DE102017004538A1

DE102017004538A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Umformen von U-förmigen elektrischen Leitern

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Publication number: DE102017004538A1
Application number: DE102017004538.0A
Authority: DE
Inventors: Pier Vai; Angiolino Benedetti; Crescini Silvano
Original assignee: Gehring E Tech GmbH
Current assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2018-11-15
Also published as: CN110603719A; JP2020520629A; EP3622614A1; CN110603719B; US20210135552A1; WO2018206783A1; KR20200018413A; US11601034B2; JP6970282B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zum Umformen eines U-förmigen sowie im Querschnitt eckigen elektrischen Leiters (6) zu einen hairpin (19), welcher für die Herstellung einer Stabwicklung einer elektrischen Maschine verwendbar ist, wobei der elektrische Leiter (6) vor dem Umformvorgang zwei zueinander parallele Schenkel (7, 8) aufweist, die mittels eines Verbindungsschenkels (9) einstückig miteinander verbunden sind, und bei dem die drei Schenkel (7, 8, 9) in einer gedachten, planen Ebene (10) angeordnet sind. Um die Umformung des elektrischen Leiters (6) zu einem hairpin (19) kostengünstig durchführen zu können, ist verfahrensgemäß vorgesehen, dass zunächst die beiden zueinander parallelen Schenkel (8, 9) in jeweils einer Klemmvorrichtung (A, B) festgeklemmt werden, dass dann der erste Schenkel (7) zusammen mit der ersten Klemmvorrichtung (A) ortsfest festgehalten wird, dass dann der zweite Schenkel (8) auf einer Kreisbahn (42) von dem ersten Schenkel (7) wegbewegt sowie dabei der Verbindungsschenkel (9) gestreckt wird, und dass gleichzeitig oder zeitlich nachfolgend ein Umformabschnitt (11') des elektrischen Leiters (6) auf einer Führungsfläche (31) eines Verwindungsführungselements (30) bewegt wird, welche über die Kreisbahn (42) radial hinaus ragt.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zum Umformen eines U-förmigen sowie im Querschnitt eckigen elektrischen Leiters zu einen hairpin, welcher für die Herstellung einer Stabwicklung einer elektrischen Maschine verwendbar ist, wobei der elektrische Leiter vor dem Umformvorgang zwei zueinander parallele Schenkel aufweist, die mittels eines Verbindungsschenkels einstückig miteinander verbunden sind, und bei dem die drei Schenkel in einer gedachten, planen Ebene angeordnet sind.
Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter dem Begriff „elektrische Maschine“ nur Elektromotoren und elektrische Generatoren verstanden, welche elektrische Energie in mechanische Energie oder mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.
Aus der DD 47 392 B1 ist es bekannt, dass zur Herstellung der Wicklung von leistungsstarken elektrischen Maschinen sogenannte Stabwicklungen genutzt werden. Diese Stabwicklungen bestehen aus einer Vielzahl von massiven Stäben aus einem elektrisch gut leitenden Material. Die Stäbe werden nach deren Einsetzen in die Nuten von Anker- oder Statorblechpakete derart miteinander verbunden, dass sie je nach Ausführung wenigstens einen Wicklungsstrang bilden. Gemäß einer aus der GB 200,469 B bekannten Ausführungsform können die für den Aufbau einer Stabwicklung genutzten Stäbe eine weitgehend U-förmige Geometrie aufweisen, bei denen zwei zueinander parallele Schenkel mittels eines Verbindungsschenkels einstückig miteinander verbunden sind. Dabei ist die Querschnittsgeometrie der Schenkel rechteckig. Derartige Stäbe sind auch als sogenannte hairpins bekannt. Damit die beiden zueinander parallelen Schenkel der U-förmigen Stäbe in einem Anker- oder Statorblechpaket in radial versetzte Nuten eingesetzt werden können, weisen die aus der GB 200,469 B bekannten U-förmigen Stäbe im Bereich derer Verbindungsschenkel einen Versatzbereich aus, in dem der U-förmige Stab in sich verwunden ist, wie noch anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird.
Außerdem ist es aus der EP 2 710 715 B1 bekannt, dass bei einem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen von hairpins zunächst die stabförmigen elektrischen Leiter ihre beschriebene U-förmige Grundgeometrie durch einen ersten Biegevorgang erhalten. Anschließend wird in einem zweiten Umformvorgang der Kopf eines solchen Leiters, also dessen Verbindungsschenkel, in einer Formpresse umgeformt, wobei diese beiden zueinander parallelen Schenkel in derjenigen Ausrichtung gehalten werden, welche für deren späteren Platzierung in zugeordneten Nuten in einem Blechpaket eines Stators oder Ankers einer Elektromaschine notwendig ist. Dieses Herstellungsverfahren wird als unvorteilhaft beurteilt, weil nach einem solchen Verfahren beziehungsweise in einer nach diesem Verfahren arbeitenden Produktionsmaschine lediglich hairpins nur einer Geometrie herstellbar sind. Sofern hairpins für die Herstellung eines anderen, beispielsweise größeren Stators oder Ankers, eine andere Geometrie aufweisen sollen, müssen die Formwerkzeuge einer solchen Maschine aufwendig gegen andere, geometrisch passende Formwerkzeuge ausgetauscht werden. Außerdem wird es als nachteilig beurteilt, dass der elektrische Leiter bei einem solchen Umformvorgang in einem Formwerkzeug einer vergleichsweise großen mechanischen Belastung ausgesetzt ist, welche zu Beschädigungen an dem elektrischen Leiter und/oder an dessen Isolierung führen kann. Um diese Nachteile zu vermeiden wird gemäß der EP 2 710 715 B1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von hairpins für elektrische Maschinen vorgeschlagen, bei denen auf die Nutzung von Formwerkzeugen zugunsten von anderen, nach diesseitiger Beurteilung ebenfalls unvorteilhaften Umformwerkzeugen und Verfahrensschritten verzichtet wird.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzustellen, mit denen gattungsgemäße hairpins kostengünstiger als bisher herstellbar sind. Insbesondere soll die Vorrichtung derartig aufgebaut sein, dass diese im einfachsten Fall manuell bedienbar jedoch auch automatisch betrieben werden kann. Zudem soll die Vorrichtung ohne großen Umbauaufwand zur Herstellung von hairpins unterschiedlicher Größe und Geometrie geeignet sein, um so Elektromaschinen insgesamt kostengünstiger als bisher herstellen zu können.
Diese Aufgaben sind durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gelöst, welche die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche aufweisen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweils zugeordneten abhängigen Ansprüchen definiert.
Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, dass sich eine verwundene Geometrie des Verbindungsabschnitts eines U-förmigen elektrischen Leiters, welche den Verbau desselben in einer Stabwicklung eines Stators oder Ankers einer Elektromaschine gewährleistet, dadurch vergleichsweise einfach erzeugen lässt, indem in einem vorzugsweise ersten Schritt zunächst die beiden zueinander parallelen sowie eingespannten Schenkel des U-förmigen elektrischen Leiters nahe bei dem Verbindungsschenkel und zusammen mit diesem etwa senkrecht zu derjenigen planen Ebene verschwenkt werden, welche zwischen den zwei parallelen Schenkeln gedacht aufgespannt ist, und dass in einem notwendigen zweiten Schritt dann einer der beiden zueinander parallelen Schenkel unter Mitnahme des Verbindungsschenkels auf einer Kreisbahn von dem anderen, unbeweglich gehaltenen Schenkel weggeschwenkt wird. Um eine optimale Verwindungsgeometrie insbesondere in Bereich des Verbindungsschenkels zu erzielen, wird bei diesem Bewegen des zweiten Schenkels des elektrischen Leiters ein Abschnitt des Verbindungsschenkels auf einer geometrisch speziell geformten Oberfläche eines Verwindungsführungselements geführt. Durch dieses Verschwenken über einen vorbestimmten Kreisabschnitt und die Verformung zumindest des Verbindungsschenkels mittels des Verwindungsführungselements werden die beiden zueinander parallelen Schenkel in genau diejenigen Ausrichtung und Position gebracht, welche notwendig ist, damit diese in zugeordnete Nuten eines Statorblechpakets oder Ankerblechpakets angeordnet werden können. Hierbei ist die mechanische Belastung für den elektrischen Leiter vergleichsweise gering.
Gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Umformen eines U-förmigen sowie im Querschnitt eckigen elektrischen Leiters, welcher für die Herstellung einer Stabwicklung einer elektrischen Maschine verwendbar ist, wobei der elektrische Leiter vor dem Umformvorgang zwei zueinander parallele Schenkel aufweist, die durch einen Verbindungsschenkel einstückig miteinander verbunden sind, und bei dem die drei Schenkel in einer gedachten, planen Ebene angeordnet sind.
Zur Lösung der verfahrensbezogenen Aufgabe ist vorgesehen, dass zunächst die beiden zueinander parallelen Schenkel in jeweils einer Klemmvorrichtung festgeklemmt werden, dass dann der erste Schenkel zusammen mit der ersten Klemmvorrichtung ortsfest festgehalten wird, dass dann der zweite Schenkel auf einer Kreisbahn von dem ersten Schenkel wegbewegt sowie dabei der Verbindungsschenkel gestreckt wird, und dass gleichzeitig oder zeitlich nachfolgend ein Umformabschnitt des elektrischen Leiters auf einer Führungsfläche eines Verwindungsführungselements bewegt wird, welche über die Kreisbahn radial hinaus ragt
Dadurch, dass der zweite Schenkel des elektrischen Leiters in Bezug zu dem ersten, ortsfest und unbeweglich eingespannten Schenkel auf einer Kreisbahn bewegt wird, wird er zweite Schenkel um seine Längsachse gedreht, so dass beispielsweise bei einem quaderförmigen Querschnitt der beiden Schenkel deren breiten und schmalen Seiten nicht mehr parallel zueinander ausgerichtet sind. Hierdurch wird diejenige Ausrichtung der breiten und schmalen Schenkelseiten erreicht, welche notwendig ist, um diese beiden Schenkel in jeweils eine Nut eines Stator- oder Ankerblechpakets einführen zu können, welche an einem Kreisabschnitt desselben in Umfangsrichtung sowie radial versetzt zueinander ausgebildet sind. Das Bewegen des Verbindungsschenkels über die Führungsfläche des erwähnten Verwindungsführungselements ermöglicht demnach eine gezielte Umformung des Verbindungsschenkels. Die jeweilige Geometrieausbildung der Führungsfläche des Verwindungsführungselements sowie deren radiale Anordnung und anstellwinkelbezogene Positionierung im Bewegungsweg des zweiten Schenkels beziehungsweise Verbindungsschenkels erzeugen die gewünschte Umformung an dem Verbindungsschenkel des elektrischen Leiters, welche zudem keine Spannungsrisse in dem Material des elektrischen Leiters verursacht.
Da das Einklemmen der beiden zueinander zunächst parallelen Schenkel, das Bewegen des zweiten Schenkels auf einer Kreisbahn sowie das radiale und anstellwinkelbezogene Ausrichten des Verwindungsführungselements vorzugsweise mittels von einer Steuerungsvorrichtung ansteuerbarer Aktuatoren erfolgt, können mit dem Verfahren gemäß der Erfindung hinsichtlich ihrer Abmessungen und Geometrie sehr unterschiedliche gattungsgemäße elektrische Leiter, also so genannte hairpins, automatisch und ohne den Wechsel von Formwerkzeugen kostengünstig hergestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Umformabschnitt des elektrischen Leiters, welcher einen Bereich des zweiten Schenkels und einen daran angrenzenden Bereich des Verbindungsschenkels umfasst, auf einer solchen Führungsfläche des Verwindungsführungselements bewegt wird, welche einen ersten Flächenabschnitt aufweist, der nahe zu dem zweiten Schenkel ausgebildet ist und auf den der Radius derjenigen Kreisbahn trifft, auf welcher der zweite Schenkel bewegt wird, und welche einen zweiten Führungsabschnitt aufweist, der sich in den Bereich des Verbindungsschenkels erstreckt und sich radial außerhalb der Kreisbahn des zweiten Schenkels befindet.
Hierdurch wird erreicht, dass die Umformung des Verbindungsschenkels sowie des daran angrenzenden Bereichs des zweiten Schenkels mechanisch geführt, also nicht ungeführt, erfolgt, wobei im Ergebnis der Verbindungsschenkel in eine geringfügig S-förmige Geometrie umgeformt wird und dabei etwas aus derjenigen gedachten planen Ebene herausragt, welche der U-förmige elektrische Leiter vor Beginn des Umformvorgangs hatte.
Um den Umformvorgang weiter zu begünstigen kann vorgesehen sein, dass der erste Schenkel mittels der ersten Klemmvorrichtung weiter entfernt von dem Verbindungsschenkel festgeklemmt wird als dies bei dem zweiten Schenkel mittels der zweiten Klemmvorrichtung der Fall ist. Hierdurch ist im Ergebnis der beim Umformvorgang mechanisch am stärksten belastete Verbindungsbereich zwischen dem Verbindungsschenkel und dem zweiten Schenkel vorteilhaft etwas entlastet, denn für diesen Umformvorgang steht dann zusätzlich auch verbindungsschenkelnahes Material des ersten Schenkels zur Verfügung.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der zweite Schenkel auf einer Kreisbahn bewegt wird, deren Drehachse parallel zu der Längsausrichtung der beiden zueinander parallelen Schenkel orientiert sowie mit Abstand dazu angeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, dass die freien Enden der beiden zueinander parallelen Schenkel auch nach dem Umformvorgang hinsichtlich deren Längsausrichtung nicht gegeneinander verschwenkt sondern parallel zueinander ausgerichtet sind.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass vor dem Wegbewegen des zweiten Schenkels von dem ersten Schenkel ein verbindungsschenkelnaher Umformabschnitt des ersten Schenkels in Richtung zu einer Klemmbasis der ersten Klemmvorrichtung gebogen wird, wobei wegen der Einstückigkeit des elektrischen Leiters auch der Verbindungsschenkel mitgenommen wird. Dieser zusätzliche Verfahrensschritt entlastet den Übergangsbereich zwischen dem ersten Schenkel und dem Verbindungsschenkel mechanisch bei dem dann folgenden Umformen des Verbindungsschenkels mittels des Verwindungsführungselements.
Weiter ist zur Vorbereitung eines konkreten Produktionsvorgangs vorgesehen, dass das Verwindungsführungselement vor der Herstellung einer Serie der verwundenen, U-förmigen elektrischen Leiter (also der gattungsgemäßen hairpins) derart in Bezug zur Drehachse des Schwenkarms radial verstellt sowie um eine parallel zur Drehachse des Schwenkarms ausgerichtete Schwenkachse des Verwindungsführungselements verschwenkt wird, dass eine bestimmte Ausrichtung der beiden parallelen Schenkel zueinander sowie eine bestimmte Umformung des Verbindungsschenkels im dann folgenden Produktionsvorgang erzielt wird.
Das Umformverfahren kann gemäß einem Beispiel zumindest die folgenden Verfahrensschritte aufweisen:

a) Zuführen eines U-förmigen elektrischen Leiters in eine Umformvorrichtung, wobei der elektrische Leiter zwei zueinander parallele Schenkel sowie einen diese verbindenden Verbindungsschenkel aufweist, welche alle in einer gedachten planen Ebene angeordnet sind,
b) Festspannen eines Klemmabschnitts des ersten Schenkels in einer ersten Klemmvorrichtung sowie Festspannen eines Klemmabschnitts des zweiten Schenkels in einer zweiten Klemmvorrichtung, wobei diese beiden Klemmabschnitte nahe zu dem Verbindungsschenkel ausgebildet sind,
c) Festhalten der beiden zueinander parallelen Schenkel an deren jeweiligen Einklemmort und Umbiegen eines Umformabschnitts des ersten Schenkels, welcher nahe zu dem Verbindungsschenkels ausgebildet ist, weg aus der gedachten planen Ebene des elektrischen Leiters,
d) Bewegen des zweiten Schenkels auf einer Kreisbahn, deren Mittelpunkt auf der Drehachse des Schwenkarms liegt, wobei diese Drehachse des Schwenkarms parallel zu dem ersten Schenkel des elektrischen Leiters ausgerichtet ist, sowie in Folge der Bewegung des zweiten Schenkels Strecken des Verbindungsschenkels des elektrischen Leiters,
e) Bewegen eines Abschnitts des Verbindungsschenkels auf einer Führungsfläche eines Verwindungsführungselements, wobei zumindest ein Flächenabschnitt dieser Führungsfläche in Bezug zur Drehachse des Schwenkarms radial außerhalb des Einkemmortes des ersten Schenkels angeordnet ist,
f) und abschließend Lösen der beiden Klemmvorrichtungen zum Freigeben des zu einem hairpin umgeformten elektrischen Leiters.

