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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verformung einer Wicklung aus Spulendraht auf einem Wicklungsträger in einer elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Bei der Herstellung elektrischer Maschinen wird Spulendraht auf einen Wicklungsträger aufgewickelt, der beispielsweise Teil eines Zahnsegments ist, wobei in Umfangsrichtung mehrere Zahnsegmente zu einem Trägerring zusammensetzbar sind, an dem sich die Wicklungsträger in Radialrichtung nach innen oder nach außen erstrecken. Die Wicklungsträger und die darauf angeordneten Wicklungen können Teil des Stators oder des Rotors der elektrischen Maschine sein. Zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfelds werden die verschiedenen Wicklungen auf den Wicklungsträgern nach einem definierten Schema bestromt.
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Für ein ordnungsgemäßes Funktionieren ist es wichtig, dass die Wicklungen auf benachbarten Wicklungsträgern voneinander separiert sind und sich insbesondere nicht berühren. Zugleich ist man für einen hohen Füllfaktor, der die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine beeinflusst, bestrebt, den Abstand zwischen benachbarten Wicklungen gering zu halten.
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Aus der
US 2003/0127933 A1 ist es bekannt, nach dem Wickeln des Spulendrahts auf den Wicklungsträger mithilfe eines Formstempels eine seitliche Kraft auf die Wicklung aufzubringen, wodurch zum einen eine geradflächige Außenseite der Wicklung erreicht wird, was die Ausbildung eines definierten Luftspalts zur benachbarten Wicklung ermöglicht. Zum andern wird durch das Aufbringen der Presskraft über den Formstempel eine Verformung und Verdichtung des Spulendrahts in der Wicklung erreicht, so dass auch der Füllfaktor erhöht wird.
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Der Formstempel muss mit einer verhältnismäßig hohen Presskraft gegen die Wicklung gedrückt werden, was die Gefahr einer Verletzung der Isolationsschicht auf dem Spulendraht birgt. Die verhältnismäßig hohe Presskraft kann eine unerwünschte Längung der üblicherweise aus Kupferdraht bestehenden Wicklung zur Folge haben, wodurch beispielsweise die Anschlüsse an eine stirnseitige Kontaktplatte beeinflusst werden können. Die hohen Presskräfte können auch zu einer mechanischen Beschädigung von Bauteilen der elektrischen Maschine führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen ausreichend großen Spalt zwischen benachbarten Wicklungen einer elektrischen Maschine bei zugleich hohem Füllfaktor zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Wicklung aus Spulendraht auf einem Wicklungsträger in einer elektrischen Maschine im Hinblick auf einen oder mehrere geometrische Parameter der Wicklung verändert werden. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich vorzugsweise um eine permanenterregte Maschine mit Permanentmagneten am Rotor oder Stator, deren Magnetfeld mit dem elektromagnetischen Feld interagiert, das bei einer Bestromung der Wicklungen erzeugt wird. Die Wicklungen befinden sich entweder auf dem Stator oder dem Rotor der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als elektrischer Antriebsmotor eingesetzt werden, z.B. als Stellmotor in Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen wie z.B. als elektrischer Servomotor im Bremssystem oder als Hilfsmotor für Scheibenwischerantriebe oder dergleichen. Es kommt auch eine Anwendung als Motor in handgeführten Werkzeugmaschinen in Betracht.
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Bei dem Verfahren, das sich an den Wicklungsvorgang anschließt, wird mittels einer Presseinrichtung eine seitliche Kraft auf die Wicklung erzeugt, um den Wicklungsdurchmesser zu reduzieren. Hierdurch wird gewährleistet, dass benachbarte Wicklungen einen Mindestabstand zueinander aufweisen, was Voraussetzung für ein ordnungsgemäßes Funktionieren der Maschine ist. Zugleich kann ein hoher Füllfaktor mit einer hohen Dichte von Spulendraht im Aufnahmeraum zwischen benachbarten Wicklungsträgern erreicht werden, was mit einer entsprechend verbesserten Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine einhergeht.
