DE102008019479A9

DE102008019479A9 - Stator oder Rotor für elektrische Maschinen und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102008019479A9
Application number: DE102008019479A
Authority: DE
Inventors: Sadik Sadiku; Keith A. Fort Wayne Witwer
Original assignee: Elmotec Statomat Vertriebs GmbH
Current assignee: Schaeffler Elmotec Statomat GmbH
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2010-02-18
Also published as: WO2010085986A1; EP2266192A1; HUE048383T2; EP2266192B1; US20140252908A1; SI2266192T1; US8667666B2; CN102007675A; DE102008019479A1; ES2774276T3; US20090261683A1; HK1219354A1; PL2266192T3; CN105375703A; US10615654B2

Abstract

Das Verfahren dient zur Herstellung eines Stators oder Rotors mit einer verteilten Wellenwicklung, wobei die Wickelköpfe (22) von jeweils zwei paarweise zugeordneten, mit benachbarten Stegen (20) in denselben Nuten liegenden Drähten (15) an entgegengesetzten Enden der Nuten über die Stirnflächen des Stators bzw. Rotors vorstehen. Zur Bildung von zwei zunächst in sich und dann miteinander verflochtenen Drahtsträngen (10, 12) werden jeweils mehrere Spulenwindungen gleichzeitig durch Aufwickeln von n von einem Drahtführer ausgespeisten, parallelen Drähten (15) mit Zwischenabstand auf eine streifenförmige Schablone erzeugt, indem abwechseln in einem Arbeitsschritt A aus jedem der Drähte (15) jeweils ein Steg (20) und ein Kopfabschnitt mit der Drahtlänge eines Wickelkopfs (22) erzeugt werden und dann in einem Arbeitsschritt B die Stege (20) zusammen mit dem einen Ende der Kopfabschnitte und der Drahtführer zusammen mit deren anderen Ende relativ zueinander um das n-Fache des Zwischenabstands axial verschoben und dadurch Wickelköpfe (22) gebildet werden. Schließlich werden die zwei in sich verflochtenen Drahtstränge (10, 12) in einer axialen Relativstellung übereinander gewickelt, in der jeweils von entsprechenden Paralleldrähten (15) auf entgegengesetzten Seiten der streifenförmigen Schablone erzeugte Stege (20) zur Deckung gebracht werden, und dann als eine insgesamt verflochtene Wellenwicklung (14) in die Stator- bzw. Rotornoten eingeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stators oder Rotors für elektrische Maschinen mit einer verteilten Wellenwicklung, deren Drähte kontinuierlich wellenförmig zu in die Nuten des Stators bzw. Rotors eingeführten Stegen und jeweils zwei benachbarte Stege eines Drahts verbindenden, über eine Stirnfläche des Stators bzw. Rotors vorstehenden Wickelköpfen geformt sind, wobei die Wickelköpfe von jeweils zwei paarweise zugeordneten, mit benachbarten Stegen in denselben Nuten liegenden Drähten an entgegengesetzten Enden der Nuten über die Stirnflächen des Stators bzw. Rotors vorstehen.
Darüber hinaus betrifft die Neuerung einen zylindrischen Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine mit Nuten, deren Breite für die Aufnahme einer einzigen Reihe von im Querschnitt rechteckigen, mit ihren radial inneren und äußeren Seitenflächen parallel ausgerichteten Drahtstegen ausgelegt ist, und mit einer verteilten Wellenwicklung, die zwei Stränge mit jeweils n kontinuierlich wellenförmig mit Stegen und giebelförmigen Wickelköpfen geformte, miteinander verflochtene Drähte aufweist, wobei die Drähte des einen Strangs den Drähten des anderen Strangs jeweils paarweise derart zugeordnet sind, dass die beiden Drähte jedes Paars in denselben Nuten liegen und ihre Wickelköpfe entgegengesetzte Enden der in denselben Nuten liegenden, benachbarten Stege verbinden.
Die Erfindung geht aus von dem in der US 2006/0022547 A1 beschriebenen Verfahren und dem nach diesem Verfahren herge stellten Stator oder Rotor. Es sieht vor, dass eine verteilte Wellenwicklung aus zwei Gruppen bzw. Strängen von in sich verflochtenen, vorzugsweise rechteckigen Wicklungsdrähten zusammengesetzt wird, wobei jeder Strang durch Wickeln auf einer streifenförmig flachen Schablone, Überkreuzen der Drähte im Wickelkopfbereich und anschließendes Flachpressen erzeugt wird. Die beiden einschichtig flachgepreßten Wicklungshälften liegen am Ende in den Stator- oder Rotornuten in jeder Lage jeweils in einer bestimmten Ebene, sind also nicht miteinander verflochten. Die jeweils paarweise zugeordneten, in denselben Nuten liegenden Wicklungsdrähte der beiden Stränge sind nur durch Verlöten an einem Ende miteinander verbunden. Obgleich eine aus beiden übereinander liegenden Wicklungshälften gebildete Lage die Dicke der zweifachen Drahtstärke haben sollte, kreuzen an bestimmten Stellen drei Drähte in so dichtem Abstand, dass eine gewisse Ungleichmäßigkeit in der Dicke entsteht, die sich bei mehreren Lagen verstärkt.