Vorzugsweise erfolgt hiernach das Abschneiden des hairpins von dem restlichen Draht, sofern dies nicht schon vor dem Einspannen des U-förmigen Drahtes geschah.
Zur Lösung der vorrichtungsbezogenen Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Umformung eines U-förmigen und im Querschnitt eckigen elektrischen Leiters zu einen gattungsgemäßen hairpin vorgeschlagen, welcher für die Herstellung einer Stabwicklung einer elektrischen Maschine verwendbar ist, wobei der elektrische Leiter zwei zueinander parallele Schenkel aufweist, die mittels eines Verbindungsschenkels einstückig miteinander verbunden sind.
Diese Vorrichtung weist zumindest folgendes auf:

- ein Vorrichtungsgestell,
- eine an dem Vorrichtungsgestellt angeordnete, ortsfeste erste Klemmvorrichtung, mittels welcher der erste Schenkel am Vorrichtungsgestell festklemmbar ist,
- einen um eine Drehachse drehbaren Schwenkarm, wobei diese Drehachse parallel zu dem ersten Schenkel des elektrischen Leiters ausgerichtet ist,
- eine an dem Schwenkarm angeordnete zweite Klemmvorrichtung, mittels welcher der zweite Schenkel am Schwenkarm festklemmbar ist,
- und ein Verwindungsführungselement, welches an dem Vorrichtungsgestell befestigt ist sowie an seinem zur zweiten Klemmvorrichtung nahen Ende eine Führungsfläche aufweist,
- wobei diese Führungsfläche einen dem zweiten Schenkel nahen ersten Flächenabschnitt aufweist, auf den der Radius einer Kreisbahn trifft, auf welcher der zweite Schenkel beim Drehen des Schwenkarms bewegt wird,
- und wobei die Führungsfläche einen dem Verbindungsschenkel nahen zweiten Flächenabschnitt aufweist, welcher radial außerhalb der Kreisbahn des zweiten Schenkels angeordnet ist.

Die vorteilhafte Nutzung dieser Umformvorrichtung ist bereits kurz beschrieben worden. Eine weitere Beschreibung derselben erfolgt anhand verschiedener Ausführungsbeispiele.
Gemäß einer ersten Weiterbildung dieser Umformvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die beiden Klemmvorrichtungen jeweils eine erste beziehungsweise eine dritte Stellvorrichtung aufweisen, deren Stellglieder den ersten Schenkel des elektrischen Leiters direkt oder indirekt gegen eine Klemmbasis an dem Vorrichtungsgestell beziehungsweise den zweiten Schenkel gegen eine Klemmbasis an dem Schwenkarm drücken können. Die erwähnten Stellvorrichtungen sind vorzugsweise mittels einer Hilfskraft betätigbar, welche elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch erzeugt werden kann. Demnach kann die Befestigung der beiden parallelen Schenkel des elektrischen Leiters ohne menschliche Hilfe erfolgen, so dass Verletzungsgefahren ausgeschlossen sind und der Herstellprozess optimiert ist.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass an der ersten Klemmvorrichtung und/oder an der zweiten Klemmvorrichtung jeweils eine zweite Stellvorrichtung vorhanden ist, mittels welcher der Verbindungsabschnitt des elektrischen Leiters nach dem Einspannen des ersten Schenkels und/oder des zweiten Schenkels aus der gedachten planen Ebene zwischen den beiden parallelen Schenkel weg biegbar ist, und zwar vorzugsweise in Richtung zum Vorrichtungsgestell.
In Weiterbildung der erwähnten Stellvorrichtungen ist bevorzugt vorgesehen, dass das jeweilige freie Ende der Stellglieder der Stellvorrichtungen der beiden Klemmvorrichtungen jeweils ein Klemmstück aufweist, die zur festklemmenden Anlage an dem jeweils zugeordneten Schenkel des elektrischen Leiters ausgebildet sind, und dass das Klemmstück der ersten Klemmvorrichtung an dessen zu dem ersten Schenkel weisenden Seite einen derartigen Absatz aufweist, dass beim Festklemmen des ersten Schenkels an der zugeordneten Klemmbasis zugleich der Umformabschnitt des ersten Schenkels unter Mitnahme des Verbindungsabschnitts des elektrischen Leiters aus der gedachten planen Ebene zwischen den beiden parallelen Schenkel hin zum Vorrichtungsgestell biegbar ist.
Um die Umformvorrichtung auch hinsichtlich der Bewegung des Schwenkarms zu automatisieren, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Schwenkarm direkt oder über zumindest einen Hebel mit einem Stellglied einer vierten Stellvorrichtung antriebswirksam verbunden ist.
Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass auch das Verwindungsführungselement um eine Schwenkachse schwenkbar sowie hinsichtlich seiner Längserstreckungsrichtung axial verschiebbar an dem Vorrichtungsgestell befestigt ist.
Zur Einstellung der Radialposition der Führungsfläche und des Anstellwinkels des Verwindungsführungselements in Bezug zu dem Verbindungsabschnitt des elektrischen Leiters ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verwindungsführungselement mit einem Stellglied einer fünften Stellvorrichtung verbunden ist, mittels der das Verwindungsführungselement um eine Schwenkachse verschwenkbar und/oder hinsichtlich seiner Längserstreckungsrichtung verschiebbar ist.
Weiter kann vorgesehen sein, dass an dem Vorrichtungsgestellt eine verschwenkbare Einstellscheibe angeordnet ist, welche als Anschlag für den Verbindungsabschnitt des elektrischen Leiters bei einem Einspannen der beiden zueinander parallelen Schenkel nutzbar ist.
Diese Einstellscheibe ist vorzugsweise mit einem Stellglied einer sechsten Stellvorrichtung verbunden, mittels der die Einstellscheibe um eine Schwenkachse derart verschwenkbar ist, dass diese unmittelbar über die korrekte Position des Verbindungsabschnitts des elektrischen Leiters vor dem Einspannen desselben schwenkbar ist.
Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass die Drehachse des Schwenkarmes beziehungsweise dessen Schwenklager örtlich verstellbar am Vorrichtungsgestell angeordnet ist. Der Verstellbereich ist durch ein Koordinatensystem mit zwei senkrecht zueinander ausgerichteten geometrischen Achsen definiert, welche senkrecht zur Längsachse des ortsfest eingeklemmten ersten Schenkels des U-förmigen Drahtes ausgerichtet sind.
Schließlich sind zumindest einige der erwähnten Stellvorrichtungen als elektrische Schrittmotoren ausgebildet, welche über Steuerungsleitungen mit einer Steuerungsvorrichtung verbunden sind. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass zumindest einige der erwähnten Stellvorrichtungen als druckmittelbetriebene Aktuatoren ausgebildet sind, deren Steuerungsventile über Steuerungsleitungen mit einer Steuerungsvorrichtung verbunden sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer in der beigefügten Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 eine schematische Darstellung einer bekannten Biegevorrichtung, mittels der aus einem Draht ein U-förmiger elektrischer Leiter gebogen werden kann,
2 eine schematische Darstellung eines solchen elektrischen Leiters mit einer gedachten planen Ebene zwischen den Schenkeln des Leiters,
3 den elektrischen Leiter gemäß 2 mit einer Aufteilung seiner Funktionsabschnitte,
4 eine schematische Ansicht eines hairpins, welcher nach einem Umformvorgang aus einem elektrischen Leiter gemäß den 2 und 3 hergestellt wurde, und welcher zur Herstellung einer Stabwicklung einer elektrischen Maschine verwendbar ist,
5 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Umformvorrichtung in einer Ausgangsstellung, mittels der aus einem U-förmigen elektrischen Leiter gemäß den 2 oder 3 ein hairpin gemäß 4 herstellbar ist,
6 die Umformvorrichtung gemäß 5 in einer schematischen Seitenansicht C in der Ausgangsstellung mit Blick auf den ortsfest angeordneten ersten Schenkel des elektrischen Leiters,
7 die Umformvorrichtung gemäß 5 bei einem ersten Kontakt des zweiten Schenkels des elektrischen Leiters mit einem Verwindungsführungselement,
8 die Umformvorrichtung gemäß 7 bei einem weitergeführten Kontakt des zweiten Schenkels des elektrischen Leiters mit dem Verwindungsführungselement,
9 die Umformvorrichtung gemäß 8 in einer schematischen Seitenansicht mit Blick auf die beiden Schenkel des elektrischen Leiters,
10 die Umformvorrichtung gemäß 5 mit einem Anschlag zur Einstellung der Einklemmposition des elektrischen Leiters,
11 die Umformvorrichtung gemäß 10 in einer schematischen Seitenansicht mit dem Anschlag,
12 die Umformvorrichtung gemäß 5 mit einem durch einen Aktuator verstellbaren Druckstück, mittels dem ein Umformabschnitt des ersten Schenkels beaufschlagbar ist,
13 die Umformvorrichtung gemäß 12 in einer schematischen Seitenansicht, in dem auch der Aktuator erkennbar ist, welcher auf das Druckstück wirkt,
14 eine Detailansicht auf die Führungsfläche des Verwindungsführungselements gemäß den 5 bis 13,
15 eine schematische Seitenansicht auf die erste Klemmvorrichtung, welche ein gestuftes Klemmstück aufweist,
16 eine die Merkmale der Erfindung aufweisende Umformvorrichtung in einer Draufsicht, dargestellt mit einem dort eingeklemmten elektrischen Leiter, in einer nicht betätigten Stellung,
17 die Umformvorrichtung gemäß 16 in einer Draufsicht nach einem anfänglichen Umformen des ersten Schenkels des elektrischen Leiters, und
18 die Umformvorrichtung gemäß 16 in einer Draufsicht nach einem abschließenden Verformen des elektrischen Leiters zu einem hairpin.

