DE102018106977A1

DE102018106977A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts

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Publication number: DE102018106977A1
Application number: DE102018106977.4A
Authority: DE
Inventors: Moritz Glück; Clemens Dreher; Tobias Fleschhut
Original assignee: Grob Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Grob Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-09-26

Abstract

Eine Vorrichtung zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts umfasst eine Haltevorrichtung (10) zum Halten eines Drahts (5), der mit einer Isolationsschicht versehen ist. Schneidelemente einer Schneideinheit (20) sind zum Draht (5) hin bewegbar, um von außen in dessen Isolationsschicht einzudringen. Eine Vorschubeinheit (40) erzeugt eine Relativbewegung zwischen den Schneidelementen und dem Draht (5) in dessen Längsrichtung. Die Bewegung der Schneidelemente in Bezug auf den Draht (5) wird derart gesteuert, dass sie sich während ihres Eindringens in seine Isolationsschicht oder während ihres Herausziehens aus seiner Isolationsschicht in Längsrichtung des Drahts (5) bewegen. Bei einem Verfahren zum Entfernen einer Isolationsschicht wird ein Draht (5) gehalten, Schneidelemente einer Schneideinheit (20) werden von außen in die Isolationsschicht eingebracht, wobei sie während des Einbringens in die Isolationsschicht und/oder beim Herausziehen aus der Isolationsschicht relativ zum Draht (5) in dessen Längsrichtung bewegt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts für die Produktion von Maschinenelementen einer elektrischen Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts für die Produktion von Maschinenelementen einer elektrischen Maschine.
Unter elektrischen Maschinen werden insbesondere Maschinen zum Umwandeln elektrischer Energie in Bewegungsenergie und Maschinen zum Umwandeln von Bewegungsenergie in elektrische Energie verstanden. Insbesondere sind darunter Elektromotoren und Generatoren zu verstehen.
Zur Herstellung von Maschinenelementen derartiger elektrischer Maschinen, wie beispielsweise Statoren oder Rotoren, ist es in vielen Fällen erforderlich, elektrisch leitende Drähte zu formen, miteinander zu verbinden, zu schneiden, oder auf sonstige Weise zu verarbeiten. Der Draht kann dabei insbesondere auch einen rechteckigen Querschnitt haben, als Flach-, Vierkant- oder Profildraht ausgestattet sein, oder zum Beispiel als Flachbandstahl oder ähnliches vorliegen.
Die Herstellung der Maschinenelemente erfolgt üblicherweise in einer Produktionsanlage, in der Draht aus elektrisch leitfähigem Material weiterverarbeitet wird. Somit kann bei der Herstellung eines Maschinenelements einer elektrischen Maschine eine kontinuierliche Materialeinbringung in den Herstellungsprozess erreicht werden, was zu einer hohen Produktivität führt.
Bei der Herstellung von Elektromotoren für Kraftfahrzeuge werden zumeist Produktionsverfahren angewendet, die eine besonders wirtschaftliche Fertigung leistungsfähiger Bauteile für Elektromotoren ermöglichen. Hierzu gehört insbesondere das Hairpin-Verfahren, das derzeit neben der Einzugstechnik als die wirtschaftlichste Methode zur Herstellung von Elektromotoren in der Automobilindustrie gilt. Dabei werden Spulenwicklungen, insbesondere des Stators, aus unterschiedlichen Drahtstücken gebildet, deren Enden miteinander verbunden werden. Beispielsweise beschreiben hierzu die EP 2684283B1 , die EP 1554794B1 und die EP 1041696B1 Vorrichtungen und Verfahren zum Verbinden von Drahtenden von Hairpins zum Bilden von Statorwicklungen elektrischer Maschinen, bei denen die Drahtenden miteinander verschweißt werden.
Dem Herstellungsprozess der Elektromotoren ist der Herstellungsprozess der einzelnen Hairpins vorgelagert. Die einzelnen, elektrisch leitfähigen Hairpins werden möglichst dicht gepackt und zu einer durchgehenden elektrisch leitenden Wicklung verschweißt.
Die Geometrie der Hairpins ist dabei nicht fest vorgegeben, sondern abhängig von dem jeweiligen Elektromotor. Zudem werden bei der Herstellung eines Elektromotors PIN-Typen mit unterschiedlichen geometrischen Abmessungen benötigt.
Ausgangsmaterial für die Herstellung der Hairpins ist üblicherweise ein Kupferdraht, der mit einer Isolationsschicht versehen ist. Die Isolationsschicht ist vorwiegend aus Kunststoff gefertigt. Im Regelfall handelt es sich dabei um einen Rechteckdraht mit verrundeten Kanten.
Das Verschweißen der einzelnen Hairpins zu einer durchgehenden Wicklung ist ein wesentlicher Herstellungsschritt. Voraussetzung für eine fehlerfreie Schweißverbindung ist, dass die beiden Enden der Hairpins auf einer definierten Länge keine Isolationsschicht aufweisen. Hauptsächlich wird die Isolationsschicht, die beispielsweise eine isolierende Lackschicht ist, mittels Schaben oder Hobeln abgetragen. Dies kann sowohl in Längsrichtung des Drahts als auch quer zum Draht erfolgen.
Zum Abisolieren werden Schneidwerkzeuge, die senkrecht zum Draht angeordnet sind, in die Isolationsschicht bzw. den Draht gedrückt. Durch eine Bewegung der Schneidwerkzeuge entlang des Drahts wird die Isolationsschicht bzw. Lackschicht abgetragen. Während des Vorgangs wird der Draht in einer Stützeinheit gestützt.
