DE102007036313A1

DE102007036313A1 - Verfahren zur Herstellung einer Wicklung für den Stator einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102007036313A1
Application number: DE102007036313A
Authority: DE
Inventors: Gert Wolf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2009-02-05
Also published as: WO2009016157A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wicklung (18) für den Stator (16) einer elektrischen Maschine (10), insbesondere eines Drehstromgenerators für Kraftfahrzeuge. Hierbei wird die Wicklung (18) als Wellenwicklung ausgebildet und gürtelartig vorgefertigt, bevor sie mit ihren Spulenseiten (84) in die Nuten (15) eines zunächst als Flachpaket gestalteten Statorpaketes (17) eingelegt wird, welches anschließend zusammen mit der Wicklung (18, 64) in eine zylindrische Form gebogen wird. Jede Strangwicklung (64) wird polygonal (62) gewickelt oder geformt, danach das Polygon (62) zu einer zylinderförmigen Wellenspule (82) gebogen, welche dann zu einer im Wesentlichen ebenen, gürtelartigen Wicklung (64) geformt und in die Nuten (15) des Statorflachpaketes (17) eingebracht wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs, wie es beispielsweise aus der WO 01/54 254 A1 bekannt ist. Diese Druckschrift beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines elektromagnetisch erregbaren Kerns einer elektrischen Maschine, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein quaderförmiger Kern mit auf einer Seite parallel verlaufenden Nuten bereitgestellt wird, in welche in einem zweiten Verfahrensschritt eine Kernwicklung mit ihren Wicklungsseiten eingelegt und darauf folgend in einem dritten Verfahrensschritt der Kern samt Wicklung in eine Zylinderringform mit radial nach innen gerichteten Nuten umgeformt wird. In einem weiteren Schritt werden alle Wicklungsseiten, die in je eine Nut eingelegt werden, vor dem Einlegen in die Nut in einem Werkzeug in eine Nutform gepresst zur Erzielung einer hohen Nutfüllung. Die Wicklung kann hierbei wahlweise als Schleifenwicklung oder Wellenwicklung ausgeführt sein und wird in gürtelartiger Form vor dem Einbringen in den Kern getrennt hergestellt. Derartige Wicklungen haben den Nachteil, dass beim Wickeln der einzelnen Spulen lange Fertigungszeiten anfallen, die es in der Regel notwendig machen, mehrere gleichartige Wickelmaschinen parallel einzusetzen. Der Fertigungsaufwand zur Herstellung der Wicklungen nach bekannten Verfahren ist daher aufwendig und kostenintensiv.
Weiterhin sind aus der DE 198 17 304 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Wellenwicklungen für elektrische Maschinen bekannt, bei denen jede Phase aus zwei Wicklungsteilen gebildet wird, die zunächst zu einer gewellten Sternform gebogen und dann in die Nuten eines zylinderförmigen Statorblechpaketes eingezogen werden. Jede Wicklung wird zunächst in einer ersten Wickeleinrichtung kreisförmig, beziehungsweise polygonal gewickelt und danach zu einem Stern verformt, dessen im Wesentlichen geradlinige Spulenseiten in die Nuten des zylindrischen Kerns eingebracht werden, wobei die gebogenen Abschnitte des Sterns jeweils die Wickelköpfe bilden. Eine derartige Wicklungsanordnung ist zwar einfacher herstellbar als eine gürtelförmige Wicklung für ein Flachpaket, das Einbringen der Wicklung in einen zylinderförmigen Stator einer elektrischen Maschine bereitet jedoch Schwierigkeiten.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass auf einfache Weise und in kurzer Zeit Strangwicklungen für ein Flachpaket hergestellt werden können. Das hierfür benötigte Werkzeug ist robust und lässt sich ohne Schwierigkeiten an verschiedene Baugrößen anpassen. Dies gilt insbesondere für die Ausführung der Wicklung als Wellenwicklung, welche mit einfachen Werkzeugen und kurzen Taktzeiten hergestellt werden kann. Durch die Verteilung der Wicklungsstränge ergeben sich gegenüber einer Schleifenwicklung außerdem Vorteile hinsichtlich einer homogeneren Gestaltung des Wickelkopfbildes, was wiederum zu einer Reduzierung des Strömungsgeräusches im Betrieb führt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist die Tatsache, dass die in die Nuten des Stators einzubringenden Abschnitte der Wicklung gut zugänglich sind und vor dem Einbringen in die Nuten daher mit geringem Aufwand auf Nutform geprägt werden können. Außerdem ist es ohne zusätzlichen Aufwand möglich, die äußeren und/oder inneren Biegungen des Spulensterns der Wellenwicklung durch Formbacken beim Wickeln der Spule und/oder bei deren Umformung zum Stern im Wesentlichen bereits entsprechend der gewünschten Form der Wickelköpfe zu biegen und hierdurch die Einbringung in den Stator und die Gestaltung der Wickelköpfe weiter zu erleichtern und zu beschleunigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein •Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und der hierzu verwendeten Vorrichtung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 einen Längsschritt durch einen Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit einem Klauenpolrotor,
2 ein Flachpaket eines Stators für eine elektrische Maschine gemäß 1 vor dem Einbringen der Wicklung und dem Biegen in seine endgültige zylindrische Form,
3 eine polygonal gewickelte Spule für einen Strang der Statorwicklung,
4 eine sternförmig gebogene Spule gemäß 3,
5 eine zylinderförmig verformte Spule gemäß 4,
6 eine gürtelförmige, flachgedrückte Spule gemäß 5,
7a einen Querschnitt durch eine Nut des Stators mit kompaktierter Wicklung vor dem Rundbiegen des Statorpaketes und
7b einen Querschnitt durch eine Statornut gemäß
7a nach dem Rundbiegen des Statorpaketes.
Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist ein Längsschnitt durch einen Drehstrom-Synchrongenerator 10 für Kraftfahrzeuge dargestellt. Dieser weist unter anderem ein zweiteiliges metallisches Gehäuse 13 auf, das aus einem ersten topfförmigen Lagerschild 13.1 und einem zweiten topfförmigen Lagerschild 13.2 besteht. Das Lagerschild 13.1 und das Lagerschild 13.2 nehmen in sich einen Stator 16 auf, mit einem kreisringförmigen Blechpaket 17, in dessen nach innen offene und sich axial erstreckende Nuten 15 eine Statorwicklung 18 eingelegt ist. Der ringförmige Stator 16 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten Oberfläche einen elektromagnetisch erregten Rotor 20, der als Klauenpolläufer ausgebildet ist. Der Rotor 20 besteht unter anderem aus zwei Klauenpolplatinen 22 und 23, an deren Außenumfang sich jeweils in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger 24 und 25 angeordnet sind. Beide Klauenpolplatinen 22 und 23 sind im Rotor 20 derart angeordnet, dass ihre sich in axialer Richtung erstreckenden Klauenpolfinger 24, 25 am Umfang des Rotors 20 einander als N-und S-Pole abwechseln. Es ergeben sich dadurch magnetisch erforderliche Klauenpolzwischenräume zwischen den gegensinnig magnetisierten Klauenpolfingern 24 und 25, welche wegen der sich zu ihrem freien Enden hin verjüngenden Klauenpolfinger 24 und 25 leicht schräg zur Maschinenachse verlaufen.
Der Rotor 20 ist mittels einer Welle 27 und je einem auf je einer Seite befindlichen Wälzlager 28 in den jeweiligen Lagerschilden 13.1 beziehungsweise 13.2 drehbar gelagert. Er weist zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Diese Lüfter 30 bestehen im Wesentlichen aus einem plattenförmigen beziehungsweise scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Diese Lüfter 30 dienen dazu, über Öffnungen 40 in den Lagerschilden 13.1 und 13.2 einen Luftaustausch zwischen der Außenseite und dem Innenraum der elektrischen Maschine 10 zu ermöglichen. Dazu sind die Öffnungen 40 an den axialen Enden der Lagerschilde 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die mittels der Lüfter 30 Kühlluft in den Innenraum der elektrischen Maschine 10 eingesaugt wird. Diese Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfter 30 radial nach außen beschleunigt, so dass sie auch durch die kühlluftdurchlässigen Wickelköpfe 45 auf der Antriebsseite und 46 auf der Elektronikseite hindurchtreten kann. Durch diesen Effekt werden die Wickelköpfe gekühlt. Die Kühlluft nimmt nach dem Hindurchtreten durch die Wickelköpfe, beziehungsweise nach dem Umströmen dieser Wickelköpfe, einen Weg radial nach außen durch nicht dargestellte Öffnungen.
In 1 auf der rechten Seite befindet sich eine Schutzkappe 47, die verschiedene Bauteile vor Umgebungseinflüssen schützt. So deckt diese Schutzkappe 47 beispielsweise eine Schleifringbaugruppe 49 ab, die eine ringspulenförmige, auf einem Polkern angeordnete Erregerwicklung 51 geregelt mit Erregerstrom versorgt. Um diese Schleifringbaugruppe 49 herum ist ein Kühlkörper 53 angeordnet, der hier als Pluskühlkörper wirkt. Als sogenannter Minuskühlkörper wirkt das Lagerschild 13.2. Zwischen dem Lagerschild 13.2 und dem Kühlkörper 53 ist eine Anschlussplatte 56 angeordnet, welche im Lagerschild 13.2 befestigte Minusdioden 50 und in dieser Darstellung nicht gezeigte Plusdioden eines Gleichrichters 19 im Kühlkörper 53 in Form einer Brückenschaltung miteinander verbindet.
