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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Wicklungsabschnitts einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft ferner einen Wicklungsabschnitt einer elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Dreidimensionales Plotten ist bekannt, insbesondere Erstmuster für Kunststoffteile werden heutzutage zunehmend dreidimensional ausgeplottet. Bekannt sind ferner Zwei-Komponenten-Plotverfahren.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Wicklungsabschnitts einer elektrischen Maschine bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines Wicklungsabschnitts einer elektrischen Maschine, aufweisend die Schritte:
- – Bereitstellen eines CAD-Modells des Wicklungsabschnitts;
- – Eingeben von Daten des CAD-Modells in eine Plotvorrichtung; und
- – Dreidimensionales Ausplotten des Wicklungsabschnitts mittels der Plotvorrichtung mit einem leitenden Material.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Wicklungsabschnitt für eine elektrische Maschine, aufweisend:
- – eine definierte Anzahl von elektrisch leitenden Lagen, die definiert miteinander verbunden sind; und
- – eine definierte Anzahl von Kontaktierungselementen, mit denen der Wicklungsabschnitt mit einem anderen Wicklungsabschnitt zusammenfügbar ist.
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Auf diese Weise kann ein definierter Abschnitt einer vollständigen elektrischen Wicklung einer elektrischen Maschine dreidimensional ausgeplottet werden. Dies bedeutet eine vorteilhafte Fertigungstechnik mit verbesserter Handhabung der Wicklung. Ferner ist dadurch auch eine verbesserte Austauschbarkeit von einzelnen Komponenten der Wicklung in Form der Wicklungsabschnitte unterstützt. Mittels des Plotverfahrens ist eine effiziente und kostengünstige Fertigung einer Gesamtwicklung einer elektrischen Maschine unterstützt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass im Wicklungsabschnitt eine definierte Anzahl von einzelnen Lagen erzeugt wird, die mittels Verbindungselementen definiert leitend verbunden werden. Dadurch ist eine elektrische Leitfähigkeit des gesamten Wicklungsabschnitts ermöglicht.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass im Wicklungsabschnitt Kontaktierungselemente ausgebildet werden, mit denen der Wicklungsabschnitt mit einem anderen Wicklungsabschnitt kontaktierbar ist. Auf diese Weise wird die gesamte Wicklung in einzelne Abschnitte unterteilt, die auf einfache Weise zusammengesteckt und dadurch leitend verbunden werden können. Dadurch können auf einfache Weise fehlerhafte Wicklungsabschnitte ausgetauscht werden, ohne jedes Mal eine komplette Wicklung zerlegen zu müssen. Auf diese Weise ist ein effizienter Betrieb einer elektrischen Maschine unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Kontaktierungselemente als eine Tannenbaumverbindung und/oder als Push-In-Verbindungen ausgebildet werden. Dadurch sind die Wicklungsabschnitte auf unterschiedliche technische Weise zusammenstellt, wodurch eine Vielfalt an Kontaktierungsmöglichkeiten vorteilhaft unterstützt ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass wenigstens teilweise eine Isolierung des Wicklungsabschnitts in einem Zwei-Komponenten-Plotprozess ausgebildet wird. Auf diese Weise kann in einem einzelnen Arbeitsgang ein vollständig elektrisch isolierter Wicklungsabschnitt erzeugt werden. Ein separater Isolierungsschritt ist auf diese Weise vorteilhaft nicht erforderlich.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das leitende Material Aluminium oder Kupfer ist. Eine Auswahl zwischen leitenden Materialien ist auf diese Weise vorteilhaft möglich.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Die Figuren sind vor allem qualitativ und nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen.
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In den Figuren zeigt:
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1 ein prinzipielles Wickelschema, nach dem ein Wicklungsabschnitt hergestellt wird;
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2 eine perspektivische Ansicht von mehreren Wicklungsabschnitten die zu einer kompletten Wicklung zusammensteckbar sind;
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3 eine Detailansicht von 2;
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4 einen mittels eines Zwei-Komponenten-Plotverfahrens hergestellten Wicklungsabschnitt;
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5 alle Wicklungsabschnitte einer Wicklung mit einem Eisenkern eines elektrischen Motors;
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6 die Anordnung von 5 mit zusammengesteckten Wicklungsabschnitten;
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7 einen Schnittansicht durch die Anordnung von 6; und
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8 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Wickelschema für einen gängigen Elektromotor eines Elektrowerkzeugs z. B. in Form eines Winkelschleifers. Erkennbar sind mehrere Lagen bzw. Ebenen, die mittels Verbindungselementen 1 elektrisch leitend verbunden werden. Erkennbar sind zehn einzelne Wicklungslagen, die in drei Gruppen A, B, C unterteilt sind. Die Gruppen A, C repräsentieren dabei Wicklungsbereiche für Stirnseiten und die Gruppe B einen Wicklungsbereich für eine elektrisch leitende Verbindung der Stirnseiten. Der elektrische Strom i fließt in die unterste Lage hinein und fließt aus der obersten Lage heraus. Die dargestellte Anordnung weist pro Lage jeweils zehn Windungen auf, was für den gesamten Wicklungsabschnitt eine Gesamtzahl von hundert Windungen ergibt.