Bei den bisher bekannten Verfahren zum Abisolieren besteht das Problem, dass sich oftmals Grate an den Trennstellen der Isolationsschicht bilden und die Übergänge zwischen Isolationsschicht und abisoliertem Drahtbereich ungleichmäßig sind. Hierdurch werden nachfolgende Verarbeitungsprozess beeinträchtigt. Insbesondere im Bereich der Trennstellen besteht zudem die Gefahr, dass die Isolations- bzw. Lackschicht beschädigt wird oder Rückstände der Isolationsschicht bzw. des Isolationsmaterials in dem abisolierten Bereich des Drahts verbleiben.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden und die Qualität des Drahts nach dem Abisoliervorgang zu erhöhen. Insbesondere sollen saubere, gleichmäßige und gratfreie Übergänge an den Trennstellen geschaffen werden. Weiterhin soll die verbleibende Isolationsschicht nicht beschädigt werden und Rückstände von Isolationsmaterial in dem abisolierten Bereich des Drahts sollen vermieden werden.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts für die Produktion von Maschinenelementen einer elektrischen Maschine gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts für die Produktion von Maschinenelementen einer elektrischen Maschine gemäß Patentanspruch 8, sowie ein Computerprogramm zum Steuern einer Vorrichtung zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts für die Produktion von Maschinenelementen einer elektrischen Maschine gemäß Patentanspruch gemäß Patentanspruch 15.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts für die Produktion von Maschinenelementen einer elektrischen Maschine geschaffen, mit einer Haltevorrichtung zum Halten eines Drahts, der mit einer Isolationsschicht versehen ist; Schneidelementen, die zum Draht hin bewegbar sind, um von außen in dessen Isolationsschicht einzudringen; einer Vorschubeinheit zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen den Schneidelementen und dem Draht in dessen Längsrichtung; und einer Steuereinheit zum Steuern der Bewegung der Schneidelemente in Bezug auf den Draht derart, dass sie sich während ihres Eindringens in seine Isolationsschicht oder ihres Herausziehens aus seiner Isolationsschicht in Längsrichtung des Drahts bewegen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, dass der Übergang an der Trennstelle der Isolationsschicht nahezu gratfrei ist und die verbleibende Isolationsschicht im Bereich des Übergangs nicht beschädigt wird. Es entsteht ein gleichmäßiger Übergang von den abisolierten auf die nicht-abisolierten Drahtbereiche. Eine scharfe Trennkante wird vermieden. Der Materialabtrag erfolgt auf eine Weise, dass sowohl beim Eintauchen der Schneidelemente in die Isolationsschicht als auch beim Austauchen der Schneidelemente aus der Isolationsschicht ein im Wesentlichen gratfreier Übergang zwischen den isolierten und den abisolierten Drahtbereichen entsteht.
Vorteilhafterweise ist die Geschwindigkeit des Eindringens der Schneidelemente in die Isolationsschicht und/oder des Herausziehens der Schneidelemente aus der Isolationsschicht auf die Geschwindigkeit der Relativbewegung in Längsrichtung des Drahts abgestimmt, um einen vorab definierten Schnittwinkel in der Isolationsschicht zu erzeugen.
Bevorzugt dringen die Schneidelemente erst nach dem Erreichen einer konstanten Geschwindigkeit in Längsrichtung des Drahts in dessen Isolationsschicht ein.
Das Austauchen aus der Isolationsschicht erfolgt bevorzugt ebenfalls bei konstanter Schnittgeschwindigkeit.
Insbesondere weisen die Schneidelemente eine Kontur auf, die der Negativkontur des Drahts unterhalb seiner Isolationsschicht entspricht. Dadurch wird erreicht, dass der Verlust an leitfähigem Material, insbesondere der Verlust an Kupfer, möglichst geringgehalten wird. Darüber hinaus wird die Ausgangsform des Drahts, der beispielsweise eine Rechteckform mit Kantenverrundung aufweisen kann, beibehalten.
Bevorzugt sind jeweils zwei gegenüberliegende Schneidelemente als Paare angeordnet, wobei z. B. ein erstes Paar von Schneidelementen in Längsrichtung des Drahts versetzt zu einem zweiten Paar von Schneidelementen angeordnet ist.
Die Steuereinheit ist insbesondere derart ausgestaltet, dass ein erstes Paar von Schneidelementen zeitlich versetzt zu einem zweiten Paar von Schneidelementen in die Isolationsschicht des Drahts eindringt.
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass die Isolationsschicht bzw. Lackschicht in den abisolierten Bereichen auf der gesamten Mantelfläche umlaufend entfernt wird. Insbesondere wird ein umlaufend gleichmäßiger, gratfreier Übergang an der Trennstelle der Isolationsschicht sichergestellt, was für die Nachfolgeprozesse und die Qualität der hergestellten Maschinenelemente von erheblichem Vorteil ist.
Bevorzugt sind die Schneidelemente derartig angeordnet, dass sie aus zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen in die Isolationsschicht eindringen. Beispielsweise steuert dabei die Steuereinheit die Bewegung der Schneidelemente derart, dass die jeweils erzeugten Schnittkanten aneinandergrenzen. Hierdurch wird ein umlaufend gleichmäßiger Übergang von den abisolierten auf die nicht-abisolierten Drahtbereiche sichergestellt.
Vorteilhaft umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung Halterungen zum positionsgenauen Austausch der Schneidelemente. Dadurch wird sichergestellt, dass die Abmessungen des leitfähigen Drahts bzw. Kupferdrahts in dem abisolierten Bereich über den gesamten Produktionsprozess gleichbleibend sind.
