DE102008021779B4

DE102008021779B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Spulenwicklung für einen Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102008021779B4
Application number: DE102008021779.4A
Authority: DE
Inventors: Sadik Sadiku; Keith Alan Witwer; Altan Temiz; Gerd Stöhr
Original assignee: Volkswagen AG; Schaeffler Elmotec Statomat GmbH
Current assignee: Volkswagen AG; Schaeffler Elmotec Statomat GmbH
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2028-05-01
Also published as: WO2009132805A1; DE102008021779A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Spulenwicklung (12) für Statoren (12) oder Rotoren elektrischer Maschinen aus mehreren mit einer Isolierschicht überzogenen Drahten (14), die wellenförmig mit geraden Stegabschnitten (16) und diese verbindenden, bogen- oder giebelförmigen Wickelkopfabschnitten (18) geformt und mit den Stegabschnitten (16) in die Nuten der Statoren (10) bzw. Rotoren eingeführt werden, wobei die Drähte (14) vor der wellenförmigen Formgebung nur auf denjenigen Abschnitten, aus denen die Wickelkopfe (18) geformt werden, mit einer zusätzlichen Isolierung (20) versehen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Isolierung (20) jeweils aus einem elektrisch isolierenden Folienstreifen besteht, der um den Draht gewickelt wird und, wobei Drähte (14) mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden und auf den zu isolierenden Abschnitten jeweils ein Abschnitt eines klebenden Isolierfolienstreifens (20), der länger als der Drahtumfang und so breit wie die Länge des zu isolierenden Drahtabschnitts ist, zunächst auf einer Seitenfläche des Drahts (14) angeklebt und anschließend mit einer um den Draht herum geführten Andruckrolle (36) oder mittels Stempeln (38, 40) allseitig gegen den Umfang des Drahts (14) angedrückt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Spulenwicklung für Statoren oder Rotoren elektrischer Maschinen aus mehreren mit einer Isolierschicht überzogenen Drähten, die wellenförmig mit geraden Stegabschnitten und diese verbindenden, bogen- oder giebelförmigen Wickelkopfabschnitten geformt und mit den Stegabschnitten in die Nuten der Statoren bzw. Rotoren eingeführt werden.
Die Erfindung geht dabei z. B. von einem Herstellungsverfahren und einem Stator oder Rotor gemäß DE 10 2004 035 084 A1 aus. Bei einem solchen Stator oder Rotor liegen ein oder mehrere Stegabschnitte wenigstens eines wellenförmig gebogenen Drahtes - auch in Form einer Litze - in bestimmten Nuten und bilden eine Phase. In den benachbarten Nuten liegen die Stegabschnitte anderer Drähte und bilden andere Phasen, so dass sich insgesamt z. B. eine 3-Phasen- oder 6-Phasen-Wellenwicklung ergibt. Die übliche Beschichtung des Drahtes mit Isolierlack reicht in der Regel aus, um Kurzschlüsse zu verhindern. Es wird aber kritisch, wenn einerseits die Kupferquerschnitte der Stegabschnitte eine Stator- oder Rotornut im wesentlichen vollständig ausfüllen sollen, andererseits der Motor oder Generator mit Hochspannung betrieben werden soll, worunter hier über dem Standard liegende elektrische Spannungen von mehr als z. B. 24 V oder 220 V, ggf. sogar Spannungen im Kilovoltbereich, verstanden werden sollen. Die hohe Spannung würde eine stärkere Isolationsschicht auf dem Draht erfordern, die wiederum größere Nutquerschnitte und einen schlechteren Wirkungsgrad sowie ein höheres Gewicht und größeres Volumen der elektrischen Maschine zur Folge hätte. Insbesondere, wenn es um die in großen Stückzahlen benötigten Motoren und Generatoren für den Einsatz in Fahrzeugen und privaten Haushalten geht, haben der Wirkungsgrad und das Gewicht, bezogen auf die Leistung, eine entsprechend große wirtschaftliche Bedeutung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit verhältnismäßig einfachen Mitteln, die sich gut in eine Serienfertigung integrieren lassen, eine für Hochspannung geeignete Spulenwicklung für Statoren oder Rotoren zur Verfügung zu stellen, die minimale Nutquerschnitte ermöglicht.
