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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur
Herstellung einer elektrischen Wicklung für eine elektrische
Maschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mit
der
CA 2290214 A1 ist
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bewickeln eines Ankers eines Elektromotors
bekannt geworden, bei dem der Anker während des Wickelverfahrens
festgehalten wird. Die Wickelvorrichtung weist einen Flyer-Arm auf,
mittels dem der Wickeldraht um den feststehenden Rotor gewickelt
wird. Bei solch einem Flyer-Wickelverfahren ist jedoch nachteilig,
dass es zu Verdrillungen des Wickeldrahts kommt, wodurch sich der
Nutfüllfaktor der elektrischen Maschine nur begrenzt erhöhen lässt.
Werden beispielsweise für einen Stator mittels Flyer-Wickeln
separate Einzelspulen gewickelt, führen die Verdrillungen
des Wickeldrahts zu Verklemmen der Spulen beim Einzugsprozess in
die Nuten des Stators.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche
haben demgegenüber den Vorteil, dass durch das kreuzungsfreie
Wickeln des Wickeldrahts auf eine Wickelschablone und das automatisierte
Abstreifen auf ein Übersetzungswerkzeug der Einzugsprozess
der Windungen in die Nuten eines Stators oder Rotors deutlich verbessert wird.
Durch die parallele Anordnung der einzelnen Windungen ohne Verdrillungen
des Windungsdrahts lässt sich hiermit ein sehr hoher Nutfüllfaktor
für den Stator oder den Rotor erzielen. Durch das automatisierte
Anfahren der Wicklungsschablone gegen ein Anschlag des Übersetzungswerkzeugs
können die zuvor gewickelten Spulen sehr exakt und schnell
auf dem Übersetzungswerkzeug angeordnet werden, wobei die
einzelnen Wicklungsdrähte näherungsweise parallel
nebeneinander angeordnet sind.
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Dies
gilt insbesondere für Herstellung von Spulen, bei denen
der Leiter aus mehreren parallel angeordneten Wickeldrähten
besteht, wie es bei der Auslegung von Niederspannungsmotoren auftritt.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Ausführungen
möglich. Besonders vorteilhaft können die Wicklungsspulen auf
die Wicklungsschablone gewickelt werden, indem sich die Wickelschablone
dreht, während der Drahtführer den Wicklungsdraht
langsam entlang einer Achse quer zur Drehbewegung der Wickelschablone
bewegt. Dadurch können die Wicklungsdrähte ohne
Verdrillungen und Überkreuzungen parallel zueinander auf
der Wickelschablone angeordnet werden.
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Bei
der Herstellung einer elektrischen Wicklung mit mehreren Wicklungsspulen
ist es besonders günstig, wenn sich das Übersetzungswerkzeug
während des Bewickelns der Wickelschablone synchron mit
deren Rotationsbewegung mitdreht. Dadurch wird verhindert, dass
sich die auf dem Übersetzungswerkzeug abgelegte Wicklungsspule
wieder aufwickelt, oder sich der Wicklungsdraht verdrillt, bzw.
abgeschert wird.
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Die
synchrone Mitbewegung des Übersetzungswerkzeugs kann beispielsweise
durch eine Exzenterbewegung des Übersetzungswerkzeugs realisiert
werden, derart, dass der Verbindungsdraht zwischen der auf dem Übersetzungswerkzeug
gelagerten Wicklungsspule und der aktuell auf der Wickelschablone
zu wickelnden Wicklungsspule eine möglichst geringe Bewegungsbeanspruchung
erfährt.
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Eine
Exzenterbewegung kann beispielsweise mittels eines mechanischen
Kopplungsgetriebe zwischen der Wickelschablone und dem Übersetzungswerkzeug
realisiert werden.