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2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine komplette Spulenbaugruppe eines Stators einer elektrischen Maschine in einer vereinfachten Darstellung. Der besseren Übersicht halber sind technisch vorgesehene Details, wie zum Beispiel eine Vermeidung eines Isthmuseffekts durch geeignete Biegeradien nicht berücksichtigt. Die gesamte Baugruppe besteht aus acht Wicklungsabschnitten 10...80, die Teilbaugruppen der gesamten Spulenbaugruppe repräsentieren, wobei ein elektrischer Strom in den Wicklungsabschnitt 10 eintritt, sämtliche Wicklungsabschnitte durchfließt und aus dem Wicklungsabschnitt 80 austritt.
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Es wird vorgeschlagen, die Wicklungsabschnitte 10...80 dreidimensional mittels einer Plotvorrichtung aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Aluminium, auszuplotten. Zu diesem Zweck wird zunächst ein dreidimensionales CAD-Modell (engl. computer aided design) erstellt und die Daten dieses CAD-Modells in die Plotvorrichtung (nicht dargestellt) eingegeben bzw. übertragen. Die Plotvorrichtung erstellt aus diesen Daten dreidimensionale Plots der einzelnen Wicklungsabschnitte 10...80.
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Ein erster Wicklungsabschnitt 10 stellt eine stirnseitige Anschlussbaugruppe der Wicklung dar. Eine unten angeordnete stirnseitige Anschlussbaugruppe 20 ist elektrisch leitend mit Wicklungsabschnitten 30, 40, 50, 60 verbunden, die gerade ausgebildete Verbindungsleitungen repräsentieren. Die Wicklungsabschnitte 30, 40, 50, 60 sind elektrisch leitend mit stirnseitigen angeordneten Wicklungsabschnitten 70, 80 verbunden.
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Man erkennt, dass alle Wicklungsabschnitte 10...80 steckbar ausgebildet sind, wodurch die Wicklungsabschnitte 10...80 leicht miteinander verbunden und voneinander trennbar sind. Mittels des vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens können die Wicklungsabschnitte 10...80 somit einzeln hergestellt und in einer Gesamtwicklung auf einfache Weise nachbestückt werden. Eine einfache Austauschbarkeit der einzelnen Wicklungsabschnitte 10...80 ist auf diese Weise vorteilhaft unterstützt.
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3 zeigt einen Ausschnitt aus 2 in einem größeren Detaillierungsgrad. Dabei sind die genannten Verbindungselemente 1 zwischen den einzelnen Lagen der Wicklungsabschnitte erkennbar. Kontaktierungselemente 2 sind vorzugsweise als Tannenbaumverbindungen bzw. -strukturen ausgebildet. Alternativ möglich sind zu diesem Zweck auch Push-In-Verbindungen (nicht dargestellt), die leitende, definiert lösbare Verbindungen zwischen den einzelnen Wicklungsabschnitten 10...80 bereitstellen können. Im Ergebnis ist dadurch ein komfortables Stecken der Wicklungsabschnitte 10...80 möglich, wodurch eine einfache, modulartige Herstellung einer kompletten Gesamtwicklung einer elektrischen Maschine möglich ist.
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4 zeigt in einer perspektivischen Ansicht zwei Wicklungsabschnitte 10, 40, die mittels eines so genannten Zwei-Komponenten-Plotverfahrens hergestellt wurden. In diesem Fall wird werden zwei Materialkomponenten dreidimensional ausgeplottet, wobei eine erste metallische Komponente für das Leitermaterial und eine zweite Komponente für die Isolierung vorgesehen ist. Im Ergebnis können auf diese Weise vollständig isolierte Wicklungsabschnitte bereitgestellt werden. Vorteilhaft ist dadurch eine weitere Vervollständigung des Herstellungsverfahrens ermöglicht, wodurch ein separierter Prozessschritt, zum Beispiel in Form von Tränken des Wicklungsabschnitts in flüssiges Harz oder Kunststoffmaterial oder ähnliche isolierende Materialien eingespart werden kann.