Vorstehende Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass die Drähte vor der wellenförmigen Formgebung nur auf denjenigen Abschnitten, aus denen die Wickelköpfe geformt werden, mit einer zusätzlichen Isolierung versehen werden.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass eine für Hochspannung geeignete Isolierung nur dort angebracht wird, wo sie erforderlich ist. Zwischen den Drähten einer Phase, die in derselben Nut liegen, besteht normalerweise keine oder nur eine verhältnismäßig kleine Spannungsdifferenz. Im Wickelkopfbereich kreuzen sich jedoch die Drähte der verschiedenen Phasen, so dass dort eine für die auftretenden Spannungsspitzen ausreichende Drahtisolierung vorhanden sein muss. Glücklicherweise ist dort auch genügend Raum für die zusätzliche Hochspannungsisolierung vorhanden, während die Breite der Stator- oder Rotornuten passend zum lediglich mit Isolierlack überzogenen Drahtquerschnitt minimiert werden kann.
Da die Drähte in den Wickelkopfbereichen vielfach aneinander anliegen, wäre es sehr umständlich und aufwendig, die zusätzliche Isolierung nach der Formung zwischen die einander berührenden Drähte einzubringen, und noch schwieriger wäre es, diese Operation maschinell zu bewerkstelligen. Daher sieht die Erfindung die Aufbringung der zusätzlichen Isolierung im Fertigungsprozess vor der Formung der Drähte vor. Sie besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Folienstreifen, der um den Draht gewickelt wird. Geeignet ist z. B. Kapton®-Folie von der Firma Dupont.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass Isolierwerkzeuge zum gleichzeitigen abschnittsweisen Umwickeln mehrerer Drähte mit isolierenden Folienstreifen auf einem Kreisbogen angeordnet sind und sich die Drähte von den Isolierwerkzeugen radial zu einer im Mittelpunkt des Kreisbogens angeordneten Drahtführung und von dort über eine Parallelführung zu einem Biegewerkzeug erstrecken. Auf diese Weise wird eine kurze Taktzeit erreicht und mit einfachsten Mitteln gewährleistet, dass alle zusätzlichen Isolierungen gleichmäßig positioniert werden, so dass sie sich vom Austritt eines Drahtes aus einer Nut zu seinem Eintritt in die nächste Nut, also über die zu isolierende Länge jedes Wickelkopfabschnitts, aber nicht bis in den Bereich der Stegabschnitte erstrecken, sofern nicht die stirnseitigen Enden der Nuten entsprechend erweitert sind.
Ein nach dem vorstehend bezeichneten Verfahren hergestellter Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass nur die Wickelkopfabschnitte jeweils mit einer zusätzlichen Isolierung versehen sind. Diese besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Folienstreifen, der jeweils um den Draht gewickelt ist. Im Hinblick auf eine annähernd vollständige Ausfüllung des Nutquerschnitts durch die Spulenwicklung werden Drähte mit rechteckigem Querschnitt bevorzugt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Abwicklung eines Umfangsbereichs eines Stators mit radial innen offenen Nuten und einer darin eingeführten Wellenwicklung mit isolierten Wickelkopfabschnitten;
2 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Formen einer Wellenwicklung, der Isolierwerkzeuge vorgeschaltet sind, und
3 und 4 schematische Darstellungen von zwei verschiedenen Verfahren zum Umwickeln der Drähte mit Isolierstreifen in den Isolierwerkzeugen nach 2.

In 1 ist eine zum Teil bereits in einen Stator 10 eingeführte Spulenwicklung 12 dargestellt. Es handelt sich im Beispielsfall um eine 6- Phasen-Wicklung, bestehend aus sechs wellenförmig geformten Drähten 14. Jeder Draht 14 ist abwechselnd zu geraden Stegabschnitten 16, die in die Nuten des Stators 10 eingeführt werden, und giebelförmigen Wickelkopfabschnitten 18 geformt. Bei einer 6-Phasen-Wicklung hat der Stator eine durch 12 teilbare Anzahl Nuten. Die Drähte 14 können sich in der gezeigten Wellenform ein- oder mehrmals um den Umfang des Stators erstrecken, wobei alle Nuten mit einem bzw. mehreren Stegabschnitten 16 belegt sind.
Normalerweise wird in die Nuten des Stators 10 noch eine zweite, ebensolche Wellenwicklung 12 eingeführt, deren sechs Drähte 14 jeweils paarweise einem der gezeigten sechs Drähte 14 derart zugeordnet sind, daß die beiden Drähte jedes Paars jeweils in denselben Statornuten liegen, aber sich die Wickelköpfe 18 am Stator axial gegenüberliegen. Man spricht dann insgesamt von einer sog. verteilten Wellenwicklung.