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Alternativ
kann die Relativbewegung zwischen dem Übersetzungswerkzeug
und der zu bewickelten Wickelschablone mittels eines X-Y-Schlitten realisiert
werden, auf dem sich das Übersetzungswerkzeug derart bewegt,
dass der Verbindungsdraht zwischen dem Übersetzungswerkzeug
und dem rotierenden Wicklungsschablone möglichst in sich
keine Relativbewegung erfährt. Eine solche X-Y-Bewegung
kann beispielsweise mittels elektronisch synchronisierten Servoantrieben
elektronisch mit der Rotationsbewegung der Wickelschablone synchronisiert
werden.
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Damit
der Wicklungsdraht sauber und parallel auf die Wickelschablone aufgewickelt
wird, ist es besonders günstig den Wickeldraht auf der
Wicklungsschablone zu fixieren und insbesondere den Wickeldraht
im Drahtwickler festzuklemmen, während die Windungen auf
das Übersetzungswerkzeug aufgeschoben werden.
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Das
erfindungsgemäße Wickelverfahren eignet sich besonders
für das Einziehen einer Wicklungsphase mit mehreren Wicklungsspulen
in die Nuten der elektrischen Maschine, dabei können vorteilhaft
mehrere Wicklungsspulen derart auf dem Übersetzungswerkzeug
angeordnet werden, dass alle Wicklungsspulen durch eine einzige
Einzugsbewegung in den richtigen Nuten positioniert werden. Es ist
auch möglich, einzelne unverbundene Spulen zu wickeln.
Dabei wird nach dem vollständigen Wickeln einer Spule diese
separat abgestreift. Das Klemmen der Drahtenden am Drahtführer
und an der Wickelschablone wird dabei vereinfacht.
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Für
unterschiedliche Auslegungen der elektrischen Maschine können
die einzelnen Wicklungsspulen auch in entgegen gesetzten Drehrichtungen auf
der Wickelschablone gewickelt werden. Durch das Festklemmen des
Wicklungsdrahts auf der Wickelschablone zu Beginn des Wickelns,
und die synchronisierte Relativbewegung des Übersetzungswerkzeugs
gegenüber der Rotationsbewegung der Wicklungsspule wird
dabei ein Aufwickeln oder eine Deformation der Wicklungsspulen,
bzw. der Verbindungsdrähte verhindert.
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Zum
Einziehen der Wicklungsspulen in die Nuten der elektrischen Maschine
können diese direkt durch das Übersetzungswerkzeug
in die Nuten eingezogen werden, oder zuvor auf ein weiteres Einzugswerkzeug
umgesetzt werden. Ist das Übersetzungswerkzeug gleichzeitig
als Einzugswerkzeug ausgebildet, wird ein zusätzlicher
Arbeitsschritt eingespart.
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Um
ein Verdrillen oder Überkreuzen der einzelnen Windungen
beim Aufschieben auf das Übersetzungswerkzeug zu verhindern,
wird während des Verschiebens der Windung der Wickeldraht
im Drahtführer festgeklemmt. Dadurch bleiben die parallel
nebeneinander angeordneten Drahtwicklungen erhalten.
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Um
die einzelnen Wicklungsspulen bezüglich des Rotors oder
Stators lagerichtig auf dem Übersetzungswerkzeug anzuordnen,
wird dieses vor dem Abstreifen der Wicklungsspulen um einen der elektrischen
Auslegungen der elektrischen Maschinen entsprechenden Winkel verdreht.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen einer
elektrischen Wicklung ist besonders geeignet zur Ausführung
des beschriebenen erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren.
Dabei wird die Wickelschablone und das Übersetzungswerkzeug
vorteilhaft automatisch gegeneinander geführt, sodass die
Windungen direkt entlang der Axialrichtung von der Wickelschablone
auf die entsprechenden Aufnahmen des Übersetzungswerkzeugs
geschoben werden können. Durch dieses automatische Abstreifen
der Windungen ist gewährleistet, dass diese ohne Verdrillung
und kreuzungsfrei auf den Aufnahmen des Übersetzungswerkzeugs
angeordnet werden, um dann mit möglichst geringer Reibung
in die Nuten der elektrischen Maschine eingezogen werden zu können.
