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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen des Nutfüllfaktors
eines mit einer Wicklung versehenen Stators eines elektromotorischen
Antriebs.
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Ein
elektromotorischer Antrieb weist einen Stator und einen Rotor auf.
Der Stator enthält
ein Statorblechpaket, welches aus einer Vielzahl von einzelnen Blechen
zusammengesetzt ist und Statorzähne aufweist.
Des Weiteren enthält
das Statorblechpaket zwischen den Zähnen vorgesehene Nuten, in
welchen die Statorwicklung eingebracht ist. Das Statorblech und
die Wicklungen sind in der Regel durch eine Nutisolierung elektrisch
voneinander isoliert. Die Statorwicklung besteht aus Kupferdrähten, die
gemäß einem
jeweils vorgegebenen Wickelschema angeordnet sind.
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Die
Kupferdrähte
weisen in den meisten Fällen
einen kreisförmigen
Querschnitt auf. Es ist aber auch bereits bekannt, Kupferdrähte mit
anderen Querschnittsformen zu verwenden, beispielsweise rechteckige
Kupferdrähte.
Des Weiteren ist es bereits bekannt, anstelle von Drähten Bleche
zu verwenden, die beispielsweise aus Kupfer bestehen. Derartige Bleche
können
mittels eines Stanzvorganges hergestellt werden.
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Im
Betrieb des elektromotorischen Antriebs wird die Statorwicklung
von einem elektrischen Strom durchflossen. Durch eine elektromagnetische Wechselwirkung
mit dem Rotor des elektromotorischen Antriebs wird ein Drehmoment
erzeugt.
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Ziel
jeder Auslegung eines elektromotorischen Antriebs ist es, im Betrieb
des Antriebs entstehende Verluste, insbesondere elektrische Verluste, klein
zu halten. Zu diesem Zweck ist es wünschenswert, den Anteil des
Kupfers, gebildet durch die Drähte
bzw. Bleche der Statorwicklung, im Verhältnis zu der zur Verfügung stehenden
Nutfläche
möglichst groß zu gestalten.
Dies gilt auch für
den Betrieb des elektromotorischen Antriebs als Generator. Diesem Ziel
steht in der Praxis jedoch entgegen, dass der zur Verfügung stehende
Bauraum bzw. die zur Verfügung
stehende Nutfläche
begrenzt ist.
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Der
Nutfüllfaktor
des Stators eines elektromotorischen Antriebs, bei welchem es sich
um das Verhältnis
der gesamten Wicklungsquerschnittsfläche zur Nutfläche handelt,
ist in der Praxis stets kleiner als 100%. Ziel verschiedener Ansätze in der
Praxis ist es, diesen Nutfüllfaktor
mit vertretbarem Aufwand möglichst
hoch zu halten.
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In
diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, den Blechschnitt des
Stators in Segmente aufzuteilen, d. h. den Stator zu segmentieren.
Dazu wird das Joch des Stators geteilt, wodurch die genannten Segmente
entstehen. Einzelne Segmente, d. h. Zähne, lassen sich vergleichsweise
einfach beispielsweise mit Drähten
kreisförmigen
Querschnitts bewickeln. Danach werden die bewickelten Segmente zur Bildung
eines Stators zusammengesetzt.
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Drähte mit
kreisförmigem
Querschnitt bilden zwischen sich Hohlräume, die technisch nicht nutzbar
sind. Um diese Hohlräume
zu verkleinern, können
Drähte
mit nicht kreisförmigem
Querschnitt, beispielsweise Drähte
mit einem rechteckförmigen Querschnitt,
verwendet werden. Diese nutzen den verfügbaren Bauraum besser aus als
Drähte
mit kreisförmigem
Querschnitt. Dieser Vorteil wird jedoch mit einem erhöhten Aufwand
für die
Herstellung und die Verarbeitung derartiger Drähte erkauft.
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Weiterhin
ist es bereits bekannt, den Nutfüllfaktor
eines Stators dadurch zu vergrößern, dass Kreuzungen
von Drähten
in der Nut vermieden werden.
