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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Wicklungen sowie ein Verfahren zum Bearbeiten von Wicklungen.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Möglichkeiten bekannt, Wicklungen eines Elektromotors für einen Rotor oder Stator herzustellen. Bei der Hairpin-Technologie wird beispielsweise ein entsprechender Formdraht zwei- bzw. dreidimensional zu einem Hairpin gebogen und in ein Statorblechpaket eingefügt. Der eigentliche Wickelkopf wird dann durch Verschränken der Hairpins geformt. Hierzu werden die Enden der Hairpins gemäß dem gewünschten Schaltschema beispielsweise gegenläufig verschränkt, auf die richtige Länge geschnitten und anschließend verschweißt, sodass eine durch den Stator verlaufende Spule entsteht. Problematisch hierbei ist, dass eine Prototypen- bzw. Kleinserienfertigung nur schwer möglich ist, da insbesondere das Verschränken, aber auch das Ablängen, der Hairpins von Hand, insbesondere aufgrund der Dicke und Festigkeit der Hairpins, sehr aufwendig sind.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Wicklungen sowie ein Verfahren zum Bearbeiten von Wicklungen anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen und eine schnelle und unkomplizierte Herstellung von Wicklungen, insbesondere in der Hairpin-Technologie, ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Wicklungen von elektrischen Maschinen, insbesondere zum Biegen von Formstabwicklungen, einen Werkzeugkopf, welcher um eine Drehachse drehbar angeordnet ist, wobei der Werkzeugkopf einen Führungsbereich für ein Leiterelement aufweist, welcher sich entlang der Drehachse erstreckt und mit einem Abstand zu dieser angeordnet ist, und wobei der Führungsbereich sowohl um die Drehachse als auch entlang der Drehachse verlagerbar ist, zum Biegen, Umformen bzw. Verschränken des Leiterelements. Bevorzugt handelt es sich bei dem Leiterelement um einen Formstab oder Hairpin für einen Stator einer elektrischen Maschine, welcher in ein Statorblechpaket eingesetzt ist bzw. wird. Im Anschluss an das Einsetzen erfolgt das vorgenannte Biegen, Umformen bzw. Verschränken. Hierzu wird mit Vorteil der Führungsbereich auf den Endabschnitt des entsprechenden Hairpins bzw. Leiterelements gesteckt bzw. übergestülpt. Durch die überlagerte Bewegung entlang und um die Drehachse kann sozusagen eine Parallelverschiebung des Endabschnitts, bezogen auf eine Längsachse des Stators bzw. bezogen auf die Drehachse, erreicht werden, welche derart gestaltet ist, dass der durch den Führungsbereich gehaltene Endabschnitt des Leiterelements auch nach dem Biegen bzw. Verschränken entlang der Drehachse orientiert ist bzw. parallel zu dieser verläuft. Ermöglicht wird damit ein sequentielles Bearbeiten einer Vielzahl von Leiterelementen bzw. Hairpins.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Führungsbereich als Hohlraum ausgebildet, welcher sich entlang der Drehachse erstreckt. Der Hohlraum ist zweckmäßigerweise dazu vorgesehen, den Endabschnitt des Leiterelements bzw. der Leiterelemente, insbesondere formschlüssig, aufzunehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine Innengeometrie des Führungsbereichs bzw. des vorgenannten Hohlraums auf einen Außenquerschnitt des Leiterelements bzw. dessen Endabschnitt, abgestimmt. Dabei ist der Ausdruck „abgestimmt“ insbesondere dahingehend zu verstehen, dass eine formschlüssige Anordnung ermöglicht wird, welche sicherstellt, dass beim Verschränken bzw. Biegen des Leiterelements kein Verdrehen oder Verdrillen des Leiterelements erfolgt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Führungsbereich entlang der Drehachse gesehen einen Anschlag