Verteilte Wellenwicklungen, bei denen alle Wicklungsdrähte miteinander verflochten sind, sind in den US 6750581 B2 , US 6759779 B2 , US 6826823 B2 und US 6862797 B2 beschrieben. Ein Herstellungsverfahren ist nicht angegeben. Wenn sich, wie normalerweise angestrebt, die vorgefertigte Wellenwicklung mehrmals um den Umfang eines Stators oder Rotors erstrecken, also mehrere Lagen bilden soll, muss jeweils an denjenigen Stellen, wo sich der Übergang von einer zur nächsten Lage befindet, eine Unregelmäßigkeit in den Wicklungsstrang eingearbeitet werden, so dass eine maschinelle Herstellung erschwert ist.
Es ist aus der EP 1 469 579 A1 weiterhin bekannt, eine verteilte Wellenwicklung für einen Stator oder Rotor herzustel len, indem sämtliche Wicklungsdrähte, die eine zweischichtige Lage bilden, parallel zueinander in einem einzigen Wickelvorgang auf eine im Querschnitt sechseckige Schablone aufgewickelt werden, die zwei parallele, mit Quernuten versehene Seitenflächen hat, welche an beiden Längskanten durch giebeldachförmige Endflächen verbunden sind. Der Wickelvorgang schreitet insgesamt schraubenförmig längs der Schablone voran, allerdings beschränkt sich die Steigung auf die ungenuteten, giebeldachförmigen Endflächen, während sich die Wicklungsdrähte in den Nuten der parallelen Seitenflächen ohne Steigung quer zur Mittellängsachse der Schablone erstrecken. Bei jeder Windung der parallelen Wicklungsdrähte um die Schablone legt sich ein Teil der Drähte in Nuten, deren gegenüberliegende Nuten zuvor während derselben Umwindung belegt worden sind. Nachdem eine bestimmte Windungszahl erreicht worden ist, wird die mehrteilige Schablone im Querschnitt verkleinert und aus der gebildeten Spule herauszogen. Danach wird die im Querschnitt sechseckige Spule zweischichtig flachgepreßt, wobei die auf den beiden Seitenflächen der Schablone erzeugten Drahtstege gegeneinandergepreßt werden.
Bei dem zuletzt genannten Wickelverfahren werden die Drähte kontinuierlich mit konstanter Steigung auf die giebeldachförmigen Endflächen der Schablone gelegt. Wegen restlicher Eigenelastizität liegen sie dort aber nicht flach an, werden auch nicht von außen gegen diese Flächen angedrückt und nicht in Nuten gehalten. Die Biegung der Drähte um die die giebeldachförmigen Endflächen begrenzenden Kanten in Verbindung mit der Biegung zur Erzielung der axialen Steigung der Drahtwindungen bewirken eine Torsion der rechteckigen Drähte im gesamten Wickelkopfbereich, die sich in der Phase zwischen der Abnahme der Spule von der Schablone und dem Flachpressen schädlich auswirkt. Normalerweise müsste bei diesem bekannten Wickelverfahren die äußere Seitenfläche eines auf einer Seitenfläche der Schablone liegenden Drahtes auch über die gesamte Länge eines Wickelkopfs außen liegen. Die Torsionsspannung im Draht und die sich schräg zu seinen Längskanten erstreckenden Biegekanten bewirken jedoch eine Verdrehung um seine Längsachse und Krümmungen, so dass beim Flachpressen die übereinander liegenden oder einander kreuzenden Drahtabschnitte zum Teil mit ihren Seitenkanten statt mit den Seitenflächen gegeneinandergepreßt werden und auch der parallele Verlauf der Drähte eines Strangs im Wickelkopfbereich nicht gewährleistet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stator oder Rotor der eingangs genannten Art mit einer insgesamt verflochtenen, verteilten Wellenwicklung mit gleichmäßigem Drahtverlauf und minimaler zweischichtiger Lagendicke auch in den Wickelköpfen sowie ein geeignetes Herstellungsverfahren für solch einen Stator oder Rotor zur Verfügung zu stellen.