Günstig ist es weiterhin durch einen Abstreifer/Niederhalter
am Übersetzungswerkzeug die abgestreiften Drähte
zu fixieren.
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Besonders
günstig ist es, wenn die Vorrichtung eine Synchronisierung
zwischen der Rotationsbewegung der Wickelschablone und dem Mitbewegen
des Übersetzungswerkzeugs aufweist. Bei einer geringen
Anzahl von Windungen kann dies gegebenenfalls entfallen. Hierzu
ist beispielsweise ein mechanisch gekoppeltes Getriebe, oder ein
elektronisch synchronisierter Verstellantrieb angeordnet, der das Übersetzungswerkzeug
entsprechend in einer Ebene senkrecht zur Drehachse der Wicklungsschablone bewegt.
Diese Bewegung des Übersetzungswerkzeugs ist beispielsweise
als Exzenterbewegung ausgebildet, die ein Verdrillen und/oder Abbrechen
des Verbindungsdrahts zwischen zwei Windungsspulen verhindert.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Übersetzungswerkzeug
ein integriertes Einzugswerkzeug auf, dass die Windungen ohne weiteres Umsetzen
direkt in die Nuten des Stators oder Rotors einzieht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 einen
Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Wickelvorrichtung,
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2 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Wickelmaschine,
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3 bis 6 verschiedene
Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Wickelverfahrens.
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In 1 ist
eine Vorrichtung zum automatischen Wickeln einer elektrischen Maschine 12 dargestellt,
bei der eine Wickelschablone 16 auf einer Rotationsachse 18 angeordnet
ist. Die Wickelschablone 16 weist vorzugsweise einen ovalen,
oder kreisförmigen Umfang auf, wobei die Rotationsachse 18 vorzugsweise
durch deren Mittelpunkt verläuft. Zum Bewickeln der Wickelschablone 16 weist
die Vorrichtung 10 einen Drahtführer 44 auf
durch den ein oder mehrere Wicklungsdrähte 46 aus
einem Vorratsbehälter 45 geführt werden.
Der Drahtwickler 44 ist im Ausführungsbeispiel
ortsfest angeordnet, wobei der Draht vom Drahtwickler zur drehbar
angeordneten Wickelschablone 16 verläuft. Zum
Beginn des Wickelns der Windungen 48 auf die Wickelschablone, wird
der Wickeldraht 46 auf der Wickelschablone 16 mittels
einer Klemmvorrichtung 50 festgeklemmt. Axial beabstandet
zur Wickelschablone 16 ist ein Übersetzungswerkzeug 20 angeordnet,
das eine zur Rotationsbewegung der Wickelschablone 16 synchronisierte
Relativbewegung ausführen kann. Im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist das Übersetzungswerkzeug 20 beispielsweise
auf einer Drehachse 22 gelagert, derart, dass das Übersetzungswerkzeug 20 eine
Exzenterbewegung ausführen kann. Dazu ist das näherungsweise
kreisförmige Übersetzungswerkzeug 20 nicht
in dessen Mittelpunkt, sondern exzentrisch gelagert. Die Drehachse der
Wickelschablone befindet sich dabei über der Abstreifposition
exzentrisch zum Übersetzwerkzeug. Die Synchronisation erfolgt
in diesem Ausführungsbeispiel über ein mechanisches
Kopplungsgetriebe 24, dass die Rotationsbewegung der Wickelschablone 16 über
das Gestell 26 auf die Drehachse 22 überträgt.
Das Übersetzungswerkzeug 20 weist mehrere Aufnahmen 28 auf,
die näherungsweise konzentrisch zur Wickelschablone 16 positionierbar
sind. Durch die Drehbewegung des Übersetzungswerkzeugs 20 können
dadurch unterschiedliche Aufnahmen 28 axial gegenüberliegend
zur Wickelschablone 16 angeordnet werden. Die Aufnahme 28 wird
beispielsweise durch mehrere Fixierstifte 30 gebildet,
um entsprechende Wicklungsspulen 32 aufzunehmen.
