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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme und/oder Herstellung eines Wicklungsverbunds für eine elektrotechnische Spule aus einem strangförmigen Leiter, und insbesondere das Aufnehmen der Vorform eines sequenziell umgeformten Drahtes für eine nachfolgend zu wickelnde, elektrotechnische Spule aus einem stromleitenden Werkstoff als Puffer, Transportkörper oder Halterung für weitere Fertigungsschritte.
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Bislang werden Spulen aus Runddraht gewickelt, was aufgrund der Leiterform zu einer mangelnden Raumnutzung speziell bei konisch ausgeführten Spulen führt. Alternativ können diese auch durch Gießen, einem sehr aufwändigem Verfahren, hergestellt werden.
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Die an dieser Stelle beschriebene Technologie/Erfindung verbessert die relativ einfache Fertigung von gleichmäßig oder konisch ausgeführten Spulen mit konstanter oder sich ändernder Leiterquerschnittsform bei gleichem Flächeninhalt des Leiters. Die Erfindungsmeldung zielt auf die Nutzung der Vorteile der umformenden Herstellung (kein/wenig Materialverlust) und die damit einhergehende Verkürzung von Prozessketten durch den Wegfall von Fertigungs- und Bearbeitungsschritten ab.
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Laut
EP 2 387 135 A2 hängt die erreichbare Drehmomentdichte permanenterregter Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung maßgeblich von dem Verhältnis der gesamten Kupferquerschnittsfläche zur Nutfläche ab, dem sogenannten Nutfüllfaktor. Eine Erhöhung des Füllfaktors ermöglicht bei gleich bleibendem Drehmoment einen flacheren Aufbau des Stators oder eine Verbreiterung der Zähne zur Entlastung des Magnetkreises.
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Eine wesentliche geometrische Einschränkung liegt im Stand der Technik in den beschränkten Möglichkeiten zum Einsatz unterschiedlicher Windungsquerschnitte: Üblicherweise kommen Runddrähte für die Wicklungen zum Einsatz, bei denen selbst bei optimaler Ausnutzung immer ein nicht nutzbarer Zwischenraum zwischen den einzelnen Wicklungen verbleibt. Auch die notwendige Isolation, die Drahteinführung und die diskrete Verteilung der Leiter begrenzen den Füllfaktor. Da der letztendlich erzielte Nutfüllfaktor zudem bei der elektromagnetischen Auslegung nur geeignet geschätzt und aufgrund der Unkenntnis der späteren tatsächlichen Ausführung des Motors nicht berechnet werden kann, werden die Motoren aufgrund der höheren notwendigen Massen (Kupfer der Wicklungen und Blechpakete des Stators und des Rotors) tendenziell (zu) schwer und (zu) groß.
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Die wesentliche fertigungstechnische Schwierigkeit besteht im Aufbringen der Wicklungen auf den Zahn.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit den heute üblichen Verfahren der Herstellung von Spulenwicklungen technische und wirtschaftliche Grenzen der Nutfüllung mit einzelnen Windungen bestehen. Ein Nutfüllfaktor von 70 % ist bereits ein sehr guter Wert; die technisch wie wirtschaftlich sinnvoll machbaren Grenzen liegen momentan bei ca. 75 % bis 80 % (Quelle: Müller, Vogt, Ponick: „Berechnung elektrischer Maschinen“, S. 168, 6. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim, 2008).
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Das aus der
EP 2 387 135 A2 bekannte Verfahren eignet sich zur Herstellung von Spulen unter Erfüllung der oben genannten Anforderungen, ist jedoch wesentlich unwirtschaftlicher als eine umformend herzustellende Spule (keine verlorene Form etc.).
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Aufbauend auf der
DE 10 2013 012 659 A1 und der
DE 10 2014 000 636 A1 ergeben sich neue Restriktionen aus der Wirtschaft, welche eine geometrische Sollform des Drahtabschnittes für den Wirkbereich sowie die belassene Eingangsform des Drahtes für den Bereich des Wickelkopfes der elektrotechnischen Spule fordern. Diesen Anforderungen wird mit der neuartigen Wickeltechnolgie genüge getan. Weiterhin besteht künftig die Notwendigkeit zur Fertigung größerer Stückzahlen von Motoren.
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Gängige Praxis, wie z. B. bei der
EP 2 387 135 A2 , war die Fertigung und anschließende Beschichtung der Spulen. Ein Umstellen der Prozesskette war durch die Beschichtungsproblematik in Verbindung mit der Umformung motiviert. Die hier vorliegende Prozesskette teilt den Umformvorgang in Vorformen und Wickeln.
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Im Zusammenhang mit der auftretenden Problematik der sequenziell vorgeformten Drahtleiter ist keine bisherige Strategie bekannt, die den Ansprüchen Pufferung und Handhabbarkeit / Transportfähigkeit gerecht wird. Der Ansatz der sequenziell umgeformten Spule ist zwar bekannt, vgl.