Die Spulenwicklung 12 in der gezeigten Form kann so, wie z. B. in der US 2006 / 0 022 547 A1 beschrieben, geformt und so, wie z. B. in der US 7 281 312 B2 beschrieben, in die Statornuten eingeführt werden. Wie dort gezeigt, haben die Drähte 14 vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt und bilden in den sich radial ersteckenden, in der Breite zur Breite der Drähte passenden Nuten, flach aneinanderliegend, jeweils eine einzige Reihe.
Das Neue an der in 1 gezeigten Spulenwicklung 12 ist die gepunktet angedeutete, abschnittsweise Isolierung 20 der Drähte 14. Diese sind normalerweise über ihre gesamte Länge nur mit einem Isolierlacküberzug versehen. Demgegenüber besteht die abschnittsweise aufgebrachte zusätzliche Isolierung 20 aus einem jeweils um den Draht gewickelten, selbstklebenden Folienstreifen aus Isolierfolie, wie z. B. der unter dem Handelsnamen Kapton vertriebenen Folie. Wie in 1 schematisch angedeutet, erfolgt das Aufbringen der zusätzlichen, abschnittsweisen Isolierung 20 vor der wellenförmigen Verformung der Drähte 14, und zwar in der Weise, daß die isolierten Abschnitte nach der Verformung der Drähte jeweils die Wickelkopfabschnitte 18 bilden. Die Stegabschnitte 16 der Drähte bleiben von der zusätzlichen Isolierung 20 frei, so daß auch die Statornuten schmaler sein können. Es hat sich gezeigt, daß die vor dem Verformungsvorgang aufgebrachte Isolierung 20 selbst durch die starke Verformung der Drähte an den giebelförmigen Spitzen der Wickelköpfe 18 nicht zerstört wird.
Eine Anordnung zur Aufbringung der zusätzlichen Isolierung 20 gleichzeitig auf mehrere Drähte 16 parallel nebeneinander ist in 2 gezeigt. Die schematische Draufsicht stellt eine Formvorrichtung 22 von der Art, wie in der US 2006 / 0 022 547 A1 beschrieben, dar, der die sechs Drähte 14 von sechs Vorratsrollen 24 zugeführt werden. Auf dem Weg zwischen den Vorratsrollen 24 und der Formvorrichtung 22 sind auf einem Kreisbogen sechs Isolierwerkzeuge 26 angeordnet, denen jeweils von einer Vorratsrolle 28 das Isoliermaterial 20 zugeführt wird. Im Mittelpunkt des Kreisbogens, auf dem die Isolierwerkzeuge 26 angeordnet sind, befindet sich eine Drahtführung 30, bei der die Drähte 14, nachdem sie abschnittsweise mit den Isolierungen 20 versehen worden sind, zusammenlaufen, um dann von dort aus parallel und mit geringem Abstand nebeneinander der Formvorrichtung 22 zugeführt zu werden. Da die Wegstrecke jedes Drahts 14 von dem jeweiligen Isolierwerkzeug 26 bis zu den Formwerkzeugen der Formvorrichtung 22 gleich ist, kommen alle in einem bestimmten Arbeitsgang von den Isolierwerkzeugen 26 hergestellten Isolierungen 20 gleichzeitig und parallel nebeneinander an den Formwerkzeugen der Formvorrichtung 22 an, so daß die isolierten Abschnitte auch gleichzeitig nebeneinander zu giebelförmigen Wickelkopfabschnitten 18 geformt werden.
Die zusätzliche Isolierung 20 kann, wenn sie aus einer elektrisch isolierenden Folie bestehen soll, auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. 3 und 4 zeigen nur beispielhaft zwei verschiedene Verfahren, um einen im Querschnitt rechteckigen Draht 14 mit der Isolierung 20 in Form eines Klebestreifens zu versehen. Gemäß 3 wird das streifenförmige Isoliermaterial 20 von der Vorratsrolle 28 abgezogen und zwischen zwei Andruckblöcken 32, 34 hindurchgeführt, zwischen die auch der Draht 14 eingeführt wird. Die Andruckblöcke 32, 34 drücken den Anfang des klebenden Folienstreifens 20 gegen eine Seitenfläche des Drahts 14 und kleben ihn dadurch am Draht fest. Dann wird eine solche Länge des Folienstreifens vom Vorrat abgeschnitten, daß der Draht 14 vollständig umwickelt werden kann. Das Umwickeln, d. h. das Andrücken des Folienstreifens nacheinander an allen vier Außenflächen des im Querschnitt rechteckigen Drahtes 14 erfolgt mittels einer Andruckrolle 36, die in 3 in den ersten sechs dargestellten Positionen noch oberhalb des Drahtes 14 gezeigt ist. In der fünften Position wird durch eine z. B. an den Andruckblöcken 32, 34 gelagerte Schneideeinrichtung das zum Umwickeln des Drahtes 14 benötigte Stück des streifenförmigen Isoliermaterials 20 abgeschnitten. In der siebten Arbeitsstellung befindet sich die Andruckrolle 36 auf der rechten Seite des Drahts 14, in der achten und neunten Arbeitsstellung an der unteren Seitenfläche des Drahts 14 und in der zehnten Arbeitsstellung in Anlage an dessen linker Seitenfläche. Die elfte Arbeitsstellung wird erreicht, nachdem die Andruckrolle 36 einmal vollständig den Draht 14 umrundet hat und nun wieder an seiner Oberseite anliegt. Sicherheitshalber folgt dann noch ein zweiter Umlauf der Andruckrolle 36 um den Draht 14.
