umlenkungen 44 am gegenüberliegenden Wickelkopf 46 des Stators 16 herausragen, welcher nach dem Zusammenbau der elektrischen Maschine zu deren Verschaltungsseite hin ausgerichtet ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass im antriebsseitigen Wickelkopf 45 mehr Raum für die Schweißverbindungen zur Verfügung steht. Die Maschinenachse ist mit 27 bezeichnet.
2 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch das Blechpaket 17 des Stators 16, wobei in jeder Nut 34 vier Leitersegmente 36 radial übereinander angeordnet sind. Die Leitersegmente sind einerseits an ihrer Oberfläche durch eine Lackisolation 38 und andererseits gemeinsam durch Isolationseinlagen 39 gegen das Blechpaket 17 des Stators 16 isoliert. Das Einbringen der Leitersegmente 36 der als Stabwicklung ausgebildeten Statorwicklung 18 erfolgt durch axiales Einschieben der Leitersegmente 36 in die Nuten 34.
3 zeigt in der Abbildung a in schematisierter Form einen Teilschnitt durch das Blechpaket 17 des Stators 16, aus dem die freien Enden 42 der Statorwicklung 18 herausragen. Die Enden 42 der Statorwicklung 18 sind im vorderen Bereich 43 von der Lackisolation 38 befreit. Zwischen den nicht zu verschweißenden Enden 42 der Leitersegmente 36 ist ein Abstand d belassen, in den zusätzlich eine bandförmige Isolation 48 eingebracht werden kann, beispielsweise ein Kunststoff- oder Keramikband.
Die 3b zeigt die haarnadelförmige Umlenkung 44 zwischen den Leitersegmenten 36 im Bereich des Wickelkopfes 46, die Spreizung der Leitersegmente 36 um eine Polteilung und die Abkröpfung der freien Enden 42 zu den Schweißbereichen hin. Weitere Leitersegmente sind gestrichelt angedeutet. Auf die erfindungsgemäße Verschweißung der Enden 42 mit den verschiedenen Möglichkeiten der Gestaltung und der Anordnung der Enden 42 im Schweißbereich wird an Hand der folgenden Figuren näher eingegangen.
4 zeigt eine Anordnung mit vier im antriebsseitigen Wickelkopf 45 radial übereinander angeordneten und paarweise miteinander zu verschweißenden Leitersegmenten 36, deren abisolierte Enden 43 gleich weit aus dem Blechpaket 17 des Stators 16 herausragen und auf gleicher Höhe im Wickelkopf 45 enden. Zwischen den nicht miteinander verschweißten Enden 42, 43 ist eine Isolierung 48 eingefügt, welche nach dem Verschweißen der Enden 43 in axialer Richtung entfernt wird. Die einzelnen Leitersegmente 36 sind mit I, II, III, IV bezeichnet, wobei die Leitersegmente I und II, beziehungsweise III und IV in der Schmelzzone 40 miteinander verschweißt werden. Die jeweils zu verschweißenden Enden 43 sind außen unter einem Winkel von 30° bis 70°, vorzugsweise unter einem Winkel von 45° abgeschrägt und dadurch im Querschnitt entsprechend verjüngt, so dass die Schmelzzone 40 verkleinert ist und die benötigte Energie für das Aufschmelzen der Zone 40 verringert werden kann. Der Energiestrahl ist mit 52 bezeichnet, die Energiequelle mit 54. Hierbei handelt es sich entweder um eine Elektronenstrahlquelle und einen Elektronenstrahl oder um eine Laserquelle und um einen Laserstrahl, welche zum berührungslosen Schmelzschweißen verwendet werden. Mit sehr guten Ergebnissen für das Aufschmelzen und Verschweißen der Enden 43 im Bereich der Schmelzzone 40 kann hierbei auch ein Plasma-Schweißverfahren benutzt werden, wie es anhand der 8 näher erläutert ist.
Zwischen den Leitersegmenten II und III ist eine Isolierung 48 eingefügt, die einerseits den Abstand zwischen den elektrisch nicht zu kontaktierenden Leitersegmenten 36 sicherstellt und einen Schutz gegen einen elektrischen Windungsschluss und gegen eine thermische Belastung des Nachbarsegmentes beim Schweißen bildet. Die von einer nicht dargestellten Einspannvorrichtung beim Schweißvorgang ausgeübten Kräfte zur Positionierung und Arretierung der Leitersegmente sind durch die Pfeile 50 und 56 angedeutet. In axialer Richtung wirken beim erfindungsgemäßen berührungslosen Schweißen keine Kräfte auf die Leitersegmente 36, sodass die Leitersegmente in dieser Richtung nicht eingespannt werden müssen.
5 zeigt eine Anordnung mit sechs im antriebsseitigen Wickelkopf 45 radial übereinander angeordneten Leitersegmenten 36, welche mit I–VI gekennzeichnet sind. Im vorderen Bereich der Leitersegmente 36 ist ebenso wie bei den restlichen Anordnungen wiederum die in den Zeichnungen durch verstärkte Linien dargestellte Lackisolation 38 entfernt. Die Enden 42 sind bei der Anordnung gemäß 5 nach innen abgeschrägt, sodass sie eine kerbförmige Vertiefung als Schmelzzone 40 ausbilden. Auf das Zentrum dieser Vertiefung ist der von der Energiequelle 54 ausgesandte Energiestrahl 52 gerichtet, auch hierbei wiederum als Elektronenstrahl oder als Laserstrahl. Da in dieser Ausführungsform drei Paare von Leitersegmenten 36 übereinander angeordnet sind, liegt jeweils eine Isolierung 48 zwischen den Leitersegmenten II und III beziehungsweise IV und V. Die entstehenden Schmelzzonen 40 sind hierbei konkav ausgebildet und nach innen gewölbt.