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Die seitliche Kraft auf die Wicklung wird mithilfe einer Formrolle erzeugt, die Teil der Presseinrichtung ist und seitlich gegen die Wicklung gedrückt wird. Die Formrolle und die Wicklung führen eine Relativbewegung zueinander aus, während der die Formrolle an der Außenseite der Wicklung abrollt.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass nur eine verhältnismäßig kleine Kontaktstelle zwischen der Umfangsseite der Formrolle und der Außenseite der Wicklung besteht, so dass bereits eine verhältnismäßig geringe Presskraft, mit der die Formrolle seitlich gegen die Wicklung beaufschlagt wird, zu einem hohen Anpressdruck führt. Es genügt eine geringere Presskraft, um den gewünschten Kalibriereffekt zu erzielen mit einer Außenseite der Wicklung, die die gewünschte Kontur aufweist, beispielsweise eine eine geradflächige Außenseite der Wicklung sowie einer erhöhten Dichte der Wicklung, bei der die Abstände zwischen benachbarten Spulendrähten innerhalb der Wicklung reduziert sind und ggf. der Spulendraht mechanisch verformt wird.
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Der Spulendraht besteht beispielsweise aus Kupfer und kann mit einer Isolierschicht versehen sein. Auf Grund der geringeren Presskraft, die von der Formrolle auf die Wicklung ausgeübt wird, ist auch die Gefahr reduziert, dass die Isolierschicht verletzt wird. Außerdem ist die mechanische Belastung des Spulendrahts und des Wicklungsträgers sowie der ggf. mit dem Wicklungsträger zusammenhängenden Bauteile reduziert.
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Die Beaufschlagung der Wicklung über die Formrolle hat außerdem den Vorteil, dass eine gewünschte Längung des Spulendrahts in eine definierte Rechung erreicht wird.
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Die Längung wird in Richtung der Relativbewegung der Formrolle gegenüber der Wicklung erreicht, wodurch insbesondere der Füllfaktor erhöht werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfasst die Presseinrichtung zwei Formrollen, zwischen denen die Wicklung liegt, wobei die Wicklung von beiden Formrollen mit einer seitlichen Presskraft beaufschlagt wird. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die von einer Formrolle ausgeübte, seitlich auf die Wicklung wirkende Presskraft von der gegenüberliegenden, zweiten Formrolle aufgenommen wird, die eine gleich große und entgegengesetzt gerichtete Presskraft auf die Wicklung ausübt. Dementsprechend werden beide Außenseiten der Wicklung mit der gleichen Presskraft beaufschlagt. Die Formrollen sind parallel versetzt zueinander angeordnet, und die Wicklung wird durch den Zwischenraum zwischen den beiden Formrollen hindurchgeführt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind die Formrollen ortsfest und drehbar gehalten und wird die Wicklung relativ zu den Formrollen bewegt. Die Formrolle bzw. die Formrollen sind bevorzugt ohne Antrieb ausgebildet, der Vorschub wird von der Wicklung ausgeübt, die an der Formrolle vorbeigeführt wird.
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Möglich ist aber auch eine Ausführung mit einer angetriebenen Formrolle bzw. zwei angetriebenen Formrollen, an der bzw. denen die Wicklung vorbeigeführt wird. Der Antrieb der Formrollen führt zu der Vorschubbewegung der Wicklung, die vorteilhafterweise keinen zusätzlichen Antrieb benötigt, um zwischen den Formrollen hindurchgeführt zu werden. Des Weiteren ist es auch möglich, dass die Formrolle bzw. Formrollen an dem ortsfest gehaltenen Wicklungsträger und der Wicklung vorbeigeführt werden.