14 und
15 der
US 2005/0258704 A1 , wird aber hier für alle Spulenwindungen gleichzeitig durchgeführt. Es erfolgt hierbei der Wickelprozess vor dem Stauchprozess.
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme und/oder Herstellung eines Wicklungsverbunds für eine elektrotechnische Spule aus einem strangförmigen Leiter bereit zu stellen, sodass die elektrotechnische Spule einen erhöhten Füllfaktor bzw. Nutfüllfaktor erzielt und auf zuverlässige und einfache Art und Weise reproduzierbar und wirtschaftlich hergestellt werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe stellt die Erfindung die Vorrichtung zur Aufnahme und/oder Herstellung eines Wicklungsverbunds für eine elektrotechnische Spule aus einem strangförmigen Leiter nach Anspruch 1 bereit, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl von Biegeabschnitten umfasst, die zur Biegeverformung des Leiters in Winkelabständen um eine Mittelachse der Vorrichtung verstellbar angeordnet sind. Die Biegeabschnitte sind vorzugsweise radial und/oder tangential und/oder parallel und/oder im Winkel zur Mittelachse der Vorrichtung verstellbar. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann der Wicklungsverbund in Spulenform zwischengelagert werden, wobei die verstellbaren Biegeabschnitte eine Anpassung der Vorrichtung an unterschiedliche Wicklungsverbünde für unterschiedliche Abmessungen und Formen von Spulen ermöglichen. Bisher war ein Umformen, Beschichten und Wickeln der Spulen nur ohne eine Zwischenlagerung als Coilmaterial möglich. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Erhöhung der Produktivität, einer effizienteren Nutzung der Fertigungskapazitäten unter Berücksichtigung der jeweiligen Produktionsgeschwindigkeiten der einzelnen Arbeitsstationen und die Transportfähigkeit vorgeformter, beschichteter Drahtabschnitte für zu wickelnde Spulen.
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Begriffe und Definitionen
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Der Begriff Wicklungsverbund bezeichnet die räumliche Anordnung des strangförmigen Leiters in Spulenform bzw. Coilform unter Umwicklung der Biegeabschnitte um die und entlang der Mittelachse der Vorrichtung. Der strangförmige Leiter wird dabei ggf. unter Zugspannung in einer oder mehreren Wicklungen unter Biegeverformung an den Biegeabschnitten um die Mittelachse der Vorrichtung gewickelt, sodass sich die zwischenliegenden Abschnitte des Leiters im Wesentlichen in gerader Linie zwischen den Biegeabschnitten erstrecken. Dabei wird der Leiter kraftschlüssig an den Biegeabschnitten gehalten.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der Unteransprüche.
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Es kann von Vorteil sein, wenn wenigstens einer der Biegeabschnitte, vorzugsweise jeder der Biegeabschnitte, radial zur Mittelachse der Vorrichtung verstellbar ist. Durch die radiale Verstellbarkeit der Biegeabschnitte kann die Form des aufzunehmenden und/oder herzustellenden Wicklungsverbundes direkt beeinflusst werden und auf unterschiedliche Spulengrößen abgestimmt werden.
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Es kann sich als hilfreich erweisen, wenn jeder der Biegeabschnitte zumindest abschnittsweise im gleichen Winkel oder exakt oder im Wesentlichen parallel zur Mittelachse der Vorrichtung ausgerichtet oder ausrichtbar ist. Diese Ausführung eignet sich besonders zur Aufnahme und/oder Herstellung eines besonders gleichmäßigen Wicklungsverbundes, insbesondere aus einem sequentiell umgeformten Leiter mit regelmäßig beabstandeten Umformsequenzen.
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Es kann sinnvoll sein, wenn die Biegeabschnitte in regelmäßigen Winkelabständen und/oder im gleichen Radius um die Mittelachse der Vorrichtung angeordnet oder anordenbar sind, vorzugsweise in Winkelabständen von 30°, 45°, 60° oder 90°. Durch die Anordnung der Biegeabschnitte in regelmäßigen Winkelabständen um die Mittelachse der Vorrichtung können die Biegeradien und damit die Umformungen des Leiters auf das gewünschte Maß reduziert werden, was insbesondere die Aufnahme eines sequentiell umgeformten Leiters mit regelmäßig beabstandeten Umformsequenzen begünstigt.
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Es kann aber auch nützlich sein, wenn die Biegeabschnitte symmetrisch zur Mittelachse der Vorrichtung angeordnet oder anordenbar sind. Auch diese Ausführung begünstigt die Aufnahme und/oder Herstellung eines besonders gleichmäßigen Wicklungsverbundes.