Bevorzugt sind Aktoren zum Bewegen erster Schneidelemente in einer ersten Richtung und Aktoren zum Bewegen zweiter Schneidelemente in einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung verläuft, vorgesehen.
Bevorzugt sind erste Aktoren und zweite Aktoren in Längsrichtung des in der Haltevorrichtung befindlichen Drahts versetzt zueinander angeordnet.
Vorteilhaft ist eine Positioniereinheit zur mittigen Führung des Drahts zwischen den Schneidelementen vorgesehen. Dadurch wird erreicht, dass der Draht trotz ungleicher Kräfte, die auf die gegenüberliegenden Drahtseiten wirken können, positionsgenau während dem Schnittprozess gehalten bzw. geführt wird.
Bevorzugt ist eine erste Klemmeinheit in Schnittrichtung hinter den Schneidelementen angeordnet, die zum Halten des Drahts während des Entfernens seiner Isolationsschicht dient. Dadurch werden Schnitt-bzw. Prozesskräfte aufgenommen, die beim Abisoliervorgang entstehen.
Bevorzugt ist eine zweite Klemmeinheit in Schnittrichtung vor den Schneidelementen angeordnet, um den Draht während des Schnittvorgangs zu stabilisieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts für die Produktion von Maschinenelementen einer elektrischen Maschine umfasst die Schritte:

Halten eines Drahts, der mit einer Isolationsschicht versehen ist;
Einbringen von Schneidelementen von außen in die Isolationsschicht;
Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den Schneidelementen und dem Draht in dessen Längsrichtung;
wobei die Schneidelemente während des Einbringens in die Isolationsschicht und/oder beim Herausziehen aus seiner Isolationsschicht relativ zum Draht in dessen Längsrichtung bewegt werden.

Das Verfahren ermöglicht, dass ein nahezu gratfreier und gleichmäßiger Übergang an der Trennstelle zwischen Isolationsschicht und abisoliertem Drahtbereich sichergestellt wird. Darüber hinaus werden scharfe Kanten der Isolationsschicht an der Trennstelle vermieden.
Bevorzugt ist die Geschwindigkeit des Eindringens der Schneidelemente in die Isolationsschicht und/oder des Herausziehens der Schneidelemente aus der Isolationsschicht auf die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen den Schneidelementen und dem Draht in Längsrichtung des Drahts abgestimmt, um einen vorab definierten Schnittwinkel in der Isolationsschicht zu erzeugen.
Vorteilhafterweise werden die Schneidelemente erst dem Erreichen einer konstanten Geschwindigkeit in Längsrichtung des Drahts in dessen Isolationsschicht eingebracht.
Insbesondere werden Schneidelemente verwendet, deren Kontur der Negativkontur des Drahts unterhalb seiner Isolationsschicht entspricht. Dadurch wird die Ausgangsform des Drahts beibehalten, die zum Beispiel eine Rechteckform mit Kantenverrundung sein kann. Der Kupferverlust bzw. der Verlust an leitfähigem Material wird möglichst geringgehalten.
Vorteilhaft wird zunächst ein erstes Paar von Schneidelementen und anschließend, mit einem zeitlichen Versatz, ein zweites Paar von Schneidelementen in die Isolationsschicht eingebracht, wobei die beiden Paare von Schneidelementen beispielsweise in Längsrichtung des Drahts versetzt zueinander angeordnet sind.
Der zeitliche Versatz kann dabei z. B. derart gewählt werden, dass die durch das erste und das zweite Paar von Schneidelementen erzeugten Schnittkanten in ihrer Position in Längsrichtung des Drahts übereinstimmen. Durch diese Maßnahmen wird ein gratfreier Übergang ohne Versatz zwischen den verschiedenen Drahtflächen erreicht.
Vorteilhafterweise werden erste Schneidelemente in einer ersten Richtung und zweite Schneidelemente in einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung verläuft, in die Isolationsschicht eingebracht.
Insbesondere werden die Schneidelemente einzeln angesteuert, um in die Isolationsschicht einzudringen. Dadurch kann der Übergang von dem isolierten Bereich auf den nichtisolierten Bereich des Drahts besonders genau ausgeführt werden, um einen Versatz in der verbleibenden Isolationsschicht zwischen den Hauptflächen und den Seitenflächen des Drahts auszuschließen.
Bevorzugt wird der Draht mittels einer Positioniereinheit mittig zwischen den Schneidelementen geführt. Dadurch wird eine besonders hohe Genauigkeit bei der Durchführung des Verfahrens sichergestellt.
Vorteilhafterweise wird der Draht während des Entfernens der Isolationsschicht mittels einer ersten Klemmeinheit, die in Schnittrichtung hinter den Schneidelementen angeordnet ist, gehalten. Dadurch werden Schnitt-bzw. Prozesskräfte, die beim Abisolieren wirken, aufgenommen.
Insbesondere wird der Draht mittels einer zweiten Klemmeinheit, die in Schnittrichtung vor den Schneidelementen angeordnet ist, während des Schnittvorgangs stabilisiert.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm zum Steuern einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geschaffen, das Programmschritte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst.
