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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wicklungssegments für eine Wicklung einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Wicklungssegment zur Bildung einer Wicklung einer elektrischen Maschine. Außerdem betrifft die Erfindung einen Wicklungsträger und eine elektrische Maschine mit zumindest einem zuvor genannten Wicklungssegment.
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Elektrische Maschinen weisen Wicklungsträger auf, die ein Blechpaket samt in dem Blechpaket gewickelten Wicklungen aufweisen und als Statoren oder Rotoren der elektrischen Maschinen ausgebildet sind. Dabei sind die Wicklungen aus einer Vielzahl von stabförmigen Wicklungspins ausgebildet. Zur Bildung der Wicklungen werden je zwei oder mehr Wicklungspins in jeweilige Polnuten des Blechpakets bis auf jeweils zwei freiliegenden Endbereiche eingefügt. Die freiliegenden Endbereiche der jeweiligen Wicklungspins werden dann mit einem Spreizschritt entsprechend einem Wickelschritt des Wicklungsträgers verschränkt und anschließend miteinander bzw. mit externen Stromversorgungsleitungen elektrisch verbunden. Dabei müssen die zwei oder mehr Wicklungspins in den jeweiligen Polnuten voneinander und von dem Blechpaket elektrisch isoliert werden.
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Wie bei technischen Komponenten üblich, gibt es bei elektrischen Maschinen allgemeine Anforderung, diese möglichst in einem einfachen Herstellungsverfahren kostengünstig herzustellen. Insbesondere ist die Anforderung bei der Anwendung der elektrischen Maschinen im Automobilbereich sehr hoch.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, elektrische Maschinen einfach und kostengünstig herzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wicklungssegments für eine Wicklung einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Dabei umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
- – Bereitstellen von zumindest zwei elektrisch leitenden, vorzugsweise stabförmigen, Leiterelementen zur Bildung des Wicklungssegments;
- – Halten der zumindest zwei Leiterelemente an jeweiligen ersten Bereichen der jeweiligen Oberflächen, während jeweilige zweite Bereiche der jeweiligen Oberflächen mit einer ersten Isolierschicht überzogen werden, die die zumindest zwei Leiterelemente voneinander elektrisch isoliert und miteinander körperlich verbindet und somit die zumindest zwei Leiterelemente miteinander mechanisch stabil zusammenhält;
- – Halten der zumindest zwei Leiterelemente an zumindest einem der zweiten Bereiche, während die jeweiligen ersten Bereiche mit einer zweiten Isolierschicht überzogen werden, die die zumindest zwei Leiterelemente voneinander elektrisch isoliert und vorzugsweise ebenfalls miteinander körperlich verbindet.
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Demnach werden zunächst elektrisch leitende, vorzugsweise stabförmige, Leiterelementen zur Bildung eines Wicklungssegments bereitgestellt. Die Anzahl der Leierelemente, mit denen ein einzelnes Wicklungssegment ausgebildet wird, hängt von der Ausführung der Wicklung bzw. der Anzahl der Wicklungslagen ab. Je nach Ausführungen können zwei, drei, vier oder mehr Leiterelemente zu einem Wicklungssegment zusammengesetzt werden.
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Die Leiterelemente werden dabei vorzugsweise in gleichen Längen geschnitten und nebeneinander mit kleinen Abständen voneinander beabstandet angeordnet.
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Anschließend werden die Leiterelemente an jeweilige erste Bereiche der jeweiligen Oberflächen gehalten, während jeweilige zweite Bereiche der jeweiligen Oberflächen mit einer ersten Isolierschicht überzogen werden. Dabei werden die Zwischenräume zwischen jeweiligen zwei benachbarten Leiterelementen, die durch die kleinen Abstände zwischen diesen Leiterelementen entstanden sind, teileweise mit der ersten Isolierschicht gefüllt. Die erste Isolierschicht verbindet die Leiterelemente miteinander körperlich und hält die Leiterelemente mechanisch stabil zusammen. Zudem isoliert die erste Isolierschicht die Leiterelemente voneinander elektrisch.