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Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn jeweils zwei Biegeabschnitte auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Mittelachse der Vorrichtung paarweise angeordnet sind, wobei die paarweise angeordneten Biegeabschnitte vorzugsweise symmetrisch zur Mittelachse der Vorrichtung anordenbar und/oder verstellbar sind. Auch diese Ausführung begünstigt die Aufnahme eines sequentiell umgeformten Leiters mit regelmäßig beabstandeten Umformsequenzen.
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Es kann aber auch sinnvoll sein, wenn jeder Biegeabschnitt bügelförmig ausgebildet ist und/oder einen oder zwei Schenkel aufweist, der/die sich exakt oder im Wesentlichen radial zur Mittelachse der Vorrichtung erstreckt/erstrecken. Diese Ausführung gestattet einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Es kann nützlich sein, wenn die Vorrichtung um die Mittelachse drehbar ist. Dadurch kann der Leiter den Biegeabschnitten beim Wicklungsvorgang im Wesentlichen tangential zu einem imaginären Umkreis um die Mittelachse der Vorrichtung z.B. von einer Rolle endlos zugeführt werden.
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Es kann aber auch praktisch sein, wenn die Anzahl und/oder der Winkelabstand der Biegeabschnitte der Vorrichtung veränderbar ist/sind. Dadurch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung flexibler einsetzbar und auf Wicklungsverbünde für unterschiedlich dimensionierte und/oder geformte Spulen abstimmbar.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme und/oder Herstellung eines Wicklungsverbunds für eine elektrotechnische Spule aus einem strangförmigen und sequentiell umgeformten Leiter unter Verwendung der Vorrichtung nach einer der vorangehenden Ausführungen, wobei der Leiter unter Biegeverformung der Biegesequenzen des Leiters an den Biegeabschnitten um die Mittelachse der Vorrichtung derart aufgewickelt wird, dass sich die zwischen den Biegesequenzen angeordneten und zuvor umgeformten Umformsequenzen des Leiters (vorzugsweise in gerader Linie) jeweils (bevorzugt kontaktfrei) zwischen den Biegeabschnitten erstrecken.
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Weitere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der in den Ansprüchen und Zeichnungen offenbarten Merkmale mit Merkmalen aus der Beschreibung.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in schematischer Ansicht die erfindungsgemäße Vorrichtung in Gestalt eines Wickelpuffers und die Verschiebbarkeit der Biegeabschnitte in Gestalt von Wickelgestängen, welche eine Adaption auf die entsprechende Spulengröße erlaubt.
- 2 zeigt in schematischer Ansicht die erfindungsgemäße Vorrichtung in Gestalt des Wickelpuffers mit Blick von oben entlang der Mittelachse der Vorrichtung auf die Flankenlänge des um die Biegeabschnitte gewickelten Leiters.
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Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
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1 und 2 zeigen schematische Ansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Aufnahme und/oder Herstellung eines Wicklungsverbunds für eine elektrotechnische Spule aus einem strangförmigen Leiter 2. Die Vorrichtung 1 ist um die Mittelachse M drehbar und umfasst insgesamt sechs Biegeabschnitte 3, die zur Biegeverformung des Leiters 2 in regelmäßigen Winkelabständen α von 60° jeweils symmetrisch um eine Mittelachse M der Vorrichtung 1 angeordnet sind und in radialer Richtung zur Mittelachse M der Vorrichtung 1 verstellbar sind. Dabei sind jeweils zwei Biegeabschnitte 3 auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Mittelachse M der Vorrichtung 1 paarweise angeordnet.
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Der Leiter 2 besteht aus einem stromleitenden Werkstoff, beispielsweise Kupfer und ist vorzugsweise als Draht ausgebildet. Die Querschnittsform des Leiters 2 ist über dessen Länge konstant oder ändert sich bei gleichem Flächeninhalt. Beispielsweise weist der Leiter 2 in den Umformsequenzen 2a eine andere Querschnittsform auf in den dazwischen liegenden Biegesequenzen 2b.
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Jeder der Biegeabschnitte 3 ist bügelförmig in C-Form oder U-Form aufgebaut und umfasst einen Hauptschenkel 3a, der parallel zur Mittelachse M der Vorrichtung 1 ausgerichtet ist, sowie zwei endseitige Nebenschenkel 3b, die jeweils radial zur Mittelachse M der Vorrichtung 1 ausgerichtet sind. Die Nebenschenkel 3b der paarweise angeordneten Biegeabschnitte 3 befinden sich miteinander in Kontakt und erstrecken sich parallel zueinander. Durch relative Verschiebung der Nebenschenkel 3b zueinander können die paarweise angeordneten Biegeabschnitte 3 symmetrisch zur Mittelachse M der Vorrichtung 1 verstellt werden.