Demnach zeigt 1 eine schematische Darstellung einer an sich bekannte Biegevorrichtung 1*, mittels der aus einem Draht 2 ein U-förmiger elektrischer Leiter 6 gebogen werden kann. Hierzu wird der Draht 2 einer erste Rolle 3 zugeführt und mittels einer zweiten Rolle 4 um die Oberfläche der ersten Rolle 3 kreissegmentförmig herum gebogen. Sobald die beiden zueinander parallelen Schenkel 7, 8 eine gewünschte Länge aufweisen, wird der Draht 2 mittels einer Trennvorrichtung 5 durchtrennt und der U-förmige elektrische Leiter 6 zur weiteren Umformung aus der Biegevorrichtung 1* entfernt.
Abweichend von diesem Stand der Technik erfolgt das Durchtrennen des Drahtes 2 gemäß der Erfindung bevorzugt erst dann, wenn der nachfolgend zu beschreibende Umformvorgang abgeschlossen vollständig ist. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass der U-förmig umgebogene Draht 2 erst nach seiner abschließenden Formgebung als Einzelteil gehandhabt werden muss.
Wie 2 zeigt, weist der elektrische Leiter 6 einen weitgehend halbkreisförmigen Verbindungsschenkel 9 auf, welcher die beiden, zueinander parallelen Schenkel 7, 8 einstückig miteinander verbindet. Die drei Schenkel 7, 8, 9 des elektrischen Leiters 6 sind derartig zueinander ausgerichtet, dass diese eine gedachte, plane Ebene 10 zwischen sich aufspannen. Ein solcher elektrische Leiter 6 dient als Vorprodukt zur Herstellung eines in 4 dargestellten hairpins 19, dessen Schenkel 7, 8, 9 nicht mehr in der gleichen gedachten Ebene 10 liegen. Hierzu muss der elektrische Leiter 6 umgeformt werden, wobei die Verformung im Wesentlichen im Bereich des Verbindungsschenkels 9 durchgeführt wird, so dass die beiden anderen Schenkel 7, 8 immer noch eine gerade Geometrie aufweisen, jedoch nicht mehr in der gleichen, gedachten Ebene angeordnet sind.
Um einen derartigen elektrische Leiter 6 zur Herstellung einer Stabwicklung eines Stators oder Ankers einer Elektromaschine mit hohem elektrischen Wirkungsgrad nutzen zu können, weist der elektrische Leiter 6 eine rechteckige, vorzugsweise quaderförmige Querschnittsgeometrie auf. 4 zeigt einen solchen als hairpin 19 ausgebildeten elektrischen Leiter 6, dessen zueinander parallelen Schenkel 7, 8 jeweils eine schmale Längsseite 15, 17 sowie eine breite Längsseite 14, 16 aufweisen. Um diese beiden Schenkel 7, 8 in jeweils zugeordnete Nuten in einem Stator- oder Ankerblechpaket einer Elektromaschine einsetzen zu können, weisen die schmale Längsseiten 17 sowie die breiten Längsseiten 14 des ersten Schenkels 7 in anderen Richtungen als die schmalen Längsseiten 15 sowie die breiten Längsseiten 16 des zweiten Schenkels 8. Um diese Ausrichtung zu realisieren, wird der U-förmige elektrische Leiter 6 in einem Verwindungsbereich 18 des Verbindungsschenkels 9 entsprechend umgeformt. Hierdurch kann der Verbindungsschenkel 9, wie in 4 dargestellt, eine dachförmige Spitze 20 oder eine flach gebogene Geometrie aufweisen.
Bevor nachfolgend erläutert wird, welche Vorrichtung und welches Verfahren die Erfindung zur Herstellung eines hairpins 19 aus einem elektrischen Leiter 6 vorschlägt, werden für die nachfolgende Beschreibung sinnvolle Funktionsabschnitte des elektrischen Leiters 6 definiert. Wie 3 veranschaulicht, weist der elektrischen Leiter 6 im Verbindungsbereich des Verbindungsschenkels 9 einen ersten Umformabschnitt 11 und einen zweiten Umformabschnitt 11' auf, welche auch einen verbindungsschenkelnahen Abschnitt der beiden, zueinander parallelen Schenkel 7, 8 umfassen. Weiter hin zu deren freien Ende weisen die beiden parallelen Schenkel 7, 8 jeweils einen Klemmabschnitt 12, 12' auf, welche zum Einklemmen in einer erfindungsgemäßen Umformvorrichtung 1 vorgesehen sind. Daran anschließend folgt jeweils ein unterer Abschnitt 13, 13', die sich bis zu dem jeweiligen freien Ende der beiden parallelen Schenkel 7, 8 erstrecken.
Die 5 bis 13 und 16 bis 18 zeigen jeweils aus unterschiedlichen Blickrichtungen gesehen sowie in unterschiedlichen Betätigungsstellungen eine Umformvorrichtung 1, mittels der ein U-förmiger elektrischer Leiter 6 zu einem hairpin 19 umgeformt werden kann, welcher ähnlich wie der gemäß 4 aussieht.
Die 16 bis 18 lassen jeweils in einer schematischen Draufsicht den Gesamtaufbau der Umformvorrichtung 1 am besten erkennen. Demnach weist die Umformvorrichtung 1 ein Vorrichtungsgestell 21 auf, welches alle wesentlichen Bestandteile der Umformeinrichtung trägt. Dazu gehören zunächst zwei Klemmvorrichtungen A, B, mittels denen jeweils einer der beiden zueinander parallelen Schenkel 7, 8 eines U-förmigen elektrischen Leiters 6 an einer entsprechend zugeordneten ersten Klemmbasis 22 beziehungsweise einer zweiten Klemmbasis 24 festklemmbar sind. Die der ersten Klemmvorrichtung A zugeordnete erste Klemmbasis 22 ist an dem Vorrichtungsgestell 21 befestigt oder einstückig ein Bestandteil desselben, und sie dient als Widerlager beim Festklemmen des ersten Schenkels 7 des U-förmigen elektrischen Leiters 6. Das Festklemmen dieses ersten Schenkels 7 erfolgt mittels eines ersten Klemmstücks 23, welches an dem freien Ende eines Stellgliedes einer ersten Stellvorrichtung 32 ausgebildet oder befestigt ist. Diese erste Stellvorrichtung 32 ist als Axialaktuator ausgebildet. Eine zweite, ebenfalls als Axialaktuator ausgebildete Stellvorrichtung 33, welche lediglich in 13 dargestellt ist und später beschrieben wird, kann ebenfalls am Ort der zweiten Klemmvorrichtung A angeordnet sein.