Vorstehende Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass zur Bildung von zwei zunächst in sich und dann miteinander verflochtenen Drahtsträngen jeweils

– mehrere Spulenwindungen gleichzeitig durch Aufwickeln von n von einem Drahtführer ausgespeisten, parallelen Drähten mit Zwischenabstand auf eine um ihre Längsachse drehbare, streifenförmige Schablone erzeugt werden, indem
– für einen Stator oder Rotor mit einer durch 2 n teilbaren Anzahl von mit der Wellenwicklung zu belegenden Nuten abwechselnd in einem Arbeitsschritt A aus jedem der parallelen Drähte auf der Schablone mit einem vorbestimmten Zwischenabstand entsprechend dem Abstand der Stator- bzw. Rotornuten jeweils ein Steg und ein durch Umbiegen gedoppelter Kopfabschnitt mit der Drahtlänge eines Wickelkopfs erzeugt werden und
– in einem Arbeitsschritt B die im Arbeitsschritt A gebildeten Stege unter Aufrechterhaltung ihres Zwischenabstands zusammen mit dem angrenzenden ersten Ende der jeweils zugehörenden Kopfabschnitte und der Drahtführer zusammen mit dem zweiten Ende dieser Kopfabschnitte relativ zueinander um das n-fache des vorbestimmten Zwischenabstands in einer vorbestimmten Richtung axial längs der Drehachse der Schablone verschoben und dadurch Wickelköpfe gebildet werden,
– bis nach mehrfacher Wiederholung der Arbeitsschritte A und B noch die Stege für die letzten n Stator- bzw. Rotornuten auf der Schablone erzeugt werden,
– und dann die zwei einzeln vorgefertigten, in sich verflochtenen Drahtstränge in einer axialen Relativstellung übereinander gewickelt werden, in der jeweils von entsprechenden Paralleldrähten auf entgegengesetzten Seiten der streifenförmigen Schablone erzeugte Stege zur Deckung gebracht und anschließend im aneinanderliegenden Zustand als eine insgesamt zusammenhängende Wellenwicklung in die Stator- bzw. Rotornuten in Richtung quer zu deren Längserstreckung eingeführt werden.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Wellenwicklung aus zwei einschichtig vorzufertigenden Drahtsträngen mit quer zum Strang versetzten Stegen zusammengesetzt und dabei mit allen Drähten verflochten werden kann. Die Wickelköpfe springen abwechselnd von einer radial inneren in eine äußere Schicht und zurück, liegen also schräg zur Umfangsrichtung des Stators oder Rotors. Dennoch werden die Drähte nur punktuell an den Übergängen von den Stegen in die Wickelköpfe und an deren Spitzen gebogen, und zwar vorzugsweise nur um sich längs des Strangs und quer dazu erstreckende Biegeachsen. Auf diese Weise können Rechteckdrähte auch in den Wickelköpfen gleichmäßig ausgerichtet werden, so dass sie nach der Montage mit gegenüberliegenden Seitenflächen nach radial außen und innen weisen. Die Verformung an der Spitze der Wickelköpfe, die dazu führt, dass in Draufsicht auf der einen Seite von der Spitze die eine Seitenfläche und auf der anderen Seite die gegenüberliegende Seitenfläche des Rechteckdrahtes die Außenfläche des Wickelkopfs bildet, ist so stark, dass der Draht plastisch verformt wird und danach seine Form beibehält.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung hat jeder der beiden jeweils in sich verflochtenen Drahtstränge zwei- bis fünfmal so viele Stege wie der Stator bzw. Rotor Nuten und die in sich und miteinander verflochtenen Drahtstränge sind zwischen den jeweils zweiten und vorletzten Stegen durchgehend derart geformt und zusammengefügt, dass sich die Wickelköpfe von zwei Drähten, die für dieselben Nuten bestimmt sind, jeweils beim Fortschreiten von einer zur nächsten Nut in der Projektion auf eine quer zur Längsrichtung der Nuten liegende Fläche kreuzen. Dieses Verfahren ist fertigungstechnisch günstig, weil die Wellenwicklung durchgehend gleichmäßig geformt werden kann, ohne die z. B. bei der US 6750581 B2 vorgesehene Diskontinuität am Übergang von einer zur nächsten zweischichtigen Lage.
Normalerweise wird man jeden in sich verflochtenen Drahtstrang mit n Drähten einzeln flachpressen und dann die beiden Drahtstränge übereinander wickeln. Es besteht aber auch die Möglichkeit, erst die beiden einzeln möglichst flach vorge fertigten Drahtstränge übereinander zu wickeln und sie dann in gegenseitiger Anlage flachzupressen.
