DE102017222917A1 - Method for applying an electrical insulation to a magnetically conductive body of a main element of an electrical machine, and electrical machine and a device for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Aufbringen einer elektrischen Isolationsschicht (12) auf einen elektrisch leitfähigen Körper (10) eines Hauptelements (11) einer elektrischen Maschine (61), sowie ein Hauptelement (11), wobei das Hauptelement (11) einen geschlossenen Jochring (24) aufweist, von dem sich radial nach Innen mehrere Zähne (26) zur Aufnahme einer elektrischen Wicklung (40) erstrecken, und zwischen den Zähnen (26) Axialnuten (28) ausgebildet sind, wobei der Körper (10) mit elektrostatisch aufgeladenem Kunststoffpulver (42) besprüht wird, wobei das Kunststoffpulver (42) mittels mindestens einer Düse (46) axial in die Axialnuten (28) eingesprüht wird.Method for applying an electrical insulation layer (12) to an electrically conductive body (10) of a main element (11) of an electrical machine (61), and to a main element (11), the main element (11) having a closed yoke ring (24), from which extend radially inwardly a plurality of teeth (26) for receiving an electrical winding (40), and between the teeth (26) axial grooves (28) are formed, wherein the body (10) with electrostatically charged plastic powder (42) is sprayed in that the plastic powder (42) is sprayed axially into the axial grooves (28) by means of at least one nozzle (46).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer elektrischen Isolierung auf einen magnetisch leitfähigen Körper, sowie eine elektrische Maschine und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method for applying an electrical insulation to a magnetically conductive body, and to an electrical machine and a device for carrying out the method.
Mit der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, haben demgegenüber dem Vorteil, dass durch das axiale Einsprühen des Kunststoffpulvers in die Axialnuten eine größere Öffnung zur Verfügung steht, so dass in kürzerer Zeit mehr Kunststoffpulver an die Innenwände der Axialnuten gelangen kann. Dieses Verfahren ist nun auch davon unabhängig, ob die Axialnuten radial aussen oder radial innen geschlossen ausgebildet sind, da die Axialnuten ausschließlich über das Besprühen an deren beiden axialen Stirnseiten mit Kunststoffpulver beschichtet werden. Durch die größere Öffnung der Axialnuten an deren axialen Stirnseiten kann auch weiterhin die elektrostatische Anziehungskraft für die aufgeladenen Kunststoff-Partikel genutzt werden, da im Gegensatz zum radialen Besprühen durch den schmalen Spalt zwischen zwei Polschuhen bei diesem Verfahren bezüglich der Axialrichtung kein feldfreier Raum innerhalb der Axialnut entsteht. Dies hat den Vorteil, dass in kurzer Zeit eine relativ gleichmäßige Beschichtung mit einer gleichmäßigen Schichtdicke des Kunststoffpulvers an der Innenwand der Axialnut erzeugt werden kann.The method according to the invention and the device according to the invention for carrying out the method with the features of the independent claims have the advantage that a larger opening is available through the axial spraying of the plastic powder into the axial grooves, so that in a shorter time more plastic powder on the inner walls the axial grooves can pass. This method is now also independent of whether the axial grooves are formed radially outward or radially closed inside, since the axial grooves are coated exclusively by the spraying at the two axial ends with plastic powder. Due to the larger opening of the axial grooves on the axial end faces, the electrostatic attraction for the charged plastic particles can continue to be used, as in contrast to the radial spraying through the narrow gap between two pole pieces in this method with respect to the axial direction no field-free space within the axial groove arises. This has the advantage that in a short time a relatively uniform coating can be produced with a uniform layer thickness of the plastic powder on the inner wall of the axial groove.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen vorgegebenen Ausführungen möglich. So kann das erfindungsgemäße Verfahren mit dem axialen Einsprühen des Kunststoffpulvers in die Axialnuten auch dann noch durchgeführt werden, wenn die Axialnuten bezüglich der Umfangsrichtung des zu beschichtenden Hauptelements einen sogenannten Verschränkungswinkel aufweisen. Ein solcher Verschränkungswinkel kann besonders einfach durch das Verdrehen einzelner Blechlamellen des Hauptelements hergestellt werden, wodurch das Rastmoment eines solchen Hauptelements deutlich reduziert wird. Zum Einsprühen des Kunststoffpulvers wird dabei die Sprühachse der mindestens einen Düse näherungsweise in Flucht zu der verschränkten Axialnut ausgerichtet, so dass das Kunststoffpulver nicht genau in Axialrichtung in die Axialnut eingesprüht wird, sondern um den Verschränkungswinkel gegenüber der Axialrichtung geneigt in die Axialnuten eingesprüht wird. Dabei kann der Anstellwinkel der Sprühdüsen in einfacher Weise an den Verschränkungswinkel des Hauptelements angepasst werden.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements of the embodiments specified in the independent claims are possible. Thus, the method according to the invention with the axial spraying of the plastic powder into the axial grooves can still be performed even if the axial grooves have a so-called Verschränkungswinkel with respect to the circumferential direction of the main element to be coated. Such a Verschränkungswinkel can be made particularly simple by twisting individual laminations of the main element, whereby the cogging torque of such a main element is significantly reduced. For spraying the plastic powder while the spray axis of the at least one nozzle is aligned approximately in alignment with the entangled axial groove, so that the plastic powder is not exactly sprayed in the axial direction in the axial groove, but is sprayed inclined to the Verschränkungswinkel relative to the axial direction in the axial grooves. In this case, the angle of attack of the spray nozzles can be easily adapted to the entanglement angle of the main element.
