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Die Erfindung betrifft einen Wicklungsträger, insbesondere Stator oder Rotor, mit Wicklungen für eine Drehstrom-Elektromaschine und ein Verfahren seiner Herstellung.
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Ein allgemein bekannter Stator ist zylindrisch mit winkelversetzten Längsnuten ausgebildet, wobei phasenzugeordnete Wicklungen aus Kupferlackdraht hergestellt sind. Die Windungen der Wicklungen verlaufen jeweils als Drahtbündel in einer ersten Längsnut und in einer dagegen versetzten zweiten Längsnut mit jeweils an den Stirnseiten des Stator-Blechpakets verbindenden Drahtbündelbereichen als Spulenköpfe. Für jede der drei Phasen sind Längsnuten am Stator-Blechpaket vorgesehen mit einer entsprechenden Anzahl von stirnseitigen Spulenköpfen, welche entsprechend ihrer Phasen isoliert liegen. Ein solcher Stator ist beispielsweise in der
JP 2005 -
124 360 A offenbart.
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Die
JP 2007 -
259 553 A offenbart ein mehrphasiges elektrisch leitendes Element mit einem mit einer Stromversorgungsseite verbundenen Anfang und einem mit einer Statorwicklung verbundenen Ende.
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Die
KR 10 2007 0 010 398 A offenbart eine Struktur zum Anschließen der Spule eines Elekromotors und ein entsprechendes Verfahren.
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Die
DE 10 2010 003 686 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator, der ein in Nuten angeordnetes Wicklungssystem aufweist, das an den Stirnseiten des Stators jeweils einen Wickelkopf ausbildet, wobei das Wicklungssystem als Träufelwicklung ausgebildet ist und Mittel zur Kühlung des Wickelkopfes aufweist.
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Ein allgemein bekanntes Verfahren zur Herstellung verteilter Wicklungen an einem Stator ist die sogenannte Einziehtechnologie. Dabei werden lose Kupferspulen mit einem Schablonenwickler erzeugt und dann halbautomatisch oder vollautomatisch mit Hilfe eines Einziehwerkzeuges in die Längsnuten des Stators eingezogen. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die erforderlichen weiteren Prozessschritte, wie dem Anbringen der Phasenisolierung, dem Verschalten, dem Zwischen- und Endformen sowie dem Bandagieren. Einige dieser Prozessschritte wie das Anbringen der Phasenisolierung und das Verschalten sind zudem nicht automatisierbar und müssen manuell durchgeführt werden, was sie aufwändig und wenig prozesssicher macht. Darüber hinaus hat das Einziehverfahren qualitative Nachteile, da Drahtverletzungen auftreten können und Drahtkreuzungen zu einem ungeordneten Wicklungsaufbau führen.
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Demgegenüber steht mit einer neueren, allgemein bekannten Technologie, dem Nadelwickeln mit Endscheiben, ein verbessertes Verfahren zur Verfügung: Dabei wird mit einer Wickelnadel eines Nadelwickelsystems der Draht unter Drahtzug direkt in eine Längsnut sowie in eine vorher stirnseitig am Stator-Blechpaket angebrachte Endscheibe gelegt. Die Spulenköpfe liegen dabei phasenzugeordnet axial und phasenisoliert übereinander in sogenannten Endscheiben, welche jeweils stirnseitig im Verlauf des Wickelvorgangs auf das Stator-Blechpaket axial aufgesetzt werden.
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Ein ähnliches Verfahren mit einem Nadelwickelsystem ist aus der
DE 10 2011 008 662 A1 bekannt. Anstelle von drei phasenzugeordneten übereinander liegenden Endscheiben an beiden Stirnseiten des Stator-Blechpakets ist jedoch hier jeweils stirnseitig nur eine Endscheibe verwendet, in der getrennte, phasenzugeordnete Ausnehmungen zur Aufnahme der Drahtbündelbereiche der Spulenköpfe vorgesehen sind.