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In
dem in 2 dargestellten Querschnitt sind auf dem Übersetzungswerkzeug 20 beispielsweise
mehrere Wicklungsspulen 32 dargestellt, die zusammen eine
Wicklungsphase 34 bilden. In 2 ist schematisch
die Exzenterbewegung dargestellt, bei der näherungsweise
der Mittelpunkt 21 des Übersetzungswerkzeugs 20 um
den äußeren Umfang der Wickelschablone 16 kreist.
Dabei führt ein Punkt 36 auf dem Außenumfang
des Übersetzungswerkzeugs 20 eine Drehbewegung
um die Drehachse 22 aus derart, dass der Punkt 36 sich
auf der gestrichelt dargestellten Kreislinie 37 bewegt.
Durch das Mitdrehen des Mittelpunkts 21 des Übersetzungswerkzeugs
um den Umfang der Wickelschablone 16 wird die Relativbewegung
eines Verbindungsdrahts 40 zwischen einer im Übersetzungswerkzeug 20 abgelegten
Wicklungsspule 32 und einer neu auf der Wickelschablone 16 zu
wickelnden Wicklungsspule 33 minimiert, sodass ein Verdrillen
des Wicklungsdrahtes 40 oder ein Abscheren desselben zuverlässig
verhindert wird. Zusätzlich kann das Übersetzungswerkzeug 20 auf einer
zweiten Drehachse 23 um dessen Mittelpunkt 21 verdreht
werden, um die unterschiedlichen Aufnahmen 28 koaxial gegenüberliegend
zur Wicklungsschablone 16 zu positionieren. Zum Abstreifen
einer Wicklungsspule 33 von der Wickelschablone 16 auf das Übersetzungswerkzeug 20 wird
die Wickelschablone 16 axial gegen das Übersetzungswerkzeug 20 verstellt,
bis sich die Wicklungsschablone 16 und eine Aufnahme 28 des Übersetzungswerkzeugs 20 axial
gegenüberliegend berühren. Dann wird die Wicklungsspule 33 mittels
eines Abstreifers 42 auf die Aufnahme 28 aufgeschoben,
indem der Abstreifer 42 in 1 die Wicklungsspule 33 axial
nach unten schiebt. Dazu wird der Abstreifer 42 beispielsweise
mittels eines Servoantriebs axial verstellt.
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In 3 ist
das Wickelverfahren dargestellt, bei dem mehrere Wicklungsdrähte 46 auf
die Wicklungsschablone 16 gewickelt werden. Die kreuzungsfrei
angeordneten Windungen 48 bilden eine Wicklungsspule 32,
die mit der bereits im Übersetzungswerkzeug 20 abgelegten
Wicklungsspule 32 durch den Verbindungsdraht 40 verbunden
ist. Die Wicklungsdrähte 46 des Verbindungsdrahts 40 sind
an der Wickelschablone 16 mittels der Klemmvorrichtung 50 fixiert,
wonach durch die Rotation der Wicklungsschablone 16 die
Wicklungsdrähte 46 auf die Wicklungsschablone 16 aufgewickelt
werden. Mit der Rotation der Wickelschablone 16 führt
das Übersetzungswerkzeug 20 eine Drehbewegung
um die Wickelschablone 16 aus, derart, dass der Verbindungsdraht 40 mechanisch
möglichst wenig beansprucht wird. Dazu bewegt sich der
Mittelpunkt 21 des Übersetzungswerkzeugs näherungsweise
mit der Umfangslinie 17 der Wickelschablone mit. Während
des Wickelns weist die Wickelschablone 16 einen axialen Abstand 52 zur
Aufnahme 28 auf, um eine Rotation der Wickelschablone 16 zu
ermöglichen.
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In 4 sind
alle Wicklungsspulen 32 einer Wicklungsphase 34 fertig
gewickelt und zusammenhängend bereits auf das Übersetzungswerkzeug 20 geschoben.