für das Leiterelement auf. Der Anschlag erstreckt sich beispielsweise quer bzw. im Wesentlichen quer zur Drehachse. Durch den Anschlag ist sozusagen einstellbar, wie weit der Endabschnitt des Leiterelements in den Führungsbereich hineinragt. Gemäß einer Ausführungsform ist der Anschlag entlang der Drehachse verstellbar ausgebildet, wodurch letztlich die Länge des Führungsbereichs variabel und anpassbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Innenquerschnitt des Hohlraums des Führungsbereichs rechteckig ausgebildet. Zweckmäßigerweise weisen die Hairpins ebenfalls eine entsprechende rechteckige Querschnittsform auf. Dabei erfolgt die Anordnung der Hairpins im Statorblechpaket derart, dass die Hairpins bzw. die Endabschnitte der Hairpins über ihre kurze Seite verbogen bzw. verschränkt werden müssen, was den Prozess grundsätzlich deutlich erschwert. Durch die Vorrichtung und die Anordnung des Endabschnitts im Führungsbereich kann das Biegen bzw. Verschränken aber durch die Führung des Werkzeugkopfes entlang und um die Drehachse sicher, mit geringem Kraftaufwand und vor allem wiederholgenau, insbesondere auch von Hand, durchgeführt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand des Führungsbereichs zur Drehachse veränderbar, insbesondere einstellbar, ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist der Führungsbereich über eine Spindel in dem Werkzeugkopf gelagert, wobei durch die Selbsthemmung der Spindel beispielsweise sehr einfach eine Arretierung des Führungsbereichs erfolgen kann. Der veränderbare Abstand des Führungsbereichs hat insbesondere den Vorteil, dass sehr schnell und einfach ein lagenweises Verschränken einer Vielzahl von Hairpins möglich ist, beispielsweise, bezogen auf eine Längsachse des Stators, von innen nach außen.
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Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung ein Säulenelement auf, welches sich entlang der Drehachse erstreckt.
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Zweckmäßigerweise ist der Werkzeugkopf über ein Nadellager drehbar um die Drehachse bzw. an dem Säulenelement gelagert. Das Nadellager ermöglicht eine Bewegung des Werkzeugkopfes auf dem Säulenelement entlang und um die Drehachse und stellt eine sichere Führung des Werkzeugkopfes bzw. des Führungsbereichs sicher.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Sockelabschnitt, welcher beispielsweise becherförmig ausgebildet sein kann, wobei die Becherform insbesondere zum Anordnen des Stators, insbesondere des Blechpakets des Stators, dient. Zweckmäßigerweise umfasst die Vorrichtung auch einen zylindrischen Abschnitt, entlang bzw. auf welchem der Stator (umfänglich) angeordnet, insbesondere aufgeschoben oder aufgesetzt, wird. Mit anderen Worten kann der zu bearbeitende Stator auf den zylindrischen Abschnitt aufgesetzt und auf dem Sockelabschnitt abgestellt werden. Hierzu kann beispielsweise das vorgenannten Säulenelement oder auch lediglich nur der Werkzeugkopf abgenommen werden.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Vorrichtung ein Tischelement, welches zur umfänglichen Anordnung auf dem Stator der elektrischen Maschine ausgelegt ist.
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Zweckmäßigerweise sind am Tischelement Halteelemente vorgesehen, welche zur axialen Anordnung des Tischelements auf dem Stator ausgelegt sind. Bevorzugt sind die Halteelemente radial zur Drehachse verstellbar ausgebildet, sodass eine Anpassung des Tischelements an unterschiedlich große Bauteile, insbesondere Statoren, ermöglicht wird. Über die Halteelemente kann das Tischelement einfach auf beispielsweise dem Stator abgelegt werden.