Vorteile und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen genannt sind, gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Die Vorrichtung in diesem Beispiel dient dazu, Draht in definierten Bereichen abzuisolieren, um ihn für die Produktion von Maschinenelementen einer elektrischen Maschine zu verwenden. Insbesondere werden aus dem Draht Statoren eines Elektromotors hergestellt, der als Fahrmotor für ein Fahrzeug dient, wie beispielsweise eines Elektro-Kraftwagens. Derartige Motoren haben z. B. eine Leistung im Bereich von 10 kW bis 500 kW, vorzugsweise zwischen 20 kW und 200 kW.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts für die Produktion von Maschinenelementen einer elektrischen Maschine;
2 einen vergrößerten Ausschnitt der in 1 gezeigten Vorrichtung, in dem eine Anordnung von Schneidelementen schematisch dargestellt ist;
3 eine schematische Darstellung eines Bewegungsprofils von Schneidelementen bei einer konstanten Schnittgeschwindigkeit;
4a eine schematische Darstellung eines Teils eines Drahts, bei dem ein Drahtbereich abisoliert ist, als Ansicht schräg von oben, zusammen mit einer vergrößerten Detailansicht;
4b eine schematische Darstellung eines Übergangs zwischen dem isolierten und dem abisolierten Bereich eines Drahts als Draufsicht, zusammen mit einer vergrößerten Detailansicht;
5 einen vergrößerten Teilbereich der in 1 dargestellten Vorrichtung, mit einer Positioniereinheit und einer Zusatzklemmeinheit.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch als Ansicht schräg von oben dargestellt. Eine Haltevorrichtung 10, die zwei Klemmeinheiten 71, 72 umfasst, dient zum Halten eines Drahts 5, der mit einer Isolationsschicht versehen ist. In einer Schneideinheit 20 sind Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b angeordnet (siehe 2). Die Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b bzw. Schneidwerkzeuge sind zum Draht 5 hin bewegbar, um von außen in dessen Isolationsschicht einzudringen. Eine Vorschubeinheit 40 mit einer separaten Vorschubachse 41 dient dazu, eine Relativbewegung zwischen den Schneidelementen 21a, 21b, 22a, 22b und dem Draht 5 in dessen Längsrichtung zu erzeugen, das heißt in Schnittrichtung S. Die Bewegung der Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b in Bezug auf den Draht 5 wird mittels einer hier nicht explizit dargestellten Steuereinheit derart gesteuert, dass diese sich während ihres Eindringens in die Isolationsschicht des Drahts 5 oder ihres Herausziehens aus seiner Isolationsschicht in der Längsrichtung des Drahts 5 bewegen.
Der Draht 5 ist in diesem Beispiel ein Flachlackdraht mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wobei die Kanten des Drahts 5 abgerundet sind. In diesem Beispiel wird ein Kupferdraht verwendet, bei dem eine Lackschicht als Isolationsschicht dient. Nach dem Entfernen der Isolationsschicht mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll der Draht 5 zu Hairpins weiterverarbeitet werden.
2 zeigt die Schneideinheit 20 in einer vergrößerten Ansicht. Die vier Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b sind jeweils paarweise gegenüberliegend angeordnet, so dass sie von vier Seiten zum Draht 5 hin bewegbar sind, um in dessen Isolationsschicht einzudringen. Zum Antrieb dienen einzeln angesteuerte Zustellachsen bzw. Aktoren 31a, 31b, 32a, 32b. Dabei sind die vier Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b jeweils paarweise versetzt angeordnet und in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen zum Draht 5 hin und vom Draht 5 weg bewegbar
Um den Draht 5 von allen Seiten abzuisolieren sind die Zustellachsen oder Aktoren 31a, 31b, 32a, 32b mit ihren jeweils zugeordneten Schneidelementen 21a, 21b, 22a, 22b sternförmig angeordnet, wobei im Betrieb der Draht 5 im Zentrum der Anordnung positioniert wird. Dabei sind die horizontal angeordneten Aktoren 32a, 32b mit dem ihnen zugeordneten Paar von Schneidelementen 22a, 22b in der Laufrichtung L des Drahts 5 versetzt zu den vertikal angeordneten Aktoren 31a, 31b und dem dazugehörigen Paar von Schneidelementen 21a, 21b angeordnet.
Durch die Bewegung der Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b entlang des Drahts 5 wird im Betrieb eine Schnittbewegung erzielt, so dass fest definierte Drahtabschnitte des Drahts 5 der als Endlosdraht ausgestaltet ist, abisoliert werden können.
Die Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b sind als Formschneidewerkzeuge ausgestaltet, in die die Negativkontur des elektrisch leitenden Drahtkerns unterhalb seiner Isolationsschicht eingebracht ist, das heißt in diesem Fall die Negativkontur des Kupferquerschnitts des Drahts 5. Dadurch wird der Kupferverlust möglichst geringgehalten und die Ausgangsform des Drahts 5, in diesem Fall eine Rechteckform mit Kantenverrundung, wird beibehalten.
Die Zustellung der beiden Paare von Schneidelementen 21a, 21b und 22a, 22b ist derart gesteuert, dass sie zeitlich versetzt erfolgt. Dabei ist der zeitliche Versatz auf den örtlichen Versatz der Schneidelementpaare und auf die Geschwindigkeit des Drahtvorschubs relativ zu den Schneidelementen abgestimmt, so dass das Eintauchen der Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b in die Isolationsschicht des Drahts 5 an derselben Längsposition des Drahts 5 erfolgt, wodurch sich eine umlaufende Trennkante in der Isolationsschicht ergibt.
In der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Schneideinheit 20 gegenüber dem Draht 5 bewegt, während dieser festgehalten wird. Das heißt, die Bewegung der Schneideinheit 20 erfolgt in Schnittrichtung S entlang des Drahts 5 bzw. entgegengesetzt zur Laufrichtung L des Drahts 5 in Bezug auf die Schneideinheit 20.
