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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau bzw. zur Herstellung einer Spule, ein Bauteil, insbesondere einen Rotor einer elektrischen Maschine sowie eine Verwendung des Verfahrens.
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Rotoren bzw. Statoren der in Rede stehende Art weisen Stator- bzw. Rotornuten auf, in welche beispielsweise (Lack-)Draht zur Leitung elektrischen Stromes eingelegt bzw. gewickelt wird. Hierbei wird, um einen hohen Füllgrad zu erreichen, eine entsprechend enge Wicklung angestrebt. Dabei entstehen sehr kleine Zwischenräume zwischen den einzelnen Drähten in der Wicklung bzw. zwischen Nutgrund-/Wand und den Drähten. Durch das enge Aneinanderliegen der Drähte in der Wicklung bzw. im Drahtbündel ist eine vollständige Befüllung der Zwischenräume bzw. der Zwickel- und Leerräume im Drahtbündel bzw. innerhalb der Wicklung mit einem Verguss- oder Verspritzungsmaterial, welches zum Imprägnieren der Spule sowie zur Verbesserung der mechanischen und thermischen Eigenschaften verwendet wird, schwierig. Die Fließwege zwischen den Drähten, wenn überhaupt vorhanden, sind sehr eng. Genau diese vollständige Befüllung bzw. Einbettung ist aber notwendig, um eine dauerhafte Fixierung der Drähte zu gewährleisten. Auch für die elektrische Isolierung der Drähte untereinander bzw. für das Wärmemanagement der elektrischen Maschine ist das möglichst vollständige Füllen etwaiger Zwischenräume zwischen den Drähten bzw. auch relativ zur umgebenden Rotornut bzw. Statornut unabdingbar.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Aufbau einer Spule sowie ein elektrisches Bauteil und eine Verwendung des Verfahrens anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen und eine schnelle Fertigung ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch ein elektrisches Bauteil gemäß Anspruch 10 sowie durch eine Verwendung gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Aufbau bzw. zur Herstellung einer Spule die Schritte:
- - Bereitstellen zumindest eines Stromleiters, insbesondere eines Lackdrahtes, sowie eines Spulenkerns;
- - Umwickeln des Spulenkerns mit dem zumindest einen Stromleiter zum Formen zumindest einer Wicklung;
- - Aufbringen eines ersten Materials auf den zumindest einen Stromleiter und/oder die zumindest eine Wicklung vor und/oder während des Wickelns, wobei das erste Material während des Wickelns nicht oder zumindest nicht vollständig ausgehärtet ist.
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Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem ersten Material um ein Vergussmaterial, insbesondere zum Imprägnieren, elektrischen Isolieren und zum Verfestigen der Wicklung bzw. der Wicklungen. Dadurch dass das Vergussmaterial während des Wickelns nicht oder zumindest noch nicht vollständig ausgehärtet ist, können beim Wickeln entstehende Zwischen- bzw. Leerräume zwischen den aneinander anliegenden Stromleiterabschnitten, beispielsweise durch ein Fließen und/oder Verformen des Vergussmaterials, in optimaler Weise gefüllt/geschlossen werden. Insbesondere bewirkt der beim Wickeln aufgebrachte Druck auf den Stromleiter bzw. auf die durch den Stromleiter bzw. den zumindest einen Stromleiter gebildete Wicklung ein Verformen des noch nicht ausgehärteten Vergussmaterials, sodass auch dadurch etwaige Zwischen- oder Leerräume optimal geschlossen werden können.
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Hierbei ist es möglich, dass das erste Material auf den zumindest einen Stromleiter aufgebracht wird, noch bevor dieser (auf den Spulenkörper bzw. etwaige bereits vorhandene Windungslagen) gewickelt wird. Alternativ und/oder zusätzlich kann das erste Material auch während des Wickelns auf den zumindest einen Stromleiter und/oder die Wicklung bzw. etwaige bereits vorhandene Windungslagen aufgebracht werden, mit anderen Worten im Wesentlichen direkt auf die durch den Stromleiter gebildete Wicklung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Spulenkörper ein Rotor einer elektrischen Maschine bzw. wird durch diesen gebildet. Bevorzugt ist die elektrische Maschine eine stromerregte Synchronmaschine. Ein derartiger Rotor umfasst eine Vielzahl umfänglich angeordneter Rotorzähne und Rotornuten und erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Rotationsachse.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen des ersten Materials durch ein Sprühverfahren, insbesondere während des Wickelns.