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Des
Weiteren ist es bereits bekannt, die Dicke der Nutisolierung zu
reduzieren, um die für
die Statorwicklung vorgesehene Nutfläche zu vergrößern.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Weg aufzuzeigen, wie
der Nutfüllfaktor
eines mit einer Wicklung versehenen Stators eines elektromotorischen
Antriebs auf kostengünstige
Weise erhöht werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 und auch
durch ein Verfahren mit den im unabhängigen Anspruch 2 angegebenen Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben. Die Ansprüche
6 und 7 haben jeweils einen Stator für einen elektromotorischen
Antrieb zum Gegenstand.
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Bei
der vorliegenden Erfindung erfolgt zunächst ein Bewickeln der Spulenträger des
Stators bzw. der Segmente des Stators mit den Drähten der Statorwicklung derart,
dass die von der Statorwicklung auf dem Spulenträger bzw. dem Segment eingenommene
Querschnittsfläche
größer ist
als die für
die Statorwicklung zur Verfügung
stehende Nutfläche. Danach
erfolgt ein Nachverformen der Drähte
der Statorwicklung derart, dass die von der Statorwicklung auf jedem
der Spulenträger
bzw. Segmente eingenommene Querschnittsfläche kleiner oder gleich der
für die
Statorwicklung zur Verfügung
stehenden Nutfläche
ist. Bei diesem Nachverformen werden die Drähte in ihrer Gesamtheit derart
verformt, dass die zur Verfügung
stehende Nutfläche
eingehalten wird und dass der Nutfüllfaktor des Stators vergrößert ist. Das
Nachverformen führt
zu keiner unerwünschten Veränderung
des elektrisch wirksamen Drahtquerschnitts der Wicklungsdrähte, sondern
lediglich zu einer erwünschten
Verminderung der Hohlräume
zwischen den Wicklungsdrähten
und damit zu einer Erhöhung
des Nutfüllfaktors.
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Das
beanspruchte Verfahren ist insbesondere auch verwendbar, wenn Runddrähte zum
Bewickeln der Spulenträger
bzw. Segmente verwendet werden. Diese Runddrähte werden dann im Rahmen des Nachverformens
zusammengepresst und dabei verformt, so dass die insgesamt eingenommene Querschnittsfläche reduziert
ist.
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Da
das im Rahmen der Nachverformung durchgeführte Ausüben von Druck nicht auf jeden Draht
einzeln, sondern auf die aufgebrachte Wicklung als Ganzes vorgenommen
wird, führt
dies dazu, dass bei diesem Ausüben
von Druck die Drähte
der Wicklung unterschiedlich stark verformt werden, so dass beim
fertiggestellten Stator die Drähte
der jeweils einem Statorzahn zugeordnete Statorwicklung unterschiedliche
Querschnittsformen aufweisen.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele für die Erfindung
anhand der Figuren näher
erläutert. Es
zeigt
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1 ein
mit Drähten
kreisförmigen
Querschnitts bewickeltes Statorsegment,
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2 eine
Skizze zur Veranschaulichung des Ausübens von Druck auf die Drähte des
in der 1 gezeigten Statorsegments,
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3 das
in der 1 gezeigte Statorsegment nach der Beendigung des
Ausübens
von Druck und
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4 ein
Ausführungsbeispiel,
bei welchem das Statorblechpaket sternförmig ausgebildet ist und bewickelte
Spulenträger
verwendet werden.
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In
den 1–3 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel
für die
Erfindung veranschaulicht. Dieses erste Ausführungsbeispiel betrifft einen
Stator, der aus einer Vielzahl von Statorsegmenten 1 zusammengesetzt
wird. Das Zusammensetzen der Statorsegmente erfolgt an deren Kontaktstellen 1c und 1d,
an denen ein Statorsegment mit jeweils einem benachbarten Statorsegment
verbunden wird.