Die erste Stellvorrichtung 32 sowie alle anderen, noch zu erwähnenden Stellvorrichtungen, sind vorzugsweise als elektromotorische Aktuatoren ausgebildet. Sie können aber auch hydraulische oder pneumatische Aktuatoren sein. Das jeweilige Stellglied der Aktuatoren kann axial oder rotatorisch bewegt werden.
Die der zweiten Klemmvorrichtung B zugeordnete zweite Klemmbasis 24 ist ein Bestandteil eines Schwenkarmes 27, welcher gemäß den 16 bis 18 um eine Drehachse 41 schwenkbar gelagert an dem Vorrichtungsgestell 21 angeordnet ist. Im einfachsten Fall ist diese zweite Klemmbasis 24 als eine Aussparung an dem Schenkhebel 27 ausgebildet, welche einen Abschnitt der Querschnittsgeometrie des zweiten parallelen Schenkels 8 des elektrischen Leiters 6 aufweist. Die zweite Klemmbasis 24 dient demnach als Widerlager beim Festklemmen des zweiten Schenkels 8 des U-förmigen elektrischen Leiters 6 an dem Schwenkarm 27. Das Festklemmen dieses zweiten Schenkels 8 erfolgt mittels eines zweiten Klemmstücks 25, welches an dem freien Ende eines Stellgliedes einer dritten Stellvorrichtung 34 ausgebildet oder befestigt ist. Auch diese dritte Stellvorrichtung 34 ist als Axialaktuator ausgebildet. Das Gehäuse dieser dritten Stellvorrichtung 34 ist über eine Verbindungsstruktur 61 mit dem Schwenkarm 27 fest verbunden, wie dies schematisch dargestellt ist.
Der Schwenkarm 27 ist über einen Hebel 38 und Gelenke 39, 40 an einem Stellglied 37 einer vierten Stellvorrichtung 36' befestigt, welche ebenfalls als Axialaktuator ausgebildet ist. Eine Betätigung der vierten Stellvorrichtung 36' führt zu einer Schwenkbewegung des Schwenkarmes 27 um dessen Drehachse 41 gemäß dem die Bewegungsrichtung 46 verdeutlichenden Doppelpfeils in 16.
Außerdem ist ein stabförmiges Verwindungsführungselement 30 an dem Vorrichtungsgestell 21 befestigt. Die Befestigung dieses Verwindungsführungselements 30 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel derart, dass das Verwindungsführungselement 30 sowohl in Richtung seiner Längserstreckung axial verstellbar als auch um eine senkrecht dazu ausgerichtete Stellachse 49 verschwenkbar angeordnet ist (siehe dortige Doppelpfeile). Eine axiale Verstellung des Verwindungsführungselements 30 erfolgt vorzugsweise mittels wenigstens einer fünften Stellvorrichtung 47, welche als Axialaktuator ausgebildet und über ein Stellglied 48 mit dem Verwindungsführungselement 30 verbunden ist. Zur Führung der Axialverstellung des Verwindungsführungselements 30 weist dieses in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Langloch 50 auf, welches von einer im Vorrichtungsgestell 21 verschraubten Schraube durchdrungen ist. Mit dem Bezugszeichen α ist in 18 ein Anstellwinkel angegeben, gemäß dem das Verwindungsführungselement 30 ausrichtbar ist. Der einzustellende Anstellwinkel α sowie die axiale Position des für die Verformung des elektrischen Leiters 6 wirksamen axialen Endes des Verwindungsführungselements 30 sind abhängig von den Abmessungen des zu verformenden elektrischen Leiters 6 sowie von der zu erzielenden Verformungsgeometrie desselben.
Das Verwindungsführungselement 30 weist an seinem aktuatorfernen Ende eine Führungsfläche 31 auf, an welcher der zweite Schenkel 8 und/oder der Verbindungsschenkel 9 des eingespannten elektrischen Leiters 6 unter Verformung desselben eng entlang führbar ist. Ein solcher Verformungsvorgang findet statt, wenn der von der zweiten Klemmvorrichtung B eingeklemmte zweite Schenkel 8 des elektrischen Leiters 6 bei einer Schwenkbewegung des Schwenkarmes 27 entlang einer Kreisbahn 42 bewegt wird, welche zumindest teilweise radial innerhalb des Bereiches der Führungsfläche 31 des Verwindungsführungselement 30 liegt. Hierauf wird noch genauer eingegangen, jedoch wird schon hier auf 18 hingewiesen, welche zeigt, wie im Ergebnis eines solchen Umformvorgangs aus dem U-förmigen elektrischen Leiter 6 ein hairpin 19 geformt wurde, der zum Herstellen einer Stabwicklung einer Stators oder Ankers einer elektrischen Maschine genutzt werden kann.
Wie dies lediglich in der 16 dargestellt ist, kann die Umformvorrichtung 1 auch eine Einstellscheibe 43 aufweisen, welche um eine außermittig angeordnete Schwenkachse 44 verschwenkbar an dem Vorrichtungsgestell 21 befestigt ist. Die Verschwenkung der Einstellscheibe 43 wird mittels einer sechsten Stellvorrichtung 51 bewerkstelligt, welche ebenfalls als ein Axialaktuator ausgebildet ist und über ein als Koppelstange ausgebildetes Stellglied 52 mit dem radial äußernden Rand der Einstellscheibe 43 verbunden ist. Bei einem Ausfahren des Stellgliedes 52 wird die Einstellscheibe 43 soweit gedreht, dass diese den Einspannort für den elektrischen Leiter 6 dicht oberhalb des Verbindungsschenkels 9 überdeckt. Die dortigen Schwenkrichtungen 45 sind durch einen Doppelpfeil verdeutlicht. Bei einem manuellen oder maschinellen Einsetzen der beiden parallelen Schenkel 7, 8 in die zugeordneten Klemmvorrichtungen A, B wird der Verbindungsschenkel 9 mit seiner Spitze 20 beziehungsweise bogenförmigen Oberseite in Anschlag an die Unterseite der Einstellscheibe 43 gebracht, so dass der elektrische Leiter 6 ordnungsgemäß in den beiden Klemmvorrichtungen A, B positioniert ist, bevor diese geschlossen werden.
Schließlich zeigt 16, dass alle Stellvorrichtungen 32, 33, 34, 36, 36', 47, 51 der Umformvorrichtung 1 über gestrichelt dargestellte Steuerungsleitungen mit einem Steuerungsgerät 60 verbunden sind, welches die Betätigung dieser Aktuatoren befehligt. Seine Entscheidungen trifft die Steuerungsvorrichtung 60 vorzugsweise aufgrund von Sensorinformationen, die es von nicht dargestellten Sensoren erhält.
Die beschriebene Umformvorrichtung 1 kann mit einem Verfahren betrieben werden, welches die Merkmale der verfahrensbezogenen Ansprüche aufweist. Hierzu wird nun auch auf die 5 bis 15 eingegangen, welche eine Umformvorrichtung 1 schematisch darstellen, die weitgehend identisch ist wie die in den 16 bis 18 gezeigte Umformvorrichtung 1. Lediglich die den Schwenkarm 21 betätigende vierte Stellvorrichtung 36' ist in den 5 bis 15 zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung als ein Drehaktuator 36, also beispielsweise als ein Stellmotor gezeichnet, welches aber nichts am Wirkungsprinzip der Vorrichtung 1 noch an dem Verfahren zur Umformung eines elektrischen Leiters 6 gemäß der Erfindung ändert.
Die 5 und 6 zeigen eine Ausgangssituation, in welcher ein U-förmiger elektrischer Leiter 6 mit seinen beiden zueinander parallelen Schenkeln 7, 8 in eine erfindungsgemäß ausgebildete Umformvorrichtung 1 eingespannt ist. Hierzu greifen die beiden Klemmvorrichtungen A, B an den zugeordneten Klemmabschnitten 12, 12' der Schenkel 7, 8 an, wobei die erste Stellvorrichtung 33 und die dritte Stellvorrichtung 34 mit deren jeweiligen Klemmstücken 23, 25 die Schenkel 7, 8 an die zugeordnete erste Klemmbasis 22 beziehungsweise zweite Klemmbasis 24 pressen. Wie die Figuren zeigen, fixieren die beiden Klemmvorrichtungen A, B den elektrischen Leiter 6 unterhalb des Verbindungsschenkels 9 sowie unterhalb eines verbindungsschenkelnahen Umformabschnitts 11, 11' der jeweiligen parallelen Schenkel 7, 8. Hierdurch ist gewährleistet, dass eine anschließende Umformung des elektrischen Leiters 6 nicht nur in dem Verbindungsschenkel 9 sondern auch in den verbindungsschenkelnahen Umformabschnitten 11, 11' stattfinden kann. In dieser Ausgangssituation weist der nicht eingeklemmte Abschnitt des elektrischen Leiters 6 von der Oberkante der beiden Klemmstücke 23, 25 bis zur Oberkante des Verbindungsschenkels 9 eine Höhe H1 auf.