Die Anordnung der Wicklungsspulen 32 auf den Aufnahmen 28 entspricht
dabei der elektrischen Auslegung eines Stators 60 oder
Rotors der elektrischen Maschine 12. Jede Wicklungsspule 32 ist
dabei um zwei benachbarte Fixierstifte 30 in der Nähe
des Mittelpunkts 21 und um einen äußeren
Fixierstift 30 am äußeren Umfang des Übersetzungswerkzeugs 20 geschlungen.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist
ein Einzugswerkzeug 54 dargestellt, das separat vom Übersetzungswerkzeug 20 ausgebildet
ist. Hierbei werden die Aufnahmen 28 des Übersetzungswerkzeugs 20 axial
an das Einzugswerkzeug 54 angelegt und die Wicklungsspulen 32 axial
auf das Einzugswerkzeug 54 aufgeschoben. Dazu wird das Übersetzungswerkzeug 20 beispielsweise
derart axial gegen das Einzugswerkzeug 54 bewegt, dass
die Fixierstifte 30 in das Einzugswerkzeug 54 eingreifen.
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Gemäß 6 wird
das mit den Wicklungsspulen 32 bestückte Einzugswerkzeug 54 in
den Stator 60 der elektrischen Maschine 12 eingeschoben derart,
dass die Wicklungsspulen 32 in entsprechende Nuten 62 des
Stators eingefügt werden. Die Nuten 62 werden
im Ausführungsbeispiel zuvor mit einem Isolationselement 64 ausgekleidet,
so dass zwischen den Wicklungsspulen 32 und dem Stator 60 zusätzlich
zu einem Isolierlack 66 des Wicklungsdrahts 46 eine
zusätzliche Isolationsschicht angebracht ist. Gemäß 6 können
auch mehrere Wicklungsphasen 34 auf dem Einzugswerkzeug 54 angeordnet
werden, die alle in einem Arbeitsschritt in die entsprechenden Nuten 62 des
Stators 60 oder des Rotors eingezogen werden. Auf diese
Weise ist ein sehr hoher Nutfüllfaktor der elektrischen
Maschine 12 erzielbar.
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In
einer alternativen nicht dargestellten Ausführung ist das Übersetzungswerkzeug 20 gleichzeitig
Teil des Einziehwerkzeugs 54, wobei die Unterteilung der
Aufnahmen 28 der Unterteilung des Einziehwerkzeugs 54,
und damit der Anordnung der Nuten 62 entspricht.
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Es
sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren in der Beschreibung
gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der
einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann
beispielsweise die synchronisierte Bewegung des Übersetzungswerkzeuges
gegenüber der Wickelschablone 16 mittels des mechanischen Kopplungsgetriebe,
oder mittels einer elektronischen Synchronisation realisiert werden.
Die Relativbewegung kann dabei soweit variiert werden, dass der Verbindungsdraht 40 zwischen
den Wicklungsspulen 32 auf dem Übersetzungswerkzeug 20 und
der Wicklungsspule 33 auf der Wickelschablone 16 mechanisch
nicht beeinträchtigt wird. Das Übersetzungswerkzeug 20 und
Einzugswerkzeug 54 können als separate oder kombinierte
Baueinheiten ausgeführt werden. Ebenso kann entweder die
Wickelschablone 16 axial gegen einen Anschlag des Übersetzungswerkzeugs 20,
oder das Übersetzungswerkzeug 20 axial gegen einen
Anschlag der Wickelschablone 16 verschoben werden, um die
Windungen 48 abzustreifen. Bevorzugt wird das erfindungsgemäße
Wickelverfahren für die Herstellung eines Stators 60 eines
Elektromotors 12 verwendet, der beispielsweise zur Verstellung
beweglicher Teile im Kraftfahrzeug dient. Insbesondere eignet sich
ein solcher Stator mit hohem Nutfüllfaktor für
einen bürstenlos kommutierten Elektromotor, wie er beispielsweise
für elektrische Servolenkungen oder Gebläse im
Kraftfahrzeug verwendet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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