Oberhalb der in zwei Reihen dargestellten Arbeitsstellungen der Andruckrolle 36 mit Bezug auf den Draht 14 ist in größerem Maßstab das fortschreitende Ankleben des Folienstreifens an den vier Seitenflächen des Drahts 14 mittels der Andruckrolle 36 gezeigt. Am Ende ist der Draht 14 auf allen seinen Seitenflächen von der Isolierung 20 bedeckt, auf der im Beispielsfall rechten Seitenfläche sogar doppelt.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Draht 14 nicht durch eine ihn umkreisende Andruckrolle 36, sondern mittels Andruckstempeln 38 , 40 mit der streifenförmigen Isolierung 20 versehen. Durch geschickte Gestaltung der Andruckstempel können in einem einzigen Arbeitsschritt zwei gegenüberliegende Seitenflächen des Drahts 14 gleichzeitig mit Isolierfolie beklebt werden. Grundsätzlich werden aber auch hier sämtliche vier Seitenflächen des Drahts 14 nacheinander mit der Isolierung 20 versehen, wobei in diesem Fall die mit Bezug auf 4 linke Seitenfläche durch eine doppelte Lage Isolierfolie abgedeckt wird.
Es versteht sich, daß sowohl für die Formvorrichtung 22 als auch für die Isolierwerkzeuge 32 -40 andere Ausführungen als die nur beispielhaft gezeigten und beschriebenen gewählt werden können. Wesentlich ist lediglich, daß die Drähte der Spulenwicklung 12 vor der wellenförmigen Formgebung abschnittsweise mit einer zusätzlichen Isolierung 20 versehen werden, die gerade diejenigen Drahtabschnitte bedeckt, welche nach der Formgebung die Wickelköpfe 18 bilden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Spulenwicklung (12) für Statoren (12) oder Rotoren elektrischer Maschinen aus mehreren mit einer Isolierschicht überzogenen Drahten (14), die wellenförmig mit geraden Stegabschnitten (16) und diese verbindenden, bogen- oder giebelförmigen Wickelkopfabschnitten (18) geformt und mit den Stegabschnitten (16) in die Nuten der Statoren (10) bzw. Rotoren eingeführt werden, wobei die Drähte (14) vor der wellenförmigen Formgebung nur auf denjenigen Abschnitten, aus denen die Wickelkopfe (18) geformt werden, mit einer zusätzlichen Isolierung (20) versehen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Isolierung (20) jeweils aus einem elektrisch isolierenden Folienstreifen besteht, der um den Draht gewickelt wird und, wobei Drähte (14) mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden und auf den zu isolierenden Abschnitten jeweils ein Abschnitt eines klebenden Isolierfolienstreifens (20), der länger als der Drahtumfang und so breit wie die Länge des zu isolierenden Drahtabschnitts ist, zunächst auf einer Seitenfläche des Drahts (14) angeklebt und anschließend mit einer um den Draht herum geführten Andruckrolle (36) oder mittels Stempeln (38, 40) allseitig gegen den Umfang des Drahts (14) angedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Drähte (14) der Spulenwicklung (12) gleichzeitig abschnittsweise mit der zusätzlichen Isolierung (20) versehen und anschließend geformt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichzeitig isolierten Drahtabschnitte über gleich lange Förderwege zu der Stelle (22) geführt werden, wo die Wickelköpfe (18) geformt werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Isolierwerkzeuge (26) zum gleichzeitigen abschnittsweisen Umwickeln mehrerer Drähte (14) mit isolierenden Folienstreifen (20) auf einem Kreisbogen angeordnet sind und sich die Drähte (14) von den Isolierwerkzeugen (26) radial zu einer im Mittelpunkt des Kreisbogens angeordneten Drahtführung (30) und von dort über eine Parallelführung zu einem Biegewerkzeug (22) erstrecken.