Ein nach dem vorstehend geschilderten Verfahren hergestellter zylindrischer Stator oder Rotor ist in Anspruch 7 gekennzeichnet. Er zeichnet sich aus durch eine genau parallele Lage nicht nur der radial aneinandergrenzenden Seitenflächen der Stege, sondern auch der Wickelkopfabschnitte an den Kreuzungsstellen sowie durch deren genaue Positionierung, so dass die in radialer Richtung gemessene Dicke einer zweischichtigen Drahtlage im Bereich der Wickelköpfe nicht größer ist als in einer Nut.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 untereinander in Seitenansicht zwei einzeln vorgefertigte, wellenförmige, in sich verflochtene Drahtstränge, bestehend jeweils aus drei Drähten, für eine verteilte Wellenwicklung eines Stators mit 42 Nuten sowie eine Seitenansicht einer durch Verflechten der beiden Drahtstränge zusammengesetzten Wellenwicklung im flach ausgebreiteten Zustand;
2 eine Endansicht eines der Drahtstränge nach 1 in größerem Maßstab;
3 eine Seitenansicht eines Wickelkopfes eines der Drahtstränge nach 1 in stark vergrößertem Maßstab;
4 eine axiale Draufsicht auf einen Wickelkopf eines der Drahtstränge nach 1 nach der Einbringung in einen Stator in stark vergrößertem Maßstab;
5 und 6 Draufsichten auf die Stirnenden eines Stators mit 42 Nuten nach dem Einziehen eines von drei Drahtpaaren einer verteilten Wellenwicklung, die sich viermal um den Umfang erstreckt und dabei vier zweischichtige Lagen bildet;
7 ein Wickelschema einer dreilagigen verteilten Wellenwicklung eines Drahtpaares für einen Stator mit 42 Nuten in einer Abwicklung, und
8 das Wickelschema der verteilten Wellenwicklung gemäß 7 nach dem Einbringen in drei zweischichtigen Lagen in einen Stator.
Wie in 1 dargestellt, werden zunächst zwei aus mehreren miteinander verflochtenen Paralleldrähten bestehende Drahtstränge 10 und 12 hergestellt, die dann zu einer insgesamt mit 14 bezeichneten Wellenwicklung zusammengefügt werden, die in einen Stator oder Rotor eingebracht wird.
Die beiden Drahtstränge 10 und 12 stimmen im Beispielsfall identisch überein, könnten aber auch unterschiedlich geformte Wickelköpfe haben. Sie bestehend jeweils aus drei parallelen Drähten 15, deren Anfang mit 16 bzw. 16' und deren Ende mit 18 bzw. 18' bezeichnet ist. In jedem der beiden Drahtstränge 10, 12 erstrecken sich die drei Drähte 15 wellenförmig zwischen ihrem Anfang und ihrem Ende und bilden dabei in die Stator- bzw. Rotornuten einzuführende, gerade Stege 20 und Wickelköpfe 22, welche zwei benachbarte Stege 20 desselben Drahts an den Enden verbinden. Im fertigen Zustand eines Stators stehen die Wickelköpfe 22 über die Stirnseiten des Statorblechpakets vor.
Der Drahtstrang 10 bzw. 12 wird wellenförmig geformt, indem die drei Drähte 15, wie in der US 2006/0022547 A1 beschrieben, gleichzeitig, parallel nebeneinander auf eine rotierend antreibbare, flache bzw. streifenförmige Schablone, zu der auch zwei die Wickelköpfe 22 formende, zurückziehbare Bolzen gehören, aufgewickelt werden. Während der mit Unterbrechungen durchgeführten Wickelbewegung steht der Drahtführer relativ zur Schablone axial fest, aber jedes Mal, nachdem die Drähte 15 über einen der erwähnten Bolzen geführt und dadurch die Biegung an der Spitze von drei Wickelköpfen 22 geformt worden ist, werden der Drahtführer und die Schablone nach dem Zurückziehen des Bolzens relativ zueinander axial verschoben und dadurch die Schenkel der Wickelköpfe 22 auseinandergespreizt. Man erkennt anhand von 1, dass dabei in den Wickelköpfen die Schenkel in eine sich kreuzende Stellung gebracht werden. Wie weiterhin aus 1 erkennbar, überkreuzt in den oberen Wickelköpfen der erste Draht 15 die beiden anderen parallelen Drähte und der mittlere den dritten Draht.
In den unteren Wickelköpfen 22 ist es umgekehrt. Dort überkreuzt der dritte Draht 15 den ersten und zweiten, und der mittlere Draht überkreuzt den ersten. Auf diese Weise sind die drei Drähte 15 nach dem Abstreifen von der flachen Schablone miteinander verflochten und können als ein zusammenhängender Drahtstrang 10 bzw. 12 gehandhabt werden.
Da die flache, sreifenförmige Schablone aus Festigkeitsgründen eine bestimmte Dicke hat und bei der gemäß US 2006/0022547 A1 herzustellenden Wellenwicklung alle Stege 20 eines Drahtstrangs 10 bzw. 12 in einer gemeinsamen flachen Ebene liegen sollen, um später in den radialen Nuten eines zylindrischen Stators oder Rotors auf demselben Radius zu liegen, werden die Drahtstränge 10, 12 in bekannter Weise nach der wellenförmigen Formung auf der Schablone möglichst weitgehend in eine gemeinsame Ebene flachgepreßt, was aber normalerweise nicht vollkommen gelingt, weil die Kreuzungsstellen der Drähte in den Wickelköpfen 22 diesem Bestreben entgegenstehen.