In dem hier gezeigten Beispiel erfolgt die Steuerung der Zustellachsen 31a, 31b, 32a, 32b derart, dass während der Relativbewegung zwischen der Schneideinheit 20 und dem Draht 5 zunächst das vertikal angeordnete Paar von Schneideinheiten 21a, 21b an der Oberseite und der Unterseite des Drahts 5 in die Isolationsschicht eindringt. Mit zeitlichem Versatz dringt anschließend das horizontal angeordnete Paar von Schneideinheiten 22a, 22b an den Seitenflächen des Drahts 5 in dessen Isolationsschicht ein und entfernt das seitlich verbliebene Isolationsmaterial vom Draht 5.
3 zeigt ein Bewegungsprofil von Schneiden 1, 2 und 3, 4, die am vorderen Ende der Schneidelemente 21a, 21b bzw. 22a, 22b ausgebildet sind und sich paarweise gegenüberliegen, in Abhängigkeit von der Zeit t. In der Darstellung zeigt die x-Achse die radiale Position der Schneiden 1, 2 der vertikal angeordneten Schneideinheiten 21a, 21b sowie die radiale Position der Schneiden 3, 4 der horizontal angeordneten Schneideinheiten 22a, 22b relativ zum Zentrum des Drahts 5, d.h. die Position in dessen radialer Richtung.
Die gestrichelte Linie an der Position X₀ bezeichnet die Ausgangsposition der Schneiden 1, 2 bzw. 3, 4 bevor sie zum Draht 5 hinbewegt werden. X₁ bezeichnet die Position der Oberfläche der Isolationsschicht des Drahts 5. X₂ bezeichnet die Position der Oberfläche der unterhalb der Isolationsschicht gelegenen Kupferschicht des Drahts 5.
In dem gezeigten Beispiel eines Abisoliervorgangs bewegt sich die Schneideinheit 20 mit konstanter Geschwindigkeit in Schnittrichtung S entlang des Drahts 5 (siehe 2). Nun werden die vertikal angeordneten Schneideinheiten 21a, 21b mit konstanter Geschwindigkeit von ihrer Ausgangsposition X₀ zum Draht 5 hinbewegt. Zum Zeitpunkt t1 erreichen die Schneiden 1 und 2 der Schneideinheiten 21a bzw. 21b die Oberfläche der Isolationsschicht des Drahts 5 (Position X₁ ) und tauchen mit konstanter Geschwindigkeit in die Isolationsschicht ein, bis sie die Oberfläche des Kupfers innerhalb des Drahts 5 erreichen (Position X₂ ).
Mit einem zeitlichen Versatz t2-t1 erfolgt auf gleiche Weise die Zuführung der horizontal angeordneten Schneideinheiten 22a, 22b, so dass deren Schneiden 3 und 4 zum Zeitpunkt t2 die Oberfläche der Isolationsschicht erreichen und weiterhin mit konstanter Geschwindigkeit in diese eintauchen, bis sie die Oberfläche des Kupfers erreichen.
Durch den Drahtvorschub, der in diesem Beispiel durch den Vorschub der Schneideinheit 20 mit konstanter Schnittgeschwindigkeit in Schnittrichtung S erzeugt wird, während der Draht 5 feststeht, wird die Isolationsschicht an der Ober- und Unterseite des Drahts 5 durch die Schneiden 1 und 2 der Schneidelemente 21a, 21b, sowie an seinen beiden Seiten durch die Schneiden 3 und 4 der Schneidelemente 22a, 22b, von dem darunterliegenden Kupfer getrennt.
Nach Erreichen einer definierten Position in Längsrichtung des Drahts 5 erfolgt das Austauchen der Schneiden 1, 2 bzw. 3, 4 aus der Isolationsschicht, wobei die Schnittgeschwindigkeit in Schnittrichtung S konstant gehalten wird.
Dabei wird zunächst das erste bzw. vertikal angeordnete Paar von Schneidelementen 21a, 21b vom Draht weg in Richtung der Ausgangsposition mit konstanter Geschwindigkeit zurückgezogen, so dass deren Schneiden 1, 2 zum Zeitpunkt t3 aus der Isolationsschicht austauchen. Mit zeitlichem Versatz t4-t3 erfolgt das Austauchen der Schneiden 3, 4 der horizontal angeordneten Schneidelemente 22a, 22b aus der Isolationsschicht zum Zeitpunkt t4, ebenfalls mit konstanter Geschwindigkeit.
Durch das Eintauchen der Schneiden 1, 2 bzw. 3, 4 mit konstanter Eintauchgeschwindigkeit bei konstanter Schnittgeschwindigkeit bzw. Vorschubgeschwindigkeit in Schnittrichtung S ergibt sich ein definierter Eintauchwinkel α der Schneiden 1, 2 bzw. 3, 4 beim Eindringen in die Isolationsschicht. Dasselbe gilt für das Zurückziehen der Schneiden 1, 2 bzw. 3, 4 mit konstanter Austauchgeschwindigkeit bei konstanter Schnittgeschwindigkeit in Schnittrichtung S, so dass sich auch dabei ein definierter Austauchwinkel β ergibt.
Die Steuerung der Bewegungen erfolgt auf eine Weise, dass der Ein- bzw. Austauchwinkel der Schneiden 1, 2 sowie 3, 4 genau auf die Schnittgeschwindigkeit in der Schnittrichtung S abgestimmt ist.
Die vier Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b sind über eine Standard-Werkzeugschnittstelle auf die Zustellachsen bzw. Aktoren 31a, 31b, 32a, 32b aufgesetzt. Hierzu ist ein Nullpunkt-Spannsystem vorgesehen, so dass die Schneidelemente 21a, 21b bzw. 22a, 22b, die Schneidwerkzeuge bilden, positionsgetreu getauscht werden können.