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Danach bzw. nach dem Erhärten der ersten Isolierschicht werden die Leiterelemente an zumindest einem oder an Mehreren der jeweiligen zweiten, bereits mit der ersten Isolierschicht beschichteten Bereiche gehalten, während die ersten Bereiche der jeweiligen Oberflächen mit einer zweiten Isolierschicht überzogen werden. Die zweite Isolierschicht füllt restliche Bereiche der Zwischenräume zwischen den Leiterelementen, die noch nicht mit der ersten Isolierschicht gefüllt sind, zumindest teilweise und isoliert die Leiterelemente voneinander elektrisch. Vorzugsweise verbindet die zweite Isolierschicht die Leiterelemente ebenfalls miteinander körperlich und hält sie ebenfalls mechanisch stabil zusammen.
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Durch Aufbringen der beiden Isolierschichten auf zwei verschiedenen Bereichen der jeweiligen Oberflächen der Leiterelemente in zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten können die Leiterelemente während des Beschichtungsvorgangs durchgehend festgehalten werden, so dass wirksam verhindert werden kann, dass sich die Leiterelemente während des Beschichtungsvorgangs verschieben. Dadurch wird Fehlproduktion bei den Wicklungssegmenten vermieden bzw. reduziert. Entsprechend werden Herstellungskosten bei den Wicklungssegmenten gesenkt. Da zudem die Wicklungssegmente ohne aufwändige Werkzeuge in wenigen einfachen Verfahrensschritten hergestellt werden können, ist eine Möglichkeit bereitgestellt, die elektrischen Maschinen einfach und kostengünstig herzustellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die erste Isolierschicht durch Spritzgießen einer ersten Gießmasse auf den zweiten Bereichen geformt. Vorzugsweise wird die zweite Isolierschicht ebenfalls durch Spritzgießen einer zweiten Gießmasse auf den ersten Bereichen geformt.
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Als ein lang erprobtes kostengünstiges Verfahren ermöglicht das Spritzgießen, die Isolierschichten durch Auswahl bestimmter Gießmaterialien und entsprechender Mengen an Gießmaßen in beliebigen Stärken sowie gewünschten Stabilitäten und technischen Eigenschaften wie z. B. elektrischer Isolationsstärke (Dielektrizität) formen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die erste und/oder die zweite Isolierschicht die zumindest zwei Leiterelemente (zumindest an einem Abschnitt) gemeinsam schraubenlinienförmig umlaufend geformt.
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Als „schraubenlinienförmig“ werden Linien bezeichnet, die sich beim Umwinden eines Zylinders bzw. der Leiterelemente mit einer Steigung entlang der Längsachse des Zylinders bzw. der Leiterelemente ergibt, wobei die Steigung nicht Null ist und der Querschnitt des Zylinders und somit die Querschnitte der Leiterelemente polygonal oder rund sein kann, insbesondere rechteckig, trapezförmig, quadratisch, oval, kreisförmig oder polygonal mit abgerundeten Ecken.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die erste und die zweite Isolierschicht zueinander koaxial also gleichachsig ineinandergreifend geformt. Damit werden die beiden Isolierschichten doppelhelixförmig ineinandergreifend geformt.
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Diese schraubenlinienförmige oder helixförmige Ausführung der beiden Isolierschichten ermöglicht einen durchgehenden Gießvorgang bei Spritzgießen der jeweiligen Isolierschicht. Zudem bieten die schraubenlinienförmigen oder helixförmigen Isolierschichten eine hohe mechanische Stabilität bei den Wicklungssegmenten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wicklungssegment zur Bildung einer Wicklung einer elektrischen Maschine bereitgestellt.
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Dabei umfasst das Wicklungssegment zumindest zwei elektrisch leitende, vorzugsweise stabförmige, Leiterelemente, die jeweils eine Oberfläche mit jeweils einen ersten Bereichen und einen zweiten Bereichen aufweisen. Das Wicklungssegment weist ferner eine erste Isolierschicht auf, die die zweiten Bereiche der jeweiligen Leiterelemente überzieht und die zumindest zwei Leiterelemente voneinander elektrisch isoliert und miteinander körperlich verbindet und somit mechanisch stabil zusammenhält. Das Wicklungssegment weist außerdem eine zweite Isolierschicht auf, die die ersten Bereiche der jeweiligen Leiterelemente überzieht und die zumindest zwei Leiterelemente voneinander elektrisch isoliert.