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Zweckmäßigerweise sind hierzu gemäß einer Ausführungsform um, z. B. umfänglich, und/oder entlang des Spulenkörpers oder der vorgenannten Rotationsachse beispielsweise mehrere Spritz- oder Sprühdüsen angeordnet, welche ausgelegt sind, das erste Material im flüssigen, pastösen oder zähflüssigen Zustand auf den Stromleiter bzw. die Wicklung und/oder auch den Spulenkörper aufzubringen. Hierbei kann der Spulenkörper gemäß einer Ausführungsform auch bewegt, z. B. gedreht oder rotiert werden, um einen möglichst gleichmäßigen Auftrag zu ermöglichen. Alternativ können die Spritz- bzw. Sprühdüsen auch beweglich bzw. verlagerbar angeordnet werden bzw. sein.
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Alternativ und/oder zusätzlich umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen des ersten Materials durch ein Tauch- und/oder Benetzungsverfahren, insbesondere vor dem Wickeln.
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Beispielsweise wird der Stromleiter durch ein Tauchbecken gezogen, wobei er mit dem ersten Material benetzt wird. Der so vorbereitete bzw. vorimprägnierte Stromleiter wird dann um den Spulenkörper gewickelt. Dabei ist das erste Material zweckmäßigerweise zunächst, insbesondere beim Berühren oder Anlegen an die, beispielsweise, Rotornut bzw. an die bereits vorhandenen Wicklungen/Windungen von Stromleiter(n) oder Windungslagen nicht oder zumindest noch nicht vollständig ausgehärtet.
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Hinsichtlich der Wickeltechnik bzw. des Wicklungsaufbaus bzw. des Wickelverfahrens sind vorliegend keine Grenzen gesetzt, vgl. z. B. die wilde Wicklung, die schraubenförmige und/oder die orthozyklische Wicklung bzw. die Linear-, Flyer-, Nadel- und/oder Ringerkernwickeltechnik, um nur die Bekanntesten zu nennen.
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Zweckmäßigerweise ist das erste Material ein Vergussmaterial, insbesondere beispielsweise ein Material bzw. ein Kunststoff, der vor dem Wickeln nicht oder zumindest nicht vollständig vernetzt ist. Zweckmäßigerweise ist dadurch das erste Material während des Wickelns zumindest teil- bzw. bereichsweise noch weich, wodurch die vorgenannten Vorteile erreicht werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Vergussmaterial Füllstoffe, beispielsweise faserförmige Füllstoffe, Glasfaserstücke, Glas- und/oder Keramikkugeln. Zweckmäßigerweise sind die Füllstoffe aus elektrischen Nichtleitern gebildet. Die Füllstoffe erhöhen zweckmäßigerweise die mechanische Festigkeit der gesamten Struktur im Endzustand bzw. im ausgehärteten Zustand.
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Bei dem Stromleiter handelt es sich insbesondere um Lackdraht, also einen Draht, mit beispielsweise einem Kupferdraht als Drahtkern, welcher mit einer Lack- bzw. Isolierschicht umgeben ist. Diese Lackschicht ist fest und hat eine konstante Dicke bzw. Stärke, beispielsweise in einem Bereich von etwa 10 bis 60 µm, mit minimaler Toleranz, sodass in der Wicklung die benachbarten Drähte eng aneinander liegen, damit ein hoher Füllgrad an Kupfer in der Nut erreicht werden kann. Die hierbei entstehenden sehr kleinen Zwischen- bzw. Leerräume zwischen den benachbarten Drähten können durch das Verfahren mit Vorteil geschlossen werden. Der Stromleiter kann alternativ einen Drahtkern aus Aluminium umfassen, mit anderen Worten kann also ein Aluminiumstromleiter verwendet werden. Weiter alternativ kann der Stromleiter als CNT-Stromleiter ausgebildet sein (Carbon Nanotube).