Da die Aktoren 31a, 31b, 32a, 32b einzeln angesteuert werden, kann der Übergang von dem isolierten Bereich des Drahts 5 auf den nichtisolierten Bereich so ausgeführt werden, dass kein Versatz zwischen den Hauptflächen und den Seitenflächen des Drahts 5 entsteht.
Die 4a und 4b zeigen den Übergang vom isolierten auf den nichtisolierten Bereich des Drahts 5 in einer vergrößerten Ansicht, nachdem der Abisoliervorgang durchgeführt wurde. Zwischen dem nichtisolierten Drahtbereich A und dem isolierten Drahtbereich B befindet sich eine Trennkante 7, die aufgrund der Einzelachsansteuerung und dem optimierten Bewegungsprofil der Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b umlaufend an der Außenseite des Drahts 5 an einer vorab genau definierten Position in Längsrichtung des Drahts 5 ausgebildet ist.
Dadurch, dass beim Eintauchen und beim Austauchen die Geschwindigkeit der Zustellung der Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b auf die Geschwindigkeit des Drahtvorschubs relativ zur Schneideinheit 20 abgestimmt ist, ergeben sich abgeschrägte Trennkanten 7 mit dem Winkel α bzw. β. Somit entsteht ein gratfreier Übergang ohne Versatz zwischen den Drahtflächen.
5 zeigt einen Teilbereich der in 1 gezeigten Vorrichtung in vergrößerter Ansicht. In Schnittrichtung S vor den Schneidelementen 21a, 21b, 22a, 22b ist eine Positioniereinheit 60 angeordnet, um den Draht 5 gleitend zu führen und die Position des Drahts 5 mittig zwischen den Schneidelementen 21a, 21b, 22a, 22b sicherzustellen.
In diesem Beispiel hat die Positioniereinheit 60 ein oberes Positionierelement 60a und ein unteres Positioniereinheit 60b, zwischen denen der Draht 5 geführt wird. Je nach Drahtgeometrie können auch zwei oder mehr Positioniereinheiten zum Einsatz kommen, so dass der Draht 5 vertikal oder horizontal oder auch vertikal und zusätzlich horizontal geführt werden kann. Die Positioniereinheiten 60 sind den Schneidenpaaren bzw. Paaren von Schneidelementen 21a, 21b bzw. 22a, 22b in Schnittrichtung S vorgelagert.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zur ersten Klemmeinheit 71, welche die Schnitt- bzw. Prozesskräfte aufnimmt und in 1 gezeigt ist, eine zweite Klemmeinheit 72 vorgesehen.
Dabei befindet sich die erste Klemmeinheit 71 als Hauptklemmeinheit in Schnittrichtung S hinter den beiden Paaren von Schneidelementen 21a, 21b bzw. 22a, 22b (siehe 1). Die erste Klemmeinheit 71 bzw. Hauptklemmeinheit umfasst zwei nebeneinanderliegende Klemmelemente 71a, 71b, die jeweils eine obenliegende und eine untenliegende Klemmbacke aufweisen. In der Klemmeinheit 71 wird der Draht 5 während dem Abisolierprozess festgehalten.
Die zweite Klemmeinheit 72 stellt eine Zusatzklemmeinheit dar und befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite der Schneideinheit 20, das heißt in Schnittrichtung S vor der Schneideinheit 20 (siehe 5). Die zweite Klemmeinheit 72 stabilisiert den Draht 5 während dem Schnittprozess. Sie weist zwei gegenüberliegende Klemmbacken auf, zwischen denen der Draht 5 während dem Schnittprozess gehalten wird.
Der Drahtvorschub, das heißt die Relativbewegung zwischen dem Draht 5 und der Schneideinheit 20, wird im laufenden Prozess über die separate Vorschubachse 41 erzeugt, die einen Teil der Vorschubeinheit 40 bildet. Die Vorschubeinheit 40 mit der Vorschubachse 41 dient dazu, die Schneideinheit 20 gemeinsam mit der Positioniereinheit 60 (siehe 5) auf eine definierte Schnittgeschwindigkeit zu beschleunigen, die zum Abisolieren der Lackschicht bzw. Isolationsschicht 5b des Drahts 5 genutzt wird.
Eine Positionierachse 80 (siehe 1) dient dazu, unterschiedliche Abmessungen der herzustellenden Drahtelemente oder Hairpins zu berücksichtigen oder zu kompensieren. Zu diesem Zweck sind die Schneideinheit 20, die Positioniereinheit 60 (siehe 5), sowie die Klemmeinheiten 71, 72 auf einem Wagen 90 angeordnet, der in Längsrichtung des Drahts 5 bewegbar ist. Zur Führung des Wagens 90 dienen Schienen 91.
Nachfolgend wird anhand der 1 und 5 ein Verfahren zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts als Ausführungsbeispiel beschrieben.
Zunächst wird der Draht 5, der mit der Isolationsschicht 5b versehen ist, mittels der Klemmeinheiten 71, 72 gehalten und dabei fest positioniert.
Zum Abisolieren definierter Bereiche des Drahts 5 wird mittels der Vorschubeinheit 40 eine Relativbewegung zwischen der Schneideinheit 20 mit ihren Schneidelementen 21a, 21b, 22a, 22b und dem Draht 5 in dessen Längsrichtung erzeugt. Dabei wird die Schneideinheit 20 entlang des Drahts 5 in dessen Längsrichtung bewegt, während der Draht 5 festgehalten wird.