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Dabei bilden die erste und/oder die zweite Isolierschicht eine elektrisch isolierende und eigenständig mechanisch stabile Einheit, die die zumindest zwei Leiterelemente miteinander körperlich verbindet und mechanisch stabil zusammenhält.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Wicklungssegments sind die erste und/oder die zweite Isolierschicht formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig an den zumindest zwei Leiterelementen befestigt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die erste und/oder die zweite Isolierschicht durch Spritzgießen einer ersten bzw. einer zweiten Gießmasse auf den zweiten bzw. den ersten Bereichen der jeweiligen Leiterelemente geformt.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Wicklungssegments sind die erste und/oder die zweite Isolierschicht die zumindest zwei Leiterelemente (zumindest an einem Abschnitt) gemeinsam schraubenlinienförmig umlaufend geformt.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Wicklungssegments sind die erste und die zweite Isolierschicht zueinander koaxial bzw. doppelhelixförmig ineinandergreifend geformt.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umschließen die erste und die zweite Isolierschicht die zumindest zwei Leiterelemente mit Ausnahme von jeweiligen ersten Endbereichen und zweiten Endbereichen umfangsmäßig vollständig.
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Durch die vollständige Umschließung der Leiterelemente ist eine vollständige Isolation der Leiterelemente von der Umgebung ermöglicht, und zwar bis auf die Endbereiche, die zur Bildung elektrischer Verbindungen dienen und daher nicht elektrisch isoliert werden.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wicklungsträger, sprich ein Stator oder ein Rotor, für eine elektrische Maschine bereitgestellt, der zumindest eine Wicklung aufweist, die aus zumindest einem zuvor beschriebenen Wicklungssegment ausgebildet ist.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, die zumindest einen Wicklungsträger mit zumindest einer Wicklung umfasst, wobei die zumindest eine Wicklung aus zumindest einem zuvor beschriebenen Wicklungssegment ausgebildet ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Verfahrens sind, soweit im Übrigen auf das oben beschriebene Wicklungssegment, den oben genannten Wicklungsträger bzw. die oben genannte elektrische Maschine übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Wicklungssegments, des Wicklungsträgers bzw. der elektrischen Maschine anzusehen.
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung ein Wicklungssegment gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 in einem schematischen Diagramm ein Verfahren zur Herstellung des in 1 dargestellten Wicklungssegments;
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3A, 3B in schematischen dreidimensionalen Darstellungen jeweilige Zwischenprodukte des in 1 dargestellten Wicklungssegments nach jeweiligen Verfahrensschritten des in 2 dargestellten Verfahrens.
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Zunächst wird auf 1 verwiesen, in der ein Wicklungssegment WS gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dreidimensional und schematisch dargestellt ist.
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Das Wicklungssegment WS umfasst ein erstes Leiterelement L1 und ein zweites Leiterelement L2, die stabförmig ausgebildet sind und gleiche Längen aufweisen. Je nach Bedarf können die beiden Leiterelemente L1, L2 auch unterschiedlich lang ausgeführt sein. Die beiden Leiterelemente L1, L2 sind in deren Längsrichtung LR betrachtet räumlich nebeneinander und voneinander mit einem kleinen Abstand beabstandet angeordnet. Zwischen den beiden Leiterelementen L1, L2 hat sich somit ein Zwischenraum ZR (vergleiche 3A) ausgebildet.
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Das Wicklungssegment WS umfasst ferner eine erste Isolierschicht IS1 und eine zweite Isolierschicht IS2. Die beiden Isolierschichten IS1, IS2 sind jeweils die beiden Leiterelemente L1, L2 schraubenlinien- bzw. helixförmig umlaufend geformt. Dabei greifen die beiden Isolierschichten IS1, IS2 koaxial doppelhelixförmig ineinander und umschließen die beiden Leiterelemente L1, L2 bis auf jeweilige ersten Endbereiche EB11, EB21 und jeweilige zweiten Endbereiche EB12, EB22 umfangsmäßig vollständig. Die nicht mit den Isolierschichten IS1, IS2 umschlossenen Endbereiche EB11, EB12, EB21 und EB22 dienen zur Bildung elektrischer Verbindungen von dem Wicklungssegment WS mit anderen Wicklungssegmenten oder mit externen Stromverbindungen.
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Die beiden Isolierschichten IS1, IS2 sind durch Spritzgießen von Gießmassen um die beiden Leiterelemente L1, L2 ausgebildet. Die verwendeten Gießmassen bestehen aus einem elektrisch isolierenden Material, so dass die beiden Isolierschichten IS1, IS2 die beiden Leiterelemente L1 und L2 voneinander und von der Umgebung elektrisch isoliert. Nach dem Erhärten bilden die beiden Isolierschichten IS1, IS2 eine eigenständig mechanisch stabile Einheit, die die beiden Leiterelemente L1, L2 miteinander körperlich verbindet.