Der Gleichstrom der Erregerwicklung 51 erzeugt ein zum Rotor 20 stillstehendes Magnetfeld, durch die Drehung des Rotors entsteht aber für den Stator 16 ein magnetisches Drehfeld. Dieses rotiert mit synchroner Drehzahl wie der Rotor 20 und induziert in jedem Strang der Statorwicklung 18 eine Wechselspannung. Die einzelnen Strangwechselspannungen sind um den gleichen Phasenverschiebungswinkel zeitlich gegeneinander verschoben, wie die Stränge des Stators 16 räumlich zueinander versetzt entlang des Statorumfangs angeordnet sind. Beispielsweise sind für eine symmetrische dreisträngige Wicklung einer Drehstrommaschine die drei sinusförmigen Wechselspannungen um 120° zeitlich zueinander verschoben. Gleiches gilt für die Wechselströme. Die Regelung der Ausgangsspannung einer als Drehstromgenerator arbeitenden Maschine erfolgt durch einen Spannungsregler, der die in den Strängen der Statorwicklung 18 induzierten Wechselspannungen auf eine von der Drehzahl und der Last unabhängige, konstante Spannung regelt.
2 zeigt das aus einzelnen Lamellen 58 geschichtete Blechpaket 17 als Flachpaket vor dem Einbringen der Statorwicklung 18 und vor seinem Biegen in seine zylindrische Form. Aus der Figur ist ersichtlich, dass das Blechpaket 17 an beiden Enden jeweils in Polmitte eines Statorpol 60 endet. Das zylindrische Blechpaket wird nach dem Biegen in diesem Bereich verschweißt.
3 zeigt eine polygonal als Sechseck gewickelte Spule 62 für einen Strang der Statorwicklung 18 als Ausgangsbasis für die Herstellung einer Strangwicklung 64, wie sie in 6 dargestellt ist und noch erläutert wird. Von der Wickelvorrichtung zur Herstellung der Spule 62 sind in 3 lediglich sechs Formbacken 70 dargestellt, über welche der Wicklungsdraht vom Wicklungsanfang 66 zum Wicklungsende 68 in mehreren Windungen gewickelt ist. Die Formbacken 70 sind symmetrisch als Sechseck angeordnet und radial verschiebbar, so dass einerseits Spulen mit unterschiedlicher Weite hergestellt werden können und andererseits bei der Umformung zum Wickelstern gemäß 4 die Formbacken nach innen verschiebbar sind beim Einziehen der dazwischen liegenden Spulenteile.
4 zeigt in nicht maßstäblicher Darstellung die Verformung der Spule 62 gemäß 3 zu einem Spulenstern 77. Hierzu sind in der Wickelvorrichtung weiter innen mittig zwischen den Formbacken 70 sechs weitere Formbacken 72 erkennbar, welche entsprechend den Pfeilen 74 zur Ausbildung der Sternform der Spule gegenüber den Formbacken 70 radial nach innen verschiebbar sind. Die Formbacken 72 greifen dabei mittig zwischen jeweils zwei Formbacken 70 an den einzelnen Spulenseiten an und ziehen diese radial nach innen, während die Formbacken 70 gleichzeitig entsprechend der Darstellung durch die Pfeile 76 radial nach innen wandern und die für die Ausformung des Sterns benötigte Spulenlänge freigeben. Die Anzahl der äußeren Formbacken 70, beziehungsweise der inneren Formbacken 72 entspricht jeweils der Polzahl p der Maschine.
5 zeigt schematisiert den zylinderförmig verformten Spulenstern 77 mit in Achsrichtung 80 der Maschine umgebogenen Abschnitten 78 entsprechend den Spulenabschnitten zwischen den äußeren Formbacken 70 und den inneren Formbacken 72 aus 4. Die einzelnen Abschnitte 78 liegen dabei symmetrisch zur Maschinenachse 80 und bilden eine zylinderförmige Wellenspule 82, worin die späteren geraden Spulenseiten 84 und die im Wesentlichen halbrunden Wickelkopfabschnitte 86 bereits ihre endgültige Form haben.