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In der Ausführung mit zwei benachbarten Formrollen können diese parallele Drehachsen aufweisen, oder, gemäß einer weiteren Ausführung, winklig zueinander angeordnet sein, wobei der Winkel zwischen den Drehachsen der Formrollen größer als 0° und maximal 90°, ggf. maximal 60° oder 45° beträgt. Die Winkellage der Formrollen kann von der Außengeometrie der Wicklung abhängen, die ihrerseits von der Querschnittsgeometrie des Wicklungsträgers sowie der Schichtung der verschiedenen Wicklungslagen abhängt. Die Drehachsen der Formrollen verlaufen beispielsweise parallel zur benachbarten Außenseite des Wicklungsträgers.
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Die Relativbewegung zwischen Formrolle und Wicklung erfolgt, gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung, in Richtung der Längserstreckung der Wicklung, welche üblicherweise mit der Längsachse der elektrischen Maschine zusammenfällt. Die Breite der Formrolle entspricht vorzugsweise annähernd oder genau der radialen Erstreckung der Wicklung, bezogen auf die Längsachse der elektrischen Maschine. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Formrolle lediglich ein- oder mehrmals entlang der Außenseite der Wicklung abrollen muss, jedoch kein Höhenversatz zwischen Formrolle und Wicklung erforderlich ist.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Längserstreckung der Wicklung mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser der Formrolle. Hierdurch ist gewährleistet, dass auf Grund des verhältnismäßig kleinen Durchmessers die Formrolle die gewünschte Relativbewegung zu dem Wicklungsträger und der aufgenommenen Wicklung hindernisfrei ausführen kann. Es kann ggf. zweckmäßig sein, dass die Längserstreckung der Wicklung mindestens drei Mal, mindestens vier Mal oder mindestens fünf Mal so groß ist wie der Durchmesser der Formrolle.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Umfangsseite der Formrolle zylindrisch ausgebildet. Dementsprechend ergibt sich nach der Beaufschlagung der Wicklung durch die Formrolle eine glattflächige Außenseite der Wicklung. In einer alternativen Ausführung ist dagegen die Umfangsseite der Formrolle nicht-zylindrisch ausgebildet, wodurch der Außenseite der Wicklung eine entsprechende Form aufgeprägt werden kann. Die Umfangsseite der Formrolle kann z.B. konisch ausgebildet sein oder zwei gestufte zylindrische Abschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser aufweisen, um beispielsweise Einfluss auf den Füllfaktor zu nehmen.
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Das Verfahren zur Anpassung der bestrombaren Wicklung aus Spulendraht auf einem Wicklungsträger wird mithilfe einer Presseinrichtung durchgeführt, die mindestens eine drehbar gelagerte Formrolle aufweist, welche wie vorbeschrieben ausgeführt ist. Bevorzugt weist die Presseinrichtung zwei versetzt angeordnete Formrollen auf, deren Drehachsen entweder parallel oder nicht-parallel zueinander angeordnet sind.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Schnitt radial durch eine elektrische Maschine, die als Innenläufermotor ausgebildet ist, wobei der außen liegende Stator radial nach innen einragende Wicklungsträger mit Wicklungen aus Spulendraht aufweist,
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2 ein einzelner Wicklungsträger, dessen Wicklung von zwei auf verschiedenen Seiten der Wicklung liegenden Formrollen mit jeweils einer seitlich gerichteten Presskraft beaufschlagt wird,
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3 ein Wicklungsträger mit Spulendraht in Draufsicht.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ausschnittsweise eine elektrische Maschine 1, die als Innenläufer ausgeführt ist und einen außen liegenden Stator 2 sowie einen innen liegenden Rotor 3 umfasst. Der Stator 2 weist einen Statorring 4 auf, der in eine Gehäuse- bzw. Traghülse 6 eingesetzt und fest mit der Traghülse 6 verbunden ist. Der Statorring 4 setzt sich in Umfangsrichtung aus einzelnen Segmenten 5 zusammen, die jeweils aus einem außen liegenden, bogenförmigen Trägerabschnitt 7 und einem Wicklungszahn bzw. -träger 8 bestehen, der sich mittig am Trägerabschnitt radial nach innen erstreckt und auf den eine Wicklung 9 aus Spulendraht aufgewickelt ist. An der radial innen liegenden Seite weist jeder Wicklungsträger 8 einen verbreiterten Zahnkopf 10 auf, der eine Begrenzung und Abstützung für die Wicklung 9 bildet. An den Zahnkopf 10 grenzt mit geringem radialem Abstand der innen liegende Rotor 3 an.