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Zur Anpassung der Vorrichtung an Spulen unterschiedlicher Abmessungen und Formen ist/sind die Anzahl und/oder der Winkelabstand α der Biegeabschnitte 3 der Vorrichtung 1 veränderbar.
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Zur Aufnahme und/oder Herstellung eines Wicklungsverbunds für eine elektrotechnische Spule aus einem strangförmigen und sequentiell umgeformten Leiter 2 unter Verwendung dieser Vorrichtung 1 wird der Leiter 2 in Einzugsrichtung E im Wesentlichen tangential zu einem imaginären Umkreis um die Biegeabschnitte 3 zugeführt und unter Biegeverformung der Biegesequenzen 2b des Leiters 2 an den Biegeabschnitten 3 um die Mittelachse M der Vorrichtung 1 derart aufgewickelt, dass sich die zwischen den Biegesequenzen angeordneten und zuvor umgeformten Umformsequenzen 2a des Leiters 2 in gerader Linie jeweils kontaktfrei zwischen den Biegeabschnitten 3 erstrecken.
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Je nach Gestalt der künftig zu wickelnden Spule erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in Gestalt des Wickelkörpers eine Anpassung mit einer speziell für die vorliegende Spule festzulegenden Anzahl an Biegeabschnitten 3 in Gestalt von Wickelgestängen. Es ist möglich, den Wickel- bzw. Biegevorgang in den zwischen den Umformsequenzen 2a liegenden Biegebereichen 2b an denjenigen Stellen des Leiters 2 vorzunehmen, in welchen keine vorherige werkstoffseitige Verfestigung stattgefunden hat und von welchem Bereich eine geometrisch minimale Änderung keinen oder geringen Einfluss auf die elektromagnetische Performanz zu erwarten ist.
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Durch die entsprechende Anzahl an Biegeabschnitten 3 lässt sich jede einzelne Biegung des Leiters 2 auf ein Minimum beschränken und der Bereich ist für folgende Formgebung im künftigen Wickelkopfbereich nicht „vorbelastet“.
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Für Spulen mit geringen Flankenlängen F können die paarweise diametral zur Mittelachse M angeordneten Biegeabschnitte 3 in radialer Richtung R zusammen geschoben und für größere Spulen auseinander gezogen werden. Die Flankenlängen F des Leiters 2, entsprechend der Hypotenuse eines mit Strichpunktlinien dargestellten Dreiecks, das durch die senkrecht bzw. radial zur Mittelachse M verlaufenden Gestängebereiche in Form der Nebenschenkel 3b und die Mittelachse M aufgespannte wird, werden verkürzt.
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Der wichtigste Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist die Herstellbarkeit der Vorform vollständiger Spulenwicklungen an einem strangförmigen Endlosleiter 2. Außerdem ergeben sich folgende Vorteile:
- - eine höchste Produktivität durch kontinuierliche Fertigungsfolge;
- - eine Transportfähigkeit langer vorbereiteter Drahtabschnitte für die Weiterverarbeitung;
- - eine Zwischenlagerung bzw. Pufferung von angearbeiteten Spulen zur Angleichung der Arbeitsgeschwindigkeiten der einzelnen Prozessschritte;
- - eine Beschichtung kann direkt nach der Umformung aufgebracht werden;
- - eine Beschichtung kann extern durch Handling in Form eines Coils erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Lehre ist ebenfalls anwendbar auf beschichtete Werkstoffe, bei denen ein anschließender notwendiger Isolationsschritt entfällt.
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Die Erfindung ist nicht an eine Spulenform gebunden. Es können gerade, konvexe, konkave oder konische, rotations- und nicht rotationssymmetrische Spulen aus dieser Vorform hergestellt werden. Die Einstellung auf die entsprechenden Abmessungen erfolgt durch die Anpassung des Wickelgestänges bzw. die Verstellung der Biegeabschnitte 3 zur Mittelachse M der Vorrichtung 1.
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Die Vorform wird umformend erzeugt. Durch Schliffproben (zerstörende Materialprüfung) an Windungsquerschnitten ist nachweisbar, ob eine Spule oder deren Vorform umformend hergestellt worden ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 und/oder das erfindungsgemäße Verfahren ist/sind insbesondere anwendbar für Spulen für E-Motoren, die in Massenproduktion hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung bzw. Wickelkörper
- 2
- Leiter
- 2a
- Umformsequenz
- 2b
- Biegebereich
- 3
- Biegeabschnitt bzw. Wickelgestänge/Gestänge
- 3a
- Hauptschenkel
- 3b
- Nebenschenkel
- α
- Winkelabstand
- E
- Einzugsrichtung
- F
- Flankenlänge
- M
- Mittelachse
- R
- Radiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2387135 A2 [0004, 0008, 0010]
- DE 102013012659 A1 [0009]
- DE 102014000636 A1 [0009]
- US 2005/0258704 A1 [0011]