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5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Darstellung der einzelnen Wicklungsabschnitte 10...80 eines Elektromotors mit einem Eisenkern 3. Dargestellt sind die Wicklungsabschnitte 10...80 in separiertem Zustand, wobei die Verbindungsabschnitte im massiven Eisenkern 3 fixiert angeordnet sind. Erkennbar sind die Kontaktierungselemente 2 zwischen den Wicklungsabschnitten 10...80, wodurch ermöglicht ist, dass zunächst die gerade ausgebildeten, verbindenden Wicklungsabschnitte 30, 40, 50 und 60 in den Eisenkern 3 eingeführt und dort verankert werden und danach die stirnseitig abschließenden Wicklungsabschnitte 10, 20, 70, 80 auf die verbindenden Wicklungsabschnitte 30, 40, 50, 60 aufgesteckt werden können. Auf diese Weise ist ein einfacher und effizienter Montageprozess eines kompletten Elektromotors möglich, wodurch im Ergebnis ein kostengünstiger Fertigungsprozess unterstützt ist.
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In einer nicht in Figuren dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich, die stirnseitigen Wicklungsabschnitte 10, 20, 70, 80 derart auszugestalten, dass die gesamte Spulenbaugruppe axial im Eisenkern 3 fixiert wird.
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6 zeigt in einer perspektivischen Ansicht die vollständig zusammengesteckten Wicklungsabschnitte 10...80 im massiven Eisenkern 3, der den magnetischen Fluss für den Stator führt. Beispielweise kann die gesamte Baugruppe hundert Windungen mit jeweils 1 mm2 Leiterquerschnitt aufweisen. Eine Längsabmessung der gesamten Spulenbaugruppe kann in einer Größenordnung von ca. 90 mm bis ca. 150 mm liegen, wobei je nach ausplottender Plotvorrichtung auch größere Abmessungen für die Spulenbaugruppe denkbar sind.
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7 zeigt einen Querschnitt durch den Eisenkern 3 von 6. Erkennbar ist, dass die Wicklungsabschnitte 30...60 formschlüssig in Polhörnern 4 des Eisenkerns 3 angeordnet und mittels Polnasen 5 verankert sind, wodurch ein einfaches Einfügen der Wicklungsabschnitte 30, 40, 50, 60 in den Eisenkern 3 sowie ein stabiler Sitz der Wicklungsabschnitte 30, 40, 50, 60 in den Polhörnern 4 möglich ist.
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Die gesamte Wicklung kann beispielsweise als Stator eines selbsterregten Reihenschlussmotors ausgebildet sein, wie er zum Beispiel in händisch bedienbaren elektrischen Elektrowerkzeugen, Kleinserien und Versuchsmustern, beispielsweise für Winkelschleifer verwendet wird.
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Alternativ können die erfindungsgemäß hergestellten Wicklungsabschnitte auch für andere Elektromotortypen, wie zum Beispiel EC-Motoren, Spaltmotoren usw. verwendet werden. Als leitende Materialien für die Wicklungsabschnitte 10...80 kommt vorzugsweise Aluminium in Betracht, welches eine gute Relation zwischen spezifischem Widerstand und Kosten repräsentiert. Alternativ sind aber auch Kupfer oder andere Metalle möglich.
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8 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Wicklungsabschnitts einer elektrischen Maschine.
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In einem Schritt 100 wird ein CAD-Modell des Wicklungsabschnitts 10...80 bereitgestellt.
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In einem Schritt 110 werden Daten des CAD-Modells in eine Plotvorrichtung eingegeben.
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In einem Schritt 120 wird der Wicklungsabschnitt 10...80 mittels der Plotvorrichtung mit einem leitenden Material dreidimensional ausgeplottet.
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Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Wicklungsabschnitts eines elektrischen Motors und ein Wicklungsabschnitt eines elektrischen Motors bereitgestellt, die mittels eines dreidimensionalen Plotverfahrens hergestellt werden. Durch Nutzung von Daten eines CAD-Modells können auf diese Weise steckbare Einzelsegmente hergestellt werden, die eine einfache Fertigung der gesamten Wicklung und einen einfachen Austausch von defekten Wicklungsteilen ermöglichen. Im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren mit vielen Arbeitsschritten (z. B. Schablonisierungs-, Isolierungs,- Biege- und Kontaktierungsschritte, sowie Wickeln der Spulen) ist mit der Erfindung eine Fertigung und Wartung einer vollständigen Wicklung mit wenigen Arbeitsschritten unterstützt.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsformen offenbart wurde, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