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Die vorbeschriebenen beiden Nadelwickelverfahren mit Endscheiben haben insbesondere wegen des möglichen hohen Automatisierungsgrades Vorteile im Fertigungsprozess. Diesen Vorteilen stehen jedoch auch Nachteile und Einschränkungen am Produkt gegenüber: Durch die Endscheiben ergeben sich hohe stirnseitige Wickelköpfe, wodurch der Bauraumbedarf gegebenenfalls ungünstig hoch ist. Weiter sind die Drahtlängen in den Spulen der einzelnen Phasen durch die axiale Aneinanderreihung der Endscheiben bzw. der unterschiedlichen Lage der Ausnehmungen bei nur einer Endscheibe unterschiedlich, was zu einer unerwünschten Asymmetrie des Magnetfeldes führt. Weiter wird die Drahtführung durch die Endscheiben eingeschränkt, so dass gegebenenfalls nicht alle Winkelschemata realisierbar sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wicklungsträger, insbesondere einen Stator oder Rotor und ein gattungsgemäßes Herstellverfahren so weiterzuentwickeln, dass die vorstehenden Nachteile entfallen oder zumindest reduziert werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wicklungsträger mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Nachfolgend werden die Erfindungsaspekte aus Gründen der Einfachheit mit Bezug auf einen Stator erläutert. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung nicht auf einen Stator beschränkt ist, sondern der Wicklungsträger auch als Rotor ausgebildet sein kann.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Stators dadurch gelöst, dass die Drahtbündelbereiche jeweils in einem der Länge des aktuellen Spulenkopfes entsprechenden Hüllelement aufgenommen sind, dergestalt, dass die Windungen beim Wickelvorgang mit dem Nadelwickelsystem unter Drahtzug in das schalenförmig längsoffene Hüllelement gewickelt werden.
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Gegebenenfalls kann das Hüllelement nach Beendigung des Wickelvorgangs längsverschlossen und auf dem Stator-Blechpaket abgelegt werden. Alternativ dazu kann das längsoffene Hüllelement nach dem Wickelvorgang nicht verschlossen, sondern längsoffen abgelegt werden. In einem nachgelagerten Prozessschritt könnten dann sämtliche längsoffene Hüllelemente gemeinsam verschlossen werden.
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Bei der Herstellung des Stators kann an beiden Stirnseiten des Stator-Blechpakets jeweils ein Hüllelement bereitgestellt sein.
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Damit ergeben sich folgende erfindungswesentliche Vorteile gegenüber dem Nadelwickelverfahren mit Endscheiben:
- Beim Nadelwickeln unterstützt das längsoffene Hüllelement die Drahtführung und hat die Funktion, den Draht nach erfolgtem Wickeln in Position zu halten. Das Hüllelement kann bei entsprechender Materialwahl auch die Funktion der Phasenisolierung übernehmen, wodurch keine Endscheiben benötigt werden. Die Wickelköpfe können dadurch klein gehalten werden, so dass der Bauraumbedarf insgesamt gering ist. Die Drahtlängen in den verschiedenen Wickelspulen sind ähnlich, so dass unerwünschte Asymmetrien des Magnetfeldes weitestgehend vermieden werden. Zudem ist die Drahtführung nicht durch die Gestalt von Endscheiben eingeschränkt, so dass eine völlige Freiheit beim Wickelschema und eine hohe Flexibilität beim Aufbau des Wickelkopfes gegeben ist.
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Im Vergleich zur Einziehtechnologie ergeben sich zudem folgende erfindungswesentliche Vorteile:
- Die Herstellung des Wickelkopfes erfolgt mit definiertem Drahtstress bei größeren Gestaltungsfreiräumen sowie mit geringerer Drahtlänge im Wickelkopf und damit geringeren ohmschen Verlusten. Aufgrund des Verfahrens und der definierten Drahtpositionen können die Prozessschritte Isolierung der Phasen und Verschalten einfach automatisiert werden, was eine hohe Prozesssicherheit bedeutet. Drahtverklemmungen und Drahtverletzungen treten nicht auf.