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Die elektrische Maschine ist beispielsweise als permanenterregte Maschine ausgebildet mit Permanentmagneten auf dem Rotor 3 auf, deren Magnetfeld mit dem Magnetfeld der bestromten Wicklungen 9 interagiert.
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Zwischen benachbarten Wicklungsträgern 8 ist ein Aufnahmeraum 11 gebildet, der weitgehend von den zwei unterschiedlichen Wicklungen 9 auf den angrenzenden Wicklungsträgern 8 ausgefüllt ist. Für einen hohen Füllfaktor wird eine hohe Dichte an Spulendraht im Aufnahmeraum 11 angestrebt. Zugleich muss ein ausreichender Abstand zwischen benachbarten Wicklungen 9 im Aufnahmeraum 11 eingehalten werden.
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Die 2 und 3 zeigen jeweils ein Segment 5 des Stators mit bogenförmigem Trägerabschnitt 7 und sich radial erstreckendem Wicklungsträger 8, auf den eine Wicklung 9 aufgewickelt ist. Die Wicklung 9 besteht aus einem Spulendraht aus Kupfer, der mit einer Isolationsschicht versehen ist. Zur Reduzierung des Durchmessers der Wicklung 9 – quer zur Längsachse 5a des Segmentes 5 – und zur Erzielung einer gewünschten Kontur der Außenseite wird die Wicklung 9 von zwei Formrollen 13, 14 beaufschlagt, die Teil einer Presseinrichtung 12 sind. Die Formrollen 13 und 14 sind in Bezug auf die Wicklung 9 in der Weise angeordnet, dass die Drehachsen 13a, 14a der Formrollen zumindest annähernd parallel zur Außenseite der Wicklung 9 verlaufen. Die Formrollen 13, 14 drücken mit einer Presskraft gegen die Außenseite der Wicklung 9 und bewirken hierdurch zum einen eine Verdichtung der Wicklung 9, wodurch der Füllfaktor erhöht wird, und zum andern eine Glättung der Außenseite der Wicklung, wodurch ein definierter Luftspalt zwischen benachbarten Wicklungen 9 mit hoher Präzision eingehalten werden kann. Dies ermöglicht es zugleich, den Soll-Luftspalt zwischen benachbarten Wicklungen zu verringern, wodurch ebenfalls der Füllfaktor erhöht wird.
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Die Formrollen 13, 14 rollen bei dem Pressvorgang entlang der Außenseite der Wicklungen 9 ab. Während des Abrollens liegt jeweils ein schmaler Bereich an der Umfangsseite jeder Formrolle 13, 14 auf Kontakt mit der Außenseite der Wicklung 9 und beaufschlagt diese mit einer Presskraft. Da beide Formrollen 13, 14 in gleicher Höhe angeordnet sind (3) und jeweils eine auf die Wicklung 9 gerichtete Presskraft ausüben, kompensieren sich die entgegengerichteten Presskräfte, so dass das Segment 5 nicht zur Aufnahme der Presskräfte zusätzlich abgestützt werden muss.