6 zeigt dann ebenfalls schematisiert das Prinzip einer flachgedrückten, gürtelförmigen Strangwicklung 64 in ihrer fertigen Gestalt, welche dadurch entsteht, dass zwei gegenüberliegende Abschnitte der zylinderförmigen Spule 82 gemäß 5 zusammen gebracht und die Spule flach gedrückt wird, derart, dass jeweils zwei gerade Spulenseiten 84 zur Unterbringung in jeweils einer Nut 15 des Stators 16 nebeneinander liegen. Die fertige Mehrphasenwicklung der Maschine wird dann gebildet durch das Aufeinanderschichten von m gürtelförmigen Strangwicklungen 64 gemäß 6 in die Nuten 15 eines flachen Statorblechpaketes 17, wobei die Anzahl m der gürtelförmigen Wicklungen der Phasenzahl m der Maschine entspricht. Die Spulenweite der Wicklung ist mit w bezeichnet. Die Lage der Spulenanschlüsse 66, 68 der verschiedenen Strangwicklungen (64) innerhalb des Gürtels kann variiert werden.
In den 7a und 7b ist jeweils ein Querschnitt durch eine Nut 15 des Stators 16 dargestellt mit einer durch eine Isolierung 88 geschützten Wicklung mit einer der Phasenzahl m der Maschine entsprechenden Anzahl von Strangwicklungen 64. Hierbei zeigt 7a den Stator 16 in der Form als Flachpaket, die 7b zeigt die Nutform nach dem Biegen des Stators 16 in seine zylindrische Form, wobei die Nut 15 im Bereich der Nutöffnung verjüngt wird. Die Summe der Spulenseiten 84 ist dabei bereits trapezförmig kompaktiert entsprechend der Querschnittsform der Nut 15 nach dem Biegen des Stators. In ähnlicher Weise können auch die Wickelkopfabschnitte 86 geprägt werden, so dass die verschiedenen gürtelförmigen Stränge der einzelnen Wellenspulen 82 besser ineinander passen. Weiterhin können auch die Spulenanfänge 66 und die Spulenenden 68 der fertigen Wellenwicklung noch in eine für die Anschlüsse und die Positionierung geeignete Form gebogen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 01/54254 A1 [0001]
- DE 19817304 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Wicklung (18) für den Stator (16) einer elektrischen Maschine (10), insbesondere eines Drehstromgenerators für Kraftfahrzeuge, wobei die Wicklung (18) als Wellenwicklung (64) ausgebildet, gürtelförmig vorgefertigt und mit ihren Spulenseiten (84) in die Nuten (15) eines zunächst als Flachpaket gestalteten Statorpaketes (17) eingelegt wird, welches anschießend zusammen mit der Wicklung (18, 64) in eine zylindrische Form gebogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strangwicklung (64) polygonal (62) gewickelt oder spulenförmig gewickelt und anschließend polygonal verformt wird und danach das Polygon (62) zu einer zylinderförmigen Wellenspule (82) gebogen werden, welche dann zu einer im Wesentlichen ebenen, gürtelartigen Wicklung (64) verformt und in die Nuten (15) des Statorflachpaketes (17) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Ecken des Polygons (62) der Polzahl p der Maschine (10) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule oder das Polygon (62) zu einem p-eckigen Stern (77) umgeformt wird, wobei die Spulenseiten (84) in Achsrichtung (80) der Maschine (10) gebogen werden zur Ausbildung einer zylinderförmigen Wellenspule (82).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule oder das Polygon (62) in Achsrichtung (80) der Maschine (10) zu einer zylinderförmigen Wellenspule (12) geformt und anschließend durch Zusammendrücken senkrecht zur Achsrichtung (80) der Maschine (10) in eine gürtelförmige Wicklung (64) umgewandelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Nuten (15) des Stators (16, 17) einzubringenden Abschnitte (84) der Wicklung (64) zuvor auf Nutform geprägt werden (7).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren und/oder die inneren gebogenen Abschnitte (86) des Spulensterns (77) durch Formbacken, (70, 72) beim Wickeln der Spule (62) und/oder bei deren Umformung zum Stern (77) im Wesentlichen bereits entsprechend der Form der Wickelköpfe (86) gebogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Wickelköpfe bildenden Abschnitte (86) der Spulen (62, 77) entsprechend ihrer späteren Form vorgeprägt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der gürtelartigen Verformung der Spule (64) die Spulenenden (66, 68) entsprechend ihrer späteren Verschaltungsposition geformt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gürtelartige Umformung der einzelnen Strangwicklungen (64) derart erfolgt, dass der Spulenanschluss (66, 68) zumindest einer der Strangwicklungen (64) um mehr als das der Phasenzahl m der Maschine (10) entsprechende Vielfache der Spulenweite (w) vom Ende des gürtelförmigen Wicklungspaketes (6) entfernt liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Strangspulen (64) in den Nuten (15) des Statorpaketes (16, 17) in einer der Phasenzahl m der Maschine entsprechenden Anzahl zu einer Mehrphasenwicklung (18) geschichtet und anschließend verschaltet werden.