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Der Rotor der Drehstrom-Elektromaschine ist radial innerhalb des Stators drehgelagert. Entsprechend ist der Stator mit nach innen gerichteten Längsnuten versehen. Alternativ ist die Drehstrom-Elektromaschine als Außenläufer ausgelegt. In diesem Fall sind die Längsnuten des Stators radial nach außen angeordnet. Zum Betrieb werden die Wicklungen im Stator bestromt, wodurch ein drehendes Magnetfeld erzeugt wird, welches ein Drehmoment auf den Rotor ausübt.
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Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Wicklung auch bei einem Rotor einsetzbar. Zudem können nicht nur verteilte Wicklungen, sondern auch konzentrierte Wicklungen eingesetzt sein.
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Die vorstehende Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines vorstehenden Wicklungsträgers dadurch gelöst, dass vor dem Start des Wickelvorgangs mit einem gesteuerten Greifer das schalenförmig längsoffene Hüllelement mit seiner Öffnung entgegen der Drahtzugrichtung an der Stirnseite des Blechpaketes im Bereich eines zu wickelnden Spulenkopfes bereitgestellt wird. Beim anschließenden Wickelvorgang werden dann die Windungen mittels des Nadelwickelsystems in das greifergestützte längsoffene Hüllelement gewickelt, das damit die Drahtführung beim Wickeln in diesem Bereich übernimmt und die Drahtzugkraft aufnimmt. Nach Erreichen der vorgegebenen Windungszahl und Beendigung des Wickelvorgangs kann dann das Hüllelement unter Einschluss des Drahtbündels verschlossen und gegebenenfalls auf dem Blechpaket abgelegt werden.
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In einer konkreten Ausgestaltung ist der Greifer als mehrschaliges, längsoffenes und durch Zusammenklappen schließbares Rohrteil ausgebildet. Beispielsweise kann der Greifer aus zwei durch ein Längsscharnier verbundenen Schalenteilen bestehen, welche beim Wickelvorgang geöffnet und nach dem Wickelvorgang zum Schließen des Greifers und entsprechend zum Schließen des Hüllelements gesteuert zusammengeklappt werden können.
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Beim Wickelvorgang liegt im offenen Greifer das offene Hüllelement mit geeignet ausgerichteter Öffnung. Nach dem Wickelvorgang kann dann optional das gesteuerte Schließen des Greifers erfolgen, wodurch die Längsränder der Hüllelement-Öffnung zusammengeführt und geschlossen werden. Dabei kann zusätzlich eine vorteilhafte Komprimierung des Spulenkopfes erfolgen. Ein dauerhafter Verschluss des Hüllelements kann durch an sich bekannte Maßnahmen erfolgen: Insbesondere ist eine bleibende Verformung des Hüllelements in der Geschlossenstellung durch geeignete Materialwahl und/oder durch Hüllelement-Einlagen möglich. Auch eine Verklebung und/oder Vernähung, etc. ist möglich.
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Anschließend kann vorteilhaft mit dem Greifer der darin enthaltene fertige Spulenkopf auf dem Blechpaket gesteuert an einer vorbestimmten Position mit einer vorgegebenen Formung abgelegt werden. Daraufhin wird der Greifer gesteuert geöffnet und entfernt. Für einen weiteren Wickelvorgang wird dann wiederum (gegebenenfalls automatisiert) ein längsoffenes Hüllelement in den offenen Greifer gelegt. Dies kann manuell oder automatisiert erfolgen. Der Wickelprozess wird dann für alle Spulen jeder Phase nacheinander bis zur vollständigen Ausrüstung des Wicklungsträgers durchgeführt.
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Die Greiferführung und Greifersteuerung kann mit an sich bekannten Mitteln insbesondere mit einem Roboter durchgeführt werden.