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Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Material insbesondere ein Polymerwerkstoff, insbesondere ein Duroplast.
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Wie bereits erwähnt, ist der Spulenkern durch einen Rotor oder Stator einer elektrischen Maschine gebildet, wobei der Rotor bzw. Stator jeweils eine Vielzahl von Rotor- bzw. Statornuten aufweist, um welche der oder die Stromleiter gewickelt sind.
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Mit Vorteil können in den Rotor- bzw. Statornuten bessere Füllgrade mit dem ersten Material bzw. dem Vergussmaterial erreicht werden, wodurch eine bessere Wärmeableitung der Verlustwärme (bessere Kühlung) sowie eine höhere Festigkeit des Gesamtsystems erzielt werden. Die (elektrische) Isolierung der Stromleiter untereinander ist verbessert, da auch zwischen diesen mehr isolierendes Material vorhanden ist. Die Wicklung bzw. die Stromleiter als solche sind, beispielsweise in den Rotornuten, besser fixiert bzw. eingebettet, wodurch durch Verlagerung von Drähten bei abrupten Drehzahländerungen der Elektromaschine weniger Unwucht entsteht bzw. dieses Verlagern unterdrückt werden kann. Derartige abrupte Drehzahländerungen kommen beispielsweise bei Verwendung von elektrischen Maschinen in Fahrzeugen vor, beispielsweise beim Beschleunigen über nassen Zebrastreifen, nassen Bahngleisen, Eingreifen der Anti-Schlupf-Regelung etc. Durch die geringere Beanspruchung können vorliegend höhere Lebensdauern der Rotorwellenlager erreicht werden. Ermöglicht wird weiter eine längere elektrische Haltbarkeit der Lackdrahtisolierung, da eine Relativbewegung der Lackdrähte/Stromleiter im Drahtbündel bzw. in der Wicklung untereinander unterdrückt wird und die Drähte sich daher nicht mehr gegenseitig aufscheuern können. Die Dicke der Lackschichten beträgt, wie bereits erwähnt, etwa 10-60 µm und ist daher sehr empfindlich. Die tatsächliche Dicke ist per Norm für verschiedene Wärmeklassen geregelt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter den Schritt:
- - Zumindest teilweise Aufbringen eines zweiten Materials auf die Wicklung.
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Zweckmäßigerweise dient das zweite Material der weiteren Verfestigung der gesamten Spule bzw. Wicklung. Mit dem Aufbringen ist gemäß eine Ausführungsform insbesondere ein zumindest bereichsweises Füllen der Rotor- bzw. Statornuten gemeint.
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Zweckmäßigerweise ist das zweite Material ebenfalls ein Vergussmaterial. Gemäß einer Ausführungsform sind das erste und das zweite Material identisch. Mit Vorteil unterscheiden sich allerdings die zugrunde liegenden Verfahren, wie das Material aufgebracht bzw. aufgetragen wird.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen des zweiten Materials durch ein Spritzgussverfahren.
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Zweckmäßigerweise wird der fertig gewickelte Spulenkern, wie beispielsweise der Rotor in entsprechende Werkzeughälften eines Spritzgusswerkzeugs eingelegt, wobei das Spritzgusswerkzeug bzw. die Werkzeughälften derart geformt und ausgelegt sind, dass die Rotornuten mit dem zweiten Material ganz oder zumindest teilweise gefüllt werden können. Gemäß einer Ausführungsform werden in die Rotornuten auch Abstandshalter, beispielsweise in der Form von Keilen oder dergleichen, eingelegt, und beispielsweise mitvergossen. Je nach Ausführungsform werden zum Verschließen der Rotornuten auch entsprechende Nutdeckel verwendet.