Bevorzugt sind die Sprühdüsen als sogenannte Druckpistolen ausgebildet, mittels derer das Kunststoffpulver sehr zielgenau entlang einer Sprühachse in die Axialnuten eingesprüht werden kann. Solch eine Sprühpistole kann bezüglich der Umfangsrichtung sehr einfach entsprechend dem Verschränkungswinkel gegenüber der Axialrichtung geneigt angeordnet werden, so dass die Sprühachse der Druckpistole mit den geneigten Nutachsen des zu beschichtenden Körpers zusammenfällt. Dabei kann auch der Querschnitt des Sprühstrahls entsprechend dem axialen Abstand zur Axialnut so eingestellt werden, dass sowohl die Innenseite der Axialnuten als auch die axialen Stirnseiten des Körpers zuverlässig mit Kunststoffpulver beschichtet werden.Preferably, the spray nozzles are designed as so-called pressure guns, by means of which the plastic powder can be sprayed very accurately along a spray axis in the axial grooves. Such a spray gun can be easily inclined with respect to the circumferential direction in accordance with the twisting angle with respect to the axial direction, so that the spray axis of the pressure gun coincides with the inclined groove axes of the body to be coated. In this case, the cross section of the spray can be adjusted according to the axial distance from the axial groove so that both the inside of the axial grooves and the axial end faces of the body are reliably coated with plastic powder.
Idealerweise ist der Querschnitt des Sprühstrahls auf den Querschnitt der Axialnut angepasst, so dass die einzelnen Axialnuten nacheinander von einer Sprühdüse besprüht werden. Dabei kann in vorteilhafter Weise der zu besprühende Körper in Rotation versetzt werden, während die Düse axial zumindest auf eine der Stirnseiten des Körpers gerichtet ist. Durch die Rotationsgeschwindigkeit des Körpers bzw. die Intensität des Sprühstrahls kann hierbei die gewünschte Schichtdicke des Kunststoffpulvers innerhalb der Axialnut eingestellt werden. Beispielsweise können auch zwei oder mehr Sprühdüsen an einer axialen Stirnseite des Körpers angeordnet werden, die gleichzeitig auf verschiedene Axialnuten gerichtet sind. Während der Rotation des Körpers wird von jeweils einer Düse eine Axialnut in Umfangsrichtung nach der anderen mit dem Kunststoffpulver besprüht. Während der Rotation wird gleichzeitig die Stirnfläche des Körpers zwischen den Axialnuten mit Kunststoffpulver beschichtet. Eine solche Sprühdüse ist dabei bezüglich der Radialrichtung im Bereich der Axialnut angeordnet, so dass beispielsweise im radialen Innenraum des Körpers ein Dorn zur Aufnahme des Hauptelements angeordnet sein kann. Sind gleichzeitig mehrere Düsen an einer axialen Stirnseite des Körpers angeordnet, sind diese bevorzugt gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet, so dass zu einer vollständigen Beschichtung aller Axialnuten der Körper keine vollständige Rotation (360°) ausführen muss, sondern nur eine vollständige Umdrehung geteilt durch die Anzahl der Sprühdüsen. Eine besonders gleichmäßige Schichtdicke erhält man durch mehrere Umdrehungen des Körpers, so dass jede Axialnut mehrfach von einer Sprühdüse besprüht wird.Ideally, the cross section of the spray jet is adapted to the cross section of the axial groove, so that the individual axial grooves are sprayed successively by a spray nozzle. In this case, the body to be sprayed can be set in rotation in an advantageous manner, while the nozzle is axially directed at least on one of the end sides of the body. Due to the rotational speed of the body or the intensity of the spray jet in this case the desired layer thickness of the plastic powder can be adjusted within the axial groove. For example, two or more spray nozzles can be arranged on an axial end face of the body, which are simultaneously directed to different axial grooves. During the rotation of the body of each nozzle is an axial groove in Circumferentially sprayed one after the other with the plastic powder. During rotation, at the same time the end face of the body between the axial grooves is coated with plastic powder. Such a spray nozzle is arranged with respect to the radial direction in the region of the axial groove, so that, for example, in the radial interior of the body, a mandrel for receiving the main element can be arranged. If at the same time a plurality of nozzles are arranged on an axial end face of the body, they are preferably distributed uniformly over the circumference, so that for a complete coating of all axial grooves of the body does not have to perform a complete rotation (360 °), but only a complete revolution divided by the Number of spray nozzles. A particularly uniform layer thickness is obtained by several revolutions of the body, so that each axial groove is sprayed several times by a spray nozzle.