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Die in Richtung auf den Rotor offene Nutseite einer jeden der Längsnuten des Stators ist lediglich als ein schmaler Schlitz ausgebildet, so dass für die Wickelnadel nur ein stark begrenzter Bewegungsraum bereitgestellt ist. Die Wickelnadel kann zwar trotz des begrenzten Bewegungsraumes in die jeweilige schmale Längsnut eintauchen und darin vor- und zurückgeführt sowie in Axialrichtung über die Nuthöhe bewegt werden. Die Wickelnadel kann aber aufgrund der beengten Schlitzgeomentrie den Draht nicht an definierter Position in der Längsnut ablegen. Vor diesem Hintergrund ist es von Vorteil, wenn zum Beispiel im Biegebereich des Drahts an den Hüllelementenden zumindest ein gesteuert verfahrbaren Anschlag mit mindestens zwei translatorischen Achsen vorgesehen ist. Dieser Anschlag soll dem Drahtführer des Nadelwickelsystems bei jeder Windung so folgen, dass der Draht unmittelbar an der zugedachten Position in der jeweiligen Stator-Längsnut abgelegt werden kann.
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Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen schematischen Schnitt durch einen zweipoligen Stator einer Drehstrom-Elektromaschine,
- 2 eine Prinzipdarstellung eines Nadelwickelsystems zu Beginn eines ersten Wickelvorgangs,
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt A aus 2,
- 4 einen Schnitt entlang der Linie B-B aus 3,
- 5 einen Greifer mit eingelegtem Hüllelement und Wicklungswindungen im offenen Zustand,
- 6 den Greifer nach 5 im geschlossenen Zustand,
- 7 den geschlossenen Greifer in einer Ablageposition, und
- 8 die Anordnung eines verfahrbaren Anschlags in schematischer Darstellung.
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In 1 ist schematisch ein Querschnitt durch eine einfache Drehstrom-Elektromaschine als zweipoliger Innenläufer zur Prinziperläuterung dargestellt. Die Drehstrom-Elektromaschine 1 besteht dazu aus einem zylindrischen Stator 2 und einem darin drehbar gelagerten Rotor 3. Der Stator 2 weist nach innen gerichtete winkelversetzte Längsnuten 4 auf, in denen jeweils (geschnitten dargestellte) Drahtbündel 5 als Stränge phasenzugeordneter Wicklungen enthalten sind, die mit einem Nadelwickelsystem hergestellt sind. Drahtbündel der Phase 1 sind durch insgesamt schwarze Kreise, Drahtbündel der Phase 2 durch kariert schraffierte Kreise und Drahtbündel der Phase 3 durch einfach schraffierte Kreise schematisch dargestellt. Zudem sind strichliert die beiden Spulenköpfe 6a, 6b der Phase 1 eingezeichnet, wie sie sich bei einer stirnseitigen Ansicht als verbindende Drahtbündelbereiche beispielsweise für den Spulenkopf 6a zwischen einer ersten Längsnut 4a und einer zweiten zugeordneten Längsnut 4b darstellen.
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Die durch die Drahtbündel 5 in den Längsnuten 4 und die zugeordneten Spulenköpfe 6 gebildeten Spulen des Stators 2 werden bestromt, wodurch ein drehendes Magnetfeld entsteht. Dieses Magnetfeld übt eine Kraftwirkung auf den drehend gelagerten Rotor 3 aus.
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Die Erfindung betrifft die Herstellung der Statorwicklungen, wobei in den 2 und 3 der Stator 2 einer Drehstrom-Elektromaschine mit 60 nach innen weisenden Längsnuten 4 gezeigt ist, in denen 30 Spulen mit zugeordneten stirnseitigen Spulenköpfen aufgenommen sind.
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In 2 ist in Verbindung mit dem vergrößerten Ausschnitt A nach 3 der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen „Hüllelement-Wickelns“ dargestellt. An einem Gestell 7 eines Nadelwickelsystems ist eine Werkstückaufnahme 8 zur Fixierung des Stator-Blechpakets 2 angebracht, in die dieses bereits zur Vorbereitung des Wickelvorgangs eingesetzt ist. An einem Führungssystem 9 ist ein Wickelelement 10 angeordnet.