6 zeigt wiederum eine Anordnung mit vier im antriebsseitigen Wickelkopf 45 radial übereinander angeordneten und paarweise miteinander zu verschweißenden Leitersegmenten 36, wobei die beiden mittleren Segmente II und III weiter aus dem Blechpaket 17 des Stators 16 herausragen als die äußeren Segmente I und IV. Die Verschweißung der Leitersegmente durch den Elektronen- oder Laserstrahl 52 erfolgt hierbei im Kontaktierungsbereich am Ende der kürzeren Leitersegmente I und IV am Fuß der durch die Abstufung gebildeten Kerbe, in welche der Energiestrahl schräg, etwa in Richtung der Winkelhalbierenden, eintritt, im Ausführungsbeispiel mit geraden Vorderkanten also unter einem Eintrittswinkel von cirka 45°. Hierbei entsteht eine Schmelzzone 40, wie sie im unteren Bereich der Abbildung am vorderen Ende des Leitersegmentes IV gezeichnet ist. Die Lackisolation 38 ist auch hier vor dem Verschweißen im Bereich der Enden 42 entfernt worden, die Isolation zwischen den Leitersegmenten II und III erfolgt wiederum durch die Einlage einer Isolierung 48.
7 zeigt die gleiche Konfiguration der Leitersegmente 36 wie die 6. Zum Verschweißen der Enden 42 der Leitersegmente I und II, beziehungsweise III und IV wird hierbei jedoch zusätzlich im Bereich der Stufe am Ende des kürzeren Leitersegmentes I oder IV ein Zusatzwerkstoff 58 in Draht- oder Stabform in den Energiestrahl 52 eingebracht und kontinuierlich nachgeschoben. Der Zusatzwerkstoff wird durch den Energiestrahl 52 geschmolzen und tropft auf die Schmelzzone 40 ab. Die Restwärme der Schmelze hilft bei diesem als „droplet"-Verfahren bezeichneten Vorgang zur Aufheizung der Schmelzzone 40 und beschleunigt gleichzeitig durch den Materialauftrag den Schweißvorgang, sodass weniger Wärme in den Windungsbereich abfließt. Die Lackisolation 38 und die Isolierung 48 entsprechen der Ausbildung in den vorhergehenden Figuren.
8 zeigt eine Anordnung mit einer wassergekühlten WIG(Wolfram-Inert-Gas)-Schweißvorrichtung. Diese enthält mittig eine nicht abschmelzende Wolfram Elektrode 60, welche beim Verschweißen von Leitersegmenten 36 aus Kupfer als Kathode geschaltet und mit dem Massepol einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, während die zu verschweißenden Leitersegmente als Anode geschaltet und mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle verbunden sind. Hierbei deckt ein Schutzgasmantel aus Argon oder Helium oder einer Mischung der beiden Gase den Lichtbogen 62 zwischen der Elektrode 60 und der Schmelzzone 40 ab und schützt gleichzeitig die Schmelzzone durch den Schutzgasmantel gegen Reaktionen der Schmelze mit der umgebenden Atmosphäre, insbesondere gegen Oxidation. Der Lichtbogen 62 wird bei Beginn des Schweißvorgangs zunächst als Hilfslichtbogen gezündet zur Beschleunigung der Ausbildung des eigentlichen Schweißlichtbogens (Mikroplasma-Schweißen). Die die Wolframelektrode 60 umgebende Plasmadüse 64 ist wassergekühlt. Der Austritt des Schutzgases ist durch Pfeile 66 angedeutet. Wie bei den vorhergehenden Anordnungen kann auch bei diesem Verfahren ein Zusatzwerkstoff in die Schmelzzone 40 eingebracht werden, auf dessen Darstellung verzichtet worden ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Stabwicklung (18) für den Stator (16) einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Klauenpolgenerators für Kraftfahrzeuge, mit jeweils einer Mehrzahl im Wickelkopf (45, 46) radial übereinander angeordneten Leitersegmenten (36), deren Enden (42) durch ihre Form und/oder Anordnung im Kontaktierungsbereich eine definierte Schmelzzone (40) ausbilden und durch ein berührungsloses Schmelzschweißverfahren paarweise miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Enden (42) der Leitersegmente (36) zur Schmelzzone (41) hin verjüngt sind (4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Enden (42) der Leitersegmente (36) in der Schmelzzone (41) eine Vertiefung bilden (5).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Leitersegmente (36) unterschiedlich lang sind und im Kontaktierungsbereich am Ende eines kürzeren Leitersegmentes (I, IV) eine stufenförmige Schmelzzone (40) ausbilden (6–8)
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Enden (42) der Leitersegmente (36) paarweise durch eine nach dem Verschweißen entfernbare Isolierung (48) von den Enden (42) der benachbarten Leitersegmente (36) getrennt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiestrahl beim berührungslosen Schweißen ein Elektronenstrahl dient (6 und 7).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiestrahl beim berührungslosen Schweißen ein Laserstrahl dient (6 und 7)
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass als berührungsloses Schweißverfahren eine WIG(Wolfram-Inert-Gas)-Schweißverfahren dient (8).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißverfahren ein Mikro-Plasmaverfahren mit einem Pilotlichtbogen verwendet wird (8).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6–9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl beim berührungslosen Schweißen auf einen Zusatzwerkstoff gerichtet wird, der auf die Schweißstelle (40) abtropft (droplet-Verfahren; 7).
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Elektronenstrahlquelle zur Erhitzung der Schmelzzone (40).
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Laserquelle zur Erhitzung der Schmelzzone (40).
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer wassergekühlten Plasma-Schweißeinrichtung mit Pilotlichtbogen zwischen der Schweißelektrode und den zu verbindenden Leitersegmenten (36).