Damit die Axialnuten über ihre gesamte Axiallänge gleichmäßig beschichtet werden, werden diese von beiden axialen Stirnseiten besprüht. In einer ersten Ausführung wird hierzu der zu besprühende Körper einfach umgedreht, so dass die gleichen Sprühdüsen den Körper nach der ersten Stirnseite von der zweiten Stirnseite her besprühen. Dazu wird der Körper beispielsweise auf seiner Aufnahme umgesetzt, so dass nun die frühere untere Stirnseite axial nach oben zeigt, von wo nun die zweite axiale Stirnseite mittels der Düsen besprüht werden kann.So that the axial grooves are uniformly coated over their entire axial length, they are sprayed from both axial end faces. In a first embodiment, for this purpose, the body to be sprayed is simply reversed, so that the same spray nozzles spray the body after the first end side from the second end side. For this purpose, the body is converted, for example, on its recording, so that now shows the former lower end face axially upwards, from where now the second axial end face can be sprayed by means of the nozzles.
In einer alternativen Ausführung wird das Hauptelement gleichzeitig von beiden axialen Stirnseiten besprüht. Hierzu sind gegenüberliegend an beiden axialen Stirnseiten zeitgleich entsprechende Düsen angeordnet, die das Kunststoffpulver in Axialrichtung in die Axialnuten sprühen. Durch solch ein Verfahren kann die Besprühzeit deutlich reduziert werden, da hierbei auch auf ein Umsetzen des Körpers in der Aufnahme verzichtet werden kann. Bevorzugt ist die Drehachse der Aufnahme für den zu besprühenden Körper in Vertikalrichtung ausgerichtet, weil dann durch die Gravitationskraft keine Unregelmäßigkeiten zwischen den einzelnen Axialnuten bezüglich der Umfangsrichtung auftreten können. Bei einer bevorzugten Ausführung sind beispielsweise zwei Sprühdüsen axial oberhalb und zwei Sprühdüsen axial unterhalb des Körpers angeordnet.In an alternative embodiment, the main element is sprayed simultaneously from both axial end faces. For this purpose, at the same time corresponding nozzles are arranged at the same time on both axial end faces, which spray the plastic powder in the axial direction into the axial grooves. By such a method, the Besprühzeit can be significantly reduced, since this can be dispensed with a reaction of the body in the recording. Preferably, the axis of rotation of the receptacle for the body to be sprayed is aligned in the vertical direction, because then no irregularities between the individual axial grooves with respect to the circumferential direction can occur due to the gravitational force. In a preferred embodiment, for example, two spray nozzles are arranged axially above and two spray nozzles axially below the body.
Nachdem ein solches Hauptelement an den Innenseiten der Axialnuten und zumindest an den beiden Stirnseiten gleichmäßig mit Kunststoffpulver beschichtet wurde, wird das Kunststoffpulver, beispielsweise induktiv, erwärmt, bis dieses schmilzt. Nach dem anschließenden Abkühlen sind sowohl die Innenwände der Axialnuten als auch zumindest die beiden Stirnseiten des Körpers mit einer gleichmäßigen harten Isolationsschicht überzogen.After such a main element has been uniformly coated on the inner sides of the axial grooves and at least on the two end faces with plastic powder, the plastic powder, for example, inductive, heated until it melts. After the subsequent cooling both the inner walls of the axial grooves and at least the two end faces of the body are covered with a uniform hard insulation layer.