Während bei dem bekannten Verfahren gemäß US 2006/0022547 A1 die beiden flachgepreßten Drahtstränge 10 und 12 einfach nur mit dem gezeigten Versatz ihrer Anfänge 16, 16' und ihrer Enden 18, 18' in Längsrichtung übereinandergelegt und in dieser einfachen Schichtung in der Weise, wie z. B. in der US 7281312 B2 anhand der dortigen 8 bis 11 beschrieben, in einen Stator oder Rotor mit radial innen offenen Nuten eingeführt werden, unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von diesem Stand der Technik dadurch, dass die Drahtstränge 10 und 12, normalerweise ebenfalls nach einem Flachpreßvorgang, in der in 1 gezeigten Relativstellung durch gegenseitiges Umwickeln miteinander verflochten werden, so dass die gesamte Wellenwicklung 14 ein in sich zusammenhängender Drahtstrang ist, der anschließend ebenfalls gemäß US 7281312 B2 in ein Statorblechpaket eingebracht werden kann. Das gegenseitige Umwinden der beiden Drahtstränge 10 und 12 ist erforderlich, um jeweils paarweise zugeordnete Stege 20 der Drahtstränge 10 und 12 zur Deckung zu bringen. So werden z. B. die in 1 – von links beginnend – ersten drei Stege 20 des Strangs 10, die auf der Rückseite der nicht gezeigten flachen Schablone geformt worden sind, mit dem vierten, fünften und sechsten Steg des Strangs 12 zur Deckung gebracht. Die drei zuletzt genannten Stege sind auf der Vorderseite der flachen Schablone geformt worden. Nachdem die Stege 4 bis 6 des Strangs 12 auf die Stege 1 bis 3 des Strangs 10 gelegt worden sind, muss durch einen Windeschritt der Strang 10 auf die Oberseite des Strangs 12 gebracht werden, um die Stege 4 bis 6 des Strangs 10 auf die Stege 7 bis 9 des Strangs 12 zu legen. Anschließend muss durch eine weitere Windebewegung, die sich von Hand sehr einfach ausführen lässt, aber auch mittels einer sehr flachen Schablone ausgeführt werden kann, der Strang 12 über den Strang 10 gebracht werden, um die auf der Vorderseite der Schablone geformten Stege 10 bis 12 des Strangs 12 auf die auf der Rückseite der Schablone geformten, von links gezählten Stege 7 bis 9 des Strangs 10 zu legen. Es ist leicht einzusehen, dass sich nach Überlagerung aller Stege der Stränge 10 und 12 eine optimal dünne, zweischichtige Lage der Wellenwicklung 14 ergibt, wenn die gemäß 2 zunächst mit einem gewissen Zwischenabstand entsprechend der Dicke der Schablone geformten Stege 20 durch Flachpressen der Stränge 10 und 12 soweit angenähert werden, dass sie in der Endansicht gemäß 2 ohne Zwischenabstand unmittelbar nebeneinanderliegen. Im verflochtenen Zustand der beiden Stränge 10 und 12 ergibt sich dann eine zweischichtige Lage, die genau so dick ist wie zwei flach übereinanderliegende Drahtstege 20. Da sich die Wickelköpfe 22 schräg zwischen den beiden Schichten erstrecken, ist diese zweischichtige Lage auch im Bereich der Wickelköpfe nicht dicker.
Die als Ausführungsbeispiel gemäß 1 gewählte Wellenwicklung ist für einen Stator mit 42 Nuten bestimmt. Es versteht sich, dass nach demselben Herstellungsverfahren auch eine verteilte Wellenwicklung mit zwei Drahtsträngen mit jeweils nur zwei Drähten, aber auch mit z. B. vier bis acht oder noch mehr Drähten pro Strang hergestellt werden kann. Dabei empfiehlt es sich, wie in 1 gezeigt, die beiden Stränge 10 und 12 in Längsrichtung um die Zahl der Drähte versetzt zu überlagern und die Drahtenden 18 und 18' miteinander elektrisch zu verbinden, so dass der Strom in beiden in derselben Nut liegenden Stegen dieselbe Richtung hat und die Drahtanfänge 16 und 16' auf derselben Seite des Stators unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.
3 und 4 zeigen einen Wickelkopf in Seitenansicht bzw. Draufsicht in größerem Maßstab. Man erkennt, dass der Draht 15 zunächst gegen sich selbst um 180° umgebogen worden ist. Danach wurden die beiden Schenkel des Wickelkopfs 22 gespreizt, so dass an der Umbiegestelle nun auch noch ein seitliches Abbiegen um eine im wesentlichen quer zu der ersten Biegeachse liegende Achse erfolgte. Die Biegevorgänge an der mit 23 bezeichneten Spitze der giebelförmigen Wickelköpfe haben eine so starke plastische Verformung zur Folge, dass danach die erzielte Form erhalten bleibt. Im übrigen zeigt 4 deutlich, dass die so verformten Wickelköpfe 22 natürlicherweise ebenso wie die durch sie verbundenen Stege 20 in zwei unmittelbar benachbarten Schichten liegen. Der Übergang zwischen den beiden Schichten befindet sich an der Spitze 23 der Wickelköpfe 22.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 haben die Drahtstränge 10 und 12 sowie die daraus zusammengesetzte Wellenwicklung 14 nur so viele Stege, dass damit in einem Stator mit 42 Nuten nur eine einzige zweischichtige Lage hergestellt werden kann. Mit anderen Worten, jeder Draht 15 erstreckt sich nur einmal um den Umfang und in jeder Nut liegen nur zwei Stege.