Während die Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b relativ zum Draht 5 in dessen Längsrichtung bewegt werden, werden sie von außen, das heißt quer zur Längsrichtung des Drahts 5, in dessen Isolationsschicht 5b eingebracht.
Um den Abisoliervorgang zu beenden, werden die Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b aus der Isolationsschicht 5b des Drahts 5 herausgezogen, wobei die Relativbewegung zwischen den Schneidelementen 21a, 21b, 22a, 22b und dem Draht 5 in dessen Längsrichtung weiter fortgeführt wird.
Durch die Bewegung der Schneideinheit 20 mit den Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b entlang des Drahts 5 in dessen Längsrichtung, erfolgt eine Schnittbewegung in Schnittrichtung S, die zum Abisolieren vorab definierter Drahtabschnitte genutzt wird, wobei der Draht 5 insbesondere als Endlosdraht vorliegt.
Zur Vermeidung einer Gratbildung an den Übergangsstellen zwischen den isolierten und abisolierten Drahtbereichen wird der Eintauchwinkel und der Austauchwinkel der Schneiden 1, 2, 3, 4 genau auf die Schnittgeschwindigkeit abgestimmt (siehe 3). Die Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b werden dem Draht 5 von dessen Seiten her derart zugestellt, dass sie erst nach Erreichen einer konstanten Schnittgeschwindigkeit in die Isolationsschicht 5b des Drahts 5 eintauchen. Ebenso erfolgt das Austauchen bei einer konstanten Schnittgeschwindigkeit. Das Bewegungsprofil wurde oben bereits detailliert beschrieben.
Während dem Schnittprozess wird der Draht 5 mittels einer Führungseinheit von zwei Seiten oder von vier Seiten geführt. Die Führungseinheit wird in der hier dargestellten Ausführungsform durch die Positioniereinheit 60 gebildet. Bevor die Schneiden der Schneidelemente 21a, 21b, 22a, 22b mit dem Draht 5 in Berührung kommen, wird dieser durch die Führungseinheit mittig zwischen den Schneidenpaaren der paarweise angeordneten Schneidelemente 21a, 21b und 22a, 22b positioniert und gehalten. Durch die in die Schneideeinheit 20 integrierte Führungseinheit werden ungleiche Kräfte kompensiert, die durch die Schnittbewegung auf die gegenüberliegenden Drahtseiten wirken können.
Die Steuerung der Vorrichtung durch die Steuereinheit kann durch eine geeignete Elektronik bzw. mit einem Computerprogramm erfolgen. Die Steuereinheit kann aber auch mechanisch realisiert sein, das heißt es erfolgt eine mechanische Steuerung um die beschriebenen Verfahrensschritte durchzuführen.
Das hier beschriebene Abisolierverfahren beinhaltet einen optimierten Bewegungsablauf, wodurch ein umlaufend gleichmäßiger Übergang von den abisolierten auf die nicht-abisolierten Drahtbereiche sichergestellt wird. Das oben unter Bezugnahme auf die 3 beschriebene spezielle Bewegungsprofil der einzelnen Schneiden wird durch aufeinander abgestimmte Bewegungen der Zustellachsen 31a, 31b, 32a, 32b und der Vorschubachse 41 erzielt.
Der optimierte Bewegungsablauf der verschiedenen bewegbaren Elemente bzw. Achsen wird durch eine in den Figuren nicht gezeigte Steuereinheit erzielt. Die Steuerung erfolgt mittels eines Computerprogramms zur Ausführung der einzelnen Verfahrensschritte.
Bezugszeichenliste

5: Draht
5b: Isolationsschicht
7: Trennkante
10: Haltevorrichtung
20: Schneideinheit
21a, 21b: Schneidelemente
22a, 22b: Schneidelemente
40: Vorschubeinheit
41: Vorschubachse
31a, 31b: Aktoren
32a, 32b: Aktoren
60: Positioniereinheit
71: erste Klemmeinheit
71a, 71b: Klemmelemente
72: zweite Klemmeinheit
80: Positionierachse
90: Wagen
91: Schienen
S: Schnittrichtung
α, β: Schnittwinkel
A: abisolierter bzw. nichtisolierter Drahtbereich
B: isolierter Drahtbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2684283 B1 [0005]
EP 1554794 B1 [0005]
EP 1041696 B1 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts für die Produktion von Maschinenelementen einer elektrischen Maschine, umfassend: eine Haltevorrichtung (10) zum Halten eines Drahts (5), der mit einer Isolationsschicht (5b) versehen ist; Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b), die zum Draht (5) hin bewegbar sind, um von außen in dessen Isolationsschicht (5b) einzudringen, eine Vorschubeinheit (40) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen den Schneidelementen (21a, 21b, 22a, 22b) und dem Draht (5) in dessen Längsrichtung; und eine Steuereinheit zum Steuern der Bewegung der Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b) in Bezug auf den Draht (5) derart, dass sie sich während ihres Eindringens in seine Isolationsschicht (5b) oder ihres Herausziehens aus seiner Isolationsschicht (5b) in Längsrichtung des Drahts (5) bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Eindringens der Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b) in die Isolationsschicht (5b) und/oder des Herausziehens der Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b) aus der Isolationsschicht (5b) auf die Geschwindigkeit der Relativbewegung in Längsrichtung des Drahts (5) abgestimmt ist, um einen vorab definierten Schnittwinkel (α, β) in der Isolationsschicht (5a) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b) erst nach dem Erreichen einer konstanten Geschwindigkeit in Längsrichtung des Drahts (5) in dessen Isolationsschicht (5b) eindringen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b) eine Kontur aufweisen, die der Negativkontur des Drahts (5) unterhalb seiner