Insbesondere 6 zeigt in einer seitlichen Ansicht C der Umformvorrichtung 1, dass der erste Schenkel 7 zwischen der ersten Klemmbasis 22 und dem ersten Druckstück 23 der ersten Stellvorrichtung 33 angeordnet ist, und dass die als Axialaktuator ausgebildete erste Stellvorrichtung 33 mit deren Stellglied 35 gemäß dem dortigen Richtungspfeil gegen den ersten Schenkel 7 drückt.
7 zeigt eine zweite Betriebssituation der Umformvorrichtung 1, in welcher der Schwenkarm 27 mittels der vierten Stellvorrichtung 36 soweit um seine Schwenkachse 28 verschwenkt wurde, dass der elektrische Leiter 6 die Führungsfläche 31 des hier aus der Zeichnungsebene herausragenden Verwindungsführungselements 30 gerade erst berührt. Durch diesen Schwenkvorgang wurde der elektrische Leiter 6 im Bereich seines Verbindungsschenkels 9 gestreckt, so dass dadurch die Höhe H2 von der Oberkante des Verbindungsschenkels 9 bis hin zu der Oberkante der beiden Klemmstücke 23, 25 abgenommen hat. Das Strecken des Verbindungsschenkels 9 sowie gegebenenfalls der benachbarten Abschnitte der beiden Schenkel 7, 8 führte dabei zu keiner Gefügeänderung im Material des elektrischen Leiters 6, sondern lediglich zu einer Geometrieänderung in dem genannten Verbindungsschenkelbereich des elektrischen Leiters 6.
Die 8 und 9 zeigen die erfindungsgemäße Umformvorrichtung 1 in einer Betriebssituation, in welcher die gewünschte Umformung des elektrischen Leiters 6 abgeschlossen ist und dieser nun die Geometrie eines gattungsgemäßen hairpins 19 aufweist. Hierzu wurde der an dem Schwenkarm 27 fixierte zweite Schenkel 8 bei einer Kreisbewegung seiner Einspannstelle auf der erwähnten Kreisbahn 42 geführt, und dadurch der Umformabschnitt 11' des zweiten Schenkels 8 und des Verbindungsschenkels 9 mit einer aus der Drehbewegung des Schwenkarms 27 sowie der geometrischen Verhältnisse resultierenden Anpresskraft auf der Führungsfläche 31 des Verwindungsführungselements 30 entlang bewegt. Währenddessen blieb der erste Schenkel 7 fest eingespannt an dem Vorrichtungsgestellt 21 fixiert. Die Führungsfläche 31 des Verwindungsführungselements 30 ist dafür derartig ausgebildet und in Bezug zu der Kreisbahn 42 des ersten Schenkels 7 positioniert, dass der elektrische Leiter 6 nach dem in 7 dargestellten ersten Kontakt mit dem Verwindungsführungselement 30 auf die Führungsfläche 31 gelenkt und dann unter Verformung des zweiten Verformungsabschnitts 11' in Bezug zur Kreisbahn 42 nach radial außen gebogen wird. Hierdurch erhält der zweite Verformungsabschnitt 11' des elektrischen Leiters 6 die Geometrie eines gattungsgemäßen hairpins 19, welcher zur Herstellung einer Stabwicklung eines Stators oder Ankers einer Elektromaschine geeignet ist.
Die Geometrie des hairpins 19 hängt unter anderem davon ab, wie groß der Radius der Kreisbahn 42 ist, auf die der zweite Schenkel 8 bei einer Schwenkbewegung des Schwenkarms 27 bewegt wird. Zudem ist die Geometrie des herzustellenden hairpins 19 von dem Anstellwinkel α des Verwindungsführungselements 30 zu dem Verbindungsschenkel 9 abhängig. Außerdem wird die Geometrie des herzustellenden hairpins 19 dadurch bestimmt, wie weit sich die Führungsfläche 31 des Verwindungsführungselements 30 radial innerhalb und radial außerhalb der genannten Kreisbahn 42 des zweiten Schenkels 8 erstreckt.
Gemäß dem in 14 dargestellten Ausführungsbeispiel kann daher vorgesehen sein, dass die Führungsfläche 31 des Verwindungsführungselements 30 einen dem zweiten Schenkel 8 des elektrischen Leiters 6 nahen ersten Flächenabschnitt 53 aufweist, welcher radial innerhalb der Kreisbahn 42 des zweiten Schenkels 8 angeordnet ist, und dass die Führungsfläche 31 einen dem Verbindungsschenkel 9 nahen zweiten Flächenabschnitt 54 aufweist, welcher radial außerhalb der Kreisbahn 42 des zweiten Schenkels 8 angeordnet ist.
Abschließend werden noch drei Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung 1 beschrieben. Gemäß den 10 und 11 kann die Umformvorrichtung 1 anstelle der in 16 dargestellten Einstellscheibe 43 einen Anschlag 29 aufweisen, an dem das obere, durch den Verbindungsschenkel 9 gebildete Ende eines U-förmigen elektrischen Leiters 6 zur Einstellung seiner Einklemmposition anschlagen kann. Dieser Anschlag 29 ist bei dem in den 10 und 11 gezeigten Beispiel durch das freie Ende des Stellgliedes 59 einer siebten Stellvorrichtung 58 gebildet, welche auch hier als ein Axialaktuator ausgebildet ist, dessen stangenförmiges Stellglied 59 sich in Richtung zu dem oberen Ende (Spitze 20) des Verbindungsschenkels 9 verstellen lässt.
In den 12 und 13 ist eine bereits weiter vorne angedeutete Variante dargestellt, bei welcher im Bereich der ersten Klemmvorrichtung A insgesamt zwei als Axialaktuatoren ausgebildete Stellvorrichtungen 32, 33 angeordnet sind. Mittels der ersten Stellvorrichtung 32 wird, wie bereits beschrieben, der erste Schenkel 7 des elektrischen Leiters 6 an dem Vorrichtungsgestellt 21 ortsfest fixiert. Nachdem dies geschehen ist, kann mittels der zweiten Stellvorrichtung 33 der Umformabschnitt 11 des ersten Schenkels 7 sowie der dazu benachbarte Abschnitt des Verbindungsschenkels 9 etwas in Richtung zu dem Vorrichtungsgestell 21 umgebogen werden. In dem in 13 dargestellten Beispiel drückt dazu ein Druckstück 26 der zweiten Stellvorrichtung 33 auf denjenigen Umformabschnitt 11 des ersten Schenkels 7, welcher nahe an dem Verbindungsschenkel 9 ausgebildet ist. Durch eine solche erste Umformung des elektrischen Leiters 6 kann der spätere Umformvorgang an der Führungsfläche 31 des Verwindungsführungselements 30 begünstigt werden.
12 zeigt, dass auch im Bereich der dritten Stellvorrichtung 34 eine solche zweite Stellvorrichtung 33' angeordnet sein kann, welche mit einem Druckstück 26' gegen den Umformabschnitt 11' des zweiten Schenkels 8 sowie gegen den dazu benachbarten Abschnitt des Verbindungsschenkels 9 drücken kann, um diesen Bereich etwas in Richtung zu dem Vorrichtungsgestell 21 umzubiegen.
15 zeigt, dass sich ein ähnlicher Verformungsvorgang auch mit der ersten Stellvorrichtung 32 durchführen lässt, wenn deren Klemmstück 23* eine Stufe 56 in Richtung zu dem elektrischen Leiter 6 aufweist.