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Zweckmäßigerweise ist das Tischelement zweiteilig ausgebildet, wobei ein Abstand der beiden Teile zueinander quer zur Drehachse einstellbar ist. Zweckmäßigerweise ist das Tischelement dadurch an unterschiedliche Stator-Durchmesser anpassbar. Insbesondere kann durch diese Ausgestaltung auch eine Arretierung des Tischelements am Stator bzw. an einer Außenseite des Statorblechpakets erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist im Bereich des Tischelements bzw. auf dem Tischelement, ein, insbesondere verstellbarer, Gegenhalter vorgesehen, zum, insbesondere umfänglichen, Fixieren zumindest eines Leiterelements während des Biegens oder Verschränkens. Zweckmäßigerweise ist der Gegenhalter radial beweglich, wodurch er an eine gewünschte Position gefahren werden kann. Alternativ ist es auch möglich, beim Verschränken entsprechende Keile einzusetzen, welche die Hairpins bzw. Formstäbe, insbesondere im Bereich des Nutausgangs aus dem Statorblechpaket fixieren bzw. halten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zumindest einen Handgriff zum Bewegen des Werkzeugkopfes. Insbesondere ist die Vorrichtung dahingehend ausgebildet, von Hand, beispielsweise von einem Monteur, bedient zu werden. Alternativ kann die Ausführung auch dahingehend gestaltet sein, dass die Bedienung beispielsweise maschinell, mittels einer Roboterhand oder eines Roboterarms, erfolgt. Daneben kann die Vorrichtung auch elektrifiziert und mit Motoren versehen sein, welche die beiden Bewegungen des Werkzeugkopfes entlang und um die Drehachse zu bewirken.
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Zweckmäßigerweise ist zum Abschneiden bzw. Ablängen der verschränkten Hairpins ein Schneidwerkzeug vorgesehen, welches ein Schneidelement sowie einen ersten und zweiten Gegenhalter umfasst, welche dem Schneidelement gegenüberliegend angeordnet sind. Das Wirkprinzip ist dem Keilschneiden nachempfunden. Der erste und der zweite Gegenhalter sind dabei derart ausgebildet, dass sie einen Anordnungsraum bzw. Spalt bilden, durch welchen mehrere Endabschnitte von Hairpins, beispielsweise zwei, hindurchgesteckt werden können. Hierbei erfolgt beim Durchstecken eine Ausrichtung der mehreren Leiter, da die Größe des Anordnungsraums bzw. Spalts an die Querschnittsform des Leiterelements bzw. der Leiterelemente angepasst ist. Zweckmäßigerweise sind der erste und der zweite Gegenhalter auch derart zueinander beweglich, dass zum einen die Größe des Anordnungsraums bzw. Spalts einstellbar ist, und zum anderen durch die Relativbewegung des ersten und zweiten Gegenhalters relativ zueinander ein aktives Ausrichten der, beispielsweise zwei, Hairpins erfolgen kann. Zweckmäßigerweise erfolgt die Anordnung der Hairpins im Schneidwerkzeug derart, dass das Schneidelement auf die längere Seite des in seinem Querschnitt rechteckigen Hairpins wirkt.
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Im Anschluss können die Enden der Hairpins bzw. Leiterelemente leitend verbunden, beispielsweise verschweißt, werden.
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Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Bearbeiten von Wicklungen, insbesondere zum sequentiellen Bearbeiten, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines elektrischen Bauteils, beispielsweise eines Stators, welches eine Drehachse aufweist, und aus welchem zumindest ein Leiterelement herausragt;
- - Fassen eines Endabschnitts des zumindest einen Leiterelements mit einem Werkzeug und Bewegen des Endabschnitts um und entlang der Drehachse zum Biegen bzw. Verschränken des zumindest einen Leiterelements.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Werkzeug die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bearbeiten von Wicklungen.
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Wie bereits angedeutet, ist das elektrische Bauteil bevorzugt ein Stator einer elektrischen Maschine. Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Sequentielles Bearbeiten, insbesondere Biegen, einer Vielzahl von Leiterelementen bzw. Hairpins.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Lagenweises Bearbeiten, insbesondere, bezogen auf die Rotationsachse des Stators, von innen nach außen.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren weiter die Schritte:
- - Paarweises Fixieren, Ablängen und Verschweißen der entsprechenden Hairpins.