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Das Wicklungssegment WS umfasst in dessen Längsrichtung LR betrachtet in der Mitte des Wicklungssegments WS einen Hauptabschnitt HA. An diesem Hauptabschnitt HA umlaufen die beiden Isolierschichten IS1, IS2 die beiden Leiterelemente L1, L2 gemeinsam und halten die beiden Leiterelemente L1, L2 miteinander körperlich und mechanisch stabil zusammen.
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An einem ersten Teilbereich zwischen dem Hauptabschnitt HA und den jeweiligen ersten Endbereichen EB11, EB21 weist das Wicklungssegment WS einen ersten Schlitz SL1 auf, der sich in Längsrichtung LS des Wicklungssegments WS erstreckt und die beiden Isolierschichten IS1, IS2 an dem Zwischenraum ZR in dem ersten Teilbereich durchtrennt. Durch den ersten Schlitz SL1 bilden sich an dem ersten Teilbereich zwei erste Teilabschnitte TA11, TA21, die von dem Hauptabschnitt HA des Wicklungssegments WS abgehen. Beim Verschränken des Wicklungssegments WS können die beiden ersten Teilabschnitte TA11, TA21 voneinander unabhängig in voneinander entgegengesetzten Biegerichtungen gebogen werden. In diesem ersten Teilbereich umlaufen die beiden Isolierschichten IS1, IS2 die beiden Leiterelemente L1, L2 einzeln und isolieren somit die beiden Leiterelemente L1, L2 elektrisch voneinander und von der Umgebung.
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An einem zweiten Teilbereich zwischen dem Hauptabschnitt HA und den jeweiligen zweiten Endbereichen EB12, EB22 weist das Wicklungssegment WS einen zweiten Schlitz SL2 auf, der sich ebenfalls in Längsrichtung LR des Wicklungssegments WS erstreckt und die beiden Isolierschichten IS1, IS2 an dem Zwischenraum ZR in dem zweiten Teilbereich durchtrennt. Durch den zweiten Schlitz SL2 bilden sich zwei zweite Teilabschnitte TA12, TA22 an diesem zweiten Teilbereich, die von dem Hauptabschnitt HA des Wicklungssegments WS abgehen. Beim Verschränken des Wicklungssegments WS können die beiden zweiten Teilabschnitte TA12, TA22 voneinander unabhängig in voneinander entgegengesetzten Biegerichtungen gebogen werden. In diesem zweiten Teilbereich umlaufen die beiden Isolierschichten IS1, IS2 die beiden Leiterelemente L1, L2 ebenfalls einzeln und isolieren somit die beiden Leiterelemente L1, L2 elektrisch voneinander und von der Umgebung.
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Es können auch Wicklungssegmente mit drei oder mehr Leiterelementen vorgesehen sein. In diesem Fall umschließen die beiden Isolierschichten dann die drei oder mehr Leiterelemente in der zuvor beschrieben Weise umfangsmäßig, so dass die beiden Isolierschichten die Leiterelemente miteinander mechanisch zusammenhalten und voneinander und von der Umgebung elektrisch isolieren.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines in 1 dargestellten Wicklungssegments WS wird nachfolgend anhand 2 in Verbindung mit 3A, 3B und 1 näher erläutert.
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Zur Herstellung eines in 1 dargestellten Wicklungssegments WS wird gemäß einem Verfahrensschritt S100 ein erstes und ein zweites, elektrisch leitendes stabförmiges Leiterelement L1, L2 bereitgestellt. Dabei sind die beiden Leiterelemente L1, L2 aus einer Metalldraht oder Metallschiene in gleichen oder unterschiedlichen vorbestimmten endgültigen Längen geschnitten oder gestanzt. Dabei weisen die beiden Leiterelemente L1, L2 jeweils eine Oberfläche OF1, OF2. Die Oberfläche OF1 des ersten Leiterelements L1 lässt sich virtuell in einen ersten Bereich B11 und einen zweiten Bereich B12 unterteilen, wobei die beiden Bereiche B11, B12 das erste Leiterelement L1 schraubenlinien- bzw. helixförmig umlaufend gebildet sind und koaxial ineinandergreifen. Analog lässt sich die Oberfläche OF2 des zweiten Leiterelements L2 virtuell in einen ersten Bereich B21 und einen zweiten Bereich B22 unterteilen, wobei die beiden Bereiche B21, B22 ebenfalls das zweite Leiterelement L2 schraubenlinien- bzw. helixförmig umlaufend gebildet sind und koaxial ineinandergreifen (siehe 3A).