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Entscheidend ist, dass vorliegend ein sehr schnelles, insbesondere zweistufiges, Verfahren zum Herstellen bzw. zum Aufbau einer Spule, insbesondere zum Aufbau oder zur Herstellung eines Rotors oder eines Stators einer elektrischen Maschine angegeben wird, welches kurze Produktionstaktzeiten (insbesondere zum Vergießen und Imprägnieren) ermöglicht, die im Bereich weniger Minuten liegen. Bevorzugt handelt es sich bei der elektrischen Maschine um eine stromerregte Synchronmaschine mit einem entsprechend aufgebauten Rotor.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbringen des zweiten Materials nachdem das erste Material zumindest im Wesentlichen ausgehärtet ist.
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Mit anderen Worten ist also die Wicklung bzw. sind die Wicklungen der Spule mit Vorteil vollständig ausgehärtet, sodass beim Aufbringen des zweiten Materials ein ausreichend hoher Druck aufgebracht werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren gerade so geführt, dass das erste Material beim Aufbringen bzw. Auftragen des zweiten Materials zumindest bereichsweise noch nicht vollständig ausgehärtet ist, wodurch der beim Aufbringen des zweiten Materials aufgebrachte Druck dazu verwendet werden kann, etwaige Leer- bzw. Zwischenräume durch Zusammendrücken der Wicklung(en)/Windungen in Kombination mit dem noch weichen ersten Material zu schließen.
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Das nicht vollständige Aushärten kann sich sowohl auf den Stromleiter als solchen beziehen, welcher sowohl entlang seiner Längsrichtung als auch in Bezug auf seine radiale Richtung ggf. noch nicht vollständig ausgehärtet ist. Auch die Wicklung also solche kann nicht vollständig ausgehärtet sein, beispielsweise in Bezug auf eine radiale Richtung, also insbesondere z. B. von innen nach außen.
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Mit Vorteil wirkt das, insbesondere beim Wickeln, noch nicht ausgehärtete bzw. weiche erste Material auch als eine Art Gleitmittel, welche das Wickeln und das vorbeschriebene weitere Komprimieren der Wicklung bzw. Windungen der Stromleiter erleichtert.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Einstellen einer Temperatur des zumindest einen Stromleiters und/oder des Spulenkerns zum Beeinflussen des Aushärtens des ersten Materials.
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Mit Vorteil kann dadurch das Verfahren zeitlich weiter beschleunigt, oder auch gezielt verlangsamt, werden, da beispielsweise durch einen geeigneten Eintrag von Wärme, beispielsweise auch durch Bestromen des Spulenkerns und/oder des Stromleiters die Temperatur so eingestellt werden kann, dass eine gewünschte Aushärtezeit erreicht/eingestellt ist. Ermöglicht wird damit, dass die zuvor beschriebenen zwei Prozessstufen direkt unmittelbar aufeinander oder sogar überlappend ausgeführt werden können. So kann das Einstellen der Temperatur des Spulenkerns bzw. des zumindest einen Stromleiters auch in dem vorgenannten Spritzgusswerkzeug erfolgen, welches mit Vorteil entsprechend konfiguriert/ausgelegt ist. Je nach Verfahrensführung ist damit auch eine gerichtete Erstarrung, insbesondere des ersten Materials, beispielsweise von innen nach außen oder von außen nach innen bzw. entlang der Rotorachse etc. möglich.
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Die Erfindung richtet sich weiter auf ein Bauteil, insbesondere einen Rotor einer elektrischen Maschine, umfassend eine Spule, hergestellt bzw. aufgebaut nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der elektrischen Maschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform um eine stromerregte Synchronmaschine.
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Erfindungsgemäß wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer stromerregten Synchronmaschine verwendet.
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Für das Bauteil sowie für die Verwendung gelten die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile und Merkmale analog und entsprechend sowie umgekehrt und untereinander.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen des Verfahrens bzw. des Bauteils mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Verschiedene Merkmale können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht, welche ein Aufbringen eines ersten Materials auf einen Stromleiter bzw. eine Wicklung zeigt;
- 2: eine skizzenartige Schnittansicht eines Abschnitts eines Rotors einer elektrischen Maschine, dessen Rotornut mit einem zweiten Material gefüllt ist.