Außerdem zeigt 18, dass die Drehachse 41 des Schwenkarmes 27 beziehungsweise dessen Schwenklager an unterschiedlichen Orten des Vorrichtungsgestells 21 angeordnet werden kann. Diese unterschiedlichen Positionen befinden sich in einem Koordinatensystem, welches durch zwei senkrecht zueinander ausgerichtete geometrische Achsen x, y definiert ist. Die beiden Achsen x, y sind dabei senkrecht zur Längsachse des ersten Schenkels 7 des U-förmigen Drahtes 6 ausgerichtet, und die zweite Achse y verläuft bei dem in 18 dargestelltem Ausführungsbeispiel parallel zu dem Stellglied der ersten Stellvorrichtung 32. Die Verstellung des Ortes der Drehachse 41 des Schwenkarmes 27 beziehungsweise dessen Schwenklagers am Vorrichtungsgestell 21 erfolgt vorzugsweise mittels wenigstens eines weiteren, hier nicht gezeigten Stellantriebes, der beispielsweise durch ein fluides Druckmittel oder elektrisch betätigbar ist.
Durch die beschriebene Verstellbarkeit des Ortes der Drehachse 41 des Schwenkarmes 27 beziehungsweise dessen Schwenklagers am Vorrichtungsgestell 21 kann die Vorrichtung 1 leicht zur Umformung unterschiedlich großer U-förmiger Drähte 6 zu hairpins mit unterschiedlichen Radien derer Verbindungsschenkel 9 sowie unterschiedlicher Verwindungscharakteristik eingerichtet werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Herstellen eines U-förmigen elektrischen Leiters
1*: Biegevorrichtung
2: Draht
3: Erste Rolle (größerer Durchmesser)
4: Zweite Rolle (kleinerer Durchmesser)
5: Trennvorrichtung
6: Elektrischer Leiter, U-förmig gebogener Draht
7: Erster Schenkel des elektrischen Leiters
8: Zweiter Schenkel des elektrischen Leiters
9: Verbindungsschenkel des elektrischen Leiters
10: Gedachte Ebene zwischen den Schenkeln des elektrischen Leiters
11: Erster Umformabschnitt
11': Zweiter Umformabschnitt
12: Klemmabschnitt des ersten Schenkels
12': Klemmabschnitt des zweiten Schenkels
13: Unterer Abschnitt des ersten Schenkels
13': Unterer Abschnitt des zweiten Schenkels
14: Breite Längsseite des ersten Schenkels
15: Schmale Längsseite des ersten Schenkels
16: Breite Längsseite des zweiten Schenkels
17: Schmale Längsseite des zweiten Schenkels
18: Fertiggestellter Verwindungsabschnitt
19: Fertig umgeformter elektrischer Leiter, hairpin
20: Spitze des fertiggestellten hairpins 19
21: Vorrichtungsgestell
22: Erste Klemmbasis
23: Erstes Klemmstück
23*: Gestuftes Druckstück
24: Zweite Klemmbasis
25: Zweites Klemmstück
26, 26': Druckstück
27: Schwenkarm
28: Drehachse der als Drehaktuator ausgebildeten vierten Stellvorrichtung 36
29: Anschlag
30: Verwindungsführungselement
31: Führungsfläche des Verwindungsführungselements
32: Erste Stellvorrichtung (an der ersten Klemmvorrichtung A)
33: Zweite Stellvorrichtung (an der ersten Klemmvorrichtung A)
33': Zweite Stellvorrichtung (an der zweiten Klemmvorrichtung B)
34: Dritte Stellvorrichtung (an der zweiten Klemmvorrichtung B)
35: Stellglied an der ersten Stellvorrichtung 32
36: Vierte Stellvorrichtung (für den Schwenkarm); Drehaktuator
36': Vierte Stellvorrichtung (für den Schwenkarm); Axialaktuator
37: Stellglied der vierten Stellvorrichtung 36'
38: Hebel
39: Gelenk am Hebel
40: Gelenk am Schwenkarm
41: Drehachse des Schwenkarms 27, Schwenklager
42: Kreisbahn des zweiten Schenkels 8
43: Einstellscheibe
44: Schwenkachse der Einstellscheibe
45: Schwenkrichtung der Einstellscheibe 43
46: Schwenkrichtung des Schwenkarms 27
47: Fünfte Stellvorrichtung (für das Verwindungsführungselement)
48: Stellglied der fünften Stellvorrichtung 47
49: Stellachse des Verwindungsführungselements
50: Langloch im Verwindungsführungselement 30
51: Sechste Stellvorrichtung (für die Einstellscheibe)
52: Stellglied der sechsten Stellvorrichtung
53: Erster Flächenabschnitt der Führungsfläche 31
54: Zweiter Flächenabschnitt der Führungsfläche 31
56: Absatz am Klemmstück 23*
58: Siebte Stellvorrichtung (für Anschlag 29)
59: Stellglied der siebten Stellvorrichtung
60: Steuerungsvorrichtung
61: Verbindungsstruktur (verbindet Stellvorrichtung 34 mit Schwenkarm 27)
α: Einstellwinkel des Schwenkarms 27
A: Erste Klemmvorrichtung
B: Zweite Klemmvorrichtung
C: Blickrichtung auf die erste Klemmvorrichtung A
X: Erste Verstellrichtung der Drehachse 41 des Schwenkarms 27
Y: Zweite Verstellrichtung der Drehachse 41 des Schwenkarms 27

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 47392 B1 [0003]
GB 200469 B [0003]
EP 2710715 B1 [0004]

Claims

Verfahren zum Umformen eines U-förmigen sowie im Querschnitt eckigen elektrischen Leiters (6) zu einen hairpin (19), welcher für die Herstellung einer Stabwicklung einer elektrischen Maschine verwendbar ist, wobei der elektrische Leiter (6) vor dem Umformvorgang zwei zueinander parallele Schenkel (7, 8) aufweist, die mittels eines Verbindungsschenkels (9) einstückig miteinander verbunden sind, und bei dem die drei Schenkel (7, 8, 9) in einer gedachten, planen Ebene (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die beiden zueinander parallelen Schenkel (8, 9) in jeweils einer Klemmvorrichtung (A, B) festgeklemmt werden, dass dann der erste Schenkel (7) zusammen mit der ersten Klemmvorrichtung (A) ortsfest festgehalten wird, dass dann der zweite Schenkel (8) auf einer Kreisbahn (42) von dem ersten Schenkel (7) wegbewegt sowie dabei der Verbindungsschenkel (9) gestreckt wird, und dass gleichzeitig oder zeitlich nachfolgend ein Umformabschnitt (11') des elektrischen Leiters (6) auf einer Führungsfläche (31) eines Verwindungsführungselements (30) bewegt wird, welche über die Kreisbahn (42) radial hinaus ragt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformabschnitt (11') des elektrischen Leiters (6), welcher einen Bereich des zweiten Schenkels (8) und einen daran angrenzenden Bereich des Verbindungsschenkels (9) umfasst, auf einer solchen Führungsfläche (31) des Verwindungsführungselements (30) bewegt wird, welche einen ersten Flächenabschnitt (53) aufweist, der nahe zu dem zweiten Schenkel (8) ausgebildet ist und auf den der Radius derjenigen Kreisbahn (42) trifft, auf welcher der zweite Schenkel (8) bewegt wird, und welche einen zweiten Führungsabschnitt (54) aufweist, der sich in den Bereich des Verbindungsschenkels (9) erstreckt und sich radial außerhalb der Kreisbahn (42) des zweiten Schenkels (8) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schenkel (7) mittels der ersten Klemmvorrichtung (A) weiter entfernt von dem Verbindungsschenkel (9) festgeklemmt wird als dies bei dem zweiten Schenkel (8) mittels der zweiten Klemmvorrichtung (B) der Fall ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schenkel (8) auf einer Kreisbahn (42) bewegt wird, dessen Drehachse (41) parallel zu der Längsausrichtung der beiden zueinander parallelen Schenkel (7, 8) orientiert sowie mit Abstand dazu angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Wegbewegen des zweiten Schenkels (8) von dem ersten Schenkel (7) ein verbindungsschenkelnaher Umformabschnitt (11) des ersten Schenkels (7) in Richtung zu einer Klemmbasis (22) der ersten Klemmvorrichtung (A) gebogen wird, wobei auch der Verbindungsschenkel (9) mitgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verwindungsführungselement (30) vor einer Umformung von U-förmigen elektrischen Leitern (6) zu hairpins (19) derart in Bezug zur Drehachse (28, 41) des Schwenkarms (21) radial verstellt sowie um eine parallel zur Drehachse (28, 41) des Schwenkarms (21) ausgerichtete Schwenkachse (49) des Verwindungsführungselements (30) verschwenkt wird, dass eine bestimmte Ausrichtung der beiden parallelen Schenkel (7, 8) zueinander sowie eine bestimmte Umformung des Verbindungsschenkels (9) im dann folgenden Produktionsvorgang erzielt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: a) Zuführen eines U-förmigen elektrischen Leiters (6) in eine Umformvorrichtung (1), wobei der elektrische Leiter (6) zwei zueinander parallele Schenkel (7, 8) sowie einen diese verbindenden Verbindungsschenkel (9) aufweist, welche alle in einer gedachten planen Ebene (10) angeordnet sind, b) Festspannen eines Klemmabschnitts (12) des ersten Schenkels (7) in einer ersten Klemmvorrichtung (A) sowie Festspannen eines Klemmabschnitts (12') des zweiten Schenkels (8) in einer zweiten Klemmvorrichtung (B), wobei diese beiden Klemmabschnitte (12, 12') nahe zu dem Verbindungsschenkel (9) ausgebildet sind, c) Festhalten der beiden zueinander parallelen Schenkel (7, 8) an deren jeweiligen Einklemmort und Umbiegen eines Umformabschnitts (11) des ersten Schenkels (7), welcher nahe zu dem Verbindungsschenkels (9) ausgebildet ist, weg aus der gedachten planen Ebene (10) des elektrischen Leiters (6), d) Bewegen des zweiten Schenkels (8) auf einer Kreisbahn (42), deren Mittelpunkt auf der Drehachse (28, 41) des Schwenkarms (21) liegt, wobei diese Drehachse (28, 41) des Schwenkarms (21) parallel zu dem ersten Schenkel (7) des elektrischen Leiters (6) ausgerichtet ist, sowie in Folge der Bewegung des zweiten Schenkels (8) Strecken des Verbindungsschenkels (9) des elektrischen Leiters (9), e) Bewegen eines Abschnitts des Verbindungsschenkels (9) auf einer Führungsfläche (31) eines Verwindungsführungselements (30), wobei zumindest ein Flächenabschnitt (53, 54) dieser Führungsfläche (31) in Bezug zur Drehachse (28, 41) des Schwenkarms (21) radial außerhalb des Einkemmortes des ersten Schenkels (7) angeordnet ist, f) und abschließend Lösen der beiden Klemmvorrichtungen (A, B) zum Freigeben des zu einem hairpin (19) umgeformten elektrischen Leiters (6).
