DE102017006083A1 - Method and winding machine for automatically producing a coil winding taking into account the wire diameter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Herstellen einer Spulenwicklung für eine elektrische Maschine, wobei ein Drahtführer (20) mit vorgegebenen Bewegungen (B) einen isolierten Wickeldraht (D) auf einem Wickelkörper ablegt und einen füllgradoptimierten Lagenaufbau erzeugt. Um auch bei variierendem Drahtdurchmesser einen möglichst hohen Füllgrad zu erreichen ist vorgesehen, dass während des Wickelvorgangs der Drahtdurchmesser des Wickeldrahts (D) kontinuierlich erfasst und bei Veränderung des Drahtdurchmessers die Bewegungen (B) des Drahtführers angepasst werden (B').
Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung dieses Verfahrens beschaffene Wickelmaschine (10), insbesondere eine Nadelwickel-, Linearwickel- oder Flyerwickelmaschine.
The invention further relates to a winding machine (10) designed for carrying out this method, in particular a needle winder, linear winder or flyer winding machine.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Wickelmaschine zum automatisierten Herstellen einer Spulenwicklung für eine elektrische Maschine.The invention relates to a method and a winding machine for the automated production of a coil winding for an electrical machine.
Beim Herstellen einer Spulenwicklung werden aus einem isolierten Wickeldraht (zumeist Kupferdraht) eine Vielzahl von Windungen auf ein zu bewickelndes Bauteil (Wickelkörper bzw. Wicklungsträger) aufgebracht, wobei die Windungen in mehreren Lagen angeordnet werden und einen sogenannten Lagen- bzw. Wickelaufbau bilden. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Techniken zum automatisierten Herstellen einer Spulenwicklung bekannt, wie z. B. die Nadelwickeltechnik, die Linearwickeltechnik und die Flyerwickeltechnik, bei denen der Wickeldraht mithilfe eines Drahtführers, bspw. einer Düse, auf dem Wickelkörper abgelegt wird. Die Bewegungen des Drahtführers werden im Voraus bestimmt und dann von der Wickelmaschine bzw. -anlage umgesetzt.When producing a coil winding, a plurality of turns are applied to a component to be wound (wound body or winding carrier) from an insulated winding wire (usually copper wire), wherein the windings are arranged in several layers and form a so-called layer or winding structure. From the prior art, various techniques for the automated production of a coil winding are known, such as. As the needle winding technology, the linear winding technology and the flyer winding technology, in which the winding wire using a wire guide, eg. A nozzle, is stored on the winding body. The movements of the wire guide are determined in advance and then implemented by the winding machine or plant.
Ein wichtiger Parameter ist der beim Bewickeln erreichte Füllgrad (Kupferfüllgrad) bzw. Füllfaktor. Der Füllgrad gibt bekanntermaßen das Verhältnis an, zwischen der Summe der Leiterquerschnitte (Kupferleiterquerschnitte) aller Windungen (exklusive der Drahtisolation) zu dem zur Verfügung stehenden Wickelraum (bspw. einer Nut). Je höher der Füllgrad, desto kleiner sind die geometrischen Abmessungen der Spule und desto höher sind die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad.An important parameter is the fill level (copper fill level) or fill factor achieved during winding. As is known, the degree of filling indicates the ratio between the sum of the conductor cross sections (copper conductor cross sections) of all windings (excluding the wire insulation) to the available winding space (for example a groove). The higher the fill level, the smaller the geometric dimensions of the coil and the higher the power density and efficiency.
Um einen besonders hohen Füllgrad zu erreichen wird in der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatisierten Herstellen einer Spulenwicklung mit hohem Füllgrad anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder nur vermindert aufweisen.The invention has for its object to provide a method and apparatus for automated production of a coil winding with a high degree of filling, which have at least one associated with the prior art disadvantage or only reduced.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine erfindungsgemäße Wickelmaschine (Vorrichtung) mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und der Zeichnung.The object is achieved by an inventive method with the features of claim 1 and by a winding machine according to the invention (device) with the features of the independent claim. Preferred developments and embodiments of the invention will become apparent for both subject invention from the dependent claims, the following description of the invention and the drawings.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren legt (wenigstens) ein Drahtführer mit vorgegebenen Bewegungen einen isolierten Wickeldraht auf dem Wickelkörper ab und erzeugt einen füllgradoptimierten Lagenaufbau, wobei während des Wickelvorgangs der Drahtdurchmesser des Wickeldrahts kontinuierlich erfasst und bei Veränderung des Drahtdurchmessers die Bewegungen des Drahtführers angepasst werden, um auch bei variierendem Drahtdurchmesser einen möglichst hohen Füllgrad zu erreichen.In the method according to the invention defines (at least) a wire guide with predetermined movements of an insulated winding wire on the winding body and generates a degree of filling optimized layer structure, during the winding process, the wire diameter of the winding wire continuously detected and adjusted when changing the wire diameter, the movements of the wire guide, even at varying wire diameter to achieve the highest possible degree of filling.