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1 zeigt schematisch in einer Schnittdarstellung einen Rotor 50, welcher eine Spule 10 ausbildet bzw. umfasst. Der Rotor 50 stellt einen Spulenkern 40 dar. Zu erkennen sind insbesondere zwei Rotorzähne 56, wobei einer der Rotorzähne bereits mit einem Stromleiter 20, insbesondere einem Lackdraht, zumindest teilweise umwickelt ist, wodurch zumindest teilweise eine erste Windungslage bzw. eine Wicklung 22 oder ein Wicklungsabschnitt 22 gebildet ist. Zwischen den Rotorzähnen 56 erstreckt sich eine Rotornut 52. Mit dem Bezugszeichen 60 ist ein Tauchbecken skizziert, welches dazu vorgesehen bzw. ausgelegt ist, den Stromleiter 20, insbesondere den bereits mit einer Lackschicht versehenen Lackdraht 20, mit einem ersten Material 30 zu beschichten, wobei es sich bei dem ersten Material 30 insbesondere um ein Vergussmaterial bzw. Imprägniermaterial handelt. Zweckmäßigerweise wird das Verfahren dabei derart geführt, dass das Vergussmaterial 30 während des Wickelns, in diesem Fall beispielsweise während des Umwickelns des Rotorzahns 56, nicht oder zumindest nicht vollständig ausgehärtet ist, wodurch etwaige Zwischenräume zwischen den benachbarten Stromleiterabschnitten in der Wicklung 22 durch das noch mögliche Fließen des Vergussmaterials 30 bzw. durch dessen Verformen geschlossen werden können. Mit dem Bezugszeichen 70 ist weiter eine Sprühdüse 70 angedeutet, über welche zusätzlich oder alternativ ein Auftrag des Vergussmaterials 30 erfolgen kann, insbesondere direkt auf die Wicklung 22 oder eine Windungslage.
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2 zeigt in einer teilweisen Schnittdarstellung schematisch einen Ausschnitt eines Spulenkern 40 bzw. eines Rotors 50, umfassend eine Spule 10, wobei insbesondere zwei Rotorzähne 56 zu erkennen sind, welche sich entlang einer hier nicht eingezeichneten Rotationsachse erstrecken und eine Rotornut 52 einschließen. Die Rotornut 52 ist über einen Nutdeckel 54 geschlossen. Erkennbar sind die Windungen eines oder mehrerer Stromleiter 20 um die entsprechenden Rotorzähne 56. Zwischen den Windungen vorhandene Zwischenräume bzw. Leerräume sind durch ein erstes Material 30, bevorzugt im Wesentlichen vollständig, geschlossen. Zwischen Wicklungsabschnitten 22 des Stromleiters 20 (bzw. mehrerer) ist ein zweites Material 32 eingebracht, eingespritzt bzw. angeordnet (schraffiert dargestellt). Das Aufbringen des zweiten Materials 32 ist beispielsweise über ein Spritzgussverfahren erfolgt, während das Aufbringen des ersten Materials 30, wie in der 1 skizziert, erfolgt ist. Bei dem ersten Material 30 sowie bei dem zweiten Material 32 kann es sich um ein identisches Material bzw. den identischen Werkstoff handeln, beispielsweise einen Duroplast, welcher, je nach Anforderungsprofil, noch mit Füllstoffen, wie faserförmigen Füllstoffen, Glasfaserstücken, Glaskugel, Keramikkugeln etc. versehen sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spule
- 20
- Stromleiter
- 22
- Wicklung, Wicklungsabschnitt
- 30
- erstes Material, Vergussmaterial
- 32
- zweites Material
- 40
- Spulenkern
- 50
- Rotor
- 52
- Rotornut
- 54
- Nutdeckel
- 56
- Rotorzahn
- 60
- Tauchbecken
- 70
- Sprühdüse