Für ein solches Verfahren zur Kunststoffpulverbeschichtung wird bevorzugt ein Epoxy-Pulver verwendet, dessen Pulverteilchen im Mittel einen durchschnittlichen Durchmesser aufweisen, der beispielsweise im Bereich 10 bis 200 µm liegt. Dabei können die Kunststoffpulver-Partikel noch leicht in die Axialnuten eindringen und bilden eine gleichmäßig dicke Kunststoffpulver-Beschichtung.For such a process for plastic powder coating, preference is given to using an epoxy powder whose powder particles on average have an average diameter which is, for example, in the range from 10 to 200 μm. The plastic powder particles can still easily penetrate into the axial grooves and form a uniformly thick plastic powder coating.
Nach dem Einbrennen der Kunststoffbeschichtung auf das Hauptelement, werden an diesem an beiden axialen Stirnseiten Isolierlamellen axial aufgesetzt. Auf diese wird wiederum die elektrische Wicklung gewickelt, wobei die Isolierlamellen eine Führung für den Wicklungsdraht darstellen. Die Isolierlamellen überdecken im Wesentlichen nur die axialen Stirnseiten des Körpers, wobei die axialen Innenseiten der Axialnuten im Wesentlichen ausschließlich durch die eingebrannte Kunststoffpulver-Beschichtung isoliert sind. An den beiden Stirnseiten weist ein solches Hauptelement eine doppelte Isolation auf, die erste durch die Kunststoff-Beschichtung, und die zweite durch die aufgesetzte Isolierlamelle, die bevorzugt als Kunststoff-Spritzgussbauteil ausgebildet ist.After baking the plastic coating on the main element, insulating lamellae are placed axially on this at both axial end faces. In turn, the electric winding is wound on this, wherein the insulating lamellae constitute a guide for the winding wire. The insulating lamellae cover substantially only the axial end faces of the body, wherein the axial inner sides of the axial grooves are substantially exclusively isolated by the baked plastic powder coating. At the two end faces, such a main element has a double insulation, the first through the plastic coating, and the second through the patch insulating lamella, which is preferably designed as a plastic injection-molded component.
Bevorzugt wird auf jeden einzelnen Zahn des Hauptelements eine Einzelspule gewickelt, die über Verbindungsdrähte untereinander verbunden sind. Diese Verbindungsdrähte werden mittels Führungselementen am radial äußeren Umfang der Isolierlamellen geführt, so dass die Einzelspulen bevorzugt auch ohne Unterbrechung mit einem einzigen Wickeldraht durchgewickelt werden können. Beispielsweise wird der Wickelprozess mittels Nadelwickeln durchgeführt, wobei der Wickeldraht auch direkt in die verschränkten Nuten eingelegt werden kann.Preferably, a single coil is wound on each individual tooth of the main element, which are interconnected via connecting wires. These connecting wires are guided by means of guide elements on the radially outer circumference of the insulating lamellae, so that the individual coils can preferably also be wound through without interruption with a single winding wire. For example, the winding process is carried out by means of needle winding, wherein the winding wire can also be inserted directly into the entangled grooves.
Das Verfahren zur Beschichtung des Hauptelements wird bevorzugt in einer geschlossenen Sprühkammer durchgeführt, innerhalb derer zum einen die Aufnahme für das Hauptelement, als auch sämtliche Sprühdüsen angeordnet sind. Die Sprühdüsen sind gegenüber dem Hauptelement elektrostatisch aufgeladen, so dass die Kunststoffpulver-Partikel von dem zu besprühenden Hauptelement angezogen werden. Zur Bildung einer Sprühwolke werden die Kunststoffpulver-Partikel bevorzugt mittels Druckluft der Düse zugeführt, wobei an dieser der Kunststoffteilchen-Strom einstellbar ist.The process for coating the main element is preferably carried out in a closed spray chamber, within which on the one hand the receptacle for the main element, as well as all the spray nozzles are arranged. The spray nozzles are electrostatically charged relative to the main element, so that the plastic powder particles are attracted to the main element to be sprayed. To form a spray cloud, the plastic powder particles are preferably fed by means of compressed air to the nozzle, wherein at this the plastic particle flow is adjustable.