D. h., die Bewegungen des Drahtführers werden abhängig von erfassten Drahtdurchmesserveränderungen so angepasst, dass sich trotz variablem bzw. veränderlichem Drahtdurchmesser ein Lagenaufbau mit möglichst hohem Füllgrad, insbesondere mit höchstmöglichem Füllgrad, ergibt.D. h., The movements of the wire guide are adjusted depending on detected wire diameter changes so that despite variable or variable wire diameter, a layer structure with the highest possible degree of filling, in particular with the highest possible degree of filling results.
Bevorzugt weist der verwendete Wickeldraht einen runden und insbesondere einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf.Preferably, the winding wire used has a round and in particular a substantially circular cross-section.
Bevorzugt wird abhängig vom Wickelkörper ein optimaler Lagenaufbau vorausbestimmt, insbesondere vorausberechnet, um einen möglichst hohen Füllgrad zu erreichen. Dies kann z. B. eine orthozyklische Wicklung sein. Anhand dieses Lagenaufbaus (bzw. eines damit einhergehenden Ablegemusters bzw. Schemas) wird dann ein Wickelprogramm erstellt.Preferably, depending on the winding body, an optimal layer structure is predetermined, in particular predicted, in order to achieve the highest possible degree of filling. This can be z. B. be an orthocyclic winding. Based on this layer structure (or an associated Ablegemusters or schemes) then a winding program is created.
Zum Bewickeln des Wickelkörpers wird von der Wickelmaschine typischerweise ein vorher erstelltes Wickelprogramm ausgeführt. Die Bewegungen des Drahtführers beruhen dabei auf vorgegebenen (bspw. im Wickelprogramm enthaltenen oder von der Maschinensteuerung berechneten) Bewegungsbahnen (Trajektorien). Einerseits durch Herstellungstoleranzen des Wickeldrahts und dessen ummantelnde Isolation (bspw. ein Isolierlack oder Isolierpapier) und andererseits durch Produktionseinflüsse beim Wickeln (z. B. variierende Drahtzugkräfte und Umformprozesse beim Umlenken des Wickeldrahts um Rollen, die unterschiedliche plastische Deformationen des Drahts verursachen) kann sich der Drahtdurchmesser während des Wickelvorgangs mitunter stark verändern. Dies führt dann dazu, dass die abgelegten Windungen unterschiedliche Drahtdicken bzw. -durchmesser aufweisen. Vor allem bei höheren Windungszahlen werden die Durchmessertoleranzen dann aufsummiert, sodass z. B. Leerstellen im Wicklungsaufbau entstehen oder Windungen im Randbereich des Wicklungsaufbaus abrutschen. Ein genauer Lagenaufbau ist somit nicht möglich.To wind the bobbin typically a previously created winding program is performed by the winding machine. The movements of the wire guide are based on predetermined (eg in the winding program contained or calculated by the machine control) trajectories. On the one hand by manufacturing tolerances of the winding wire and its sheathing insulation (eg an insulating or insulating paper) and on the other hand by production effects during winding (eg varying wire tensile forces and forming processes when deflecting the winding wire around rollers that cause different plastic deformation of the wire), the Change the wire diameter during the winding process from time to time. This then leads to the deposited turns having different wire thicknesses or diameters. Especially at higher numbers of turns, the diameter tolerances are then summed up, so z. B. voids in the winding structure arise or slippage windings in the edge region of the winding structure. An exact layer structure is therefore not possible.