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Das
in der 1 gezeigte Statorsegment weist ein Joch 1a,
einen mit dem Joch verbundenen Zahn 1b und am Joch vorgesehene
Kontaktstellen 1c und 1d auf. Das Statorsegment 1 wurde
bereits in einem ersten Schritt ebenso wie eine Vielzahl weiterer Statorsegmente
mit der Statorwicklung bewickelt, welche in der gezeigten Schnittdarstellung
eine Vielzahl von Kupferdrähten 3 aufweist,
die jeweils einen kreisförmigen
Querschnitt haben.
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Zwischen
den Kupferdrähten 3 und
dem Statorsegment 1 ist eine Nutisolierung 2 vorgesehen, durch
welche die Kupferdrähte
vom Statorsegment elektrisch isoliert sind.
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Die
Mittellinie des Statorsegmentes ist mit der Bezugszahl 4 bezeichnet.
Mit der Bezugszahl 5 sind Segmentlinien bezeichnet, über welche
nach dem Zusammensetzen der einzelnen Segmente zu einem Stator die
Drähte
und damit die Statorwicklung nicht hinausreichen dürfen. Diese
Segmentlinien 5 legen die für die Wicklung verfügbare Nutfläche 6 eines
Statorsegmentes fest.
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Wie
aus der 1 ersichtlich ist, ist die Bewicklung
des Statorsegmentes 1 derart vorgenommen worden, dass die
von den Drähten 3 der
Statorwicklung insgesamt eingenommene Querschnittsfläche die
verfügbare
Nutfläche 6 überschreitet,
wobei zwischen den einzelnen Drähten
vergleichsweise große
Freiräume
verbleiben.
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Um
diese Freiräume
zu verkleinern und um die von den Drähten 3 insgesamt eingenommene Querschnittsfläche zu verringern
erfolgt in einem nachfolgendem Schritt eine Nachverformung der Drähte 3 derart,
dass die von der Statorwicklung auf jedem der Statorsegmente eingenommene
Querschnittsfläche
kleiner oder gleich der für
die Statorwicklung zur Verfügung
stehenden Nutfläche 6 ist.
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Dieses
Nachverformen erfolgt – wie
es in der 2 veranschaulicht ist – durch
eine Anwendung von Druck in Richtung des Pfeiles A auf die Drähte der
Statorwicklung, wobei dieser Druck mittels eines Anpresswerkzeugs 7 ausgeübt wird.
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In
der 3 ist das Ergebnis des Ausübens von Druck veranschaulicht.
Es ist ersichtlich, dass zumindest ein Teil der Drähte 3 durch
das Ausüben von
Druck verformt wurde, so dass die Querschnittsfläche der verformten Drähte nicht
mehr kreisförmig ist,
sondern eine von der Stärke
und den Angriffspunkten bzw. Angriffsflächen des auf den jeweiligen Draht
einwirkenden Druckes abhängige
andere Querschnittsform aufweist.
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Des
Weiteren geht aus der 3 hervor, dass die Drähte 3 die
Segmentlinien 5 nicht mehr überschreiten, so dass die auf
das Statorsegment 1 aufgebrachte Wicklung die zulässige Nutfläche 6 nicht
mehr verlässt.
Ferner ist aus der 3 ersichtlich, dass die Freiräume zwischen
den Drähten 3, welche
unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, wesentlich kleiner
sind als die Freiräume,
die vor dem Ausüben
von Druck vorlagen. Folglich wurde durch das Ausüben von Druck der Nutfüllfaktor
erhöht.
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Zur
Fertigstellung des kompletten Stators werden eine Vielzahl von Statorsegmenten,
wie sie in der 3 gezeigt sind, an den jeweiligen
Kontaktstellen miteinander verbunden, so dass insgesamt ein ringförmiger Stator
entsteht, dessen Außenmantel
vom Joch gebildet wird und innerhalb dessen der Rotor zur Bildung
eines elektromotorischen Antriebs drehbeweglich gelagert werden
kann.