Eine solche Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens lässt sich leicht in eine Produktionslinie für elektrische Maschinen integrieren. Die Aufnahme für das Hauptelement innerhalb der Sprühkammer ist dabei drehbar ausgebildet, wobei die Aufnahme bevorzugt um eine Vertikalachse rotiert. Je nach Anzahl zur Verfügung stehender Sprühdüsen wird dabei optional der Körper gleichzeitig von beiden Stirnseiten axial besprüht. Alternativ muss der Körper auf der Aufnahme 180° um eine Horizontalachse gedreht werden, damit der Körper zuerst von der ersten Stirnseite und danach von der zweiten Stirnseite axial besprüht werden kann.Such a device for carrying out the method can be easily integrated into a production line for electrical machines. The receptacle for the main element within the spray chamber is rotatably formed, wherein the receptacle preferably rotates about a vertical axis. Depending on the number of available spray nozzles, the body is optionally sprayed axially from both ends simultaneously. Alternatively, the body needs 180 ° rotated about a horizontal axis on the recording, so that the body can be sprayed first from the first end face and then from the second end face axially.
Das Hauptelement liegt bevorzugt mit den radialen Innenflächen der Statorzähne dicht an einem Dorn an, der Teil der Aufnahme für das Hauptelement ist. Vorteilhaft ist der Dorn aus einem elastischen Material gefertigt und wird durch eine axiale Verspannung radial gegen die Statorzähne gepresst. Dadurch werden die radialen Innenflächen der Statorzähne nicht mit Kunststoffpulver beschichtet und müssen somit nicht vor dem Einbrennen gereinigt werden. Die unbeschichteten radialen Innenflächen können dann eine genauere Toleranz zu dem Rotor bilden, der radial innerhalb der Statorzähne mit einem geringem radialen Luftspalt gelagert wird.The main element is preferably in contact with the radial inner surfaces of the stator teeth close to a mandrel, which is part of the receptacle for the main element. Advantageously, the mandrel is made of an elastic material and is pressed by an axial clamping radially against the stator teeth. As a result, the radial inner surfaces of the stator teeth are not coated with plastic powder and thus need not be cleaned before stoving. The uncoated radial inner surfaces may then form a more accurate tolerance to the rotor which is supported radially within the stator teeth with a small radial air gap.
Ein mit einem solchen Verfahren isoliertes Hauptelement hat den Vorteil, dass alle für das Bewickeln relevante Flächen und Kanten des Hauptelements mit einer zuverlässigen, harten, glatten Isolationsschicht überzogen sind. Dadurch entfällt beispielsweise der aufwendige Prozess Isolationspapier axial in die Axialnuten einzufügen. Durch die zusätzliche Verwendung der Isolierlamellen an den beiden axialen Stirnseiten des Hauptelements kann der Wicklungsdraht in Führungselementen der Isolationslamellen geführt werden. Dabei sind besonders strapazierte Kanten der Zähne im Bereich der Stirnseiten durch die Isolierlamellen doppelt geschützt, so dass beim Bewickeln der Zähne auch größere Kräfte durch den Wickeldraht generiert werden können. Ein derart isoliertes und bewickeltes Hauptelement kann besonders vorteilhaft als Stator eines EC-Motors verwendet werden, bei dem radial innerhalb eines solchen Stators ein Rotor angeordnet ist, der beispielsweise Permanentmagnete aufweist, die mit den Spulen des Außenstators zusammenwirken.A main element isolated by such a method has the advantage that all surfaces and edges of the main element relevant for the winding are covered with a reliable, hard, smooth insulation layer. This eliminates, for example, the complex process of inserting insulating paper axially into the axial grooves. Due to the additional use of the insulating lamellae on the two axial end faces of the main element, the winding wire can be guided in guide elements of the insulation lamellae. In this case, particularly stressed edges of the teeth are doubly protected in the region of the end faces by the insulating lamellae, so that larger forces can be generated by the winding wire when the teeth are being wound. Such a main element insulated and wound in such a way can be used particularly advantageously as a stator of an EC motor in which a rotor is arranged radially inside such a stator, which has, for example, permanent magnets which interact with the coils of the external stator.
Figurenlistelist of figures
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Pulverbeschichtungskammer mit einem zu besprühenden Körper -
2 eine Ansicht eines fertig bewickelten Körpers am Beispiel eines Stators eines EC-Motors.
-
1 a schematic representation of a powder coating chamber with a body to be sprayed -
2 a view of a finished wound body using the example of a stator of an EC motor.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführung weist die Vorrichtung
Ebenso ist die Beschichtung der radial äußeren Umfangswand
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise der Körper
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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