Erfindungsgemäß wird jedoch während des Wickelvorgangs der Drahtdurchmesser kontinuierlich (d. h. nicht nur stellen- oder zeitweise, sondern stetig) erfasst, sodass bei Durchmesserveränderungen dynamisch und flexibel der laufende Wickelvorgang derart abgeändert werden kann, dass trotzdem ein zwar veränderter aber dennoch definierter (d. h. sich nicht zufällig ergebender) Lagen- bzw. Wickelaufbau mit hohem Füllgrad erreicht wird. Dies geschieht insbesondere mithilfe eines Algorithmus, der die Bewegungsbahnen bzw. -kurven (Trajektorien) des Drahtführers z. B. durch Neuberechnung, insbesondere unter Berücksichtigung des aktuellen Drahtdurchmessers, anpasst. Dadurch kann trotz inkonstantem Wickeldrahtdurchmesser z. B. eine orthozyklische Wicklung oder zumindest näherungsweise eine orthozyklische Wicklung hergestellt werden.According to the invention, however, during the winding process, the wire diameter recorded continuously (ie not only time or time, but steadily), so that changes in diameter dynamic and flexible the ongoing winding process can be changed so that nevertheless a modified but still defined (ie not randomly resulting) layer or winding structure with high filling level is achieved. This is done in particular by means of an algorithm, the trajectories or trajectories of the wire guide z. B. by recalculation, in particular taking into account the current wire diameter, adapts. As a result, in spite of inconsistent winding wire diameter z. B. an orthocyclic winding or at least approximately an orthocyclic winding can be produced.
Der Drahtdurchmesser des Wickeldrahts (einschließlich Isolierung) kann sensorisch erfasst und insbesondere quantitativ gemessen werden. Insbesondere kann hierzu ein optischer Sensor verwendet werden. Bevorzugt wird der Drahtdurchmesser beim Einzug des Wickeldrahts in den Drahtführer, der insbesondere als Drahtführerdüse ausgebildet ist, erfasst bzw. gemessen. Die Erfassung bzw. Messung erfolgt damit relativ nahe am Ablegeort. Alternativ kann der Drahtdurchmesser rechnerisch erfasst werden, insbesondere durch Berechnung (Modellierung) aus anderen Prozessgrößen, indem z. B. auftretende Zugkräfte berechnet und in eine entsprechende Drahtverjüngung umgerechnet werden.The wire diameter of the winding wire (including insulation) can be detected by sensors and measured in particular quantitatively. In particular, an optical sensor can be used for this purpose. Preferably, the wire diameter during insertion of the winding wire in the wire guide, which is designed in particular as a wire guide nozzle, detected or measured. The acquisition or measurement is thus relatively close to the place of deposition. Alternatively, the wire diameter can be computationally detected, in particular by calculation (modeling) of other process variables by z. B. occurring tensile forces are calculated and converted into a corresponding wire rejuvenation.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass beim Legen bzw. Ablegen jeder Windung unter Berücksichtigung des dabei erfassten Drahtdurchmessers die vorgegebene Bewegungsbahn für die Ablage der nächsten Windung überprüft und gegebenenfalls, d. h. bei einer Drahtdurchmesserveränderung, angepasst wird. Insbesondere werden für jede nächste Windung die optimalen Orte für die Ablage des Wickeldrahts bestimmt und daraus die optimale Bewegungsbahn (Trajektorie) für den Drahtführer berechnet (mithilfe eines Algorithmus bzw. Bahnplänungsalgorithmus), welche dann von der Wickelmaschine bzw. Wickelanlage umgesetzt wird.It is preferably provided that when laying or depositing each turn, taking into account the wire diameter detected thereby, the predetermined trajectory for the deposition of the next turn is checked and optionally, d. H. at a wire diameter change, is adjusted. In particular, for each next turn, the optimal locations for the take-up of the reel wire are determined and from this the optimum trajectory for the wire guide is calculated (using an algorithm or web plotting algorithm), which is then converted by the coiler.
Ferner kann vorgesehen sein, dass während des Wickelvorgangs auch die bereits abgelegten bzw. gewickelten Windungen erfasst und bei der Anpassung berücksichtigt werden. Insbesondere können die Eigenschaften bzw. die Struktur (z. B. die Lage, Form und/oder Oberfläche) der bereits abgelegten Windungen erfasst werden. Die abgelegten Windungen können sensorisch, z. B. mittels Kamera, erfasst werden. Dadurch kann dynamisch und flexibel während des Wickelvorgangs auf etwaige Unregelmäßigkeiten bzw. Abweichungen im Lagen- bzw. Wickelaufbau reagiert werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Eigenschaften bzw. die Struktur der bereits abgelegten bzw. gewickelten Windungen durch Berechnung (Modellierung) aus den dafür verwendeten Bewegungsbahnen ermittelt werden.Furthermore, it can be provided that during the winding process, the already deposited or wound turns are detected and taken into account in the adjustment. In particular, the properties or the structure (eg the position, shape and / or surface) of the already deposited turns can be detected. The stored turns can be sensory, z. B. by camera, are detected. This can be reacted dynamically and flexibly during the winding process to any irregularities or deviations in the layer or winding structure. Alternatively it can be provided that the properties or the structure of the already deposited or wound turns are determined by calculation (modeling) from the motion paths used for this purpose.