Vorrichtung (1) zur Umformung eines U-förmigen und im Querschnitt eckigen elektrischen Leiters (6) in einen hairpin (19), welcher für die Herstellung einer Stabwicklung einer elektrischen Maschine verwendbar ist, wobei der elektrische Leiter (6) zwei zueinander parallele Schenkel (7, 8) aufweist, die mittels eines Verbindungsschenkels (9) einstückig miteinander verbunden sind, gekennzeichnet durch - ein Vorrichtungsgestell (21), - eine an dem Vorrichtungsgestellt (21) angeordnete, ortsfeste erste Klemmvorrichtung (A), mittels welcher der erste Schenkel (7) am Vorrichtungsgestell (21) festklemmbar ist, - einen um eine Drehachse (28, 41) drehbaren Schwenkarm (21), wobei diese Drehachse (28, 41) parallel zu dem ersten Schenkel (7) des elektrischen Leiters (6) ausgerichtet ist, - eine an dem Schwenkarm (27) angeordnete zweite Klemmvorrichtung (B), mittels welcher der zweite Schenkel (8) am Schwenkarm (27) festklemmbar ist, - und ein Verwindungsführungselement (30), welches an dem Vorrichtungsgestell (21) befestigt ist sowie an seinem zur zweiten Klemmvorrichtung (B) nahen Ende eine Führungsfläche (31) aufweist, - wobei diese Führungsfläche (31) einen dem zweiten Schenkel (8) nahen ersten Flächenabschnitt (53) aufweist, auf den der Radius einer Kreisbahn (42) trifft, auf welcher der zweite Schenkel (8) beim Drehen des Schwenkarms (21) bewegt wird, - und wobei die Führungsfläche (31) einen dem Verbindungsschenkel (9) nahen zweiten Flächenabschnitt (54) aufweist, welcher radial außerhalb der Kreisbahn (42) des zweiten Schenkels (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Klemmvorrichtung (A) eine erste Stellvorrichtung (32) und die zweite Klemmvorrichtung (B) eine dritte Stellvorrichtung (34) aufweisen, deren Stellglieder (35) den ersten Schenkel (7) des elektrischen Leiters (6) direkt oder indirekt gegen eine erste Klemmbasis (22) an dem Vorrichtungsgestell (21) beziehungsweise den zweiten Schenkel (8) gegen eine zweite Klemmbasis (24) an dem Schwenkarm (27) drücken können.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Klemmvorrichtung (A) und/oder an der zweiten Klemmvorrichtung (B) jeweils eine zweite Stellvorrichtung (33, 33') vorhanden ist, mittels welcher der Verbindungsabschnitt (9) des elektrischen Leiters (6) nach dem Einspannen des ersten Schenkels (7) und/oder des zweiten Schenkels (8) aus der gedachten planen Ebene (10) zwischen den beiden parallelen Schenkel (7, 8) weg biegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige freie Ende der Stellglieder (35) der Stellvorrichtungen (33, 34) der beiden Klemmvorrichtungen (A, B) jeweils ein Klemmstück (23, 25) aufweist, die zur festklemmenden Anlage an dem jeweils zugeordneten Schenkel (7, 8) des elektrischen Leiters (6) ausgebildet sind, und dass das Klemmstück (23*) der ersten Klemmvorrichtung (A) an dessen zu dem ersten Schenkel (7) weisenden Seite einen derartigen Absatz (56) aufweist, dass beim Festklemmen des ersten Schenkels (7) an der zugeordneten Klemmbasis (22) zugleich ein Umformabschnitt (11) des ersten Schenkels (7) unter Mitnahme des Verbindungsabschnitts (9) des elektrischen Leiters (6) aus der gedachten planen Ebene (10) zwischen den beiden parallelen Schenkel (7, 8) hin zum Vorrichtungsgestell (21) biegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkarm (27) direkt oder über zumindest einen Hebel (38) mit einem Stellglied einer vierten Stellvorrichtung (36, 36') antriebswirksam verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verwindungsführungselement (30) um eine Schwenkachse (49) sowie hinsichtlich seiner Längserstreckungsrichtung axialverschiebbar an dem Vorrichtungsgestell (21) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verwindungsführungselement (30) mit einem Stellglied (48) einer fünften Stellvorrichtung (47) verbunden ist, mittels der das Verwindungsführungselement (30) um eine Schwenkachse (49) verschwenkbar und/oder hinsichtlich seiner Längserstreckungsrichtung axial verschiebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Vorrichtungsgestellt (21) eine verschwenkbare Einstellscheibe (43) angeordnet ist, welche als Anschlag für den Verbindungsabschnitt (9) bei einem manuellen Einspannen der beiden zueinander parallelen Schenkel (7, 8) des elektrischen Leiters (6) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellscheibe (43) mit einem Stellglied (52) einer sechsten Stellvorrichtung (51) verbunden ist, mittels der die Einstellscheibe (43) um eine Schwenkachse (44) derart verschwenkbar ist, dass diese unmittelbar über die korrekte Position des Verbindungsabschnitts (9) des elektrischen Leiters (6) vor dem Einspannen desselben schwenkbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (41) des Schwenkarmes (27) beziehungsweise dessen Schwenklager örtlich verstellbar am Vorrichtungsgestell (21) angeordnet ist, wobei der Verstellbereich durch ein Koordinatensystem mit zwei senkrecht zueinander ausgerichteten geometrischen Achsen (x, y) definiert ist, welche senkrecht zur Längsachse des ortsfest eingeklemmten ersten Schenkels (7) des U-förmigen Drahtes (6) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der erwähnten Stellvorrichtungen (32, 33, 34, 36, 36', 47, 51) als elektrische Schrittmotoren ausgebildet sind, welche über Steuerungsleitungen mit einer Steuerungsvorrichtung (60) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der erwähnten Stellvorrichtungen (32, 33, 34, 36, 36', 47, 51) als druckmittelbetriebene Aktuatoren ausgebildet sind, deren Steuerungsventile über Steuerungsleitungen mit einer Steuerungsvorrichtung verbunden sind.