Die 5 bis 8 zeigen ergänzend eine vier- bzw. dreischichtige Wicklung für einen Stator mit ebenfalls 42 Nuten, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein einziges Drahtpaar gezeigt ist, das in den Nuten 1, 4, 7 ... 37 und 40 liegt. Zur vollständigen verteilten Wellenwicklung gehören eigentlich noch ein zweites Drahtpaar, das in den Nuten 2, 5, 8 ... 38 und 41 liegt sowie ein drittes Drahtpaar, das in den Nuten 3, 6, 9 ... 39 und 42 liegt. Aus der Gegenüberstellung der beiden Stirnansichten des Stators gemäß 5 und 6 geht hervor, dass jeweils auf denjenigen Umfangsabschnitten, wo sich an dem einen Ende des Stators die Wickelköpfe des einen Drahtes befinden, der andere Draht seine Wickelköpfe am anderen Ende des Stators hat. Die Drahtanfänge 16 und 16' treten radial außen aus den Nuten 1 und 4 heraus. Die Drahtenden 18 und 18' ragen radial innen aus den Nuten 1 bzw. 40 hervor und befinden sich an demselben axialen Ende des Stators wie die Drahtanfänge 16, 16'. Sie haben einen kurzen Umfangsabstand und können daher leicht elektrisch miteinander verbunden werden, so dass man im fertigen Zustand für jedes einander zugeordnete Drahtpaar nur zwei Anschlüsse braucht.
Die 5 und 6 zeigen bereits die gleichmäßige Form der Wickelköpfe in allen Lagen über den gesamten Umfang an beiden Enden des Stators. Diese Gleichmäßigkeit auch an den Übergängen von einer zur nächsten zweischichtigen Lage lässt sich anhand der 7 und 8 erklären. 7 zeigt eine Abwicklung bzw. den gestreckten Ausgangszustand einer erfindungsgemäßen Wellenwicklung, bestehend hier nur aus einem einzigen Paar zugeordneter Drähte, also die Situation nach 5 und 6, wobei die Nummern der Nuten für drei Umläufe um den Umfang des Stators angegeben sind. Kleine Kreise symbolisieren Stege des Strangs 10 und kleine Quadrate Stege des Strangs 12. Man erkennt, dass zwischen den Nuten 4 und 7 eine durchgezogene Linie die mit einem Quadrat gekennzeichneten Stege des Strangs 12 verbindet. Das sind mit Blick auf die in 6 gezeigte Stirnseite des Stators die mit dünnen Linien gezeichneten Wickelköpfe zwischen den Nuten 4 und 7. Gleichzeitig verbindet in 7 eine gestrichelte Linie die mit kleinen Kreisen gekennzeichneten Stege des nur durch einen Einzeldraht dargestellten Strangs 10. Damit sind die mit Blick auf die in 6 gezeigte Stirnseite des Stators unsichtbaren Wickelköpfe an dessen anderen Ende kenntlich gemacht. Dementsprechend sieht man in 5 zwischen den Nuten 4 und 7 die mit dickeren Linien gezeichneten Wickelköpfe des Strangs 10.
Somit stellen die 7 und 8 Abwicklungen von Projektionen der an den entgegengesetzten Enden des Stators vorhandenen Wickelköpfe auf eine Querebene der Mittellängsachse des Stators dar, wobei die durchgezogenen Linien die Wickelköpfe auf der für den Betrachter sichtbaren Anschlußseite des Stators gemäß 6 und die gestrichelten Linien die für den Betrachter unsichtbaren Wickelköpfe auf der entgegengesetzten Statorstirnseite symbolisieren. Man erkennt sowohl in der Abwicklung von drei zweischichtigen Lagen gemäß 7 als auch in der Darstellung nach 8, wo die drei zweischichtigen Lagen übereinander dargestellt sind, dass sich die durchgezogenen und gestrichelten Linien abwechseln und kreuzen. Dabei ist besonders hervorzuheben, dass sich auch dort, wo sich die Übergänge von der ersten zur zweiten Lage und von der zweiten zur dritten Lage befinden, die durchgezogenen und die gestrichelten Linien, welche die Wickelköpfe an axial entgegengesetzten Umfangsabschnitten des Stators symbolisieren, ganz regelmäßig kreuzen und abwechseln, nicht anders als auch in anderen Umfangsabschnitten. Die Gleichmäßigkeit des Wickelschemas nach 7 und 8 stellt eine Bestätigung dafür dar, dass mit gleichmäßig gewellten sowie gleichmäßig in sich und miteinander verflochtenen Drahtsträngen 10, 12, unabhängig von der Zahl der Drähte und der Zahl der Nuten, wenn letztere durch die verdoppelte Zahl der Drähte teilbar ist, ein sehr gleichmäßig bewickelter Stator oder Rotor gemäß 5 und 6 erzeugt werden kann.