Die erfindungsgemäße Wickelmaschine umfasst:
- - eine Aufnahme für den Wickelkörper;
- - wenigstens einen ansteuerbar beweglichen Drahtführer, der sich zum Ablegen eines isolierten Wickeldrahts relativ zur Aufnahme bewegen und dadurch auf dem Wickelkörper einen Lagenaufbau erzeugen kann;
- - eine Erfassungseinrichtung, insbesondere eine Messeinrichtung, mit der kontinuierlich der Drahtdurchmesser des Wickeldrahts erfasst und insbesondere gemessen werden kann;
- - eine Steuereinrichtung (Maschinensteuerung), welche, insbesondere mit einem vorher erstellten Wickelprogramm, die Bewegungen des Drahtführers steuert und die (während des Wickelvorgangs), insbesondere mithilfe eines geeigneten Algorithmus, bei Veränderungen des durch die Erfassungseinrichtung erfassten Drahtdurchmessers die Bewegungen des
- - A receptacle for the winding body;
- - At least one controllable movable wire guide, which move for laying an insulated winding wire relative to the recording and thereby can produce a layer structure on the winding body;
- a detection device, in particular a measuring device, with which the wire diameter of the winding wire can be continuously detected and, in particular, measured;
- a control device (machine control) which, in particular with a previously created winding program, controls the movements of the wire guide and which (during the winding process), in particular with the aid of a suitable algorithm, changes the movements of the wire diameter detected by the detection device
Drahtführers anpasst, um (trotz variierendem Drahtdurchmesser) einen möglichst hohen Füllgrad zu erreichen.Adjusts wire guide to (as a varying wire diameter) to achieve the highest possible degree of filling.
Die Erfassungseinrichtung kann auch ein Bestandteil der Steuereinrichtung sein, falls der Drahtdurchmesser rechnerisch erfasst wird, wie oben beschrieben.The detection device may also be a component of the control device, if the wire diameter is computationally detected, as described above.
Die erfindungsgemäße Wickelmaschine kann ferner Mittel aufweisen, wie z. B. wenigstens eine Kamera, mit denen während des Wickelvorgangs kontinuierlich die bereits abgelegten bzw. gewickelten Windungen erfasst werden können. Die Steuereinrichtung ist dann insbesondere so ausgebildet, dass die Eigenschaften (z. B. die Lage, Form und/oder Oberfläche) der bereits abgelegten bzw. gewickelten Windungen beim Anpassen der Bewegungen des Drahtführers mit berücksichtigt werden.The winding machine according to the invention may further comprise means such. B. at least one camera, with which the already stored or wound turns can be detected continuously during the winding process. The control device is then designed in particular in such a way that the properties (eg the position, shape and / or surface) of the already deposited or wound turns are taken into account when adjusting the movements of the wire guide.
Die erfindungsgemäße Wickelmaschine ist insbesondere eine Nadelwickel-, Linearwickel- oder Flyerwickelmaschine bzw. -anlage.The winding machine according to the invention is in particular a needle winding, linear winding or flyer winding machine or installation.
Die Erfindung wird bevorzugt zur Herstellung von elektrischen Maschinen für ein Kraftfahrzeug (z. B. Anlasser, Lichtmaschine, Traktionsmotor und dergleichen) verwendet. Mit der Erfindung können aber auch andere Wicklungen, wie z. B. Transformatorwicklungen, hergestellt werden.The invention is preferably used for the manufacture of electrical machines for a motor vehicle (eg starter, alternator, traction motor and the like). With the invention but other windings, such. B. transformer windings are produced.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in der einzigen Figur der Zeichnung gezeigten oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
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1 veranschaulicht schematisch die erfindungsgemäße Anpassung der Bewegung eines Drahtführers während des Wickelvorgangs.
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1 schematically illustrates the adjustment according to the invention of the movement of a wire guide during the winding process.
Die Figur zeigt Komponenten einer Wickelmaschine
Während des Wickelvorgangs wird mithilfe wenigstens einer Messeinrichtung
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