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Vorgeschlagen wird damit eine äußerst universelle Vorrichtung bzw. Fertigungsmethode, bei der die Formstäbe im Wickelkopf sequentiell so gebogen bzw. verschränkt werden, dass diese danach optimal, z. B. mittels Laser, verbunden werden können. Durch eine Fixierung des Formstabs am Nutausgang und durch Überstülpen eines Biegefingers in Form eines Führungsbereichs, wird eine Biegung in Form einer Parallelverschiebung ermöglicht. Durch die Bearbeitung nur eines Formstabes wird eine größtmögliche Flexibilität hinsichtlich der Biegung erreicht und gleichzeitig der Änderungsaufwand für Geometrieänderungen minimiert. Insbesondere im Bereich der Kleinserien- und Prototypenfertigung ist dies unabdingbar. Hervorzuheben ist auch das Schneidwerkzeug, welches es erlaubt, auch an schwer zugänglichen Stellen die Formstäbe zu schneiden, wobei durch das Zusammenspiel des Schneidelements mit den beiden Gegenhaltern insbesondere gleichzeitig eine Ausrichtung der Formstäbe erfolgt.
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Die im Zusammenhang mit der Vorrichtung erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend auch für das Verfahren sowie umgekehrt. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Vorrichtung bzw. eines Verfahrens mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Ansicht eines Stators mit einer Formstabwicklung;
- 2: eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Bearbeiten von Wicklungen;
- 3: eine Draufsicht auf ein Tischelement einer Vorrichtung zum Bearbeiten von Wicklungen;
- 4: ein Schneidwerkzeug zum Ablängen von Leiterelementen, insbesondere Hairpins.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Stator 2, welcher eine Rotationsachse R aufweist. Im Blechpaket des Stators 2 sind Leiterelemente bzw. Hairpins 1 angeordnet, wobei insbesondere die Endabschnitte 1' der Leiterelemente 1 bereits verschränkt sind.
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2 zeigt nun eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Wicklungen, welche ausgelegt ist, ein Verschränken von Hairpins bzw. Leiterelementen, wie es bei dem Stator aus 1 zu sehen ist, zu ermöglichen. Die Vorrichtung umfasst hierzu einen zylindrischen Abschnitt 60, auf welchem ein (hier nicht dargestellter) Stator angeordnet werden kann. Zur Aufnahme des Stators ist weiter ein Sockelabschnitt 40 vorgesehen, wobei insbesondere dessen ringförmige Auflagefläche 42 zur Anordnung eines Blechpakets des Stators vorgesehen ist. Dabei ist zwischen der ringförmigen Auflagefläche 42 und dem zylindrischen Abschnitt 60 eine Aussparung für die über den Rand des Blechpakets hinausragenden Hairpins vorgesehen. Der Sockelabschnitt 40, umfassend die Auflagefläche 42, ist hierzu quasi becherförmig ausgebildet. Mit dem Bezugszeichen 50 ist ein Tischelement bezeichnet, welches auf dem Blechpaket des Stators angeordnet werden kann. Hierzu sind Halteelemente 52 vorgesehen, welche in der 3 noch detaillierter beschrieben werden. Vorgesehen ist ein Werkzeugkopf 20, umfassend einen Führungsbereich 22, wobei der Führungsbereich 22 in einem Abstand a zu einer Drehachse D auf bzw. an einem Säulenelement 24 angeordnet ist. Der Werkzeugkopf 20 ist beispielsweise über ein Nadellager auf dem Säulenelement 24 gelagert und damit entlang und um die Drehachse D leichtgängig bewegbar. Insbesondere ist eine Bewegung um und entlang der Drehachse D ermöglicht, durch welche ein Verschränken von Hairpins/Leiterelementen, vgl. die 1, leicht, präzise und ohne großen Kraftaufwand ermöglicht wird. Hierzu wird ein Endabschnitt des Leiterabschnitts im Führungsbereich angeordnet. Durch Verstellung des Abstands a ist ein lagen- bzw. schichtweises Verschränken einer Vielzahl von Leiterelementen möglich.