Genauso wichtig wie die Gleichmäßigkeit des Wickelschemas nach 7 und 8 ist für die Praxis die Genauigkeit der Formung und Verlegung der Drähte, so dass diese sich nur an den vorbestimmten Stellen kreuzen und mit ihrem rechteckigen Querschnitt gleichmäßig ausgerichtet sind, sich also flächig, nicht verkantet gegeneinanderlegen. Dieses lässt sich mit dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren mit zwei einzeln vorgefertigten, einschichtigen Drahtsträngen 10, 12 erreichen, in denen dank der beschriebenen Formung der Spitzen 23 der Wickelköpfe 22 sowohl diese als auch die Stege 20 mit gleichmäßiger Ausrichtung der Seitenkanten der Drähte 15 erzeugt werden können. Es ist anschließend unproblematisch, die auf die se Weise genau ausgerichteten Stege und Wickelköpfe der beiden Drahtstränge 10, 12 miteinander verflochten übereinanderzulegen und dann unter Aufrechterhaltung der gleichmäßigen Ausrichtung der Drähte in radial außen oder innen offenen Nuten eines Stators oder Rotors einzuführen. Dabei kann es sich z. B. auch um einen Stator oder Rotor eines elektrischen Linearmotors handeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2006/0022547 A1 [0003, 0023, 0025, 0026]
- US 6750581 B2 [0004, 0010]
- US 6759779 B2 [0004]
- US 6826823 B2 [0004]
- US 6862797 B2 [0004]
- EP 1469579 A1 [0005]
- US 7281312 B2 [0026, 0026]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Stators oder Rotors für elektrische Maschinen mit einer verteilten Wellenwicklung, deren Drähte (15) kontinuierlich wellenförmig zu in die Nuten des Stators bzw. Rotors eingeführten Stegen (20) und jeweils zwei benachbarte Stege (20) eines Drahts (15) verbindenden, über eine Stirnfläche des Stators bzw. Rotors vorstehenden Wickelköpfen (22) geformt sind, wobei die Wickelköpfe (22) von jeweils zwei paarweise zugeordneten, mit benachbarten Stegen (20) in denselben Nuten liegenden Drähten (15) an entgegengesetzten Enden der Nuten über die Stirnflächen des Stators bzw. Rotors vorstehen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung von zwei zunächst in sich und dann miteinander verflochtenen Drahtsträngen (10, 12) jeweils – mehrere Spulenwindungen gleichzeitig durch Aufwickeln von n von einem Drahtführer ausgespeisten, parallelen Drähten (15) mit Zwischenabstand auf eine um ihre Längsachse drehbare, streifenförmige Schablone erzeugt werden, indem – für einen Stator oder Rotor mit einer durch 2 n teilbaren Anzahl von mit der Wellenwicklung zu belegenden Nuten abwechselnd in einem Arbeitsschritt A aus jedem der parallelen Drähte (15) auf der Schablone mit einem vorbestimmten Zwischenabstand entsprechend dem Abstand der Stator- bzw. Rotornuten jeweils ein Steg (20) und ein durch Umbiegen gedoppelter Kopfabschnitt mit der Drahtlänge eines Wickelkopfs (22) erzeugt werden und – in einem Arbeitsschritt B die im Arbeitsschritt A gebildeten Stege (20) unter Aufrechterhaltung ihres Zwi schenabstands zusammen mit dem angrenzenden ersten Ende der jeweils zugehörenden Kopfabschnitte und der Drahtführer zusammen mit dem zweiten Ende dieser Kopfabschnitte relativ zueinander um das n-fache des vorbestimmten Zwischenabstands in einer vorbestimmten Richtung axial längs der Drehachse der Schablone verschoben und dadurch Wickelköpfe (22) gebildet werden, – bis nach mehrfacher Wiederholung der Arbeitsschritte A und B noch die Stege (20) für die letzten n Stator- bzw. Rotornuten auf der Schablone erzeugt werden, – und dann die zwei einzeln vorgefertigten, in sich verflochtenen Drahtstränge (10, 12) in einer axialen Relativstellung übereinander gewickelt werden, in der jeweils von entsprechenden Paralleldrähten (15) auf entgegengesetzten Seiten der streifenförmigen Schablone erzeugte Stege (20) zur Deckung gebracht und anschließend im aneinanderliegenden Zustand als eine insgesamt zusammenhängende Wellenwicklung (14) in die Stator- bzw. Rotornuten in Richtung quer zu deren Längserstreckung eingeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden jeweils in sich verflochtenen Drahtstränge (10, 12) zwei- bis fünfmal so viele Stege (20) wie der Stator bzw. Rotor Nuten hat und die in sich und miteinander verflochtenen Drahtstränge (10, 12) zwischen den jeweils zweiten und vorletzten Stegen (20) durchgehend derart geformt und zusammengefügt sind, dass sich die Wickelköpfe (22) von zwei Drähten (15), die für dieselben Nuten bestimmt sind, jeweils beim Fortschreiten von einer zur nächsten Nut in