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Aus der vergrößerten Teilansicht nach 3 ist ersichtlich, dass das Wickelelement 10 zu Beginn des Wickelvorgangs für eine erste Windung mit seiner Wickelnadel 11 in eine Längsnut 4a zur Einbringung eines Drahts 12 eingreift, den die Wickelnadel 11 aus einer zugeordneten Längsnut 4b heraus bereits in einem längsoffenen Isolier-Hüllelement 13 unter Zug abgelegt hat.
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Wie aus dem Schnitt B-B nach 4 ersichtlich, liegt das längsoffene Isolier-Hüllelement 13 in einem entsprechend geformten längsoffenen Greifer 14, der zum Beispiel von einem Roboterarm 15 gesteuert geführt wird.
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Der Herstellungsprozess der Wicklungen wird im Folgenden unter Beiziehung der weiteren Figuren beschrieben:
- Zunächst wird gewickelt, wobei in den 3 und 4 der Beginn einer Wicklung mit einer ersten Windung dargestellt ist. Die Wickelnadel 11 fährt hierzu in die Längsnut 4b des Stator-Blechpakets 2 und verlegt dort den Draht. Im Spulenkopfbereich wird der Draht direkt in das vom Greifer 14 gehaltene Isolier-Hüllelement 13 gelegt und von dort in die zugeordnete Längsnut 4a geführt. Dieser Vorgang wiederholt sich bis die gewünschte Anzahl an Windungen entsprechend 5 erreicht ist.
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Der Greifer 14 ist zum Beispiel aus zwei Schalenteilen 16a, 16b aufgebaut, die mit einem Längsscharnier 17 verbunden sind und von einer Offenstellung in eine Geschlossenstellung klappbar sind.
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Ausgehend vom Zustand nach 5 wird der Greifer 14 gesteuert geschlossen (Pfeile 18), wodurch das Isolier-Hüllelement 13 entsprechend 6 ebenfalls verschlossen und das darin enthaltene Drahtbündel 5 komprimiert wird.
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Zuletzt wird dann der fertig ausgebildete Spulenkopf 6 auf dem Stator-Blechpaket 19 abgelegt, der Greifer 14 geöffnet und entfernt. Der vorstehende komplette Prozessablauf wird dann für jede einzelne Spule wiederholt.
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Die in Richtung auf den Rotor offenen Nutseiten der Längsnuten 4 des Stators 2 sind lediglich als schmale Schlitze ausgebildet, so dass für die Wickelnadel 11 nur ein stark begrenzter Bewegungsraum bereitgestellt ist. Die Wickelnadel 11 kann zwar in die jeweilige schmale Längsnut 4 eintauchen und darin vor- und zurückgeführt sowie in Axialrichtung über die Nuthöhe bewegt werden. Die Wickelnadel 11 kann jedoch aufgrund der schmalen Schlitzgeomentrie den Draht 12 nicht definiert in der Längsnut 4 positionieren. Für eine genaue Positionierung des Drahtes 12 wird daher entsprechend 8 vorgeschlagen, an beiden Längsendbereichen des Isolier-Hüllelements 13 jeweils einen gesteuert verfahrbaren Anschlag 20 mit wenigstens zwei translatorischen Achsen vorzusehen. Der Anschlag 20 folgt gesteuert dem Draht 12 beim Nadelwickeln bei jeder Windung so, dass der Draht 12 direkt an der zugedachten Position in der jeweiligen Stator-Längsnut 4 ablegbar ist.
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Beispielhaft ist dabei in 8a der Anschlag 20 für eine Ausbildung einer ersten Windung dargestellt. In 8b ist die anschließende Wicklung mit der zweiten Windung des Drahtes 12 gezeigt, wobei der Anschlag 20 so verfahren ist, dass er den Biegebereich für die zweite Windung definiert unterstützt.