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Die beiden Formrollen 13, 14 sind identisch zueinander aufgebaut. Die Breite b jeder Formrolle 13, 14 – parallel zur Drehachse 13a, 14a gesehen – entspricht zumindest annähernd der radialen Erstreckung der Wicklung entlang der Längsachse 5a durch den zahnförmigen Wicklungsträger 8. Der Wicklungsträger 8 weist einen trapezförmigen Querschnitt auf, der sich radial nach außen verbreitert. Entsprechend besitzt auch die Wicklung 9 in dem in 2 dargestellten Längsschnitt einen annähernd trapezförmigen Querschnitt. Die Seitenflächen des Wicklungsträgers 8 und die Außenseiten der Wicklung 9 nehmen gegenüber der Längsachse 5a des Segments 5 einen Winkel ein, der vorteilhafterweise kleiner als 20° ist und beispielsweise bei 10° liegt. Die Formrollen 13 und 14 sind in der Weise ausgerichtet, dass ihre Drehachsen 13a, 14a parallel zur Seitenfläche des zahnförmigen Wicklungsträgers 8 und zumindest annähernd parallel zur Außenseite der Wicklung 9 verlaufen. Dementsprechend nimmt jede Drehachse 13a, 14a mit der Längsachse 5a des Segments 5 zumindest annähernd den gleichen Winkel wie die Seitenflächen des Wicklungsträgers 8 ein; der Winkel zwischen den Drehachsen 13a und 14a der beiden Formrollen 13, 14 nimmt den doppelten Winkelbetrag ein.
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Wie 2 in Verbindung mit 3 weiter zu entnehmen, ist der Durchmesser d der Formrollen 13, 14 signifikant kleiner als die Längserstreckung l der Wicklung 9 auf dem Wicklungsträger 8. Die Längserstreckung l bezieht sich auf die Längsachse bzw. Drehachse der elektrischen Maschine.
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Zur Durchführung des Pressvorgangs wird, wie 3 zu entnehmen, der Wicklungsträger 8 mit der Wicklung 9 zwischen den beiden Formrollen 13 und 14 hindurchbewegt, die drehbar und ortsfest in der Presseinrichtung aufgenommen sind. Hierfür wird der Wicklungsträger 8 mit der Kraft F (3) beaufschlagt, welche den Wicklungsträger 8 zwischen den beiden Formrollen 13, 14 hindurchdrückt, deren Abstand zueinander so bemessen ist, dass beim Hindurchbewegen eine seitliche Presskraft auf die Wicklung 9 ausgeübt wird. Die beiden Formrollen 13, 14 drehen sich hierbei um ihre jeweilige Drehachse 13a, 14a und rollen an der Außenseite der Wicklung 9 ab. Diese Vorgehensweise kann zum einen mit einer reduzierten seitlichen Presskraft durchgeführt werden, wodurch die Gefahr eines Verletzens der Isolationsschicht auf dem Spulendraht der Wicklung 9 reduziert und außerdem die mechanische Belastung herabgesetzt ist. Zum andern kann eine gewünschte Längung der Wicklung entgegengesetzt zur Richtung des Hindurchführens zwischen den beiden Rollen 13 und 14 erzielt werden. Dies ermöglicht es, bezogen auf die Längsachse in einer definierten Richtung eine Längung der Wicklung zu erreichen, wodurch ebenfalls der Füllfaktor verbessert werden kann.
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Bei dem Abrollvorgang der Formrollen 13, 14 entlang der Wicklung 9 wird die Außenseite der Wicklung von der Umfangsseite 15 bzw. 16 jeder Formrolle beaufschlagt und entsprechend der Kontur der Umfangsseite 15, 16 geprägt. Die Umfangsseite 15, 16 der Formrolle 13, 14 ist beispielsweise zylindrisch ausgebildet. Es sind aber auch nicht-zylindrische Umfangsseiten möglich, beispielsweise konische Umfangsseiten oder gestufte Umfangsseiten, bei denen zwei oder mehr ringförmig umlaufende zylindrische Abschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser an den Umfangsseiten angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0127933 A1 [0004]