der Projektion auf eine quer zur Längsrichtung der Nuten liegende Fläche kreuzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in sich verflochtenen Drahtstränge (10, 12) einzeln oder nach ihrer Verwindung zur zusammenhängenden Wellenwicklung (14) flachgepresst werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in sich verflochtenen Drahtstränge (10, 12) nur soweit flach zusammengepresst werden, dass in einer Endansicht der ausgestreckten Drahtstränge (10, 12) zwei durch einen Wickelkopf (22) verbundene Stege (20) ohne oder mit minimalem Zwischenabstand nebeneinander liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtstränge (10, 12) aus parallelen, gleichmäßig ausgerichteten Drähten (15) mit rechteckigem Querschnitt geformt und verflochten werden, wobei während des Arbeitsschritts A die Drähte (15) mit einer ihrer Seitenflächen auf die Schablone gelegt und um eine parallel zur Mittellängsachse der Schablone liegende, erste Biegeachse um 180° zu Kopfabschnitten gebogen werden und die dabei gebildeten Schenkel während des Arbeitsschritts B im Bereich dieser Biegung sowie an den Enden der Kopfabschnitte jeweils um quer zu der ersten Biegeachse liegende Biegeachsen derart gebogen werden, dass in der Seitenansicht der streifenförmigen Schablone giebelförmige Wickelköpfe (22) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Rechteckdrähte (15) verwendet werden, deren in Längsrichtung der Schablone gemessene Breite unter Berücksichti gung von Nut- und/oder Drahtisolierungen und eines für das Einführen der Drähte (15) in die Nuten notwendigen Spiels so gewählt ist, dass sie zu der Nutbreite passt.
Zylindrischer Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine mit Nuten, deren Breite für die Aufnahme einer einzigen Reihe von im Querschnitt rechteckigen, mit ihren radial inneren und äußeren Seitenflächen parallel ausgerichteten Drahtstegen (20) ausgelegt ist, und mit einer verteilten Wellenwicklung (14), die zwei Stränge (10, 12) mit jeweils n kontinuierlich wellenförmig mit Stegen (20) und giebelförmigen Wickelköpfen (22) geformte, miteinander verflochtene Drähte (15) aufweist, wobei die Drähte (15) des einen Strangs (10) den Drähten (15) des anderen Strangs (12) jeweils paarweise derart zugeordnet sind, dass die beiden Drähte (15) jedes Paars in denselben Nuten liegen und ihre Wickelköpfe (22) entgegengesetzte Enden der in denselben Nuten liegenden, benachbarten Stege (20) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte (15) an den Spitzen (23) der giebelförmigen Wickelköpfe (22) mit Bezug auf die Zylinderachse nach außen oder innen um 180° umgebogen und zusätzlich die beiden Schenkel der Wickelköpfe (22) entsprechend ihrer Spreizung derart in entgegengesetzte Umfangsrichtungen abgebogen sind, dass gegenüberliegende Seitenflächen eines Drahts (15) die axial äußere Fläche eines Wickelkopfs (22) bilden und in axialer Draufsicht auf einen Wickelkopf (22) die beiden angrenzenden Stege (20) in ihren jeweiligen Nuten radial unterschiedliche Stellungen einnehmen, wobei die zwei Drahtstränge (10, 12) in einer Relativstellung umeinandergewickelt sind, in der die Stege (20) der paarweise zugeordneten Drähte (15) in den jeweils von ihnen belegten, aufeinanderfolgenden Nuten abwechselnd die radial äußere und die radial innere Stellung einnehmen.
Rotor oder Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die paarweise zugeordneten Drähte (15) wenigstens zweimal um den Umfang eines Stators bzw. Rotors erstrecken und dabei in den Nuten, unmittelbar benachbart, mehr als eine zweischichtige Lage bilden, und dass auch im Bereich eines Übergangs von einer zur nächsten Lage die Stege (20) der beiden paarweise zugeordneten Drähte (15) in den aufeinander folgenden Nuten abwechselnd eine weiter innen und weiter außen liegende Stellung einnehmen, so dass sich die beiden Wickelköpfe (22), welche die gegenüberliegenden Enden der in zwei aufeinanderfolgenden Nuten liegenden Stege (20) verbinden, in einer Projektion auf eine quer zur Mittellängsachse des Stators bzw. Rotors liegende Fläche kreuzen.
Stator oder Rotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drahtstränge (10, 12) in der Länge und der Form der Wellen übereinstimmen und durch gegenseitiges Umwinden in derjenigen Relativstellung verflochten sind, in welcher die Enden der paarweise zugeordneten Drähte (15) auf derselben Stirnseite des Stators bzw. Rotors den kleinsten Abstand haben.