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Die 4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei welchem ein sternförmig
ausgebildetes Statorblechpaket 10 vorgesehen ist. Dieses
weist von einem inneren Ring 10a sternförmig radial nach außen abstehende
Zähne 10b auf.
Auf jedem dieser Zähne wird
in Aufsetzrichtung B, d. h. in Radialrichtung nach innen, ein bewickelter
Spulenträger 8 aufgesetzt.
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Diese
Spulenträger 8 wurden
in einem ersten Schritt jeweils mit den Drähten 3 der Statorwicklung derart
bewickelt, dass die von der Statorwicklung auf jedem der Spulenträger insgesamt
eingenommene Querschnittsfläche
größer ist
als die für
die Statorwicklung zur Verfügung
stehende Nutfläche 6.
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Danach
wurden in einem zweiten Schritt durch Ausüben von Druck mittels eines
Anpresswerkzeugs 7 in Richtung des Pfeiles A im Sinne eines Nachverformens
die Drähte 3 derart
verformt, dass die von der Statorwicklung auf jedem der Spulenträger eingenommene
Querschnittsfläche
kleiner oder gleich der für
die Statorwicklung zur Verfügung
stehenden Nutfläche 6 ist.
Während
des Ausübens
von Druck ist ein Stützwerkzeug 9 in
den hohlzylindrischen inneren Bereich des jeweiligen Spulenträgers 8 eingesetzt,
um dessen Deformierung bzw. Zerstörung zu vermeiden.
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Aus
der 4 ist ersichtlich, dass nach der Ausübung des
Druckes in Richtung des Pfeiles A die Drähte 3 der Statorwicklung
verformt wurden und nunmehr unterschiedliche Querschnittsformen
aufweisen. Ferner geht aus der 4 hervor,
dass die Drähte 3 nicht über die
Segmentlinien 5 hinausragen und folglich die verfügbare Nutfläche 6 nicht
verlassen.
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Durch
das genannte Ausüben
von Druck wurde auch bei diesem Ausführungsbeispiel erreicht, dass
die zwischen den Drähten 3 vorliegenden
Freiräume
verkleinert sind und folglich der Nutfüllfaktor erhöht ist.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht nach alledem darin, die zu bewickelnden
Statorsegmente bzw. Wicklungsträger
zunächst
derart zu bewickeln, dass die von den Wicklungsdrähten insgesamt
eingenommene Querschnittsfläche
jeweils größer ist
als die zur Verfügung
stehende Nutfläche
und dann in einem nachfolgenden Schritt die Drähte im Sinne einer Nachverformung,
vorzugsweise durch Anwendung von Druck, derart zusammenzupressen, dass
sie in die zur Verfügung
stehende Nutfläche passen.
Durch diese Nachverformung werden die innerhalb der Nutfläche vorhandenen
Freiräume
reduziert und der Nutfüllfaktor
vergrößert. Dadurch
wird auch der Wirkungsgrad des letztendlich hergestellten elektromotorischen
Antriebs verbessert.
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Bei
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
wurde vom Vorliegen von Wicklungsdrähten mit kreisförmiger Querschnittsfläche ausgegangen.
Alternativ dazu ist es auch möglich,
von Wicklungsdrähten
mit nicht kreisförmiger
Querschnittsfläche
auszugehen.
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Des
Weiteren wurde bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen das Nachverformen am
jeweiligen Stator bzw. am jeweiligen Spulenträger vor dem Zusammensetzen
der genannten Segmente bzw. Spulenträger zum Stator vorgenommen.
Alternativ dazu ist es auch denkbar, das Nachverformen beim Zusammensetzen
der genannten Segmente bzw. Spulenträger zum Stator vorzunehmen.
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Ferner
ist beim oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel zwischen den
Statorsegmenten und der Drähte
aufweisenden Statorwicklung jeweils eine Nutisolierung vorgesehen.
Alternativ dazu ist es auch möglich,
auf eine derartige Nutisolierung zu verzichten. Alternativ dazu
können
bei hohen Umformungsgraden auch spezielle Drahtisolierungen vorgesehen
sein.