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Die beiden Leiterelemente L1, L2 werden gemäß einem weiteren Verfahrensschritt S200 an den jeweiligen ersten Bereichen B11, B21 festgehalten, so dass die beiden Leiterelemente L1, L2 während nachfolgendem Spritzgießvorgang nicht verrutschen können. Während die beiden Leiterelemente L1, L2 an den jeweiligen ersten Bereichen B11, B21 festgehalten werden, werden die jeweiligen zweiten Bereiche B12, B22 mit einer Gießmasse aus einem elektrisch isolierenden Material in einem Spritzgießvorgang überzogen. Nach dem Erhärten bildet die Gießmasse eine erste Isolierschicht IS1, die die zweiten Bereiche B12, B22 der beiden Leiterelemente L1, L2 bedeckt und die beiden Leiterelemente L1, L2 miteinander mechanisch zusammenhält (siehe 3B).
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Nach dem Erhärten der Gießmasse zur ersten Isolierschicht IS1 werden die beiden Leiterelemente L1, L2 gemäß einem weiteren Verfahrensschritt S300 an den jeweiligen zweiten Bereichen B12, B22 festgehalten, die bereits mit der ersten Isolierschicht IS1 überzogen sind. Während die beiden Leiterelemente L1, L2 an den jeweiligen zweiten Bereichen B12, B22 festgehalten werden, werden die jeweiligen ersten Bereiche B11, B21 mit einer weiteren Gießmasse aus einem elektrisch isolierenden Material in einem weiteren Spritzgießvorgang überzogen. Nach dem Erhärten bildet die Gießmasse eine zweite Isolierschicht IS2, die die ersten Bereiche B11, B21 der beiden Leiterelemente L1, L2 bedeckt und die beiden Leiterelemente L1, L2 miteinander mechanisch zusammenhält (siehe 1).
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Die beiden Isolierschichten IS1, IS2 sind dabei zueinander koaxial ineinandergreifend geformt und haften an den beiden Leiterelementen L1, L2 fest, so dass sie mit den beiden Leiterelementen L1, L2 ein einstückiges und mechanisch stabiles Wicklungssegment WS ausbilden. Dabei umschließen die beiden Isolierschichten IS1, IS2 die beiden Isolierschichten IS1, IS2 bis auf die jeweiligen Endbereiche EB11, EB12, EB21, EB22 vollständig. Damit isolieren die beiden Isolierschichten IS1, IS2 die beiden Leiterelemente L1, L2 elektrisch voneinander.
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In einer alternativen Ausführungsform können die Isolierschichten IS1, IS2 auch durch Extrusion von dickflüssigen härtbaren Pressmassen aus elektrisch isolierenden Materialien hergestellt werden. Dabei können die Pressmassen in zwei aufeinanderfolgenden Strangpressvorgängen ähnlichen den Verfahrensschritten S200, S300 auf die jeweiligen ersten oder zweiten Bereiche B11, B21 bzw. B12, B22 der beiden Leiterelemente L1, L2 bis auf jeweilige beide Endbereiche EB11, EB12, EB21 und EB22 aufgetragen werden. Nach dem Erhärten bilden die Pressmassen dann die beiden Isolierschichten IS1, IS2 aus.
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Die bei Beschreibung von 1 genannten beiden Schlitze SL1 SL2 können bei jeweiligen Spritzgieß- bzw. Strangpressvorgängen der beiden Isolierschichten IS1, IS2 durch Regulierung der Gieß- bzw. Pressmaßen direkt geformt werden. Alternativ können die beiden Schlitze SL1, SL2 nach den beiden Spritzgieß- bzw. Strangpressvorgängen und nach dem Erhärten der beiden Isolierschichten IS1, IS2 durch Schneiden der beiden Isolierschichten IS1, IS2 in Bereichen der Teilabschnitte TA11, TA12, TA21, TA22 angebracht werden.
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Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren können nach geringfügigen und für einen Fachmann ohne Weiteres ausführbaren Anpassungen auch Wicklungssegmente mit drei oder mehr Leiterelementen hergestellt werden.