Isolationsschicht (5b) entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 5.1. dass jeweils gegenüberliegende Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b) als Paare angeordnet sind, wobei ein erstes Paar von Schneidelementen (21a, 21b) in Längsrichtung des Drahts (5) versetzt zu einem zweiten Paar von Schneidelementen (22a, 22b) angeordnet ist; und/oder 5.2. dass die Steuereinheit (50) derart ausgestaltet ist, dass ein erstes Paar von Schneidelementen (21a, 21b) zeitlich versetzt zu einem zweiten Paar von Schneidelementen (22a, 22b) in die Isolationsschicht (5b) des Drahts (5) eindringt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidelemente (21a, 21b; 22a, 22b) derart angeordnet sind, dass sie aus zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen in die Isolationsschicht (5b) eindringen, wobei die Steuereinheit (50) die Bewegung der Schneidelemente (21a, 21b; 22a, 22b) derart steuert, dass die jeweils erzeugten Schnittkanten (7) aneinander grenzen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch 7.1. Halterungen zum positionsgenauen Austausch der Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b); und/oder 7.2. Aktoren (31a, 31b) zum Bewegen erster Schneidelemente (21a, 21b) in einer ersten Richtung und Aktoren (32a, 32b) zum Bewegen zweiter Schneidelemente (22a, 22b) in einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung verläuft; und/oder 7.3. erste Aktoren (31a, 31b) und zweite Aktoren (32a, 32b), die in Längsrichtung des in der Haltevorrichtung (10) befindlichen Drahts (5) versetzt zueinander angeordnet sind, und/oder 7.4. eine Positioniereinheit (60) zur mittigen Führung des Drahts (5) zwischen den Schneidelementen (21a, 21b, 22a, 22b); und/oder 7.5. eine erste Klemmeinheit (71), die in Schnittrichtung hinter den Schneidelementen (21a, 21b, 22a, 22b) angeordnet ist, zum Halten des Drahts (5) während des Entfernens seiner Isolationsschicht (5b); und/oder 7.6. eine zweite Klemmeinheit (72), die in Schnittrichtung vor den Schneidelementen (21a, 21b, 22a, 22b) angeordnet ist, zur Stabilisierung des Drahts (5) während des Schnittvorgangs.
Verfahren zum Entfernen einer Isolationsschicht eines Drahts für die Produktion von Maschinenelementen einer elektrischen Maschine, umfassend die Schritte: Halten eines Drahts (5), der mit einer Isolationsschicht (5b) versehen ist; Einbringen von Schneidelementen (21a, 21b, 22a, 22b) von außen in die Isolationsschicht (5b), Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den Schneidelementen (21a, 21b, 22a, 22b) und dem Draht (5) in dessen Längsrichtung; wobei die Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b) während des Einbringens in die Isolationsschicht (5b) und/oder beim Herausziehen aus seiner Isolationsschicht (5b) relativ zum Draht (5) in dessen Längsrichtung bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Eindringens der Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b) in die Isolationsschicht (5b) und/oder des Herausziehens der Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b) aus der Isolationsschicht (5b) auf die Geschwindigkeit der Relativbewegung in Längsrichtung des Drahts (5) abgestimmt ist, um einen vorab definierten Schnittwinkel (α, β) in der Isolationsschicht (5a) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b) erst nach dem Erreichen einer konstanten Geschwindigkeit in Längsrichtung des Drahts (5) in dessen Isolationsschicht (5b) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Schneidelemente (21a, 21b, 22a, 22b) verwendet werden, deren Kontur der Negativkontur des Drahts (5) unterhalb seiner Isolationsschicht (5b) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein erstes Paar von Schneidelementen (21a, 21b) und anschließend mit einem zeitlichen Versatz ein zweites Paar von Schneidelementen (21a, 21b) in die Isolationsschicht (5b) eingebracht wird, wobei die beiden Paare von Schneidelementen in Längsrichtung des Drahts (5) versetzt zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Versatz derart gewählt wird, dass die durch das erste und das zweite Paar von Schneidelementen (21a, 21b; 22a, 22b) erzeugten Schnittkanten in ihrer Position in Längsrichtung des Drahts (5) übereinstimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass 14.1. erste Schneidelemente (21a, 21b) in einer ersten Richtung und zweite Schneidelemente (22a, 22b) in einer zweiten Richtung in die Isolationsschicht (5b) eingebracht werden, die senkrecht zur ersten Richtung verläuft; und/oder 14.2. die Schneidelemente (21a, 21b, 21c, 21d) einzeln angesteuert werden, um in die Isolationsschicht (5b) einzudringen; und/oder 14.3. der Draht (5) mittels einer Positioniereinheit (60) mittig zwischen den Schneidelementen (21a, 21b, 22a, 22b) geführt wird, und/oder 14.4. der Draht (5) während des Entfernens der Isolationsschicht (5b) mittels einer ersten Klemmeinheit (71), die in Schnittrichtung S hinter den Schneidelementen (21a, 21b, 22a, 22b) angeordnet ist, gehalten wird; und/oder 14.5. der Draht (5) mittels einer zweiten Klemmeinheit (72), die in Schnittrichtung S vor den Schneidelementen (21a, 21b, 22a, 22b) angeordnet ist, während des Schnittvorgangs stabilisiert wird.
Computerprogramm zum Steuern einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, das Programmschritte zur Durchführung eines Verfahrens gemäß Patentanspruch 8 umfasst.