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3 zeigt in einer Draufsicht das bereits angesprochene Tischelement 50, wobei zu erkennen ist, dass dieses aus zwei Hälften besteht. Indem ein Abstand der beiden Hälften zueinander, beispielsweise, verringert wird, ist es möglich, das Tischelement 50 umfänglich an einem Blechpaket eines Stators zu arretieren. Eine axiale Anordnung bzw. ein axiales Auflegen kann über die Halteelemente 52 erfolgen, welche ihrerseits radial in Bezug auf eine hier nicht eingezeichnete Drehachse verstellbar sind. Mit dem Bezugszeichen 54 ist ein Gegenhalter gezeigt, welcher eine Fixierung der Leiterelemente am Nutausgang, insbesondere beim Verschränken, ermöglicht. Gemäß verschiedenen, hier nicht weiter dargestellten, Ausführungsformen ist es möglich, den Gegenhalter 54 bzw. das Tischelement 50 um die vorgenannte Drehachse zu drehen etc. Alternativ ist es auch möglich, die Fixierung der Formstäbe am Nutausgang durch das Einlegen bzw. Einbringen entsprechender Keile zu bewerkstelligen.
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4 zeigt ein Schneidwerkzeug 70 umfassend ein Schneidelement 72, welches gegenüberliegend zu einem ersten Gegenhalter 73 und einem zweiten Gegenhalter 74 angeordnet ist. Mit dem Bezugszeichen 78 ist eine Lagerachse bezeichnet, über welche das Schneidelement 72 in dem ersten Gegenhalter 73 drehbar gelagert ist, wobei durch Drehung des Schneidelements 72 um die Lagerachse 78 letztendlich ein Abtrennen eines hier nicht dargestellten Leiterelements erfolgen kann. Der zweite Gegenhalter 74 umfasst ebenfalls eine Lagerachse 78, um welche der zweite Gegenhalter 74 verschwenkt werden kann. Dies ist insbesondere dazu vorgesehen, um einen Abstand bzw. Spalt bzw. Anordnungsraum 75 zwischen dem ersten Gegenhalter 73 und dem zweiten Gegenhalter 74 einzustellen, vgl. die rechte Bildhälfte von 4. Der Anordnungsraum 75 bzw. der Spalt ist insbesondere dazu vorgesehen, Leiterelemente 1 bzw. insbesondere deren Endabschnitte 1', wie durch den Pfeil angedeutet, innerhalb des Schneidwerkzeugs 70 anzuordnen, wobei durch die Form bzw. Größe des Anordnungsraums 75 eine Ausrichtung der beiden Leiterelemente 1 in einer erste Richtung erfolgt. Eine Ausrichtung in einer zweite Richtung erfolgt automatisch beim Ablängen durch das Schneidelement 72, sodass durch die Ausgestaltung und Form des Schneidwerkzeugs 70 ein sehr exaktes und präzises Ablängen von mehreren Hairpins ermöglicht wird, wobei diese Exaktheit insbesondere dem späteren Verschweißen zugute kommt. Mit Bezug auf die linke Bildhälfte sei noch erwähnt, dass der mit dem Bezugszeichen F bezeichnete Pfeil eine Kraftrichtung andeutet, entlang derer das Schneidelement 72 bewegt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterelement, Hairpin, Formstab
- 1'
- Endabschnitt
- 2
- Stator
- 20
- Werkzeugkopf
- 22
- Führungsbereich
- 24
- Säulenelement
- 40
- Sockelabschnitt
- 42
- Auflagefläche
- 50
- Tischelement
- 52
- Halteelement
- 54
- Gegenhalter
- 60
- Zylindrischer Abschnitt
- 70
- Schneidwerkzeug
- 72
- Schneidelement
- 73
- erster Gegenhalter
- 74
- zweiter Gegenhalter
- 75
- Anordnungsraum, Spalt
- 78
- Lagerachse
- F
- Kraft
- D
- Drehachse
- R
- Rotationsachse
- a
- Abstand
